Deși este cu siguranță posibil să se construiască proprii senzori cu efect-Hall utilizând elemente ca traductor și componente discrete de procesare a semnalului, folosind tehnici precum cele descrise în capitolul 3, de obicei nu este necesar să se facă acest lucru pentru majoritatea aplicațiilor. Deoarece senzorii cu efect-Hall sunt utilizați pe scară largă, un număr de companii de semiconductori includ o varietate de senzori cu efect-Hall integrat printre ofertele lor standard de produse. Aceste dispozitive conțin un traductor de siliciu cu efect-Hall, precum și circuite de polarizare, amplificare și procesare a semnalului, necesare pentru obținerea unui semnal de ieșire ușor de utilizat. Aceste circuite vin în pachete de circuite integrate care pot fi lipite pe plăci de circuite imprimate sau la care pot fi atașate fire discrete. Câteva exemple de pachete cu IC-uri cu efect-Hall sunt arătate în Fig. 4-1.

Fig. 4-1: IC-uri cu efect-Hall în diferite pachete.

Adăugarea de electronică la traductor permite circuitelor integrate cu efect-Hall integrat să furnizeze mai multe tipuri de funcții pentru utilizator, pe lângă faptul că oferă un semnal de ieșire liniar. Acești senzori integrați pot fi împărțiți în patru categorii:

• Dispozitive de ieșire liniară

• Dispozitive de declanșare cu prag de ieșire digital (comutatoare și dispozitive de blocare)

• Senzori de viteză

• Dispozitive specifice aplicației ("none-of-the-above")

Senzorii de ieșire liniară asigură o ieșire continuă care este proporțională cu intensitatea câmpului magnetic.

Comutatoarele și dispozitivele de blocare asigură o ieșire digitală care acționează și se resetează atunci când un câmp magnetic aplicat depășește și scade sub nivelele de prag prestabilite. Aceste tipuri de senzori integrați cu efect-Hall sunt de departe cele mai utilizate.

Senzorii de viteză (numiți și senzori geartooth) constau din unul sau mai multe traductoare cu efect-Hall, combinați cu circuite specifice aplicației, proiectate pentru a detecta trecerea țintelor feroase în mișcare, cum ar fi dinții de roată.

Dispozitivele specifice aplicației sunt definite arbitrar de către autor ca fiind cele care nu se încadrează într-una dintre cele trei categorii de mai sus. Aceste dispozitive sunt dezvoltate pentru a satisface nevoile unei aplicații specifice, de obicei cele ale unui anumit client. Aceste dispozitive tind să intre pe linia de produse "standard" a producătorului atunci când expiră acordurile de exclusivitate cu clientul original.

Dintre toți senzorii integrați cu efect-Hall fabricați astăzi, dispozitivele cele mai frecvent aplicate în ceea ce privește volumul unităților sunt comutatoarele, dispozitivele de blocare și cele cu ieșire liniară.

Aceste dispozitive simple reprezintă blocurile fundamentale care implementează aplicații bazate pe efect-Hall. Acest capitol va descrie caracteristicile acestor senzori integrați.

4.1 Senzori liniari

Din punctul de vedere al utilizatorului, un senzor cu efect-Hall liniar asigură o tensiune de ieșire proporțională cu câmpul magnetic aplicat. Senzorii cu efect de Hall liniari integrați utilizează multe dintre tehnicile descrise în Capitolul 3, adaptate în mod adecvat pentru utilizarea pe un IC monolit.

Prin integrarea circuitelor suport necesare interfeței cu un traductor Hall, avantaje semnificative se obțin în ceea ce privește dimensiunea, consumul de energie și costul.

IC-urile Hall liniare sunt în mod obișnuit bazate pe una din cele trei arhitecturi generale: liniară, comutarea traductorului și digitală.

Figura 4-2 prezintă organizarea tipică a unui IC Hall liniar cu arhitectură liniară. Componentele cheie sunt o sursă de polarizare, senzorul Hall, un amplificator diferențial și un circuit de reglare pentru a polariza consistent amplificatorul. Amplificatorul este deseori proiectat astfel încât câștigul și offsetul să poată fi ajustate permanent în momentul fabricării, în mod obișnuit prin utilizarea fie a legăturilor fuzibile, fie prin "zener zapping". Pentru o bună stabilitate, acest tip de senzor este întotdeauna realizat într-un proces bipolar de precizie, rezultând dimensiuni destul de mari ale matriței. Allegro Microsystems A 1301 este un exemplu de acest tip de dispozitiv.

Fig. 4-2: IC cu efect-Hall liniar.

Arhitecturile de comutare a traductorului, deseori denumite chopper-stabilizat, auto-zero sau auto-anulare, utilizează tehnicile de compensare a offset-ului dinamic descrise în Capitolul 3. Un IC Hall tipic de auto-anulare este prezentat în Fig. 4-3.

Fig. 4-3: IC cu efect-Hall liniar cu auto-anulare.

Deoarece tehnicile de auto-anulare pot reduce mult efectele offset-ului de intrare al amplificatorului în plus față de offset-urile rezultate din traductorul cu efect-Hall, circuitele de amplificare CMOS, cu performanța lor notorie slabă, pot fi utilizate în mod eficient pentru procesarea semnalelor. Un avantaj al implementării acestui tip de senzor în CMOS este faptul că rețeaua de comutare este ușor de implementat cu tranzistoare CMOS. Deși este posibilă utilizarea dispozitivelor bipolare pentru a efectua funcțiile de comutare necesare, astfel de circuite pot fi complexe și dificil de implementat. În plus, deoarece circuitele pot fi construite mai dens în procesele CMOS decât în ​​procesele bipolare de precizie, un senzor CMOS cu efect-Hall poate încorpora mai multe caracteristici decât un bipolar de costuri comparabile.

