Устройство для температурной компенсации датчиков холла Советский патент 1981 года по МПК G01R33/07 

(54) УСТГОЙСТВО ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИИ

1

Изобретение относится к магнитоизмерительной технике и может быть использовано для измерения постоянных и переменных магнитных полей и неискаженной регистрации формы магнитных сигналов в широком диапазоне температур.

По основному авт.св. № 758022 известно устройство для температурной компенсации датчиков Холла, содержащее датчик Холла, генератор, цепь компенсации напряжения разбаланса датчика, два усилителя, регист-рирующий прибор, два оптрона, подключенные к „выходу второго усилителя, и два резистора, причем первый резистор соединен со входом второго усилителя, выход одного из оптронов через второй резистор подключен к выходу первого усилителя, а выход второго оптрона связан с цепью компенсации напряжения разбаланса датчика 1 .

В качестве источника питания в этом устройстве используется генератор напряжения, вследствие чего величина паразитного напряжения неэквипотенциальности стабилизируется, а температурное изменение выходного сигнаДАТЧИКОВ ХОЛЛА

ла определяется поведением ЭДС Холла, которая в этом режиме .питания зависит от величины подвижности носителей и напряжения разбаланса датчика, возникающего из-за неодинакового изменения удельного сопротивления по площади полупроводникового материала пластины Холла. Так как величина корректирующего сигнала, снимаемая с первого резистора,. соединенного со входом второго усилителя, пропорциональна изменению

to удельного сопротивления, т.е. зависит от температурного изменения как подвижности носителей заряда, так и их концентрации, а величина сигнала Холла зависит только от изменения подвижности, то полная коррекция

IS возможна лишь при условий использования полупроводников, в которых концентрация носителей заряда не зависит от температуры. Учитывая, что в известных полупроводниках, пригодных для изготовления датчиков Холла,

20 например кремнии, германии, арсениде галлия и т.п., концентрация носителей заряда в большей или К1еньшей степени изменяется с температурой, то несоответствие температурного хода измененщ корректирующей функции изменению полезного сигнала приводит к погрешности измерения при использовании зтого устройства, что и является основным его недостатком. Цель изобретения - повышение точности температурной компенсации. Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее генератор, регистрирующий прибор, два усилителя, резистор, подключенный к входу второго усилителя, два, оптрона, подключенные к выходу второго усилителя, и цепь компенсации напряжения разбаланса датчика, связанную с выходом второго оптрона, дополнительно снабжено последовательно соединенными третьим усилителем, детектором, четвертым- усилителем, филь ром низкой частоты и третьим оптроном, а также источником эталонного напряжения, подключенным ко второму входу четвертого усилителя и подключенным к его выходу и к третьему оптрону, выход которого связан со вторым входом и выходом первого усилителя и со .вторым оптроном, а входы третьего усилителя подключены ко второму входу второго усилителя и к третьему оптрону.-Кроме того, на датчике Холла выполнен барьерный переход, связанный с выходом высокочастотного генератора. На чертеже представлена структурная схем устройства. Устройство для температурной компенсации датчиков Холла содержит германиевый датчик 1 Холла, генератор 2 постоянного напря жения, регистрирующий прибор 3, в качестве которого может быть использован стрелоч ный прибор либо осциллограф, усилитель 4 ЭДС Холла, содержащий цепь регулировки коэффициента усиления усилителя, состоящую из выходных сопротивлений оптронов 5 и 6 Вход оптрона 6 совместно со входом оптрона 7 служат нагрузкой вспомогательного усилителя 8 разностного сигнала между падением напряжения на резисторе 9, включенном последовательно в цепь питания датчика 1, и опорным напряжением с резистора 10. Регулируемый источник И напряжения нагружен на делитель, содержащий резистор 12 и выходное сопротивление оптрона 7, пр чем выход делителя включен последовательно в выходную цепь датчика 1. Барьерный переход 13 и последовательно с ним включенный резистор 9 являются нагрузкой высокочастотного генератора 14. Высокочастотная составляющая падения напряжения на резисторе 9 усиливается усили, те лем 15, выход которого связан через детектор 16 с дифференциальным усилителем

