CMOS图像传感器的基本原理及设计 页.docx

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1、CMOSS图像传传感器的的基本原原理及设设计摘 要要：介绍绍CMOOS图像像传感器器的基本本原理、潜在优优点、设设计方法法以及设设计考虑虑。 关关键词：互补型型金属氧化物物半导导体图像像传感器器；无源源像素传传感器；有源像像素传感感器1引言 20世世纪700年代，CCDD图像传传感器和和CMOOS图像像传感器器同时起起步。CCCD图图像传感感器由于于灵敏度度高、噪噪声低，逐步成成为图像像传感器器的主流流。但由由于工艺艺上的原原因，敏敏感元件件和信号号处理电电路不能能集成在在同一芯芯片上，造成由由CCDD图像传传感器组组装的摄摄像机体体积大、功耗大大。CMMOS图图像传感感器以其其体积小小、功耗

2、耗低在图图像传感感器市场场上独树树一帜。但最初初市场上上的CMMOS图图像传感感器，一一直没有有摆脱光光照灵敏敏度低和和图像分分辨率低低的缺点点，图像像质量还还无法与与CCDD图像传传感器相相比。 如果把把CMOOS图像像传感器器的光照照灵敏度度再提高高5倍10倍倍，把噪噪声进一一步降低低，CMMOS图图像传感感器的图图像质量量就可以以达到或或略微超超过CCCD图像像传感器器的水平平，同时时能保持持体积小小、重量量轻、功功耗低、集成度度高、价价位低等等优点，如此，CMOOS图像像传感器器取代CCCD图图像传感感器就会会成为事事实。 由于CCMOSS图像传传感器的的应用，新一代代图像系系统的开开

3、发研制制得到了了极大的的发展，并且随随着经济济规模的的形成，其生产产成本也也得到降降低。现现在，CCMOSS图像传传感器的的画面质质量也能能与CCCD图像像传感器器相媲美美，这主主要归功功于图像像传感器器芯片设设计的改改进，以以及亚微微米和深深亚微米米级设计计增加了了像素内内部的新新功能。 实际际上，更更确切地地说，CCMOSS图像传传感器应应当是一一个图像像系统。一个典典型的CCMOSS图像传传感器通通常包含含：一个个图像传传感器核核心（是是将离散散信号电电平多路路传输到到一个单单一的输输出，这这与CCCD图像像传感器器很相似似），所所有的时时序逻辑辑、单一一时钟及及芯片内内的可编编程功能能

4、，比如如增益调调节、积积分时间间、窗口口和模数数转换器器。事实实上，当当一位设设计者购购买了CCMOSS图像传传感器后后，他得得到的是是一个包包括图像像阵列逻逻辑寄存存器、存存储器、定时脉脉冲发生生器和转转换器在在内的全全部系统统。与传传统的CCCD图图像系统统相比，把整个个图像系系统集成成在一块块芯片上上不仅降降低了功功耗，而而且具有有重量较较轻，占占用空间间减少以以及总体体价格更更低的优优点。22基本原原理 从从某一方方面来说说，CMMOS图图像传感感器在每每个像素素位置内内都有一一个放大大器，这这就使其其能在很很低的带带宽情况况下把离离散的电电荷信号号包转换换成电压压输出，而且也也仅需要

5、要在帧速速率下进进行重置置。CMMOS图图像传感感器的优优点之一一就是它它具有低低的带宽宽，并增增加了信信噪比。由于制制造工艺艺的限制制，早先先的CMMOS图图像传感感器无法法将放大大器放在在像素位位置以内内。这种种被称为为PPSS的技术术，噪声声性能很很不理想想，而且且还引来来对CMMOS图图像传感感器的种种种干扰扰。 然而今今天，随随着制作作工艺的的提高，使在像像素内部部增加复复杂功能能的想法法成为可可能。现现在，在在像素位位置以内内已经能能增加诸诸如电子子开关、互阻抗抗放大器器和用来来降低固固定图形形噪声的的相关双双采样保保持电路路以及消消除噪声声等多种种附加功功能。实实际上，在Coon

6、exxantt公司（前Roockwwelll半导体体公司）的一台台先进的的CMOOS摄像像机所用用的CMMOS图图传感器器上，每每一个像像素中都都设计并并使用了了6个晶晶体管，测试到到的读出出噪声只只有1均均方根电电子。不不过，随随着像素素内电路路数量的的不断增增加，留留给感光光二极管管的空间间逐渐减减少，为为了避免免这个比比例（又又称占空空因数或或填充系系数）的的下降，一般都都使用微微透镜，这是因因为每个个像素位位置上的的微小透透镜都能能改变入入射光线线的方向向，使得得本来会会落到连连接点或或晶体管管上的光光线重回回到对光光敏感的的二极管管区域。 因为为电荷被被限制在在像素以以内，所所以CM

