ADI推出磁阻(MR)轉(zhuǎn)速傳感器

 連接/參考器件

ADA4897-2 1 nV/√Hz、低功耗、軌到軌輸出雙通道運(yùn)算放大器

AD8027 低失真、高速軌到軌輸入/輸出運(yùn)算放大器

ADCMP601 軌到軌、超快速、2.5 V至5.5 V、單電源TTL/LVDS比較器

ADP1720 50 mA、高壓、微功耗線性穩(wěn)壓器

評估和設(shè)計(jì)支持

電路評估板

CN0332評估板(EVAL-CN0332-PMDZ)

設(shè)計(jì)和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一個單電源、低成本、高速磁阻(MR)信號調(diào)理器，其PCB尺寸非常小。

該完整的信號調(diào)理解決方案可放大磁阻傳感器的小輸出電壓，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號，輸出信號的上升和下降時間小于5 ns，均方根抖動約為100 ps。

該電路為工業(yè)和汽車應(yīng)用中的高速旋轉(zhuǎn)檢測提供了一種緊湊、高性價比、穩(wěn)健的解決方案，是霍爾效應(yīng)傳感器的出色替代方案。

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電路描述

AA747 Sensitec MR傳感器的輸出來自一個電橋，當(dāng)共模電壓為電源電壓的一半時，其典型輸出電壓為30 mV p-p至100 mV p-p。電橋輸出阻抗約為3 kΩ。

傳感器的小信號輸出首先由運(yùn)算放大器ADA4897-2緩沖。雙通道運(yùn)算放大器ADA4897-2具有高帶寬(G = +1時為230 MHz)和軌到軌輸入/輸出特性，是傳感器信號的理想緩沖器。電壓噪聲僅為1 nV/√Hz。

然后，緩沖的差分信號施加于運(yùn)算放大器AD8027，其配置為差動放大器，增益由下式給出：

增益 =

其中，R1 = R2，R5||R6 = R3 + R4。

共模電壓2.5 V由R5/R6分壓器提供。

該電路的元件值為：R1 = R2 = 1 kΩ，R5 = R6 = 71.5 kΩ，R3 = 35.7 kΩ，R4 = 50 Ω。這些值提供的增益為35.75。

反饋電阻由R3 + R4構(gòu)成，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)電阻值來獲得所需的35.75 kΩ值。

AD8027也是高帶寬(G = +1時為190 MHz)、軌到軌放大器，壓擺率為100 V/μs。它能在高增益下保持穩(wěn)定，非常適合放大磁阻傳感器的小信號輸出。

AD8027的輸出驅(qū)動ADCMP601，后者是一款超快速單電源軌到軌TTL/CMOS比較器，傳播延遲僅有3.5 ns，最小脈沖寬度為3 ns。

低壓差線性穩(wěn)壓器ADP1720用于將電路與惡劣環(huán)境下可能存在的噪聲隔離開。

ADA4897-2、AD8027、ADCMP601和ADP1720全都采用小型封裝，例如TSOT、MSOP和SC-70等，使電路非常適合要求極小PCB面積的應(yīng)用。

磁阻傳感器

磁阻是鐵磁性材料的特性，在有外部磁場的情況下，其電阻會改變。磁阻(MR)元件是通過沉積透磁合金(20% Fe、80% Ni)薄膜而產(chǎn)生，使其具有優(yōu)選的磁化方向。當(dāng)外部磁場與透磁合金平面平行，但與電流流向垂直時，透磁合金的內(nèi)部磁化矢量將旋轉(zhuǎn)一個角度α，導(dǎo)致透磁合金的電阻相對于該角度發(fā)生變化。這一關(guān)系可通過下面的數(shù)學(xué)公式來表述。R0和ΔR是透磁合金的特性，ΔR的典型范圍是2%到3%。

當(dāng)α為0時，MR元件的電阻最大。以上公式是非線性的，但利用雙色條磁極可將其線性化，使其在一定范圍內(nèi)提供線性響應(yīng)(參見電路筆記CN-0323：磁阻角度測量)。

完整的MR傳感器由4個配置為橋型的磁阻元件構(gòu)成，產(chǎn)生接近線性的差分輸出信號。另外，4個MR元件的固有溫度系數(shù)因?yàn)闃蛐团渲枚ハ嗟窒?/p>

對于低磁場應(yīng)用，MR傳感器具有很高的磁場靈敏度，可以很好地取代霍爾效應(yīng)傳感器。MR傳感器之所以受歡迎，是因?yàn)槠涔ぷ鞣绞绞欠墙佑|式，因而不存在損耗和摩擦。其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可靠性高，對振動和機(jī)械應(yīng)力相對不敏感。MR傳感器具有寬工作頻率范圍(0 Hz至1 MHz)、高工作溫度、低成本、小尺寸和快速響應(yīng)時間等特性。其靈敏度非常高，可以測量弱磁場，并能檢測零速度，因而特別適合轉(zhuǎn)速檢測應(yīng)用。MR傳感器在工業(yè)和汽車應(yīng)用中非常受歡迎。

