Z-半导体敏感元件原理与应用二

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2．光电计数器 

表2、光敏Z-元件应用电路与输出信号波形阻态图 

   

  



图8是光电计数器电路。D1是缓冲级D2-1、D2-2是信号反相级，供计数级选择。R1、V1、V2、R2、R3构成了温度补偿电桥，其中，V2避光，V1受光，且V1、V2应选择反向灵敏度温漂DTR相近的Z-元件。R2用来调整在最大温漂状态下，无光照时D1保持输出为低电平。在被计数的物品遮挡一次光照时，D1输出一个负脉冲，D2-1、D2-2输出的计数脉冲可供选择。当工作温度变化时，因D1两个输入端等电位同步变化，不致产生误动作。 

光敏Z-元件还有更多的场合能够应用，这里不一一例举。 

七、 磁敏Z-元件及其技术参数 

1．磁敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法 

磁敏Z-元件是一种经过特殊掺杂而制得的改性PN结。图9(a)是结构示意，图9(b)是电路符号，“+”表示正向使用时接电源“+”端，M表示对磁场敏感。 

表3、磁敏Z-元件分档代号与技术参数 

名称 
 符号 
 阈值电压分档代号 
 单位 
 测试条件(T=20°C) 
 
10 
 20 
 30 
 31 
 
阈值电压 
 Vth 
 <10 
 10-20 
 20-30 
 >30 
 V 
 RL:5~150kW 
 
阈值磁场 
 Bth 
 1 
 <300 
 mT 
 RL:5~150kW 
 
2 
 >300 
 
阈值电流 
 Ith 
 <1 
 £2 
 £3 
 >3 
 mA 
 RL:5kW 
 
磁场范围 
 B 
 1 
 (1~1.5)Bth 
 mT 
 RL:5~150kW 
 
2 
 
频率范围 
 f 
 1~100 
 kHz 
 RL:5kW 
 
输出幅值 
 VP.P 
 ³Vth/6 
 V 
 RL:5~150kW 
 
频率灵敏度 
 SF 
 >20 
 Hz/mT 
 RL:5~150kW 
 
电压灵敏度 
 ST 
 <-300 
 mV/100mT 
 E>Vth+RL.Ith 
 
 


磁敏Z-元件的命名方法有两种： 

国内命名法 



国际命名法 



2．磁敏Z-元件的伏安特性曲线 

磁敏Z-元件的伏安特性，应当在无磁场的情况下进行测量，图9(c)是伏安特性测量电路，正向伏安特性的测量电路与方法与温敏Z-元件的相同[6]。 

图9(d)的伏安特性中OP段为高阻区，记为M1，pf段为负阻区，记为M2，fm为低阻区，记为M3区。特性中的Vth叫做阈值电压，表示在25℃时两端电压的最大值。Ith叫做阈值电流，是Z-元件电压为Vth时的电流。Vf叫做导通电压，是M3区电压的最小值。If叫做导通电流，是对应Vf的电流，是低阻区电流最小值。反向特性无磁敏。 

3．磁敏Z-元件的分档代号与技术参数 

磁敏Z-元件的技术参数列于表3，磁敏Z-元件的分档代号有两个，一个是Vth，共分四档；另一个是阈值磁场，共分两档。磁敏Z-元件的技术参数符合QJ/HN003-1998。 

八、 磁敏Z-元件的磁敏特性 

磁敏Z-元件的正向伏安特性，可用图9(c)所示电路进行测量，与温敏Z-元件正向伏安特性测量电路与方法相同。［6］ 

磁敏Z-元件在磁场中，其伏安特性曲线形状发生了变化，因而，技术参数也发生了变化。磁场由弱到强的变化过程，技术参数的变化范围如表3所示。 


1．阈值磁场：Bth(mT ) 

磁敏Z-元件置于磁场中，如图10所示。电路中产生了自激振荡，输出信号VO的波形类似于温敏Z-元件的下降沿触发的脉冲频率信号。使Z-元件刚刚起振的磁场，定义为阈值磁场，用Bth表示。 

2．磁场范围：B(mT) 

磁场范围，表示维持Z-元件正常振荡的磁场，其值为(1~1.5)Bth。 

3．频率范围：f(Hz) 

Z-元件在磁场中正常的信号频率范围。 

4．频率灵敏度：SF(Hz/mT)  
 


磁敏Z-元件在磁场中产生振荡后，频率的变化量Df(Hz)与磁场变化量DB(mT)之比为频率灵敏度SF(Hz/mT)： 

       (5) 

5．电压灵敏度ST(mV/mT) 

磁敏Z-元件在磁场中，Vf向右平移增大，磁场越强，Vf增加的越多，见图11。电压灵敏度ST等于导通电压Vf的增量DVf与磁场变化增量DB之比。 

 (mV/mT) (6) 

磁敏Z-元件在实验中，除上述参数用来表述在磁场中变化外，还有一种在磁场中的特性没有相应的参数可以表示。例如，在磁场中，Vf阶跃式的增大，同时Vth也增大，幅度变化为： 

Vf：(1~3) Vf，Vth： Vth+(0~1V)， 

参见图11。这一特性非常适合制作磁控开关、转速表等。 



九、 磁敏Z-元件的应用电路 

磁敏Z-元件是一个非线性元件［1］，典型应用电路为Z-元件与一个负载电阻RL串联的电路。RL的一个作用是限制工作电流，另一个作用是可以从RL与Z-元件连接点处取出输出信号，如图12(a)所示。Z-元件允许并联一个电容器，输出脉冲频率信号。 

1． 工作在M3区输出阶跃信号 

磁敏Z-元件工作在哪一个区，与电源电压E的大小有关。在温敏Z-元件工作中，由M1区向M3区转换的过程中，电源电压E，负载电阻RL与Z-元件的参数Vth 、Ith，必须满足的条件-状态方程为： 

E= Vth +IthRL (7) 

该方程仍然适用于磁敏Z-元件。 

图12是输出阶跃信号的电路图，工作状态解析图和信号波形图。为了保证Z-元件工作在M3区，P(Vth，Ith)点必须设定在负载线(E，E/RL)的左侧，并应考虑温度的影响，在应用的温度范围内，能可靠地工作在M3区。 

从解析图中已知道，无磁场时工作点为Q1(Vf，IZ1)，输出为VO=VOL=Vf。加入300mT磁场，P1(Vth1，Ith1)移至P2(Vth2，Ith2)，P2点在直线(E，E/RL)的左侧，Q2(VZ2，IZ2)点在OP2上，这时的输出为：VO=VOH=E- IZ2RL  
 

当磁场为B=0时，VO又恢复为低电平，即VO=VOL=Vf。

2． 并联电容器M1→M3，M3→M1互相转换输出脉冲频率信号 

图13是磁敏Z-元件输出脉冲频率信号电路。Z-元件在磁场中产生的自激振荡，其脉冲频率信号往往不够稳定［1］、［2］，因而采用Z-元件并联电容器的方法，改善振荡的稳定性和电源电压的适应性。这个脉冲频率信号是下降沿触发的，其频率受磁场的调制，信号频率与磁场的关系

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