Книга: Микромеханические системы и элементы
Назад: 2.3. Датчик Виганда
Дальше: 2.5. Перспективы и тенденции развития магниточувствительных и магнитоуправляемых микросхем
2.4. Магниточувствительные и магнитоуправляемые интегральные схемы
Эти схемы содержат в одном полупроводниковом кристалле интегральный преобразователь магнитного поля (элемент Холла, магнитотранзистор или магниторезистор и т. п.) и электронную схему усиления и обработки сигнала. За рубежом такие изделия называют схемами Холла (Halleffect integrated circuits).
В мире освоен выпуск двух больших групп ИС: магниточувствительных и магнитоуправляемых микросхем [3].
2.4.1. Магниточувствительные интегральные схемы
Выходной сигнал преобразователя магнитного поля (элемента Холла или магниторезистора) очень небольшой и составляет единицы милливольт. Для дальнейшего использования такого сигнала его необходимо усилить. Проще всего это сделать путем интегрирования на одном и том же кристалле усилителя сигнала и, к примеру, элемента Холла. Устройства такого рода называют магниточувствительными интегральными микросхемами.
Магниточувствительные схемы (МЧМС) относятся к аналоговым (линейным) интегральным микросхемам и являются преобразователями магнитного поля в выходной сигнал (напряжение, ток), пропорциональный величине индукции воздействующего магнитного поля. При использовании в качестве ПМП элемента Холла в зарубежных источниках магниточувствительные ИС иногда называют LOHET (Linear Output Hall Effect Transducer – преобразователь с линейным выходом на основе эффекта Холла) [12].
Функциональные схемы МЧМС весьма разнообразны и основаны на использовании схемотехники и технологии современных операционных усилителей и других более сложных устройств (АЦП, микропроцессоров и пр.). Функционально их работа представлена на рис. 2.9.
2.4.2. Магниточувствительные микросхемы
Зарубежные фирмы выпускают широкую номенклатуру магниточувствительных (аналоговых) микросхем. В доступных источниках приводятся сведения о нескольких десятках типов МЧМС. Ведущими производителями магниточувствительных интегральных схем являются фирмы Sprague, Allegro MicroSystems Inc., Honeywell, Analog Devices, Texas Instruments Inc. (США), Matsushita Electric, Sharp, Densi (Япония), Micronas Intermetal, Melexis, Siemens A.G., Ebeco (Германия) и др.
Рис. 2.9. Функциональная схема магниточувствительного датчика с элементом Холла
Наиболее совершенными образцами современных магниточувствительных микросхем признаны МЧМС типа AD22151 (фирма Analog Devices), микросхемы серий SS490 (фирма Honeywell), UGN 3501M (фирма Sprague), А3507 – А3517 (фирма Allegro MicroSystems Inc.), КМОП микросхемы серий HAL400 и HAL800 (фирма Micronas Intermetal), микросхемы серии TLE 4910 (фирма Siemens A. G.), программируемые КМОП микросхемы типа MLX90215 (фирма Melexis) и др. [5].
Конструктивное оформление зарубежных магниточувствительных интегральных микросхем весьма разнообразно. Как правило, большинство МЧМС размещается в стандартных пластмассовых или металлокерамических корпусах типа SIP, SOIC, DIP, SSO, SOT, TO226, Micropack и т. д.
Магниточувствительные ИС и микросхемы серии SS490
Среди современных магниточувствительных микросхем наиболее известны МЧМC серии SS490, выпускаемые фирмой Honeywell. Микросхемы этой серии предназначены для прецизионных измерений индукции магнитного поля. Они делятся на пять типов: SS495A, SS495A1, SS495A2, SS496A и SS496A1, – которые отличаются высокой точностью калибровки основного параметра SU и хорошей линейностью характеристики преобразования.
На рис. 2.10 приведены упрощенная функциональная схема и выходная характеристика МУМС серии SS490. Микросхемы серии SS490 выпускаются в малогабаритных пластмассовых корпусах, в том числе и в варианте, предназначенном для автоматизированной установки на поверхность печатных плат.
