一、霍爾集成電路的原理

當將一塊通電的半導體薄片垂直置于磁場中時，薄片兩側(cè)由此會產(chǎn)生電位差，此現(xiàn)象稱為霍爾效應。此電位差稱為霍爾電勢，電勢的大小E=KIB/d，式中K是霍爾系數(shù)，d為薄片的厚度，I為電流，B為磁感應強度。圖1示出霍爾效應的原理：在三維空間內(nèi)，霍爾半導體平板在XOY平面內(nèi)，它與磁場方向垂直，磁場指向Y軸的方向，沿X軸方向通以電流I，由于運動的電荷與磁場的相互作用，結(jié)果在Z軸方向上產(chǎn)生了霍爾電勢E，一般其值可達幾十毫伏。為此，將霍爾元件與電子線路集成在一塊約2mm*2mm的硅基片上，就做成了溫度穩(wěn)定性好、可靠性高的霍爾集成電路。

二、典型霍爾集成電路結(jié)構(gòu)分析

霍激光傳感器爾集成電路按輸出方式可分為線性型和開關型，若按集成電路內(nèi)部的有源器件可分為雙極型和MOS型。圖2、圖3分別示出了一種雙極型霍爾集成電路內(nèi)部的原理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)，圖2為開關型的，圖3為線性型的。 在圖2中IC內(nèi)通過霍爾元件H的磁性檢測反映為高低電平的輸出。V1、V2組成差分放大器，它將霍爾電勢放大，其放大倍數(shù)約幾十倍；V3、V4組成施密特觸發(fā)器，它將放大的霍爾電勢整形為矩形脈沖；V5、V6進一步對矩形脈沖緩沖放大；V7、V8為開路集電極輸出管。圖2a中有兩個輸出端，這里之所以采用集電極開路輸出結(jié)構(gòu)，是因為它可以有較大的負載能力，且易于與不同類型的電路接口，但亦有部分霍爾集成電路采用發(fā)射極開路輸出形式，如圖2b、2c所示。 圖3所示是線性霍爾集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其輸出電壓能隨外加磁場強度的變化而連續(xù)變化，其輸出變化曲線一般如圖4所示。它的特點是靈敏度高，輸出動態(tài)范圍寬、線性度好。圖3a中V1、V2為差分放大器，R1、R2射極電阻的負反饋展寬了電路的線性范圍，V5、V6第二級差分放大使放大倍數(shù)很高。有的線性霍爾集成電路還設置了引出端外接電位器進行補償、調(diào)零或改變電路的靈敏度。

三、霍爾集成電路的應用

霍爾集成電路具有無觸點、無磨損、無火花、低功耗、壽命長、靈敏度高、工作頻率高的特點，它能在各種惡劣環(huán)境下可靠穩(wěn)定地工作。對于開關型霍爾IC，其最基本的應用是作為一種接近開關，如可用作霍爾無觸點開關、限位U型開關開關、方向開關、壓力開關、轉(zhuǎn)速表等；線性型霍爾IC可用于非接觸測距、無觸點電位器、無刷馬達、磁場測量的高斯計、磁力探傷等。 對于開關型霍爾IC，其輸出端內(nèi)部一般為開路集電極晶體管或開路發(fā)射極輸出器形式，因此它能方便地與各種負載配接，如可直接驅(qū)動晶體管、LED、光電耦合器、單雙向晶閘管和小電流繼電器等，并能和TTL及CMOS數(shù)字電路、PLC輸入口、固態(tài)繼電器、各種交直流電子開關接口。圖5~圖6示出各種驅(qū)動接口方式，其中圖5中的霍爾IC為開路集電極輸出，圖6中的霍爾IC為開路發(fā)射極輸出形式。

