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作為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)組成部分，霍爾效應傳感器用于在諸如底盤(pán)、安全、車(chē)身、保障及動(dòng)力傳動(dòng)等極其廣泛的一系列應用中檢測端位置或測量線(xiàn)性或角運動(dòng)。目前，主導汽車(chē)行業(yè)研發(fā)討論的一個(gè)重要話(huà)題是功能安全。功能安全影響到所有應用系統組件的設計和功能設置，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，在許多應用中，用霍爾傳感器實(shí)現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(dòng))的不敏感性，即使在十分苛刻環(huán)境溫度條件下(-40℃至150℃)，其測量結果的一致性仍然很好，再加上其不受使用時(shí)間和使用次數，而影響測量精度的高品質(zhì)等特性，霍爾效應傳感器正逐步取代機械開(kāi)關(guān)。 為了實(shí)現不斷發(fā)展的安全和可靠性特性，開(kāi)關(guān)閾值的最高精度成為了霍爾開(kāi)關(guān)規范的基本參數。 在由一個(gè)磁信號通過(guò)開(kāi)關(guān)閾值觸發(fā)的實(shí)際開(kāi)關(guān)操作中，其動(dòng)作會(huì )受開(kāi)關(guān)延遲、采樣抖動(dòng)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(gè)理想的開(kāi)關(guān)應在瞬間做出反應，但由于霍爾IC的內部信號處理，它們無(wú)法完全避免。 為了獲得最佳開(kāi)關(guān)性能， Micronas公司的霍爾效應開(kāi)關(guān)系列的最新產(chǎn)品(HAL 15xy)內的信號處理對此進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設計，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計是如何影響輸出信號的抖動(dòng)性能的，并介紹了解決這一問(wèn)題所采取的不同設計方法。 霍爾開(kāi)關(guān)的信號路徑 霍爾開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化信號路徑包括幾個(gè)基本組件，如圖1所描述： 
圖1：簡(jiǎn)化的霍爾開(kāi)關(guān)信號路徑。 該集成霍爾傳感器將磁通密度轉換成電信號，可選的低通濾波器限制了信號帶寬，采樣或無(wú)采樣比較器判定該信號是高于還是低于當前的作用閾值。 每次被采樣時(shí)鐘觸發(fā)時(shí)，被采樣的比較器都做出新決策；而未被采樣的比較器無(wú)需觸發(fā)持續運行。 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(kāi)關(guān)系列，采用著(zhù)名的旋轉電流(spinning-current)技術(shù)以實(shí)現優(yōu)異的補償性能。為簡(jiǎn)化，圖1省略了所有與旋轉電流相關(guān)的模塊。 帶滯后的靜態(tài)開(kāi)關(guān)行為 霍爾開(kāi)關(guān)具有兩種不同的磁閾值——Bon和Boff，它們形成磁滯回線(xiàn)。此行為對避免不必要的翻轉或閃抖是必要的，若沒(méi)有這種遲滯，則會(huì )發(fā)生這種不必要的麻煩。圖2顯示的是假設在非反向輸出狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)輸出狀態(tài)與磁通密度B的對比曲線(xiàn)圖。
圖2：霍爾開(kāi)關(guān)的靜態(tài)磁滯回線(xiàn)。 在Bon和Boff之間，兩個(gè)輸出狀態(tài)都是可能的。在B>Bon時(shí)，輸出肯定為0；在Boff前，開(kāi)關(guān)都將保持為0；在Boff時(shí)，輸出變?yōu)?。 閾值噪聲和最小可靠滯后 現在可能有這個(gè)問(wèn)題：磁滯回線(xiàn)可做得多��？為給出答案，必須考慮閾值噪聲影響。實(shí)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(gè)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(guò)設計進(jìn)行調整。噪聲添加到假定原本是恒定的閾值上�，F在，圖3顯示了Bon和Boff的概率密度函數(不按比例)。
