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电工技术基础 ADIS22151集成惯性传感器的工作原理是什么？性能如何？
AD22151将集成大量霍尔元件技术和进行信号调理的仪表电路整合在一起，从而使与硅霍尔元件
特性相关的温度漂移降到最小。这种结构的霍尔效应传感器不但实现了单片集成的最大优点，同时以
最少数量的外围元器件提供充足的多功能性以满足各种应用的需求。
1．概述
在集成霍尔效应传感器中，根据信号调节电路的结构不同，可分为开关和线性输出两种传感器。
例如ADI以前推出的AD22150便属于开关式输出磁场传感器，适合用于转速测量。ADI公司最近推
出的AD22151是一种线性输出磁场传感器，适合用于检测磁场强度和各种特殊位置检测。AD22151
的输出电压与施加在垂直器件封装顶面的磁场强度成正比。它的主要特点是将大量霍尔元件阵列集成
技术与内部温度补偿及信号调节电路结合起来，实现单片集成。这样不仅减小温漂、提高精度，而且
减小体积，仅使用最少量的外接元件便可满足各种应用要求。
AD22151适用于单电源（V=+5V，/=6.OmA），-40～+150℃温度范围内，具有低失调误差（+6．Og）、
低增益误差（土1%）、低线性误差（O.l%FS，10%～90%FS菹围内）和宽失调调节范围(5%～95%V)、
失调电压（磁场零点）为Vcc/2，输入范围为Vcc/2士0.5V，输出灵敏度（外部可谓，A=l）为0.4mV/g，
输出信号刷新频率为50kHz，输出电压动态范围接近电源电压(10%～90% Vcc)，对大容性负载驱动
能力为ImA。
这种传感器根据对具体信号的应用要求设置增益，而且器件的增益调整范围很宽、输出电压可调
整，还可设置检测信号输出幅度与电源电压成比例（即输出信号既与被测磁场强度成正比，又与电源
电压成正比，这样在后续电路中可以同时检测器件输出和电源电压，既容易消除采用“基准电压”时
基准电压的漂移而带来的误差，又容易从器件输出信号幅值和电源电压简单地解算被测磁场强度值）。
在内部温度补偿电路的控制下，不但利用内部补偿电阻进行二级补偿，而且还可利用外接电阻(＆)
进行一级补偿。
AD22151采用8脚SOIC封装，其引脚排列如图2-199所示，其中1、2、3脚分别为温度补偿1、
2、3脚，4脚为接地，5脚为输出脚，6脚为增益设置辅脚，7脚为参考电压输出脚，8脚为正电源脚
。
。
2．工作原理
(1)基本结构
AD22151的传感器部分是由位于管芯中央的外延霍尔元件降列组成，其信号调节电路的功能框图
如图2-200所示。霍尔元件阵列通过换向开关正交采样。两路采样信号经过差动放大器输出后进行同
步解调，以便对检测结果进行失调补偿。解调后的信号送到同相输出放大器提供最终增益和驱动。与
2、3脚相连的内部“热敏电阻器”及温度检测电路用来检测器件内部管芯温度，以便对霍尔元件和磁
场的温度漂移进行补偿。
(2)温度补偿
了解霍尔传感器的温度特性对深入理解温度补偿电路和正确选择外接元件至关重要。AD22151静
态失调电压与温度关系曲线如图2-201所示，未补偿的增益温度系数（见图2-202）是由大量霍尔元件
阵列中与硅相关的基本物理特性决定的。低掺杂浓度的霍尔元件阵列在电流偏置工作方式中表现出的
温度特性主要是由硅的掺杂浓度和散射作用决定的。另外，对AD22151进行温度补偿时，还要考虑待
测磁场存在的本征温度系数(TC)和外接电阻本身的温度特性。
AD22151的1脚(TCl)和2脚(TC2)的温度补偿系数(≈+2900xl0'6/℃)及3脚(TC3)的温
度补偿系数（～-2900 x10-6/℃）如图2-203所示，交点坐标对应+25℃，其中TCI和TC2的温度补偿系
数的几何解释是直线斜率，由图2-203可得Ay/Ax= (0.92V/2.5V)，(150-25)℃≈+2900ppro/X3。同理
可计算出TC3的斜率。3脚通过内部电阻器（见图2-200）接到负温度补偿电压端。3脚51脚或3脚