Din acest motiv, senzorii cu efect-Hall liniari cu auto-anulare, precum Melexis MLX90215, pot încorpora amplificare, offset și compensarea temperaturii programabile de către utilizator, toate pentru un cost suplimentar modest față de cel al dispozitivelor liniare bipolare care nu pot fi ajustate.

Utilizarea tehnologiei CMOS poate fi făcută chiar și mai mult ca o extremă în cazul unui senzor cu efect-Hall liniar care utilizează tehnici de procesare a semnalului digital. În acest caz, semnalul de la traductorul Hall este amplificat și trimis într-un convertor analogic-digital (ADC). Corecțiile de câștig și offset sunt apoi efectuate digital, prin multiplicare și adunare binară (Fig. 4-4). Rezultatul este convertit apoi înapoi într-un semnal analogic cu un convertor digital-analogic (DAC).

Fig. 4-4: Senzor Hall liniar digital

Această arhitectură de procesare a semnalului digital (DSP) oferă multe avantaje de implementare. Deoarece lanțul de prelucrare a semnalului de la senzor este alcătuit acum aproape în întregime din logica digitală, poate fi fabricat cu procese de densitate foarte mare, reducând costul de producție. Un alt beneficiu al acestei abordări este acela că câștigul și offsetul pot fi acum stocate în tabele care sunt accesate ca funcție de temperatură, permițând o calibrare foarte precisă a dispozitivului. Un exemplu de acest tip de dispozitiv este Micronas HAL805.

În timp ce există câteva moduri în care să se implementeze un senzor Hall liniar, performanța unui dispozitiv poate fi descrisă în mod util prin câteva caracteristici comune. Unele dintre cele mai importante caracteristici sunt descrise în secțiunile următoare.

4.2 Curba liniară de transfer

Caracterizarea cea mai de bază a unui traductor liniar este curba sa de transfer. Această funcție definește relația dintre câmpul magnetic detectat de dispozitiv și ieșirea sa electrică corespondentă. Un exemplu de curbă de transfer de la un IC senzor Hall "tipic" este prezentat în Fig. 4-5. Unele dintre caracteristicile definitorii ale acestei curbe sunt:

1) Receptare flux-zero. Aceasta definește tensiunea de ieșire în condiții de câmp magnetic zero. Acest punct este numit diferit ca tensiune în gol (Qvo) și offset de câmp zero.

2) Panta dV/dB. Această caracteristică definește câștigul sau sensiblitatea senzorului. Deoarece panta nu este constantă pe curba de transfer și este dificilă măsurarea directă într-un anumit punct, producătorii aleg de obicei două puncte (B1, B2) în intervalul "liniar" al dispozitivului, adesea simetric față de fluxul zero, și calculează sensibilitatea medie pe acest interval ca S = (V2-V1)/(B2-B1).

3) Tensiuni de saturație la ieșire. Cu excepția cazului în care se iau măsuri neobișnuite de proiectare, gama de ieșire a semnalului unui dispozitiv care funcționează dintr-o singură sursă de alimentare de 5V va fi limitat între 0V și 5V. Limitele minime și maxime între care semnalul de ieșire poate varia sunt cunoscute sub numele de punctele de saturație. Deoarece majoritatea senzorilor liniari sunt proiectați să funcționeze dintr-o singură sursă de 5V, saturația negativă (VSAT-) este de obicei specificată în raport cu masa, în timp ce saturația pozitivă (VSAT+) este specificată la cât de aproape poate comuta ieșirea de șina de alimentare pozitivă. Deoarece multe convertoare analogic-digitale au game de intrare de 0-5 volți, majoritatea producătorilor oferă ieșiri "rail-to-rail" pe mulți dintre noii lor senzori liniari cu efect-Hall, pentru ușurința interfeței. În timp ce tensiunile de ieșire de pe aceste dispozitive nu pot balansa într-adevăr până la șinele de alimentare, acestea pot ajunge adesea la câteva zeci de milivolt dacă nu sunt obligate să acționeze o sarcină excesivă.

4) Gama liniară utilă. Chiar dacă ieșirea unui dispozitiv poate avea o gamă largă de operare înainte de a se satura, liniaritatea se poate degrada semnificativ înainte de atingerea saturării. Gama liniară utilă este atât funcție de dispozitiv, cât și de eroarea de neliniaritate pe care o aplicație dată o poate tolera. Pentru majoritatea circuitelor integrate cu senzor Hall moderne, eroarea de liniaritate este cu mult sub 1% față de majoritatea gamelor de detectare specificate. Limitele gamei liniare efective sunt indicate ca BSAT+ și BSAT- pe curba de transfer. Rețineți că, în exemplul prezentat, tensiunea de ieșire continuă să crească și să scadă dincolo de aceste limite, dar devine semnificativ mai neliniară. Pe lângă faptul că este funcție de modelul unui senzor dat, gama utilă de ieșire liniară poate fi, de asemenea, funcție de sarcina electrică pe care senzorul trebuie să o acționeze.

Fig. 4-5: Curba de transfer a senzorului cu efect-Hall liniar.

4.3 Drift

Din nefericire, o curbă de transfer este valabilă numai în condițiile unui set dat de condiții de mediu. Pentru multe aplicații cu senzori cu efect-Hall, cea mai mare influență a mediului este, de obicei, temperatura. Deși este cu siguranță posibil să se caracterizeze un dispozitiv cu o familie de curbe de transfer, fiecare corespunzând performanței la o anumită temperatură, abordarea mai tipică este aceea de a oferi caracterizarea doar a sensibilității și a tensiunii de ieșire la flux-zero față de temperatură. Simplificarea caracterizării cu temperatura, în acest mod, facilitează specificarea parametrilor de examinare pentru testarea IC-urilor individuale. Dispozitivele pot fi ușor examinate atât împotriva limitelor absolute, cât și prin limitele de deviație atât pentru tensiunea de ieșire la flux-zero, cât și pentru sensibilitate.

