CN102401884B

CN102401884B - 用于磁场传感器的读取电路以及相关读取方法

Info

Publication number: CN102401884B
Application number: CN201110274746.8A
Authority: CN
Inventors: F·伯蒂尼利; C·A·罗玛尼; C·玛奇思
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: US10001530B2; ITTO20100740A1; CN202748469U; CN102401884A; US20120166122A1; IT1402178B1

Abstract

本发明涉及用于磁场传感器的读取电路以及相关读取方法。一种用于读取具有至少一个第一磁阻元件(2a)的磁场传感器(2)的方法设想了根据由磁场传感器(2)提供的检测信号(ΔV)生成指示磁场(H)的输出信号(Vout)。该读取方法设想了：确定在输出信号(Vout)中存在的偏移信号(Vout_off)；根据该偏移信号(Vout_off)生成至少一个补偿量(COMP1)；以及将补偿量(COMP1)反馈回到读取级(5)的输入处以便根据补偿量(COMP1)在读取级(5)的输入处应用纠正因子，从而将偏移信号(Vout_off)的值减小到给定阈值(Th)之下。

Description

用于磁场传感器的读取电路以及相关读取方法

技术领域

本发明涉及用于磁场传感器的读取电路，并且涉及相关读取方法，该磁场传感器具体而言是各项异性磁阻(AMR)磁传感器。

背景技术

由于磁场传感器能够检测天然磁场(例如，地球磁场)和由电气部件(诸如由电流所穿过的电气或电子器件和线路)生成的磁场，所以在多种应用和系统中使用磁场传感器(具体而言是AMR磁传感器)，磁场传感器例如用于罗盘、用于检测含铁材料的系统、用于检测电流以及用于许多其他应用。

已知各向异性磁阻的现象出现于特定含铁材料中，当该含铁材料受外部磁场影响时，其经历根据同一外部磁场的特性的电阻率变化。通常将这些材料应用为薄条(strip)以便形成电阻元件，并且电连接这样形成的电阻元件以限定桥式结构(通常为惠斯顿电桥)。

此外如例如在US4,847,584中所描述的，还已知使用标准的半导体微机械加工技术来制造AMR磁传感器。

具体而言，可以通过沉积磁阻材料的膜以在例如硅之类的半导体材料的衬底上形成薄条来形成各个磁阻元件，该磁阻材料例如坡莫合金(含铁和镍的铁磁合金)。

当使电流流过磁阻元件时，磁阻元件的磁化方向与电流的流动方向之间的角度θ影响磁阻元件的电阻率的有效值，从而使得当角度θ的值变化时，电阻值也变化(具体地，这种变化遵循cos²θ类型的定律)。例如，平行于电流的流动方向的磁化方向导致对通过磁阻元件的电流的通路的最大电阻值，而与电流的流动方向正交的磁化方向导致对通过磁阻元件的电流的通路的最小电阻值。

具体而言，如图1中示意性地示出(其中，H指示外部磁场，I是在磁阻元件中流动的电流，而R是电阻的公值)的，在惠斯顿电桥中设置理想地具有相同电阻值的磁阻元件，以便形成等同元件的对角线配对，这些等同元件以彼此相反的方式对外部磁场作出反应。

通过在输入处将电源电压V_S施加给桥式检测结构(具体而言，施加到该电桥的、作为输入端子而操作的两个第一端子)，在存在外部磁场H的情形下，发生磁阻元件的电阻变化ΔR，而在磁阻元件上存在电压降的值的对应变化；实际上，外部磁场H决定了磁阻元件的磁化方向的变化。继而在输出处(具体而言，在电桥的作为输出端子而操作的两个剩余端子之间)由于电压变化ΔV而出现桥式结构的失衡。由于之前已知磁阻元件的初始磁化方向，因而可以根据电压变化ΔV来确定作用于AMR磁场传感器的外部磁场H的方向和强度。

通常，使用耦合到AMR磁传感器的输出的读取级(或前端)，并且该读取级例如包括用于检测惠斯顿电桥的失衡并且生成指示待测量的外部磁场特性的输出信号的测量放大器。

考虑到存在各种磁阻元件的静态(即不存在外部激励)电阻值之间的失配(例如，由制造工艺或部件的非均匀老化所导致)，所以在AMR磁传感器的输出信号上存在偏移信号(即，相对于有用信号值的偏离)；该偏移因而是传感器所固有的，并且该偏移值独立于外部磁场的特性。

一般而言，电桥输出处的电压变化ΔV因而可以被认为是指示外部磁场的有用信号V_sig和偏移V_off之和：

ΔV＝V_sig+V_off

具体而言，即使不存在外部磁场，AMR磁传感器也具有非零输出信号，确切来说该非零输出信号是由偏移V_off所导致的。考虑到偏移值即便不高于由外部磁场所导致的输出信号，但其也经常与外部磁场所导致的输出信号相当(具体地，当传感器需要测量具有较低值的外部磁场值时，例如在罗盘应用中测量地球磁场)，所以偏移的存在导致了测量中的误差和失真以及导致可以使用的测量尺度的减小(一旦固定了尺度端点)。此外，为了减小偏移的影响，可以增加传感器的尺度端点，但这需要不利地引起测量敏感度和分别率的对应减小。

