数字位置传感器ic -连续时间到直升机稳定交叉参考指南

数字位置传感器ic -连续时间到直升机稳定交叉参考指南

下载PDF格式

约瑟夫·霍林斯著，
亚博棋牌游戏

简介

Allegro提供广泛的数字位置传感器，包括霍尔效应开关，门闩和其他特殊用途的设备。随着时间的推移和不断的创新，这些霍尔效应传感器的基本架构已经从最初的形式(连续时间)演变为今天的现代、直升机稳定设备。

本应用指南将概述两种传感器类型之间的差异，并为系统设计人员提供所需的工具，以便为他们的系统选择合适的传感器。还提供了一个交叉参考表，其中总结了从连续时间设备升级到斩波稳定设备时所使用的建议替换设备。

直升机稳定与连续时间的区别是什么?

一般来说，与连续时间器件相比，切削稳定器件具有更好的温度稳定性和抗应力性(更低的开关点漂移)，并且具有精简的生产流程。由于缺少切边和使用更现代的晶圆制造工艺，它们也可能具有小模具尺寸的优势。在时域性能上有一个小的权衡，但在大多数应用程序中可以忽略不计。亚博尊贵会员表1总结了每种类型的典型Allegro设备之间的差异。

所有Allegro最新的传感器产品都是直升机稳定的，所有设计都推荐使用直升机稳定的设备。在典型的应用中，连续时间设备稍微快一点的响应时间和逐渐降低的抖动是不重要的。亚博尊贵会员连续时间器件仍在生产中，但仅建议用于具有极快移动目标的特殊应用，或计划快速电源循环传感器以实现超低功耗(最大电池寿命)或最大限度地减少自发热。亚博尊贵会员时域行为的差异量化如下。

即使在这些特殊的情况下，连续时间器件的时域性能可能不会超过给定应用中斩波稳定器件的优势。

表1:斩波稳定与连续时间传感器

参数	Chopper-Stabilized	连续时间
磁开关点的范围?	是的	是的
典型的包	SOT23 (LH)， SIP-3 (UA)， SIP-3与被动(UC)	Sot23 (lh)， sip-3 (ua)
信号通路	更复杂的	不那么复杂
Hall-plate配置	单、双或更多	单
Hall-plate偏见	切换(切碎)	常数
快板生产中需要修边?	没有	是的
BOP / RP温度稳定性	最好的	好
抗压力	最好的	好
接通电源的时候	快	最快
最大工作频率	高	最高
输出重复性/抖动	好	好
fC振荡器?	是的	没有
典型的C绕过*	0.1μF	0.01μF
建议所有应用?亚博尊贵会员	是/全部	特殊情况

*有关具体建议和指南，请参阅设备数据表。

连续时间

采用连续时间操作的传感器只使用流过霍尔元件的一个方向的电流，并且这个偏置电流是恒定的。这使得应用的外部磁场和电输出之间的响应时间最快。很明显，这对于需要最快输出响应时间的应用程序是有好处的。亚博尊贵会员

磁偏移量随环境条件的变化而变化，并将影响霍尔开关阈值的稳定性(操作和释放阈值，B_人事处和B_RP分别)。在连续时间设备中，没有内置电路来消除偏移。这反映在设备数据表中给出的规格:指定的B_人事处和B_RP连续时间设备的范围比可比的斩波稳定设备要宽。

直升机稳定

当使用霍尔效应技术时，开关点精度的限制因素是霍尔元件上产生的小信号电压。该信号电压相对于霍尔元件输出时产生的偏移小得不成比例。这使得在规定的工作温度和电压范围内准确处理磁信号变得困难。

斩波稳定用于最小化霍尔元素的偏移。Allegro的专利技术，动态正交偏移消除(美国专利号5621319,1997，现已过期)，消除了由热和机械应力引起的输出偏移和漂移的关键来源。这种偏移稳定技术是基于信号调制/解调过程。在频域通过调制将不需要的偏置信号与磁场诱导信号分离。磁信号的后续解调作用是对偏置的调制，使磁场诱导信号在基带处恢复其原始频谱，而直流偏置则变成高频信号。磁信号可以通过低通滤波器，而调制的直流偏置被抑制。这个信号链配置如图3所示。虽然信号链可能看起来比连续时间设备更复杂，但由于不需要Trim Control块，因此缺失了它。这将节省芯片面积和生产校准时间。图4说明了导致抵消偏移的交替霍尔元偏置。