7、MOS图图像传感感器的另另一个固固有的优优点就是是它的防防光晕特特性。在在像素位位置内产产生的电电压先是是被切换换到一个个纵列的的缓冲区区内，然然后再被被传输到到输出放放大器中中，因此此不会发发生传输输过程中中的电荷荷损耗以以及随后后产生的的光晕现现象。它它的不利利因素是是每个像像素中放放大器的的阈值电电压都有有细小的的差别，这种不不均匀性性就会引引起固定定图像噪噪声。然然而，随随着CMMOS图图像传感感器的结结构设计计和制造造工艺的的不断改改进，这这种效应应已经得得到显著著弱化。 这种多多功能的的集成化化，使得得许多以以前无法法应用图图像技术术的地方方现在也也变得可可行了，如孩子子的玩具具，

8、更加加分散的的保安摄摄像机、嵌入在在显示器器和膝上上型计算算机显示示器中的的摄像机机、带相相机的移移动电路路、指纹纹识别系系统、甚甚至于医医学图像像上所使使用的一一次性照照相机等等，这些些都已在在某些设设计者的的考虑之之中。33设计考考虑 然然而，这这个行业业还有一一个受到到普遍关关注的问问题，那那就是测测量方法法，具体体指标、阵列大大小和特特性等方方面还缺缺乏统一一的标准准。每一一位工程程师在比比较各种种资料一一览表时时，可能能会发现现在一张张表上列列出的是是关于读读出噪声声或信噪噪比的资资料，而而在另一一张表上上可能只只是强调调关于动动态范围围或最大大势阱容容量的资资料。因因此，这这就要求

9、求设计者者们能够够判断哪哪一个参参数对他他们最重重要，并并且尽可可能充分分利用多多产品的的CMOOS图像像传感器器家族。 一些些关键的的性能参参数是任任何一种种图像传传感器都都需要关关注的，包括信信噪比、动态范范围、噪噪声（固固定图形形噪声和和读出噪噪声）、光学尺尺寸以及及电压的的要求。应当知知道并用用来对比比的重要要参数有有：最大大势阱容容量、各各种工作作状态下下的读出出噪声、量子效效率以及及暗电流流，至于于信噪比比之类的的其它参参数都是是由那些些基本量量度推导导出来的的。 对于像像保安摄摄像机一一类的低低照度级级的应用用，读出出噪声和和量子效效应最重重要。然然而对于于象户外外摄影一一类的中

10、中、高照照度级的的应用，比较大大的最大大势阱容容量就显显得更为为重要。 动态态范围和和信噪比比是最容容易被误误解和误误用的参参数。动动态范围围是最大大势阱容容量与最最低读出出噪声的的比值，它之所所以引起起误解，是因为为读出噪噪声经常常不是在在典型的的运行速速度下测测得的，而且暗暗电流散散粒噪声声也常常常没有被被计算在在内。信信噪比主主要决定定于入射射光的亮亮度级（事实上上，在亮亮度很低低的情况况下，噪噪声可能能比信号号还要大大）。 所以，信噪比比应该将将所有的的噪声源源都考虑虑在内，有些资资料一览览表中常常常忽略略散粒噪噪声，而而它恰恰恰是中、高信号号电平的的主要噪噪声来源源。而SSNRDDA

11、RKK得到说说明，实实际上与与动态范范围没有有什么两两样。数数字信噪噪比或数数字动态态范围是是另一个个容易引引起混淆淆的概念念，它表表明的只只是模拟拟/数字字（A/D）转转换器的的一个特特性。虽虽然这可可能很重重要，但但它并不不能精确确地描述述图像的的质量。同时我我们也应应清楚地地认识到到，当图图像传感感器具有有多个可可调模拟拟增益设设置时，模拟/数字转转换器的的分辨率率不会对对图像传传感器的的动态范范围产生生限制。 光学尺尺寸的概概念的模模糊，是是由于传传统观念念而致。使用光光导摄像像管只能能在部分分范围内内产生有有用的图图像。它它的计算算包括度度量单位位的转换换和向上上舍入的的方法。采用向

