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霍爾效應感測器設計技巧

上網時間: 2015年05月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:霍爾感測器  汽車電子  開關抖動  霍爾效應  霍爾開關 

有效閾值雜訊和磁遲窄化

在一定範圍內,每個開關閾值會表現出因閾值雜訊導致的非常態分佈。標準差σBth描述了這種分佈的寬度。然而,由於閾值雜訊被開關的磁滯作用扭曲,所以無法在應用中直接測量,也無法直接用於評估雜訊引起的誤差。

在應用中,基於通過‘嘈雜’閾值區域的磁通密度B的變化速率,只需考慮部分閾值雜訊。幸運的是,這一可觀察的部分通常比真實閾值雜訊小,在本文中稱其為‘有效閾值雜訊’。此外,可觀察到‘閾值移動’或‘磁滯窄化’的現象。在測量開關特性時可觀察到這種偏移的閾值分佈或有效分佈,它與真實閾值分佈不同。


圖7:真實和有效的閾值密度。

圖7的上半部分顯示嘈雜閾值的真實分佈。標有‘X’的位置表示B(t)相對於開關在t=T0、T0+T和T0+2T(T:採樣間隔)時的採樣。

在每個‘X’標記,霍爾開關確定B(t)是高於還是低於閾值。在真實分佈的左側尾部,對每一單一採樣來說,找到B(t)在閾值以上的概率仍小。然而,累計到當前採樣的翻轉概率絕對大,因此,如果在B(t)仍在左側尾部時執行足夠的採樣,則開關仍將翻轉。

假定一個緩慢行進的B(t),在開關翻轉前,不太可能達到真實分佈的右半部分,它會跳躍到其它閾值。圖7的下半部分顯示可觀察雜訊效果的有效分佈,與真實分佈相較,它更明顯地偏移了。當然平均值也偏移了,並導致遲滯窗小幅收窄。窄化幅度和有效分佈寬度取決於B(t)的斜率。

產生HAL 15xy開關抖動的原因

最有趣的是霍爾開關的開關抖動Δtswitch產生原因。開關延遲的隨機分佈——開關抖動,可根據圖8予以考慮。


圖8:由閾值雜訊和採樣抖動引發的開關抖動。

在此,閾值雜訊和採樣抖動都存在,導致組合開關抖動。B(t)緩慢穿過有效閾值,因此不能再忽略閾值雜訊。在有效閾值周圍繪製了雜訊帶。圖8表示暫態閾值可以被定位在哪裡。在雜訊頻帶內,B(t)在時間軸上的投影只顯示來自閾值雜訊的時序抖動Δtthres.noise。這種時序抖動出現在濾波器輸出電壓Vfilter時存在延遲。而當輸出翻轉時,最終的開關抖動包含來自閾值雜訊的抖動以及始終存在的採樣抖動。

注意,圖8忽略了來自閾值雜訊和採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抖動。對於高斜率(SR)來說,以採樣抖動為主且可被用來估計開關抖動。對低斜率來說,採樣抖動雖也存在,但以有效閥值雜訊為主。

透過設定使採樣抖動Δtsampling,rms=Bth,rms抖動,能更容易發現高、低斜率之間的邊界。


因此,當磁變化速率遠低於124mT/ms時,所產生的開關抖動可僅根據閾值雜訊的抖動進行評估,採樣抖動可忽略不計。

結語

霍爾開關的抖動有兩個來源。第一,霍爾板的熱雜訊和訊號處理導致的閾值雜訊;第二,採樣帶來因系統而異的採樣抖動。透過新式且最佳化的電路設計,可以確保產生極低熱雜訊的同時維持低功耗,以及具有同類產品最佳的雜訊表現。此外,透過金屬光罩編程能減少或增加類比濾波器的頻寬,使最小化雜訊或延遲時間成為可能。

(參考原文:Hall-effect sensor design: What is the best way to suppress switching jitter?,by David Muthers & Thomas Kauther)


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