霍爾效應(yīng)傳感器設(shè)計的技巧

作為汽車產(chǎn)業(yè)的一個組成部分，霍爾效應(yīng)傳感器用于在諸如底盤、安全、車身、保障及動力傳動等極其廣泛的一系列應(yīng)用中檢測端位置或測量線性或角運動。目前，主導(dǎo)汽車行業(yè)研發(fā)討論的一個重要話題是功能安全。功能安全影響到所有應(yīng)用系統(tǒng)組件的設(shè)計和功能設(shè)置，包括霍爾傳感器。

由于霍爾傳感器的非接觸式測量原理和高可靠性，在許多應(yīng)用中，用霍爾傳感器實現(xiàn)的感知方案成為了首選。

例如，由于霍爾傳感器對環(huán)境條件(如灰塵、濕度和振動)的不敏感性，即使在十分苛刻環(huán)境溫度條件下(-40℃至150℃)，其測量結(jié)果的一致性仍然很好，再加上其不受使用時間和使用次數(shù)，而影響測量精度的高品質(zhì)等特性，霍爾效應(yīng)傳感器正逐步取代機械開關(guān)。

為了實現(xiàn)不斷發(fā)展的安全和可靠性特性，開關(guān)閾值的最高精度成為了霍爾開關(guān)規(guī)范的基本參數(shù)。

在由一個磁信號通過開關(guān)閾值觸發(fā)的實際開關(guān)操作中，其動作會受開關(guān)延遲、采樣抖動和噪聲閾值等各因素的影響。上述這些因素都是不希望的，一個理想的開關(guān)應(yīng)在瞬間做出反應(yīng)，但由于霍爾IC的內(nèi)部信號處理，它們無法完全避免。

為了獲得最佳開關(guān)性能， Micronas公司的霍爾效應(yīng)開關(guān)系列的最新產(chǎn)品(HAL 15xy)內(nèi)的信號處理對此進行了專門設(shè)計，以增強對這些負面影響的抑制能力。

本文分析了信號路徑設(shè)計是如何影響輸出信號的抖動性能的，并介紹了解決這一問題所采取的不同設(shè)計方法。

霍爾開關(guān)的信號路徑

霍爾開關(guān)的簡化信號路徑包括幾個基本組件，如圖1所描述：

圖1：簡化的霍爾開關(guān)信號路徑。

該集成霍爾傳感器將磁通密度轉(zhuǎn)換成電信號，可選的低通濾波器限制了信號帶寬，采樣或無采樣比較器判定該信號是高于還是低于當(dāng)前的作用閾值。

每次被采樣時鐘觸發(fā)時，被采樣的比較器都做出新決策;而未被采樣的比較器無需觸發(fā)持續(xù)運行。

在采用低通濾波器的情況下，它抑制高于有用信號帶寬的頻率分量，以降低這些頻率范圍產(chǎn)生的噪聲。

許多霍爾傳感器IC，包括Micronas的霍爾開關(guān)系列，采用著名的旋轉(zhuǎn)電流(spinning-current)技術(shù)以實現(xiàn)優(yōu)異的補償性能。為簡化，圖1省略了所有與旋轉(zhuǎn)電流相關(guān)的模塊。

帶滯后的靜態(tài)開關(guān)行為

霍爾開關(guān)具有兩種不同的磁閾值——Bon和Boff，它們形成磁滯回線。此行為對避免不必要的翻轉(zhuǎn)或閃抖是必要的，若沒有這種遲滯，則會發(fā)生這種不必要的麻煩。圖2顯示的是假設(shè)在非反向輸出狀態(tài)時的靜態(tài)輸出狀態(tài)與磁通密度B的對比曲線圖。

圖2：霍爾開關(guān)的靜態(tài)磁滯回線。

在Bon和Boff之間，兩個輸出狀態(tài)都是可能的。在B>Bon時，輸出肯定為0;在Boff前，開關(guān)都將保持為0;在Boff時，輸出變?yōu)?。