12、向上舍入入的方法法，先以以毫米为为单位测测量图像像传感器器的对角角线除以以16，就能得得到以英英寸为单单位的光光学尺寸寸。例如如0.997cmm的尺寸寸是1.27ccm而不不是0.85ccm。假假如你选选择了一一个光学学尺寸为为0.885cmm的图像像传感器器，很可可能出现现图像的的四周角角落上的的映影（阴影）现象。这是因因为有些些资料一一览表欺欺骗性地地使用了了向下舍舍入的方方法。例例如，将将0.997cmm的尺寸寸称为00.855cm,理由很很简单：0.885cmm光学尺尺寸的图图像传感感器的价价格要比比1.227cmm光学尺尺寸的图图像传感感器的价价格低得得多，但但是这对对系统工工作性能

13、能产生不不利影响响。所以以，设计计者应该该通过计计算试用用各种不不同的图图像传感感器来得得到想要要的性能能。 CCMOSS图像传传感器的的一个很很大的优优点就是是它只要要求一个个单电压压来驱动动整个装装置。不不过设计计者仍应应谨慎地地布置电电路板驱驱动芯片片。根据据实际要要求，数数字电压压和模拟拟电压之之间尽可可能地分分离开以以防止串串扰。因因此良好好的电路路板设计计，接地地和屏蔽蔽就显得得非常重重要。尽尽管这种种图像传传感器是是一个CCMOSS装置并并具有标标准的输输入/输输出（II/O）电压，但它实实际的输输入信号号相当小小，而且且对噪声声也很敏敏感。 到目前前为止，已设计计出高集集成度单

14、单芯片CCMOSS图像传传感器。设计者者力求使使有关图图像的应应用更容容易实现现多功能能，包括括自动增增益控制制（AGGC）、自动曝曝光控制制（AEEC）、自动平平衡（AAMB）、伽玛玛样正、背景补补偿和自自动黑电电平校正正。所有有的彩色色矩阵处处理功能能都集成成在芯片片中。CCMOSS图像传传感器允允许片上上的寄存存器通过过I2CC总线对对摄像机机编程，具有动动态范围围宽、抗抗浮散且且几乎没没有拖影影的优点点。4CMOOS-AAPS的的潜在优优点和设设计方法法411CMOOS-AAPS胜胜过CCCD图像像传感器器的潜在在优点 CMOOSAPSS胜过CCCD图图像传感感器的潜潜在优点点包括15

15、： 11）消除除了电荷荷反复转转移的麻麻烦，免免除了在在辐射条条件下电电荷转移移效率（CTEE）的退退化和下下降。 2）工工作电流流很小，可以防防止单一一振动和和信号闭闭锁。 3）在在集成电电路芯片片中可进进行信号号处理，因此可可提供芯芯迹线，模/数数转换的的自调节节，也能能提供由由电压漂漂移引起起的辐射射调节。 与硅硅探测器器有关，需要解解决的难难题和争争论点包包括112： 1）在体材材料界面面由于辐辐射损伤伤而产生生的暗电电流的增增加问题题。 22）包括括动态范范围损失失的阈值值漂移问问题。 3）在在模/数数转换电电路中，定时和和控制中中的信号号闭锁和和单一扰扰动问题题。42CMMOS-A

16、PSS的设计计方法 CMOOS-AAPS的的设计方方法包括括： 11）为了了降低暗暗电流而而进行研研制创新新的像素素结构。 2）使用耐耐辐射的的铸造方方法，再再研制和和开发中中等尺寸寸“duumb”（哑）成像仪仪（通过过反复地地开发最最佳像素素结构）。 3）研研制在芯芯片上进进行信号号处理的的器件，以适应应自动调调节本身身电压VVt的漂漂移和动动态范围围的损失失。 44）研制制和开发发耐辐射射（单一一扰动环环境）的的定时和和控制装装置。 5）研研制和加加固耐辐辐射的模模/数转转换器。 6）寻找低低温工作作条件，以便在在承受最最大幅射射强度时时，找到到并证实实最佳的的工作温温度。 7）研研制和开

17、开发大尺尺寸、全全数字化化、耐辐辐射的CCMOSS-APPS，以以便生产产。 88）测试试、评价价和鉴定定该器件件的性能能。 99）引入入当代最最高水平平的组合合式光学学通信/成像系系统测试试台。55像素电电路结构构设计 目前，已设计计的CMMOS图图像传感感器像素素结构有有：空隙隙积累二二极管（HADD）型结结构、光光电二极极管型无无源像素素结构、光电二二极管型型有源像像素结构构、对数数变换积积分电路路型结构构、掩埋埋电荷积积累和敏敏感晶体体管阵列列（BCCASTT）型结结构、低低压驱动动掩埋光光电二极极管（LLVBBPD）型结构构、深PP阱光电电二极管管型结构构、针型型光电二二极管（PPD

