Функция преобразования

Линейные датчики Холла (ЛДХ) обычно оптимизируют для измерения величины униполярного или биполярного магнитного поля. ЛДХ характеризуются двумя основными параметрами — чувствительностью и линейностью в заданном диапазоне рабочих температур.

Рис. 1

Типовая передаточная характеристика ЛДХ (зависимость выходного напряжения от амплитуды магнитного поля) показана на рис. 1. Большинство датчиков с однополярным питанием имеют выходное напряжение нуля (соответствующее нулевой напряженности магнитного поля), равное половине диапазона изменения выходного напряжения или половине напряжения питания. В последнем случае величина напряжения нуля и чувствительность зависят от величины напряжения питания. Это наблюдается в датчиках с пропорциональным выходом, представляющих собой элемент Холла с линейным усилителем (рис. 2). Так, у популярного датчика A3515 при напряжении питания +5,0 В напряжение нуля и чувствительность равны 2,5 В и 5,0 мВ/Гаусс соответственно, а при увеличении питания до 5,5 В данные параметры изменяются до значений 2,75 В и 5,5 мВ/Гаусс. Вот почему при использовании ЛДХ этого типа необходимо предъявлять более жесткие требования к источнику питания. В то же время датчики позволяют осуществить простую регулировку чувствительности без дополнительных усилительных компонентов, что может быть весьма полезно.

Рис. 2

Современные ЛДХ представляют собой монолитную интегральную схему, где на одном кристалле объединены элемент Холла, линейный усилитель и оконечный каскад усиления мощности класса А (рис. 3). Кроме того, для увеличения точности преобразования и обеспечения температурной стабильности в микросхеме реализована система автоматической коррекции напряжения смещения и фильтрация сигнала после линейного усилителя.

Рис. 3

Таблица 1. Номенклатура новых линейных датчиков Холла компании Allegro Microsystems

В таблице 1 приведена номенклатура новых линейных датчиков Холла компании Allegro Microsystems. Датчики А1301, А1302 имеют схему, показанную на рис. 3. Они обеспечивают невысокое значение точности и могут использоваться, например, в системах регистрации угловых или линейных перемещений объектов. На показатели точности и стабильности характеристик ЛДХ с одним элементом Холла может оказывать влияние множество факторов: дисбаланс градиентов сопротивления в зависимости от направления тока, геометрическая неоднородность, пьезорезистивные эффекты и даже внешние механические воздействия на корпус микросхемы. Для устранения влияния указанных факторов на точность ЛДХ используется схема динамической квадратурной компенсации смещения. Принцип ее работы иллюстрирует рис. 4. Токи элемента Холла с двух направлений (0° и 90°) поочередно коммутируются с частотой около 200 кГц на входы дифференциального усилителя, осуществляя «электронный поворот» элемента на 90°. При этом к моменту «поворота» схема выборки-хранения фиксирует напряжение на выходе усилителя, устраняя коммутационные помехи. Окончательно сигнал пропускается через ФНЧ для полного восстановления. Схемотехника динамической квадратурной компенсации позволяет практически полностью устранить влияние внешних дестабилизирующих факторов, а также добиться высокой стабильности выходного напряжения смещения. К недостаткам схемы можно отнести наличие в спектре выходного сигнала шумов в полосе частот коммутации F_ком, что ограничивает максимальную частоту выходного сигнала датчика величиной, обычно равной 0,1–0,2 F_ком.

Рис. 4

Описанный принцип компенсации смещения используется в датчиках А1321–А1323 (рис. 5). Эти изделия относятся к классу прецизионных калиброванных ЛДХ и сохраняют высокую точность и линейность преобразования в температурном диапазоне от –40 до +150 °С. Однако, как отмечалось выше, схемотехника динамической компенсации смещения приводит к увеличению шума на выходе датчика. Так, если у линейных датчиков А1301, А1302 амплитуда выходных шумов в полосе 10 кГц не превышает 150 мкВ, то у А1321–А1323 это значение оказывается уже на два порядка выше — около 25 мВ. Соответственно, при одинаковом коэффициенте преобразования 2,5 мВ/Гаусс разрешение по минимальной регистрируемой величине магнитного поля у А1301 составляет 0,06 Гаусс, а у А1323 — 10 Гаусс.

Рис. 5

Использование регулировки напряжения питания для масштабирования коэффициента преобразования ЛДХ приводит к ряду сложностей при проектировании схемы. Во-первых, резко возрастают требования к стабильности напряжения источника питания. Во-вторых, пульсации и шумы питающего напряжения непосредственно модулируют выходной сигнал датчика, оказывая влияние на точность измерения, что требует применения сложной фильтрации, а значит, намного удорожает схему. От подобных недостатков свободны датчики нового поколения А1391, А1392 (рис. 6). Эти микросхемы имеют отдельный вход образцового напряжения масштабирования VREF, с помощью которого можно задать любое значение уровня нуля и коэффициента преобразования. При этом схема обеспечивает глубину подавления помех по напряжению питания около 60 дБ. Стабилизация смещения выполнена аналогично А1321–А1323, однако амплитуда шумов снижена на 20%.

Рис. 6

В датчиках А1391 и А1392 реализован режим электронного отключения по входу SLEEP. При подаче на этот вход логического нуля микросхема переходит в режим пониженного энергопотребления (менее 25 мкА), а выход датчика переходит в третье состояние с высоким импедансом. Это позволяет объединять группы датчиков параллельно по выходам и использовать единый АЦП без встроенного мультиплексора (рис. 7). Опрос датчиков может осуществляться внешним микропроцессором выдачей сигнала логической единицы на вход SLEEP соответствующей микросхемы.

Рис. 7

Дата добавления: 2015-08-13