MT6701/MT6816 TMR磁编码器磁场耦合检测原理及完整信号链路解析

MT6701 与 MT6816 是纳芯微量产主流 TMR 隧道磁阻绝对式纳芯微磁编码器，二者共用同源 TMR 传感内核，仅在分辨率、输出接口、校准功能、最大检测磁场量程上做分级差异化设计，广泛用于 BLDC 电机 FOC 矢量控制、云台伺服关节、AGV 轮毂电机、小型执行器角度闭环。本文从外部永磁体空间磁场耦合机理切入，逐层拆解片内 TMR 正交传感阵列物理检测机制、模拟前端调理、ADC 量化、硬件 CORDIC 角度解算、数字接口输出全信号链路，同时对比两款芯片硬件架构差异、典型应用选型边界，并给出信号链路噪声抑制、装配磁路匹配工程实施方案，为驱动板硬件设计与控制算法移植提供完整技术依据。

艾毕胜电子代理纳芯微磁编码器

一、芯片定位与架构整体对比

1.1 产品分级定位

参数项	MT6701	MT6816
传感核心	MgO 基 TMR 四单元正交惠斯通电桥	同源 TMR 正交电桥阵列
角度分辨率	14bit	16bit
单步角度精度	≈0.022°	≈0.0055°
标准输出接口	I²C、SPI、PWM、ABI 增量	SPI、ABI、UVW、PWM，增强型 SPI
内置校准	基础直流偏置校准	OTP 一次性全参数自校准（幅值 / 相位 / 零点）
工作磁场范围	10~70mT	10~90mT，磁场适应性更强
典型场景	消费级云台、风扇、扫地机 BLDC	工业伺服、机器人关节、高精度减速执行器

两款芯片底层磁场耦合检测原理完全一致，仅后端数字处理模块、校准单元、接口逻辑做裁剪升级，下文磁场耦合机理统一说明，信号链路分段标注差异化细节。

二、外部永磁体空间磁场耦合检测原理

2.1 磁路安装结构

采用轴向安装方案：转轴端面粘接径向充磁环形永磁体，TMR 编码器芯片平行正对磁钢端面，磁钢随电机转轴同步旋转，在芯片传感区域形成匀速旋转平面磁场。

径向充磁磁钢：N、S 极沿圆环直径分布，旋转时在芯片传感芯片平面生成圆周交变矢量磁场；

芯片传感敏感面平行磁场旋转平面，磁场矢量始终平行芯片表层薄膜，垂直分量被 TMR 结构天然抑制，不会引入检测干扰。

2.2 TMR 单元磁场响应物理机理

芯片内部每一路传感单元为经典三层薄膜堆叠 TMR 隧道磁阻结构：钉扎层 (Pin 层)/MgO 绝缘隧穿层 / 自由层 (Free 层)。

Pin 层磁化矢量被反铁磁层固定，空间方向永久不变；

Free 层磁化矢量跟随外部耦合过来的旋转磁场同步偏转，两层铁磁层磁化夹角随转轴角度连续变化；

量子隧穿效应决定单元阻值随夹角呈余弦周期性变化，电阻表达式： $$R(theta)=R_P+frac{Delta R}{2}(1-cos2theta$$ TMR 磁阻变化率＞200%，耦合磁场小幅波动即可产生大幅电阻变化，远优于 AMR、GMR 器件，弱磁场下依然具备高信噪比。

2.3 正交阵列空间磁场解耦逻辑

芯片片内集成4 颗 TMR 器件两两配对，组成两路独立全差分惠斯通电桥，两组电桥物理空间排布严格错开 90°，实现旋转磁场矢量正交分解：

SIN 电桥：提取磁场矢量 Y 轴分量，差分输出正弦模拟电压；

COS 电桥：提取磁场矢量 X 轴分量，差分输出余弦模拟电压。

外部机械转角$$theta_$$与两路电桥输出电压一一对应： $begin{cases} V_{SIN}=Acdotsintheta_m \ V_{COS}=Acdotcostheta_m end{cases}$ 正交两路信号完整表征平面旋转磁场矢量的幅值与相位，无 180° 角度模糊，上电即可唯一判定 0~360° 绝对转角，磁场耦合过程直接完成机械角度向模拟电信号的无损转换。

2.4 非理想磁场耦合干扰来源

实际装配会破坏理想正交磁场耦合关系，引入检测误差：

磁钢与芯片同轴度偏心：旋转磁场圆心偏移，引入一次谐波角度误差；

轴向间隙过大 / 过小：耦合磁场强度偏离最优区间，信号幅值衰减、信噪比劣化；

磁钢磁化不均匀：磁场矢量畸变，带来周期性二次谐波误差；

周边功率回路交变磁场叠加：外部杂散磁场叠加有效信号，造成零点漂移。

MT6701 仅支持基础零点偏移修正，MT6816 内置硬件校准引擎，可一次性补偿幅值失配、相位正交偏差、直流偏置三类耦合畸变。

三、完整信号链路逐级拆解（模拟前端→数字输出）

整体信号链路分为 6 级：磁场耦合电阻调制→差分惠斯通电桥输出→片内模拟调理→双通道同步 ADC 采样→硬件 CORDIC 角度解算→多协议数字接口输出。

3.1 第一级：磁场耦合→TMR 电阻调制

旋转磁场耦合至芯片传感区，Free 层磁化角度跟随转轴同步转动，4 路 TMR 电阻同步周期性增减，将空间磁场角度信息转化为无源电阻网络的阻值差，无外部供电即可完成信号调制，无源传感级抗温漂基础特性优异。

