第7章霍尔传感器解析
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一、教学目标
知识目标
（1）了解霍尔元件的结构和不同参数。 （2）掌握霍尔传感器的工作原理及测量转换电路。 （3）熟悉霍尔传感器在工程上的应用。
二、教学重点和难点
(1)重点：霍尔传感器的工作原理和应用。 (2)难点：霍尔传感器的测量电路。
三、教学学时 4学时
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7.1.1 霍尔效应
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想一想：
开关型霍尔传感器通过什么来控制 开关的断开和闭合？
图7-10 施密特触发电路的输出特性曲线
回差越大，抗振动干扰能力就越强。
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1.不等位电动势误差的补偿
不等位电动势是霍尔元件误差中最主 要的一种。它产生的原因是 （1）制造工艺不可能保证两个霍尔电 极绝对对称地焊接在霍尔元件的两侧， 致使霍尔元件的两个电极点不能完全 位于同一个等位面上。 （2）由于半导体的电阻特性（等势面 倾斜）所造成。
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4.寄生直流电动势
当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时， 霍尔电极的输出有一个寄生直流电动势，它主要 是由控制电极和基片之间的非完全欧姆接触所产 生的整流效应造成的。
5.霍尔电动势的温度系数
霍尔电动势的温度系数α是指在一定磁感应强度和 控制电流下，温度每变化1 ℃，霍尔电动势的变 化率。
不等位电动势是指当霍尔元件在额定激励电流下，当 外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压，用
符号UM表示。
产生这一现象的原因有: ① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺 寸不均匀; ③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
不等位电势也可用不等位电阻表示
EH也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：
EH=KH IB
I ——控制电流（A）
B ——磁感应强度（T）
KH ——霍尔元件的灵敏度
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霍尔元件灵敏度的表达式为
kH
RH d
（7-2）
R为H 霍尔常数；d为霍尔元件的厚度（m）。
（a）外形结构
（b）图形符号
图7-1 霍尔元件
霍尔元件是一种半导体四端薄皮，1、1′端 称为霍尔电动势的输出端，2、2′端称为激 励电流端，其中2、2′端一般应处于霍尔元 件侧面的中点
可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥， 不等位电势就相当于电桥的初始不平衡 输出电压。
图7-12 不等位电动势的补偿电路
霍尔元件的温度特性是指它的内阻及输出电压（霍尔 电动势）与温度之间的关系。
图7-13 霍尔内阻与温度的关系 图7-14 霍尔电动势与温度的关系
温度误差产生的原因主要包括以下两种： （1）由于霍尔元件是由半导体材料组成
的，因此，它对温度的变化非常敏感。 其中，载流子的浓度、迁移率、电阻率 等参数都是温度的函数。
（2）当温度发生变化时，霍尔元件的一 些特性参数，如霍尔电动势、输入电阻 和输出电阻等都会发生变化，从而使霍 尔传感器产生温度误差。
减小霍尔元件的温度误差的方法 1.恒温措施补偿 2.恒流源温度补偿 （1）恒温措施补偿。包括以下两种：
锗：霍尔系数、温度性能、和线性度 较好
硅：霍尔系数，温度性能与锗相近
锑化铟:对温度比较敏感，低温范围内 温度系数较大。
砷化铟：霍尔系数和温度系数较小， 输出线性度好。
1.额定激励电流和最大允许激励电流
当霍尔元件自身的温度升高10 ℃时，流过
自身的激励电流称为额定激励电流，用符号Ic
表示。
由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在 应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电 流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升 高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种
当把金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场 中时，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过时， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生感应电动势EH，
这种现象称为霍尔效应。
d
a b
c
当磁场垂直于元件时，电子受到洛仑兹力的作用，
向内侧偏移，在霍尔元件c、d方向的端面之间建
立起霍尔电势。
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流入霍尔元件激励电流端的输入电流I越大，作用 在霍尔元件上的磁感应强度B就越强，霍尔电动势
①将霍尔元件放在恒温器中。 ②将霍尔元件放在恒温的空调房中。
型号的元件均规定了相应的最大激励电流Im ，
它的数值从几毫安至十几毫安。
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2.输入电阻和输出电阻
输入电阻Ri是指霍尔元件两个激励电流端
的电阻。
输出电阻Ro是两个霍尔电动势输出端之间
的电阻。 输入电阻和输出电阻的阻值从几十欧姆到
几百欧姆 .
