一种基于金属霍尔传感器的放大器电路的制作方法

本实用新型属于测控技术中的传感器信号处理技术领域，尤其涉及一种基于金属霍尔传感器的放大器电路。

背景技术：

霍尔效应是电磁效应的一种，当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一个附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应。原理图如图1所示。产生的霍尔电压uh＝rh*i*b/d。rh是霍尔系数，由材料本身决定，i为电流，b为磁场，d为材料厚度。

金属材料的霍尔系数普遍较半导体的小，普遍在10-7左右，输出信号非常小，因此为了得到大的霍尔电压，不仅对敏感层工艺要求很高，而且对输出信号的电子学系统部分，尤其是放大器研制也有着很高的要求。

霍尔传感器测量磁场具有原理简单、尺寸小、空间分辨率高、频率响应宽、动态范围大以及不需要积分器等优点，为未来在稳态状态下运行的聚变反应堆提供了一种有吸引力的非感应磁场测量方法。基于金属的霍尔传感器，虽然其灵敏度低，但在聚变发电系统中，它们具有更高的辐射硬度、耐高温性能等优点将成为一种新的选择。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：提供一种基于金属霍尔传感器的放大器电路，能够放大微弱信号以及提高系统信噪比。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

一种基于金属霍尔传感器的放大器电路，包括霍尔传感器、转换器、放大器、耦合器、同步检波器和低通滤波器；霍尔传感器的输出端与放大器的输入端相接，放大器的输出端与耦合器的输入端相接，耦合器的输出端与同步检波器的输入端相接，同步检波器的输出端与低通滤波器的输入端相接。

进一步的，转换器包括第一运算放大器和第一电阻，第一运算放大器的负相输入端作为转换器的输入端，输出端作为转换器的输出端，第一运算放大器的负相输入端与霍尔传感器的输出端相接，第一运算放大器的正相输入端接地，第一电阻的一端与第一运算放大器的负相输入端相接，另一端与第一运算放大器的输出端相接。

进一步的，放大器包括第二运算放大器、第二电阻和第三电阻，第二运算放大器的正相输入端作为放大器的输入端，输出端作为放大器的输出端，第二运算放大器的正相输入端与第一运算放大器的输出端相接，第二电阻的一端接地，另一端与第二运算放大器的负相输入端相接，第三电阻的一端与第二电阻和第二运算放大器的公共端相接，第三电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相接。

进一步的，同步检波器包括第三运算放大器、高速模拟开关、第四电阻和第五电阻，第四电阻的一端与所述耦合器的一端相接，另一端与第三运算放大器的负相输入端相接，高速模拟开关的一输入端与第四电阻的一端相接，另一输入端接地，输出端与第三运算放大器的正相输入端相接，第五电阻的一端与第四电阻和第三运算放大器的公共端相接，另一端与第三运算放大器的输出端相接。

进一步的，低通滤波器包括第六电阻和电容，第六电阻的一端与第三运算放大器的输出端相接，另一端与电容的一端相接，电容的另一端接地。

进一步的，耦合器为交流耦合器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

霍尔传感器测量磁场具有原理简单、尺寸小、空间分辨率高、频率响应宽、动态范围大以及不需要积分器等优点，为未来在稳态状态下运行的聚变反应堆提供了一种有吸引力的非感应磁场测量方法。基于金属的霍尔传感器，虽然其灵敏度低，但在聚变发电系统中，它们具有更高的辐射硬度、耐高温性能等优点将成为一种新的选择。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型实施例示意图。

图中：s1-输出信号波形、s2-驱动激励波形、s3-直流成分信号、u1-第一运算放大器、u2-第二运算放大器、u3-第三运算放大器、u4-高速模拟开关、r1-第一电阻、r2-第二电阻、r3-第三电阻、r4-第四电阻、r5-第五电阻、r6-第六电阻、c1-第一交流耦合器、c2-第二交流耦合器、rx-霍尔传感器

具体实施方式

以下结合附图以及实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，本实用新型的一种基于金属霍尔传感器的放大器电路，包括霍尔传感器、转换器、放大器、耦合器、同步检波器和低通滤波器；霍尔传感器的输出端与放大器的输入端相接，放大器的输出端与耦合器的输入端相接，耦合器的输出端与同步检波器的输入端相接，同步检波器的输出端与低通滤波器的输入端相接。

具体应用时，在金属霍尔传感器和同步检波器上共同加上恒流源i驱动激励波形s2，传感器接收信号后由转换器将流经传感器的电流信号转换为电压信号，并向放大器输出该信号，经放大器放大后，再经过交流耦合器耦合作用，此时激励波形s2变化为信号波形s1，然后进入同步检波器中。信号波形s1和激励波形s2经过同步检波器同频同相检波后，再由低通滤波器去除载波高频信号，输出直流成分信号s3。s3即为测量得到的霍尔电势，再由公式uh＝rh*i*b/d可知，霍尔电势uh与磁场强度b成正比，因此可以计算得出磁场强度b的大小。

