CMOS图像传感器的基本原理及设计(doc 19)

1、CMOS图图像传感感器的基基本原理理及设计计摘 要：介绍CCMOSS图像传传感器的的基本原原理、潜潜在优点点、设计计方法以以及设计计考虑。 关键词：互补型金属氧化物半导体图像传感器；无源像素传感器；有源像素传感器1引言 220世纪纪70年年代，CCCD图图像传感感器和CCMOSS图像传传感器同同时起步步。CCCD图像像传感器器由于灵灵敏度高高、噪声声低，逐逐步成为为图像传传感器的的主流。但但由于工工艺上的的原因，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，造造成由CCCD图图像传感感器组装装的摄像像机体积积大、功功耗大。CCMOSS图像传传感器以以其体积积小、功功耗低在在图像传传

2、感器市市场上独独树一帜帜。但最最初市场场上的CCMOSS图像传传感器，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、集集成度高高、价位位低等优优点，如如此，CCMOSS图像传传感器取取代CCCD图像像传感器器就会成成为事实实。 由由于CMMOS图图像传感感器的应应用，新新一代图图像系统统的开发发研

3、制得得到了极极大的发发展，并并且随着着经济规规模的形形成，其其生产成成本也得得到降低低。现在在，CMMOS图图像传感感器的画画面质量量也能与与CCDD图像传传感器相相媲美，这这主要归归功于图图像传感感器芯片片设计的的改进，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。 实际上，更确切地说，CMOS图像传感器应当是一个图像系统。一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心（是将离散信号电平多路传输到一个单一的输出，这与CCD图像传感器很相似），所有的时序逻辑、单一时钟及芯片内的可编程功能，比如增益调节、积分时间、窗口和模数转换器。事实上，当一位设计者购买了CMOS

4、图像传感器后，他得到的是一个包括图像阵列逻辑寄存器、存储器、定时脉冲发生器和转换器在内的全部系统。与传统的CCD图像系统相比，把整个图像系统集成在一块芯片上不仅降低了功耗，而且具有重量较轻，占用空间减少以及总体价格更低的优点。2基本原理 从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图

5、像传感器的种种干扰。 然然而今天天，随着着制作工工艺的提提高，使使在像素素内部增增加复杂杂功能的的想法成成为可能能。现在在，在像像素位置置以内已已经能增增加诸如如电子开开关、互互阻抗放放大器和和用来降降低固定定图形噪噪声的相相关双采采样保持持电路以以及消除除噪声等等多种附附加功能能。实际际上，在在Connexaant公公司（前前Rocckweell半半导体公公司）的的一台先先进的CCMOSS摄像机机所用的的CMOOS图传传感器上上，每一一个像素素中都设设计并使使用了66个晶体体管，测测试到的的读出噪噪声只有有1均方方根电子子。不过过，随着着像素内内电路数数量的不不断增加加，留给给感光二二极管的

6、的空间逐逐渐减少少，为了了避免这这个比例例（又称称占空因因数或填填充系数数）的下下降，一一般都使使用微透透镜，这这是因为为每个像像素位置置上的微微小透镜镜都能改改变入射射光线的的方向，使使得本来来会落到到连接点点或晶体体管上的的光线重重回到对对光敏感感的二极极管区域域。 因因为电荷荷被限制制在像素素以内，所所以CMMOS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

7、中放放大器的的阈值电电压都有有细小的的差别，这这种不均均匀性就就会引起起固定图图像噪声声。然而而，随着着CMOOS图像像传感器器的结构构设计和和制造工工艺的不不断改进进，这种种效应已已经得到到显著弱弱化。 这这种多功功能的集集成化，使使得许多多以前无无法应用用图像技技术的地地方现在在也变得得可行了了，如孩孩子的玩玩具，更更加分散散的保安安摄像机机、嵌入入在显示示器和膝膝上型计计算机显显示器中中的摄像像机、带带相机的的移动电电路、指指纹识别别系统、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

8、遍关关注的问问题，那那就是测测量方法法，具体体指标、阵阵列大小小和特性性等方面面还缺乏乏统一的的标准。每每一位工工程师在在比较各各种资料料一览表表时，可可能会发发现在一一张表上上列出的的是关于于读出噪噪声或信信噪比的的资料，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。应当知道并用来对比的重要参