閾值噪聲和最小可靠滯后

現(xiàn)在可能有這個問題：磁滯回線可做得多小?為給出答案，必須考慮閾值噪聲影響。實際上，Bon和Boff都不是限定為單一值的固定閾值，受由霍爾傳感器本身和其它電路的熱噪聲所引起的閾值噪聲的影響，這兩個值變得飄忽不定。取決于電流消耗和濾波器帶寬，噪聲水平可通過設(shè)計進行調(diào)整。噪聲添加到假定原本是恒定的閾值上?，F(xiàn)在，圖3顯示了Bon和Boff的概率密度函數(shù)(不按比例)。

圖3：閾值噪聲的概率密度函數(shù)

概率密度的高度是其在相應(yīng)磁通密度B條件下，找到瞬時閾值可能性的一種標(biāo)度。對熱噪聲來說，其概率呈正態(tài)(高斯)分布。該密度函數(shù)的寬度由標(biāo)準(zhǔn)偏差σBth給出，其值與閥值的均方根(RMS)噪聲值Bth,rms相同。

因為密度不可能為0，Bon和Boff概率密度的尾線將總是在Bon和Boff的中點Bmid處趨合。這意味著，對于恒定磁通密度Bmid來說，Bon閥值有時可能(小概率)低于Bmid，從而打開開關(guān)。另外，Boff有時也可能高于Bmid，這又會關(guān)閉開關(guān)。這樣，即便對恒定磁通密度，開關(guān)也可能開始翻轉(zhuǎn)，這通常是不希望的。這種現(xiàn)象不可能完全避免，但應(yīng)充分減小其發(fā)生概率。作為經(jīng)驗法則，如果Bon-Boff的差值大于等于10~12σBth，則這種情況可以忽略不計。

濾波的采樣霍爾開關(guān)

HAL 15xy傳感器家族的信號處理基于帶低通濾波器的采樣設(shè)計。這樣，當(dāng)對經(jīng)濾波的輸入進行新取樣時，開關(guān)輸出的翻轉(zhuǎn)僅在時間上的特定等距點才會發(fā)生，對HAL 15xy傳感器來說，是每隔2μs。在B穿過翻轉(zhuǎn)閾值的時間點與采樣時鐘不同步時，會導(dǎo)致采樣抖動。圖4給出了濾波采樣開關(guān)(如HAL 15xy)的時序樣例：

圖4：濾波采樣霍爾開關(guān)的延遲。

此處，假設(shè)磁通密度B(t) 在通過Bon時完成一個非?？斓倪w躍，以保持閾值噪聲影響在當(dāng)下可忽略不計?；魻栃盘栒扔贐(t)，然后使該信號通過一個低通濾波器，以消除更高帶寬的閾值噪聲。

它需要一個恒定的系統(tǒng)延遲Δtsyst，直到穿過閾值的信號通過濾波器，例如，這里的Δtsyst為15~16μs。此外，將出現(xiàn)最長為2μs的隨機延遲相位，直到下一次采樣發(fā)生且比較器翻轉(zhuǎn)。當(dāng)霍爾開關(guān)反復(fù)翻轉(zhuǎn)時，該隨機延遲被稱為采樣抖動Δtsampling。

采樣抖動可由峰-峰值或均方根(RMS)值描述。在2μs采樣間隔內(nèi)，由峰-峰值描述的HAL 15xy傳感器的Δtsampling=±1μs。所有時間點被發(fā)現(xiàn)的幾率是相同的(概率分布形狀像個“盒子”)。這樣，其RMS的典型值Δtsampling為0.58μs、最大值為0.72μs，比競爭產(chǎn)品具有更好性能。

對HAL 15xy系列產(chǎn)品來說，其采樣比較器選為工作在500 kHz采樣速率，以保證典型的采樣抖動被可靠地限制在±1μs。此類設(shè)計支持在比較器內(nèi)采用動態(tài)補償抑制，從而提升了HAL 15xy傳感器磁性閾值的整體精度。