因此，现今已提出了许多用于对磁传感器的偏移进行补偿的技术，这些技术被设计用于减少或至少限制偏移在传感器输出上的影响。

例如，第一补偿技术设想了使用与惠斯顿电桥的一个或多个支路并联连接(并且因而与对应磁阻元件中的一个或多个并联连接)的电阻器(所谓的“分流电阻器”)，该电阻器的值使得惠斯顿电桥平衡并且因而消除在传感器输出处的偏移。这种补偿技术的不利之处由如下事实所导致，即为了确定分流电阻器的值，需要移除任何的外部磁场(包括由地球磁场所导致的贡献)，并且因而需要提供完全屏蔽的环境，或备选地，需要提供一组亥姆霍兹线圈。这导致制造成本的增加，并且难以在大规模生产水平中实现。

一种不同的偏移补偿技术设想了使用集成在AMR磁传感器中的线圈，即所谓的“偏移带(offset strap)”，这些线圈被设计成当适当值的电流流过时生成在检测方向上的磁场。所生成的磁场的值使得惠斯顿电桥平衡，从而感应外部磁场和由该偏移带内部地生成的磁场这两者的传感器提供没有偏移贡献的输出信号(在AMR磁传感器内内在地对该偏移进行补偿)。

这种技术的不利之处在于：涉及了相当大的功耗，这是由于在传感器操作期间在偏移带中流通的电流所导致，还由于偏移经常大于待检测的信号这一事实所导致。此外，该技术要求受控的环境，在该环境中在校准步骤期间测量在不存在外部磁场下的偏移的贡献，以便相应地调整将流过偏移带的电流值和将内部地生成的补偿磁场的值。

所提出的又一技术设想了使用用于对属于AMR磁传感器的磁阻元件的磁化方向进行定向的装置。具体而言，这些定向装置包括集成在AMR磁传感器中的线圈或“带”，该线圈或“带”被设计成当电流流过时生成具有预定方向和定向的磁场；这些线圈称为“设置/重置带”。

例如，在提供传感器的磁阻元件的同一衬底上提供设置/重置带，该设置/重置带与磁阻元件电绝缘，并且被设置在相同磁阻元件的附近。

在使用中，通过经由设置/重置带向磁阻元件施加短时间段的强磁场来获得磁化方向的定向，该强磁场的值迫使磁阻元件的磁偶极根据所生成的磁场的方向(并且因而以与在设置/重置带中流通的电流的方向相一致的方式)定向在第一预定方向并与其对准(“设置”脉冲)或者定向在与第一预定方向相反的第二预定方向并与其对准(“重置”脉冲)。前述的设置操作和重置操作是已知的，并且在例如US5,247,278中详细描述。

在存在外部磁场的情形下，磁偶极的定向的反向使得惠斯顿电桥输出的信号反向。取而代之地，叠加在输出信号中的有用信号上的偏移信号并不使其自身的极性反向，这是因为偏移信号只由传感器内部部件之间的失配所导致，并且因而独立于外部磁场的特性。

因此，在此情形中，偏移补偿过程设想了应用设置脉冲，并且在等待适当的驰豫时间以消除可能的电流尾部并且允许铁磁材料的磁偶极的稳定之后，在存在外部磁场H的情形下获取输出信号(例如，电压信号Vout)中的第一样本；表示为Vout_set的、输出信号的第一样本由以下给出：

Vout_set＝H·S+Vout_off

其中S是AMR磁传感器的敏感性，而Vout_off是附加在输出上的偏移信号。

接着，施加重置脉冲，并且在等待适当的驰豫时间以消除可能的电流尾部并且允许铁磁材料的磁偶极的稳定之后，获取输出信号的第二样本以获得

Vout_reset＝H·(-S)+Vout_off

其中-S是AMR磁传感器的敏感性的值，在此情形中该值与设置操作期间的敏感性S值数值相同但是相反，这是由于传感器的磁阻元件的磁偶极指向反向所导致。

然后进行所获取的第一样本和第二样本之间的相减，据此可以导出有用信号，因而消除偏移对输出信号的贡献：

(Vout_set-Vout_reset)＝H·S+Vout_off-(H·(-S)+Vout_off)＝2H·S

这种技术(称为“相减方法”)因而设想了在对输出信号进行数字处理期间的偏移的数字消除(由外部电子单元执行，该电子单元接收来自耦合到传感器的读取级的输出信号)；通过处理输出信号，获得了有用信号的值，从而将其与偏移信号Vout_off区分开。然而，在任何情况下，在补偿过程期间在AMR磁传感器的输出和对应读取级的输入处都存在偏移。在一些情形下，偏移的值可以使得读取链(reading chain)饱和。在此情形下，由于饱和，读取级在输出提供错误的样本，并且因而所执行的补偿操作可能证实为错误的。

这表明至今所提出的各种偏移补偿技术均受相应的缺陷所制约，这些缺陷使得不能完全利用它们的特定优势。

发明内容

本发明的目的因而在于提供一种用于对在AMR磁传感器输出处存在的偏移进行补偿的技术，该技术不具有之前强调的已知技术的不利之处。

根据本发明，提供了如所附权利要求书限定的读取电路和读取方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式参照所附附图来描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示出了在惠斯顿电桥布置中的、已知类型的AMR磁传感器的简化电路图；

