CN108801298A - 电桥传感器偏置和读出 - Google Patents

电桥传感器偏置和读出 Download PDF

Info

Publication number
CN108801298A
CN108801298A CN201810390732.4A CN201810390732A CN108801298A CN 108801298 A CN108801298 A CN 108801298A CN 201810390732 A CN201810390732 A CN 201810390732A CN 108801298 A CN108801298 A CN 108801298A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
pair
circuit
pumping signal
sensor structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810390732.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108801298B (zh
Inventor
J·拉曼
P·龙包茨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Melexis Electronic Technology Co Ltd
Melexis Technologies SA
Original Assignee
Melexis Electronic Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Melexis Electronic Technology Co Ltd filed Critical Melexis Electronic Technology Co Ltd
Publication of CN108801298A publication Critical patent/CN108801298A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108801298B publication Critical patent/CN108801298B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • G01R33/0029—Treating the measured signals, e.g. removing offset or noise
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/16—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/02—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/225—Measuring circuits therefor
    • G01L1/2262—Measuring circuits therefor involving simple electrical bridges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/202—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using Hall-effect devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • G01R33/072—Constructional adaptation of the sensor to specific applications
    • G01R33/075—Hall devices configured for spinning current measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Technology Law (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及用于偏置和读出电桥传感器结构(2)的电路(1)。该电路包括至少两对连接端子(3)，每对适用于连接到电桥的互补端子。该电路包括激励信号生成器(4)，用于生成用于偏置和/或激励电桥的激励信号，其中该激励信号被提供为非恒定的周期性连续时间函数。该电路还包括检测电路(5)，用于通过将检测电路电连接到连接端子(3)中的任一对同时将激励信号施加到另一对来从电桥传感器结构(2)获得传感器信号。该电路包括开关单元(6)，用于将电激励信号从被供应到连接端子的第一对切换到连接端子的另一对，并且用于将检测电路从被连接到连接端子的第二对切换到连接端子的另一对；以及控制器(7)，用于控制开关单元(6)以在当所生成的激励信号处于预定信号范围内的时间从被连接到激励信号生成器(4)切换第一对，在该预定信号范围中激励信号值大体上等于零。