在大多数情况下，Allegro的斩波稳定采用800 kHz的时钟。对于解调过程，使用采样-保持技术，其中采样在两倍斩波频率下执行。这种高频操作允许更高的总体采样率。

动态正交偏置抵消使芯片对热应力和机械应力的影响脱敏，并导致极其稳定的静态霍尔输出电压和温度循环后的精确恢复。Allegro在专有的BiCMOS晶圆制造工艺中实现了这一技术，该工艺支持使用低偏置、低噪声放大器，并结合高密度逻辑和采样-保持电路。

输出的响应时间(传播延迟)和时域重复性(抖动)受到斩波稳定的轻微影响。然而，Allegro高频斩波方法最大限度地减少了这些影响，使它们在大多数应用中难以察觉。亚博尊贵会员连续切换霍尔偏置电流
元件在偏置电流中产生短暂、周期性的中断。这些扰动可以在器件的电源引脚处观察到，从而产生更大的推荐旁路电容。

性能

性能数据(表2)仅供举例，使用两个Allegro数字位置传感器ic收集，即A1220(斩波稳定)和A1201(连续时间)。

接通电源的时候

数字位置传感器的上电时间是通过测量电源达到规定的最小工作电压和输出处于有效状态之间的时间延迟来表征的。要生成响应外部场的输出边，B = B_RP(分钟)- 10g。(通常，应用
磁场越大，观测到的通电时间越短。)

连续时间器件的较短通电时间在快速通电循环传感器以实现超低功耗(最大电池寿命)或最大限度地减少自发热的应用中具有优势。亚博尊贵会员传感器必须通电以产生有效输出的总时间较短，导致
更低的占空比，更低的平均功耗，更少的自热。

输出响应时间

从磁信号边缘到输出边缘测量响应时间。外加磁场将通过更简单的连续时间信号路径传播，比斩波稳定器件传播更快。然而，斩波稳定器件仍然在12 μs内响应(见图6)。

对于工作频率非常高的应用程序，输出响应时间可能变得非常重要。亚博尊贵会员所支持的最大工作频率除了与信号路径带宽有关外，还与输出响应时间直接相关。

连续时间器件对磁场的响应通常在2 μs以内，使操作达到理论250 kHz(每个周期使用两个输出转换计算)。斩波稳定设备的典型响应时间为11.4 μs，理论上支持高达44khz的操作。虽然这对于连续时间器件来说是一个6:1的优势，但在这两种情况下，绝对延迟时间都非常小，并且在大多数实际应用中都不是一个因素。亚博尊贵会员对于这两种设备类型，实际的最大工作频率受到信号路径带宽的限制。

环形磁极对计数与目标转速、器件工作频率f之间存在着重要的关系，这种关系如图7所示，表达式如下:

在这个表达式中，目标速度RPM和目标极对计数P_P，确定霍尔传感器的有效工作频率。

抖动

相对于一致的磁输入信号，传感器输出的可重复性(抖动)由信噪比和刷新率(如果斩波稳定)决定。连续时间器件产生一个常数霍尔信号，其延迟可以忽略不计。斩波稳定器件需要两次或两次以上霍尔信号采样才能刷新输出。这可以在输出信号中贡献抖动，这取决于磁信号何时相对于斩波稳定相位的时间转变。

例如，一个具有800 kHz斩波频率和4倍斩波(来自霍尔元件四个角的每个驱动电流)的设备将以以下速率刷新输出状态:

图7包括环磁极对计数和合成磁极对频率的几个例子。如图所示，对于给定的目标速度，高密度环形磁体将产生增加的工作频率。然而，所有的频率都在Allegro Hall技术可以测量的范围内。

这个200khz的速率相当于每5 μs刷新一次，再加上由信号路径的剩余部分造成的延迟，对于典型的切波稳定设备，总传播延迟可达6至12 μs。

下面的可重复性与温度的比较(参见图9)表明，这两种传感器类型实际上表现出类似的性能。所显示的数据是典型的6-西格玛边缘重复性结果，使用直径为100毫米的60极对环形磁铁。x轴上显示的BPkPk表示磁场输入的大小。图8包含用于量化可重复性的测量方法的示例。当以这种方式测量重复性时，较小的值表示更好的性能，即抖动更少。图10表明，随着目标速度的变化，重复性非常稳定。

