BG3289U1 - Сензорна схема с компенсация на офсета - Google Patents

Abstract

Настоящият полезен модел се отнася до сензорна схема с компенсация на офсета, който ще намери приложение в областта на електрониката и по-специално при създаване на сензори за измерване на физични величини. Създадената сензорна схема с компенсация на офсета включва сензор (2) за измерване на физични величини, еднопосочно свързан със суматор (3), който е еднопосочно свързан с блок за последваща обработка на сигнала (4), еднопосочно свързан с блок за коригиране на офсета (5). Блокът за коригиране на офсета (5) е свързан и със суматора (3), и с извод (6) за подаване на захранващо напрежение на сензорната схема (1). Сензорът (2) за измерване на физични величини е мостов сензор или магнитен сензор или сензор на Хол. Сензорът на Хол включва интегриран магнитен концентратор. Сензорът на Хол е с приложен метод на въртене на диагоналите. Сензорът (2) е за измерване на магнитно поле, на налягане или на температура. Сензорната схема (1) с компенсация на офсета е двупроводна или трипроводна схема.

Description

Област на техниката

Настоящият полезен модел се отнася до сензорна схема с компенсация на офсета, който ще намери приложение в областта на електрониката и по-специално при създаване на сензори за измерване на физични величини.

Предшестващо състояние на техниката

Сензорите могат да бъдат засегнати от много различни вътрешни и външни фактори, които намаляват точността на изходните им сигнали. В различни сензори за измерване на физични величини се наблюдава отместване на напрежението - офсет, зависимо от температурния градиент. Такива сензори се интегрират често в интегрални схеми. Този офсет може да бъде значителен особено при съществено разсейване на мощност в чипа, например при двупроводна схема, и/или в магнитни сензори с интегриран магнитен концентратор, като по този начин се влошава точността на сензора и се ограничава областта му на приложение.

Термичната електродвижеща сила (ТЕДС) е една от възможните причини за офсета, зависим от температурния градиент. ТЕДС се отнася до въздействията, които температурата може да има върху движението на електрически заряди в материала. Например температурен градиент в материала може да засегне потока от заряди в него по начин, подобен на приложено електрическо поле, отблъсквайки зарядите в определена посока. Този ефект може да се усили при наличието на електрически или магнитни полета или градиенти на концентрация. Също така ТЕДС може да доведе до заряди, свързани с температурата, в две основни ситуации: първо, при температурен градиент в хомогенен материал или обратното - при хомогенна температура в нехомогенен материал. Второто може да се случи в областта на контактите на устройството като възниква напрежение, наречено термично контактно напрежение. И двете ситуации са нежелателни по отношение на работата на сензора и точността на изходния сигнал.

Друга възможна причина за офсет, зависим от температурния градиент, е ефектът на Зеебек. Ефектът на Зеебек е превръщането на топлина директно в електричество при свързваме на различни видове проводници.

Компенсация на офсета, зависим от температурния градиент, е описвана подробно, както в научната, така и в патентната литература. В патентен документUS 2014/369380 е описана компенсация на офсет, причинен от ТЕДС. Това е осъществено като е използван допълнителен сензорен елемент, разположен термично непосредствено до основния сензорен елемент върху подложката, и конфигуриран да измерва пространствения градиент на температурата. Сигналът от този допълнителен сензор може да бъде усилен и използван, за да се компенсира офсета, зависим от температурния градиент на основния сензор. В цитирания патент са описани някои конструктивни изпълнения, в които е осигурен поне един температурен сензор в сензорната система, разположен непосредствено до основния сензорен елемент, например датчик на Хол, в случай че сензорната система включва система за отчитане на магнитното поле, базирана на ефекта на Хол. В други конструктивни изпълнения могат да се използват множество температурни сензори, като всеки е разположен непосредствено до различна контактна точка или елемент. Ако с датчика на Хол се работи по метода на въртене на диагоналите (периодична смяна на захранващите и измервателните диагонали), поне един температурен сензор може да се конфигурира да отчита температурата във всяка фаза на въртене. Отделно отчетените температури могат да се комбинират и използват за предоставяне на сигнал за компенсиране, зависим от температурата.

Не е известна сензорна схема с компенсация на офсета, в която не се използват допълнителни сензори.

Техническа същност на полезния модел

Задача на настоящия полезен модел е да се създаде сензорна схема, която може да компенсира офсета, зависим от температурния градиент, без използването на допълнителни сензори.

Задачата е решена като е създадена сензорна схема с компенсация на офсета, която включва сензор за измерване на физични величини, еднопосочно свързан със суматор, който е еднопосочно свързан с блок за последваща обработка на сигнала, еднопосочно свързан с блок за коригиране на офсета. Блокът

2509 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.2/29.11.2019 за коригиране на офсета е свързан и със суматора и с извод за подаване на захранващо напрежение на сензорната схема.