18、D）结构构和光栅栅型有源源像素结结构等。511CMOOSPPSS像素结结构设计计 光电二二极管型型CMOOS无源源像素传传感器（CMOOS-PPPS）的结构构自从119677年Weeckller首首次提出出以来实实质上一一直没有有变化，其结构构如图11所示。它由一一个反向向偏置的的光敏二二极管和和一个开开关管构构成。当当开关管管开启时时，光敏敏二极管管与垂直直的列线线连通。位于列列线末端端的电荷荷积分放放大器读读出电路路保持列列线电压压为一常常数，并并减小KKTC噪噪声。当当光敏二二极管存存贮的信信号电荷荷被读出出时，其其电压被被复位到到列线电电压水平平，与此此同时，与光信信号成正正比的电电荷

19、由电电荷积分分放大器器转换为为电荷输输出。 单管的的PD-CMOOS-PPPS允允许在给给定的像像素尺寸寸下有最最高的设设计填充充系数，或者在在给定的的设计填填充系数数下，可可以设计计出最小小的像素素尺寸。另外一一个开关关管也可可以采用用，以实实现二维维的XY寻址。由于填填充系数数高且没没有许多多CCDD中多晶晶硅叠层层，CMMOS-PPSS像素结结构的量量子效率率较高。但是，由于传传输线电电容较大大，CMMOS-PPSS读出噪噪声较高高，典型型值为2250个个均方根根电子，这是致致命的弱弱点。552CCMOSS-APPS的像像素结构构设计 几乎在在CMOOS-PPPS像像素结构构发明的的同时

20、，科学家家很快认认识到在在像素内内引入缓缓冲器或或放大器器可以改改善像素素的性能能。虽然然CMOOS图像像传感器器的成像像装置将将光子转转换为电电子的方方法与CCCD相相同，但但它不是是时钟驱驱动，而而是由晶晶体三极极管作为为电荷感感应放大大器。在在一些CCMOSS图像传传感器中中，每组组像素的的顶端有有一个放放大器，每个像像素只有有一个作作为阈值值电流值值开关的的三极管管。开关关像素中中的电荷荷为放大大器充电电，其过过程类似似DRAAM中的的读取电电路，这这种传感感器被称称为PPPS。PPPS的的结构很很简单，它具有有高填充充系数。各像元元没有很很多的多多晶硅层层覆盖，其量子子效率很很高，但

21、但是PPPS的读读取干扰扰很高，只适应应于小阵阵列传感感器。 在CMMOS-APSS中每一一像素内内都有自自己的放放大器。CMOOS-AAPS的的填充系系数比CCMOSS-PPPS的小小，集成成在表面面的放大大晶体管管减少了了像素元元件的有有效表面面积，降降低了“封装密密度”，使400550的的入射光光被反射射。这种种传感器器的另一一个问题题是，如如何使传传感器的的多通道道放大器器之间有有较好的的匹配，这可以以通过降降低残余余水平的的固定图图形噪声声较好地地实现。由于CCMOSS-APPS像素素内的每每个放大大器仅在在此读出出期间被被激发，所以CCMOSS-APPS的功功耗比CCCD图图像传感

22、感器的还还小。与与CMOOS-PPPS相相比，CCMOSSAPPS的填填充系数数较小，其设计计填充系系数典型型值为22030，接近近内线转转换CCCD的值值。5211光敏二二极管CCMOSS-APPS（PPD-CCMOSS-APPS）的的像素结结构 119688年，NNoblle描述述了PDD-CMMOS-APSS。后来来，这种种像素结结构有所所改进。PD-CMOOS-AAPS的的像素结结构如图图2所示示。 高性能能CMOOSAPSS由美国国哥伦比比亚大学学电子工工程系和和喷气推推进实验验室（JJPL）在19994年年首次研研制成功功，像素素数为11281288，像素素尺寸为为40m440mm

23、，管芯芯尺寸为为6.88mm6.88mm，采用11.2mCMMOSnn阱工艺艺试制，动态范范围为772dBB,固定定图形噪噪声小于于0.115饱饱和信号号水平。固定图图形噪声声小于00.155饱和和信号水水平。119977年日本本东芝公公司研制制成功了了64004880像素素光敏二二极管型型CMOOSAPSS，其像像素尺寸寸为5.6mm5.6mm,具有有彩色滤滤色膜和和微透镜镜阵列。20000年美美国Fooveoon公司司与美国国国家半半导体公公司采用用0.118mmCMOOS工艺艺研制成成功4009640996像素素CMOOSAPSS100，像像素尺寸寸为5m55m，管芯尺尺寸为222mmm

