CN104567943B - 用于获得物理量信息的电路、方法和传感器 - Google Patents

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Abstract

根据实施例，一种用于获得物理量信息的电路，包括：对物理量敏感的传感器布置；对物理量敏感的至少一个另一传感器元件；和供电电路，所述供电电路被配置成向所述传感器布置提供供电信号，所述供电信号包括受闭环配置的所述供电电路控制的供电电压。所述供电电路还被配置成向所述至少一个另一传感器元件提供另一供电信号，所述另一供电信号包括另一供电电流，以便所述另一供电电流的幅度与所述供电信号的供电电流幅度满足预定关系。结果，可能改善存在于改进变量补偿、简化实施、简化制造、简化感测和提供稳定感测条件之间的折衷。

Description

用于获得物理量信息的电路、方法和传感器
技术领域
实施例涉及用于获得物理量信息的电路、方法和传感器。
背景技术
许多应用依赖于对物理量的感测，诸如磁学量、温度、压力、涉及电磁辐射和机械接触(exposure)的物理量，等等。所述应用来自于所有技术领域。例如，一些应用来自于测量机动车的车轮的旋转速度和旋转方向、转向角度，等等。例如，可使用磁场传感器元件、光学传感器元件或其它传感器元件，诸如对机械应力敏感的传感器元件，来执行这些测量。
由于这些传感器的广泛应用，存在简化它们的制造和具体实施以降低例如与这些装置相关的成本的预期。然而，在一些应用中，可靠性以及精确性具有至少一些重要性。不精确源例如来自对稳定感测条件的偏离以及变动，作为两个例子，诸如温度相关或过程相关变动。
因此，存在提高改进变动补偿、简化实施、简化制造、简化感测和提供稳定感测条件之间的折衷的需求。
发明内容
根据实施例的一种用于获得物理量信息的电路，包括对物理量敏感的传感器布置，以及对物理量敏感的至少一个另一传感器元件。根据实施例的电路还包括供电电路，供电电路被配置成向传感器布置提供供电信号，该供电信号包括受闭环配置中的供电电路控制的供电电压。供电电路还被配置成向该至少一个另一传感器元件提供另一供电信号，该另一供电信号包括另一供电电流，以便另一供电电流的幅度与供电信号的供电电流幅度满足预定关系。
一种用于获得物理量信息的方法，包括向传感器布置提供供电信号，该供电信号包括受闭环配置中的供电电路控制的供电电压，其中传感器布置对物理量敏感。该方法还包括向至少一个另一传感器元件提供另一供电信号，该另一供电信号包括另一供电电流，以便另一供电电流的幅度与供电信号的供电电流幅度满足预定关系，其中该至少一个另一信号元件对物理量敏感。
附图说明
将在附图中描述本发明的几个实施例。
图1示出根据实施例的传感器和电路的示意性方框图；
图2示出根据实施例的一种用于获得物理量信息的方法的流程图；
图3示出使用霍尔传感器元件的传感器的示意性方框图；
图4示出使用GMR传感器元件的另一传感器的简化方框图；
图5示出使用GMR传感器元件的进一步传感器的方框图；
图6示出根据实施例的传感器和电路的方框图；
图7示出GMR传递函数；
图8a-8d示出根据实施例的传感器的相移120°的小磁信号的视图；
图9a-9d示出根据实施例的传感器的相移90°的小磁信号的视图；
图10a-10d示出根据实施例的传感器的相移60°的小磁信号的视图；
图11a-11d示出无均匀外部磁场的情况下，根据实施例的传感器的相移45°的小磁信号的视图；
图12a-12c示出根据实施例的传感器的相移90°的大磁信号的视图；
图13a-13c示出例示对于相移90°的小磁信号的传统传感器和根据实施例的传感器之间的比较的视图；
图14a-14c示出例示对于相移60°的小磁信号的更传统传感器和根据实施例的传感器之间的比较的视图；
图15a-15c示出例示对于相移90°的大磁信号的更传统传感器和根据实施例的传感器之间的比较的视图；
图16a-16d示出对于相移90°的小磁场，根据实施例的传感器中的小磁信号响应的视图。
具体实施方式
在下文中，更详细地示出根据本发明的实施例。在该背景下，将使用概括性附图标记同时描述几个物体，或者描述这些物体的共同部件、尺寸、特征等等。概括性附图标记基于它们的个别附图标记。此外，将以相同或类似的附图标记，指示在几个实施例或几幅图中出现的相同或者至少在至少一些它们的功能或结构部件方面类似的物体。为了避免不必要的重复，提及这些物体的说明书部分也涉及不同实施例或不同图的相应物体，除非明确地，或者——考虑说明书的背景和附图——另外暗示指出。因此，类似的或相关物体可具体实施为具有至少一些相同或类似的部件、尺寸和特征，但是也可具体实施为具有不同特性。
在现今世界上，在不同的应用领域中广泛地使用用于物理量的传感器。有关传感器用于检测不同的物理量，诸如磁场相关或电磁相关物理量，以及温度、压力、机械应力等等。取决于应用，设置不同要求、说明和边界条件。其中，可靠性和可用性通常彼此相互作用，至少有时导致矛盾的设计目标。例如，可用性，因此这种传感器的广泛实施可使得易于制造，并且可使传感器的实施更吸引人。然而，仅下列这些设计目标就可能不利地导致传感器可靠性较差和/或精确性较差。
例如，为了提高该传感器的精确性，可能关注实施改进对变动的补偿，诸如温度变动或过程变动。此外，可能期望使传感器能够在更稳定的感测条件下运行，并且简化感测过程。
因此，存在改进对关于传感器的变动补偿、简化其制造过程和实施、提供稳定的感测条件和简化感测过程之间的权衡的需求。如下文更详细所述的，实施例可提供改进上述权衡的机会。
图1示出根据实施例的传感器100的简化方框图。该实施例可改进上述在改进对变动的补偿、简化具体实施、制造和感测能力之间的折衷，并且可通过使用供电电路实现提供更稳定的感测条件，该供电电路向至少一个另一传感器元件提供另一供电信号，该另一供电信号包括另一供电电流，该另一供电电流的幅度与被提供给传感器布置的供电信号的供电电流的幅度满足预定关系。传感器布置本身以闭环配置运行。结果，可以在不引入复杂性的情况下在感测更不稳定或者更多易变组件方面提高补偿能力，这是因为该至少一个另一传感器元件被供以另一供电信号，由于被提供给传感器布置的供电信号的闭环配置，该另一供电信号包括至少一些变动补偿。