并且，本放大器电路的转换器包括第一运算放大器和第一电阻，第一运算放大器的负相输入端作为转换器的输入端，输出端作为转换器的输出端，第一运算放大器的负相输入端与霍尔传感器的输出端相接，第一运算放大器的正相输入端接地，第一电阻的一端与第一运算放大器的负相输入端相接，另一端与第一运算放大器的输出端相接。转换器的作用主要是将流过传感器的电流转换为电压。

除此之外,放大器包括第二运算放大器、第二电阻和第三电阻，第二运算放大器的正相输入端作为放大器的输入端，输出端作为放大器的输出端，第二运算放大器的正相输入端与第一运算放大器的输出端相接，第二电阻的一端接地，另一端与第二运算放大器的负相输入端相接，第三电阻的一端与第二电阻和第二运算放大器的公共端相接，第三电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相接。本放大器是同相放大器，第三电阻和第二电阻的阻值之比为1000:1，即放大倍数为1000倍。

另外，同步检波器包括第三运算放大器、高速模拟开关、第四电阻和第五电阻，第四电阻的一端与所述耦合器的一端相接，另一端与第三运算放大器的负相输入端相接，高速模拟开关的一输入端与第四电阻的一端相接，另一输入端接地，输出端与第三运算放大器的正相输入端相接，第五电阻的一端与第四电阻和第三运算放大器的公共端相接，另一端与第三运算放大器的输出端相接。

还有，低通滤波器包括第六电阻和电容，第六电阻的一端与第三运算放大器的输出端相接，另一端与电容的一端相接，电容的另一端接地。耦合器为交流耦合器。

实施例1

如图2所示，提供一个霍尔传感器rx和三个运算放大器，其中第一运算放大器u1型号选择为ada4627-1，其失调电压为120μv，偏置电流为1pa，压摆率为40v/μs，0.01％建立时间为550ns，本型号放大器的低偏置电流和低失调电压性能使其成为理想选择。第二运算放大器u2为同相零漂移放大器，型号为ada4638-1，放大倍数为1000倍，其失调电压典型值仅为0.5μv，误差极小。第一交流耦合器c1和第二交流耦合器c2，电容量分别为10uf和100uf。u3和u4构成同步检波器，其中u3是增益为1的放大器，型号为ada4077-1，u4为高速模拟开关，型号为adg1419。再提供六个电阻，其中第一电阻r1的阻值为1千欧姆，第二电阻r2的阻值为1千欧姆，第三电阻r3的阻值为1兆欧姆，第四电阻r4的阻值为1千欧姆，第五电阻r5的阻值为1千欧姆，第六电阻r6的电阻为1千欧姆。

霍尔传感器rx的输出端分别与第一放大器u1的负相输入端和第一电阻r1的一端相接，第一放大器u1的正相输入端接地，第一电阻r1的另一端和第一放大器u1的输出端共同与第二放大器u2的正相输入端相接，第二电阻r2的一端分别与第三电阻r3的一端和第二放大器u2的负相输入端相接，第二电阻r2的另一端接地，第三电阻r3的另一端和第二放大器u2的输出端共同与第一交流耦合器c1的一端相接，第一交流耦合器c1的另一端分别与高速模拟开关u4的sa端口和第四电阻r4的一端相接，第四电阻r4的另一端分别与第五电阻r5的一端和放大器u3的负相输入端相接，高速模拟开关u4的d端口与放大器u3的正相输入端相接，高速模拟开关u4的sb端口接地，第五电阻r5的另一端和第三放大器u3的输出端共同与第六电阻r6的一端相接，第六电阻r6的另一端与第二交流耦合器c2的一端相接，第二交流耦合器c2的另一端接地，第六电阻r6和第二交流耦合器c2的公共端作为本放大器电路的输出端。第一放大器u1、第二放大器u2和第三放大器u3分别供以5v电压。

实际工作时，向高速模拟开关u4的控制端和霍尔传感器rx的接收端加上恒流源i驱动激励波形s2，由第一放大器u1和第一电阻r1组成的转换器将流经霍尔传感器rx的电流转换为电压，第二放大器u2将该电压信号放大1000倍，然后由第一交流耦合器进行交流耦合作用，此时第一交流耦合器另一端形成信号波形s1。当该信号波形s1为正半周时，高速模拟开关u4接收激励波形s2的低电平信号，控制第三放大器u3的正相输入端接收信号s1，u3此时配置为射随器，增益为+1；当信号波形s1为负半周时，高速模拟开关u4接收激励波形s2的高电平信号，控制第三放大器u3的正相输入端接地，u3此时为反相放大器，增益为-1；这在数学上相当于将s1乘以s2。输出级r6和c2构成rc低通滤波器，其截止频率约为1赫兹，会滤除任何其它频率的信号，因此输出电压是直流信号，大小等于测量方波峰峰值电压的一半。

本实施例中，恒流源i驱动激励波形s2，为0～10ma恒流源，工作频率为1khz，也可根据传感器特性增大或减小工作频率。u3和u4构成的同步检波器，也可以采用硬件乘法器替换，如ad734或ad630等。