9、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。 对对于像保保安摄像像机一类类的低照照度级的的应用，读读出噪声声和量子子效应最最重要。然然而对于于象户外外摄影一一类的中中、高照照度级的的应用，比比较大的的最大势势阱容量量就显得得更为重重要。 动态范范围和信信噪比是是最容易易被误解解和误用用的参数数。动态态范围是是最大势势阱容量量与最低低读出噪噪声的比比值，它它之所以以引起误误解，是是因为读读出噪声声经常不不是在典典型的运运行速度度下测得得的，而而且暗电电流散粒粒噪声也也常常没没有被计计算在内内。信噪噪比主要要决定于于入射光

10、光的亮度度级（事事实上，在在亮度很很低的情情况下，噪噪声可能能比信号号还要大大）。 所以，信信噪比应应该将所所有的噪噪声源都都考虑在在内，有有些资料料一览表表中常常常忽略散散粒噪声声，而它它恰恰是是中、高高信号电电平的主主要噪声声来源。而而SNRRDARRK得到到说明，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。同同时我们们也应清清楚地认认识到，当当图像传传感器具具有多个个可调模模拟增益益设置时时，模

11、拟拟/数字字转换器器的分辨辨率不会会对图像像传感器器的动态态范围产产生限制制。 光光学尺寸寸的概念念的模糊糊，是由由于传统统观念而而致。使使用光导导摄像管管只能在在部分范范围内产产生有用用的图像像。它的的计算包包括度量量单位的的转换和和向上舍舍入的方方法。采采用向上上舍入的的方法，先先以毫米米为单位位测量图图像传感感器的对对角线除除以166，就能能得到以以英寸为为单位的的光学尺尺寸。例例如0.97ccm的尺尺寸是11.277cm而而不是00.855cm。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（阴阴影）现现象。这这是因为为

12、有些资资料一览览表欺骗骗性地使使用了向向下舍入入的方法法。例如如，将00.977cm的的尺寸称称为0.85ccm,理理由很简简单：00.855cm光光学尺寸寸的图像像传感器器的价格格要比11.277cm光光学尺寸寸的图像像传感器器的价格格低得多多，但是是这对系系统工作作性能产产生不利利影响。所所以，设设计者应应该通过过计算试试用各种种不同的的图像传传感器来来得到想想要的性性能。 CMOOS图像像传感器器的一个个很大的的优点就就是它只只要求一一个单电电压来驱驱动整个个装置。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

13、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）电电压，但但它实际际的输入入信号相相当小，而而且对噪噪声也很很敏感。 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-

14、APPS的潜潜在优点点和设计计方法441CCMOSS-APPS胜过过CCDD图像传传感器的的潜在优优点 CCMOSSAPSS胜过CCCD图图像传感感器的潜潜在优点点包括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（CCTE）的的退化和和下降。 2）工作电流很小，可以防止单一振动和信号闭锁。 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/

15、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）研制制在芯片片上进行行信号处处理的器器件，以以适应自自动调节节本身电电压Vtt的漂移移和动态态范围的的损失。 4）研制和开发耐辐射（单一扰动环境）的定时和控制装置。 5）研制和加固耐辐射的模/数转换器。 6）寻找低温工作条件，以便在承受最大幅射强度时，找到并证实最佳的工作温度。 7）研制和开发大尺寸、全数字化、耐辐射的CMO

16、S-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 光光电二极极管型CCMOSS无源像像素传感感器（CCMOSS-PPPS）的的结构自自从19967年年Wecckl

17、eer首次次提出以以来实质质上一直直没有变变化，其其结构如如图1所所示。它它由一个个反向偏偏置的光光敏二极极管和一一个开关关管构成成。当开开关管开开启时，光光敏二极极管与垂垂直的列列线连通通。位于于列线末末端的电电荷积分分放大器器读出电电路保持持列线电电压为一一常数，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，与与光信号号成正比比的电荷荷由电荷荷积分放放大器转转换为电电荷输出出。 单单管的PPD-CCMOSS-PPPS允许许在给定定的像素素尺寸下下有最高高的设计计填充系系数，或或者在给给定的设设计填充充系数下下，可以

18、以设计出出最小的的像素尺尺寸。另另外一个个开关管管也可以以采用，以以实现二二维的XXY寻址。由由于填充充系数高高且没有有许多CCCD中中多晶硅硅叠层，CCMOSS-PPPS像素素结构的的量子效效率较高高。但是是，由于于传输线线电容较较大，CCMOSS-PPSS读出噪噪声较高高，典型型值为2250个个均方根根电子，这这是致命命的弱点点。52CMMOS-APSS的像素素结构设设计 几几乎在CCMOSS-PPPS像素素结构发发明的同同时，科科学家很很快认识识到在像像素内引引入缓冲冲器或放放大器可可以改善善像素的的性能。虽虽然CMMOS图图像传感感器的成成像装置置将光子子转换为为电子的的方法与与CCD