传感器100包括用于获得物理量信息的电路110。例如，物理量可能为磁场的强度、磁场的方向、磁场分量的强度、温度、压力、电磁辐射的强度、电磁辐射的频率、电磁辐射的波长和机械接触或应力。
电路110包括对物理量敏感的传感器布置120，以及也对物理量敏感的至少一个另一传感器元件130。图1中所示的实施例包括刚好一个另一传感器元件130，但是其它实施例可包括更多个。该至少一个另一传感器元件130可用于获得关于物理量的另外信息，诸如在物理量有移动不均匀依赖性情况下的方向。
电路110还包括供电电路140，供电电路140被配置成向传感器布置120提供供电信号SS1，供电信号SS1包括受闭环配置下的供电电路140控制的供电电压。在图1中所示的实施例中，供电电路140通过第一节点150耦合至传感器布置120。第一节点150用于耦合反馈电路160，反馈电路160也被称为网1。供电电路140提供具有供电电流的供电信号SS1，从而调节或控制供电信号SS1的供电电压。供电电流是用于调节或控制处于反馈电路60的节点网1处的电压的量。
然而，在更详细地描述闭反馈环的可能具体实施之前，将首先描述电路110。供电电路140还被配置成向该至少一个另一传感器元件130提供另一供电信号SS2，该另一供电信号SS2包括另一供电电流，以便所述另一供电电流的幅度与供电信号SS1的供电电路的幅度满足预定关系。通过使用上面概述的供电电路140，可能通过向另一传感器元件130提供取决于传感器布置120的运行条件的供电电流，来改进上述折衷。换句话说，至少部分考虑对传感器元件120的影响，向另一传感器元件130提供另一供电信号SS2。例如，因此可至少部分补偿温度变动、过程变动或其它变动导致的对传感器100及其传感器元件的影响。
换句话说，另一供电信号SS2包括不可调节电压，或者又换句话说，是在开环中产生的电压。无意将其保持为恒定值。
可任选地，可设置另一供电信号SS2，从而另一供电电流的幅度本质上与供电信号SS1的供电电流的幅度成比例。例如，另一供电电流可为被提供给传感器布置120的供电电流的按比例复制。结果，可能以简单和高效的方式具体实施供电电流140。
例如，如下文更详细所述的，供电电路可选地包括电流镜，该电流镜被配置成基于供电信号的供电电流的幅度，向另一供电信号提供所述幅度的另一电流幅度。
供电信号SS1和另一供电信号SS2两者都可包括交流和/或直流贡献。例如，供电信号SS1、SS2两者都可包括AC(交流电)和/或DC分量(直流电)。
返回到用于提供供电信号SS1的闭环配置，可选地，供电电路140被配置成，保持供电信号SS1的供电电压的幅度本质上恒定。在图1中所示的实施例中，供电电路140被提供指示供电信号SS1的供电电压的参考信号RS。然后，如图1中所示，供电电路140可被配置成提供供电信号SS1，以便通过第一节点150反馈的电压本质上恒定，并且可选地，与参考信号RS相同。因此，供电电路140的闭环配置将被供应给供电电路140的两个电压调节为相同。在该情况下，参考 信号RS代表用于调节第一节点150和与其耦合的反馈电路160的电目标。结果，供电电压独立于将由另一传感器元件130和传感器布置120感测的物理量。
可选地，传感器100或电路110可选地包括感测电路170，感测电路170被耦合至该至少一个传感器元件130，并且被配置成产生指示将被确定的另外物理量信息的输出信号OS。在图1中所示的实施例中，感测电路170被耦合至第二节点180，在图1中也将第二节点180称为网2。第二节点180布置在供电电路140和另一传感器元件130之间。这允许感测电路170感测被供应给该至少一个另一传感器元件130的电压。
如上所述，图1中所示的实施例包括仅单个另一传感器元件130。然而，在传感器100或电路110的其它实施例中，可采用超过一个另一传感器元件130。因此，可使用多个另一传感器元件130，并且例如该另一传感器元件130耦合至感测电路170。
返回到传感器布置120，应注意，传感器布置120可被配置成产生下列信号，该信号指示物理量关于方向190的空间变化。为了例示该变化，在图1的下部，沿方向190将物理量例示为指向上的箭头，其长度指示相应的物理量。
可选地，传感器布置120可包括能够感测图1中例示的这种物理量空间变化的单个传感器元件200。然而，在其它实施例中，传感器布置120可包括多个传感器元件200，该多个传感器元件200对物理量敏感，并且被布置成使得传感器元件200能够产生指示上面概述的空间变化的信号。
为了更精确，在图1中所示的实施例中，传感器布置120包括沿方向190至少部分空间移位的四个传感器元件200-1，…，200-4。由于它们沿方向190的空间布置，所以可能耦合传感器元件200，以便传感器元件布置120能够产生指示物理量沿方向190的空间变化的上述信号，允许差分测量所述物理量。
这里，传感器元件200被布置成形成半桥210-1、210-2。两个半 桥210每个都分别包括至少两个传感器元件200-1、200-2和200-3、200-4，以及分别耦合在该至少两个传感器元件200之间的节点220-1、220-2。可在半桥210的节点220处获得指示物理量的空间变化的信号。
图1中所示的电路110的两个半桥和传感器100可彼此独立地运行。因此，实施例可具体实施为仅一个或更多独立使用的半桥210。然而，在图1中所示的实施例中，传感器元件布置120包括并联连接以形成全桥的两个半桥210。结果，全桥能够提供指示可分别在两个半桥210-1、210-2的节点220-1、220-2处获得的空间变化的信号。自然，也可能具体实施超过两个半桥以形成全桥。
由于传感器元件200的布置，所以沿方向190，可将可在相应半桥210的节点220处获得的信号视为指示物理量BR和BL的差，并且因此，指示差分量BR-BL。换句话说，在节点220处，示出取决于BR-BL的差分信号。应注意，图1的下部中示出的最右侧箭头代表作用在另一传感器元件130上的物理量。
