ADI推出磁阻(MR)转速传感器

 连接/参考器件

ADA4897-2 1 nV/√Hz、低功耗、轨到轨输出双通道运算放大器

AD8027 低失真、高速轨到轨输入/输出运算放大器

ADCMP601 轨到轨、超快速、2.5 V至5.5 V、单电源TTL/LVDS比较器

ADP1720 50 mA、高压、微功耗线性稳压器

评估和设计支持

电路评估板

CN0332评估板(EVAL-CN0332-PMDZ)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1所示电路是一个单电源、低成本、高速磁阻(MR)信号调理器，其PCB尺寸非常小。

该完整的信号调理解决方案可放大磁阻传感器的小输出电压，并将其转换为数字输出信号，输出信号的上升和下降时间小于5 ns，均方根抖动约为100 ps。

该电路为工业和汽车应用中的高速旋转检测提供了一种紧凑、高性价比、稳健的解决方案，是霍尔效应传感器的出色替代方案。

ADI磁阻" width="450" height="212" />

电路描述

AA747 Sensitec MR传感器的输出来自一个电桥，当共模电压为电源电压的一半时，其典型输出电压为30 mV p-p至100 mV p-p。电桥输出阻抗约为3 kΩ。

传感器的小信号输出首先由运算放大器ADA4897-2缓冲。双通道运算放大器ADA4897-2具有高带宽(G = +1时为230 MHz)和轨到轨输入/输出特性，是传感器信号的理想缓冲器。电压噪声仅为1 nV/√Hz。

然后，缓冲的差分信号施加于运算放大器AD8027，其配置为差动放大器，增益由下式给出：

增益 =

其中，R1 = R2，R5||R6 = R3 + R4。

共模电压2.5 V由R5/R6分压器提供。

该电路的元件值为：R1 = R2 = 1 kΩ，R5 = R6 = 71.5 kΩ，R3 = 35.7 kΩ，R4 = 50 Ω。这些值提供的增益为35.75。

反馈电阻由R3 + R4构成，因此可以使用标准电阻值来获得所需的35.75 kΩ值。

AD8027也是高带宽(G = +1时为190 MHz)、轨到轨放大器，压摆率为100 V/μs。它能在高增益下保持稳定，非常适合放大磁阻传感器的小信号输出。

AD8027的输出驱动ADCMP601，后者是一款超快速单电源轨到轨TTL/CMOS比较器，传播延迟仅有3.5 ns，最小脉冲宽度为3 ns。

低压差线性稳压器ADP1720用于将电路与恶劣环境下可能存在的噪声隔离开。

ADA4897-2、AD8027、ADCMP601和ADP1720全都采用小型封装，例如TSOT、MSOP和SC-70等，使电路非常适合要求极小PCB面积的应用。

磁阻传感器

磁阻是铁磁性材料的特性，在有外部磁场的情况下，其电阻会改变。磁阻(MR)元件是通过沉积透磁合金(20% Fe、80% Ni)薄膜而产生，使其具有优选的磁化方向。当外部磁场与透磁合金平面平行，但与电流流向垂直时，透磁合金的内部磁化矢量将旋转一个角度α，导致透磁合金的电阻相对于该角度发生变化。这一关系可通过下面的数学公式来表述。R0和ΔR是透磁合金的特性，ΔR的典型范围是2%到3%。

当α为0时，MR元件的电阻最大。以上公式是非线性的，但利用双色条磁极可将其线性化，使其在一定范围内提供线性响应(参见电路笔记CN-0323：磁阻角度测量)。

完整的MR传感器由4个配置为桥型的磁阻元件构成，产生接近线性的差分输出信号。另外，4个MR元件的固有温度系数因为桥型配置而互相抵消。

对于低磁场应用，MR传感器具有很高的磁场灵敏度，可以很好地取代霍尔效应传感器。MR传感器之所以受欢迎，是因为其工作方式是非接触式，因而不存在损耗和摩擦。其结构坚固，可靠性高，对振动和机械应力相对不敏感。MR传感器具有宽工作频率范围(0 Hz至1 MHz)、高工作温度、低成本、小尺寸和快速响应时间等特性。其灵敏度非常高，可以测量弱磁场，并能检测零速度，因而特别适合转速检测应用。MR传感器在工业和汽车应用中非常受欢迎。

