Устройство для температурной компенсации датчиков холла

 

Союз Советски к

Соцналнстнческнк

Республнк

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТИЛЬСТВУ (ii)883816 (61) Дополнительное к авт. свид-ву Ю 758022 (22) Зая влено 14,02.80 (21) 2881455/18 — 21

» с присоединением заявки J4(28) Приоригет(5I )M. Кл.

G 01 Я 33 06 фЬеударетеанвй камнтет

СССР е делам нзееретеннй н юткрытнй

Опублкковано 23.11.81 Бюллетень М 43

Дата опубликования описания 23.11.81 (53) УД К621.317..44 (088.8) (72) Авторы изобретения

М. М. Мирзабаев, К. Д. Потаенко и В. П. Кононероп" А".

"с сож

ИА ТЕя;. цс

1;»

%т »м - »»»и (", »"»(„»»».»-р..

Физико-технический институт им. С. В. Стародубцева " "": - .i»

АН Узбекской ССР (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ КОМПЕНСАЦИИ

ДАТЧИКОВ ХОЛЛА

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

По основному авт.св. Ф 758022 известно устройство для температурной компенсации датчиков Холла, содержащее датчик Холла, генератор, цень компенсации напряжения

10 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 параэитного напряжения неэквипотенциальности стабилизируется, а температурное изменение выходного сигнала 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 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 возможна лишь при условии использования полупроводников, в которых концентрация носителей заряда не зависит от температуры.

Учитывая, что в известных полупроводниках, пригодных для изготовления датчиков Холла, например кремнии, германии, арсениде галлия и т.п., концентрация носителей заряда в большей или меньшей степени изменяется с температурой,. то несоответствие температурного

883816 хода изменешщ корректирующей функции изменению полезного сигнала приводит к погрешности измерения при использовании этого 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, педключенный к входу второго усилителя, два

I оптрона, подключенные к выходу второго усилителя, и цепь компенсации напряжения раэбаланса датчика, связанную с выходом второго оптрона, 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.

Кроме того, на датчике Холла выполнен барьерный переход, связанный с выходом высокочастотного генератора, На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство для температурной компенсации датчиков Холла содержит германиевый датчик 1 Холла, генератор 2 постоянного напряжения, регистрирующий прибор 3, в качестве которого может быть использован стрелочный 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 11 напряжения нагружен на делитель, содержащий резистор

12 и выходное сопротивление оптрона 7, причем выход делителя включен последовательно в выходную цепь датчика 1.

Барьерный переход 13 и последовательно с ним включенный резистор 9 являются на4 грузкой высокочастотного генератора 14.

Высокочастотная составляющая падения напряжения на резисторе 9 усиливается усили, телем 15, выход которого связан через детектор 16 с дифференциальным усилителем

10 ра 10, íà выходе усилителя 8 существует

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 напряжения, снимаемого с резистосигнал, величина которого изменением опорно1 го напряжения устанавливается таким образом, чтобы рабочие точки оптронов 6 и 7 находились на линейных участках передаточной характеристики. 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 раэбаланса происходит следующим образом.

При отклонении температуры 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 раэбаланса 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 о приводит к изменению чувствительности датчика 3, что при неизменном коэффициенте усиления усилителя К искажает результаты измерения. Для компенсации температурной нестабильности изменение напряжения на резисторе 9 преобразуется аналогично описанному, выше 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 этом оказывается обратно пропорциональным не температурному изменению подвижности, а температурному изменению проводимости.

Для повышения точности необходимо исключить влияние температурного изменения концентрации на изменение коэффициента усиления усилителя 4. Для этого на цепь, состоящую из емкости барьерного перехода 13 88381

20 i

25 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 G; > уровень которого оказывается пропорциональным емкости барьерного перехода

13, подается на первый вход дифференциального усилителя 17, на второй вход которого подается эталонное напряжение 11э от источI ника 18. При U> =0 на выходе усилителя

17 существует напряжение U „, смещающее переход в обратном направлении и соответствующее его емкости Се при температуре

Те. При отклонении температуры от Т на величину ЬТ температурная генерация носителей заряда в полупроводнике вызывает изменение емкости на величину ЬС, а напряжеI ния U< на величину ЬУ, Увеличение напряжения смещения, равное

b Uсм.уменьшит емкость на величину — L C причем будет выполняться равенство Ь С = — ЬС. Таким образом, эта часть устройства работает как стабилизатор емкости барьерного перехода 13. Изменяя Ор,можно задаватьвеличину С, .

6 6 чивает большую точность компенсации сигнала Холла, также завиапцего только от изменения подвижности.

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

Устройство позволяет повысить чувствительность датчиков Холла за счет использования слаболегированных полупроводников, при- j менение которых ограничивалось ранее большими значениями температурного коэффициента изменения .концентрации.

Устройство оказывается работоспособным при использовании датчиков Холла, выполненных на основе узкозонных полупроводников с большими значениями температурного коэффициента изменения концентрации.

Формула изобретения

Устройство для температурной компенсации датчиков Холла по авт.св. ¹ 758022, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности температурной компенсации, 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что на датчике Холла выполнен барьерньй переход, связанньй с выходом высокочастотного генератора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР 1С 758022, кл. G 01 R 33/06, 1979.

В этих условиях изменение напряжения смещения оказывается пропорциональным измеЗо нению 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 35 таким образом, чтобы соответствующее изменение коэффициента усиления компенсировало ту часть изменения коэффициента усиления при введении коррекции по изменению проводимости, которая соответствует изменению

40 концентрации носителей заряда в полупроводнике. Фильтр 19 низких частот вводится для того, чтобы изменение выходного сопротивления оптрона 5 соответствовало только изменению постоянного напряжения смещения 45 на барьерном переходе 13, Изменение коэффициента усиленля оказывается обратно пропорциональным только изменению подвижности и не зависит от изменения концентрации носителей, что обеспе- 50

883816

Составитель Е. данилина

Техред И. Нипц

Редактор О. Поповка

Заказ 10219/69

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 735

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1!3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Корректор M. демщц<

Подписное