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微功耗A32XX系列霍爾開關
摘要：Ａ３２ｘｘ系列霍爾開關型傳感器是美國AllegroMicrosystemｓ公司生產的微功耗霍爾開關芯片，文中介紹了這種霍爾開關器件的特性原理和封裝形式，分析了Ａ３２ｘｘ器件的構成原理和工作特性，給出了Ａ３２ｘｘ系列器件在低功耗應用時的限制條件。關鍵詞：霍爾開關；微功耗；低電壓；斬波調零；Ａ３２ｘｘ
１概述
美國ＡｌｌｅｇｒｏＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ公司生產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型傳感器。該系列有Ａ３２０９、Ａ３２１０、Ａ３２１２等三種器件，它們的共同特點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（開關導通）、超敏感、數字鎖存輸出等。特別適用于電池供電的手持設備，如手機、傳呼機、無繩電話、掌上電腦等。
Ａ３２ｘｘ系列的２．５Ｖ～３．５Ｖ低工作電壓和內部定時工作結構降低了器件的平均功耗。Ａ３２０９的功耗為４００μＷ、Ａ３２１０為２５μＷ、Ａ３２１２為１５μＷ。該系列中各型號產品除了平均工作電流、磁靈敏性、工作時間和休眠時間比（以下稱忙閑比）有差異外，其它特性幾乎一樣。
該產品通過斬波調零（動態消除失調）技術來改善其穩定性，從而使殘余失調電壓得以降低。這些失調電壓通常是由器件成型過程、溫度系數和熱應力產生的。該產品在一個硅晶片上集成了霍爾電壓產生器、小信號放大器、斬波穩零器、鎖存器和ＭＯＳ-ＦＥＴ輸出驅動器。先進的ＢｉＣＭＯＳ工藝使該產品具有低工作電壓、極低功耗、極低失調誤差和很小的幾何尺寸等特點。
該產品有兩種封裝形式，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
Ａ３２ｘｘ系列產品內部有一個定時電路，其作用是定時激活（也稱喚醒）霍爾傳感器以使其工作一段時間后，再定時使傳感器休眠一段時間。傳感器的工作時間加上休眠時間為一個定時周期，如圖２所示。傳感器的工作時間對不同的器件是不一樣的，Ａ３２０９、Ａ３２１０為６０μｓ?Ａ３２１２為４５μｓ。定時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。在短暫的喚醒時間內，傳感器進行采樣測量并在定時脈沖的下降沿將數據鎖存。而在休眠時間內，器件的輸出為最近一次采樣的結果。該器件的電源電流不受輸出狀態的影響。
３動態斬波技術
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的主要因素，而器件的成型過程、熱應力和溫度系數則是造成電阻不匹配的最主要因素。Ａ３２ｘｘ系列產品采用動態斬波技術消除失調，并通過內部集成的高頻時鐘控制ＣＭＯＳ開關來動態改變流過器件的電流方向和霍爾電壓測量端內部采樣保持電路所捕獲的霍爾電壓信號，然后通過低失調的雙極電路進行處理，以使得電阻不匹配所造成的殘余失調電壓能相互抵消。該技術使Ａ３２ｘｘ器件具有極穩定的靜態霍爾輸出電壓，而與熱應力無關。圖３為該技術的工作過程示意圖，其中圖３（ａ）、（ｂ）為技術原理圖、圖３（ｃ）為電路技術結構圖。
４工作特性
Ａ３２ｘｘ系列與一般的霍爾開關不一樣，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到其動作點Ｂｏｐｎ或Ｂｏｐｓ以上，都會使器件開關導通?輸出為低?，此時器件可以吸收１ｍＡ的電流。只要磁通密度降低到釋放點Ｂｒｐｎ或Ｂｒｐｓ以下，都會使器件開關斷開?輸出為高?。磁通密度動作點和釋放點的差異稱為器件的磁滯Ｂｈｙｓ。該磁滯特性可保證即使出現外部振動和電氣噪聲，器件的開關過程均無抖動。圖４給出了該系列器件的輸出電壓與磁通密度的關系特性。
還有一種磁性開關稱為舌簧開關，該開關有兩大特點，一是基本無功耗，二是其開關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，無論其方向是從左到右還是從右到左，都會使舌簧開關動作。由于舌簧開關本質上是一種機械開關，其速度、可靠性和壽命都難以與電子開關相比。而Ａ３２ｘｘ系列器件本質上是一種電子開關，它的動作（導通）不依賴于磁極性，同時極低的功耗使得該產品能夠方便地取代舌簧開關且具有更高的可靠性。
Ａ３２ｘｘ系列產品的內部結構如圖５所示。圖中，Ｘ為霍爾傳感器。電路工作時，霍爾傳感器、動作失調消除電路、小信號放大器、采樣保持器電路共同完成測量與穩零，而后經過放大后進行施密特整形，并在喚醒脈沖的下降沿將整形結果鎖存，再經ＭＯＳ-ＦＥＴ驅動輸出。定時邏輯用于實現器件的喚醒和休眠周期的控制。在休眠階段，開關斷開，此時除定時邏輯和鎖存器外，其它電路均不工作，降低了功耗。
５應用提示
在實際使用時，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部時鐘噪聲進行抑制，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。設忙／閑定時周期為Ｔ，理論上速度小于１／Ｔ的測量均可使用，實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和磁特性參數指標，以供使用時參考。
表1A32xx系列器件的電氣參數
特性符號測試條件范圍最小典型最大單位電源電壓VDD動作過程2.52.753.5V輸出漏電流IOFFVOUT=3.5、BRPN<B<BRPS-<<1.01.0μA輸出接通電壓VOUTIOUT=1mA/VDD=2.5V-100300mV喚醒時間tawakeA3209Ex、A3210Ex306090μsA3212Ex-4590μs忙閑時間tperiodA3212Ex240480720μsA3209Ex306090msA3210Ex-4590ms忙閑比d.cA3209Ex-12.5-%A3210Ex-0.1-%A3212Ex-0.1-%斬波頻率fc-340-kHz電源電流（2.5V≤VDD
≤3.5V）IDD(EN)芯片喚醒A3209Ex、A3210Ex0.1-3.0mAA3212Ex--2.0mAIDD（DIS）芯片休眠A3209Ex、A3210Ex1.01050μAA3212Ex--8μAIDD（AVG）平均電流A3209Ex、VDD=2.75-145425μAA3210Ex、VDD=2.75-8.82.5μAA3212Ex、VDD=2.75-4.210μAA3209Ex、VDD=3.5V-195425μAA3210Ex、VDD=3.5V-1360μAA3212Ex、VDD=3.5V-4.810μA
表2A32xx系列器件的磁特性
特性符號測試條件范圍最小典型最大單位動作點BOPSA3209、A3210-3060GA3212--55GBOPNA3209、A3210-60-35-GA3212-55--G釋放點BRPSA3209、A32105.022-GA321210--GBRPNA3209、A3210--2.7-5.0GA3212---10G滯后Bhys(BOPX-BRPX)A3209、A3210-7.7-GA3212-8-G
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