3.2 第二级：差分惠斯通电桥模拟信号输出

两组全差分电桥结构优势：

共模抑制 CMRR＞80dB，电源扰动、温度整体漂移、外部工频共模干扰被差分结构直接抵消；

消除 TMR 器件批次一致性偏差带来的固有零点，无需外部运放搭建调零电路；

差分模拟信号抗 PCB 走线串扰，适配电机驱动板 PWM 开关噪声密集环境。

差异化说明：MT6701 模拟前端为固定增益放大；MT6816 增益可通过寄存器微调，适配大范围耦合磁场幅值波动场景。

3.3 第三级：片内集成模拟信号调理

两路 SIN/COS 差分信号送入片内专用模拟前端 AFE，集成功能：

可编程仪表放大器：统一两路信号幅值，抵消磁路耦合带来的幅值不均衡；

低通滤波 RC 网络：滤除电机开关高频电磁干扰、机械振动引入的高频磁场噪声；

电平平移电路：将双极性交流正弦 / 余弦信号抬升至 ADC 单极性采样输入量程内。

该级全部集成于芯片内部，外围无需运放、电阻电容搭建模拟信号调理电路，极大简化 BOM。

3.4 第四级：双通道同步 ADC 并行量化

AFE 输出的模拟正交电压送入双通道同步逐次逼近 ADC：

同步采样机制：SIN、COS 信号同一时刻完成采样，杜绝分时采样带来相位偏移误差；

量化精度：MT6701 配套 14bit ADC，MT6816 升级为 16bit 高精度 ADC；

采样数据直接转为数字量 X、Y，送入后端角度解算单元。

3.5 第五级：硬件 CORDIC 迭代角度解算

两款芯片均内置硬件流水线 CORDIC 旋转求解单元，不占用外部 MCU 浮点运算资源，运算仅依靠移位 + 加减，无除法、无查表：

迭代逐步修正旋转角度，将 Y 分量收敛至零；

累计迭代总修正角度，得到原始机械绝对角度数字量；

MT6816 调用 OTP 存储的校准系数，对原始角度做谐波补偿，输出修正后高精度角度值；MT6701 仅做简单零点补偿。

解算后角度数据锁存至片内角度寄存器，同时同步生成转速增量、换向 UVW 编码、增量 ABI 脉冲信号。

3.6 第六级：多协议数字接口输出

解算完成的角度数字量并行分发至多组硬件接口，主控按需读取：

SPI 接口：高速连续读取绝对角度、磁场强度、芯片状态寄存器，伺服闭环首选；

I²C（MT6701 标配）：低速多器件挂载，小体积云台控制板常用；

A/B/Z 正交增量脉冲：兼容传统光电编码器增量接口；

UVW 换向信号：直接输出 BLDC 电机三相换向逻辑，省去 MCU 相位换算；

PWM 编码角度：单根信号线传输角度，布线极简。

四、信号链路噪声抑制与磁路耦合匹配设计

4.1 磁路耦合最优装配参数（统一适配两款芯片）

轴向气隙：0.62.5mm，耦合磁场稳定落在 2060mT 最优区间；

同轴偏心量：≤0.25mm，抑制偏心带来一次谐波角度波动；

磁钢选型：严格径向充磁烧结钕铁硼圆环，禁止轴向充磁磁钢；

芯片贴装：焊盘无偏移、无翘曲，传感敏感区完整正对磁钢圆心。

4.2 PCB 信号链路布线抗干扰规则

电源分级滤波：VDD 引脚紧邻芯片放置 1μF+100nF 双层陶瓷电容，数字电源串接 0603 磁珠隔离模拟域；

地平面分割：模拟地 VSSA、数字地 VSSD 独立走线，仅芯片引脚单点星形共地，功率地完整分割隔离；

数字通信线：SPI/I²C 差分 / 单端信号线包地屏蔽，远离三相逆变功率环路、母线大电流走线；

编码器芯片独立分区布局：放置控制信号孤岛区域，远离 MOS 管、电感、母线电容等强功率器件，规避交变功率磁场二次耦合干扰 TMR 传感阵列。

4.3 链路校准策略选型

MT6701（消费级）：仅上电执行零点直流偏置自动校准，适合装配一致性好、精度要求≤±0.3° 场景；

MT6816（工业级）：电机匀速旋转整圈执行 OTP 一键自校准，一次性修正幅值失配、相位偏移、零点漂移，校准后整圈非线性误差≤±0.1°，长期运行无需重复校准。

五、信号链路接入 FOC 控制系统完整数据流

旋转磁场耦合 TMR 阵列→模拟正交 SIN/COS 电压；

片内 AFE+ADC 量化为数字正交样本；

CORDIC 硬件解算得到绝对机械角度；

MCU 通过 SPI 读取角度，乘以电机极对数换算电角度；

电角度送入 FOC 三环控制器，执行 Park / 反 Park 变换、SVPWM 调制；

高精度角度反馈实现低速零速无抖动闭环控制。

MT6816 高分辨率角度反馈可显著提升伺服位置环刚度，MT6701 足够满足风机、云台、小家电 BLDC 低成本闭环需求。

六、总结

磁场耦合层面：MT6701/MT6816 依托同源 TMR 正交阵列，将旋转永磁体矢量磁场正交分解为两路模拟信号，物理层面彻底解决角度象限模糊问题，高磁阻率保障弱磁耦合下信号完整性；

信号链路层面：从磁场电阻调制、差分模拟电桥、片内 AFE 调理、同步 ADC 量化、硬件 CORDIC 解算到多协议数字输出，全链路高度集成，外围电路极简，规避分立模拟链路引入的噪声与温漂；

选型落地层面：两款芯片原理完全同源，仅分辨率、校准能力、磁场量程分级，消费场景选用 MT6701 压缩成本，工业高精度伺服场景选用 MT6816，硬件 PCB 布线、磁路装配规则通用，设计可无缝互相兼容迭代。

审核编辑 黄宇