Un punct important de reținut este faptul că driftul la temperaturi joase, fie pentru offset-ul de flux-zero, fie pentru sensibilitate (câștig) nu implică neapărat drift la temperatură joasă pentru cealaltă. Acest lucru este deosebit de evident în cazul dispozitivelor cu auto-nul, care pot prezenta drift-uri de offset de ordinul câtorva gauss pe gama de temperatură nominală a lor. Unele dintre aceste dispozitive pot prezenta, de asemenea, drift-uri de sensibilitate de ordinul a ± 5% pe aceeași gamă de temperatură, un drift comparabil cu cel al multor senzori bipolari cu efect-Hall mai vechi.

Dimpotrivă, un senzor Hall bipolar de stil vechi poate avea o stabilitate excelentă a sensibilității, dar caracteristicile slabe ale drift-ului de offset. Morala acestei povestiri este că trebuie să determinați ce caracteristici ale dispozitivului sunt importante pentru aplicația dvs. și apoi să vă asigurați că dispozitivul selectat oferă performanțe adecvate în acele zone.

4.4 Rațiometrie

Unul dintre obiectivele de proiectare primare în dezvoltarea unui senzor cu efect-Hall este dezvoltarea unui dispozitiv care este minimal susceptibil la influențele mediului. Există, totuși, un factor de mediu, altul decât câmpul magnetic, la care multe dispozitive sunt deliberat făcute foarte sensibile. Multe IC-uri cu senzori cu efect-Hall sunt proiectate astfel încât sensibilitatea lor și offsetul de flux-zero să fie funcții liniare de tensiunea de alimentare. Un dispozitiv cu această proprietate este denumit ca având o ieșire proporțională (ratiometric output).

Un senzor Hall rațiometric are o tensiune de ieșire la flux-zero, stabilită la o anumită fracțiune (adesea 1/2) din tensiunea de alimentare și o sensibilitate care este proporțională cu tensiunea de alimentare. Aceasta înseamnă că, dacă variați tensiunea de alimentare cu 10%, ieșirea de flux-zero va crește cu 10%, la fel și sensibilitatea. În timp ce creșterea sensibilității dispozitivului la variațiile sursei de alimentare poate părea contraproductivă, un senzor ratiometric poate fi de fapt foarte util ca o componentă a sistemului.

Luați în considerare cazul în care ieșirea unui senzor cu efect-Hall este trimisă într-un convertor analogic-digital (ADC) prezentat în figura 4-6. În acest exemplu, un regulator de tensiune asigură atât alimentarea cu energie a senzorului cu efect-Hall (Vcc) cât și o tensiune de referință (VREF) pentru ADC.

Fig. 4-6: Exemplu de sistem care beneficiază de un senzor cu efect-Hall rațiometric.

În acest exemplu, mai întâi să considerăm cazul unui senzor nerațiometric, în care senzorul cu efect-Hall asigură o sensibilitate fixă ​​indiferent de tensiunea de alimentare. Dacă tensiunea de ieșire a regulatorului de tensiune ar crește, senzorul cu efect-Hall ar avea încă aceeași sensibilitate ca la o tensiune mai mică a regulatorului. Deoarece gama de intrare maximă a ADC ar crește odată cu creșterea tensiunii regulatorului, ieșirea senzorului ar "umple" mai puțin din gama ADC, rezultând măsurători mai mici raportate de către ADC.

O soluție ar putea fi insistența utilizării unui regulator de tensiune foarte stabil pentru a preveni apariția acestui tip de eroare. Pentru a implementa un senzor cu efect-Hall cu o sensibilitate independentă de tensiune de alimentare, totuși, este necesar ca un anumit tip de referință precisă de tensiune sau de curent să fie introdus în IC senzor. În această situație, există acum două referințe separate care trebuie să fie stabile - una în interiorul senzorului și una în exterior.

Este întotdeauna mai dificil să se mențină precizia în două referințe decât în una. Acum, să considerăm cazul în care amplificarea și offsetul senzorului Hall sunt proporționale sau rațiometrice cu alimentarea cu energie. Dacă ieșirea regulatorului de tensiune ar crește, tensiunea de offset și sensibilitatea senzorului vor crește proporțional. Gama maximă de intrare a ADC va crește și ea cu aceeași cantitate. Gama de ieșire a senzorului va urmări gama de intrare a ADC-ului în același mod, indiferent de variațiile mici ale tensiunii regulatorului. Aceasta înseamnă că, pentru un câmp magnetic dat, ADC va scoate același cod binar independent de tensiunea de referință.

Senzorii Hall cu ieșire rațiometrică, totuși, nu sunt fără dezavantajele lor. Pentru a efectua măsurători absolute, este necesară o sursă de tensiune stabilă într-un anumit moment, numai și pentru calibrarea inițială. O altă problemă este cea a rejectării zgomotului sursei de alimentare. Pentru cazul unui dispozitiv care prezintă un comportament rațiometric "ideal", vă așteptați să vedeți că apare aproape jumătate din zgomotul sursei de alimentare la ieșire. Susceptibilitatea la zgomotul surselor de alimentare a dispozitivelor reale va varia în funcție de detaliile implementării lor.

4.5 Caracteristicile de ieșire

Ieșirea unui senzor cu efect-Hall liniar poate fi modelată în mod util de o sursă de tensiune (Vo) în serie cu un rezistor (ro), așa cum se arată în figura 4-7.

Fig. 4-7: Model echivalent al ieșirii senzorului cu efect-Hall liniar.

Majoritatea dispozitivelor contemporane utilizează feedback negativ în etajele amplificatorului de ieșire, în principal pentru că aceasta îmbunătățește liniaritatea la ieșire. Reacția negativă oferă și un avantaj suplimentar al impedanței de ieșire dinamică scăzută, adesea cu câțiva ohmi sau mai puțin. Impedanța de ieșire redusă la astfel de dispozitive simplifică proiectarea circuitelor de interfață. Atunci când aceste tipuri de senzori sunt utilizate pentru a acționa impedanțe de sarcină mai mari de câteva mii de ohmi, erorile de câștig rezultate din efectele de încărcare tind să fie minime.

