交直流电流探头原理

B中，磁场B沿Z轴正方向。当电流沿X轴正方向通过半导体时，若薄片中
的载流子（设为自由电子）以平均速度v沿X轴负方向作定向运动，所受
的洛伦兹力为fB=ev*B.
在 fB 的 作 用 下 自 由 电 子 受 力 偏 转 ， 结 果 向 板 面 “ I” 积 聚 ， 同 时 在 板 面 “Ⅱ”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿Y轴负方向上的横向电
磁电式传感器的应用
示波器电流探头
示波器电流测量实例：Tektronix 503S
磁电式传感器的应用
示波器电流探头
系统在直流和低频交流时的工作原理
当电流钳闭合，把一通有电流的导体围在中心时，相 应地，会出现一个磁场。这些磁场使霍尔传感器内 的电子发生偏转，在霍尔传感器的输出产生一个电 动势。系统根据这个电动势产生一个反相（补偿） 电流送至电流探头的线圈，使电流钳中的磁场为零， 以防止磁饱和。系统根据反相电流测得实际得电流 值。用这个方法，能非常线性地测量大电流，包括 交直流混合的电流。
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示波器电流探头
系统在交叉区域时的工作原理
当系统工作在20kHz的高低频交叉区域时，部分测 量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过 线圈实现的。
图示(a)为被测电流波形。 图示(b)为通过霍尔传感器产生的补偿电流波形。 图示(c)为直接感应到线圈的被测电流的高频部分。 图示(d)为系统综合两部分电流后得到的测试结果。
UH
UE
1 4
(U1
U2
U3
U4)
这样处理后，除埃廷豪森效应引起的附加电压外，其它几个主要的附加电
压全部被消除了。但因UHUE＜14＜(UU1 H，U2故可U3将上U4式) 写为
磁电式传感器的应用
示波器电流探头
背景：
随着科学技术的发展，电子技术的应用领域日益广泛，信号 的频率愈来愈高，对信号的分析要求愈来愈细致。用示波器 观察和检测电流信号的需求也日益频繁。
霍尔效应的副效应(二）
3. 能斯特效应（Nernst effect） 由于两个电流电极与霍尔片的接触电阻不等，当有电流通过时，在
两电流电极上有温度差存在，出现热扩散电流，在磁场的作用下， 建立一个横向电场EN，因而产生附加电压UN。UN的正负仅取决 于磁场的方向。 4. 里纪-勒杜克效应（Righi-Leduc effect） 由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于埃廷豪森效应中载 流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度而产生相应的 温度电压URL，URL的正、负只与B的方向有关，和电流IH的方向 无关。
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示波器电流探头
系统在高频时的工作原理
随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱。当测量一个不含直流成 分的高频交流电流时，大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探 头的线圈。探头就象一个电流变压器。系统直接测量的是感应电流， 而不是补偿电流。功放的输出为线圈提供了一个低阻抗的接地回路。
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示波器电流探头
Tektronix AM503A电流 探头放大器系统综述
直流信号的路径源自霍尔传感器， 流经霍尔预放、功放、探头 线圈、衰减器，最终通过输 出放大器输出。
交流信号的路径源自探头线圈， 流经衰减器，最终通过输出 放大器输出。
整个系统的增益由衰减器和输出 放大器的设置决定。这些电 路由微处理器集及其接口电 路控制。
磁电传感器
磁电效应
将材质均匀的金属或半导体通电并置于磁场中，所产
生的各种变化称为电磁效应。
在金属或半导体薄片中通以控制电流I，并在薄片的垂 直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电 流和磁场的方向上会产生电动势（霍尔电势）。这种
现象称为霍尔效应。
若给通有电流的金属或半导体薄片加以与电流方向垂 直的外磁场，不但产生霍尔效应，而且试件的电阻值