四、 應用實例及電路 （1）霍爾電勢E=KIB/d，在實用中k I d值都是固定的，E是B的線性函數(shù)，即把磁通量，由于線性霍爾集成電路的輸出電量隨其檢測的磁感應強度而線性變化，所以用微安計即可測得磁場的高斯量。（2）由于電場的存在必然產(chǎn)生磁場，同樣地可以用線性霍爾IC來對交直流電流的變化進行檢測。如圖8標準磁鐵芯有一缺口，其上有線圈并通有檢測電流，這時線圈產(chǎn)生的磁場即可被芯隙處的線性霍爾IC感測同時輸出指示。利用這種方法還可進行過流，過壓及欠壓保護，其中霍爾IC亦可使用開關型的。（3）在兩塊不同的極性的磁鐵中心的磁感應強度為零，放置其中的線性霍爾IC產(chǎn)生偏離某一側(cè)的位移時，霍爾IC的輸出電壓將與其位移量成正比，所以通過這種方法可測量使桿梁位移的力的大小。（4）霍爾IC在無刷直流電機中代替電刷起電流換向作用，它克服了使用電刷所引起的噪聲大，易磨壞，壽命短等缺陷，其中R是無刷電機的永久磁鐵轉(zhuǎn)子?；ハ啻怪钡闹睆椒较蛏系腍1，H2是兩塊霍爾線性IC，它們分別控制四個能依次給定子線圈L1-L4提供電流的晶體管。(5) 測量轉(zhuǎn)數(shù)的方法如圖11所示。把小磁槽型開關鐵固定在旋轉(zhuǎn)體上，每轉(zhuǎn)一周霍爾IC便輸出一個脈沖，用計數(shù)器測量脈沖數(shù)便可得轉(zhuǎn)數(shù)，單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)即轉(zhuǎn)速。

（6）圖12為霍爾液位控制方法。在浮子上固定一磁鐵，當液位上升，磁鐵靠近霍爾開關集成電路A時，A的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，控制電路使水泵停止工作，當池中液位下降使浮子上磁鐵作用于霍爾開關B時，控制電路使水泵工作。

（7）無觸點電位器的應用電路如圖13所示。霍爾線性IC與雙基極二極管組成一張弛震蕩器，該震蕩器輸出脈沖的形成及兩個脈沖的間隔取決于霍爾IC的輸出電壓，用霍爾IC來控制雙向可控硅的導通角，可以起到調(diào)功的作用。

（8）汽車電子點火器電路如圖14所示。當汽車的起動磁鋼作用于霍爾IC時，開關型IC即輸出低電平，V1，V2突然截止，儲存于L中的磁能在L，C2槽路產(chǎn)生震蕩，形成約200V的交變電壓，又經(jīng)整個L升壓產(chǎn)生15kV以上的高壓，生成電火花，點燃汽車汽缸中的燃油。

（9）無觸點交流開關如圖15所示。當磁鐵靠近霍爾開關IC時，SCR截止；磁鐵離開后，單向可控硅導通，負載繼續(xù)工作。 （10）無線防盜報警器如圖16所示。門窗上的小磁鐵靠近霍爾開關IC時，IC輸出低電平，V因無扁置而截止；但當門窗發(fā)生位移時，小磁鐵與IC分離，V通過R2獲得偏置，電路起振，向外發(fā)出無線電報警信號。

五、霍爾IC的使用注意事項 1、霍爾集成電路的使用電壓范圍較寬，但實用時電壓宜低不宜高，一般在4.5-6V為宜，過高的電源電壓會引起電路的溫升而使電路工作不穩(wěn)定。 2、開關型霍爾IC驅(qū)動負載時，其負載電流應小于霍爾IC的負載能力。為了使霍爾的輸出電壓幅度大，一般其輸出端加接較大阻值的負載電阻。 3、霍爾IC驅(qū)動的負載能力為感性時，應在輸出端加接續(xù)流二極管。 4、驅(qū)動與霍爾IC不同的電平的負載時最好加接隔離與緩沖級，可利用光電耦合器或加三極管驅(qū)動級。

5 長距離傳輸霍爾IC信號時，可在開關輸出與地之間加接一只退耦電容器，消除干擾脈沖；傳送線性霍爾IC的輸出信號應使用同軸電纜線，但最長不可大于幾十米。

6 大多數(shù)霍爾IC的磁感應距離在5-10毫米，須在實用時加以控制，并安置的發(fā)信磁鋼應與霍爾IC的感應點正對，減小磁路磁阻，使發(fā)信與檢測可靠準確。

7 為了增強開關或線性霍爾IC的磁感應靈敏度，使用時亦可利用小磁鋼增強磁偏置或加大發(fā)信磁鋼的面積。