連接/參考器件
ADA4897-2 1 nV/√Hz、低功耗、軌到軌輸出雙通道運算放大器
AD8027 低失真、高速軌到軌輸入/輸出運算放大器
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
評估和設計支持
電路評估板
CN0332評估板(EVAL-CN0332-PMDZ)
設計和集成文件
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)信號調理器，其PCB尺寸非常小。
該完整的信號調理解決方案可放大磁阻傳感器的小輸出電壓，并將其轉換為數(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)和汽車應用中的高速旋轉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算放大器ADA4897-2緩沖。雙通道運算放大器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構成，因此可以使用標準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)薄膜而產生，使其具有優(yōu)選的磁化方向。當外部磁場與透磁合金平面平行，但與電流流向垂直時，透磁合金的內部磁化矢量將旋轉一個角度α，導致透磁合金的電阻相對于該角度發(fā)生變化。這一關系可通過下面的數(shù)學公式來表述。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，使其在一定范圍內提供線性響應(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成，產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)因為橋型配置而互相抵消。
對于低磁場應用，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傳感器。MR傳感器之所以受歡迎，是因為其工作方式是非接觸式，因而不存在損耗和摩擦。其結構堅固，可靠性高，對振動和機械應力相對不敏感。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，因而特別適合轉速檢測應用。MR傳感器在工業(yè)和汽車應用中非常受歡迎。
與霍爾效應傳感器相比，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傳感器與目標輪子之間的空氣間隙可以更大。傳感器外殼和機械設置的容差也可以放寬，從而降低設計的成本和復雜度。MR傳感器的性價比也更高，因為它不像霍爾效應傳感器那樣需要磁體，相關成本也就不存在。
因此，MR傳感器非常適合用來檢測轉速，在工業(yè)和汽車應用中特別受歡迎。
轉速檢測
圖1所示應用電路利用磁阻傳感器測量轉速，然后將其轉換為脈沖輸出。
與使用感性傳感器的轉速測量應用相比，MR傳感器的輸出信號電平不隨轉速而改變，因而無需用來處理寬動態(tài)范圍的復雜調理電路。此外，該相對簡單的調理電路可產生低抖動的脈沖輸出。
MR傳感器通過測量鐵磁標記之間的周期來檢測轉速，可從被動目標的齒輪或主動目標的磁性元件開始。此類應用中，當磁力線相對于目標齒輪位置發(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。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。當磁力線與運動方向平行時，輸出電壓達到峰值。正弦波的一個周期(T)相當于一個輪齒，因此，正弦波的周期乘以齒數(shù)(n)便得到轉一圈的周期。轉速(rpm)等于周期的倒數(shù)，如下式所示：
脈沖測量
使用EVAL-CN0332-PMDZ評估板中的實際MR傳感器(Sensitec AA747)進行測試時，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設計支持包：www.analog.com/CN0332-DesignSupport。
常見變化
本應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(或等效設備)
· Agilent 53210A RF計數(shù)器(或等效設備)
測試設置
測試設置的框圖如圖5所示。雙通道波形發(fā)生器用于模擬磁阻傳感器的輸出，其直流偏移設置為內部基準源電壓的一半。電源為CN0332評估板提供5.5 V電壓。波形發(fā)生器產生兩個相位相差180度的1 MHz信號，這兩個信號在內部同步，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，因為其輸出阻抗為3 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，應將傳感器靠近外部磁體放置。
RF計數(shù)器讀取評估板的脈沖輸出。確保電源、波形發(fā)生器、RF計數(shù)器和CN0332評估板具有相同的地。
電源和計數(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。
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