与霍尔效应传感器相比，MR传感器的输出电压更大，因而信噪比和EMC性能更好。由于其灵敏度更高，因此MR传感器与目标轮子之间的空气间隙可以更大。传感器外壳和机械设置的容差也可以放宽，从而降低设计的成本和复杂度。MR传感器的性价比也更高，因为它不像霍尔效应传感器那样需要磁体，相关成本也就不存在。

因此，MR传感器非常适合用来检测转速，在工业和汽车应用中特别受欢迎。

转速检测

图1所示应用电路利用磁阻传感器测量转速，然后将其转换为脉冲输出。

与使用感性传感器的转速测量应用相比，MR传感器的输出信号电平不随转速而改变，因而无需用来处理宽动态范围的复杂调理电路。此外，该相对简单的调理电路可产生低抖动的脉冲输出。

MR传感器通过测量铁磁标记之间的周期来检测转速，可从被动目标的齿轮或主动目标的磁性元件开始。此类应用中，当磁力线相对于目标齿轮位置发生改变时，MR传感器的电阻随之改变。

MR传感器能够测量低至0 Hz的极慢速旋转。图2所示正弦波是MR传感器检测被动齿轮一个齿的典型输出。当磁力线与运动方向平行时，输出电压达到峰值。正弦波的一个周期(T)相当于一个轮齿，因此，正弦波的周期乘以齿数(n)便得到转一圈的周期。转速(rpm)等于周期的倒数，如下式所示：

脉冲测量

使用EVAL-CN0332-PMDZ评估板中的实际MR传感器(Sensitec AA747)进行测试时，AD8027增益放大器和ADCMP601比较器的最终输出如图3所示。

从图4所示测试设置获得的1 MHz仿真MR信号的上升时间和下降时间分别为3.80 ns和3.23 ns。均方根抖动为101.1 ps，如图4所示。

欲查看完整原理图和印刷电路板的布局，请参见CN-0332设计支持包：www.analog.com/CN0332-DesignSupport。

常见变化

本应用电路所用的器件是根据精度、低噪声和高速度要求而选择。ADI公司拥有广泛的高性能放大器，使用其他产品也能获得类似的性能。

ADA4895-2和ADA4896-2与ADA4897-2相似，均为高速、低噪声、低功耗双通道轨到轨放大器，可以考虑用作替代器件。ADA4528-2是零漂移放大器，可提供更好的漂移性能。

AD8027是一款具有轨到轨输入和输出的高速放大器，工作电压低，并专门针对高性能和宽动态信号范围进行了优化。AD8045、ADA4899-1和AD8099也是适合该电路的替代器件。AD8028是AD8027的双通道版本，适合需要多个通道的应用。

ADCMP601采用6引脚SC-70封装;ADCMP600是其变化形式，采用5引脚SC-70和SOT-23封装;ADCMP602采用8引脚MSOP封装。

电路评估与测试

设备要求

· EVAL-CN0332-PMDZ评估板

· Agilent 33500B系列波形发生器(或具有双通道输出的等效AWG)

· Agilent 3631A直流电源(或等效设备)

· Agilent 53210A RF计数器(或等效设备)

测试设置

测试设置的框图如图5所示。双通道波形发生器用于模拟磁阻传感器的输出，其直流偏移设置为内部基准源电压的一半。电源为CN0332评估板提供5.5 V电压。波形发生器产生两个相位相差180度的1 MHz信号，这两个信号在内部同步，用以模拟差分信号MR输出。两个信号的直流偏移均设置为2.5 V，连接到CN0332评估板的+VO1和–VO1孔眼。测试时AA747传感器断开连接。但是，如果信号发生器的输出阻抗较低(50 Ω或更低)，则传感器可以保持连接，因为其输出阻抗为3 kΩ，低阻抗信号发生器会覆盖传感器输出。

如果使用板载AA747 MR传感器，应将传感器靠近外部磁体放置。

RF计数器读取评估板的脉冲输出。确保电源、波形发生器、RF计数器和CN0332评估板具有相同的地。

电源和计数器通过12引脚PMOD连接器连接。

CN0332评估板的照片如图6所示。