CMOS图像传感器的基本原理及设计(doc 19页)1391.docx

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1、CMOS图图像传感器器的基本原原理及设计计摘 要：介绍CMMOS图像像传感器的的基本原理理、潜在优优点、设计计方法以及及设计考虑虑。 关键词词：互补型型金属氧氧化物半半导体图像像传感器；无源像素素传感器；有源像素素传感器1引言 200世纪700年代，CCCD图像像传感器和和CMOSS图像传感感器同时起起步。CCCD图像传传感器由于于灵敏度高高、噪声低低，逐步成成为图像传传感器的主主流。但由由于工艺上上的原因，敏敏感元件和和信号处理理电路不能能集成在同同一芯片上上，造成由由CCD图图像传感器器组装的摄摄像机体积积大、功耗耗大。CMMOS图像像传感器以以其体积小小、功耗低低在图像传传感器市场场上独

2、树一一帜。但最最初市场上上的CMOOS图像传传感器，一一直没有摆摆脱光照灵灵敏度低和和图像分辨辨率低的缺缺点，图像像质量还无无法与CCCD图像传传感器相比比。 如果把把CMOSS图像传感感器的光照照灵敏度再再提高5倍倍10倍倍，把噪声声进一步降降低，CMMOS图像像传感器的的图像质量量就可以达达到或略微微超过CCCD图像传传感器的水水平，同时时能保持体体积小、重重量轻、功功耗低、集集成度高、价价位低等优优点，如此此，CMOOS图像传传感器取代代CCD图图像传感器器就会成为为事实。 由由于CMOOS图像传传感器的应应用，新一一代图像系系统的开发发研制得到到了极大的的发展，并并且随着经经济规模的的

3、形成，其其生产成本本也得到降降低。现在在，CMOOS图像传传感器的画画面质量也也能与CCCD图像传传感器相媲媲美，这主主要归功于于图像传感感器芯片设设计的改进进，以及亚亚微米和深深亚微米级级设计增加加了像素内内部的新功功能。 实际际上，更确确切地说，CCMOS图图像传感器器应当是一一个图像系系统。一个个典型的CCMOS图图像传感器器通常包含含：一个图图像传感器器核心（是是将离散信信号电平多多路传输到到一个单一一的输出，这这与CCDD图像传感感器很相似似），所有有的时序逻逻辑、单一一时钟及芯芯片内的可可编程功能能，比如增增益调节、积积分时间、窗窗口和模数数转换器。事事实上，当当一位设计计者购买了

4、了CMOSS图像传感感器后，他他得到的是是一个包括括图像阵列列逻辑寄存存器、存储储器、定时时脉冲发生生器和转换换器在内的的全部系统统。与传统统的CCDD图像系统统相比，把把整个图像像系统集成成在一块芯芯片上不仅仅降低了功功耗，而且且具有重量量较轻，占占用空间减减少以及总总体价格更更低的优点点。2基本本原理 从某某一方面来来说，CMMOS图像像传感器在在每个像素素位置内都都有一个放放大器，这这就使其能能在很低的的带宽情况况下把离散散的电荷信信号包转换换成电压输输出，而且且也仅需要要在帧速率率下进行重重置。CMMOS图像像传感器的的优点之一一就是它具具有低的带带宽，并增增加了信噪噪比。由于于制造工

5、艺艺的限制，早早先的CMMOS图像像传感器无无法将放大大器放在像像素位置以以内。这种种被称为PPPS的技技术，噪声声性能很不不理想，而而且还引来来对CMOOS图像传传感器的种种种干扰。 然然而今天，随随着制作工工艺的提高高，使在像像素内部增增加复杂功功能的想法法成为可能能。现在，在在像素位置置以内已经经能增加诸诸如电子开开关、互阻阻抗放大器器和用来降降低固定图图形噪声的的相关双采采样保持电电路以及消消除噪声等等多种附加加功能。实实际上，在在Coneexantt公司（前前Rockkwelll半导体公公司）的一一台先进的的CMOSS摄像机所所用的CMMOS图传传感器上，每每一个像素素中都设计计并使

