霍尔效应传感器设计的技巧

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，将出现最长为2μs的随机延迟相位，直到下一次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、最大值为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进行客户定制。

　　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，但因没有滤波器加入，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，这一对比，凸显了同样来自Micronas的其继任产品HAL 15xy的更佳性能。

　　HAL 15xy系列开关抖动的产生原因

　　最有趣的是霍尔开关开关抖动Δtswitch的产生原因。开关延迟的随机分布——开关抖动，可根据图8予以考虑。

　　图8：由阈值噪声和采样抖动引发的开关抖动。

　　Hall plate： 霍尔板

　　Low-pass filter： 低通滤波器

　　Sampled comparator： 采样比较器

　　Possible crossing range： 可能的通过范围

　　Effective noise band around threshold： 阀值周围的有效噪声带

　　Syst. Delay from filtering：过滤导致的系统延迟

　　Sample events： 采样事件

　　Sampling jitter△tswitch： time window where next sample after crossing can

　　happen： 采样抖动△tswitch：通过后，下一个采样可发生的时间窗口

　　Crossing can be sampled earliest：可进行最早采样的通过

　　Crossing must be sampled latest： 必须最后采样的通过

　　在此，阈值噪声和采样抖动都存在，导致了组合开关抖动。B（t）缓慢穿过有效阈值，因此阈值噪声不能再忽略。在有效阈值周围绘制了噪声带。图8表示瞬时阈值可以被定位在哪里。噪声频带内，B（t）在时间轴上的投影只是给出了来自阈值噪声的时序抖动Δtthres.noise。这种时序抖动出现在滤波器输出电压Vfilter时是有延迟的。现在，当输出翻转时，最终的开关抖动包含来自阈值噪声的抖动以及始终存在的采样抖动。

　　注意，图8忽略了来自阈值噪声和采样抖动这两种抖动的不同概率密度，另外，这两者都会影响开关抖动。对高斜率来说，采样抖动占主导且可被用来估计开关抖动。对低斜率来说，采样抖动虽也存在，但有效阀值噪声是主导。

　　通过设置使采样抖动Δtsampling，rms=Bth，rms抖动（阀值噪声引入），可容易地发现高、低斜率之间的边界。

　　因此，当磁变化速率远低于124mT/ms时，所产生的开关抖动可仅根据来从阈值噪声的抖动进行评估，采样抖动可忽略不计。

　　结论

　　霍尔开关的抖动有两个来源。第一，霍尔板的热噪声和信号处理导致的阈值噪声；第二，采样引致因系统而异的采样抖动。通过Micronas专有技术的优化配置，HAL 15xy传感器系列工作于非常高的采样频率，因此，产生的采样抖动非常小。这种新的和优化的电路设计，可以在保证极低热噪声的同时保持低功耗，具有同类产品最佳的噪音表现。此外，可通过金属掩膜编程减少或增加模拟滤波器的带宽，使最小化噪声或延迟时间成为可能。