图2示出了根据本发明一个实施方式的、用于AMR磁传感器的读取电路的方框图；

图3是根据本发明一个实施方式的、关于通过在图2的读取电路中实施的读取方法来设想的操作的流程图；

图4和图5示出了图2的读取电路的相应的实施方式；

图6示出了图5的读取电路的实施方式中的控制信号的时序图；以及

图7示出了包括图2的读取电路和AMR磁传感器的电子器件的简化方框图。

具体实施方式

本发明的一个方面适用于参照图1描述的类型的AMR磁传感器，并且设想了使用(以已知的方式)集成在AMR磁传感器中的设置/重置带，并且在后续时刻供应设置脉冲和重置脉冲以用于获取惠斯顿电桥的输出信号的第一样本Vout_set和第二样本Vout_reset(参见之前关于这方面的描述)。

本申请人已发现，从之前所述的输出信号的第一样本Vout_set和第二样本Vout_reset开始，不仅可以导出与外部磁场H相关联的有用信号的值，还可以导出由AMR磁传感器中存在的偏移所导致的偏移信号Vout_off的值。实际上，通过计算前述两个样本的和，获得了(Vout_set+Vout_reset)＝H·S+Vout_off+(H·(-S)+Vout_off)＝2·Vout_off。因此，可以通过应用下面的式子来获得偏移信号：

Vout_off＝(Vout_set+Vout_reset)/2

即，偏移信号等于在设置脉冲和重置脉冲之后分别获得的输出信号的两个样本的和的一半。

具体而言，根据本发明的一个方面，这样获得的关于偏移信号Vout_off的值的信息被用于对偏移直接在来自AMR磁传感器的输出处的影响进行补偿并且因此对在与传感器相关联的读取级的输入处的影响进行补偿，从而防止同一读取级的饱和。换言之，根据前述的偏移信号Vout_off的值，确定了在读取级的输入处应用的适当补偿量的值，并且以对该磁传感器的偏移进行补偿的方式将该值与AMR磁传感器的输出信号适当地组合。

图2是根据本发明一个实施方式的读取电路的示意图，其整体表示为1，该读取电路与表示为2的AMR磁传感器相关联，并且该AMR磁传感器借助于其惠斯顿电桥等效电路示意性地示出。

具体而言，AMR磁传感器2包括4个例如由磁阻材料(诸如坡莫合金)的薄膜条构成的磁阻元件2a-2d，这4个磁阻元件被设计成具有一个相同的静态电阻值R(在不存在外部磁场的情形下)，并且它们还被设计成在存在外部磁场H的情形下配对地经历一个相同的变化(配对由电桥中对角线面对的元件形成，即由磁阻元件2a和磁阻元件2c形成第一配对，并且由磁阻元件2b和磁阻元件2d形成第二配对)。

惠斯顿电桥具有连接到电源的正极以提供电源电压V_s的第一输入端子In₁和连接到电源的负极(例如，与电路的地端子重合)的第二输入端子In₂。此外，惠斯顿电桥具有第一输出端子Out₁和第二输出端子Out₂，跨这两个端子给出惠斯顿电桥的、根据外部磁场H的特性的失衡信号(即电压变化ΔV)(并且包括偏移分量V_off)。

AMR磁传感器2还包括设置/重置带3(在图2中示意性地表示为电阻器)，其被布置成磁耦合到磁阻元件2a-2d并且电连接到电流发生器4，该电流发生器4被设计成提供设置或重置电流I_sr给设置/重置带3；以已知的方式将设置/重置带3集成到AMR磁传感器2中。

读取电路1包括电耦合到AMR磁传感器2的输出的读取级5(在图2中示意地示出)，并且该读取级5在该实施方式中包括具有非反向输入5a、反向输入5b和至少一个的第一输出5c(该输出可以是以未示出的方式的差分类型)的测量放大器，在该至少一个的第一输出5c上给出输出信号Vout，输出信号Vout的值取决于待确定的外部磁场H。输出信号Vout可以以在此以未示出的方式随后被提供给外部电子单元，该电子单元可以根据同一信号执行进一步的处理操作。

读取电路1还包括连接到读取级5的输出的偏移补偿级6，该偏移补偿级6接收输出信号Vout并且被配置成确定AMR磁传感器2的结构的固有偏移的值，并对该偏移进行补偿。

如前所示，偏移补偿级6被配置成计算在(经由电流发生器4)分别向设置/重置带3应用设置脉冲和重置脉冲之后获得的、由读取级5提供的输出信号Vout的至少两个样本Vout_set和Vout_reset的和。偏移补偿级6可以是模拟类型的专用电路，或者备选地可以由数字块构成；在此情形下，所获取的每个样本经由此处未示出的模数(ADC)转换器被转换成数字格式，并且所获取的样本彼此数字地相加。

