霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償

1、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償由于制造工藝問題以及實(shí)際使用時(shí)所存在的各種影響霍爾元件性能的因素，如元件安裝不合理、環(huán)境溫度變化等，都會(huì)影響霍爾元件的轉(zhuǎn)換精度，帶來誤差。（一）霍爾元件的零位誤差及其補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差包括不等位電動(dòng)勢(shì)、寄生直流電動(dòng)勢(shì)等。1.不等位電動(dòng)勢(shì)U0及其補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)是零位誤差中最主要的一種。當(dāng)霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10所對(duì)應(yīng)的電流)作用下，不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾輸出端之間的空載電勢(shì)，稱為不等位電動(dòng)勢(shì)U0。U0產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上，如圖8a所示。此外霍爾片電阻率不均勻或片厚薄

2、不均勻或控制a)兩電極點(diǎn)不在同一等位面上b)等位面歪斜電流極接觸不良都將使等位面歪斜（見圖8b），致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。一般要求U0lmV。除了工藝上采取措施降低U0外,還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)償。由于霍爾元件可等效為一個(gè)四臂電橋，如圖9a所示，因此可在某一橋臂上并上一定電阻而將U0降到最小，甚至為零。圖9b中給出了幾種常用的不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路，其中不對(duì)稱補(bǔ)償圖9霍爾元件等效電路和不等位電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償電路a)霍爾元件等效電路b)幾種不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路簡(jiǎn)單，而對(duì)稱補(bǔ)償溫度穩(wěn)定性好。2寄生直流電動(dòng)勢(shì)當(dāng)霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾輸出除了交流不等位電動(dòng)勢(shì)

3、外，還有直流電動(dòng)勢(shì)分量，稱為寄生直流電動(dòng)勢(shì)。該電動(dòng)勢(shì)是由于元件的兩對(duì)電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應(yīng)，以及兩個(gè)霍爾電極的焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同引起溫差所產(chǎn)生的。它隨時(shí)間而變化，導(dǎo)致輸出漂移。因此在元件制作和安裝時(shí)，應(yīng)盡量使電極歐姆接觸，并做到散熱均勻，有良好的散熱條件。另外，霍爾電極和激勵(lì)電極的引線布置不合理，也會(huì)產(chǎn)生零位誤差，也需予以注意。（二）霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化。霍爾元件由半導(dǎo)體材料制成，因此它的性能參數(shù)如輸入和輸出電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。為了減小溫度誤差，除選用溫度系數(shù)較小的材料

4、如砷化銦外，還可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。下面簡(jiǎn)單介紹幾種溫度誤差的補(bǔ)償方法。1.采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻溫度變化引起霍爾元件輸入電阻變化，在穩(wěn)壓源供電時(shí)，使控制電流變化，帶來誤差。為了減小這種誤差，最好采用恒流源（穩(wěn)定度0.1）提供控制電流。但元件的靈敏度系數(shù)kH也是溫度的函數(shù)，因此采用恒流源后仍有溫度誤差。為了進(jìn)一步提高UH的溫度穩(wěn)定性，對(duì)于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路中并聯(lián)電阻RP，如圖10所示。設(shè)溫度t0時(shí)，元件的靈敏度系數(shù)為kH0，輸入電阻為Ri0，而溫度上升到t時(shí)，它們分別為kHt、Rit。kHt=kH01+(t-t0)，Rit=Ri01+(t-t0)，其中為霍爾元

5、件靈敏度溫度系數(shù)；為元件的電阻溫度系數(shù)。由圖可知，I=IP+IH，IPRP=IHRi，所以IH=RPI/(Ri+RP)。t0時(shí)IH0=RPI/(Ri0+RP)，t時(shí)IHt=RPI/(Rit+RP)，因此IHt=RPI/Ri01+(t-t0)+RP。為了使霍爾電勢(shì)不隨溫度而變化，必須保證t0和t時(shí)的霍爾電勢(shì)相等，即kH0IH0BkHtIHtB。將有關(guān)式代入，則可得所以(5-4)霍爾元件的Ri0、和值均可在產(chǎn)品說明書中查到。通常，所以式（5-4）可簡(jiǎn)化為(5-5)根據(jù)式（5-5）選擇輸入回路并聯(lián)電阻RP，可使溫度誤差減到極小而不影響霍爾元件的其它性能。實(shí)際上RP也隨溫度而變化，但因其溫度系數(shù)遠(yuǎn)比值

6、小，故可以忽略不計(jì)。2合理選取負(fù)載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電勢(shì)UH都是溫度的函數(shù)（設(shè)為正溫度系數(shù)），當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL（如放大器的輸入電阻）時(shí)，在RL上的電壓為式中Ro0��溫度為t0時(shí)的霍爾元件輸出電阻。其它符號(hào)含義同上。為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使dUL/d(t-t0)=0，即得(5-6)可采用串、并聯(lián)電阻的方法使上式成立來補(bǔ)償溫度誤差。但霍爾元件的靈敏度將會(huì)降低。3采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓電源供電，且霍爾輸出開路狀態(tài)下工作時(shí)，可在輸入回路中串入適當(dāng)?shù)碾娮鑱硌a(bǔ)償溫度誤差。其分析過程與結(jié)果同式（5-5）。4采用溫度補(bǔ)償元件（如熱

7、敏電阻、電阻絲等）這是一種常用的溫度誤差的補(bǔ)償方法，尤其適用于銻化銦材料的霍爾元件，圖11示出了幾種不同連接方式的例子。熱敏電阻Rt具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)。圖a、b、c中霍爾元件材料為銻化銦，其霍爾輸出具有負(fù)溫度系數(shù)。圖d為用Rt補(bǔ)償霍爾輸出具有正溫度系數(shù)的溫度誤差。使用時(shí)要求這些熱敏元件盡量靠近霍爾元件，使它們具有相同的溫度變化。5霍爾元件不等位電動(dòng)勢(shì)U0的溫度補(bǔ)償U(kuò)0受溫度的影響，可采用如圖12所示的橋路補(bǔ)償法。圖中RP用來補(bǔ)償U(kuò)0。在霍爾輸出端串入溫度補(bǔ)償電橋，Rt是熱敏電阻。橋路輸出隨溫度變化的補(bǔ)償電壓與霍爾輸出的電壓相加作為傳感器輸出。細(xì)心調(diào)節(jié)，在40范圍內(nèi)補(bǔ)償效果很好。應(yīng)該指出，霍爾元件因通入控制電流I而有溫升，且I變動(dòng)，溫升改變，都會(huì)影響元件的內(nèi)阻和霍爾輸出。為使溫升不超過所需值，必須對(duì)霍爾元件的額定控制電流加以限制，尤其在安裝元件時(shí)要盡量做到散熱