因此，供电电路140提供的电流SS1可取决于传感器元件200-1，…，200-4感测的物理量。因此，电流SS1中可包括作用在传感器布置120的这些传感器元件200上的物理量平均值230的信息。取决于将感测的物理量，传感器元件200以及另一传感器元件130可以是能够检测相应的物理量的任何传感器元件。例如，传感器元件200以及另一传感器元件130可以是磁场传感器元件、温度传感器元件、压力传感器元件、光检测传感器元件或对机械接触或应力敏感的传感器元件。
仅举几个例子，例如，磁场敏感传感器元件可包括各向异性磁阻传感器元件(AMR)、巨磁阻传感器元件(GMR)、隧穿磁阻传感器元件(TMR)、超巨磁阻传感器元件(EMR)、横向霍尔传感器元件或垂直霍尔传感器元件。当然，当将感测其它物理量时，也可能为压力传感器、温度传感器等等。当然，将感测的物理量可能受允许间接感测该物理量的另一物理量的影响。例如，虽然所使用的传感器元 件200、130对特定物理影响敏感，因此，对特定物理量敏感，但是将感测或测量的物理量可仅间接地影响传感器元件130、200，以导致该物理影响可由相应的传感器元件130、200检测。
传感器布置120和该至少一个另一传感器元件130两者都可进一步耦合至用作参考电势，诸如地电势的端子240。应注意，该至少一个另一传感器元件130仅被提供另一供电信号SS2。换句话说，另一传感器元件130不被图1中所示的实施例中的另外组件偏置。
传感器元件布置120可包括电阻传感器元件200，电阻传感器元件200由于作用在相应的传感器元件200上的物理量的平均值230，而改变它们的电流消耗。当然，这也可应用于另一传感器元件130，或被供应另一供电信号SS2的另一传感器元件130。
当作用在传感器布置120的传感器元件200上的物理量的平均值230改变时，由于提供供电信号SS1的本质上恒定供电电压的闭环配置，供电信号SS1的供电电流相应地改变，从而保持供电信号SS1的供电电压本质上恒定。
由于另一供电信号SS2的另一供电电流和供电信号SS1的供电电流满足预定关系，所以例如将通过提供供电电流的按比例复制，导致平均值230变化的物理量的变化至少部分地被传递给另一传感器元件130的另一供电信号SS2。结果，例如，感测电路170可能能够在第二节点130处感测指示物理量的平均值230与作用在另一传感器元件130上的物理量的差的电压。
可选地，例如，检测电路170可被耦合至传感器布置120，例如分别耦合至半桥210-1、210-2的节点220-1、220-2，从而使得检测电路170能够检测，并且可选地处理半桥210提供的信号。在该情况下，输出信号OS可以是作用在传感器布置120的传感器元件200上的平均值230的指示，物理量沿方向190的梯度或另一空间依赖性或变化。
图2示出根据实施例的一种用于获得物理量信息的方法的流程图。在第一操作O110中，传感器布置120被提供供电信号SS1，供电信号SS1包括受闭环配置的供电电路140控制的供电电压。传感器 布置120对物理量敏感。在操作O110中，至少一个另一传感器元件130被提供另一供电信号SS2，该另一供电信号SS2包括另一供电电流，以便另一供电电流的幅度与供电信号SS1的供电电流的幅度满足上述预定关系，其中该至少一个另一传感器布置130也对物理量敏感。
然而，应注意，到目前为止不要求以所述顺序执行所述操作。例如，操作顺序可改变，至少部分地时间交叉或同时执行。也可作为整体或至少部分地重复处理该操作。
如上所述，在大量技术应用中使用传感器。在一些应用中，不仅关注对实际物理量或沿方向190的空间变化的检测，而且也关注检测与传感器或其传感器元件相关的物理量的速度或运动。例如，实例来自检测车轮旋转，诸如汽车或另一机动车的车轮的旋转，检测转向角度及其变化的领域，或类似应用。
将在该背景下解决的一种重要挑战在于检测典型的不均一物理量相对于传感器的运动速度和方向。传感器的传感器元件通常对相应的物理量敏感，并且例如，可传输与物理量成比例的或者具有关于物理量的另一功能依赖性的单端输出信号。与差分输出信号相比，传感器元件通常仅提供指示物理量而非物理量的差、梯度等等的信号。
因此，为了检测移动速度和方向，通常使用超过单个传感器元件的布置。实例或应用来自于，但是显然不限于检测磁极轮或齿轮的旋转、检测热波或检测压力波，等等。
在检测磁极轮或齿轮旋转的情况下，例如，传感器可能为巨磁阻传感器元件(GMR)，并且相关的物理量为移动或调制磁场的强度和/或方向。在检测热波的情况下，传感器元件可能为热变电阻器，并且将被检测的物理量为温度。因此，在检测压力波的情况下，传感器元件可为压变电容，物理量为压力。
对于传输差分输出的传感器元件，诸如霍尔元件，存在解决方案。图3示出这种解决方案的简化方框图。图3中所示的电路包括提供信号B1、B2和B3的三个霍尔元件300-1、300-2、300-3，这三个霍尔元件300-1、300-2、300-3沿方向320定向，以便霍尔元件300-2为右 霍尔元件，霍尔元件300-3为中心霍尔元件，并且霍尔元件300-1为左霍尔元件。
第一和第二霍尔元件300-1、300-2被耦合至差分放大器310，差分放大器310包括加法块330，加法块330从霍尔元件300-2的信号B2减去霍尔元件300-1的信号B1，以获得差分信号dB＝B2-B1，然后其被用因子gS1放大。
电路还包括差分方向计算的另一前置放大器350，另一前置放大器350包括另一加法块360，所有三个霍尔元件300-1、300-2、300-3都耦合至该另一加法块360。该另一加法块360计算霍尔元件300-3提供的信号B3与霍尔元件300-2的信号B2以及霍尔元件300-1的信号B1的算术平均值的差，以获得方向信号dBdir＝B3–(B2+B1)/2。该另一前置放大器350还包括将信号dBdir以因子gd放大的另一放大器370。
