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霍尔效应传感器设计的技巧

时间:05-10 来源:互联网 点击:

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。

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