作为汽车产业的一个组成部分，霍尔效应传感器用于在比如底盘、安全、车身、确保及动力传动等极端广泛的一系列运用中检测端方位或丈量线性或角运动。现在，主导汽车行业研制评论的一个重要论题是功用安全。功用安全影响到一切运用体系组件的规划和功用设置，包括霍尔传感器。
因为霍尔传感器的非触摸式丈量原理和高牢靠性，在许多运用中，用霍尔传感器完结的感知计划成为了首选。
例如，因为霍尔传感器对环境条件(如尘埃、湿度和振荡)的不敏理性，即使在十分严苛环境温度条件下(-40℃至150℃)，其丈量成果的一致性依然很好，再加上其不受运用时刻和运用次数，而影响丈量精度的高品质等特性，霍尔效应传感器正逐渐替代机械开关。
为了完结不断发展的安全和牢靠性特性，开关阈值的最高精度成为了霍尔开关标准的根本参数。
在由一个磁信号经过开关阈值触发的实践开关操作中，其动作会受开关推迟、采样颤动和噪声阈值等各要素的影响。上述这些要素都是不期望的，一个抱负的开关应在瞬间做出反响，但因为霍尔IC的内部信号处理，它们无法完全防止。
为了取得最佳开关功能， Micronas公司的霍尔效应开关系列的最新产品(HAL 15xy)内的信号处理对此进行了专门规划，以增强对这些负面影响的按捺才能。
本文剖析了信号途径规划是怎么影响输出信号的颤动功能的，并介绍了处理这一问题所采纳的不同规划办法。
霍尔开关的信号途径
霍尔开关的简化信号途径包括几个根本组件，如图1所描绘：
图1：简化的霍尔开关信号途径。
该集成霍尔传感器将磁通密度转换成电信号，可选的低通滤波器约束了信号带宽，采样或无采样比较器断定该信号是高于仍是低于当时的作用阈值。
每次被采样时钟触发时，被采样的比较器都做出新决议计划;而未被采样的比较器无需触发继续运转。
在选用低通滤波器的状况下，它按捺高于有用信号带宽的频率重量，以下降这些频率规模发生的噪声。
许多霍尔传感器IC，包括Micronas的霍尔开关系列，选用闻名的旋转电流(spinning-current)技能以完结优异的补偿功能。为简化，图1省掉了一切与旋转电流相关的模块。
带滞后的静态开关行为
霍尔开关具有两种不同的磁阈值——Bon和Boff，它们构成磁滞回线。此行为对防止不必要的翻转或闪抖是必要的，若没有这种迟滞，则会发生这种不必要的费事。图2显现的是假定在非反向输出状况时的静态输出状况与磁通密度B的比照曲线图。
图2：霍尔开关的静态磁滞回线。
在Bon和Boff之间，两个输出状况都是或许的。在B>Bon时，输出肯定为0;在Boff前，开关都将坚持为0;在Boff时，输出变为1。
阈值噪声和最小牢靠滞后
现在或许有这个问题：磁滞回线可做得多小?为给出答案，有必要考虑阈值噪声影响。实践上，Bon和Boff都不是限定为单一值的固定阈值，受由霍尔传感器自身和其它电路的热噪声所引起的阈值噪声的影响，这两个值变得飘忽不定。取决于电流耗费和滤波器带宽，噪声水平可经过规划进行调整。噪声添加到假定原本是稳定的阈值上。现在，图3显现了Bon和Boff的概率密度函数(不按份额)。
图3：阈值噪声的概率密度函数
概率密度的高度是其在相应磁通密度B条件下，找到瞬时阈值或许性的一种标度。对热噪声来说，其概率呈正态(高斯)散布。该密度函数的宽度由标准偏差σBth给出，其值与阀值的均方根(RMS)噪声值Bth,rms相同。
因为密度不或许为0，Bon和Boff概率密度的尾线将总是在Bon和Boff的中点Bmid处趋合。这意味着，关于稳定磁通密度Bmid来说，Bon阀值有时或许(小概率)低于Bmid，然后翻开开关。别的，Boff有时也或许高于Bmid，这又会封闭开关。这样，即使对稳定磁通密度，开关也或许开端翻转，这一般是不期望的。这种现象不或许完全防止，但应充沛减小其发生概率。作为经历规律，假如Bon-Boff的差值大于等于10~12σBth，则这种状况能够疏忽不计。