O impedanță scăzută de ieșire nu implică totuși faptul că un senzor dat poate absorbi sau furniza o cantitate mare de curent la ieșire. Curenții tipici de ieșire tind să fie limitați la câțiva miliamperi. Dacă un circuit de sarcină absoarbe sau furnizează mai mult decât curentul nominal de la un dispozitiv, acesta poate afecta în mod serios câștigul efectiv al dispozitivului, offsetul de flux zero și liniaritatea.

În unele cazuri, curentul de ieșire excesiv poate deteriora dispozitivul.

4.6 Bandwidth (lățimea de bandă)

Lățimea de bandă sau răspunsul în frecvență al unui sistem liniar poate fi descrisă de o diagramă Bode, care este un grafic al câștigului și al întârzierii fazei față de frecvență. Din motive tradiționale și practice, axa de frecvență și axa câștigului sunt exprimate, de obicei, fie în unități logaritmice (dB pentru câștig), fie pe o scară log (pentru frecvență). O diagramă Bode care corespunde cu ceea ce se numește "sistem low-pass, de prim ordin" este prezentată în Fig. 4-8.

Fig. 4-8: Diagrama Bode a sistemului liniar de prim ordin.

Unele dintre caracteristicile cheie ale sistemului descrise în diagrama Bode sunt:

1) Frecvența de colț Fc, adesea denumită punct de -3 dB. La această frecvență, valoarea câștigului de sistem sau a sensibilității este de numai 1/√2 (0,707) din valoarea sa la DC (frecvență zero).

2) Rata de atenuare. Dincolo de frecvența de colț, sensibilitatea unui sistem de prim ordin se derulează la o rată de -20 dB pe decadă de frecvență. Un alt mod de a privi la aceasta este că răspunsul scade cu un factor de 10 pentru fiecare creștere 10x în frecvență.

3) Defazajul. La frecvența de colț, sistemul va întârzia un semnal sinusoidal de intrare cu 45^o. Pe măsură ce crește frecvența semnalului, această întârziere de fază crește asimptotic la 90^o.

În timp ce măsurătorile, cum ar fi frecvența de colț, descriu răspunsul unui sistem la stimulii sinusoidali, ele oferă, de asemenea, o anumită perspectivă asupra modului în care un dispozitiv se comportă în reacția cu alți stimuli. Un exemplu comun este răspunsul sistemului la o intrare sub forma unei trepte abrupte, numit de obicei răspunsul la treaptă. Timpul în care un sistem de ordinul întâi trebuie să se stabilizeze la 37% din valoarea sa finală (numit constanta de timp a sistemului, reprezentat de τ) este dat de 1/(2πf). Fig. 4-9 prezintă răspunsul la treaptă al unui sistem de prim-ordin, low-pass.

Fig. 4-9: Răspuns la treaptă a sistemului low pass, de prim ordin.

Cantitatea de timp în care acest sistem trebuie să se stabilizeze într-o limită de eroare specificată poate fi exprimată în funcție de τ, așa cum se arată în Tabelul 4-1.

Tabelul 4-1 - Eroare vs. timp de stabilire, sistem ideal de prim ordin.

Un senzor liniar tipic cu efect-Hall are o frecvență de colț în gama de la 10 kHz la 25 kHz. Aceasta corespunde unui interval τ de la aproximativ 6 până la 16 microsecunde.

Deși un senzor liniar cu efect-Hall este mult mai complex decât un sistem de prim-ordin, mai ales dacă utilizează tehnici de auto-anulare, utilizarea unui model de prim-ordin este o aproximație utilă pentru multe aplicații. Producătorii dispozitivelor cu efect-Hall liniare vor publica, de regulă, valori de frecvență de colț "tipice" în fișele de date pentru dispozitivele lor.

4.7 Zgomot

Zgomotul poate fi definit ușor ca un semnal pe care nu vă interesează să-l vedeți. Toate sistemele electronice liniare generează o anumită cantitate de zgomot intern, pe care o adaugă la semnalul lor de ieșire. Acest lucru este valabil și pentru senzorii liniari cu efect-Hall. Producătorii specifică, de obicei, zgomotul intern al senzorilor liniari cu efect-Hall în unul din două moduri. Primul este să-l exprimați ca o măsurare vârf la vârf, atunci când se uită la un interval de frecvență specificat. Cealaltă metodă este de a exprima zgomotul ca o tensiune RMS (root-mean-square) de zgomot echivalent, de asemenea, într-un interval de frecvență specificat. Compararea măsurătorilor de zgomot vârf la vârf cu măsurători de zgomot RMS este dificilă, mai ales dacă acestea sunt specificate pe intervale de frecvență diferite. Din fericire, măsurătorile detaliate ale zgomotului pentru un anumit dispozitiv pot fi realizate cu ușurință cu echipamente electronice de laborator comune, cum ar fi un analizor de spectru sau un voltmetru RMS. Un analizor de spectru este un instrument deosebit de util pentru că spune cât de mult zgomot apare la o anumită frecvență. Cunoașterea distribuției de frecvență a zgomotului permite, adesea, filtrarea cel puțin parțială a acestuia.