6、用了了6个晶体体管，测试试到的读出出噪声只有有1均方根根电子。不不过，随着着像素内电电路数量的的不断增加加，留给感感光二极管管的空间逐逐渐减少，为为了避免这这个比例（又又称占空因因数或填充充系数）的的下降，一一般都使用用微透镜，这这是因为每每个像素位位置上的微微小透镜都都能改变入入射光线的的方向，使使得本来会会落到连接接点或晶体体管上的光光线重回到到对光敏感感的二极管管区域。 因因为电荷被被限制在像像素以内，所所以CMOOS图像传传感器的另另一个固有有的优点就就是它的防防光晕特性性。在像素素位置内产产生的电压压先是被切切换到一个个纵列的缓缓冲区内，然然后再被传传输到输出出放大器中中，因此不不会

7、发生传传输过程中中的电荷损损耗以及随随后产生的的光晕现象象。它的不不利因素是是每个像素素中放大器器的阈值电电压都有细细小的差别别，这种不不均匀性就就会引起固固定图像噪噪声。然而而，随着CCMOS图图像传感器器的结构设设计和制造造工艺的不不断改进，这这种效应已已经得到显显著弱化。 这这种多功能能的集成化化，使得许许多以前无无法应用图图像技术的的地方现在在也变得可可行了，如如孩子的玩玩具，更加加分散的保保安摄像机机、嵌入在在显示器和和膝上型计计算机显示示器中的摄摄像机、带带相机的移移动电路、指指纹识别系系统、甚至至于医学图图像上所使使用的一次次性照相机机等，这些些都已在某某些设计者者的考虑之之中。

8、3设设计考虑 然然而，这个个行业还有有一个受到到普遍关注注的问题，那那就是测量量方法，具具体指标、阵阵列大小和和特性等方方面还缺乏乏统一的标标准。每一一位工程师师在比较各各种资料一一览表时，可可能会发现现在一张表表上列出的的是关于读读出噪声或或信噪比的的资料，而而在另一张张表上可能能只是强调调关于动态态范围或最最大势阱容容量的资料料。因此，这这就要求设设计者们能能够判断哪哪一个参数数对他们最最重要，并并且尽可能能充分利用用多产品的的CMOSS图像传感感器家族。 一些关键的性能参数是任何一种图像传感器都需要关注的，包括信噪比、动态范围、噪声（固定图形噪声和读出噪声）、光学尺寸以及电压的要求。应当

9、知道并用来对比的重要参数有：最大势阱容量、各种工作状态下的读出噪声、量子效率以及暗电流，至于信噪比之类的其它参数都是由那些基本量度推导出来的。 对对于像保安安摄像机一一类的低照照度级的应应用，读出出噪声和量量子效应最最重要。然然而对于象象户外摄影影一类的中中、高照度度级的应用用，比较大大的最大势势阱容量就就显得更为为重要。 动动态范围和和信噪比是是最容易被被误解和误误用的参数数。动态范范围是最大大势阱容量量与最低读读出噪声的的比值，它它之所以引引起误解，是是因为读出出噪声经常常不是在典典型的运行行速度下测测得的，而而且暗电流流散粒噪声声也常常没没有被计算算在内。信信噪比主要要决定于入入射光的亮

10、亮度级（事事实上，在在亮度很低低的情况下下，噪声可可能比信号号还要大）。 所以，信噪比应该将所有的噪声源都考虑在内，有些资料一览表中常常忽略散粒噪声，而它恰恰是中、高信号电平的主要噪声来源。而SNRDARK得到说明，实际上与动态范围没有什么两样。数字信噪比或数字动态范围是另一个容易引起混淆的概念，它表明的只是模拟/数字（A/D）转换器的一个特性。虽然这可能很重要，但它并不能精确地描述图像的质量。同时我们也应清楚地认识到，当图像传感器具有多个可调模拟增益设置时，模拟/数字转换器的分辨率不会对图像传感器的动态范围产生限制。 光光学尺寸的的概念的模模糊，是由由于传统观观念而致。使使用光导摄摄像管只能