滤波的采样霍尔开关
HAL 15xy传感器宗族的信号处理依据带低通滤波器的采样规划。这样，当对经滤波的输入进行新取样时，开关输出的翻转仅在时刻上的特定等距点才会发生，对HAL 15xy传感器来说，是每隔2μs。在B穿过翻转阈值的时刻点与采样时钟不同步时，会导致采样颤动。图4给出了滤波采样开关(如HAL 15xy)的时序样例：
图4：滤波采样霍尔开关的推迟。
此处，假定磁通密度B(t) 在经过Bon时完结一个十分快的迁跃，以坚持阈值噪声影响在当下可疏忽不计。霍尔信号正比于B(t)，然后使该信号经过一个低通滤波器，以消除更高带宽的阈值噪声。
它需求一个稳定的体系推迟Δtsyst，直到穿过阈值的信号经过滤波器，例如，这儿的Δtsyst为15~16μs。此外，将呈现最长为2μs的随机推迟相位，直到下一次采样发生且比较器翻转。当霍尔开关重复翻转时，该随机推迟被称为采样颤动Δtsampling。
采样颤动可由峰-峰值或均方根(RMS)值描绘。在2μs采样距离内，由峰-峰值描绘的HAL 15xy传感器的Δtsampling=±1μs。一切时刻点被发现的几率是相同的(概率散布形状像个“盒子”)。这样，其RMS的典型值Δtsampling为0.58μs、最大值为0.72μs，比竞赛产品具有更好功能。
对HAL 15xy系列产品来说，其采样比较器选为作业在500 kHz采样速率，以确保典型的采样颤动被牢靠地约束在±1μs。此类规划支撑在比较器内选用动态补偿按捺，然后提升了HAL 15xy传感器磁性阈值的全体精度。
别的，该传感器有一个共同的前端规划，经过运用金属掩模编程，在不添加采样颤动的状况下，可完结对低通滤波器的带宽在3kHz和93kHz间的灵敏界说。一方面，较小的带宽增大了信号途径的体系推迟;但另一方面，也下降了开关的阈值噪声、提高了精度。更高带宽的状况与上述正好相反。归功于该特性， HAL 15xy系列可针对具有快速动态或静态磁场要求的运用进行客户定制。
无滤波的采样霍尔开关
像Micronas的HAL 5xy系列等霍尔开关，选用的是没有滤波IC的规划。依据顾客喜爱，没有滤波的低推迟特性对快速呼应有吸引力，但价值是噪声阈值的添加。对这样的霍尔开关来说，采样颤动依然存在，但因没有滤波器参加，其体系推迟没有了。图5显现了此类开关的一般动态行为。
图5：没有滤波的采样霍尔开关的推迟。
这便是为什么HAL 5xy传感器随机推迟的峰-峰值Δtsampling,pp=±8μs，而RMS值Δtsampling,rms.=±4.6μs，这一比照，凸显了相同来自Micronas的其继任产品HAL 15xy的更佳功能。
滤波的无采样霍尔开关
一些无采样霍尔开关会有由滤波引进的体系推迟以及由内部比较器热噪声导致的随机推迟。因而，这相似HAL 15xy的状况，仅仅翻转不确认性的概率密度呈正态散布，看上去像高斯曲线，而非“盒子”状。其间，呈现的只要总开关颤动，它没有采样颤动成分。图6显现的是这种状况。
图6：滤波无采样霍尔开关的推迟。
Syst. Delay from filtering: 滤波导致的体系推迟
Random switching uncertainly: 随机开关的不确认性
对正态散布来说，无法给出峰-峰值(但一般选用±3σ)，只界说了标准偏差σ，此处，σ等于开关颤动的RMS值。依据该规划办法的霍尔%&&&&&%在最佳状况下，所能有的最大输出RMS颤动为1μs，且无法供给比如HAL 15xy传感器系列那种带滤波采样霍尔开关的高功能。
有用阈值噪声和迟滞收窄
如在开端时说的，在必定规模内，每个开关阈值会体现出由阈值噪声导致的非正态散布。标准偏差σBth描绘了这种散布的宽度。但是，因为阈值噪声被开关的迟滞作用所歪曲，所以在运用中，无法直接丈量它，也无法直接用于评价噪声引起的差错。