4.8 Cerințe de alimentare pentru senzorii liniari

Senzorii liniari moderni cu efect-Hall au cerințe modeste de alimentare. În comparație cu multe circuite analogice, senzorii liniari cu efect-Hall operează aproape întotdeauna de la o singură sursă de alimentare pozitivă (adesea + 5V sau + I2V) pentru funcționare. Consumul de curent prin cablul de alimentare este adesea mai mic de 10 mA. Un condensator de decuplare a sursei de alimentare, cu o valoare cuprinsă în mod obișnuit între 0,001 μF și 0,1 μF, este adesea conectat între bornele sursei de alimentare a senzorului pentru a reduce zgomotul și pentru a preveni operațiune falsă. Decuplarea sursei de alimentare este deosebit de importantă pentru senzorii rațiometrici, deoarece zgomotul sursei de alimentare se poate cupla ușor la ieșire.

În timp ce mulți senzori Hall integrați (comutatoare, dispozitive de blocare, senzori de viteză) au o protecție semnificativă împotriva suprasarcinii și inversării tensiunii de alimentare (protecție la baterie inversă), multe dispozitive liniare nu o au, în special cele care oferă posibilități de acționare la ieșire șină-la-șină. Dispozitivele liniare tind să fie mult mai susceptibile la daune electrice prin bornele sursei de alimentare decât omologii lor digitali. O atenție deosebită trebuie acordată pentru a se asigura că dispozitivele nu sunt expuse la condiții de alimentare ce depășesc valorile nominale maxime absolute.

4.9 Gama de temperatură

Senzorii liniari cu efect-Hall sunt disponibili pe o serie de game de temperatură de funcționare.

Cele mai frecvente sunt:

Comercial: 0^o la 70^oC
Industrial: -40^o la 85^oC
Automobile: -40^o la 125^oC

Dispozitivele sunt uneori disponibile pe alte game. Acestea, destinate aplicațiilor pentru autovehicule sub capotă (compartiment motor) sunt adesea evaluate pentru a funcționa la temperaturi până la 150^oC.

4.10 Senzori liniari programabili cu câmp

Sistemele bazate pe senzori sunt adesea necesare pentru a îndeplini anumite cerințe de performanță parametrice. De exemplu, în cazul unui senzor de poziție, dispozitivul poate fi obligat să asigure o variație previzibilă a tensiunii de ieșire corespunzătoare unei variații specificate a intrării poziționale. Componentele individuale ale unui sistem de detectare bazat pe efect-Hall au toate unele variații unitate-la-unitate finite asociate cu acestea. Componentele magnetice utilizate în ansamblu sunt, de asemenea, supuse unor variații ale proprietăților și dimensiunilor materialelor, având ca rezultat variația unitate-la-unitate în ieșirea magnetică. Senzorii cu efect-Hall vor arăta, de asemenea, unele variații unitate-la-unitate în sensibilitățile și offset-urile lor. "Stivuirea" tuturor acestor surse de variație pot face extrem de greu implementarea unui model care să îndeplinească un set restrâns de obiective de performanță.

Deși este adesea posibilă efectuarea unei reglări unitate-la-unitate a porțiunilor magnetice și mecanice ale unui senzor pentru a atinge un obiectiv de performanță, aceste operațiuni pot fi dificil de realizat într-un mod rentabil într-un mediu de producție. O altă opțiune este să adăugați circuite externe senzorului pentru a permite ajustarea amplificării și a offset-ului. Din nou, totuși, acest lucru poate adăuga costuri considerabile la un produs.

O soluție recent disponibilă, care a apărut pentru a rezolva această problemă, este senzorul liniar cu efect-Hall programabil cu câmp. Multe tipuri de circuite integrate cu senzor Hall sunt ajustate electronic într-o singură dată în momentul fabricării. Ideea senzorului liniar programabil cu câmp este totuși să permită utilizatorului final să efectueze această ajustare, după ce dispozitivul a fost asamblat în produsul final. O diagramă bloc a unui senzor liniar programabil cu câmp este prezentată în Fig. 4-10.

Fig. 4-10: Senzor Hall liniar programabil cu câmp.

Un senzor tipic programabil-cu-câmp oferă câteva caracteristici reglabile:

Câștig grosier și fin - Adesea este prevăzută setarea unui câștig grosier pentru a selecta o gamă generală de sensibilitate (mV/ gauss) pentru senzor, în timp ce setarea gamei fine este utilizată pentru a regla sensibilitatea la exact ceea ce dorește utilizatorul. De ex., se poate selecta o gamă grosieră de 1-2,5 mV/gauss și apoi se utilizează gama fină pentru reglarea câștigului la 1,50 mV/gauss. O combinație de setări de câștig grosier și fin este furnizată de obicei pentru că este mai simplu și mai puțin costisitor să se implementeze două etaje separate de câștig, unul cu gamă dinamică largă, iar celălalt cu rezoluție înaltă, decât să implementeze un singur etaj cu o gamă și rezoluție dinamică comparabile.

Tensiunea de offset la ieșire - Un DAC este adesea furnizat pentru a ajusta tensiunea de offset la ieșire. În timp ce tensiunile de offset în senzorii Hall liniari moderni, auto-zero, sunt de obicei destul de scăzute, această caracteristică este adesea mai utilă pentru a polariza deliberat ieșirea. De exemplu, dacă dispozitivul va detecta numai câmpuri de o polaritate, poate fi setat un offset negativ, astfel încât dispozitivul va scoate zero volți pentru câmpul zero. Orice câmp aplicat va acționa apoi ieșirea către șina de alimentare pozitivă (de exemplu, +5V). Pentru un dispozitiv tipic neprogramabil, în comparație, ieșirea pentru fluxul zero este de obicei o tensiune la jumătatea distanței dintre masă și șina de alimentare pozitivă (de ex., ~ 2,5V). În această aplicație, abilitatea de a decala ieșirea crește efectiv marja semnalului de ieșire al dispozitivului. O altă aplicație pentru ajustarea offsetului tensiunii de ieșire este de a decala efectele oricărui câmp de bază aplicat. De ex., considerați un ansamblu al senzorului de poziție în care câmpul magnetic variază de la 100 gauss la 200 gauss de la începutul până la sfârșitul intervalului de deplasare. Prin decalarea tensiunii de ieșire a senzorului cu efect-Hall pentru a compensa punctul de pornire la 100 gauss, tensiunea de ieșire a senzorului ar putea fi 0 volți la începutul deplasării. Prin ajustarea corespunzătoare a câștigului, se poate face ca senzorul să raporteze 5V la sfârșitul deplasării.