11、能在部分范范围内产生生有用的图图像。它的的计算包括括度量单位位的转换和和向上舍入入的方法。采采用向上舍舍入的方法法，先以毫毫米为单位位测量图像像传感器的的对角线除除以16，就就能得到以以英寸为单单位的光学学尺寸。例例如0.997cm的的尺寸是11.27ccm而不是是0.855cm。假假如你选择择了一个光光学尺寸为为0.855cm的图图像传感器器，很可能能出现图像像的四周角角落上的映映影（阴影影）现象。这这是因为有有些资料一一览表欺骗骗性地使用用了向下舍舍入的方法法。例如，将将0.977cm的尺尺寸称为00.85ccm,理由由很简单：0.855cm光学学尺寸的图图像传感器器的价格要要比1.227

12、cm光光学尺寸的的图像传感感器的价格格低得多，但但是这对系系统工作性性能产生不不利影响。所所以，设计计者应该通通过计算试试用各种不不同的图像像传感器来来得到想要要的性能。 CMOS图像传感器的一个很大的优点就是它只要求一个单电压来驱动整个装置。不过设计者仍应谨慎地布置电路板驱动芯片。根据实际要求，数字电压和模拟电压之间尽可能地分离开以防止串扰。因此良好的电路板设计，接地和屏蔽就显得非常重要。尽管这种图像传感器是一个CMOS装置并具有标准的输入/输出（I/O）电压，但它实际的输入信号相当小，而且对噪声也很敏感。 到目前为止，已设计出高集成度单芯片CMOS图像传感器。设计者力求使有关图像的应用更容

13、易实现多功能，包括自动增益控制（AGC）、自动曝光控制（AEC）、自动平衡（AMB）、伽玛样正、背景补偿和自动黑电平校正。所有的彩色矩阵处理功能都集成在芯片中。CMOS图像传感器允许片上的寄存器通过I2C总线对摄像机编程，具有动态范围宽、抗浮散且几乎没有拖影的优点。4CMOSS-APSS的潜在优优点和设计计方法41CMOOS-APPS胜过CCCD图像像传感器的的潜在优点点 CMOSSAPS胜过过CCD图图像传感器器的潜在优优点包括15： 11）消除了了电荷反复复转移的麻麻烦，免除除了在辐射射条件下电电荷转移效效率（CTTE）的退退化和下降降。 2）工工作电流很很小，可以以防止单一一振动和信信号

14、闭锁。 3）在集成电路芯片中可进行信号处理，因此可提供芯迹线，模/数转换的自调节，也能提供由电压漂移引起的辐射调节。 与硅探测器有关，需要解决的难题和争论点包括12： 1）在体材料界面由于辐射损伤而产生的暗电流的增加问题。 2）包括动态范围损失的阈值漂移问题。 3）在模/数转换电路中，定时和控制中的信号闭锁和单一扰动问题。42CMOS-APS的设计方法 CMOS-APS的设计方法包括： 1）为了降低暗电流而进行研制创新的像素结构。 2）使用耐辐射的铸造方法，再研制和开发中等尺寸“dumb”（哑）成像仪（通过反复地开发最佳像素结构）。 33）研制在在芯片上进进行信号处处理的器件件，以适应应自动调

15、节节本身电压压Vt的漂漂移和动态态范围的损损失。 4）研研制和开发发耐辐射（单单一扰动环环境）的定定时和控制制装置。 55）研制和和加固耐辐辐射的模/数转换器器。 6）寻寻找低温工工作条件，以以便在承受受最大幅射射强度时，找找到并证实实最佳的工工作温度。 7）研制和开发大尺寸、全数字化、耐辐射的CMOS-APS，以便生产。 8）测试、评价和鉴定该器件的性能。 9）引入当代最高水平的组合式光学通信/成像系统测试台。5像素电路结构设计 目前，已设计的CMOS图像传感器像素结构有：空隙积累二极管（HAD）型结构、光电二极管型无源像素结构、光电二极管型有源像素结构、对数变换积分电路型结构、掩埋电荷积累

