由於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，用霍爾傳感器實現的感知方案成為了首選。

例如，由於霍爾傳感器對環境條件（如灰塵、濕度和振動）的不敏感性，即使在十分苛刻環境溫度條件下（-40℃至150℃）
，其qi測ce量liang結jie果guo的de一yi致zhi性xing仍reng然ran很hen好hao


，再zai加jia上shang其qi不bu受shou使shi用yong時shi間jian和he使shi用yong次ci數shu，而er影ying響xiang測ce量liang精jing度du的de高gao品pin質zhi等deng特te性xing，霍huo爾er效xiao應ying傳chuan感gan器qi正zheng逐zhu步bu取qu代dai機ji械xie開關。

為了實現不斷發展的安全和可靠性特性，開關閾值的最高精度成為了霍爾開關規範的基本參數。

在由一個磁信號通過開關閾值觸發的實際開關操作中，其動作會受開關延遲、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，一個理想的開關應在瞬間做出反應，但由於霍爾IC的內部信號處理
，它們無法完全避免。

為了獲得最佳開關性能， Micronas公司的霍爾效應開關係列的最新產品（HAL 15xy）內的信號處理對此進行了專門設計
，以增強對這些負麵影響的抑製能力。

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

霍爾開關的信號路徑

霍爾開關的簡化信號路徑包括幾個基本組件

，如圖1所描述：


gaijichenghuoerchuanganqijiangcitongmiduzhuanhuanchengdianxinhao
，kexuandeditonglvboqixianzhilexinhaodaikuan，caiyanghuowucaiyangbijiaoqipandinggaixinhaoshigaoyuhaishidiyudangqiandezuoyongyuzhi。

每次被采樣時鍾觸發時，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持續運行。

在采用低通濾波器的情況下，它抑製高於有用信號帶寬的頻率分量，以降低這些頻率範圍產生的噪聲。

許多霍爾傳感器IC，包括Micronas的霍爾開關係列，采用著名的旋轉電流（spinning-current）技術以實現優異的補償性能。為簡化，圖1省略了所有與旋轉電流相關的模塊。

帶滯後的靜態開關行為

霍爾開關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或閃抖是必要的，若沒有這種遲滯
，則會發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時的靜態輸出狀態與磁通密度B的對比曲線圖。


在Bon和Boff之間

，兩個輸出狀態都是可能的。在B》Bon時
，輸出肯定為0
；在Boff前，開關都將保持為0
；在Boff時，輸出變為1。
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閾值噪聲和最小可靠滯後

現在可能有這個問題：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Boffdoubushixiandingweidanyizhidegudingyuzhi，shouyouhuoerchuanganqibenshenheqitadianluderezaoshengsuoyinqideyuzhizaoshengdeyingxiang
，zhelianggezhibiandepiaohubuding。qujueyudianliuxiaohaohelvboqidaikuan，zaoshengshuipingketongguoshejijinxingtiaozheng。zaoshengtianjiadaojiadingyuanbenshihengdingdeyuzhishang。xianzai，tu3顯示了Bon和Boff的概率密度函數（不按比例）。


概率密度的高度是其在相應磁通密度B條件下，找到瞬時閾值可能性的一種標度。對熱噪聲來說
，其概率呈正態（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概率密度的尾線將總是在Bon和Boff的中點Bmid處趨合。這意味著，對於恒定磁通密度Bmid來說
，Bon閥值有時可能（小概率）低於Bmid
，從而打開開關。另外，Boff有時也可能高於Bmid，zheyouhuiguanbikaiguan。zheyang，jibianduihengdingcitongmidu，kaiguanyekenengkaishifanzhuan，zhetongchangshibuxiwangde。zhezhongxianxiangbukenengwanquanbimian，danyingchongfenjianxiaoqifashenggailv。zuoweijingyanfaze，ruguoBon-Boff的差值大於等於10~12σBth
，則這種情況可以忽略不計。

濾波的采樣霍爾開關

HAL 15xy傳chuan感gan器qi家jia族zu的de信xin號hao處chu理li基ji於yu帶dai低di通tong濾lv波bo器qi的de采cai樣yang設she計ji。這zhe樣yang，當dang對dui經jing濾lv波bo的de輸shu入ru進jin行xing新xin取qu樣yang時shi，開kai關guan輸shu出chu的de翻fan轉zhuan僅jin在zai時shi間jian上shang的de特te定ding等deng距ju點dian才cai會hui發fa生sheng，對dui HAL 15xy傳感器來說，是每隔2μs。在B穿過翻轉閾值的時間點與采樣時鍾不同步時
，會導致采樣抖動。圖4給出了濾波采樣開關（如HAL 15xy）的時序樣例：


此處，假設磁通密度B（t） 在通過Bon時完成一個非常快的遷躍，以保持閾值噪聲影響在當下可忽略不計。霍爾信號正比於B（t），然後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。