Рис. 2.10. МЧМС серии SS490, упрощенная функциональная схема
Основные параметры МЧМС серии SS490, выпускаемых фирмой Honeywell:
• напряжение питания, В: 4,5–10,5;
• ток потребления, мА: 7,0–8,7;
• выходной ток, мА: не более 1,5;
• чувствительность по напряжению, мВ/мТл: 25–31;
• рабочая полоса частот преобразования, Гц: 0–25000 (UП = 10 В);
• нелинейность характеристики преобразования, %: – (1,0–1,5);
• динамический диапазон, мТл: ±67;
• выходное напряжение при В = 0, В: 2,5 ± 0,1;
• температурный коэффициент чувствительности, %/°С: -0,01…+0,05;
• температурный дрейф нуля, %/°С: ±(0,04–0,07);
• диапазон рабочих температур, °С: -40…+150;
• габаритные размеры, мм3: 4,06×3,0×1,6.
Магниточувствительные микросхемы AD22151
Более совершенными образцами современных магниточувствительных микросхем признаны МЧМС типа AD22151, выпускаемые фирмой Analog Devices. Эти микросхемы предназначены для использования в высокочувствительных прецизионных магнитометрах и аналоговых магнитных датчиках различного назначения.
Функциональная схема МЧМС типа AD22151 представляет собой сочетание интегрального элемента Холла и высококачественного инструментального усилителя. Для уменьшения влияния нестабильности остаточного напряжения U0 предусмотрена модуляция сигнала с ЭХ с последующей его демодуляцией. Кроме того, микросхема имеет встроенный датчик температуры.
Схемотехника AD22151 позволяет производить регулировку чувствительности, установку напряжения смещения на выходе и настройку схемы термостабилизации параметров при помощи внешних двух или трех резисторов. Микросхемы отличаются высокой магнитной чувствительностью SU, хорошей линейностью характеристики преобразования и термостабильностью основных параметров в широком диапазоне температур. На рис. 2.11 представлена функциональная схема AD22151.
Рис. 2.11. Функциональная схема AD22151
Магниточувствительные микросхемы серии HAL400
Фирма Micronas Intermetal выпускает магниточувствительные микросхемы серии HAL400 в двух модификациях: HAL400 и HAL401. Микросхемы этой серии выполнены целиком по КМОП-технологии. Они предназначены для прецизионных измерений индукции магнитного поля, отличаются высокой точностью калибровки основного параметра SU и хорошей линейностью характеристики преобразования.
На рис. 2.12 приведена упрощенная функциональная схема, а на рис. 2.13 показаны схемы включения и выходная характеристика МЧМС серии HAL400.
Для уменьшения влияния нестабильности остаточного напряжения U0 предусмотрена модуляция сигнала ЭХ с последующей его демодуляцией. Схема имеет встроенный стабилизатор напряжения и элементы защиты от короткого замыкания по выходу и от ошибочного включения источника питания обратной полярности. В схеме два парафазных выхода, благодаря чему обеспечивается возможность ее работы в дифференциальном режиме.
Рис. 2.12. Упрощенная функциональная схема МЧМС серии HAL400
Рис. 2.13. Схема включения и выходная характеристика МЧМС серии HAL400
Микросхемы серии HAL400 выпускаются в малогабаритных пластмассовых корпусах малой толщины и отличаются компактностью, что позволяет размещать прибор непосредственно в магнитном зазоре контролируемых источников магнитного поля.
Основные параметры магниточувствительных ИС серии HAL400:
• напряжение питания, В: 4,8–12;
• ток потребления, мА: 11–18;
• выходной ток, мА: не более 50;
• чувствительность по напряжению, мВ/мТл: 37–50;
• нелинейность характеристики преобразования, %: ±0,5–1,0 (HAL 400), ±0,5–2,0 (HAL 401);
• динамический диапазон, мТл: ±50 (HAL 400), ±60 (HAL 401);
• выходное напряжение при В = 0, В: 2,1–2,3;
• максимальное выходное напряжение при В = ВМАКС, В: 0,6–0,8 (HAL 400), 0,6–1,3 (HAL 401);
• рабочая полоса частот преобразования, Гц: 0–10000;
• напряжение шума на выходе (при UС / UШ = 1) и полосе пропускания ΔF = 10–10000 Гц, мкТл: >10;
• температурный коэффициент чувствительности, мкТл/°С: ±15 (HAL 400), ±25 (HAL 401);
• диапазон рабочих температур, °С: -40…+170.