16、和敏感晶体管阵列（BCAST）型结构、低压驱动掩埋光电二极管（LVBPD）型结构、深P阱光电二极管型结构、针型光电二极管（PPD）结构和光栅型有源像素结构等。51CMOSPPS像素结构设计 光光电二极管管型CMOOS无源像像素传感器器（CMOOS-PPPS）的结结构自从11967年年Weckkler首首次提出以以来实质上上一直没有有变化，其其结构如图图1所示。它它由一个反反向偏置的的光敏二极极管和一个个开关管构构成。当开开关管开启启时，光敏敏二极管与与垂直的列列线连通。位位于列线末末端的电荷荷积分放大大器读出电电路保持列列线电压为为一常数，并并减小KTTC噪声。当当光敏二极极管存贮的的信号电荷

17、荷被读出时时，其电压压被复位到到列线电压压水平，与与此同时，与与光信号成成正比的电电荷由电荷荷积分放大大器转换为为电荷输出出。 单单管的PDD-CMOOS-PPPS允许在在给定的像像素尺寸下下有最高的的设计填充充系数，或或者在给定定的设计填填充系数下下，可以设设计出最小小的像素尺尺寸。另外外一个开关关管也可以以采用，以以实现二维维的XY寻址。由由于填充系系数高且没没有许多CCCD中多多晶硅叠层层，CMOOS-PPPS像素结结构的量子子效率较高高。但是，由由于传输线线电容较大大，CMOOS-PPS读读出噪声较较高，典型型值为2550个均方方根电子，这这是致命的的弱点。552CMMOS-AAPS的

18、像像素结构设设计 几几乎在CMMOS-PPPS像素素结构发明明的同时，科科学家很快快认识到在在像素内引引入缓冲器器或放大器器可以改善善像素的性性能。虽然然CMOSS图像传感感器的成像像装置将光光子转换为为电子的方方法与CCCD相同，但但它不是时时钟驱动，而而是由晶体体三极管作作为电荷感感应放大器器。在一些些CMOSS图像传感感器中，每每组像素的的顶端有一一个放大器器，每个像像素只有一一个作为阈阈值电流值值开关的三三极管。开开关像素中中的电荷为为放大器充充电，其过过程类似DDRAM中中的读取电电路，这种种传感器被被称为PPPS。PPPS的结构构很简单，它它具有高填填充系数。各各像元没有有很多的多

19、多晶硅层覆覆盖，其量量子效率很很高，但是是PPS的的读取干扰扰很高，只只适应于小小阵列传感感器。 在CCMOS-APS中中每一像素素内都有自自己的放大大器。CMMOS-AAPS的填填充系数比比CMOSS-PPSS的小，集集成在表面面的放大晶晶体管减少少了像素元元件的有效效表面积，降降低了“封封装密度”，使使4050的的入射光被被反射。这这种传感器器的另一个个问题是，如如何使传感感器的多通通道放大器器之间有较较好的匹配配，这可以以通过降低低残余水平平的固定图图形噪声较较好地实现现。由于CCMOS-APS像像素内的每每个放大器器仅在此读读出期间被被激发，所所以CMOOS-APPS的功耗耗比CCDD

20、图像传感感器的还小小。与CMMOS-PPPS相比比，CMOOSAPPS的填充充系数较小小，其设计计填充系数数典型值为为2030，接接近内线转转换CCDD的值。55211光敏二极极管CMOOS-APPS（PDD-CMOOS-APPS）的像像素结构 11968年年，Nobble描述述了PD-CMOSS-APSS。后来，这这种像素结结构有所改改进。PDD-CMOOS-APPS的像素素结构如图图2所示。 高高性能CMMOSAPS由美美国哥伦比比亚大学电电子工程系系和喷气推推进实验室室（JPLL）在19994年首首次研制成成功，像素素数为12281228，像素素尺寸为440m40mm，管芯尺尺寸为6.8