它需要一個恒定的係統延遲Δtsyst
，直到穿過閾值的信號通過濾波器，例如，這裏的Δtsyst為15~16μs。此外，將出現最長為2μs的隨機延遲相位，直到下一次采樣發生且比較器翻轉。當霍爾開關反複翻轉時，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，由峰-峰值描述的HAL 15xy傳感器的Δtsampling=±1μs。所有時間點被發現的幾率是相同的（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，比競爭產品具有更好性能。

對HAL 15xy係列產品來說，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製在±1μs。此類設計支持在比較器內采用動態補償抑製，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，可實現對低通濾波器的帶寬在3kHz和93kHz間的靈活定義。一方麵，較小的帶寬增大了信號路徑的係統延遲；但另一方麵，也降低了開關的閾值噪聲
、提高了精度。更高帶寬的情況與上述正好相反。歸功於該特性， HAL 15xy係列可針對具有快速動態或靜態磁場要求的應用進行客戶定製。
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無濾波的采樣霍爾開關

像 Micronas的HAL 5xy係列等霍爾開關
，采用的是沒有濾波ICdesheji。genjugukexihao，meiyoulvbodediyanchitexingduikuaisuxiangyingyouxiyinli
，dandaijiashizaoshengyuzhidezengjia。duizheyangdehuoerkaiguanlaishuo，caiyangdoudongrengrancunzai，danyinmeiyoulvboqijiaru
，qixitongyanchimeiyoule。tu5顯示了此類開關的一般動態行為。


這就是為什麼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的其繼任產品HAL 15xy的更佳性能。

HAL 15xy係列開關抖動的產生原因

最有趣的是霍爾開關開關抖動Δtswitch的產生原因。開關延遲的隨機分布——開關抖動
，可根據圖6予以考慮。


在此，閾值噪聲和采樣抖動都存在，導致了組合開關抖動。B（t）緩慢穿過有效閾值，因此閾值噪聲不能再忽略。在有效閾值周圍繪製了噪聲帶。圖8表示瞬時閾值可以被定位在哪裏。噪聲頻帶內
，B（t）在時間軸上的投影隻是給出了來自閾值噪聲的時序抖動Δtthres.noise。這種時序抖動出現在濾波器輸出電壓Vfilter時是有延遲的。現在，當輸出翻轉時，最終的開關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6忽(hu)略(lve)了(le)來(lai)自(zi)閾(yu)值(zhi)噪(zao)聲(sheng)和(he)采(cai)樣(yang)抖(dou)動(dong)這(zhe)兩(liang)種(zhong)抖(dou)動(dong)的(de)不(bu)同(tong)概(gai)率(lv)密(mi)度(du)，另(ling)外(wai)，這(zhe)兩(liang)者(zhe)都(dou)會(hui)影(ying)響(xiang)開(kai)關(guan)抖(dou)動(dong)。對(dui)高(gao)斜(xie)率(lv)來(lai)說(shuo)
，采(cai)樣(yang)抖(dou)動(dong)占(zhan)主(zhu)導(dao)且(qie)可(ke)被(bei)用(yong)來(lai)估(gu)計(ji)開(kai)關(guan)抖(dou)動(dong)。對(dui)低(di)斜(xie)率(lv)來(lai)說(shuo)，采(cai)樣(yang)抖(dou)動(dong)雖(sui)也(ye)存(cun)在(zai)，但(dan)有(you)效(xiao)閥(fa)值(zhi)噪(zao)聲(sheng)是(shi)主(zhu)導(dao)。

通過設置使采樣抖動Δtsampling
，rms=Bth，rms抖動（閥值噪聲引入），可容易地發現高、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來從閾值噪聲的抖動進行評估，采樣抖動可忽略不計。

結語

霍爾開關的抖動有兩個來源。第一，霍爾板的熱噪聲和信號處理導致的閾值噪聲；第二，采樣引致因係統而異的采樣抖動。通過Micronas專有技術的優化配置
，HAL 15xy傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)列(lie)工(gong)作(zuo)於(yu)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)
，因(yin)此(ci)

，產(chan)生(sheng)的(de)采(cai)樣(yang)抖(dou)動(dong)非(fei)常(chang)小(xiao)。這(zhe)種(zhong)新(xin)的(de)和(he)優(you)化(hua)的(de)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)

，可(ke)以(yi)在(zai)保(bao)證(zheng)極(ji)低(di)熱(re)噪(zao)聲(sheng)的(de)同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)低(di)功(gong)耗(hao)
，具(ju)有(you)同(tong)類(lei)產(chan)品(pin)最(zui)佳(jia)的(de)噪(zao)音(yin)表(biao)現(xian)。此(ci)外(wai)，可(ke)通(tong)過(guo)金(jin)屬(shu)掩(yan)膜(mo)編(bian)程(cheng)減(jian)少(shao)或(huo)增(zeng)加(jia)模(mo)擬(ni)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)帶(dai)寬(kuan)
，使(shi)最(zui)小(xiao)化(hua)噪(zao)聲(sheng)或(huo)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。

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