Программируемые МЧМС типа HAL800
Относительно сложными по схемотехнике считаются программируемые магниточувствительные микросхемы. В качестве примера приведем краткую характеристику МЧМС типа HAL800, выпускаемых фирмой Micronas Intermetal. Эти микросхемы выполнены целиком по КМОП-технологии. Они предназначены для прецизионных измерений индукции магнитного поля и обладают высокими магнитоэлектрическими параметрами.
На рис. 2.14 показана упрощенная функциональная схема МУМС HAL800.
Рис. 2.14. Упрощенная функциональная схема МУМС HAL800
Схема имеет встроенный стабилизатор напряжения, а также элементы защиты от короткого замыкания по выходу и от ошибочного включения источника питания обратной полярности. Схемотехника HAL800 позволяет оптимизировать основные параметры при решении конкретных технических задач. Оптимизация параметров производится путем программирования МЧМС. Программирование схемы осуществляется путем подачи кодированного сигнала по цепи питания прибора. При этом могут программироваться динамический диапазон, магнитная чувствительность, полоса пропускания и коэффициенты, определяющие термостабильность МЧМС. Протокол программирования модулируется на выходе ИС. После подачи сигнала «Lock» происходит запоминание в СПЗУ всех параметров, и схема переходит в рабочее состояние.
Микросхемы HAL800 выпускаются в малогабаритных пластмассовых корпусах и отличаются компактностью, что позволяет размещать прибор непосредственно в магнитном зазоре контролируемых источников магнитного поля.
На рис. 2.15 показана схема включения МУМС HAL800.
Рис. 2.15. Схема включения МУМС HAL800
Основные параметры магниточувствительных ИС серии HAL800:
• напряжение питания, В: 4,5–5,5;
• ток потребления, мА: 7,0–15;
• выходной ток, мА: не более 1;
• ток программирования, мА: не более 300;
• чувствительность по напряжению, мВ/мТл: 100 (макс); программируется;
• динамический диапазон, мТл: ±30; ±50; ±90; ±150; программируется;
• нелинейность характеристики преобразования, %: ±0,2…1,0;
• выходное напряжение при В = 0, В: 2,5±0,01;
• рабочая полоса частот преобразования, Гц: 0–2000; программируется;
• температурный коэффициент чувствительности, %/°С: программируется;
• температурный дрейф нуля, %/°С: программируется;
• диапазон рабочих температур, °С: -40…+170.
Практика применения магниточувствительных микросхем
Магниточувствительные интегральные схемы применяются в аналоговых магнитных датчиках перемещения, в портативных магнитометрах, системах охранной сигнализации, в промышленном оборудовании, бытовой технике и др. Магниточувствительные ИС легко сопрягаются с другими активными элементами. Наиболее оптимальным является сопряжение МЧМС с интегральными операционными и инструментальными усилителями [3, 5].
В качестве ОУ, как правило, используются ИС малошумящих операционных усилителей.
2.4.3. Магнитоуправляемые интегральные схемы
Наряду с магниточувствительными микросхемами существуют магнитоуправляемые. Магнитоуправляемые интегральные схемы (МУМ или МУМС) относятся к разряду цифровых интегральных схем и выполняют функцию электронных ключей, управляемых магнитным полем. Схема подключения магнитоуправляемой ИС приведена на рис. 2.16.
Рис. 2.16. Схема подключения магнитоуправляемой микросхемы
В данном варианте магнитоуправляемой ИС преобразователем магнитного поля служит интегральный элемент Холла. Сигнал ЭХ усиливается дифференциальным усилителем, а затем поступает на вход порогового устройства (триггера Шмитта или компаратора). При воздействии управляющего магнитного поля определенной величины на выходе микросхемы появляется сигнал логической 1 или 0.