24、22mmm，这这是迄今今为止世世界上集集成度最最高、分分辨率最最高的CCMOSS固体摄摄像器件件。有关关CMOOSAPSS的工作作原理、发展现现状及其其应用，笔者已已作过详详细介绍绍688。 因为光光敏面没没有多晶晶硅叠层层，PDD-CMMOS-APSS的量子子效率较较高，它它的读出出噪声由由复位噪噪声限制制，典型型值为775均方方根电子子1000均方方根电子子。PDD-CMMOS-APSS的每个个像素采采用3个个晶体管管，典型型的像元元间距为为15m。PPD-CCMOSS-APPS适宜宜于大多多数低性性能应用用。5222光栅型型CMOOSAPSS(PGG-CMMOS-APSS)的像像素结构构

25、 19993年年由JPPL最早早研制成成功PGG-CMMOS-APSS并用于于高性能能科学成成像的低低光照明明成像。PG-CMOOS-AAPS结结合了CCCD和和XY寻址的的优点，其结构构如图33所示。 光栅信信号电荷荷积分在在光栅（PG）下，浮浮置扩散散点（AA）复位位（电压压为VDDD），然后改改变光栅栅脉冲，收集在在光栅下下的信号号电荷转转移到扩扩散点，复位电电压水平平与信号号电压水水平之差差就是传传感器的的输出信信号。 当采用用双层多多晶硅工工艺时，PG与与转移栅栅（TXX）之间间要恰当当交叠。在光栅栅与转移移栅之间间插入扩扩散桥，可以采采用单层层多晶硅硅工艺，这种扩扩散桥要要引起大大

26、约1000个电电子的拖拖影。 光栅型型CMOOSAPSS每个像像素采用用5个晶晶体管，典型的的像素间间距为220mm（最小小特征尺尺寸）。采用00.255mCCMOSS工艺将将允许达达到5m的像像素间距距。浮置置扩散电电容的典典型值为为1014FF量级，产生220VV/e的的增益，读出噪噪声一般般为100均方根根电子20均均方根电电子，已已有读出出噪声为为5均方方根电子子的报道道。 CCMOSS图像传传感器的的设计分分为两大大部分，即电路路设计和和工艺设设计，CCMOSS图像传传感器的的性能好好坏，不不仅与材材料、工工艺有关关，更重重要的是是取决于于电路设设计和工工艺流程程以及工工艺参数数设计

27、。这对设设计人员员提出更更高的要要求，设设计人员员面要宽宽，在设设计中，不但要要懂电路路、工艺艺、系统统方面的的知识，还要有有较深的的理论知知识。这这个时代代对设计计者来说说是一个个令人兴兴奋和充充满挑战战的时代代。计算算机辅助助设计技技术为设设计者提提供了极极大的方方便，但但图像系系统的用用途以及及目标用用户的范范围由制制造商决决定。如如果用户户装有WWinddowss95的的系统，那么就就要确定定图像系系统不是是Winndowws988的。如如果你只只是为了了获取并并存储大大量的低低分辨率率图像，那就不不要选择择一个能能够提供供优质图图像但同同时会产产生更多多数据以以致于无无法存储储的高分

28、分辨率图图像传感感器。现现在还存存在许多多非标准准的接口口系统。现在仅仅供数字字相机所所使用可可装卸存存储介质质就包括括PCMMCIAA卡、东东芝（TToshhibaa）的速速闪存储储器及软软磁盘。重要的的是，要要根据产产品未来来所在的的工作环环境，对对样品进进行细致致的性能能评估。533CCDD和CMMOS系系统的设设计 CCCD图图像传感感器和CCMOSS图像传传感器在在设计上上各不相相同，对对于CCCD图像像传感器器，不能能在同一一芯片上上集成所所需的功功能电路路。因此此，在设设计时，除设计计光敏感感部分（即CCCD图像像传感器器）外，还要考考虑设计计提供信信号和图图像处理理的功能能电路

29、，即信号号读出和和处理电电路，这这些电路路需要在在另外的的基片上上制备好好后才能能组装在在CCDD图像传传感器的的外围；而CMMOS图图像传感感器则不不同，特特别是CCMOSSAPSS可以将将所有的的功能电电路与光光敏感部部分（光光电二极极管）同同时集成成在同一一基片上上，制作作成高度度集成化化的单芯芯片摄像像系统。与前者者相比，成本低低、制备备容易、体积小小、微型型化、功功耗低，虽然开开始有人人认为光光照灵敏敏度不如如CCDD图像传传感器的的高，并并且暗电电流和噪噪声比较较大，近近来由于于改进了了电路设设计，采采用亚微微米和深深亚微米米光刻技技术，使使CMOOS图像像传感器器的性能能得到改改