В предпочитани вариантни изпълнения сензорът за измерване на физични величини е мостов сензор или магнитен сензор или сензор на Хол.

Възможно е и вариантно изпълнение, при което сензорът на Хол да включва интегриран магнитен концентратор.

В друго предпочитано изпълнение сензорът на Хол е с приложен метод на въртене на диагоналите.

В предпочитани вариантни изпълнения сензорът е за измерване на магнитно поле, на налягане или на температура.

Сензорната схема с компенсация на офсета е двупроводна или трипроводна схема.

Предимство на създадената сензорна схема е, че осигурява компенсиране на офсета, зависим от температурния градиент, без използването на допълнителни сензори. Освен това, коригираният сигнал може да се използва вътре в чипа за основни функции като управление на изходното стъпало, генериране на сигнал и др. или за второстепенни функции като осигуряване на функционална безопасност, проверки на пътя на сигнала.

Пояснение на приложената фигура

Настоящият полезен модел е илюстриран на приложената фигура 1, която представлява електрическа схема на сензорната схема с компенсация на офсета, съгласно полезния модел.

Примери за изпълнение на полезния модел

Създадената сензорна схема 1 с компенсация на офсета, показана на фигура 1, включва сензор 2 за измерване на физични величини, еднопосочно свързан със суматор 3, който е еднопосочно свързан с блок за последваща обработка на сигнала 4, еднопосочно свързан с блок за коригиране на офсета 5. Блокът за коригиране на офсета 5 е свързан и със суматора 3, и с извод 6 за подаване на захранващо напрежение на сензорната схема 1.

В предпочитани вариантни изпълнения сензорът 2 за измерване на физични величини е мостов сензор или магнитен сензор или сензор на Хол.

Възможно е и вариантно изпълнение, при което сензорът на Хол да включва интегриран магнитен концентратор.

В друго предпочитано изпълнение сензорът на Хол е с приложен метод на въртене на диагоналите.

В предпочитани вариантни изпълнения сензорът 2 е за измерване на магнитно поле, налягане или температура.

Сензорната схема 1 с компенсация на офсета може да бъде двупроводна или трипроводна схема.

Важен компонент на сензорната схема 1, съгласно полезния модел, е блокът за коригиране на офсета 5, който има поне два входа и генерира на изхода си сигнал за компенсиране. За да компенсира офсета, зависим от температурния градиент, обикновено е необходимо да се изчисли величина, свързана с разсейваната мощност в интегралната схема, част от която е сензорната схема 1. За да се постигне това, има няколко варианта. Директният начин е да се определи разсейваната мощност, като се измерят захранващото напрежение и захранващия ток. Но могат да бъдат предвидени и много еквивалентни подходи. Например, при трипроводна сензорна схема захранващия ток се приема за константа, която е независима от изходния сигнал на сензора 2. Следователно разсейваната мощност може да се определи от захранващото напрежение, като се умножи по константа за захранващия ток.

При двупроводна сензорна схема изходният ток има две компоненти, а именно ток, необходим за работа на интегралната схема (около 2-3 mA), и ток, зависим от състоянието, за който се генерира сигнал, зависим от състоянието на сензорната схема 1 в блока за последваща обработка на сигнала

4. Следователно захранващият ток е функция на състоянието на сензорната схема 1. В такъв случай разсейваната мощност може да бъде изчислена, чрез определяне на захранващото напрежение и показанието за състоянието на сензорната схема 1. Блокът за коригиране на офсета 5 може да изчисли сигнал за компенсиране, като раздели захранващото напрежение V_DD на фиксиран коефициент за всяко състояние на сензорната схема К _ON и К _орр например V_DD/K _ON и V_DD/K _орр където коефициентите К _ON

2510 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.2/29.11.2019 и К _OFF се определят по време на калибриране. В някои случаи функцията може да се изчисли и по формулата V_DD/k+b, където „Ь“ е константа, независеща от захранващото напрежение V_DD, но може да е функция на температурата. Коефициентите К _ON и К _OFF може да не са константи, а да са функция на температурата и/или функция на захранващото напрежение на сензорната схема 1.

Суматорът 3 е сумиращ блок, който сумира изходния сигнал на сензора 2 и сигнала за компенсиране, получен от блока за коригиране на офсета 5. При използване на метод с въртене на диагоналите на сензора 2 двете или четирите фази се осредняват (стандартен метод на въртене на диагоналите на сензора на Хол), а изходът от въртенето на тези две или четири фази впоследствие се подава на входа на суматора 3, за да се компенсира остатъчният офсет. Такъв остатъчен офсет произтича от несиметрията на сензора на Хол. Изходният сигнал на сензора 2 може да бъде подаден към суматора 3 и през сигнален усилвател, който в различни конструктивни изпълнения може да бъде усилвател с накъсване на сигнала, диференциален усилвател и/или инструментален усилвател.