По реакции на воздействие внешнего магнитного поля микросхемы подразделяют на униполярные, уровень выходного напряжения которых зависит от величины индукции магнитного поля одной полярности, и биполярные, уровень выходного напряжения которых зависит как от величины индукции, так и от знака полярности воздействующего магнитного поля [2]. Для магнитоуправляемых микросхем возможны два варианта характеристики переключения: прямая и инверсная. Характеристики переключения имеют уровень «включено» и «выключено». Положению «Вкл» соответствует уровень U0 ВЫХ, положению «Выкл» – уровень U1 ВЫХ.
Магнитоуправляемые микросхемы серии К1116КП
Магнитоуправляемые ИС типа К1116КП1, К1116КП2 и 1116КП6 предназначены для использования в составе бесконтактных клавишных модулей. Они имеют по два синфазных выхода с открытым коллектором и стробирующий вход (вывод 3). При подаче на этот вход стробирующего импульса с уровнем логического 0 уровень выходного напряжения не будет зависеть от воздействия внешнего магнитного поля, так как реализована функция «запрет». Если вход стробирования не используют, его необходимо подключить к плюсовому проводу цепи питания.
Использование стробирующего входа позволяет значительно снизить энергопотребление ИС, что особенно актуально при функционировании многоклавишной клавиатуры. Микросхемы К1116КП1, К1116КП2 и 1116КП6 относятся к униполярным приборам.
Схемы К1116КП1 и 1116КП6 имеют прямой выход, сигнал на котором в отсутствие магнитного поля соответствует уровню логической 1. При увеличении индукции внешнего магнитного поля до значения B > Всраб происходит переключение микросхемы и уровень сигнала на выходе скачком изменяется до логического 0.
Микросхема К1116КП2 имеет инверсный выход, на котором уровень логической 1 появляется при воздействии магнитного поля с индукцией B < Всраб. При использовании микросхем типа К1116КП1, К1116КП2 и 1116КП6 допускается объединение их выходов при условии, что общий ток нагрузки не будет превышать 50 мА. Микросхемы типа К1116КП3, К1116КП5, 1116КП6, К1116КП9, К1116КП10 являются также униполярными. Они имеют по одному выходу, а вход для подачи стробирующего импульса отсутствует. Микросхемы К1116КП4, К1116КП7, К1116КП8, К1116КП11, К1116КП122,К1116КП13 и К1116КП14 относятся к биполярным приборам и изменяют свое состояние при изменении полярности и величины индукции управляющего магнитного поля. Они имеют по одному выходу, а вход для подачи стробирующего импульса отсутствует. Микросхема К1116КП4 имеет встроенный резистор нагрузки сопротивлением порядка 30 кОм, включенный между выходом и плюсовым проводом источника питания.
Микросхемы серии К1116КП реализованы в четырех вариантах конструктивного исполнения: трех– и пятивыводные стандартные пластмассовые корпусы с шагом расположения выводов 2,5 и 1,25 мм. Иллюстрация внешнего вида микросхем серии К1116КП представлена на рис. 2.17.
Рис. 2.17. Иллюстрация внешнего вида микросхем серии К1116КП
Микросхема К1116КП122 выпускается в бескорпусном исполнении. Все МУМ серии К1116КП изготовлены с использованием типовой планарной технологии. Наработка микросхем серии К1116КП составляет 50 000 ч.
Микросхемы могут нормально функционировать при воздействии синусоидальной вибрации с частотой 0–5000 Гц с ускорением до 40 g, одиночных ударов с ускорением до 1500 g и линейного ускорения до 2000 g. Диапазон рабочих температур составляет – 60…+125 °C в зависимости от типа МУМ. Допустимая влажность окружающего воздуха – не более 98 % при температуре до 35 °C [5].
Микросхемы пригодны для монтажа в аппаратуре как методом групповой пайки, так и при помощи паяльника. Температура пайки – не более 265 °C, время пайки – не более 4 с. При использовании микросхем в условиях высокой влажности воздуха и для повышения надежности работы рекомендуется трехслойное покрытие корпуса МУМ лаком УР-231. По уровню основных параметров микросхемы серии К1116КП не уступают зарубежным аналогам.
Назад: 2.3. Датчик Виганда
Дальше: 2.5. Перспективы и тенденции развития магниточувствительных и магнитоуправляемых микросхем