19、D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，每每个像素素只有一一个作为为阈值电电流值开开关的三三极管。开开关像素素中的电电荷为放放大器充充电，其其过程类类似DRRAM中中的读取取电路，这这种传感感器被称称为PPPS。PPPS的的结构很很简单，它它具有高高填充系系数。各各像元没没有很多多的多晶晶硅层覆覆盖，其其量子效效率很高高，但是是PPSS的读取取干扰很很高，只只适应于于小阵列列传感器器。 在在CMOOS-AAPS中中每一像像素内都都有自己己的放大大器。CCMOSS-APPS的填填充系

20、数数比CMMOS-PPSS的小，集集成在表表面的放放大晶体体管减少少了像素素元件的的有效表表面积，降降低了“封封装密度度”，使使40500的入入射光被被反射。这这种传感感器的另另一个问问题是，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，这这可以通通过降低低残余水水平的固固定图形形噪声较较好地实实现。由由于CMMOS-APSS像素内内的每个个放大器器仅在此此读出期期间被激激发，所所以CMMOS-APSS的功耗耗比CCCD图像像传感器器的还小小。与CCMOSS-PPPS相比比，CMMOSAPSS的填充充系数较较小，其其设计填填充系数数典型值值为200330，接接近内线线转换CCCD的

21、的值。5521光敏敏二极管管CMOOS-AAPS（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。PPD-CCMOSS-APPS的像像素结构构如图22所示。 高高性能CCMOSSAPSS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）在在19994年首首次研制制成功，像像素数为为12881228，像像素尺寸寸为400m40m，管管芯尺寸寸为6.8mmm6.88mm，采采用1.2mmCMOOSn阱阱工艺试试制，动动态范围围为722dB,固定图图形噪声声小于00.155饱和

22、和信号水水平。固固定图形形噪声小小于0.15饱和信信号水平平。19997年年日本东东芝公司司研制成成功了66404800像素光光敏二极极管型CCMOSSAPSS，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。220000年美国国Fovveonn公司与与美国国国家半导导体公司司采用00.188mCCMOSS工艺研研制成功功40996440966像素CCMOSSAPSS100，像像素尺寸寸为5m55m，管管芯尺寸寸为222mm22mmm，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、发发展现状

23、状及其应应用，笔笔者已作作过详细细介绍68。 因因为光敏敏面没有有多晶硅硅叠层，PPD-CCMOSS-APPS的量量子效率率较高，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 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。PPG-CCMOSS-APP

24、S结合合了CCCD和XXY寻址的的优点，其其结构如如图3所所示。 光光栅信号号电荷积积分在光光栅（PPG）下下，浮置置扩散点点（A）复复位（电电压为VVDD），然然后改变变光栅脉脉冲，收收集在光光栅下的的信号电电荷转移移到扩散散点，复复位电压压水平与与信号电电压水平平之差就就是传感感器的输输出信号号。 当当采用双双层多晶晶硅工艺艺时，PPG与转转移栅（TTX）之之间要恰恰当交叠叠。在光光栅与转转移栅之之间插入入扩散桥桥，可以以采用单单层多晶晶硅工艺艺，这种种扩散桥桥要引起起大约1100个个电子的的拖影。 光栅型CMOSAPS每个像素采用5个晶体管，典型的像素间距为20m（最小特征尺寸）。采用0

25、.25mCMOS工艺将允许达到5m的像素间距。浮置扩散电容的典型值为1014F量级，产生20V/e的增益，读出噪声一般为10均方根电子20均方根电子，已有读出噪声为5均方根电子的报道。 CMOS图像传感器的设计分为两大部分，即电路设计和工艺设计，CMOS图像传感器的性能好坏，不仅与材料、工艺有关，更重要的是取决于电路设计和工艺流程以及工艺参数设计。这对设计人员提出更高的要求，设计人员面要宽，在设计中，不但要懂电路、工艺、系统方面的知识，还要有较深的理论知识。这个时代对设计者来说是一个令人兴奋和充满挑战的时代。计算机辅助设计技术为设计者提供了极大的方便，但图像系统的用途以及目标用户的范围由制造商