21、mm6.8mmm，采用用1.2mCMOOSn阱工工艺试制，动动态范围为为72dBB,固定图图形噪声小小于0.115饱和和信号水平平。固定图图形噪声小小于0.115饱和和信号水平平。19997年日本本东芝公司司研制成功功了64004800像素光敏敏二极管型型CMOSSAPS，其其像素尺寸寸为5.66m55.6mm,具有彩彩色滤色膜膜和微透镜镜阵列。22000年年美国Fooveonn公司与美美国国家半半导体公司司采用0.18mmCMOSS工艺研制制成功4009644096像像素CMOOSAPS10，像像素尺寸为为5m5m，管管芯尺寸为为22mmm22mmm，这是迄迄今为止世世界上集成成度最高、分分

22、辨率最高高的CMOOS固体摄摄像器件。有有关CMOOSAPS的工工作原理、发发展现状及及其应用，笔笔者已作过过详细介绍绍68。 因为光敏面没有多晶硅叠层，PD-CMOS-APS的量子效率较高，它的读出噪声由复位噪声限制，典型值为75均方根电子100均方根电子。PD-CMOS-APS的每个像素采用3个晶体管，典型的像元间距为15m。PD-CMOS-APS适宜于大多数低性能应用。522光栅型CMOSAPS(PG-CMOS-APS)的像素结构 1993年由JPL最早研制成功PG-CMOS-APS并用于高性能科学成像的低光照明成像。PG-CMOS-APS结合了CCD和XY寻址的优点，其结构如图3所示。

23、 光光栅信号电电荷积分在在光栅（PPG）下，浮浮置扩散点点（A）复复位（电压压为VDDD），然后后改变光栅栅脉冲，收收集在光栅栅下的信号号电荷转移移到扩散点点，复位电电压水平与与信号电压压水平之差差就是传感感器的输出出信号。 当当采用双层层多晶硅工工艺时，PPG与转移移栅（TXX）之间要要恰当交叠叠。在光栅栅与转移栅栅之间插入入扩散桥，可可以采用单单层多晶硅硅工艺，这这种扩散桥桥要引起大大约1000个电子的的拖影。 光光栅型CMMOSAPS每个个像素采用用5个晶体体管，典型型的像素间间距为200m（最最小特征尺尺寸）。采采用0.225mCCMOS工工艺将允许许达到5m的像素素间距。浮浮置扩散电

24、电容的典型型值为10014FF量级，产产生20V/e的的增益，读读出噪声一一般为100均方根电电子200均方根电电子，已有有读出噪声声为5均方方根电子的的报道。 CCMOS图图像传感器器的设计分分为两大部部分，即电电路设计和和工艺设计计，CMOOS图像传传感器的性性能好坏，不不仅与材料料、工艺有有关，更重重要的是取取决于电路路设计和工工艺流程以以及工艺参参数设计。这这对设计人人员提出更更高的要求求，设计人人员面要宽宽，在设计计中，不但但要懂电路路、工艺、系系统方面的的知识，还还要有较深深的理论知知识。这个个时代对设设计者来说说是一个令令人兴奋和和充满挑战战的时代。计计算机辅助助设计技术术为设计

25、者者提供了极极大的方便便，但图像像系统的用用途以及目目标用户的的范围由制制造商决定定。如果用用户装有WWindoows955的系统，那那么就要确确定图像系系统不是WWindoows988的。如果果你只是为为了获取并并存储大量量的低分辨辨率图像，那那就不要选选择一个能能够提供优优质图像但但同时会产产生更多数数据以致于于无法存储储的高分辨辨率图像传传感器。现现在还存在在许多非标标准的接口口系统。现现在仅供数数字相机所所使用可装装卸存储介介质就包括括PCMCCIA卡、东东芝（Tooshibba）的速速闪存储器器及软磁盘盘。重要的的是，要根根据产品未未来所在的的工作环境境，对样品品进行细致致的性能评评