Състоянието на сензорната схема 1 в някои конструктивни изпълнения на полезния модел се определя от сигнала, получен след компенсиране. При трипроводна сензорна схема, където за захранващия ток се приема, че не зависи от състоянието на сензорната схема, входът към блока за коригиране на офсета 5 например е константа, а в някои случаи нелинейна функция, зависеща от изходното състояние, пада на изходното напрежение и други. Може да бъде полиномна (например квадратична), експоненциална или друга нелинейна функция. Като алтернатива, информацията за състоянието може да се получи, като се сравни изхода на суматора 3 с една или множество референтни стойности. В други конструктивни изпълнения изходът на суматора 3 се цифровизира и се сравнява с референтната стойност или стойности в цифровата част.

В създадената сензорна схема 1 не се изисква сензор за температурата, поради което офсетът, дължащ се на градиента, се определя от консумираната мощност за разлика от решенията в предшестващото състояние на техниката, където тя се измерва технически близо до основните сензори. При високи температурни градиенти, например по време на работа, самите градиенти могат да бъдат до 1.0 градус/mm или поне 0.5 градус/mm. За тези градиенти остатъчните офсети обикновено са от порядъка на 1 pV или 10-50 pV. Остатъчният офсет не зависи от измереното поле.

При изчисление на разсейваната мощност в интегралната схема, компенсацията очевидно е линейна спрямо входното напрежение. За съжаление, остатъчният офсет не се причинява пряко от разсейваната мощност, а от температурния градиент. Температурният градиент има нелинейни ефекти, произтичащи от конструкцията на чипа, топлинното разсейване от пластмасата и други неуправляеми ефекти. В някои конструктивни изпълнения на полезния модел може да се приложи нелинейна компенсация поради наблюдаваните нелинейни ефекти.

Измерванията по време на финалния тест преди инсталиране на устройството, т.е. в края на фазата на калибриране, се извършват за всяко състояние (при трипроводно конструктивно изпълнение за поне едно състояние) чрез измерване и коригиране на остатъчния офсет. Тези стойности се съхраняват в регистри (аналогови или цифрови) или в таблици за търсене. В случай, че е необходима корекция с по-голяма степен на детайлност, например като функция на входното напрежение, може да се направи екстраполация от измерения остатъчен офсет, въз основа на предварително определена стойност или няколко точки на остатъчния офсет за различни входни напрежения, например при максимални и минимални стойности на входното напрежение (от 3V до 24V). Сигналът с вече компенсиран офсет се използва по-нататък в интегралната схема за различни цели, които може да включват допълнителна обработка на този сигнал. Коригираният сигнал може да се използва и вътре в чипа за основни функции като управление на изходното стъпало, генериране на сигнал и други, или за второстепенни функции като осигуряване на функционална безопасност, проверки на пътя на сигнала.

Това не се отнася само до сензорите на Хол, а за всеки сензор с офсет, зависим от температурните градиенти. Най-общо сигналът за компенсиране може да е напрежение, ток или цифров сигнал. Възможно е да се приложи директно върху сензора, например, сензора на Хол, върху сигналния усилвател (ако има такъв), върху компаратора на сигнали (ако има такъв компаратор) или да се компенсира цифрово (ако има аналогово-цифров преобразувател).

2511 Описания към свидетелства за регистрация на полезни модели № 11.2/29.11.2019

Claims (6)

1. Претенции

   1. Сензорна схема е компенсация на офсета, характеризираща се е това, че включва сензор (2) за измерване на физични величини, еднопосочно свързан със суматор (3), който е еднопосочно свързан е блок за последваща обработка на сигнала (4), еднопосочно свързан е блок за коригиране на офсета (5), при което блокът за коригиране на офсета (5) е свързан и със суматора (3), и е извод (6) за подаване на захранващо напрежение на сензорната схема (1).
2. 2. Сензорна схема съгласно претенция 1, характеризираща се е това, че сензорът (2) е мостов сензор, магнитен сензор или сензор на Хол.
3. 3. Сензорна схема съгласно претенция 2, характеризираща се е това, че сензорът на Хол включва интегриран магнитен концентратор.
4. 4. Сензорна схема съгласно претенция 2 или 3, характеризираща се е това, че сензорът на Хол е е приложен метод на въртене на диагоналите.
5. 5. Сензорна схема съгласно претенция 1, характеризираща се е това, че сензорът (2) е за измерване на магнитно поле, на налягане или на температура.
6. 6. Сензорна схема съгласно претенция 1, характеризираща се е това, че сензорната схема (1) е двупроводна или трипроводна схема.