26、决定。如果用户装有Windows95的系统，那么就要确定图像系统不是Windows98的。如果你只是为了获取并存储大量的低分辨率图像，那就不要选择一个能够提供优质图像但同时会产生更多数据以致于无法存储的高分辨率图像传感器。现在还存在许多非标准的接口系统。现在仅供数字相机所使用可装卸存储介质就包括PCMCIA卡、东芝（Toshiba）的速闪存储器及软磁盘。重要的是，要根据产品未来所在的工作环境，对样品进行细致的性能评估。53CCD和CMOS系统的设计 CCD图像传感器和CMOS图像传感器在设计上各不相同，对于CCD图像传感器，不能在同一芯片上集成所需的功能电路。因此，在设计时，除设计光敏感部分（

27、即CCD图像传感器）外，还要考虑设计提供信号和图像处理的功能电路，即信号读出和处理电路，这些电路需要在另外的基片上制备好后才能组装在CCD图像传感器的外围；而CMOS图像传感器则不同，特别是CMOSAPS可以将所有的功能电路与光敏感部分（光电二极管）同时集成在同一基片上，制作成高度集成化的单芯片摄像系统。与前者相比，成本低、制备容易、体积小、微型化、功耗低，虽然开始有人认为光照灵敏度不如CCD图像传感器的高，并且暗电流和噪声比较大，近来由于改进了电路设计，采用亚微米和深亚微米光刻技术，使CMOS图像传感器的性能得到改善。已经具备与CCD图像传感器进行竞争的条件，21世纪，CMOS摄像器件将成为

28、信息获取与处理领域的佼佼者。到那时，单芯片摄像机和单芯片数码相机将进入千家万户。这些都得益于CMOSAPS为人们提供了高度集成化的系统，如图4所示。图5示出CMOS数码相机的框图，从中可见数码相机设计的复杂性。霍尔器件是是一种基基于霍尔尔效应的的磁传感感器,已已发展成成一个品品种多样样的磁传传感器产产品族,并已得得到广泛泛的应用用。本文文简要介介绍其工工作原理理、产品品特性及及其典型型应用。 图39霍尔尔电流传传感器在在逆变器器中的应应用（CCS为霍霍尔电流流传感器器）图40霍尔尔电流传传感器在在UPSS中的应应用（11、2、33均为霍霍尔电流流传感器器）图41霍尔尔电流传传感器在在电子点点焊

29、机中中的应用用3.2.112.33在逆变变器中的的应用 在逆变变器中，用用霍尔电电流传感感器进行行接地故故障检测测、直接接侧和交交流侧的的模拟量量传感，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，霍霍尔电流流传感器器1发出出信号并并进行反反馈，以以控制晶晶闸管的的触发角角，电流流传感器器2发出出的信号号控制逆逆变器，传传感器33控制浮浮充电源源。用霍霍尔电流流传感器器进行控控制，保保证逆变变电源正正常工作作。由于于其响应应速度快快，特别别适用于于计算机机中的不不间断电电源。33.2.12.5在电电子点焊焊机中的

30、的应用 在电子子点焊机机电源中中，霍尔尔电流传传感器起起测量和和控制作作用。它它的快速速响应能能再现电电流、电电压波形形，将它它们反馈馈到可控控整流器器A、BB，可控控制其输输出。用用斩波器器给直流流迭加上上一个交交流，可可更精确确地控制制电流。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，又又不致引引入损耗耗，如图图41所所示。33.2.12.6用于于电车斩斩波器的的控制 电车中中的调速速是由调调整电压压实现的的。将霍霍尔电流流传感器器和其它它元件配配合使用用，并将将传感器器的所有有信号输输入控制制系统，可可确保电电车正常常工作。其其控制原原理示 图42霍尔尔电流

31、传传感器在在电车斩斩波器中中的应用用图43在变变频调速速电机中中的应用用（I，RR，S，TT均为霍霍尔电流流传感器器）图44用于于电能管管理的霍霍尔电流流传感器器图45霍尔尔接地故故障检测测器的原原理和结结构于图42。图图中，SSCR11是主串串联晶闸闸管，SSCR22为辅助助晶闸管管，Loo、Coo组成输输入滤波波器，LLs是平平滑扼流流圈，MM1MM5是霍霍尔电流流传感器器。3.2.112.77在交流流变频调调速电机机中的应应用 用用变频器器来对交交流电机机实施调调速，在在世界各各发达国国家已普普遍使用用，且有有取代直直流调速速的趋势势。用变变频器控控制电机机实现调调速，可可节省110以以