Fixarea ieșirii - Pentru unele aplicații, este de dorit limitarea oscilației tensiunii de ieșire a senzorului la o gamă îngustă. Acest lucru este obișnuit atunci când proiectăm senzori în sisteme care trebuie să poată identifica defecțiunile și să încerce să "se oprească în siguranță". De exemplu, considerație un senzor care funcționează de la o alimentare de 5V și furnizează o ieșire validă variind de la 0V la 5V. În cazul în care senzorul a fost deconectat de la un sistem care se bazează pe ieșirea acestuia, sistemul ar citi zero volți și nu poate detecta defecțiunea. În mod similar, dacă linia de ieșire a senzorului trebuie să fie scurtcircuitată la linia de alimentare a senzorului + 5V, sistemul de monitorizare ar vedea + 5V și, de asemenea, nu poate determina dacă există o condiție de defecțiune. O funcție de fixare poate fi utilizată pentru a limita excursia tensiunii de ieșire a senzorului la un domeniu de tensiune cunoscut, cum ar fi 1V la 3V. Fig. 4-11 prezintă efectele unei funcții de fixare asupra tensiunii de ieșire a senzorului.

Fig. 4-11: Efectul funcției de fixare.

Deoarece senzorul își limitează semnalele de ieșire valide la nivele situate între limitele de fixare, orice semnal care se încadrează în afara acestor limite poate fi interpretat ca o condiție de defecțiune de către electronica din aval și manipulat corespunzător. Senzorii programabili cu câmp furnizează adesea utilizatorului posibilitatea de a alege fie din mai multe limite de fixare predeterminate, fie de a oferi posibilitatea de a seta limitele de fixare la nivele de tensiune alese în mod arbitrar.

Compensarea temperaturii reglabilă - Prin facerea curentului de polarizare a traductorului funcție de temperatură, este posibil ca câștigul global al senzorului să varieze și el cu temperatura. În timp ce coeficienții de temperatură sunt, de obicei, lucruri care trebuie minimalizate în cazul senzorilor liniari tradiționali neprogramabili, coeficienții de temperatură ajustabili pot fi o caracteristică valoroasă într-un dispozitiv programabil de către utilizator. Aplicația primară pentru stabilirea coeficientului de temperatură al senzorului pentru amplificare este potrivirea răspunsului acestuia pentru a compensa coeficienții de temperatură ai materialelor magnetice pe care le poate utiliza pentru detectare. De exemplu, magneții NdFeB au, tipic, un coeficient de temperatură negativ de ordinul -0,1%/^oC ceea ce înseamnă că randamentul câmpului lor magnetic scade în timp ce temperatura crește. Prin setarea coeficientului de temperatură al senzorului pentru a compensa pe cel al magnetului (de exemplu, +0,1%/^oC este posibil să se reducă coeficienții globali de temperatură ai sistemului la nivele foarte scăzute.

4.11 Dispozitive lineare tipice

Tabelul 4-2 enumeră câteva IC-uri liniare tipice cu efect-Hall, de la diferiți producători, precum și câștiguri nominale la temperatura camerei.

Nota 1: Parametrul este programabil de către utilizator.

4.12 Comutatoare și zăvoare

Multe aplicații de detectare magnetică necesită doar să știe dacă un câmp magnetic depășește un anumit prag; nu este necesară măsurarea detaliată a câmpului. Deoarece senzorii cu efect-Hall sunt folosiți frecvent în acest tip de aplicație, producătorii au considerat că merită să încorporeze electronică detectoare de prag cu senzorii lor integrați. IC-urile senzor rezultate asigură o ieșire digitală On/Off. O diagramă bloc a unui senzor cu efect-Hall "digital" sau sensibil la prag este prezentat în Fig. 4-12.

Fig. 4-12: Diagrama bloc funcțională a IC-ului Hal sensibil la prag.

Un senzor digital cu efect-Hall este în esență un dispozitiv liniar (regulator, circuit polarizare, traductor Hall și amplificator) și adaugă un detector de prag și un driver de ieșire digitală.

Ca și în cazul dispozitivelor liniare, circuitele cu auto-zero sunt adesea folosite pentru a îmbunătăți stabilitatea. Atunci când valoarea câmpului magnetic detectat depășește un prag arbitrar de comutare ON (denumit BOP, pentru B, Punct de operare), comparatorul superior activează intrarea SET pe flip-flop, forțând-o în starea ON. Flip-flop-ul acționează ulterior ieșirea ON. Atunci când valoarea câmpului magnetic scade sub un prag arbitrar de OFF (adesea denumit BRP, pentru B, Punct de eliberare), comparatorul inferior activează intrarea RESET a flip-flop-ului, forțând-o în starea OFF. Ieșirea este apoi acționată în starea OFF. Când valoarea câmpului magnetic se află între cele două limite, flip-flop-ul menține starea care a fost setat sau resetat ultima dată. Acest efect se numește histerezis și împiedică ieșirea dispozitivului să oscileze între stările ON și OFF atunci când câmpul magnetic este aproape de un prag. Cantitatea de histerezis (BH) pentru un anumit dispozitiv este determinată de IBOP - BRPI. Fig. 4-13 prezintă două moduri de vedere ale comportamentului unui senzor de Hall cu ieșire digitală. Dacă o rampă a câmpul magnetic (B) urcă și cade din nou în funcție de timp (Fig. 4-13a), dispozitivul comută ON când câmpul depășește BOP, și OFF când câmpul este redus sub BRP. Dispozitivele digitale cu efect-Hall se caracterizează prin ridicarea în sus și în jos a unui câmp magnetic cunoscut și notarea densităților de flux (B) la care dispozitivul comută ON și comută OFF.