圖3：閾值噪聲的概率密度函數 概率密度的高度是其在相應磁通密度B條件下，找到瞬時(shí)閾值可能性的一種標度。對熱噪聲來(lái)說(shuō)，其概率呈正態(tài)(高斯)分布。該密度函數的寬度由標準偏差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(xiàn)將總是在Bon和Boff的中點(diǎn)Bmid處趨合。這意味著(zhù)，對于恒定磁通密度Bmid來(lái)說(shuō)，Bon閥值有時(shí)可能(小概率)低于Bmid，從而打開(kāi)開(kāi)關(guān)。另外，Boff有時(shí)也可能高于Bmid，這又會(huì )關(guān)閉開(kāi)關(guān)。這樣，即便對恒定磁通密度，開(kāi)關(guān)也可能開(kāi)始翻轉，這通常是不希望的。這種現象不可能完全避免，但應充分減小其發(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(kāi)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計。這樣，當對經(jīng)濾波的輸入進(jìn)行新取樣時(shí)，開(kāi)關(guān)輸出的翻轉僅在時(shí)間上的特定等距點(diǎn)才會(huì )發(fā)生，對HAL 15xy傳感器來(lái)說(shuō)，是每隔2μs。在B穿過(guò)翻轉閾值的時(shí)間點(diǎn)與采樣時(shí)鐘不同步時(shí)，會(huì )導致采樣抖動(dòng)。圖4給出了濾波采樣開(kāi)關(guān)(如HAL 15xy)的時(shí)序樣例：
圖4：濾波采樣霍爾開(kāi)關(guān)的延遲。 此處，假設磁通密度B(t) 在通過(guò)Bon時(shí)完成一個(gè)非�？斓倪w躍，以保持閾值噪聲影響在當下可忽略不計�；魻栃盘栒扔贐(t)，然后使該信號通過(guò)一個(gè)低通濾波器，以消除更高帶寬的閾值噪聲。 它需要一個(gè)恒定的系統延遲Δtsyst，直到穿過(guò)閾值的信號通過(guò)濾波器，例如，這里的Δtsyst為15~16μs。此外，將出現最長(cháng)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。當霍爾開(kāi)關(guān)反復翻轉時(shí)，該隨機延遲被稱(chēng)為采樣抖動(dòng)Δtsampling。 采樣抖動(dòng)可由峰-峰值或均方根(RMS)值描述。在2μs采樣間隔內，由峰-峰值描述的HAL 15xy傳感器的Δtsampling=±1μs。所有時(shí)間點(diǎn)被發(fā)現的幾率是相同的(概率分布形狀像個(gè)“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(lái)說(shuō)，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(dòng)被可靠地限制在±1μs。此類(lèi)設計支持在比較器內采用動(dòng)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(gè)獨特的前端設計，通過(guò)使用金屬掩模編程，在不增加采樣抖動(dòng)的情況下，可實(shí)現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延遲；但另一方面，也降低了開(kāi)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(dòng)態(tài)或靜態(tài)磁場(chǎng)要求的應用進(jìn)行客戶(hù)定制。 無(wú)濾波的采樣霍爾開(kāi)關(guān) 像Micronas的HAL 5xy系列等霍爾開(kāi)關(guān)，采用的是沒(méi)有濾波IC的設計。根據顧客喜好，沒(méi)有濾波的低延遲特性對快速響應有吸引力，但代價(jià)是噪聲閾值的增加。對這樣的霍爾開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，采樣抖動(dòng)仍然存在，但因沒(méi)有濾波器加入，其系統延遲沒(méi)有了。圖5顯示了此類(lèi)開(kāi)關(guān)的一般動(dòng)態(tài)行為。
圖5：沒(méi)有濾波的采樣霍爾開(kāi)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(lái)自Micronas的其繼任產(chǎn)品HAL 15xy的更佳性能。 濾波的無(wú)采樣霍爾開(kāi)關(guān) 一些無(wú)采樣霍爾開(kāi)關(guān)會(huì )有由濾波引入的系統延遲以及由內部比較器熱噪聲導致的隨機延遲。因此，這類(lèi)似HAL 15xy的情況，只是翻轉不確定性的概率密度呈正態(tài)分布，看上去像高斯曲線(xiàn)，而非“盒子”狀。其中，出現的只有總開(kāi)關(guān)抖動(dòng)，它沒(méi)有采樣抖動(dòng)成分。圖6顯示的是這種狀態(tài)。
圖6：濾波無(wú)采樣霍爾開(kāi)關(guān)的延遲。 Syst. Delay from filtering: 濾波導致的系統延遲 Random switching uncertainly: 隨機開(kāi)關(guān)的不確定性 對正態(tài)分布來(lái)說(shuō)，無(wú)法給出峰-峰值(但通常采用±3σ)，只定義了標準偏差σ，此處，σ等于開(kāi)關(guān)抖動(dòng)的RMS值�；谠撛O計方法的霍爾IC在最佳情況下，所能有的最大輸出RMS抖動(dòng)為1μs，且無(wú)法提供諸如HAL 15xy傳感器系列那種帶濾波采樣霍爾開(kāi)關(guān)的高性能。 有效閾值噪聲和遲滯收窄 如在開(kāi)始時(shí)說(shuō)的，在一定范圍內，每個(gè)開(kāi)關(guān)閾值會(huì )表現出由閾值噪聲導致的非正態(tài)分布。標準偏差σBth描述了這種分布的寬度。然而，由于閾值噪聲被開(kāi)關(guān)的遲滯作用所扭曲，所以在應用中，無(wú)法直接測量它，也無(wú)法直接用于評估噪聲引起的誤差。 在應用中，基于通過(guò)“嘈雜”閾值區域的磁通密度B的變化速率，只需考慮部分閾值噪聲。幸運的是，這一可觀(guān)察的部分通常比真實(shí)閾值噪聲小，在本文中稱(chēng)其為“有效閾值噪聲”。另外，可觀(guān)察到“閾值走動(dòng)”或“滯后收窄”。此偏移的閾值分布或有效分布在測量開(kāi)關(guān)特性時(shí)被觀(guān)察，其與真實(shí)閾值分布不同。圖7試圖說(shuō)明這種效果。
