霍尔效应传感器设计的技巧.docx

【Word版本下载可任意编辑】 PAGE 1 - / NUMPAGES 1 霍尔效应传感器设计的技巧 带滞后的静态开关行为  霍尔开关具有两种不同的磁阈值——Bon和Boff，它们形成磁滞回线。此行为对防止不必要的翻转或闪抖是必要的，若没有这种迟滞，则会发生这种不必要的麻烦。图2显示的是假设在非反向输出状态时的静态输出状态与磁通密度B的比照曲线图。  图2：霍尔开关的静态磁滞回线。  在Bon和Boff之间，两个输出状态都是可能的。在B》Bon时，输出肯定为0；在Boff前，开关都将保持为0；在Boff时，输出变为1。  阈值噪声和可靠滞后  现在可能有这个问题：磁滞回线可做得多小？为给出答案，必须考虑阈值噪声影响。实际上，Bon和Boff都不是限定为单一值的固定阈值，受由霍尔传感器本身和其它电路的热噪声所引起的阈值噪声的影响，这两个值变得飘忽不定。取决于电流消耗和滤波器带宽，噪声水平可通过设计开展调整。噪声添加到假定原本是恒定的阈值上。现在，图3显示了Bon和Boff的概率密度函数（不按比例）。  图3：阈值噪声的概率密度函数  概率密度的高度是其在相应磁通密度B条件下，找到瞬时阈值可能性的一种标度。对热噪声来说，其概率呈正态（高斯）分布。该密度函数的宽度由标准偏差σBth给出，其值与阀值的均方根（RMS）噪声值Bth，rms相同。  因为密度不可能为0，Bon和Boff概率密度的尾线将总是在Bon和Boff的中点Bmid处趋合。这意味着，对于恒定磁通密度Bmid来说，Bon阀值有时可能（小概率）低于Bmid，从而打开开关。另外，Boff有时也可能高于Bmid，这又会关闭开关。这样，即便对恒定磁通密度，开关也可能开始翻转，这通常是不希望的。这种现象不可能完全防止，但应充分减小其发生概率。作为经验法则，如果Bon-Boff的差值大于等于10~12σBth，则这种情况可以忽略不计。  滤波的采样霍尔开关  HAL 15xy传感器家族的信号处理基于带低通滤波器的采样设计。这样，当对经滤波的输入开展新取样时，开关输出的翻转仅在时间上的特定等距点才会发生，对 HAL 15xy传感器来说，是每隔2μs。在B穿过翻转阈值的时间点与采样时钟不同步时，会导致采样抖动。图4给出了滤波采样开关（如HAL 15xy）的时序样例：  图4：滤波采样霍尔开关的延迟。  此处，假设磁通密度B（t） 在通过Bon时完成一个非常快的迁跃，以保持阈值噪声影响在当下可忽略不计。霍尔信号正比于B（t），然后使该信号通过一个低通滤波器，以消除更高带宽的阈值噪声。  它需要一个恒定的系统延迟Δtsyst，直到穿过阈值的信号通过滤波器，例如，这里的Δtsyst为15~16μs。此外，将出现长为2μs的随机延迟相位，直到下采样发生且比较器翻转。当霍尔开关反复翻转时，该随机延迟被称为采样抖动Δtsampling。  采样抖动可由峰-峰值或均方根（RMS）值描述。在2μs采样间隔内，由峰-峰值描述的HAL 15xy传感器的Δtsampling=±1μs。所有时间点被发现的几率是相同的（概率分布形状像个“盒子”）。这样，其RMS的典型值 Δtsampling为0.58μs、值为0.72μs，比竞争产品具有更好性能。  对HAL 15xy系列产品来说，其采样比较器选为工作在500 kHz采样速率，以保证典型的采样抖动被可靠地限制在±1μs。此类设计支持在比较器内采用动态补偿抑制，从而提升了HAL 15xy传感器磁性阈值的整体精度。  另外，该传感器有一个独特的前端设计，通过使用金属掩模编程，在不增加采样抖动的情况下，可实现对低通滤波器的带宽在3kHz和93kHz间的灵活定义。一方面，较小的带宽增大了信号路径的系统延迟；但另一方面，也降低了开关的阈值噪声、提高了精度。更高带宽的情况与上述正好相反。归功于该特性， HAL 15xy系列可针对具有快速动态或静态磁场要求的应用开展客户定制。  无滤波的采样霍尔开关  像 Micronas的HAL 5xy系列等霍尔开关，采用的是没有滤波IC的设计。根据顾客喜好，没有滤波的低延迟特性对快速响应有吸引力，但代价是噪声阈值的增加。对这样的霍尔开关来说，采样抖动仍然存在，但因没有滤波器参加，其系统延迟没有了。图5显示了此类开关的一般动态行为。  图5：没有滤波的采样霍尔开关的延迟。  这就是为什么HAL 5xy传感器随机延迟的峰-峰值Δtsampling，pp=±8μs，而RMS值Δtsampling，rms.=±4.6μs，这一比照，凸显了同样来自Microna