偏移补偿级6因此在输出处根据由此确定的偏移信号Vout_off的值生成至少一个具有适当值的第一补偿量COMP1，该第一补偿量COMP1被反馈回到读取级5的输入处(因而提供在AMR磁传感器2外部的反馈路径)。具体而言，在图2中所示的实施方式中，偏移补偿级6还生成第二补偿量COMP2，第二补偿量COMP2也被反馈回到读取级5的输入处。

第一补偿量COMP1经由第一组合块8a(例如，示意性地表示为“带符号的加法器”块)发送给读取级5的非反向输入5a，而第二补偿量COMP2经由第二组合块8b(例如，也是示意性地表示为“带符号的加法器”块)反馈回到同一读取级5的反向输入5b。

应该注意，第一补偿量COMP1和第二补偿量COMP2例如可以是模拟的电压或电流信号，类似地，模拟类型的组合块8a、8b可以以电压或电流操作。此外，组合块8a、8b可以直接连接到读取级5的输入或者另外地经由所插入的一个或多个电子部件而连接到读取级5的输入。

如图2所示，第一组合块8a具有：正输入，连接到惠斯顿电桥的第二输出端子Out₂；负输入，接收来自偏移补偿级6的第一补偿量COMP1；以及输出，连接到读取级5的测量放大器的非反向输入5a。

此外，第二加法器块8b具有：正输入，连接到惠斯顿电桥的第一输出端子Out₁；负输入，接收由偏移补偿级6生成的第二补偿量COMP2；以及输出，连接到读取级5的测量放大器的反向输入5b。

第一补偿量COMP1，并且还可能是第二补偿量COMP2因此与由AMR磁传感器2提供的信号(即，电压变化ΔV)适当地组合，以在读取电路5的输入处生成经补偿的信号V_comp，以便对偏移对同一AMR磁传感器2的影响进行补偿。经补偿的信号V_comp由读取级5(以本身已知的方式)处理，并且使得提供了没有偏移的输出信号，并且不导致同一读取级5饱和。

总体而言，本发明的一个方面因而设想了确定在AMR磁传感器2输出处的叠加在有用信号上的偏移信号Vout_off的值，并且随后利用该信息以用于将纠正因子应用到在读取级5的输入处的信号，以便直接在读取级5的输入并且因而在与该传感器相关联的读取链的输入处执行偏移补偿，其中根据所确定的偏移值执行补偿。根据所确定的偏移信号Vout_off获得的适当量可以被反馈回到读取链的输入，并且例如从在AMR磁传感器2的惠斯顿电桥的输出处的信号中减去该适当量。

如图3所示，AMR磁传感器2的偏移补偿算法因而设想了以下操作，该操作借助于模拟和/或数字电路元件在偏移补偿级6内执行，该模拟和/或数字电路元件具体而言是数字处理单元(例如，微处理器类型)。

在算法的初始步骤(步骤10)中，开始偏移调整操作和补偿操作。这些操作的开始例如可以在用户给予命令之后、在从外部电子单元接收到命令之后，或在集成AMR磁传感器2的设备接通之后发生，或者(根据特定应用和/或用户要求)每当待检测外部磁场时再次发生。

接着(步骤11)，在AMR磁传感器2中经由集成在传感器自身中的设置/重置带3施加设置脉冲；该设置脉冲使得传感器的磁阻元件2a-2d的磁偶极定向在第一方向，并且对由耦合到AMR磁传感器2的读取级5所提供的输出信号Vout执行第一测量；以此方式获取了输出信号的第一样本Vout_set(i)。

尤其应该注意，在一个实施方式中，偏移补偿算法是迭代类型的；即，该算法总体设想了一系列的后继迭代，以在输出处获得偏移的校准。实际上，在读取级5的输入处初始存在的未校准偏移可以导致读取级5的饱和并且因而导致难以在单个步骤中执行精确的校准。因而在迭代算法的第i步(其中初始地i＝1)中获取前述的输出信号的第一样本Vout_set(i)，并且便利地存储该第一样本Vout_set(i)。根据本发明的一个方面，此外还固定了指数i的最大值i_max，即固定了迭代算法的步的最大数目(例如，等于8)，以便防止无限数目的迭代循环。

接着(步骤12)，经由集成在传感器中的设置/重置带，将重置脉冲施加到AMR磁传感器2，从而使得传感器的磁阻元件的磁偶极定向在与第一方向相反的第二方向上，并且对由耦合到AMR磁传感器2的读取级5所提供的输出信号Vout执行第二测量；以此方式，获取了输出信号Vout的第二样本Vout_reset(i)(指数i同样指示迭代算法的当前步)。

随后(步骤13)，通过应用下面的式子获得叠加在输出信号Vout中的有用信号上的偏移信号Vout_off(i)的值：

Vout_off(i)＝(Vout_set(i)+Vout_reset(i))/2。

此处(步骤14)，该算法设想了验证之前(在步骤13中)确定的偏移信号Vout_off(i)的值是否低于给定阈值Th(假设，等于0)，即在输出处是否发生偏移信号的正确补偿。应该注意，阈值Th的值取决于应用的类型和输出上可容忍的偏移水平，并且还取决于所涉及的信号的可能量化。

如果偏移信号Vout_off(i)的值低于阈值Th，则该算法进行到步骤15，在此处偏移补偿的操作停止。例如，然后可以向用户发布信号以指示输出信号Vout是经偏移补偿的，或者在此可以将输出信号Vout(现在仅对应于有用信号)发送给外部电子单元以供后续处理(以自身已知的方式)。