另外，該傳感器有一個獨特的前端設(shè)計，通過使用金屬掩模編程，在不增加采樣抖動的情況下，可實現(xiàn)對低通濾波器的帶寬在3kHz和93kHz間的靈活定義。一方面，較小的帶寬增大了信號路徑的系統(tǒng)延遲;但另一方面，也降低了開關(guān)的閾值噪聲、提高了精度。更高帶寬的情況與上述正好相反。歸功于該特性， HAL 15xy系列可針對具有快速動態(tài)或靜態(tài)磁場要求的應(yīng)用進行客戶定制。

無濾波的采樣霍爾開關(guān)

像Micronas的HAL 5xy系列等霍爾開關(guān)，采用的是沒有濾波IC的設(shè)計。根據(jù)顧客喜好，沒有濾波的低延遲特性對快速響應(yīng)有吸引力，但代價是噪聲閾值的增加。對這樣的霍爾開關(guān)來說，采樣抖動仍然存在，但因沒有濾波器加入，其系統(tǒng)延遲沒有了。圖5顯示了此類開關(guān)的一般動態(tài)行為。

圖5：沒有濾波的采樣霍爾開關(guān)的延遲。

這就是為什么HAL 5xy傳感器隨機延遲的峰-峰值Δtsampling,pp=±8μs，而RMS值Δtsampling,rms.=±4.6μs，這一對比，凸顯了同樣來自Micronas的其繼任產(chǎn)品HAL 15xy的更佳性能。

濾波的無采樣霍爾開關(guān)

一些無采樣霍爾開關(guān)會有由濾波引入的系統(tǒng)延遲以及由內(nèi)部比較器熱噪聲導(dǎo)致的隨機延遲。因此，這類似HAL 15xy的情況，只是翻轉(zhuǎn)不確定性的概率密度呈正態(tài)分布，看上去像高斯曲線，而非“盒子”狀。其中，出現(xiàn)的只有總開關(guān)抖動，它沒有采樣抖動成分。圖6顯示的是這種狀態(tài)。

圖6：濾波無采樣霍爾開關(guān)的延遲。

Syst. Delay from filtering: 濾波導(dǎo)致的系統(tǒng)延遲

Random switching uncertainly: 隨機開關(guān)的不確定性

對正態(tài)分布來說，無法給出峰-峰值(但通常采用±3σ)，只定義了標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，此處，σ等于開關(guān)抖動的RMS值?；谠撛O(shè)計方法的霍爾IC在最佳情況下，所能有的最大輸出RMS抖動為1μs，且無法提供諸如HAL 15xy傳感器系列那種帶濾波采樣霍爾開關(guān)的高性能。

有效閾值噪聲和遲滯收窄

如在開始時說的，在一定范圍內(nèi)，每個開關(guān)閾值會表現(xiàn)出由閾值噪聲導(dǎo)致的非正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)偏差σBth描述了這種分布的寬度。然而，由于閾值噪聲被開關(guān)的遲滯作用所扭曲，所以在應(yīng)用中，無法直接測量它，也無法直接用于評估噪聲引起的誤差。

在應(yīng)用中，基于通過“嘈雜”閾值區(qū)域的磁通密度B的變化速率，只需考慮部分閾值噪聲。幸運的是，這一可觀察的部分通常比真實閾值噪聲小，在本文中稱其為“有效閾值噪聲”。另外，可觀察到“閾值走動”或“滯后收窄”。此偏移的閾值分布或有效分布在測量開關(guān)特性時被觀察，其與真實閾值分布不同。圖7試圖說明這種效果。

圖7：真實和有效的閾值密度。

sampling points: 采樣點

time: 時間

圖7的上半部分顯示了嘈雜閾值的真實分布。標(biāo)有“X”的位置表示的值B(t)相關(guān)于開關(guān)在t=T0、T0+T和T0+2T(T：采樣間隔)等時刻的采樣。