在图3中所示的实例中，产生两条差分信号路径，一个与右物理量(BR)和左物理量的差(BL：右-左物理量BR-BL)同相，并且另一个在中心。对于单端传感器元件，如GMR传感器元件，能够使用惠斯通桥配置以获得差分信号。在图4中示出一种可能实施。
传统上，也可使用集中传感器元件(单核单元)。然而，单核单元可能不能抑制物理量相对差分量的均匀变化。例如，最终可能不能区分动态均匀干扰磁场与移动极轮或另一所需磁场源导致的差分磁场。这可能在存在外部干扰时，导致传感器的鲁棒性极大受损。
图4中所示的电路在速度路径400中包括惠斯通桥配置410，惠斯通桥配置410包括两个并联半桥，两个并联半桥每个都分别包括彼此串联耦合的两个GMR传感器元件420-1、420-2和420-3、420-4。在相应GMR传感器元件420的两个串联连接中的每个连接之间，都耦合节点430-1、430-2，可在被耦合至差分放大器440的该节点处获得感测电压Vbr_sense。在差分放大器440的输出端处，可获得指示被施加至GMR传感器元件420的磁场的空间变化的输出信号。例如，该信号可指示产生磁场的磁场源的变化速度，GMR传感器元件420 受到该磁场。
作为全桥的惠斯通桥410被耦合在用于参考电势450的端子和包括运算放大器470的电源电路460之间，向运算放大器470提供参考电势V_ref和反馈电压，参考电势V_ref被提供给运算放大器470的同相输入端，并且反馈电压被提供给运算放大器470的反相输入端，在运算放大器470的输出端处提供该反馈电压。因此，向惠斯通桥410供应经调节电压Vbr(桥电压)。
然而，图4中所示的电路还包括中心路径480，中心路径480完全独立于速度路径400及其电源电路460延伸。中心路径480包括中心GMR传感器元件490(Rgmr_C)。对于中心元件490，使用非敏感参考，以获得伪差分信号。
更精确地，中心GMR传感器元件490耦合在用于参考电势500的端子500和固定电流源520和另一电流源530与其耦合的节点510之间。在固定电流源520提供基本电流以运行中心GMR传感器元件490的同时，另一电流源530能够提供另外的电流，以补偿更高阶的温度变动。
节点510还被耦合至差分放大器540的同向输入端，在该输入端处，可获得中心GMR传感器元件490的电压Vcent降，并且将其提供给差分放大器540。对于中心GMR传感器元件490，能够使用不敏感参考以获得如图4中所示的伪差分信号。中心路径480还包括具有两个多晶硅(多晶Si)电阻器560和耦合在两个多晶硅电阻器560之间的节点570的的分压器550，节点570被耦合至差分放大器540的反相输入端。分压器550耦合在用于外部电源VDD的端子580和用于参考电势的端子590之间。
在差分放大器540的输出端处，可获得指示关于存在于分压器550的节点570处的固定电压的存在于中心GMR传感器元件490处的磁场的信号。结果，在差分放大器540的输出端处，可获得伪差分信号。
为了完整性，应注意，中心GMR传感器元件490可被沿一定方向布置在下列元件之间，即包括惠斯通桥410的GMR传感器元件 420-1、420-4的所谓的左GMR传感器元件，以及包括惠斯通桥410的GMR传感器元件420-3、420-2的所谓的右GMR传感器元件。
图4中所示的解决方案可受下列事实影响，即可能难以获得与GMR传感器元件420、490的温度和/或过程相关变动相关的参考值。可能将任何失配都检测为信号。可使用复杂的更高阶修剪方案减轻该问题。克服该问题的解决方案可能在于使用多桥配置，并且避免采用单传感器GMR传感器元件。在图5中示出实例。
图5示出非常类似于图4的电路。该电路也包括速度路径400，该速度路径400与图4中所示的电路的速度路径400相同。同样地，电源电路460相同，并且相同地耦合至速度路径400。
仅关于中心路径480及其电源，图5中所示的电路与图4的不同。更精确地，代替单中心GMR传感器元件490，图5中所示的电路包括具有惠斯通桥410’的另一或方向路径485，惠斯通桥410’继而包括两个半桥。第一半桥包括第一中心GMR传感器元件490-1，以及GMR传感器元件420-2或被设置在惠斯通桥410的GMR传感器元件420-2附近的GMR传感器元件。类似地，惠斯通桥410’的第二半桥包括串联连接的GMR传感器元件420-3或者被设置在附近的GMR传感器和第二中心GMR传感器元件490-2。在相应的GMR传感器元件490-1、420-2和420-3、490-2之间，分别包括节点430’-1、420’-2，节点430’-1、420’-2分别被耦合至差分放大器540的同相和反相输入端。因此，中心路径480的差分放大器540处于被供以第二感测电压Vvr_sense2的图5中所示的电路中。
中心路径480的惠斯通桥410’也被耦合至运算放大器470的输出端，也向中心路径480的惠斯通桥410’提供运算放大器470。因此，速度路径400和中心路径480的两个惠斯通桥410、410’分别以相同的经调节桥电压Vbr运行。
图5中所示的该解决方案的较不吸引人的一点在于，使用耦合到方向路径的全桥中的许多GMR传感器元件420、490。此外，通过使用用于两个惠斯通桥410的GMR传感器元件420-3、420-2或者至少 类似定位的GMR传感器元件420，可在速度路径400和方向路径485之间存在可能取决于传感器间距的非恒定相移。此外，方向路径485可能较不敏感，除非使用一对中心GMR传感器元件490和第二对右探针420-2、420-3。这些另外的中心GMR传感器元件与第一对间隔开的距离可以与右和左GMR传感器元件之间的距离一样大。然而，这可导致芯片更大，或者至少导致芯片宽度更大。
根据实施例的电路110和传感器100可通过产生用于也可被称为中心元件的该至少一个单端另一传感器元件130的参考值来克服这些缺点，其中参考值与其它传感器元件200的温度和过程漂移相关。参考信号(另一供电信号SS2)可使根据实施例的电路110和传感器100本质上对制造公差更有鲁棒性。此外，可能与差分配置中一样抑制均匀存在的物理量，而不需要另外的惠斯通桥。此外，如下文所述的，可能独立于传感器元件间距而在速度和方向信号之间提供更有利的相位关系，这可能产生更简单和可靠的信号处理算法。可通过中心路径获得方向信号。