取而代之，在步骤14处的偏移信号Vout_off(i)的值高于阈值Th的事实则意味着需要修改在读取级5的输入处的补偿量COMP1、COMP2的值，例如通过增加针对迭代算法的下一步(i+1)的补偿量COMP1、COMP2的值(注意到，该算法也可以适用于存在单个补偿量(例如，第一补偿量COMP1)的情形)。

该算法随后在步骤14之后进行步骤16，该步骤16设想了通过使用在迭代过程的之前步骤Vout_off(i-1)处获得的偏移信号的值(该值之前因此便利地存储)增加偏移信号来更新偏移信号Vout_off(i)的当前值，即通过应用下面的式子：

Vout_off(i)＝Vout_off(i)+Vout_off(i-1)

然后(步骤17)，根据由此修改的偏移值Vout_off(i)，确定待发送给读取级5的输入处以便获得在输出信号Vout中的偏移信号Vout_off的补偿的补偿量COMP1、COMP2的新的值。例如，补偿量COMP1、COMP2的值可以根据线性函数随着偏移信号Vout_off(i)的值变化；备选地，可以提供补偿量COMP1、COMP2的值与偏移信号Vout_off(i)的值之间的映射关系。

在任一情形下，随后借助于反馈路径发送由此确定的补偿量COMP1、COMP2(步骤18)给读取级5的输入，以便与AMR磁传感器2的惠斯顿电桥的输出处的信号进行组合。

随后(步骤19)，进行校验以验证由指数i标示的迭代次数是否已达到最大数i_max。在i＝i_max的情形中，该算法进行到步骤20，该步骤再次指示停止偏移补偿的操作。在此情形下，可以向用户发送消息以指示偏移补偿的操作未成功。取而代之，如果发现迭代数目未达到最大数目i_max，则增加指数i(步骤21)，并且该流程返回到算法的初始步骤10以供执行迭代算法的新的迭代。

图4通过非限制示例的方式示出了读取电路1的可能的实施方式，该读取电路1设想了仅使用第一补偿量COMP1，其在此情形下称为读取级5的测量放大器(在此表示为23)的反向输入5b(将测量放大器23的非反向输入5a与AMR磁传感器2的惠斯顿电桥的第二输出端子Out₂一样地设置到参考电压，例如电路的地)。

惠斯顿电桥的第一输出端子Out1取而代之地接收电桥失衡信号，即电压变化ΔV，该失衡信号可以被表示为有用信号影响V_sig和偏移影响V_off的和，该V_off是由于AMR磁传感器2内部的部件失配所导致的。

测量放大器23具有连接到反向输入5b的电阻增益网络，该电阻增益网络由以下构成：连接在测量放大器23的反向输入5b与AMR磁传感器2的惠斯顿电桥的第一输出端子Out1之间的第一增益电阻器24a；以及连接在测量放大器23的反向输入5b与单输出5c之间的第二增益电阻器24b。

偏移补偿级6(在此实施方式中为数字类型)包括：ADC 25，该ADC 25使其输入连接到测量放大器23的输出5c，并且该ADC 25被设计成将由同一测量放大器23所提供的输出信号Vout从模拟转换为数字(例如，ADC 25是M位转换器，M例如等于12)；以及处理单元26，该处理单元26连接到ADC 25的输出，并且该处理单元26被设计成借助于适当的控制逻辑实施之前参照图3描述的算法的步骤。

具体而言，处理单元26确定在测量放大器23的输出处存在的偏移信号Vout_off的值，并且根据该值生成数字类型的控制信号S_off(例如，该控制信号S_off具有N位，N例如等于8)。

补偿级6还包括数模转换器(DAC)27，该数模转换器27在输入处接收控制信号S_off并且在输出处生成模拟电流信号(该模拟电流信号根据控制信号S_off的值而变化)，在此情形下该模拟电流信号对应于第一补偿量COMP1；DAC 27因而用作可选值电流的发生器。

具体而言，在读取级5的输入处将第一补偿量COMP1反馈回到测量放大器23的反向输入5b，在该反向输入5b处测量放大器23将第一补偿量COMP1与在第一增益电阻器24a中流通的电流进行组合(注意到，在此情形下第一组合块8a执行电流加和)。

可以立即验证的是，在测量放大器23的输出5c处的输出信号Vout(在此情形下是电压信号)由下面的式子给出：

Vout = - (V_{sig} + V_{off}) \cdot \frac{R_{2}}{R_{1}} - COMP 1 \cdot R_{2}

其中R₂是第二增益电阻器24b的电阻值，而R₁是第一增益电阻器24a的电阻值。

通过补偿量COMP1的变化(基于之前描述的偏移补偿算法)，因而可以利用前述式子的COMP1·R₂项，以在输出处对偏移信号Vout_off进行补偿(并且具体而言，减小到阈值Th之下)，在此基本上对应于上式的下列项：

Voff \cdot \frac{R_{2}}{R_{1}} .