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3.不等位电势和不等位电阻
线性型霍尔传感器的集成电路的内部电路是将霍 尔元件、恒流源、线性差动放大器制作在同一个 芯片上，输出电压的单位为V，比直接使用霍尔元 件要方便很多。比较典型的线性型霍尔传感器有 UGN3501。
UGN 3501
5mm×4mm×1mm
图7-6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱUG3501线性型霍尔传感器的外形及其内部集成电路
右图示出了具有双端 差动输出特性的线性 霍尔器件的输出特性 曲线。
当磁场为零时，它的 输出电压等于零；当 感受的磁场为正向 （磁钢的S极对准霍尔 器件的正面）时， 输
出为正；磁场反向时， 请画出线性范围
输出为负。
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根据线性型霍尔特性想一想：线性 型霍尔传感器可以用来测量磁场的 什么变化？
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳 压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集 电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时，NPN 型OC门由高阻态（或高电平）变为导通状态， 输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放 点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。 较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。
7.2.1 霍尔传感器的基本电路
• 通过霍尔传感器的额定激励电流为 Ic E / (RA RB RH )
（a）无外接偏置电阻 （b）有外接偏置电阻（c）电源负极与霍尔元件 之间串联电阻
图7-5 霍尔传感器的偏置电路
霍尔传感器的集成电路具有体积较小、 灵敏度高、输出幅度较大、温漂小、对 电源的稳定性要求较低等优点，它可分 为线性型霍尔传感器的集成电路和开关 型霍尔传感器的集成电路。
知识目标
（1）了解霍尔元件的结构和不同参数。 （2）掌握霍尔传感器的工作原理及测量转换电路。 （3）熟悉霍尔传感器在工程上的应用。
二、教学重点和难点
(1)重点：霍尔传感器的工作原理和应用。 (2)难点：霍尔传感器的测量电路。
三、教学学时 4学时
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7.1.1 霍尔效应
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想一想：
开关型霍尔传感器通过什么来控制 开关的断开和闭合？
图7-10 施密特触发电路的输出特性曲线
回差越大，抗振动干扰能力就越强。
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1.不等位电动势误差的补偿
不等位电动势是霍尔元件误差中最主 要的一种。它产生的原因是 （1）制造工艺不可能保证两个霍尔电 极绝对对称地焊接在霍尔元件的两侧， 致使霍尔元件的两个电极点不能完全 位于同一个等位面上。 （2）由于半导体的电阻特性（等势面 倾斜）所造成。
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4.寄生直流电动势
当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时， 霍尔电极的输出有一个寄生直流电动势，它主要 是由控制电极和基片之间的非完全欧姆接触所产 生的整流效应造成的。
5.霍尔电动势的温度系数
霍尔电动势的温度系数α是指在一定磁感应强度和 控制电流下，温度每变化1 ℃，霍尔电动势的变 化率。
不等位电动势是指当霍尔元件在额定激励电流下，当 外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压，用
符号UM表示。
产生这一现象的原因有: ① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺 寸不均匀; ③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。
不等位电势也可用不等位电阻表示
EH也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：
EH=KH IB
I ——控制电流（A）
B ——磁感应强度（T）
KH ——霍尔元件的灵敏度
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霍尔元件灵敏度的表达式为
kH
RH d
（7-2）
R为H 霍尔常数；d为霍尔元件的厚度（m）。
（a）外形结构
（b）图形符号
图7-1 霍尔元件
霍尔元件是一种半导体四端薄皮，1、1′端 称为霍尔电动势的输出端，2、2′端称为激 励电流端，其中2、2′端一般应处于霍尔元 件侧面的中点
可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥， 不等位电势就相当于电桥的初始不平衡 输出电压。