仅为了简化，在下文中，将更详细地描述用于检测磁极轮的旋转速度和方向的GMR磁传感器的实施例。然而，应注意，该实施例仅代表实例，并且能够易于延伸至其它应用，以及上文所述的更普遍目的的实施例。
图6示出根据实施例的基于GMR的传感器100的电路图。传感器100再次包括用于获得物理量信息的电路110，在本实例中，该物理量为磁场相关物理量。该传感器还包括传感器布置120，传感器布置120被具体实施为惠斯通桥或全桥，该惠斯通桥或全桥包括与节点220-1、第一半桥210-1一起形成的GMR传感器元件200-1、200-2，以及与节点220-2、第二半桥210-2一起形成的GMR传感器元件200-3、200-4。节点220耦合在相应半桥210的上述传感器元件200的串联连接之间。如上文在图1的背景下所述的，在半桥210的节点220处，可获得桥传感器电压，例如，该桥传感器电压可指示被施加至传感器元件200的磁场的速度、空间变化等等。然而，仅为了简化， 在图6中，两个节点220-1、220-2不耦合至像图6中也示出的检测电路170那样的检测电路的评估。
除了也对物理量敏感的传感器布置120之外，电路110和传感器100还包括至少一个另一传感器元件130，在图6中所示的实施例中，该另一传感器元件130也被具体实施为GMR传感器元件。因此，另一传感器元件130也对物理量敏感，或者更精确地，对磁场敏感。当然，实施例还可包括超过仅一个图6中所示的另一传感器元件130。
在关于方向190(图6中未示出)的定向方面，另一传感器元件130可被布置在包括传感器元件200-1和200-2的所谓左传感器元件和所谓的右传感器元件200-3、200-2之间。换句话说，每个半桥210都包括至少一个左传感器元件和至少一个右传感器元件，但是，例如另一传感器元件130可被布置在上述左和右传感器元件之间。然而，在不同实施例中，另一传感器元件130或多个另一传感器元件130可被布置在不同位置中。
电路110还包括供电电路140，供电电路140也被配置成向传感器布置120提供供电信号SS1，供电信号SS1包括受闭环配置的供电电路140控制的供电电压。此外，供电电路140也被配置成向该至少一个另一传感器元件130提供另一供电信号SS2，该另一供电信号SS2包括另一供电电流，以便另一供电电流的幅度满足与供电信号SS1的供电电流的幅度满足预定关系。稍微更具体地，另一供电信号SS2的另一供电电流本质上与供电信号SS1的供电电流的幅度成比例。为了能够做到这一点，供电电路140包括电流镜600，电流镜600被配置成基于供电信号SS1的供电电流的幅度，向另一供电信号SS2提供所述幅度的另一电流幅度。
为了促进该目标，电流镜600包括在图6中所示的实施例中被具体实施为p沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的第一晶体管610，也被具体实施为p沟道MOSFET的第二晶体管620和第三晶体管630。这三个晶体管610、620、630每个都包括被耦合至用于外部供电电压VDD的端子640的源极端子。此外，晶体管610、 620、630每个都包括彼此互连的栅极端子。第一晶体管610的漏极端子也被耦合至第一、第二和第三晶体管610、620、630的栅极端子。因此，第一晶体管形成电流镜600的输入端。
第二晶体管620的漏极触点或端子形成供电电路140的输出端，在该输出端处产生供电信号SS1，并且该供电信号SS1被提供给传感器布置120。换句话说，传感器布置120的两个半桥210-1、210-2被并联地耦合至第二晶体管620的漏极端子。
在第三晶体管630的漏极端子处提供另一供电信号SS2，并且通过在图1的背景下描述的第二节点180，将另一供电信号SS2传送到另一传感器元件130中。传感器布置120的传感器元件200以及另一传感器元件130两者都被耦合至用于参考电势，诸如地电势的端子240。
当向电流镜600的输入分支中提供电流，或者换句话说，通过第一晶体管610传送电流，电流镜600在第二和第三晶体管620、630两者中复制成比例电流。本质上由第二晶体管620关于第一晶体管610，以及第三晶体管630关于第一晶体管610的布局确定所述比例。例如，在MOSFET实施的情况下，相应晶体管610、620、630的沟道宽度和基于其的比率可确定或至少部分影响电流镜600的比例因子。
基于供电电路140，产生流经第一晶体管610和耦合在第一晶体管610和用于参考电势的另一端子240之间的第四晶体管650的控制电流CC。更精确地，第四晶体管650的源极触点耦合至用于参考电势的端子240，例如地电势，而第四晶体管650的漏极触点或端子耦合至第一晶体管610的漏极端子。第四晶体管650的栅极端子耦合至运算放大器600的输出端。运算放大器660的同相输入端被提供指示供电信号SS1的供电电压的参考电压，也称为桥电压Vbr。运算放大器的反相输入端被耦合至第一节点150，如上所述，第一节点150耦合在供电电路140的输出和传感器布置120之间。
因此，第一节点150和运算放大器660的反相输入端之间的电连 接形成反馈电路660，反馈电路660用于产生被提供给传感器布置120的经调节或控制电压Vbr。由于反馈电路660，所以供电电路140以上述闭环配置运行。
换句话说，供电电路140包括电压调节器670，电压调节器670包括第一和第四晶体管610、650、运算放大器660和至少部分反馈电路160。
控制电流CC以及流经第二和第三晶体管620、630的电流在它们的幅度方面取决于传感器元件200-1，…，200-4感测的物理量。因此，在这些电流中包括关于物理量值的平均值的信息。
基于流经第一晶体管610并因此流经电流镜600的输入路径的控制电流CC，供电信号SS1的供电电流包括下列幅度，该幅度通过所涉及的晶体管620、610的上述比例因子而幅度基于控制电流的幅度，而供电信号SS1的供电电压Vbr受包括反馈电路160的电压调节器670的控制。