图5同样通过非限制性示例的方式示出了读取电路1的又一可能的实施方式，在该读取电路1中，利用了与读取级5的测量放大器(在此表示为30)相关联的电容增益网络。

在此情形下，测量放大器23是“全差分”类型，即其具有差分输入(非反向输入5a和反向输入5b)和差分输出(反向输出5c和非反向输出5d)。

读取级5还包括两个基本等同的电路分支，该两个电路分支分别连接到测量放大器23的非反向输入5a和反向输入5b。

每个电路分支包括：第一开关31a、31b(注意到字母a指示一个电路分支而字母b指示另一电路分支)，其被设置在AMR磁传感器2的惠斯顿电桥的相应的输出端子Out₂、Out₁与中间节点32a、32b之间，并且由第一逻辑信号S控制；第二开关33a、33b，其被设置在中间节点32a、32b与接收参考电压V_REF的参考输入34之间，参考电压V_REF的值等于惠斯顿电桥的电源电压V_S的一半，并且第二开关33a、33b由第二逻辑信号R控制；第一增益电容器35a、35b，其连接在中间节点32a、32b和测量放大器30的相应输入(根据所考虑的电路分支是非反向输入5a或反向输入5b)之间；以及第二增益电容器38a、38b，其连接在前述的相应输入和测量放大器30的相应输出(根据所考虑的电路分支是反向输出5c或非反向输出5d)之间。

偏移补偿级6(在此实施方式中也是数字类型)也包括：ADC 25，其具有连接到测量放大器30的输出5c、5d的输入，并且该ADC 25被设计成将由测量放大器30所提供的输出信号Vout从模拟转换为数字；以及处理单元26，其连接到ADC 25的输出，并且该处理单元26被设计成确定在测量放大器30的输出处存在的偏移信号Vout_off的值，并且根据该值生成数字类型的控制信号S_off。

偏移补偿级6还包括均为数字类型的第一可调电容器单元45a和第二可调电容器单元45b(这两个电容器也称为“电容调整(captrim)单元”)。每个电容调整单元45a、45b具有：第一端子和第二端子，在第一端子和第二端子之间提供有电容，该电容的值能够可选择地变化；以及控制端子，电容调整单元在该控制端子上接收控制信号S_off，该控制信号S_off确定前述可变电容的值。第一电容调整单元45a和第二电容调整单元45b被设计成根据相应的可变电容分别生成第一补偿量COMP1和第二补偿量COMP2，在此情形下，该第一补偿量COMP1和第二补偿量COMP2由在测量传感器30的相应输入处注入的电荷的变化所构成(如在下文中更为详细地描述)。

更为详细地，每个电容调整单元45a、45b的第一端子连接到测量放大器30的相应输入(根据所考虑的电路分支是非反向输入5a或反向输入5b)；第二端子接收例如以预设值的电压阶跃形式的激励信号。第一电容调整单元45a在其第二端子上接收第一激励信号V_p1，而第二电容调整单元45b在其第二端子上接收第二激励信号V_p2，该第二激励信号V_p2的值相对于第一激励信号V_p1的值为负(相反)；具体而言，第一激励信号V_p1是可以在电源电压V_S与参考电压V_REF之间变化的模拟电压信号，而第二激励信号V_p2是可以在0与参考电压V_REF之间变化的模拟电压信号。

图6示出了读取电路1中的信号的时序图，并且具体而言是第一控制信号S和第二控制信号R以及第一激励信号V_p1和第二激励信号V_p2的时序图。

在使用中(注意将参照第一电路分支，但是所有类似考虑适用于第二电路分支)，在放电步骤期间，第一控制信号S具有低逻辑值(因此使第一开关31a断开)，而第二控制信号R具有高逻辑值(因此使第二开关33a闭合)，以此方式确定第一增益电容器35a和第一电容调整单元45a的放电状况(只要跨它们的电压为0，条件是测量放大器23的非反向输入5a是电压V_REF)。

接着，在读取步骤期间，其中第一控制信号S具有高逻辑值(因此使第一开关31a闭合)，而第二控制信号R具有低逻辑值(因此使第二开关33a断开)，第一增益电容器35a被充电到在AMR磁传感器2的惠斯顿电桥的第一输出端子Out₁上存在的电压值，即被充电到电压ΔV/2＝(V_sig/2+V_off/2)。因此，由于在测量放大器30的输入处的虚拟地，对第二增益电容器38a充电的第一电荷量ΔQ1由下面的式子给出：

ΔQ1＝C1·(V_sig/2+V_off/2)

其中C1是第一增益电阻器35a的电容值。

同时，第一电容调整单元45a通过等于V_REF/2的电压差放电(条件是测量放大器23的非反向输入5a的电压是V_REF/2)。因此，同样由于在测量放大器30的输入处的虚拟地，对第二增益电容器38a充电第二电荷量ΔQ2由下面的式子给出：

ΔQ2＝CA·(-V_REF/2)

其中CA是第一电容调整单元45a的可变电容值。

尤其应该注意，在此情形下，第二电荷量ΔQ2表示反馈到读取级5的输入处以提供偏移补偿的第一补偿量COMP1(在此情形下，反馈路径包括连接到测量放大器30的非反向输入5a的组合块8a，其用于组合电荷量)。