Fig. 4-14: Comportamentul comutator (a), zăvor (b), comutator de pol nord (c).

În cele din urmă, în cazul # 3, unde atât BOP, cât și BRP sunt negative, dispozitivul rămâne normal ON în absența câmpului aplicat și poate fi comutat OFF numai printr-un câmp negativ suficient de puternic. Dispozitivele care prezintă acest comportament sunt numite în mod obișnuit comutatoare cu pol Nord, cel puțin în cazul în care câmpul magnetic pozitiv este definit ca pol Sud.

Fig. 4-14 ilustrează diferențele de comportament dintre cele trei cazuri descrise anterior. Acum, că am descris modul în care se comportă senzorii cu efect-Hall digitali și conceptele de operare și punctele de eliberare (BOP, BRP) și histerezis (BH), vom descrie unele dintre celelalte caracteristici folosite pentru specificarea dispozitivelor.

4.14 Stabilitatea punctului de comutare

Toți parametrii BOP, BRP și BH vor devia cu variațiile temperaturii ambiante și a tensiunii de alimentare. Pentru senzorii moderni cu efect-Hall, variația punctului de comutare (BOP, BRP) ca funcție de tensiunea de alimentare este de obicei minimă. Variațiile induse de temperatură în punctele de comutare sunt mai degrabă o problemă în majoritatea aplicațiilor. Producătorii IC cu efect-Hall vor lista, de obicei, limitele în care acești parametri trebuie să rămână într-o anumită gamă de condiții pe fișele tehnice ale dispozitivelor.

Mai puțin frecvent, un producător va stabili limite ale deviației acestor parametri. Acest lucru se datorează în principal faptului că necesită capacitatea de a urmări dispozitive individuale prin teste de temperatură multiple și să utilizeze datele de caracterizare din fiecare dintre aceste teste pentru a efectua o operație de sortare finală. Acest tip de testare, unde se urmărește identificarea unitară a dispozitivelor individuale prin mai multe teste, este mult mai scump decât o secvență de testare mai tradițională, în care se resping piese care sunt în afara specificațiilor, după fiecare operație individuală de testare.

Deoarece comportamentul calitativ al unei părți digitale depinde de relația dintre BOP și BRP, trebuie acordată o atenție deosebită performanței lor față de temperatură. A avea o comutare de blocare într-un comutator la o temperatură extremă sau invers, poate avea consecințe catastrofale asupra sistemului în care sunt folosiți senzorii.

4.15 Comutatoare bipolare

Un comutator bipolar nu este, așa cum s-ar putea crede prima dată din nume, un dispozitiv care comută ON ca răspuns la oricare pol al unui magnet. Un comutator bipolar este un IC cu efect-Hall, pentru care intervalele ambelor specificații BOP și BRP includ zero. Acest lucru înseamnă că, în timp ce dispozitivul este garantat să comute ON când câmpul detectat depășește un prag pozitiv specificat și este garantat să comute OFF când câmpul detectat scade sub un prag negativ specificat, poate, sau nu poate, să se blocheze atunci când câmpul este îndepărtat. Ar putea fi funcțional, fie ca zăvor, fie ca comutator sau chiar un comutator de pol Nord, funcția exactă variind de la o unitate la o unitate, chiar și pentru dispozitive de același tip și fabricate în același lot. Deoarece comutatoarele bipolare pot prezenta un comportament calitativ diferit de la o unitate la o unitate, ar trebui revizuite cu atenție modelele în care sunt utilizate pentru a se asigura că variația posibilă a modului de operare nu va cauza operare falsă sau funcționare defectuoasă în sistemul în care acestea sunt încorporate.

4.16 Cerințele de alimentare ale senzorilor digitali

Dispozitivele digitale tind să fie mult mai conciliante la variația sursei de alimentare decât omologii lor liniari. Dispozitivele moderne operează pe intervale largi de alimentare, cu 4 până la 24 de volți nu mai puțin frecvente. Dispozitivele concepute pentru aplicații auto pot supraviețui adesea unor condiții de supratensiune electrice semnificative, atât negative, cât și pozitive, pe cablul de alimentare. Dispozitivele cu caracteristică de protecție la inversare a acumulatorului sunt proiectate să reziste la tensiuni negative continue și semnificative (de obicei peste -12V) pe cablu de alimentare. Deși relativ obișnuite pentru dispozitivele digitale cu efect-Hall, caracteristici precum protecția la inversarea bateriei sunt aproape nemaiauzite pentru cele mai multe IC; aplicarea tensiunii de alimentare negative la cele mai multe circuite logice sau analogice le va distruge, de obicei, în scurt timp. Dispozitivele concepute pentru aplicații auto pot include și caracteristici care să le protejeze de tranzițiile scurte și de energie ridicată care apar frecvent în sistemele electrice ale autovehiculelor.

Cei mai mulți senzori Hall digitali consumă o cantitate relativ mică de curent de alimentare (de obicei < 10 mA) în operare normală. Deoarece curentul de alimentare poate varia câțiva mA în funcție de starea de ieșire, în special în cazul dispozitivelor bipolare, este foarte recomandat introducerea unui condensator de by-pass mic (0,01 -0,1μF) pe bornele de alimentare ale dispozitivului. Datorită comportamentului on-off al dispozitivului, zgomotul excesiv al liniei de alimentare se poate manifesta ca o stare de ieșire instabilă, cu oscilații de ieșire care apar în momentele când dispozitivul trece între stările ON și OFF, așa cum se arată în Fig. 4-15a. Conectarea unui condensator între linia de ieșire a dispozitivului și masă NU este calea de a rezolva această problemă. În timp ce este posibil să amortizați oscilațiile de ieșire cu un condensator suficient de mare pe ieșire, această tactică este doar o rezolvare superficială și nu abordează rădăcina problemei. În unele cazuri, un condensator pe ieșire poate deteriora dispozitivul, datorită vârfurilor mari de curent care curg în ieșire atunci când dispozitivul descarcă condensatorul. Cea mai eficientă metodă de reducere a oscilațiilor de zgomot ale alimentării este de a filtra și de a ocoli (by-pass) adecvat liniile de alimentare. Cea mai simplă metodă de ocolire a alimentării este de a pune un condensator între borna de alimentare pozitivă a senzorului (VCC) și masă, așa cum se arată în Fig. 4-15b.