图7-12 不等位电动势的补偿电路
霍尔元件的温度特性是指它的内阻及输出电压（霍尔 电动势）与温度之间的关系。
图7-13 霍尔内阻与温度的关系 图7-14 霍尔电动势与温度的关系
温度误差产生的原因主要包括以下两种： （1）由于霍尔元件是由半导体材料组成
的，因此，它对温度的变化非常敏感。 其中，载流子的浓度、迁移率、电阻率 等参数都是温度的函数。
（2）当温度发生变化时，霍尔元件的一 些特性参数，如霍尔电动势、输入电阻 和输出电阻等都会发生变化，从而使霍 尔传感器产生温度误差。
减小霍尔元件的温度误差的方法 1.恒温措施补偿 2.恒流源温度补偿 （1）恒温措施补偿。包括以下两种：
锗：霍尔系数、温度性能、和线性度 较好
硅：霍尔系数，温度性能与锗相近
锑化铟:对温度比较敏感，低温范围内 温度系数较大。
砷化铟：霍尔系数和温度系数较小， 输出线性度好。
1.额定激励电流和最大允许激励电流
当霍尔元件自身的温度升高10 ℃时，流过
自身的激励电流称为额定激励电流，用符号Ic
表示。
由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在 应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电 流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升 高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种
当把金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场 中时，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过时， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生感应电动势EH，
这种现象称为霍尔效应。
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a b
c
当磁场垂直于元件时，电子受到洛仑兹力的作用，
向内侧偏移，在霍尔元件c、d方向的端面之间建
立起霍尔电势。
2020/11/4
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流入霍尔元件激励电流端的输入电流I越大，作用 在霍尔元件上的磁感应强度B就越强，霍尔电动势
①将霍尔元件放在恒温器中。 ②将霍尔元件放在恒温的空调房中。
型号的元件均规定了相应的最大激励电流Im ，
它的数值从几毫安至十几毫安。
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2.输入电阻和输出电阻
输入电阻Ri是指霍尔元件两个激励电流端
的电阻。
输出电阻Ro是两个霍尔电动势输出端之间
的电阻。 输入电阻和输出电阻的阻值从几十欧姆到
几百欧姆 .
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3.不等位电势和不等位电阻
线性型霍尔传感器的集成电路的内部电路是将霍 尔元件、恒流源、线性差动放大器制作在同一个 芯片上，输出电压的单位为V，比直接使用霍尔元 件要方便很多。比较典型的线性型霍尔传感器有 UGN3501。
UGN 3501
5mm×4mm×1mm
图7-6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱUG3501线性型霍尔传感器的外形及其内部集成电路
右图示出了具有双端 差动输出特性的线性 霍尔器件的输出特性 曲线。
当磁场为零时，它的 输出电压等于零；当 感受的磁场为正向 （磁钢的S极对准霍尔 器件的正面）时， 输
出为正；磁场反向时， 请画出线性范围
输出为负。
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根据线性型霍尔特性想一想：线性 型霍尔传感器可以用来测量磁场的 什么变化？
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳 压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集 电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时，NPN 型OC门由高阻态（或高电平）变为导通状态， 输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放 点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。 较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。
7.2.1 霍尔传感器的基本电路
• 通过霍尔传感器的额定激励电流为 Ic E / (RA RB RH )
（a）无外接偏置电阻 （b）有外接偏置电阻（c）电源负极与霍尔元件 之间串联电阻
图7-5 霍尔传感器的偏置电路
霍尔传感器的集成电路具有体积较小、 灵敏度高、输出幅度较大、温漂小、对 电源的稳定性要求较低等优点，它可分 为线性型霍尔传感器的集成电路和开关 型霍尔传感器的集成电路。