由于前述的第一电荷量ΔQ1和第二电荷量ΔQ2，第二增益电容器38a通过被充电以确定由下面的式子给出的输出电压Vout：

Vout＝-C1/C2·(V_sig/2+V_ogg/2)+CA/C2·(V_REF/2)

其中C2是第二增益电容器38a的电容值。

通过(基于之前描述的偏移补偿算法)变化在此情形下由第二电荷量ΔQ2(或者，等效地由第一电容调整单元45a的可变电容CA的值)构成的补偿量COMP1，因而可以利用前述式子的CA/C2·(V_REF/2)项来对在输出处的偏移信号Vout_off进行补偿(并且具体而言将偏移信号Vout_off减小到阈值Th之下，并且在一些情形下消除偏移信号Vout_off)，此处基本上对应于上面式子的下列项：C1/C2·(V_off/2)。

换言之，根据第一补偿信号COMP1和第二补偿信号COMP2的值，由电容调整单元45a、45b提供的电容值变化，并且因而在测量放大器30的相应非反向输入5a或反向输入5b中注入的电荷的贡献变化；以此方式，在惠斯顿电桥的输出处组合到电压变化ΔV的信号也变化，以便实现偏移补偿对输出信号Vout的影响(根据之前描述的算法)。

图7是电子器件60的示意图，其中读取电路1连同AMR磁传感器2例如应用于制造罗盘或磁力计。

有利地，可以使用半导体微加工技术在单个芯片61内获得AMR磁传感器2和对应的读取电路1。具体而言，读取电路1可以被提供为第一硅裸片中的ASIC(专用集成电路)，而AMR磁传感器2可以在第二裸片中提供，该第二裸片连同第一裸片容纳于芯片61的同一封装中。

电子器件60还包括使用微控制器(或微处理器、或类似的计算和处理设备)的控制单元62，该控制单元62连接到读取电路1具体用于控制读取电路的操作(并且具体而言当需要时执行偏移补偿过程)，以及用于获取和处理在读取电路1的输出处的、没有偏移影响的(模拟或数字)输出信号Vout。电子器件60还包括(可选的)存储器64、以及连接到读取电路1、磁场传感器2、控制单元62以及存储器64的电源66，以用于为它们的操作提供所需的电源；电源66例如可以包括电池。

电子器件60可以以未示出的方式还包括AMR磁传感器2和对应的读取电路1，以便能够沿多个测量坐标轴检测，从而例如提供对外部磁场的三轴检测系统，该三轴检测系统定向在一组三个正交轴x、y、z的相应方向上。三个磁场传感器足以以已知的方式识别所检测的外部磁场的三个空间分量，从而唯一地识别其方向。在此情形下，电子器件60还可以包括配置用于检测电子器件60相对于地球表面的定向的位置检测系统(例如，包括加速度计)。

前面的描述可以清楚地显露出根据本发明的读取电路和读取方法的优势。

具体而言，可以获得在AMR磁传感器的输出处存在的偏移补偿，而无需求助于屏蔽环境和复杂的校准操作，因而降低了读取操作的成本。此外，还可以在传感器的正常读取操作期间执行补偿操作，而无需增加功耗。

总体而言，只要防止读取级(前端)的饱和情形，补偿操作便证实更为精确。

有利地(例如，在同一封装中)提供耦合到AMR磁传感器的补偿电路，以此方式来向用户提供所期望的对偏置进行补偿的可能性。例如，用户可以决定在接通集成有传感器的电子器件之后、在执行每次测量之后、或每当温度变化或其他外部状况可能已导致偏移值的修改并且因此导致测量精确性的修改时开始补偿操作。

有利地，在ASIC级(即在与封装中的磁传感器相关联的集成电路中)执行偏移补偿，而无需由外部电子单元所要求的任何进一步的处理操作。

所描述的补偿过程一旦开始便还可以以无需用户的介入的完全自动的方式执行以及以对同一用户全部透明的方式执行。

最后，显然的是，在不脱离本发明的如所附权利要求书限定的范围的前提下，可以对在此已描述和示出的内容进行修改和变化。

具体而言，很显然，读取级5以及设想用于偏移补偿的反馈路径的电路实施可以相对于在此描述和示出的内容变化。

此外，补偿算法可以与在此描述和示出的算法不同；例如，该算法可以设想使用(已知类型的)分叉技术以用于迭代地识别待指派给用于在输出处对偏移进行补偿的补偿量的适当值。

根据本发明的读取方法和读取电路还可以用于对又一磁场传感器的偏移进行补偿，例如对与所描述和示出的配置不同的配置中的磁阻元件(或一般而言至少一个磁阻元件)进行补偿。

Claims

1.一种用于读取具有至少一个第一磁阻元件的磁场传感器的方法，所述方法包括借助于在输入处接收检测信号的读取级来根据由所述磁场传感器提供的所述检测信号生成指示磁场的输出信号的步骤，所述方法还包括如下步骤：

确定在所述输出信号中存在的偏移信号的值；

根据所述偏移信号的值生成至少一个补偿量；以及

以如下方式将所述补偿量反馈回到所述读取级的输入处，所述方式使得根据所述补偿量向所述读取级的输入处应用纠正因子，以便减小所述偏移信号的值，其中确定偏移信号的值的步骤包括：