26、估。53CCDD和CMOOS系统的的设计 CCCD图像传传感器和CCMOS图图像传感器器在设计上上各不相同同，对于CCCD图像像传感器，不不能在同一一芯片上集集成所需的的功能电路路。因此，在在设计时，除除设计光敏敏感部分（即即CCD图图像传感器器）外，还还要考虑设设计提供信信号和图像像处理的功功能电路，即即信号读出出和处理电电路，这些些电路需要要在另外的的基片上制制备好后才才能组装在在CCD图图像传感器器的外围；而CMOOS图像传传感器则不不同，特别别是CMOOSAPS可以以将所有的的功能电路路与光敏感感部分（光光电二极管管）同时集集成在同一一基片上，制制作成高度度集成化的的单芯片摄摄像系统。

27、与与前者相比比，成本低低、制备容容易、体积积小、微型型化、功耗耗低，虽然然开始有人人认为光照照灵敏度不不如CCDD图像传感感器的高，并并且暗电流流和噪声比比较大，近近来由于改改进了电路路设计，采采用亚微米米和深亚微微米光刻技技术，使CCMOS图图像传感器器的性能得得到改善。已已经具备与与CCD图图像传感器器进行竞争争的条件，221世纪，CCMOS摄摄像器件将将成为信息息获取与处处理领域的的佼佼者。到到那时，单单芯片摄像像机和单芯芯片数码相相机将进入入千家万户户。这些都都得益于CCMOSAPS为人人们提供了了高度集成成化的系统统，如图44所示。图图5示出CCMOS数数码相机的的框图，从从中可见数

28、数码相机设设计的复杂杂性。霍尔器件是是一种基于于霍尔效应应的磁传感感器,已发发展成一个个品种多样样的磁传感感器产品族族,并已得得到广泛的的应用。本本文简要介介绍其工作作原理、产产品特性及及其典型应应用。 图39霍尔尔电流传感感器在逆变变器中的应应用（CSS为霍尔电电流传感器器）图40霍尔尔电流传感感器在UPPS中的应应用（1、22、3均为为霍尔电流流传感器）图41霍尔尔电流传感感器在电子子点焊机中中的应用3.2.112.3在在逆变器中中的应用 在在逆变器中中，用霍尔尔电流传感感器进行接接地故障检检测、直接接侧和交流流侧的模拟拟量传感，以以保证逆变变器能安全全工作。应应用线路如如图39所所示。3

29、.2.122.4在不不间断电源源中的应用用 如图400所示，霍霍尔电流传传感器1发发出信号并并进行反馈馈，以控制制晶闸管的的触发角，电电流传感器器2发出的的信号控制制逆变器，传传感器3控控制浮充电电源。用霍霍尔电流传传感器进行行控制，保保证逆变电电源正常工工作。由于于其响应速速度快，特特别适用于于计算机中中的不间断断电源。33.2.112.5在在电子点焊焊机中的应应用 在电子子点焊机电电源中，霍霍尔电流传传感器起测测量和控制制作用。它它的快速响响应能再现现电流、电电压波形，将将它们反馈馈到可控整整流器A、BB，可控制制其输出。用用斩波器给给直流迭加加上一个交交流，可更更精确地控控制电流。用用霍

30、尔电流流传感器进进行电流检检测，既可可测量电流流的真正瞬瞬时值，又又不致引入入损耗，如如图41所所示。3.2.122.6用于于电车斩波波器的控制制 电车中的的调速是由由调整电压压实现的。将将霍尔电流流传感器和和其它元件件配合使用用，并将传传感器的所所有信号输输入控制系系统，可确确保电车正正常工作。其其控制原理理示 图42霍尔尔电流传感感器在电车车斩波器中中的应用图43在变变频调速电电机中的应应用（I，RR，S，TT均为霍尔尔电流传感感器）图44用于于电能管理理的霍尔电电流传感器器图45霍尔尔接地故障障检测器的的原理和结结构于图42。图图中，SCCR1是主主串联晶闸闸管，SCCR2为辅辅助晶闸管

31、管，Lo、CCo组成输输入滤波器器，Ls是是平滑扼流流圈，M11M5是是霍尔电流流传感器。3.2.12.7在交流变频调速电机中的应用 用变频器来对交流电机实施调速，在世界各发达国家已普遍使用，且有取代直流调速的趋势。用变频器控制电机实现调速，可节省10以上的电能。在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1s，因此，出现过载短路时，在晶全管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护，如图43所示。3.2.12.8用于电能管理 图44给出一种用于电能管理的电流传感器的示意图。图中，12是通电导线，11是导磁材料带，17是霍尔元件，1