在每個“X”標(biāo)記，霍爾開關(guān)確定B(t)是高于還是低于閾值。在真實分布的左側(cè)尾部，對每一單一采樣來說，找到B(t)在閾值以上的概率仍小。然而，累計到當(dāng)前采樣的翻轉(zhuǎn)概率絕對大，因此，如果在B(t)仍在左側(cè)尾部時執(zhí)行足夠的采樣，則開關(guān)仍將翻轉(zhuǎn)。

假定一個緩慢行進的B(t)，在開關(guān)翻轉(zhuǎn)前，不太可能達到真實分布的右半部分，它會跳躍到其它閾值。圖7的下半部分此時顯示的是可觀察的噪聲效果的有效分布，于真實分布相比，它明顯地偏移了。當(dāng)然平均值也偏移了，并導(dǎo)致遲滯窗口小幅收窄。收窄幅度和有效分布寬度取決于B(t)的斜率。

HAL 15xy系列開關(guān)抖動的產(chǎn)生原因

最有趣的是霍爾開關(guān)開關(guān)抖動Δtswitch的產(chǎn)生原因。開關(guān)延遲的隨機分布——開關(guān)抖動，可根據(jù)圖8予以考慮。

圖8：由閾值噪聲和采樣抖動引發(fā)的開關(guān)抖動。

Hall plate: 霍爾板

Low-pass filter: 低通濾波器

Sampled comparator: 采樣比較器

Possible crossing range: 可能的通過范圍

Effective noise band around threshold: 閥值周圍的有效噪聲帶

Syst. Delay from filtering:過濾導(dǎo)致的系統(tǒng)延遲

Sample events: 采樣事件

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

happen: 采樣抖動△tswitch：通過后，下一個采樣可發(fā)生的時間窗口

Crossing can be sampled earliest:可進行最早采樣的通過

Crossing must be sampled latest: 必須最后采樣的通過

在此，閾值噪聲和采樣抖動都存在，導(dǎo)致了組合開關(guān)抖動。B(t)緩慢穿過有效閾值，因此閾值噪聲不能再忽略。在有效閾值周圍繪制了噪聲帶。圖8表示瞬時閾值可以被定位在哪里。噪聲頻帶內(nèi)，B(t)在時間軸上的投影只是給出了來自閾值噪聲的時序抖動Δtthres.noise。這種時序抖動出現(xiàn)在濾波器輸出電壓Vfilter時是有延遲的。現(xiàn)在，當(dāng)輸出翻轉(zhuǎn)時，最終的開關(guān)抖動包含來自閾值噪聲的抖動以及始終存在的采樣抖動。

注意，圖8忽略了來自閾值噪聲和采樣抖動這兩種抖動的不同概率密度，另外，這兩者都會影響開關(guān)抖動。對高斜率來說，采樣抖動占主導(dǎo)且可被用來估計開關(guān)抖動。對低斜率來說，采樣抖動雖也存在，但有效閥值噪聲是主導(dǎo)。

通過設(shè)置使采樣抖動Δtsampling,rms=Bth,rms抖動(閥值噪聲引入)，可容易地發(fā)現(xiàn)高、低斜率之間的邊界。

因此，當(dāng)磁變化速率遠低于124mT/ms時，所產(chǎn)生的開關(guān)抖動可僅根據(jù)來從閾值噪聲的抖動進行評估，采樣抖動可忽略不計。

結(jié)論

霍爾開關(guān)的抖動有兩個來源。第一，霍爾板的熱噪聲和信號處理導(dǎo)致的閾值噪聲;第二，采樣引致因系統(tǒng)而異的采樣抖動。通過Micronas專有技術(shù)的優(yōu)化配置，HAL 15xy傳感器系列工作于非常高的采樣頻率，因此，產(chǎn)生的采樣抖動非常小。這種新的和優(yōu)化的電路設(shè)計，可以在保證極低熱噪聲的同時保持低功耗，具有同類產(chǎn)品最佳的噪音表現(xiàn)。此外，可通過金屬掩膜編程減少或增加模擬濾波器的帶寬，使最小化噪聲或延遲時間成為可能。