探头对于示波器测量是非常关键的，把一个探头连结到一个 电路能影响电路的运行，并且，一台示波器仅仅能够显示和 测量探头传送的示波器输入信号。因此，探头对于被测回路， 必须有最小的影响，同时对想要做的测量应保证足够的信号 保真度。如果探头不能保持信号的保真度，如果它以任何方 式改变信号或改变一个电路的动作，示波器将显示实际信号 的一个畸变的型式。其结果会导致出错的或者误导的测量。
磁电式传感器的应用
交流探头。因为他们设计上的原因，电流探头不能通过直流或低 频率信号。因此，他们的带宽必须用两个值详细说明，一个是低 频率，另一个是高频率。对于示波器测量，实际关心的问题是示 波器和探头组合的总的带宽。这一系统性能最终决定测量的性能。 不幸的是，把一个探头接入一台示波器将导致带宽性能的降低。 例如，使用一台 100 兆赫示波器及100 兆赫探头，将导致测量系 统的性能低于兆赫100兆赫。 直流减少电流探头线圈磁芯的磁导率。减少的磁导率导致线圈感 应和 L/R 时间常数的减小。结果是减小低频耦合性能，遗失低频 电流感应性能。一些交流电流探头提供电流抵偿选项，以使直流 的作用为零。
磁电式传ห้องสมุดไป่ตู้器的应用
示波器电流探头
对示波器电流探头的要求：
频率范围宽：从直流到几十甚至上百兆。 幅度范围大：从毫安至千安。 体积尺寸小：随着集成度的提高和信号频率的增加，元器件
的外型尺寸越来越小和引脚越来越短。 操作方便 准确度高
现有技术条件：
线圈耦合-适合几k赫兹以上的电流。 霍尔器件-适合直流至几十k赫兹的电流。
会变大。即产生磁阻效应。
霍尔效应
若将通有电流的导体置 于磁场B之中，磁场B （沿z轴）垂直于电流IH （沿x轴）的方向，如图 所示，则在导体中垂直 于B和IH的方向上出现一 个横向电位差UH。 1
霍尔效应
UH IH
霍尔效应的机理（一）
将一块厚度为d、宽度为b、长度为L的半导体薄片（霍尔片）放置在磁场
1 ned
，
则 U H vBb 式可写为 U H K H I H B
KH称为霍尔元件的灵敏度。
霍尔电压的特性
1.在一定的工作电流IH下，霍尔电压UH与外磁场磁感应强 度B成正比。这就是霍尔效应检测磁场的原理。
B UH KH IH
2.在一定的外磁场中，霍尔电压UH与通过霍尔片的电流
强度IH（工作电流）成正比。这就霍尔效应检测电流的
场轴正，方使向自的由电电场子力在f受E。沿设Y轴E为负电方场向强上度的，洛U伦H为兹霍力尔f片B 的I、同Ⅱ时面，之也间受的一电个位沿差Y
（即霍尔电压）f，E 则eE
e
UH b
fE 将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有 f B f E
即 evB e UH
b
或 U H vBb
霍尔效应的机理（二）
设载流子浓度为n，单位时间内体积为v·d·b里的载流子全部通过横
截面，则电流强度IIHH与 载vd流bn子e 平或均v速 度dIbvHn的e 关系为
将 IH vdbne
代入U H
vBb 得U H
1 IHB ne d
式中
1 ne
即为霍尔系数RH。
考虑霍尔片厚度d的影响，引进一个重要参数KH，KH
2. 埃廷豪森效应（Etinghausen effect） 由于霍尔片内部的载流子速度服从统计分布，有快有慢，由于它 们在磁场中受的洛伦兹力不同，则轨道偏转也不相同。动能大的 载流子趋向霍尔片的一侧，而动能小的载流子趋向另一侧，随着 载流子的动能转化为热能，使两侧的温升不同，形成一个横向温 度梯度，引起温差电压UE，UE的正负与IH、B的方向有关。
原理。
IH
UH KH B
霍尔效应的副效应(一）
在测量霍尔电压时，会伴随产生一些副效应，影响到测量的精确度， 这些副效应是：
1. 不等位效应 由于制造工艺技术的限制，霍尔元件的电位极不可能接在同一等 位 极 IC有间面关也上，会，而产因与生此磁一，场电当无位电关差流。，IH流称过不霍等尔位元电件位时差，U。即显使然不，加U磁0场只，与两电流电
霍尔效应的副效应的消除方法
由于附加电压的存在，实测的电压，既包括霍尔电压UH，也包括U0、UE、 UN和URL等这些附加电压，形成测量中的系统误差来源。但我们利用这 些附加电压与电流IH和磁感应强度B的方向有关，测量时改变IH和B的方 向基本上可以消除这些附加误差的影响。具体方法如下：
当（+B，+IH）时测量，U1＝UH＋U0＋UE＋UN＋URL （1） 当（+B，-IH）时测量，U2＝－UH－U0－UE＋UN＋URL（2） 当（-B，-IH）时测量，U3＝UH－U0+UE－UN－URL （3） 当（-B，+IH）时测量，U4＝－UH＋U0－UE－UN－URL（4） 式（1）－（2）＋（3）－（4）并取平均值，则得