концентрации на изменение коэффициента усиления усилителя 4. Для этого на цепь, состоящую из емкости барьерного перехода 13 4 17. Второй вход усилителя 17 связан с источником 18 эталонного напряжения, а выход нагружен на барьерный переход 13 и через фильтр 19 низких частот на оптрон 5. Устройство работает следующим образом. При начальной температуре То датчика 1 и рабочем напряжении U генератора 2 под действием падения напряжения на резисторе 9 и опорного напряження, снимаемого с резистора 10, на выходе усилителя 8 существует сигнал, величина которого изменением опорного напряжения устанавливается таким образом, чтобы рабочие точки оптронов 6 и 7 находились на линейных участках передаточной характеристнки. Изменяя напряжение регулируемого источника 11 можно добиться, чтобы падение напряжения на резисторе 12 было равно по величине и противоположно по знаку паразитному нулевому напряжению разбаланса датчика. Компенсация напряжения температурного разбаланса происходит следующим образом. При отклонении температурь от Т изменение входного сопротивления датчика 1 последовательно изменяет падения напряжения на резисторе 9, выходное напряжение вспомогательного усилителя 8, выходное сопротивление оптрона 7 и величину компенсирующего напряжения на резисторе 12. Так как температурный дрейф резистивной составляющей нулевого сигнала полностью отсутствует, а изменение напряжения разбаланса и компенсирующего напряжения обусловлены одной и той же причиной, а именно измейением удельного сопротивления, то это обеспечивает большую точность темпер турной компенсации. Температурная нестабильность ЭДС Холла приводит к изменению чувствительности датчика i , что при неизменном коэффициенте усиления усилителя К искажает результаты измерения. Для компенсации температурной нестабильности изменение напряжения на резисторе 9 преобразуется аналогично описанному выще в изменение выходного сопротивления оптрона 6, что, в свою очередь, изменяет параметры цепи регулировки коэффициента усиления усилителя 4 и изменяет величину К. Изменение величины К при зтом оказьгаается обратно пропорциональным не температурному изменению подвижности, а температурному изменению проводимости. Для повышения точности необходимо исключить влияние температурного изменения

и резистора 9, подается высокочастотное напряжение от генератора 14. Напряжение с резистора 9 подается на усилитель 15 переменного напряжения и детектор 16.

Постоянное напряжение с выхода детектора 07Т уровень которого оказывается пропорциональным емкости барьерного перехода 13, подается на первый вход дифференциального усилителя 17, на второй вход которого подается эталонное напряжение U от источника 18. При U)U. на выходе усилителя 17 существует напряжение U смещающее переход в обратном направлении и соответствующее его емкости Со при температуре TO . При отклонении температуры от TO на величину ДТ температурная генерация носителей заряда в полупроводнике вызывает изменение емкости на величину А CJ а напряжения и, на величину ди .

Увеличение напряжения смещения, равное Д UCM уменьшит емкость на величину - А С , причем будет выполняться равенство Д С - ЛС. Таким образом, эта часть устройства работает как стабилизатор емкости барьерного перехода 13. Изменяя Uj,можно задавать величину GO .

В этих условиях изменение напряжения смещения оказывается пропорциональным изменении) концентрации носителей в полупроводнике. Так как выходное напряжение дифференциального усилителя 17 подается также на вход оптрона 5, то изменение его выходного сопротивления изменяет параметры цепи регулировки коэффициента усиления усилителя 4 таким образом, чтобы соответствующее изменение коэффициента усиления компенсировало ту часть изменения коэффициента усиления при введении коррекции по изменению проводимости, которая соответствует изменению концентрации носителей заряда в полупроводнике. Фильтр 19 низких частот вводится для того, чтобы изменение выходного сопротивления оптрона 5 соответствовало только изменению постоянного напряжения смещения на барьерном переходе 13.

Изменение коэффициента усиления оказывается обратно пропорциональным только изменению подвижности и не зависит от изменения концентрации носителей, что обеспе838166

чивает больщую точность компенсации сигнала Холла, также зависящего только от изменения подвижности.

Независимость уровня сигнала Холла в 5 устройстве от температурного изменения подвижности и концентрации носителей дозволяет существенно расширить температурный диапазон работоспособности датчика Холла, который в известном устройстве ограничиваto ется необходимостью сохранения концентрации носителей неизменной.

Устрсшство позволяет повысить чувствительность датчиков Холла за счет использования слаболегированных полупроводников, при- / 15менение которых ограничивалось ранее боль игами значениями температурного коэффициента изменения концентрации.

Устройство оказывается работоспособным , при использовании датчиков Холла, вьшолнен20 ных на основе узкозошшпс. полупроводников с большими значениями температурного коэффициента изменения концентрации.

Формула изобретения

Устройство для температзфной компенсации датчиков Холла по авт.св. № 758022, о тличающееся тем, что, с целью ° повышения точности температурной комценсации, оно дополнительно снабжено последовательно соединенными третьим усилителем, детектором, четвертым усилителем, фильтром низкой частоты и третьим оптроном, а также источником эталонного напряжения, подключенным ко второму входу четвертого усилителя и подключенным к его выходу и к третьему оптрону, выход которого связан со вторым входом и выходом первого усилителя и со вторым оптроном, а входы третьего усилителя подключены ко второму входу второго усилителя и к третьему оптрону.. .. .

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на датчике Холла выполнен барьерный переход, связанный с выходом высокочастотного генератора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР VS. 758022, кл. G 01 R 33/06, 1979.