Description

电桥传感器偏置和读出
技术领域
本发明涉及传感器的领域。更具体而言，它涉及用于电桥传感器结构的偏置和从该电桥传感器结构读出信号的电路和方法，诸如用于偏置和读出惠斯通电桥或霍尔传感器元件的电路和方法。
背景技术
在传感器技术领域中已知使用诸如霍尔板或惠斯通电桥之类的电阻结构用于检测物理量。例如，惠斯通电桥可以用在(例如使用压阻元件)压力传感器中。类似地，霍尔元件可以用于测量电流传感器或角位置传感器中的磁场。在这种传感器中使用的无源电阻结构可能需要例如以电压或电流的形式的激励信号的应用，以便检测输出信号。术语“偏置(biasing)”是指其中施加例如电压或电流的这种激励信号的过程，而术语“读出”是指从电阻结构取回传感器信号，该传感器信号指示待由传感器检测的物理量或指示用于确定待检测的物理量的中间物理量。
自旋(spinning)是用于最先进的传感器偏置和读出方法中的技术，例如用于抑制或补偿电阻电桥结构的偏移(例如霍尔板的偏移)。在这种自旋技术中，结合从不同节点读出传感器信号，首先用于偏置的电阻结构的节点随后可被用于感测，结合使不同的节点偏置。例如，激励信号可以在被施加到第一组节点和第二组节点之间交替，同时在另一组节点上检测输出信号，例如霍尔信号。本领域已知通过突然地将恒定的偏置电压或电流从第一组节点切换到第二组节点而同时地使用另一组用于读出来实现霍尔自旋。
例如，这种自旋技术可以被应用用于霍尔板的偏移补偿。此外，可以使用电桥的自旋用于实施连续的自测试程序，例如对于压力传感器，诸如在英国专利申请号GB2489941中公开的。
由于元件的相对较大的尺寸，电阻结构(诸如霍尔板)可能具有显著的寄生电容。因此，电阻元件可以表现为RC电路，其可以限制设备的动态响应，因此也限制了可实现的自旋速度。此外，由于先前用于偏置的节点可以在应用自旋技术的下面步骤中被用于感测，所以可能需要显著大于RC时间常数的时间以使得偏置电压能够稳定到显著低于偏置电压的值，例如从2V的偏置电压到1μV以下。此外，本领域已知的低噪声放大方法可能需要在一段时间上的连续操作以防止由采样效应引起的噪声混叠。因此，在稳定到低电压之后，必须在足够大的时间跨度上感测输出信号，因此进一步限制可实现的最大自旋速度，同时将噪声维持在可接受的水平。
在特定的应用中，可能需要作为时间的函数的检测到的信号的大带宽。例如，在电流传感器中，可以通过使用霍尔传感器检测相关联的磁场来监测快速变化的电流。期望的信号带宽可以例如与用于补偿传感器偏移的自旋频率具有相同的数量级。此外，灵活的数字处理(例如传感器前端信号的后处理)可能是有利的。对于特定的应用，也可能期望对每个单独的自旋阶段的读出进行采样。通过对每个自旋阶段的输出进行采样，可以提供高度灵活和良好控制的基于采样的处理电路以用于进一步的传感器信号的后端处理。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供诸如电阻桥之类的电桥传感器结构(例如惠斯通电桥或霍尔板)的良好、有效和/或快速的偏置和读出。
上述目标通过根据本发明的方法和设备来实现。
本发明的实施例的优点是，电阻式电桥传感器结构的自旋操作中的节点切换可以在激励信号(例如偏置电压)的零交点附近发生，使得例如由于传感器结构的寄生电容导致的在此切换之后的读出信号的稳定时间可以被减少或避免。例如，当自旋操作被施加到传感器结构时，当在激励信号的零交点附近执行切换时，可以避免或减少在不同自旋阶段之间的瞬态信号。因此，在将一组节点从激励功能切换到感测功能之后可以更快速地读出电阻式电桥传感器结构，因为需要较少的稳定时间来避免在不受控制的瞬态时段(例如其中读出信号可能由不可预测和/或随机行为表征的切换之后的时间帧)期间的被监测的读出信号的积分或求平均操作。
本发明的实施例的优点是可以实现电阻式电桥传感器结构的自旋操作中的快速节点切换，例如以在100kHz至50MHz范围内的切换频率，例如以在500kHz至10MHz的范围内的切换频率，例如以在1MHz至5MHz的范围内的切换频率，例如以约3MHz的切换频率。
本发明的实施例的优点是即使在电阻式电桥传感器结构的高速节点自旋操作中也可以实现低水平的读出噪声。
本发明的实施例的优点是可以使用连续时间读出前端(例如使用诸如电荷积分之类的基于积分的低噪声读出)来实现低水平的读出噪声。
本发明的实施例的优点是可以实现可再现的和/或可预测的传感器灵敏度，例如通过防止、补偿和/或控制偏置源不确定性，诸如电压或电流偏置信号的随机变化，来自动态响应限制的误差和/或读出间隔中的漂移。
本发明的实施例的优点是可以减少或避免供应到电阻式电桥传感器结构的激励信号中的瞬态尖峰和从电阻式电桥传感器结构获得的读出信号中的瞬态尖峰。
本发明的实施例的优点是可以在传感器结构的高速自旋操作中控制、避免和/或补偿电阻式电桥传感器结构的读出偏移。
本发明实施例的优点是可以实现在监测从电阻式电桥传感器结构获得的读出信号时的高时间分辨率同时将噪声维持在可接受的水平。