În cazul senzorilor de tip blocare (latch), o ocolire eficientă a alimentării cu energie electrică este absolut critică pentru o operare corespunzătoare. Deoarece se așteaptă ca un latch să-și "amintească" starea sa actuală în absența câmpului, el este deosebit de susceptibil ca starea sa să fie afectată de vârfuri, zgomot sau "căderi" (scurte reduceri de tensiune) pe linia de alimentare electrică. Un simptom al unui latch necorespunzător ocolit este de a vedea că ieșirea acestuia revine ocazional într-o stare preferată (ON sau OFF) fără nici un stimul magnetic aparent care să-l determine să comute. În experiența autorului, multe tipuri de dispozitive de blocare par susceptibile de a fi comutate fals de zgomotul electric de pe linii de alimentare atunci când sunt operate la tensiuni de alimentare în apropierea limitelor de tensiune de alimentare mai scăzute.

Fig. 4-15 - Efectele zgomotului excesiv al liniei de alimentare asupra ieșirii
senzorului cu efect-Hall digital (a) și utilizarea condensatorului de by-pass (b).

4.17 Drivere de ieșire

Cel mai obișnuit driver de ieșire găsit pe senzorii cu efect-Hall digitali este ieșirea open-collector NPN, prezentată în Fig. 4-16a. Atunci când dispozitivul comută ON, el polarizează tranzistorul de ieșire, absorbând curentul din ieșire. Pentru dispozitive fabricate cu tehnologii CMOS, un MOSFET cu canal-N înlocuiește tranzistorul bipolar NPN, iar ieșirea este denumită "open-drain" (Fig. 4-16b).

Fig. 4-16: Ieșiri open-collector (a) și open-drain (b).

Ieșirile open-collector și open-drenă sunt populare deoarece sunt ușor de interfațat. Adăugarea unui singur rezistor pull-up permite interfața atât cu logica TTL, cât și cu cea CMOS, precum și cu cele mai comune microcontrolere. În timp ce puține dispozitive încorporează un astfel de rezistor on-chip, cele mai multe necesită să fie adăugat extern. Neadăugarea rezistorului pull-up extern este cauza multor probleme de aplicații. Aceasta este probabil cea mai frecventă problemă întâlnită când începeți prima dată să utilizați senzorii digitali cu efect-Hall. Dacă nu este adăugat un rezistor pull-up, nu veți primi un semnal de ieșire-tensiune din dispozitiv. Când folosiți un voltmetru sau un osciloscop, veți vedea fie că nu există nici un semnal afară, fie un semnal mic (<0,5 V), foarte afectat. Atunci când funcționează cu un rezistor pull-up dimensionat corespunzător, semnalul de ieșire în tensiune de la un senzor digital cu efect-Hall, fără sarcină, va apărea ca o undă pătrată curată cu valoare low în apropierea masei și valoare high în apropierea tensiunii la care rezistorul pull-up este legat.

În timp ce o ieșire open-colector se comportă ca un comutator la masă, este un dispozitiv solid-state și are câteva caracteristici care trebuie luate în considerare la proiectarea circuitelor de interfață.

1) Curent maxim absorbit în stare-ON (IoMAX) - Aceasta este cantitatea maximă de curent care poate fi absorbită în stare ON fără a suferi daune.

2) Tensiunea maximă de ieșire în stare OFF (VoMAX). În starea OFF, aceasta este tensiunea maximă pe care ieșirea o poate tolera fără a se străpunge (transforma într-un scurtcircuit).

3) Curent de scurgere la ieșire în stare OFF (IoLK). În starea OFF, ieșirea va absorbi o cantitate mică de curent de scurgere, tipic de ordinul nanoamperilor sau microamperilor. Acest parametru definește cantitatea maximă a acestui curent de scurgere într-un anumit set de condiții.

4) Tensiunea de saturație (Vsat). Când ieșirea este comutată ON și conduce o anumită cantitate de curent, tensiunea la ieșire nu va fi chiar zero. Tensiunea de saturație definește valoarea maximă pentru tensiunea de ieșire în stare ON pentru un curent dat.

5) Timpul de creștere și de cădere (Tr, Tf). Acești parametri definesc cât de repede va tranzita ieșirea între stările ON și OFF. Aceste caracteristici NU ar trebui să fie confundate cu timpul necesar aparatului pentru a răspunde unui câmp magnetic. Timpul de răspuns al unui dispozitiv digital este o funcție complexă de ambalarea și arhitectura circuitului utilizate pentru implementarea dispozitivului. În timp ce timpii de creștere și de cădere sunt deseori măsurați în zeci sau sute de nanosecunde, timpul de răspuns efectiv este adesea măsurat în microsecunde.

4.18 Dispozitive digitale tipice

Tabelul 4-3 afișează câteva dispozitive reprezentative pentru varietatea vastă (și știu ce înseamnă vastă) de circuite integrate cu efect-Hall digitale disponibile astăzi.

Tabelul 4-3: Caracteristicile magnetice ale diferiților senzori digitali cu efect-Hall.

Nota 1: Sw = Comutator, Bsw = Comutator Bipolar, L = Latch (zăvor)

Nota 2: Valori tipice din fișele tehnice ale producătorului pentru condițiile de încercare specificate de producător.