32、上的电电能。在在变频器器中，霍霍尔电流流传感器器的主要要作用是是保护昂昂贵的大大功率晶晶体管。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，在在晶全管管未达到到极限温温度之前前即可切切断电源源，使晶晶体管得得到可靠靠的保护护，如图图43所所示。33.2.12.8用于于电能管管理 图图44给给出一种种用于电电能管理理的电流流传感器器的示意意图。图图中，112是通通电导线线，111是导磁磁材料带带，177是霍尔尔元件，119是霍霍尔元件件的输入入、输出出引线。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

33、接起来，对对用电情情况进行行监控，若若发现过过载，便便及时使使受控的的线路断断开，保保证用电电设备的的安全。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。3.2.12.9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

34、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电网网无功功功率自动动补偿控控制器的的原理框框图3.2.112.114霍尔尔钳形电电流表 将磁芯芯做成张张合结构构，在磁磁芯开口口处放置置霍尔器器件，将将环形磁磁芯夹在在被测电电流流过过的导线线外，即即可测出出其中流流过的电电流。这这种钳形形表既可可测交流流也可测测直流。图图48示示出一种种数字钳钳形交流流电流表表的线路路。 用用钳形表表可对各各种供电电和用电电设备进进行随机机电流检检测。33.2.13电电功率测测量 使使负载电电压变换换，令

35、其其与霍尔尔器件的的工作电电流成比比例，将将负载电电流通入入磁芯绕绕组中，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。由由霍尔器器件输出出的霍尔尔电压来来指示功功率，其其工作原原理如图图49所所示。33.2.12.11在在电力工工频谐波波分析仪仪中的应应用 在在电力系系统中，电电网的谐谐波含量量用电力力工频谐谐波仪来来进行测测试。为为了将被被测电压压和电流流变换成成适合计计算机AA/D采采样的电电压，将将各种电电力工频频谐波分分析仪的的取样装装置，如如电流互互感器、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

36、流传感感器最为为适用。对对比结果果如表88所示。 表8电力工工频谐波波分析仪仪中使用用的3种种接口部部件的比比较（LLEM模模块是一一种霍尔尔零磁通通电流传传感器） CT和PTT 电阻取样与与光耦隔隔离电路路 LEM模块块 线性度 0.5 0.1 频率范围 较窄 030kkHz 01000kHzz 对各次谐波波幅度有有否衰减减及衰减减一致性性 有，不一致致 无 无 对各次谐波波有否相相移及相相移一致致性 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

37、 容易 较难 容易 接口部件性性能、特特点3.2.112.112在开开关电源源中的应应用近代代出现的的开关电电源，是是将电网网的非稳稳定的交交流电压压变换成成稳定的的直流电电压输出出的功率率变换装装置。无无论是电电压控制制型还是是电流控控制型开开关电源源，均采采用脉冲冲宽度调调制，借借助驱动动脉冲宽宽度与输输出电压压幅值之之间存在在的某种种比例关关系来维维持恒压压输出。其其中，宽宽度变化化的脉冲冲电压或或电流的的采样、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、响响应时间间快以及及安装简简便而成成为首选选的电流流、电压压传感器器。3.2.112.1

38、13在大大电流检检测中的的应用 在冶金金、化工工、超导导体的应应用以及及高能物物理（例例如可控控核聚变变）试验验装置中中都有许许多超大大型电流流用电设设备。用用多霍尔尔探头制制成的电电流传感感器来进进行大电电流的测测量和控控制，既既可满足足测量准准确的要要求，又又不引入入插入损损耗，还还免除了了像使用用罗果勘勘斯基线线圈法中中需用的的昂贵的的测试装装置。图图47示示出一种种用于DDD托托卡马克克中的霍霍尔电流流传感器器装置。采采用这种种霍尔电电流传感感器，可可检测高高达到3300kkA的电电流。 图47（aa）为GG100安装结结构，中中心为电电流汇流流排，(b)为为电缆型型多霍尔尔探头，(c)为为霍尔电电压放大大电路。(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霍尔尔钳形数数字电流流表线路路示意图图图49霍尔尔功率计计原理图图(a)霍尔尔控制电电路(bb)霍尔尔磁场电电路图550霍尔尔三相功功率变送送器中的的霍尔乘乘法器图51霍尔尔电度表表功能框框图图52霍尔尔隔离放放大器的的功能框框图3.2.113.11霍尔三三相功率率变送器器 利用用霍尔器器件的乘乘法器功功能，还还可构成成三相功功率变送送器，用用以检测测三相平平衡或不不平衡负负载电路路的三相相有功功功率和无无功功率率。图550示出出霍尔三三相功率率变送器