在第一方面，本发明涉及用于使电桥传感器结构(例如电阻式电桥传感器结构)偏置且用于从该电桥传感器结构读出传感器信号的电路。该电路包括至少两对连接端子，其中每对连接端子适用于连接到所述电桥传感器结构的互补端子。例如，互补端子可以指电桥传感器的相对触点，例如关于电桥(例如十字形或星形电桥)的中心相对。
该电路进一步包括激励信号生成器，用于生成用于偏置(例如用于激励)电桥传感器结构的电激励信号，其中激励信号是基于非恒定的周期性连续时间函数来生成，例如被提供为非恒定的周期性连续时间函数。“非恒定”可以指排除大体上恒定的信号，例如排除不具有实质性时间依赖性的信号。“连续”可以指该术语的数学意义，例如使得在时间上足够小的变化可导致信号值相对于每个时间点的任意小的变化。
因此，该电路进一步包括激励信号生成器，用于生成用于偏置(例如用于激励)电桥传感器结构的电激励信号，其中该激励信号不会突然(例如阶梯式)地改变。
例如，该电激励信号可以在具有小于周期函数的周期的25％的持续时间的任何时间窗中改变小于其信号范围的50％，例如在具有小于周期的15％的持续时间的任何时间窗口中改变小于25％，例如在具有小于周期的5％的持续时间的任何时间窗口中改变小于20％。
该电路还包括检测电路，用于通过将所述检测电路电连接到所述至少两对连接端子中的任一对连接端子同时将所述激励信号施加到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子来从所述电桥传感器结构获得所述传感器信号。
该电路包括开关单元，用于将由所述激励信号生成器生成的电激励信号从被供应到所述至少两对连接端子中的第一对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子，且用于将所述检测电路从被连接到所述至少两对连接端子中的第二对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子。
该电路此外包括控制器，用于控制所述开关单元在当所述激励信号生成器以预定信号范围生成所述激励信号时的瞬时时刻(an instant in time)从被连接到所述激励信号生成器切换第一对，在所述范围中所述激励信号值大致上等于零参考值。
在根据本发明实施例的电路中，该控制器可以包括比较器和/或模数转换器，以检测激励信号何时处于该预定信号范围中。
在根据本发明的实施例的电路中，该控制器可以适用于预测激励信号值处于该预定信号范围中的时间。
在根据本发明的实施例的电路中，非恒定的周期性连续函数可以是可微的、连续可微的和/或平滑的。对“可微的”、“连续可微的”和“平滑的”的引用可以从此类术语的数学意义上来解释。
在根据本发明的实施例的电路中，激励信号生成器可以适用于生成正弦电流波形和/或正弦电压波形，和/或至少两个正弦电流或电压波形的组合，例如A1.cos(ω1*t+c1)+A2.cos(ω2*t+c2)，其中，A1和A2是振幅，ω1和ω2是角频率且c1和c2是相位常数。
在根据本发明的实施例的电路中，激励信号生成器可以适用于生成以两个互补电压的形式的电激励信号，例如使得这些互补电压的总和大体上是恒定的，例如是恒定的。该控制器可适用于检测差分电压信号的每个零交点，在该零交点处两个互补电压之间的差的绝对值为零或者可选地小于预定容差阈值，例如使得差分电压信号的绝对值在零交点处小于该预定容差阈值。
在根据本发明的实施例的电路中，开关单元和控制器可以适用于将两个互补电压施加到该至少两对连接端子的选定对，其中用于施加所述激励信号的所述选定对例如通过如由控制器控制的开关单元在所述检测到的零交点的预定零交点处被改变，因此在由所述检测到的零交点或所述检测到的零交点的子集在时间上界定的多个自旋阶段上迭代。例如，每个检测到的零交点可以标记下一个自旋阶段，或者每个自旋阶段可以包括相同数量的相继的检测到的零交点。自旋阶段可以以相同的顺序重复地被迭代。
在根据本发明的实施例的电路中，该至少两对连接端子可以由用于分别连接到电桥传感器结构的两个节点对的两对连接端子组成，其中开关单元和控制器适用于交换连接端子对到激励信号生成器和检测电路的连接，使得激励信号交替地被施加到每个节点对同时经由另一对感测传感器信号。
在根据本发明的实施例的电路中，检测电路可以适用于从以霍尔元件形式的电桥传感器结构获得以霍尔板读出信号形式的传感器信号，其中当控制器控制开关单元的切换时的瞬时时刻对应于当在该至少两对连接端子中的第一对连接端子上的电压大体上等于零时的瞬时时刻。
在根据本发明的实施例的电路中，作为激励信号供应给第一对连接端子的电流可以大体上等于在预定信号范围中的零电流。
在根据本发明的实施例的电路中，检测电路可以包括用于放大传感器信号的低噪声放大器。
在根据本发明的实施例的电路中，检测电路可以包括用于对所述传感器信号进行积分或求平均的连续时间积分器或平均器，其中所述连续时间积分器或平均器可以适用于提供代表在连接到所述检测电路的一对连接端子上的瞬时差分电压信号的连续时间积分或平均的输出信号。
在根据本发明的实施例的电路中，该电路可以包括激励积分器和/或激励平均器，用于在预定时间间隔期间确定流经连接到所述激励信号生成器的一对连接端子的平均偏置电流和/或总电荷，其中所述激励积分器和/或激励平均器可包括用于在所述预定时间间隔期间接收代表与所述激励信号对应的偏置电流的电流的电容器。