30、善。已已经具备备与CCCD图像像传感器器进行竞竞争的条条件，221世纪纪，CMMOS摄摄像器件件将成为为信息获获取与处处理领域域的佼佼佼者。到到那时，单芯片片摄像机机和单芯芯片数码码相机将将进入千千家万户户。这些些都得益益于CMMOSAPSS为人们们提供了了高度集集成化的的系统，如图44所示。图5示示出CMMOS数数码相机机的框图图，从中中可见数数码相机机设计的的复杂性性。霍尔器件件是一种种基于霍霍尔效应应的磁传传感器,已发展展成一个个品种多多样的磁磁传感器器产品族族,并已已得到广广泛的应应用。本本文简要要介绍其其工作原原理、产产品特性性及其典典型应用用。 图39霍霍尔电流流传感器器在逆变变器

31、中的的应用（CS为为霍尔电电流传感感器）图40霍霍尔电流流传感器器在UPPS中的的应用（1、22、3均均为霍尔尔电流传传感器）图41霍霍尔电流流传感器器在电子子点焊机机中的应应用3.2.12.3在逆逆变器中中的应用用 在逆逆变器中中，用霍霍尔电流流传感器器进行接接地故障障检测、直接侧侧和交流流侧的模模拟量传传感，以以保证逆逆变器能能安全工工作。应应用线路路如图339所示示。3.2.112.44在不间间断电源源中的应应用 如如图400所示，霍尔电电流传感感器1发发出信号号并进行行反馈，以控制制晶闸管管的触发发角，电电流传感感器2发发出的信信号控制制逆变器器，传感感器3控控制浮充充电源。用霍尔尔电

32、流传传感器进进行控制制，保证证逆变电电源正常常工作。由于其其响应速速度快，特别适适用于计计算机中中的不间间断电源源。3.2.112.55在电子子点焊机机中的应应用 在在电子点点焊机电电源中，霍尔电电流传感感器起测测量和控控制作用用。它的的快速响响应能再再现电流流、电压压波形，将它们们反馈到到可控整整流器AA、B，可控制制其输出出。用斩斩波器给给直流迭迭加上一一个交流流，可更更精确地地控制电电流。用用霍尔电电流传感感器进行行电流检检测，既既可测量量电流的的真正瞬瞬时值，又不不致引入入损耗，如图441所示示。3.2.112.66用于电电车斩波波器的控控制 电电车中的的调速是是由调整整电压实实现的。

33、将霍尔尔电流传传感器和和其它元元件配合合使用，并将传传感器的的所有信信号输入入控制系系统，可可确保电电车正常常工作。其控制制原理示示 图42霍霍尔电流流传感器器在电车车斩波器器中的应应用图43在在变频调调速电机机中的应应用（II，R，S，TT均为霍霍尔电流流传感器器）图44用用于电能能管理的的霍尔电电流传感感器图45霍霍尔接地地故障检检测器的的原理和和结构于图422。图中中，SCCR1是是主串联联晶闸管管，SCCR2为为辅助晶晶闸管，Lo、Co组组成输入入滤波器器，Lss是平滑滑扼流圈圈，M11M55是霍尔尔电流传传感器。3.22.122.7在在交流变变频调速速电机中中的应用用 用变变频器来来

34、对交流流电机实实施调速速，在世世界各发发达国家家已普遍遍使用，且有取取代直流流调速的的趋势。用变频频器控制制电机实实现调速速，可节节省100以上上的电能能。在变变频器中中，霍尔尔电流传传感器的的主要作作用是保保护昂贵贵的大功功率晶体体管。由由于霍尔尔电流传传感器的的响应时时间短于于1ss，因此此，出现现过载短短路时，在晶全全管未达达到极限限温度之之前即可可切断电电源，使使晶体管管得到可可靠的保保护，如如图433所示。3.22.122.8用用于电能能管理 图444给出一一种用于于电能管管理的电电流传感感器的示示意图。图中，12是是通电导导线，111是导导磁材料料带，117是霍霍尔元件件，199是

35、霍尔尔元件的的输入、输出引引线。由由此构成成的电流流传感器器，可安安装到配配电线路路上进行行负载管管理。霍霍尔器件件的输出出和计算算机连接接起来，对用电电情况进进行监控控，若发发现过载载，便及及时使受受控的线线路断开开，保证证用电设设备的安安全。用用这种装装置，也也可进行行负载分分配及电电网的遥遥控、遥遥测和巡巡检等。3.22.122.9在在接地故故障检测测中的应应用 在在配电和和各种用用电设备备中，可可靠的接接地是保保证配电电和用电电设备安安全的重重要措施施。采用用霍尔电电流传感感器来进进行接地地故障的的自动监监测，可可保证用用电安全全。图445示出出一种霍霍尔接地地故障监监测装置置。3.2