與霍爾效應(yīng)傳感器相比，MR傳感器的輸出電壓更大，因而信噪比和EMC性能更好。由于其靈敏度更高，因此MR傳感器與目標(biāo)輪子之間的空氣間隙可以更大。傳感器外殼和機(jī)械設(shè)置的容差也可以放寬，從而降低設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜度。MR傳感器的性價比也更高，因?yàn)樗幌窕魻栃?yīng)傳感器那樣需要磁體，相關(guān)成本也就不存在。

因此，MR傳感器非常適合用來檢測轉(zhuǎn)速，在工業(yè)和汽車應(yīng)用中特別受歡迎。

轉(zhuǎn)速檢測

圖1所示應(yīng)用電路利用磁阻傳感器測量轉(zhuǎn)速，然后將其轉(zhuǎn)換為脈沖輸出。

與使用感性傳感器的轉(zhuǎn)速測量應(yīng)用相比，MR傳感器的輸出信號電平不隨轉(zhuǎn)速而改變，因而無需用來處理寬動態(tài)范圍的復(fù)雜調(diào)理電路。此外，該相對簡單的調(diào)理電路可產(chǎn)生低抖動的脈沖輸出。

MR傳感器通過測量鐵磁標(biāo)記之間的周期來檢測轉(zhuǎn)速，可從被動目標(biāo)的齒輪或主動目標(biāo)的磁性元件開始。此類應(yīng)用中，當(dāng)磁力線相對于目標(biāo)齒輪位置發(fā)生改變時，MR傳感器的電阻隨之改變。

MR傳感器能夠測量低至0 Hz的極慢速旋轉(zhuǎn)。圖2所示正弦波是MR傳感器檢測被動齒輪一個齒的典型輸出。當(dāng)磁力線與運(yùn)動方向平行時，輸出電壓達(dá)到峰值。正弦波的一個周期(T)相當(dāng)于一個輪齒，因此，正弦波的周期乘以齒數(shù)(n)便得到轉(zhuǎn)一圈的周期。轉(zhuǎn)速(rpm)等于周期的倒數(shù)，如下式所示：

脈沖測量

使用EVAL-CN0332-PMDZ評估板中的實(shí)際MR傳感器(Sensitec AA747)進(jìn)行測試時，AD8027增益放大器和ADCMP601比較器的最終輸出如圖3所示。

從圖4所示測試設(shè)置獲得的1 MHz仿真MR信號的上升時間和下降時間分別為3.80 ns和3.23 ns。均方根抖動為101.1 ps，如圖4所示。

欲查看完整原理圖和印刷電路板的布局，請參見CN-0332設(shè)計(jì)支持包：www.analog.com/CN0332-DesignSupport。

常見變化

本應(yīng)用電路所用的器件是根據(jù)精度、低噪聲和高速度要求而選擇。ADI公司擁有廣泛的高性能放大器，使用其他產(chǎn)品也能獲得類似的性能。

ADA4895-2和ADA4896-2與ADA4897-2相似，均為高速、低噪聲、低功耗雙通道軌到軌放大器，可以考慮用作替代器件。ADA4528-2是零漂移放大器，可提供更好的漂移性能。

AD8027是一款具有軌到軌輸入和輸出的高速放大器，工作電壓低，并專門針對高性能和寬動態(tài)信號范圍進(jìn)行了優(yōu)化。AD8045、ADA4899-1和AD8099也是適合該電路的替代器件。AD8028是AD8027的雙通道版本，適合需要多個通道的應(yīng)用。

ADCMP601采用6引腳SC-70封裝;ADCMP600是其變化形式，采用5引腳SC-70和SOT-23封裝;ADCMP602采用8引腳MSOP封裝。

電路評估與測試

設(shè)備要求

· EVAL-CN0332-PMDZ評估板

· Agilent 33500B系列波形發(fā)生器(或具有雙通道輸出的等效AWG)

· Agilent 3631A直流電源(或等效設(shè)備)

· Agilent 53210A RF計(jì)數(shù)器(或等效設(shè)備)

測試設(shè)置

測試設(shè)置的框圖如圖5所示。雙通道波形發(fā)生器用于模擬磁阻傳感器的輸出，其直流偏移設(shè)置為內(nèi)部基準(zhǔn)源電壓的一半。電源為CN0332評估板提供5.5 V電壓。波形發(fā)生器產(chǎn)生兩個相位相差180度的1 MHz信號，這兩個信號在內(nèi)部同步，用以模擬差分信號MR輸出。兩個信號的直流偏移均設(shè)置為2.5 V，連接到CN0332評估板的+VO1和–VO1孔眼。測試時AA747傳感器斷開連接。但是，如果信號發(fā)生器的輸出阻抗較低(50 Ω或更低)，則傳感器可以保持連接，因?yàn)槠漭敵鲎杩篂? kΩ，低阻抗信號發(fā)生器會覆蓋傳感器輸出。

如果使用板載AA747 MR傳感器，應(yīng)將傳感器靠近外部磁體放置。

RF計(jì)數(shù)器讀取評估板的脈沖輸出。確保電源、波形發(fā)生器、RF計(jì)數(shù)器和CN0332評估板具有相同的地。

電源和計(jì)數(shù)器通過12引腳PMOD連接器連接。

CN0332評估板的照片如圖6所示。