此外，也响应基于至少部分由所涉及的晶体管630、610确定的比例性因子的控制电流CC，通过供电电路140及其电流镜600提供另一供电信号SS2的另一电流。然而，应注意，不控制另一供电信号SS2的感测电压，所以该至少一个另一传感器元件130以开环模式或配置运行。
通过采用基于控制电流CC的具体实施，可更简单地具体实施闭环配置，以控制供电信号SS1的供电电压。另外或可替换地，与直接影响供电信号SS1的供电电流相比，可更能量高效地和/或更精确地控制供电电流和另一供应电流。
传感器100，或者可选地，在图6中所示的实施例中，电路110还包括检测电路170，检测电路170耦合至第二节点180和第一节点150。稍微更具体地，第二节点180耦合至检测电路170的差分放大器680的同相输入端，并且第一节点150耦合至差分放大器680的反相输入端。在差分放大器680的输出端处，差分放大器680能够产生指示关于物理量的信息的输出信号。
检测电路170的差分放大器680耦合至供电电路140，从而例如从第一节点150接收包括供电信号SS1的供电电压的第一信号。差分放大器680的第二输入端可耦合至该至少一个另一传感器元件130，从而接收第二信号。第二信号可包括例如通过第二节点180的另一供电信号SS2的感测电压。该感测电压可对应于，或可指示该至少一个另一传感器元件130的压降。然后，差分放大器可被配置成基于供电电压和差分放大器680的输出端处的感测电压的差，提供输出信号。
在图6中所示的实施例中，感测电路170及其差分放大器60以及该至少一个另一传感器元件130一起形成所谓的中心路径，所谓的中心路径与图4和5中所示的解决方案中的那些类似。
图6中所示的实施例中的基本理念在于通过其右和左探针或传感器元件200，对中心GMR单元或传感器元件130供以下列电流，该电流是流经GMR惠斯通桥(传感器布置120)的电流的复制电流。该复制电流可为根据上述比例的按比例复制电流。
在该情况下，磁场依赖电流流经另一传感器元件130。该电流依赖于传感器元件200-1，…，200-4感测的物理量，所以在该电流中包含关于物理量的平均值的信息。中心路径690的参考电压是GMR惠斯通桥(传感器布置120)的供电信号SS1的供电电压。
为了更详细地例示，在下文中，将导出在GMR传感器元件200、130的灵敏度的直线区域中有效的方程。假定通过下列公式给出将感测的磁场以及它们的均匀分量：
在传感器布置120(惠斯通桥)中流动的电流为：
其中RGMR(1+αΔT+...)代表GMR电阻及其温度系数。S为直线区域中的GMR灵敏度。使用在中心GMR(另一传感器元件130)中流动的复制电流，处于第二节点180处的感测电压为
作为第一结果，应注意，消去了GMR的电阻(及其温度系数)。此外，在假定灵敏度远低于1时，能够以泰勒级数重写上述方程，从而与其近似，删去第一阶：
通过忽略(二阶S2无穷小)并且减去与磁场独立的恒定电压，能够将中心路径690处的差分电压表达为：
取代磁场导致：
能够易于注意到，消去了均匀场Bhom(t)。通过使用三角函数公式展开半和项，得到：
考虑到右-左GMR惠斯通桥(传感器布置)的输出差分信号，得出：
通过分析方程(1.1)和(1.2)，能够推断出：
-Vcent,diff信号始终与中心GMR(另一传感器元件130)感测的磁场同相。
-Vcent,diff始终与惠斯通桥输出Vbr,sense正交。
-在处，Vcent,diff等于Vbr,sense的幅度。对于中心信号小于Vcent,diff，而对于所发生的相反，因为
图7示出GMR传感器元件的传递函数，GMR传感器元件可被用作传感器布置120的传感器元件200，或者用作该至少一个另一传感器元件130其中之一。在近似-8.5mT至+8.5mT的窗口中，GMR传感器元件示出基本线性的行为。在该窗口外部，观察到饱和行为。
在随后的附图中，将示出通过图6中所示的方框水平电路的具体实施获得的模拟结果。
首先，以小正弦磁信号刺激GMR单元或传感器元件200、130(右-中心-左)，以便在上述灵敏度线性区域中例示操作。如图7中所示地，对以磁场变化上的百分比电阻变化表达的GMR传感器元件的传递函数建模。
将线性范围内的灵敏度假定为S＝0,76％/mT。根据方程(1.1)，中心路径中的中心信号和灵敏度比例取决于右/左(或中心/左)之间的相移。比例因子为：
在下面的图中，对相移使用和
图8a-8d示出在将小磁信号应用于图6中所示的传感器100的情况下的信号的不同视图。在中心路径680的背景下使用的相移。更确切地，图8a示出感测到的磁信号。图8b示出中心GMR传感器装置(另一传感器装置130)中的复制电流。图8c示出中心GMR传感器元件的电压，以及在中心路径690中使用的参考电压。图8d示出根据方程(1.3)的第二节点180处的Vcent关于其平均值的百分比变化。图9a-9d示出相移的相同小磁信号，而图10a-图10d示出相移的相同小磁信号。此外图11示出相移的信号的相同附图。应注意，在这些图中，中心位置也被称为缩写为字母“M”的中间位置。
在下面的图中，基于图7的GMR传输特性而介绍GMR传感器元件的饱和效应。以大正弦信号刺激传感器元件。GMR电阻中的饱 和结果反映到在中心GMR(另一传感器元件130)中流动的电流中。在相移的情况下，复制电流仍恒定，虽然在该模拟中可见小变动，该小变动是由于电容性耦合导致的，因为饱和效应对称。中心信号仍与处于中间或中心GMR传感器元件(另一传感器元件130)处的磁信号同相。然而，信号序列为矩形的，并且不再为正弦形。
图12a-12c示出的中心路径690中的大磁信号的视图。图12a示出感测到的磁信号，图12b示出中心GMR传感器元件(另一传感器元件130)中的复制电流，以及中心GMR两端的电压。图12c示出中心路径中使用的参考电压。