32、9是霍尔元件的输入、输出引线。由此构成的电流传感器，可安装到配电线路上进行负载管理。霍尔器件的输出和计算机连接起来，对用电情况进行监控，若发现过载，便及时使受控的线路断开，保证用电设备的安全。用这种装置，也可进行负载分配及电网的遥控、遥测和巡检等。3.2.12.9在接地故障检测中的应用 在配电和各种用电设备中，可靠的接地是保证配电和用电设备安全的重要措施。采用霍尔电流传感器来进行接地故障的自动监测，可保证用电安全。图45示出一种霍尔接地故障监测装置。3.2.12.10在电网无功功率自动补偿中的应用 电力系统无功功率的自动补偿，是指补偿容量随负荷和电压波动而变化，及时准确地投入和切除电容器，避免

33、补偿过程中出现过补偿和欠补偿的不合理和不经济，使电网的功率因数始终保持最佳。无功功率的自动采样若用霍尔电流、电压传感器来进行，在保证“及时、准确”上具有显著的优点。因为它们的响应速度快，且无相位差，如图46所示。 图46电网网无功功率率自动补偿偿控制器的的原理框图图3.2.112.144霍尔钳形形电流表 将将磁芯做成成张合结构构，在磁芯芯开口处放放置霍尔器器件，将环环形磁芯夹夹在被测电电流流过的的导线外，即即可测出其其中流过的的电流。这这种钳形表表既可测交交流也可测测直流。图图48示出出一种数字字钳形交流流电流表的的线路。 用用钳形表可可对各种供供电和用电电设备进行行随机电流流检测。33.2.

34、113电功率率测量 使负负载电压变变换，令其其与霍尔器器件的工作作电流成比比例，将负负载电流通通入磁芯绕绕组中，作作为霍尔电电流传感器器的被测电电流，即可可构成霍尔尔功率计。由由霍尔器件件输出的霍霍尔电压来来指示功率率，其工作作原理如图图49所示示。3.22.12.11在电电力工频谐谐波分析仪仪中的应用用 在电力系系统中，电电网的谐波波含量用电电力工频谐谐波仪来进进行测试。为为了将被测测电压和电电流变换成成适合计算算机A/DD采样的电电压，将各各种电力工工频谐波分分析仪的取取样装置，如如电流互感感器、电压压互感器、电电阻取样与与光隔离耦耦合电路等等和霍尔电电流传感取取样测试对对比，结果果表明霍

35、尔尔电流传感感器最为适适用。对比比结果如表表8所示。 表8电力工工频谐波分分析仪中使使用的3种种接口部件件的比较（LLEM模块块是一种霍霍尔零磁通通电流传感感器） CT和PTT 电阻取样与与光耦隔离离电路 LEM模块块 线性度 0.5 0.1 频率范围 较窄 030kkHz 01000kHz 对各次谐波波幅度有否否衰减及衰衰减一致性性 有，不一致致 无 无 对各次谐波波有否相移移及相移一一致性 有，不一致致 很小，可以以忽略 很小，可以以忽略 所需电源 不需要 二组 一组 辅助电路 无 恒温电路 无 体积 大 大 小 重量 重 轻 轻 安装是否方方便 不便 不便 方便 调试难易程程度 容易 较

36、难 容易 接口部件性性能、特点点3.2.12.112在开关关电源中的的应用近代代出现的开开关电源，是是将电网的的非稳定的的交流电压压变换成稳稳定的直流流电压输出出的功率变变换装置。无无论是电压压控制型还还是电流控控制型开关关电源，均均采用脉冲冲宽度调制制，借助驱驱动脉冲宽宽度与输出出电压幅值值之间存在在的某种比比例关系来来维持恒压压输出。其其中，宽度度变化的脉脉冲电压或或电流的采采样、传感感等均需用用电流、电电压传感器器来完成。霍霍尔电流、电电压传感器器以其频带带宽、响应应时间快以以及安装简简便而成为为首选的电电流、电压压传感器。3.2.12.13在大电流检测中的应用 在冶金、化工、超导体的应