与2脚之间可连接一个外接电阻器对两种温度补偿电压提供一个相应的电位值以实现最佳补偿。如前
所述的3脚内部电阻器提供二级温度补偿以便降低霍尔元件的二级温度漂移。1、2和3脚上的电压与
电源电压成比例。2脚内部电阻器的阻值决定1脚和2脚的有效温度补偿范围。
增益温度补偿在工作过程中发生改变的原因有两点。第一，由于器件自热作为功耗的函数，使内
部管芯的温度高于环境温度。第二，封装应力影响增益温度补偿具体工作参数，尤其是在TC1和TC3
的交点处，温度大约变化为10℃。
3．应用设计
应用AD22151有两种接线方式，如图2-204和图2-205所示，它既可双极性工作（即磁场零点等
于Ve。／2），也可单极性工作（即磁场零点不等于Vcc/2，而调整到其他电位，比如0.25V）。需要选择
的外部元件有三部分：温度补偿电阻(R1)、信号增益电阻（R2和R3）和失调电阻（心
）。
）。
如果使用内部增益补偿电阻，那么需要在3脚接外部电阻，构成增益温度补偿电路影响这个外部
电阻值的主要因素有：
A.霍尔元件的本征增益TC～950xl0-6。
B .封装应力对本征TC引起的偏差：约为士150X10 6。
C．不同的磁场TC值不同。例如铝镍钴合金，rc=200xi0 6；铁氧体，TC=-2000xl0 6；电磁体，
TC=O。
D.电阻Rl本身的TC。
目标温度补偿的最终值可以使用l脚或2脚来确定。使用1脚可对一个大的负磁场TC进行补偿。
例如铁氧体磁场，因此R．应连接到1脚与3脚之间。2脚利用内部电阻TC，适合补偿较小磁场TC，
如铝镍钴合金。在仅仅是传感器本身增益TC起主要作用的情况下，补偿后可降到0。R．本身的TC也
会影响补偿作用，所以推荐选用低TC的电阻器(+50X10-6)。在两种接线方式中，典型R．阻值与补
偿漂移的关系如图2-206和图2-207所示。例如AD22151通常与铝镍钴合金永久磁铁一起工作，这种
磁体的TC大约为200xl0-6。从图2-207可以看出要产生一个+200xl0-6的补偿漂移，R．的标称值应为
18kQ（这里忽略了Ri本身的温漂）。
1)增益与失调设置电阻
在双极性I作方式下，传感器的增益可以由电阻R2和R3适当匹配设置。增益公式如下：
A=(l+R3/R2)x0.4mV/g (1)
但是，如果要改变传感器静态输出电压（即改为单极性工作方式）需要计算失调电压，则用下面
的增益修正：
例如，在室温Vcc =5V条件‘卜．，传感器内部增益灵敏度约为0.4mV/g。如果使其增益提高到6mV/g，
且静态输出电压VOUT=1V，则按下述步骤计算R4（见图2-205）。
在选择R3时，应考虑电流、功耗及调整范围（如有必要）等各种因素。这里首先假定R3取85kQ。
为了求得静态输出电压等于1V所需要的失调电阻心的阻值，应先计算：
因此由(3)式得：
(4)
前面已经知道了R3和R4的阻值，根据公式(2)可先求出R2和R4的并联阻值R。然后可再求R2:
(2)噪声及应力影响
这种传感器的主要噪声成分是霍尔元件的热噪声，使用电源旁路电容器（通常取O.ll.t,F），使时钟
对输出信号馈通具有很大的抑制作用。在磁场灵敏度为SmV/g情况下，3dB带宽大约为5.7kHz，在此
带宽内的噪声电压有效值为2.8mV。在许多位置检测应用中，要求的带宽可以低到100Hz。通过这种
频带的低通滤波器的输出信号其噪声电压有效值可以降低到大约ImV。通常在反馈电阻R3两端并联一
个电容器用来降低噪声，但是要降低带宽。如果并联O.OlliF的反馈电容器，会使5mV/g传感器带宽降
到180Hz。
这种传感器对磁场的相对灵敏度是由作用到硅片的机械力决定的。机械力主要是由穿过硅晶体中
“能谷”电子的再分配决定的。作用到传感器上的机械力是由封装应力造成的。封装材料对封闭硅晶体
造成的畸变作用会使霍尔元件的增益变化高达+2%，增益TC变化士200xl0 6。
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