将所述至少一个第一磁阻元件的磁矩定向在具有第一指向的第一方向上；

使用所述至少一个第一磁阻元件的、定向在所述第一指向的所述磁矩获取所述输出信号的至少一个第一值；

将所述至少一个第一磁阻元件的磁矩定向在具有与所述第一指向相反的第二指向的所述第一方向上；

使用所述至少一个第一磁阻元件的、定向在所述第二指向的所述磁矩获取所述输出信号的至少一个第二值；以及

结合地处理所述输出信号的所述第一值和所述第二值以确定所述偏移信号的值。

2.根据权利要求1的方法，其中所述反馈步骤包括将所述补偿量与所述检测信号进行组合，以便在所述读取级的输入处提供经补偿的信号，以便将在所述读取级输出处存在的所述偏移信号的值减小到给定阈值之下。

3.根据权利要求1的方法，其中结合地处理的步骤包括使用下面的式子确定所述偏移信号的所述值：

Vout_off＝(Vout_set+Vout_reset)/2

其中Vout_off是所述偏移信号的值，并且Vout_set和Vout_reset分别是所述输出信号的所述第一值和所述第二值。

4.根据权利要求2的方法，其中生成至少一个补偿量的步骤包括实施迭代算法的步骤，所述迭代算法在每次迭代处设想了以下：

确定所述偏移信号的当前值；

如果所述当前值高于所述阈值，则根据所述偏移信号的之前值更新所述偏移信号的当前值；以及

根据所述偏移信号的可能已更新的所述当前值生成所述补偿量。

5.根据权利要求1的方法，其中所述磁场传感器是具有又一些磁阻元件的AMR磁传感器，所述又一些磁阻元件与所述至少一个第一磁阻元件一起被布置成形成桥式检测结构；其中所述检测信号是所述桥式检测结构的失衡信号。

6.一种用于读取具有至少一个第一磁阻元件的磁场传感器的读取电路，所述读取电路包括耦合到所述磁场传感器以在输入处接收检测信号并且被配置成根据所述检测信号生成指示磁场的输出信号的读取级，所述读取电路还包括补偿级，所述补偿级连接到所述读取级的输出并且被配置成确定在所述输出信号中存在的偏移信号的值以及根据所述偏移信号的值生成至少一个补偿量；其中所述补偿级还被配置成在所述读取级的输入处提供所述补偿量，以便在所述读取级的输入处根据所述补偿量应用纠正因子，从而减小所述偏移信号的值，其中所述磁场传感器包括磁化元件，所述磁化元件耦合到所述至少一个第一磁阻元件并且被配置成使得所述至少一个第一磁阻元件的磁矩定向在给定方向的第一指向或与所述第一指向相反的第二指向上；并且其中所述补偿级被配置成：

在存在所述至少一个第一磁阻元件的磁矩的定向的第一指向的情形下，至少获取所述输出信号的第一值；

在存在所述至少一个第一磁阻元件的磁矩的定向的第二指向的情形下，至少获取所述输出信号的第二值；以及

结合地处理所述输出信号的所述第一值和所述第二值以用于确定所述偏移信号的值。

7.根据权利要求6的电路，其中所述补偿级被配置成进行在所述补偿量与所述检测信号之间的组合，以及在所述读取级的输入处提供经补偿的信号以便将在所述读取级的输出处存在的所述偏移信号减小到给定阈值之下。

8.根据权利要求6的电路，其中所述补偿级被配置成根据下面的式子确定所述偏移信号的所述值：

Vout_off＝(Vout_set+Vout_reset)/2

9.根据权利要求7的电路，其中所述补偿级被配置成实施迭代算法，所述迭代算法在每次迭代处设想了以下：

确定所述偏移信号的当前值；

根据所述偏移信号的可能已被更新的所述当前值生成所述补偿量。

10.根据权利要求6的电路，其中所述磁场传感器是具有又一些磁阻元件的AMR磁传感器，所述又一些磁阻元件与所述至少一个第一磁阻元件一起被布置成形成桥式检测结构；其中所述检测信号是所述桥式检测结构的失衡信号。

11.根据权利要求10的电路，其中所述读取级包括：放大器，其具有被配置成接收所述检测信号的至少一个输入；以及电阻增益网络，其耦合到所述放大器的所述输入和输出；

并且其中所述补偿级包括可选电流发生器，其被设计成生成如下电流，所述电流的值随着待发送给所述放大器的所述输入的所述补偿量的变化而变化。

12.根据权利要求10的电路，其中所述读取级包括：放大器，其具有被设计成接收所述检测信号的至少一个输入；以及电容增益网络，其耦合到所述放大器的所述输入和输出；

并且其中所述补偿级包括可调整的电容器单元，其被设计成生成如下电荷量，所述电荷量的值随着待发送给所述放大器的所述输入的所述补偿量的变化而变化。

13.一种电子器件，其包括具有至少一个第一磁阻元件的磁场传感器，以及根据权利要求6所述的、耦合到所述磁场传感器的读取电路；所述电子器件还包括控制单元，所述控制单元耦合到所述读取电路以用于接收所述输出信号。