微功耗A32XX系列霍爾開關(guān)

關(guān)鍵詞：霍爾開關(guān)；微功耗；低電壓；斬波調(diào)零；Ａ３２ｘｘ

１　概述

美國Ａｌｌｅｇｒｏ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ公司生產(chǎn)有各種類型的磁敏感（霍爾）器件，其中Ａ３２ｘｘ系列是一組微功耗霍爾開關(guān)型傳感器。該系列有Ａ３２０９、Ａ３２１０、Ａ３２１２等三種器件，它們的共同特點(diǎn)為工作電壓和功耗極低、不依賴于磁極，即任何磁極都能使其動作（開關(guān)導(dǎo)通）、超敏感、數(shù)字鎖存輸出等。特別適用于電池供電的手持設(shè)備，如手機(jī)、傳呼機(jī)、無繩電話、掌上電腦等。

Ａ３２ｘｘ系列的２．５Ｖ～３．５Ｖ低工作電壓和內(nèi)部定時(shí)工作結(jié)構(gòu)降低了器件的平均功耗。Ａ３２０９的功耗為４００μＷ、Ａ３２１０為２５μＷ、Ａ３２１２為１５μＷ。該系列中各型號產(chǎn)品除了平均工作電流、磁靈敏性、工作時(shí)間和休眠時(shí)間比（以下稱忙閑比）有差異外，其它特性幾乎一樣。

該產(chǎn)品通過斬波調(diào)零（動態(tài)消除失調(diào)）技術(shù)來改善其穩(wěn)定性，從而使殘余失調(diào)電壓得以降低。這些失調(diào)電壓通常是由器件成型過程、溫度系數(shù)和熱應(yīng)力產(chǎn)生的。該產(chǎn)品在一個(gè)硅晶片上集成了霍爾電壓產(chǎn)生器、小信號放大器、斬波穩(wěn)零器、鎖存器和ＭＯＳ-ＦＥＴ輸出驅(qū)動器。先進(jìn)的ＢｉＣＭＯＳ工藝使該產(chǎn)品具有低工作電壓、極低功耗、極低失調(diào)誤差和很小的幾何尺寸等特點(diǎn)。

該產(chǎn)品有兩種封裝形式，一種是三腳貼片微小型封裝，后綴為“ＬＨ”，如圖１(ａ)；另一種是三腳直插封裝，后綴為“ＵＡ”，如圖１(ｂ)。

２ 低功耗特點(diǎn)

Ａ３２ｘｘ系列產(chǎn)品內(nèi)部有一個(gè)定時(shí)電路，其作用是定時(shí)激活（也稱喚醒）霍爾傳感器以使其工作一段時(shí)間后，再定時(shí)使傳感器休眠一段時(shí)間。傳感器的工作時(shí)間加上休眠時(shí)間為一個(gè)定時(shí)周期，如圖２所示。傳感器的工作時(shí)間對不同的器件是不一樣的，Ａ３２０９、Ａ３２１０為６０μｓ?Ａ３２１２為４５μｓ。定時(shí)周期對不同的器件也是不一樣的，其中Ａ３２０９為４８０μｓ、Ａ３２１０為６０ｍｓ、Ａ３２１２為 ４５ｍｓ。在短暫的喚醒時(shí)間內(nèi)，傳感器進(jìn)行采樣測量并在定時(shí)脈沖的下降沿將數(shù)據(jù)鎖存。而在休眠時(shí)間內(nèi)，器件的輸出為最近一次采樣的結(jié)果。該器件的電源電流不受輸出狀態(tài)的影響。

３　動態(tài)斬波技術(shù)

霍爾器件可以被看成類似于惠斯頓電橋的一組電阻陣列，這些電阻的匹配是造成器件失調(diào)的主要因素，而器件的成型過程、熱應(yīng)力和溫度系數(shù)則是造成電阻不匹配的最主要因素。Ａ３２ｘｘ系列產(chǎn)品采用動態(tài)斬波技術(shù)消除失調(diào)，并通過內(nèi)部集成的高頻時(shí)鐘控制ＣＭＯＳ開關(guān)來動態(tài)改變流過器件的電流方向和霍爾電壓測量端內(nèi)部采樣保持電路所捕獲的霍爾電壓信號，然后通過低失調(diào)的雙極電路進(jìn)行處理，以使得電阻不匹配所造成的殘余失調(diào)電壓能相互抵消。該技術(shù)使Ａ３２ｘｘ器件具有極穩(wěn)定的靜態(tài)霍爾輸出電壓，而與熱應(yīng)力無關(guān)。圖３為該技術(shù)的工作過程示意圖，其中圖３（ａ）、（ｂ）為技術(shù)原理圖、圖３（ｃ）為電路技術(shù)結(jié)構(gòu)圖。