在下文中，将给出更传统方法和中心路径690的新拓扑结构的简短比较。由于可使用差分测量的传感器布置120(即，可抑制外部均匀磁场)具体实施采用实施例的新概念，所以可提供与另一差分解决方案的比较，除了例如图5中所示的右-左惠斯通桥410之外，该另一差分解决方案还由第二惠斯通桥410’组成。该比较基于具有两个右和两个中心GMR传感器元件的具体实施。
对于和的小磁信号和大磁信号进行分析。为了完整，也提供右-左惠斯通桥410的结果差分信号。如方程(1.1)和(1.2)中所述，在新拓扑结构中，可独立于相移，而提供中心路径信号和差分右/左信号之间的正交，以便可使用GMR灵敏度的线性区域中的操作。也就是说，相反，通常不是右-中心惠斯通桥解决方案的情况。
更具体地，图13和14分别示出相移和的上述更传统具体实施和根据实施例的小磁信号的具体实施的比较。图13a和14a示出感测到磁信号，而图13b和14b示出根据实施例的具体实施中(粗线)和右-中心惠斯通桥410’中的中心路径的差分电压。图13c和14c分别示出图6和5中的右-左惠斯通桥120、410的差分电压。
在大磁信号下，在相移的情况下，使用图6中示出的实施例中心路径和差分路径仍正交，因为饱和效应在右和左GMR传感器元件处对称发生。为了更详细地例示该情况，图15a-15c示出例示相移的情况下对于大磁信号的更传统具体实施例和根据实施例的 具体实施之间的比较的视图。图15a示出感测到磁信号，而图15b示出使用根据实施例的具体实施(粗)的中心路径690和图5中所示的右-中心惠斯通桥410’的差分电压。最后，图15c分别示出图6和5的右-左惠斯通桥120、410的差分电压。
图16a-图16d示出模拟结果，该模拟结果基于通过正弦磁场刺激的GMR传感器元件或探针，具有另外的均匀DC或偏移分量。如预期的那样，抑制了电信号Vcent中的偏移分量。
图16a-图16d示出响应相移的小磁信号的视图。图16a示出感测到的磁信号，而图16d示出中心GMR传感器元件中的复制电流。图16c示出中心GMR传感器元件的电压和中心路径690中使用的参考电压。最后，图16d示出中心传感器元件130的灵敏度。
例如，实施例可允许磁速度传感器提供启-停功能性，也可将其成为“0Hz能力”。换句话说，使用实施例，也可能在启-停程序期间以非常低的速度进行方向检测。例如，仅举一个例子，可在车轮速度检测应用中使用实施例。
如上所述，可能使用传统的集中传感器元件(单核单元)。然而，与差分单元相比，单核单元可能不能抑制物理量中的均匀变化。例如，可能最终不能区分动态均匀磁干扰场与移动极轮或另一期望磁场源导致的差分场。这可导致在存在外部干扰的情况下，传感器的鲁棒性受损极大。
说明和附图仅例示了本发明的原理。因而应明白，本领域技术人员将能够做出各种实施例，虽然本文中未明确说明或示出这些各种实施例，但是该实例具体实施本发明的原理，并且被包括在其精神和范围内。此外，本文所列的所有实例原则上都明白地旨在仅用于帮助读者理解本发明的原理和发明人促成的概念的教育目的，从而促进本领域的发展，并且应被解释为不限于这些特定列出的实例和条件。此外，本文所列的本发明原理、方面和实施例及其特定实例的所有陈述都有意涵盖其等价物。
本文所述的方法可被具体实施为软件，例如计算机程序。可通 过例如被写入存储器位置的程序执行子过程。类似地，可通过从相同或另一存储器位置读取，阿狸执行数据的读取和接收。存储器位置可为寄存器或适当硬件的另一存储器。通过使用专用硬件，诸如“成形器”、“确定器”等等，以及能够执行关联适当软件的软件的硬件，来提供图中所示的包括被标以“装置”、“用于成形的装置”、“用于确定的装置”等等的任何功能块的各种元件的功能。当由处理器提供时，可由单个专用处理器、由单个共享处理器或由其中一些可被共享的多个个别处理器提供这些功能。此外，明确使用的术语“处理器”或“控制器”不应被解释为排外地涉及能够执行软件的硬件，并且可暗示地包括，但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、应用程序专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。也可包括传统和/或定制的其它硬件。类似地，图中所示的任何开关都仅为概念性的。可通过编程逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的相互作用、可由具体实施人选择并且特别可从本文理解的特殊技术，执行它们的功能。
本领域技术人员应明白，本文中的任何方框图都仅代表具体实施本发明原理的例示性电路的概念图。类似地，应明白，任何流程图表、流程图、状态过渡图、伪码等等都代表各种过程，该各种过程基本可在计算机可读介质中表现，并且也可由计算机或处理器执行，无论该计算机或处理器是否被明确示出。
此外，因此将下文权利要求包含到详细说明中，其中，每个权利要求都可作为单独的实施例自身成立。虽然每个权利要求都可作为单独实施例自身成立，但是应注意——虽然从属权利要求可能在权利要求中提及与一个或更多其它权利要求的特定组合——但是其它权利要求也可包括从属权利要求与每个其它从属权利要求的主题的组合。在本文中提出这些组合，除非声明不希望有该特定组合。此外，有意也将权利要求的特征包含到任何其它独立权利要求中，即使是不直接从属于该独立权利要求的权利要求也是如此。
还应注意，可通过具有用于执行这些方法中的每个相应步骤的措施的装置，具体实施本说明书中或权利要求中公开的方法。
此外，应理解，本说明书或权利要求中公开的多个步骤或功能的公开不应被理解为在特定顺序内。因此，多个步骤或功能的公开不会将这些步骤或功能限于特定顺序，除非出于技术原因这些步骤或功能不可互换。
此外，在一些实施例中，单个步骤可包括，或者可被分离为多个步骤。除非明确排除，否者这些子步骤都可被包括在该单个步骤的公开中，并且为该单个步骤的一部分。

Claims (14)

1.一种用于获得物理量的信息的电路，所述电路包括：
对所述物理量敏感的传感器布置；
对所述物理量敏感的至少一个另一传感器元件；