在根据本发明的实施例的电路中，控制器可以适用于确定在该预定时间间隔中存储在电容器中的电荷量。
在根据本发明的实施例的电路中，控制器可以适用于基于被积分或被求平均的读出信号和指示在该时间间隔期间存储在所述电容器中的电荷量的变化的值来确定传感器读出值。
在根据本发明的实施例的电路中，控制器可适用于应用零带化(zero-banding)技术(例如保护带化技术)以排除在观察到的传感器信号中的残余瞬态效应。
在根据本发明的实施例的电路中，控制器可适用于控制检测电路以仅在每个自旋阶段期间的另外的预定时间间隔中从电桥传感器结构获得传感器信号，以及在此时间间隔之外时的自旋阶段期间忽略或归零传感器信号，其中自旋阶段是指在所述开关单元的两个相继切换动作之间的时间。
在根据本发明的实施例的电路中，该另外的预定时间间隔可以排除紧接在切换到自旋阶段之后的时间帧。该另外的预定时间间隔也可以任选地排除紧接在切换到下一个自旋阶段之前的时间帧。
在根据本发明的实施例的电路中，开关单元和控制器可适用于反转感测到的信号的极性。
在根据本发明的实施例的电路中，控制器可以适用于在每个自旋阶段中的第一时间间隔期间控制传统的感测操作模式，并且在自旋阶段的每个自旋阶段中的第二时间间隔期间控制电荷积分操作模式。
在根据本发明的实施例的电路中，该另外的时间间隔可以是关于所施加的激励信号的最大值在时间上对称的。
在根据本发明的实施例的电路中，该另外的时间间隔可以包括对应于自旋阶段的时间的中心部分，并且可以排除自旋阶段的持续时间的开始和/或结束部分。
根据本发明的实施例的电路可以适用于在浮动板(floating-plate)偏置操作模式和电荷积分操作模式之间切换。
在第二方面，本发明还涉及一种传感器设备，包括例如电阻式电桥传感器结构的电桥传感器结构和根据本发明第一方面的实施例的电路，其中电路的每对连接端子被连接到电桥传感器结构的对应端子。
在进一步的方面，本发明还涉及一种用于电桥传感器结构(例如电阻式电桥传感器结构)的偏置并从其读出信号的方法。该电桥传感器结构包括至少两对节点(例如互补端子)。该方法包括生成用于偏置所述电阻式电桥传感器结构的电激励信号，其中所述激励信号被提供为非恒定的周期性连续时间函数。该方法还包括通过施加电激励信号来偏置电阻式电桥传感器结构的第一对节点，同时从电阻式电桥传感器结构的第二对节点(例如从不同于第一对的节点的另一对节点)获得传感器信号。该方法进一步包括例如大体上同时地将电激励信号从被施加到所述电桥传感器结构的所述第一对节点切换到被施加到电桥传感器结构的另一对节点，并将传感器信号从被从第二对节点获得切换到被从另一对节点获得。例如，该方法可包括将第一对节点从被连接到接收电激励信号切换到被连接到获得传感器信号，并将诸如第二对节点之类的另一对节点从被连接到接收传感器信号切换到被连接到接收电激励信号。该切换是在当激励信号在预定信号范围中被生成时的瞬时时刻被执行，在所述范围中所述激励信号值大体上等于零参考值。因此，在根据实施例的方法中，对于由在当在预定信号范围中生成激励信号时的瞬时时刻的重复切换所选定的不同对的节点，可以重复施加电激励信号的步骤和获得传感器信号的步骤。在此重复切换中的相继切换动作之间的每个时间间隔可以被称为自旋阶段(spinning phase)。
在根据本发明的实施例的方法中，非恒定的周期性连续函数可以是可微的、连续可微的和/或平滑的。
在根据本发明的实施例的方法中，激励信号可以被生成为正弦电流波形和/或正弦电压波形，和/或至少两个正弦电流或电压波形的组合，例如A1.cos(ω1*t+c1)+A2.cos(ω2*t+c2)，其中，A1和A2是振幅，ω1和ω2是角频率且c1和c2是相位常数。
在根据本发明的实施例的方法中，电激励信号可以以两个互补电压(例如互补正弦电压)的形式被生成。该方法可以进一步包括检测差分电压信号的每个零交点，在该零交点处两个互补电压之间的差的绝对值为零或者可选地小于预定的容差阈值。
在根据本发明的实施例的方法中，通过施加电激励信号来使电阻式电桥传感器结构的第一对节点偏置的步骤可以包括将两个正弦电压中较大的一个施加到第一对节点。
在根据本发明的实施例的方法中，激励信号被施加到的一对节点可以在每个检测到的零交点处交替，因此在由所述检测到的零交点或所述检测到的零交点的子集在时间上界定的多个自旋阶段上迭代。
在根据本发明的实施例的方法中，电阻式电桥传感器结构可以是霍尔元件，从第二对节点检测传感器信号的步骤可以包括获得以霍尔板读出信号的形式的传感器信号，并且当执行切换时的瞬时时刻可以对应于当在第一对节点上的电压大体上等于零时的瞬时时刻。
在根据本发明的实施例的方法中，供应给第一对节点的电流可以大体上等于零电流，例如可以是零电流，例如在预定信号范围内可以具有低于预定的阈值的电流幅度(magnitude)。
根据本发明的实施例的方法可以包括使用用于放大传感器信号的低噪声放大器。
根据本发明的实施例的方法可以包括对传感器信号积分或求平均。
在根据本发明的实施例的方法中，对传感器信号进行积分或求平均的步骤可以包括提供代表在第二对节点上的瞬时差分电压信号的连续时间积分或平均的输出信号。