圖7：真實(shí)和有效的閾值密度。 sampling points: 采樣點(diǎn) time: 時(shí)間 圖7的上半部分顯示了嘈雜閾值的真實(shí)分布。標有“X”的位置表示的值B(t)相關(guān)于開(kāi)關(guān)在t=T0、T0+T和T0+2T(T：采樣間隔)等時(shí)刻的采樣。 在每個(gè)“X”標記，霍爾開(kāi)關(guān)確定B(t)是高于還是低于閾值。在真實(shí)分布的左側尾部，對每一單一采樣來(lái)說(shuō)，找到B(t)在閾值以上的概率仍小。然而，累計到當前采樣的翻轉概率絕對大，因此，如果在B(t)仍在左側尾部時(shí)執行足夠的采樣，則開(kāi)關(guān)仍將翻轉。 假定一個(gè)緩慢行進(jìn)的B(t)，在開(kāi)關(guān)翻轉前，不太可能達到真實(shí)分布的右半部分，它會(huì )跳躍到其它閾值。圖7的下半部分此時(shí)顯示的是可觀(guān)察的噪聲效果的有效分布，于真實(shí)分布相比，它明顯地偏移了。當然平均值也偏移了，并導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(kāi)關(guān)抖動(dòng)的產(chǎn)生原因 最有趣的是霍爾開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)抖動(dòng)Δtswitch的產(chǎn)生原因。開(kāi)關(guān)延遲的隨機分布——開(kāi)關(guān)抖動(dòng)，可根據圖8予以考慮。
圖8：由閾值噪聲和采樣抖動(dòng)引發(fā)的開(kāi)關(guān)抖動(dòng)。 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(guò)范圍 Effective noise band around threshold: 閥值周?chē)挠行г肼晭?br /> Syst. Delay from filtering:過(guò)濾導致的系統延遲 Sample events: 采樣事件 Sampling jitter△tswitch: time window where next sample after crossing can happen: 采樣抖動(dòng)△tswitch：通過(guò)后，下一個(gè)采樣可發(fā)生的時(shí)間窗口 Crossing can be sampled earliest:可進(jìn)行最早采樣的通過(guò) Crossing must be sampled latest: 必須最后采樣的通過(guò) 在此，閾值噪聲和采樣抖動(dòng)都存在，導致了組合開(kāi)關(guān)抖動(dòng)。B(t)緩慢穿過(guò)有效閾值，因此閾值噪聲不能再忽略。在有效閾值周?chē)L制了噪聲帶。圖8表示瞬時(shí)閾值可以被定位在哪里。噪聲頻帶內，B(t)在時(shí)間軸上的投影只是給出了來(lái)自閾值噪聲的時(shí)序抖動(dòng)Δtthres.noise。這種時(shí)序抖動(dòng)出現在濾波器輸出電壓Vfilter時(shí)是有延遲的�，F在，當輸出翻轉時(shí)，最終的開(kāi)關(guān)抖動(dòng)包含來(lái)自閾值噪聲的抖動(dòng)以及始終存在的采樣抖動(dòng)。 注意，圖8忽略了來(lái)自閾值噪聲和采樣抖動(dòng)這兩種抖動(dòng)的不同概率密度，另外，這兩者都會(huì )影響開(kāi)關(guān)抖動(dòng)。對高斜率來(lái)說(shuō)，采樣抖動(dòng)占主導且可被用來(lái)估計開(kāi)關(guān)抖動(dòng)。對低斜率來(lái)說(shuō)，采樣抖動(dòng)雖也存在，但有效閥值噪聲是主導。 通過(guò)設置使采樣抖動(dòng)Δtsampling,rms=Bth,rms抖動(dòng)（閥值噪聲引入），可容易地發(fā)現高、低斜率之間的邊界。
因此，當磁變化速率遠低于124mT/ms時(shí)，所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)抖動(dòng)可僅根據來(lái)從閾值噪聲的抖動(dòng)進(jìn)行評估，采樣抖動(dòng)可忽略不計。 結論 霍爾開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)有兩個(gè)來(lái)源。第一，霍爾板的熱噪聲和信號處理導致的閾值噪聲；第二，采樣引致因系統而異的采樣抖動(dòng)。通過(guò)Micronas專(zhuān)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(dòng)非常小。這種新的和優(yōu)化的電路設計，可以在保證極低熱噪聲的同時(shí)保持低功耗，具有同類(lèi)產(chǎn)品最佳的噪音表現。此外，可通過(guò)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(shí)間成為可能。 |
