Моделирование преобразователя аналогового сигнала

Преобразователь магнитного поля (ПМП) является основным элементом любого изделия микромагнитоэлектроники и широкого круга наиболее распространенных технических измерительных устройств. ПМП преобразует магнитный поток в аналоговый сигнал.

Преобразователь магнитного поля представляет собой магниточувствительный элемент (МЧЭ), размещенный на подложке-держателе и снабженный выводам необходимыми для соединения с электронной схемой усиления и обработки сигнала. Магниточувствительный элемент является частью изделия, осуществляющей функцию восприятия контролируемых параметров среды или объекта и адекватного преобразования их значений в значения собственных электрических параметров».

Магниточувствительный элемент изготавливается из материала, изменяющего свои свойства при воздействии внешнего магнитного поля. При создании магниточувствительных элементов используются различные физические явления, происходящие в полупроводниках и металлах при взаимодействии их с магнитным полем (МП).

Наиболее известны МЧЭ, использующие эффекты Холла и Гаусса, магнитосопротивления, а также магнитодиодный и магнитогальвано-рекомбинационный эффекты и др. Наибольшим спросом пользуются МЧЭ, реализованные в виде элементов Хол­ла, магниторезисторов, магнитодиодов и магнитотранзисторов. Каждый из перечисленных магниточувствительных элементов имеет опреде­ленный набор параметров и характеристик, преимуществ и особенностей, кото­рые должны учитываться при проектировании, как преобразователей магнитного поля, так и аппаратуры.

Основным критерием, характеризующим преобразователь магнитного поля, является его выходная характеристика, определяющая зависимость выходного сигнала ПМП от величины индукции воздействующего магнитного поля. Коэффициент нелинейности преобразования ПМП определяют графическим путем, для чего используют характеристику, приведенную на рис..

Рис. Выходная характеристика преобразователя магнитного поля

Через начало координат выходной характеристики проводят прямую таким образом, чтобы максимальное отклонение (ε) над прямой и под ней по возможно­сти было одинаковым. Например, для элементов Холла это соответ­ствует использованию оптимального сопротивления нагрузки, когда

Rн = Rопт. Максимальное отклонение вычисляется по следующей формуле:

ε =△U_вых=U1-U2. ()

Коэффициент нелинейности △F характеристики определяется по выходной характеристике чувствительности (рис.):

△F =(ε / U_{вых макс})· 100% ()

где Uвых макс - напряжение на выходе ПМП при В=В_макс.

По характеристике, определяют диапазон индукций магнитного поля, в котором характеристика преобразователя линейна. Этот диа­пазон лежит в пределах от - В_макс – до + В_макс. Величина динамического диапазона Dв рассчитывается по формуле:

D_в=В_макс/В_мин ()

К основным параметрам, определяющим выбор и основные характеристики преобразователей магнитного поля относятся:

1.Номинальное напряжение питания U_n (В),приложенное к входным выводам преобразователя и обеспечивающее его номинальные параметры при длительной работе.

2.Номинальное значение тока управления I_уп.ном (мА),значение тока управления,протекающего через преобразователь при номинальном напряжении питания. То есть тока, протекание которого через магниточувствительный элемент,находящийся в воздушной среде,не вызывает его нагрева выше чем на 10-150С температуры окружающей среды.

3.Максимальное значение тока управления I_{уп.макс} (мА),максимальный ток при котором возможна длительная работа преобразователя. Это значение определяется условиями эксплуатации, т.е. условиями теплоотвода и температурой окружающей среды, а также максимально допустимой температурой нагрева магниточувствительного элемента.

4.Максимальная электрическая мощность, рассеиваемая преобразователем Р_макс (Вт),мощность при которой отклонение параметров преобразователей от номинальных значений не превышает установленных пределов при длительной работе.

5.Номинальное значение индукции управляющего магнитного поля В_ном (Тл).Предельное значение индукции управляющего магнитного поля, гарантирующее заданную линейность преобразования.

6.Предельный интервал индукций управляющего магнитного поля В_макс (Тл).Максимальное значение индукции магнитного поля, при котором нелинейность преобразования не превышает установленной в паспорте нормы. Определяется графическим путём по энергетической характеристике преобразователя в рабочем диапазоне индукций управляющего магнитного поля от–В_макс до +В_макс.

7.Порог чувствительности В_n (Тл).Среднее квадратическое значение первой гармоники действующего на магнитный элемент модулированного магнитного потока, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) сигнала равно среднему квадратическому значению напряжения (тока) шума в заданной полосе на частоте модуляции потока.

8.Порог чувствительности в единичной полосе пропускания B_m. Порог чувствительности преобразователя магнитного поля, приведенный к единичной полосе частот усилителя сигнала элемента. Он определяет минимальный уровень магнитного поля,регистрируемый преобразователем магнитного поля при соотношении сигнал/шум равном единице B_n1= B_n /△f.

9.Интервал рабочих температур Т_раб.Интервал рабочих температур окружающей среды,при котором гарантируются параметры преобразователя. При разработке высокочувствительной аппаратуры для регистрации магнитных по­лей наиболее существенными являются пороговые характеристики МЧЭ. Минимальный порог чувствительности преобразователя регламентируется так называемой «мертвой зоной», расположенной в диапазоне от –В_мин, до +В_мин.

Рис. Определение динамического диапазона преобразователя магнитного поля.