供电电路，配置成向所述传感器布置提供供电信号，所述供电信号包括受闭环配置的所述供电电路控制的供电电压，其中所述供电电路还被配置成向所述至少一个另一传感器元件提供另一供电信号，所述另一供电信号包括另一供电电流，以便所述另一供电电流的幅度与所述供电信号的供电电流的幅度满足预定关系；和
检测电路，所述检测电路被耦合至所述至少一个另一传感器元件，并且被配置成产生指示所述物理量的信息的输出信号，
其中所述检测电路包括差分放大器，所述差分放大器被耦合至所述至少一个另一传感器元件，并且被配置成产生指示所述物理量的信息的输出信号，
其中所述差分放大器的第一输入被耦合至所述供电电路，从而接收包括所述供电信号的所述供电电压的第一信号，其中所述差分放大器的第二输入被耦合至所述至少一个另一传感器元件，从而接收包括指示所述至少一个另一传感器元件两端的电压降的感测电压的第二信号，并且其中所述差分放大器被配置成在所述差分放大器的输出端处基于所述供电电压和所述感测电压的差来提供所述输出信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述供电电路被配置成使得，根据所述预定关系，所述另一供电电流的所述幅度本质上与所述供电电流的幅度成比例。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述供电电路包括电流镜，所述电流镜被配置成基于所述供电信号的供电电流的所述幅度，向所述另一供电信号提供所述另一电流的所述幅度。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述电流镜还被配置成，基于控制电流的幅度，向所述供电信号提供所述电流的幅度，并且向所述另一供电信号提供所述另一电流的幅度。
5.根据权利要求4所述的电路，其中所述供电电路被配置成控制所述控制电流的幅度，以便在所述闭环配置中控制所述供电信号的所述供电电压。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述供电电路被配置成保持所述供电信号的所述供电电压的幅度本质上恒定。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述传感器元件布置包括对所述物理量敏感的多个传感器元件，所述传感器元件布置被配置成产生指示所述物理的空间变化的信号。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述传感器元件布置的至少两个传感器元件沿一定方向空间移位，并且被耦合成使得所述传感器元件布置被配置成产生指示所述物理量沿所述方向的空间变化的信号。
9.根据权利要求7所述的电路，其中所述传感器元件布置的至少两个传感器元件彼此耦合，以形成至少一个半桥，所述至少一个半桥包括至少两个传感器元件和耦合在所述至少两个传感器元件之间的节点，其中指示所述空间变化的信号在所述至少一个半桥的节点处是可获得的。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述传感器元件布置包括并联耦合的至少两个半桥，以便指示所述空间变化的信号在所述至少两个半桥的节点处是可获得的。
11.根据权利要求1所述的电路，其中所述物理量包括下列物理量至少一个，即磁场强度、磁场方向、磁场分量的强度、温度、压力、电磁辐射的强度、电磁辐射的频率、电磁辐射的波长和机械应力。
12.根据权利要求1所述的电路，其中所述传感器布置包括至少一个传感器元件，并且其中所述传感器元件布置的所述至少一个传感器元件和所述另一传感器元件包括下列元件至少其中之一，即磁场敏感传感器元件、温度传感器元件、压力传感器元件、光检测传感器元件和对机械接触敏感的传感器元件。
13.一种用于获得物理量的信息的方法，所述方法包括：
向传感器布置提供供电信号，所述供电信号包括受闭环配置的供电电路控制的供电电压，所述传感器布置对所述物理量敏感；
向至少一个另一传感器元件提供另一供电信号，所述另一供电信号包括另一供电电流，以便所述另一供电电流的幅度与所述供电信号的供电电流的幅度满足预定关系，其中所述至少一个另一信号元件对所述物理量敏感；以及
提供检测电路，所述检测电路被耦合至所述至少一个另一传感器元件，并且被配置成产生指示所述物理量的信息的输出信号，其中所述检测电路包括差分放大器，所述差分放大器被耦合至所述至少一个另一传感器元件，并且被配置成产生指示所述物理量的信息的输出信号，
在被耦合至所述供电电路的所述差分放大器的第一输入处，接收包括所述供电信号的所述供电电压的第一信号；
在被耦合至所述至少一个另一传感器元件的所述差分放大器的第二输入处，接收包括指示所述至少一个另一传感器元件两端的电压降的感测电压的第二信号；并且
由所述差分放大器在所述差分放大器的输出端处基于所述供电电压和所述感测电压的差来提供所述输出信号。
14.一种用于获得物理量的信息的传感器，所述传感器包括：
对所述物理量敏感的传感器布置；
对所述物理量敏感的至少一个另一传感器元件；
供电电路，配置成向所述传感器布置提供供电信号，所述供电信号包括受闭环配置的所述供电电路控制的供电电压，其中所述供电电路还被配置成向所述至少一个另一传感器元件提供另一供电信号，所述另一供电信号包括另一供电电流，以便所述另一供电电流的幅度与所述供电信号的供电电流的幅度满足预定关系；和
检测电路，耦合至所述至少一个另一传感器元件，并且被配置成产生指示所述物理量的信息的输出信号，
其中所述检测电路包括差分放大器，所述差分放大器被耦合至所述至少一个另一传感器元件，并且被配置成产生指示所述物理量的信息的输出信号，
其中所述差分放大器的第一输入被耦合至所述供电电路，从而接收包括所述供电信号的所述供电电压的第一信号，其中所述差分放大器的第二输入被耦合至所述至少一个另一传感器元件，从而接收包括指示所述至少一个另一传感器元件两端的电压降的感测电压的第二信号，并且其中所述差分放大器被配置成在所述差分放大器的输出端处基于所述供电电压和所述感测电压的差来提供所述输出信号。
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