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：


該gai集ji成cheng霍huo爾er傳chuan感gan器qi將jiang磁ci通tong密mi度du轉zhuan換huan成cheng電dian信xin號hao

，可ke選xuan的de低di通tong濾lv波bo器qi限xian製zhi了le信xin號hao帶dai寬kuan，采cai樣yang或huo無wu采cai樣yang比bi較jiao器qi判pan定ding該gai信xin號hao是shi高gao於yu還hai是shi低di於yu當dang前qian的de作zuo用yong閾yu值zhi。

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。
[page]
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Boff都dou不bu是shi限xian定ding為wei單dan一yi值zhi的de固gu定ding閾yu值zhi
，受shou由you霍huo爾er傳chuan感gan器qi本ben身shen和he其qi它ta電dian路lu的de熱re噪zao聲sheng所suo引yin起qi的de閾yu值zhi噪zao聲sheng的de影ying響xiang，這zhe兩liang個ge值zhi變bian得de飄piao忽hu不bu定ding。取qu決jue於yu電dian流liu消xiao耗hao和he濾lv波bo器qi帶dai寬kuan
，噪zao聲sheng水shui平ping可ke通tong過guo設she計ji進jin行xing調tiao整zheng。噪zao聲sheng添tian加jia到dao假jia定ding原yuan本ben是shi恒heng定ding的de閾yu值zhi上shang。現xian在zai，圖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。
[page]
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IC的de設she計ji。根gen據ju顧gu客ke喜xi好hao，沒mei有you濾lv波bo的de低di延yan遲chi特te性xing對dui快kuai速su響xiang應ying有you吸xi引yin力li，但dan代dai價jia是shi噪zao聲sheng閾yu值zhi的de增zeng加jia。對dui這zhe樣yang的de霍huo爾er開kai關guan來lai說shuo，采cai樣yang抖dou動dong仍reng然ran存cun在zai，但dan因yin沒mei有you濾lv波bo器qi加jia入ru，其qi係xi統tong延yan遲chi沒mei有you了le。圖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6hulvelelaiziyuzhizaoshenghecaiyangdoudongzheliangzhongdoudongdebutonggailvmidu，lingwai，zheliangzhedouhuiyingxiangkaiguandoudong。duigaoxielvlaishuo

，caiyangdoudongzhanzhudaoqiekebeiyonglaigujikaiguandoudong。duidixielvlaishuo，caiyangdoudongsuiyecunzai，danyouxiaofazhizaoshengshizhudao。

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。

相關閱讀：

你一定用得到！霍爾傳感器所有電路圖集錦
霍爾傳感器在電池供電設計中扮演什麼角色？
霍爾傳感器信號采集與顯示係統設計