36、.112.110在电电网无功功功率自自动补偿偿中的应应用 电电力系统统无功功功率的自自动补偿偿，是指指补偿容容量随负负荷和电电压波动动而变化化，及时时准确地地投入和和切除电电容器，避免补补偿过程程中出现现过补偿偿和欠补补偿的不不合理和和不经济济，使电电网的功功率因数数始终保保持最佳佳。无功功功率的的自动采采样若用用霍尔电电流、电电压传感感器来进进行，在在保证“及时、准确”上具有有显著的的优点。因为它它们的响响应速度度快，且且无相位位差，如如图466所示。 图46电电网无功功功率自自动补偿偿控制器器的原理理框图3.2.12.14霍霍尔钳形形电流表表 将磁磁芯做成成张合结结构，在在磁芯开开口处放放

37、置霍尔尔器件，将环形形磁芯夹夹在被测测电流流流过的导导线外，即可测测出其中中流过的的电流。这种钳钳形表既既可测交交流也可可测直流流。图448示出出一种数数字钳形形交流电电流表的的线路。 用钳钳形表可可对各种种供电和和用电设设备进行行随机电电流检测测。3.2.113电功功率测量量 使负负载电压压变换，令其与与霍尔器器件的工工作电流流成比例例，将负负载电流流通入磁磁芯绕组组中，作作为霍尔尔电流传传感器的的被测电电流，即即可构成成霍尔功功率计。由霍尔尔器件输输出的霍霍尔电压压来指示示功率，其工作作原理如如图499所示。3.22.122.111在电力力工频谐谐波分析析仪中的的应用 在电力力系统中中，电

38、网网的谐波波含量用用电力工工频谐波波仪来进进行测试试。为了了将被测测电压和和电流变变换成适适合计算算机A/D采样样的电压压，将各各种电力力工频谐谐波分析析仪的取取样装置置，如电电流互感感器、电电压互感感器、电电阻取样样与光隔隔离耦合合电路等等和霍尔尔电流传传感取样样测试对对比，结结果表明明霍尔电电流传感感器最为为适用。对比结结果如表表8所示示。 表8电力力工频谐谐波分析析仪中使使用的33种接口口部件的的比较（LEMM模块是是一种霍霍尔零磁磁通电流流传感器器）CT和PPT 电阻取样样与光耦耦隔离电电路 LEM模模块 线性度 0.55 0.11 频率范围围 较窄 0300kHzz 01000kHH

39、z 对各次谐谐波幅度度有否衰衰减及衰衰减一致致性 有，不一一致 无 无 对各次谐谐波有否否相移及及相移一一致性 有，不一一致 很小，可可以忽略略 很小，可可以忽略略 所需电源源 不需要 二组 一组 辅助电路路 无 恒温电路路 无 体积 大 大 小 重量 重 轻 轻 安装是否否方便 不便 不便 方便 调试难易易程度 容易 较难 容易 接口部件件性能、特点33.2.12.12在在开关电电源中的的应用近近代出现现的开关关电源，是将电电网的非非稳定的的交流电电压变换换成稳定定的直流流电压输输出的功功率变换换装置。无论是是电压控控制型还还是电流流控制型型开关电电源，均均采用脉脉冲宽度度调制，借助驱驱动脉

40、冲冲宽度与与输出电电压幅值值之间存存在的某某种比例例关系来来维持恒恒压输出出。其中中，宽度度变化的的脉冲电电压或电电流的采采样、传传感等均均需用电电流、电电压传感感器来完完成。霍霍尔电流流、电压压传感器器以其频频带宽、响应时时间快以以及安装装简便而而成为首首选的电电流、电电压传感感器。33.2.12.13在在大电流流检测中中的应用用 在冶冶金、化化工、超超导体的的应用以以及高能能物理（例如可可控核聚聚变）试试验装置置中都有有许多超超大型电电流用电电设备。用多霍霍尔探头头制成的的电流传传感器来来进行大大电流的的测量和和控制，既可满满足测量量准确的的要求，又不引引入插入入损耗，还免除除了像使使用罗