温度对重复性影响最大。其他因素包括磁场强度和一致性以及目标速度。然而，对于连续时间和斩波稳定设备，缓慢速度下的上升和下降沿重复性仅略好于在较高速度下运行时。

温度稳定性

与连续时间器件相比，斩波稳定器件在温度稳定性方面具有优势。当感应某些磁性材料时，如铁氧体，磁场强度随温度会发生漂移。除非人们试图跟踪给定目标的显著温度漂移，对于所有温度，磁开关阈值保持恒定并在预期的磁场输入范围内是理想的。

采用切刀稳定装置可获得更好的温度稳定性。由于在斩波稳定期间发生了平均和抵消，开关阈值变化被最小化。相邻图中的数据(图11和图12)总结了连续时间和斩波稳定器件的磁开关阈值参数与其典型值的标准偏差。

在本例中，连续时间器件的标准偏差通常比斩波稳定器件大3倍。

连续时间器件受到温度升高的显著影响，因此，开关阈值变化比其斩波稳定的对应器件大5倍。这可能导致边缘定位(定时)精度下降，可能需要来自目标的更高磁场和/或更小的空气
差距。

磁开关阈值参数的标准偏差数据示例如下(表4)。不同的工作电压对标准偏差的影响可以忽略不计。

表4:标准偏差开关阈值数据

数据表 参数	设置	磁阈参数标准差σ (G)
		Ta = -40°c		Ta = 25°c		Ta = 150°c
		直升机, 稳定	连续的, 时间	直升机, 稳定	连续的, 时间	直升机, 稳定	连续的, 时间
操作点, 防喷器	VCC = 3v	2.24	7.33	2.23	6.01	2.78	12.03
	VCC = 24v	2.19	7.28	2.24	6.00	2.78	12.12
释放点, BRP	VCC = 3v	2.23	6.97	2.12	5.67	2.52	12.88
	VCC = 24v	2.29	6.97	2.09	5.61	2.45	13.07
滞后, B沪元	VCC = 3v	1.89	2.83	2.61	2.36	1.87	2.59
	VCC = 24v	1.87	2.72	2.64	2.44	1.72	2.68

交叉引用表

直升机稳定设备建议用于所有应用。亚博尊贵会员下表应用于指导确定给定连续时间设备的最合适的斩波稳定替代品。

表5:连续时间到斩波稳定的交叉参考

	设备类型	零件号	防喷器(max)	BRP(分钟)	BHYS	Chopper-Stabilized替换
	单极 开关	A1101	175	10	80	A1121
		A1102	245	60	80	A1122
		A1103	355	150	80	A1123
		A1104	450	35	80	A1121或A1128
		A1106	430	160	140	A1123或A1128
	双相 开关	A1201	50	-50年	55	APS12200或A1250
		A1202	75	-75年	150	APS12200或APS12210
		A1203	95	-95年	190	APS12210
		A1205	50	-50年	55	APS12200或A1250
	门闩	A1210	150	-150年	300	A1222
		A1211	180	-180年	360	APS12230
		A1212	175	-175年	350	APS12230
		A1213	200	-200年	400	APS12230
		A1214	300	-300年	600	APS12230

总结

与连续时间产品相比，直升机稳定设备提供了许多改进。一般来说，与连续时间器件相比，切削稳定器件具有更好的温度稳定性和抗应力性(更低的开关点漂移)，并且具有精简的生产流程。它们通常还具有较小的模具尺寸的优势，因为缺乏修整和使用更现代的晶圆制造工艺。在时域性能上有一个小的折衷，但在大多数应用程序中可以忽略不计。亚博尊贵会员

所有Allegro的最新产品都是直升机稳定的，直升机稳定的设备推荐用于所有新的应用。亚博尊贵会员连续时间设备的上电稍快和输出延迟逐渐缩短通常是微不足道的。连续时间器件仍在生产中，但仅推荐用于特殊应用，例如:亚博尊贵会员

• 亚博尊贵会员传感器通过开关电源进行电源管理的应用程序，因为连续时间设备有更快的上电时间。
• 极高速应用，要求最高的工作频率和绝对最低的亚博尊贵会员抖动/最佳的重复性，因为没有多相斩波动作导致额外的延迟或抖动。

如果您的应用程序亚博尊贵会员属于这些类别之一，请咨询您当地的Allegro现场应用工程师，以确认连续时间设备是否是您设计的最佳选择。