37、用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图47示出一种用于DD托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。 图47（aa）为G10安装装结构，中中心为电流流汇流排，(b)为电电缆型多霍霍尔探头，(c)为霍霍尔电压放放大电路。(a)G10安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路图47多霍尔探头大电流传感器图48霍尔尔钳形数字字电流表线线路示意图图图49霍尔尔功率计原

38、原理图(a)霍尔尔控制电路路(b)霍霍尔磁场电电路图500霍尔三相相功率变送送器中的霍霍尔乘法器器图51霍尔尔电度表功功能框图图52霍尔尔隔离放大大器的功能能框图3.2.113.1霍霍尔三相功功率变送器器 利用霍尔尔器件的乘乘法器功能能，还可构构成三相功功率变送器器，用以检检测三相平平衡或不平平衡负载电电路的三相相有功功率率和无功功功率。图550示出霍霍尔三相功功率变送器器的乘法器器。将其霍霍尔电压经经滤波、放放大和输出出变换后，将将三相功率率量变成直直流电压和和电流。直直流电压可可供给远动动装置、巡巡检装置等等，直流电电流可供给给近距离测测量及仪表表等。三相相功率变送送器是实现现电网自动动化

39、不可缺缺少的一个个环节。33.2.113.2构构成电度表表 在前述功功率计后加加上V/ff变换及分分频计数，即即可构成电电度表，加加上磁卡读读出装置，可可构成磁卡卡电度表。 图51示出霍尔磁卡电度表的功能框图。 以霍尔器件为功率指示器，还可构成各种各样的功能电表，在这些电表中加入一些功能电路可构成例如带绝缘缺陷检测的电度表，窃电检测电度表等。以霍尔器件的基本功能为基础，还可能集成多功能家用电表，可同时显示电流、电压，用电度数及电费、功率因数、谐波电压等等。霍尔电度表可能成为最佳的智能电度表之一。3.2.14霍尔隔离放大器 霍尔隔离放大器的原理框图示于图52，是以霍尔元件为中心，构成一个自平衡弱

40、电流比较仪，用以取代变压器耦合隔离放大器中的调制、解调系统，使线路简化。仔细调整电流比较仪的电路，将放大器的频带大大展宽，使之可达DC2MHz，而且保持了磁耦合隔离放大器的增益精度和光耦合隔离放大器的线性度，是一种高精度宽频带的隔离放大器。隔离放大器在空间技术、计算机技术、医疗和仪器仪表中有十分重要的应用。南京中旭微电子有限公司已批量生产这种产品。3.2.15用作电磁隔离耦合器 用霍尔电流传感器的工作原理，可做成电磁耦合器。用初级线圈的电流控制霍尔器件的输出，用这个输出信号控制其它的电路，既收到隔离的效果，又达到耦合的目的。用这种电路可做成霍尔继电器、过载保护器、通信线路的保护开关等等。 这种

41、电磁耦合器既可做成开关式，也可做成模拟量输出式。 此外，用霍尔器件还可检测异步电机的转差率和转速；测量磁性材料的磁化强度、各向异性、旋转损耗和时间效应；测量直流电机的电磁力矩等等；还可和热磁材料组合起来，构成热磁开关。霍尔器件已实现的各种应用如表9所列。CMOS图图像传感器器的前途是是光明的，随随着多媒体体、数字电电视、可视视通讯等市市场的增加加，CMOOS图像传传感器的应应用前景更更加广阔。 CMOSAPS为MIS/CCD图像传感器设计提供了另一选择方案，它把电荷转换成电压所需的晶体管装在每个像素内。在这种器件内均不必进行电荷转移，因为数据读取是在单个像素内完成的。与CCD图像传感器相比，这种器件有很成熟的CMOS集成电路工艺，在降低成本方面有潜力。预期CMOSAPS在许多非科学应用领域内将最终替代CCD图像传感器。