４　工作特性

Ａ３２ｘｘ系列與一般的霍爾開關(guān)不一樣，該系列無論對Ｎ極還是對Ｓ極磁場，只要垂直于器件且磁通密度達(dá)到其動作點(diǎn)Ｂｏｐｎ或Ｂｏｐｓ以上，都會使器件開關(guān)導(dǎo)通?輸出為低?，此時(shí)器件可以吸收１ｍＡ的電流。只要磁通密度降低到釋放點(diǎn)Ｂｒｐｎ或Ｂｒｐｓ以下，都會使器件開關(guān)斷開?輸出為高?。磁通密度動作點(diǎn)和釋放點(diǎn)的差異稱為器件的磁滯Ｂｈｙｓ。該磁滯特性可保證即使出現(xiàn)外部振動和電氣噪聲，器件的開關(guān)過程均無抖動。圖４給出了該系列器件的輸出電壓與磁通密度的關(guān)系特性。

還有一種磁性開關(guān)稱為舌簧開關(guān)，該開關(guān)有兩大特點(diǎn)，一是基本無功耗，二是其開關(guān)動作不依賴于磁場磁力線的方向，即只要有磁力線穿過舌簧開關(guān)，無論其方向是從左到右還是從右到左，都會使舌簧開關(guān)動作。由于舌簧開關(guān)本質(zhì)上是一種機(jī)械開關(guān)，其速度、可靠性和壽命都難以與電子開關(guān)相比。而Ａ３２ｘｘ系列器件本質(zhì)上是一種電子開關(guān)，它的動作（導(dǎo)通）不依賴于磁極性，同時(shí)極低的功耗使得該產(chǎn)品能夠方便地取代舌簧開關(guān)且具有更高的可靠性。

Ａ３２ｘｘ系列產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖５所示。圖中，Ｘ為霍爾傳感器。電路工作時(shí)，霍爾傳感器、動作失調(diào)消除電路、小信號放大器、采樣保持器電路共同完成測量與穩(wěn)零，而后經(jīng)過放大后進(jìn)行施密特整形，并在喚醒脈沖的下降沿將整形結(jié)果鎖存，再經(jīng)ＭＯＳ-ＦＥＴ驅(qū)動輸出。定時(shí)邏輯用于實(shí)現(xiàn)器件的喚醒和休眠周期的控制。在休眠階段，開關(guān)斷開，此時(shí)除定時(shí)邏輯和鎖存器外，其它電路均不工作，降低了功耗。

５　應(yīng)用提示

在實(shí)際使用時(shí)，建議在器件的電源端加上０．１μＦ的旁路電容，以便對外部噪聲和器件內(nèi)部時(shí)鐘噪聲進(jìn)行抑制，其典型連線方式見圖６所示。

由于Ａ３２ｘｘ器件本身帶有喚醒測量和休眠停止工作方式，因此，Ａ３２ｘｘ系列器件通常不能用于較高速度的測量。設(shè)忙／閑定時(shí)周期為Ｔ，理論上速度小于１／Ｔ的測量均可使用，實(shí)際中往往在速度小于１／２Ｔ～１／３Ｔ的場合使用。因此，Ａ３２０９適用于小于等于１ｋＨｚ速率的測量，Ａ３２１０適用于不大于８Ｈｚ速率的測量，Ａ３２１２適用于１１Ｈｚ速率的測量。表１和表２分別列出了Ａ３２ｘｘ系列器件的電氣參數(shù)和磁特性參數(shù)指標(biāo)，以供使用時(shí)參考。

表1 A32xx系列器件的電氣參數(shù)

表2 A32xx系列器件的磁特性