【導讀】霍爾傳感器作為汽車產業的一部分應用領域極其廣泛，尤其在檢測端位置或測量線性或角運動過程中。汽車的功能安全直接影響到應用系統組件的設計，以及霍爾傳感器的功能設置。本文主要講解霍爾傳感器的設計攻略。
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，用霍爾傳感器實現的感知方案成為了首選。
例如，由于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℃），其測量結果的一致性仍然很好，再加上其不受使用時間和使用次數，而影響測量精度的高品質等特性，霍爾效應傳感器正逐步取代機械開關。
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范的基本參數。
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，但由于霍爾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系列的最新產品（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性能的，并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：
圖1：簡化的霍爾開關信號路徑。
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。
每次被采樣時鐘觸發時，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，它抑制高于有用信號帶寬的頻率分量，以降低這些頻率范圍產生的噪聲。
許多霍爾傳感器IC，包括Micronas的霍爾開關系列，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。
帶滯后的靜態開關行為
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。
圖2：霍爾開關的靜態磁滯回線。
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后
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，噪聲水平可通過設計進行調整。噪聲添加到假定原本是恒定的閾值上。現在，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。另外，Boff有時也可能高于Bmid，這又會關閉開關。這樣，即便對恒定磁通密度，開關也可能開始翻轉，這通常是不希望的。這種現象不可能完全避免，但應充分減小其發生概率。作為經驗法則，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
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，當對經濾波的輸入進行新取樣時，開關輸出的翻轉僅在時間上的特定等距點才會發生，對 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鐘不同步時，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：
圖4：濾波采樣霍爾開關的延遲。
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。霍爾信號正比于B（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。當霍爾開關反復翻轉時，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系列產品來說，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制在±1μs。此類設計支持在比較器內采用動態補償抑制，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。歸功于該特性， HAL 15xy系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制。
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無濾波的采樣霍爾開關
像 Micronas的HAL 5xy系列等霍爾開關，采用的是沒有濾波IC的設計。根據顧客喜好，沒有濾波的低延遲特性對快速響應有吸引力，但代價是噪聲閾值的增加。對這樣的霍爾開關來說，采樣抖動仍然存在，但因沒有濾波器加入，其系統延遲沒有了。圖5顯示了此類開關的一般動態行為。
圖5：沒有濾波的采樣霍爾開關的延遲。
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的其繼任產品HAL 15xy的更佳性能。
HAL 15xy系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。
圖6：由閾值噪聲和采樣抖動引發的開關抖動。
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，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抖動。對高斜率來說，采樣抖動占主導且可被用來估計開關抖動。對低斜率來說，采樣抖動雖也存在，但有效閥值噪聲是主導。
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，當磁變化速率遠低于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，采樣引致因系統而異的采樣抖動。通過Micronas專有技術的優化配置，HAL 15xy傳感器系列工作于非常高的采樣頻率，因此，產生的采樣抖動非常小。這種新的和優化的電路設計，可以在保證極低熱噪聲的同時保持低功耗，具有同類產品最佳的噪音表現。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。
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