在运用中，依据经过“喧闹”阈值区域的磁通密度B的改变速率，只需考虑部分阈值噪声。走运的是，这一可调查的部分一般比实在阈值噪声小，在本文中称其为“有用阈值噪声”。别的，可调查到“阈值走动”或“滞后收窄”。此偏移的阈值散布或有用散布在丈量开关特性时被调查，其与实在阈值散布不同。图7企图阐明这种作用。
图7：实在和有用的阈值密度。
sampling points: 采样点
time: 时刻
图7的上半部分显现了喧闹阈值的实在散布。标有“X”的方位表明的值B(t)相关于开关在t=T0、T0+T和T0+2T(T：采样距离)等时刻的采样。
在每个“X”符号，霍尔开关确认B(t)是高于仍是低于阈值。在实在散布的左边尾部，对每一单一采样来说，找到B(t)在阈值以上的概率仍小。但是，累计到当时采样的翻转概率肯定大，因而，假如在B(t)仍在左边尾部时履行满足的采样，则开关仍将翻转。
假定一个缓慢跋涉的B(t)，在开关翻转前，不太或许到达实在散布的右半部分，它会跳动到其它阈值。图7的下半部分此刻显现的是可调查的噪声作用的有用散布，于实在散布比较，它明显地偏移了。当然平均值也偏移了，并导致迟滞窗口小幅收窄。收窄起伏和有用散布宽度取决于B(t)的斜率。
HAL 15xy系列开关颤动的发生原因
最风趣的是霍尔开关开关颤动Δtswitch的发生原因。开关推迟的随机散布——开关颤动，可依据图8予以考虑。
图8：由阈值噪声和采样颤动引发的开关颤动。
Hall plate: 霍尔板
Low-pass filter: 低通滤波器
Sampled comparator: 采样比较器
Possible crossing range: 或许的经过规模
Effective noise band around threshold: 阀值周围的有用噪声带
Syst. Delay from filtering:过滤导致的体系推迟
Sample events: 采样事情
Sampling jitter△tswitch: time window where next sample after crossing can
happen: 采样颤动△tswitch：经往后，下一个采样可发生的时刻窗口
Crossing can be sampled earliest:可进行最早采样的经过
Crossing must be sampled latest: 有必要终究采样的经过
在此，阈值噪声和采样颤动都存在，导致了组合开关颤动。B(t)缓慢穿过有用阈值，因而阈值噪声不能再疏忽。在有用阈值周围制作了噪声带。图8表明瞬时阈值能够被定位在哪里。噪声频带内，B(t)在时刻轴上的投影仅仅给出了来自阈值噪声的时序颤动Δtthres.noise。这种时序颤动呈现在滤波器输出电压Vfilter时是有推迟的。现在，当输出翻转时，终究的开关颤动包括来自阈值噪声的颤动以及一直存在的采样颤动。
留意，图8疏忽了来自阈值噪声和采样颤动这两种颤动的不同概率密度，别的，这两者都会影响开关颤动。对高斜率来说，采样颤动占主导且可被用来估量开关颤动。对低斜率来说，采样颤动虽也存在，但有用阀值噪声是主导。
经过设置使采样颤动Δtsampling,rms=Bth,rms颤动(阀值噪声引进)，可容易地发现高、低斜率之间的鸿沟。
因而，当磁改变速率远低于124mT/ms时，所发生的开关颤动可仅依据来从阈值噪声的颤动进行评价，采样颤动可疏忽不计。
定论
霍尔开关的颤动有两个来历。榜首，霍尔板的热噪声和信号处理导致的阈值噪声;第二，采样引致因体系而异的采样颤动。经过Micronas专有技能的优化装备，HAL 15xy传感器系列作业于十分高的采样频率，因而，发生的采样颤动十分小。这种新的和优化的电路规划，能够在确保极低热噪声的一起坚持低功耗，具有同类产品最佳的噪音体现。此外，可经过金属掩膜编程削减或添加模仿滤波器的带宽，使最小化噪声或推迟时刻成为或许。