41、果果勘斯基基线圈法法中需用用的昂贵贵的测试试装置。图477示出一一种用于于DD托托卡马克克中的霍霍尔电流流传感器器装置。采用这这种霍尔尔电流传传感器，可检测测高达到到3000kA的的电流。 图47（a）为为G110安装装结构，中心为为电流汇汇流排，(b)为电缆缆型多霍霍尔探头头，(cc)为霍霍尔电压压放大电电路。(a)GG100安装结结构(bb)电缆缆型多霍霍尔探头头(c)霍尔电电压放大大电路图图47多多霍尔探探头大电电流传感感器图48霍霍尔钳形形数字电电流表线线路示意意图图49霍霍尔功率率计原理理图(a)霍霍尔控制制电路(b)霍霍尔磁场场电路图图50霍霍尔三相相功率变变送器中中的霍尔尔乘法器

42、器图51霍霍尔电度度表功能能框图图52霍霍尔隔离离放大器器的功能能框图3.2.13.1霍尔尔三相功功率变送送器 利利用霍尔尔器件的的乘法器器功能，还可构构成三相相功率变变送器，用以检检测三相相平衡或或不平衡衡负载电电路的三三相有功功功率和和无功功功率。图图50示示出霍尔尔三相功功率变送送器的乘乘法器。将其霍霍尔电压压经滤波波、放大大和输出出变换后后，将三三相功率率量变成成直流电电压和电电流。直直流电压压可供给给远动装装置、巡巡检装置置等，直直流电流流可供给给近距离离测量及及仪表等等。三相相功率变变送器是是实现电电网自动动化不可可缺少的的一个环环节。33.2.13.2构成成电度表表 在前前述功率

43、率计后加加上V/f变换换及分频频计数，即可构构成电度度表，加加上磁卡卡读出装装置，可可构成磁磁卡电度度表。 图511示出霍霍尔磁卡卡电度表表的功能能框图。 以霍霍尔器件件为功率率指示器器，还可可构成各各种各样样的功能能电表，在这些些电表中中加入一一些功能能电路可可构成例例如带绝绝缘缺陷陷检测的的电度表表，窃电电检测电电度表等等。以霍霍尔器件件的基本本功能为为基础，还可能能集成多多功能家家用电表表，可同同时显示示电流、电压，用电度度数及电电费、功功率因数数、谐波波电压等等等。霍霍尔电度度表可能能成为最最佳的智智能电度度表之一一。3.2.114霍尔尔隔离放放大器 霍尔隔隔离放大大器的原原理框图图示

44、于图图52，是以霍霍尔元件件为中心心，构成成一个自自平衡弱弱电流比比较仪，用以取取代变压压器耦合合隔离放放大器中中的调制制、解调调系统，使线路路简化。仔细调调整电流流比较仪仪的电路路，将放放大器的的频带大大大展宽宽，使之之可达DDC22MHzz，而且且保持了了磁耦合合隔离放放大器的的增益精精度和光光耦合隔隔离放大大器的线线性度，是一种种高精度度宽频带带的隔离离放大器器。隔离离放大器器在空间间技术、计算机机技术、医疗和和仪器仪仪表中有有十分重重要的应应用。南南京中旭旭微电子子有限公公司已批批量生产产这种产产品。33.2.15用用作电磁磁隔离耦耦合器 用霍尔尔电流传传感器的的工作原原理，可可做成电

45、电磁耦合合器。用用初级线线圈的电电流控制制霍尔器器件的输输出，用用这个输输出信号号控制其其它的电电路，既既收到隔隔离的效效果，又又达到耦耦合的目目的。用用这种电电路可做做成霍尔尔继电器器、过载载保护器器、通信信线路的的保护开开关等等等。 这这种电磁磁耦合器器既可做做成开关关式，也也可做成成模拟量量输出式式。 此此外，用用霍尔器器件还可可检测异异步电机机的转差差率和转转速；测测量磁性性材料的的磁化强强度、各各向异性性、旋转转损耗和和时间效效应；测测量直流流电机的的电磁力力矩等等等；还可可和热磁磁材料组组合起来来，构成成热磁开开关。霍霍尔器件件已实现现的各种种应用如如表9所所列。CMOSS图像传传感器的的前途是是光明的的，随着着多媒体体、数字字电视、可视通通讯等市市场的增增加，CCMOSS图像传传感器的的应用前前景更加加广阔。 CMMOSAPSS为MIIS/CCCD图图像传感感器设计计提供了了另一选选择方案案，它把把电荷转转换成电电压所需需的晶体体管装在在每个像像素内。在这种种器件内内均不必必进行电电荷转移移，因为为数据读读取是在在单个像像素内完完成的。与CCCD图像像传感器器相比，这种器器件有很很成熟的的CMOOS集成成电路工工艺，在在降低成成本方面面有潜力力。预期期CMOOSAAPS在在许多非非科学应应用领域域内将最最终替代代CCDD图像传传感器。