根据本发明实施例的方法可以包括收集(例如在时间上积分或在时间上求平均)在预定时间间隔期间流经第一对节点的总电荷。
根据本发明的实施例的方法可以包括基于被积分或被求平均的读出信号和指示存储在电容器中的电荷量的值来确定传感器读出值。
在根据本发明的实施例的方法中，获得传感器信号的步骤可以包括仅在每个自旋阶段期间的另外的预定时间间隔中获得传感器信号。
在根据本发明的实施例的方法中，获得传感器信号的步骤可以包括在该另外的预定时间间隔之外时的自旋阶段期间忽略或归零传感器信号。
在根据本发明的实施例的方法中，该另外的预定时间间隔可以排除紧接在切换到自旋阶段(例如当前的自旋阶段)之后的时间帧。
本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。
本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(诸)实施例中将变得显而易见并且将参考这些实施例来进行阐明。
附图说明
图1示出根据本发明的实施例的示例性电路和示例性传感器设备。
图2示意性地图示了根据本发明的实施例的自旋操作。
图3示出了根据本发明的实施例的多个自旋阶段。
图4图示了根据本发明的实施例的电路的部分。
图5示意性地图示了根据本发明的实施例的自旋操作。
图6示出了图示本发明的实施例的作为零带化分数α的函数的将正弦偏置电流与恒定偏置电流进行比较的时间平均信号的比例因子。
图7图示了用于图示本发明的实施例的作为代表多个可用RC时间常数的参数n的函数的最佳零带化分数α。
图8图示了用于图示本发明的实施例的作为参数n的函数的最佳均方根因子。
图9示出了根据本发明实施例的方法。
这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于图示性目的，可将元素中的一些元素的尺寸放大且不按比例绘制。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的元素。
具体实施方式
将相对于具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图只是示意性的且非限制性的。在附图中，出于图示性目的，可将元素中的一些元素的尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明实践的实际缩减。
此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的元素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述序列。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明的之外的其他顺序来操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶、下方等等用于描述性的目的，并且不一定用于描述相对位置。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明的之外的其他取向来操作。
要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他元件或步骤。由此该术语被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件，或其群组的存在或添加。因此，措辞“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由部件A和B构成的设备。这意味着该设备的唯一与本发明有关的部件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部引用同一实施例，而是可以引用同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中将对本领域普通技术人员显而易见的，特定特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。由此，详细描述之后所附的权利要求由此被明确纳入该详细描述中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，尽管本文所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
在本文所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。
在第一方面，本发明涉及用于使电桥传感器结构(例如电阻式电桥传感器结构)偏置和用于从该电桥传感器结构读出传感器信号的电路。该电路包括至少两对连接端子，其中每对连接端子适用于连接到所述电桥传感器结构的互补端子。例如，这种互补端子可以形成到电桥结构的相对的(例如关于十字形、星形或圆形的电桥传感器结构的中心相对的)触点的电连接。该电路还包括激励信号生成器，用于生成用于偏置和/或激励电桥传感器结构的电激励信号，其中所述激励信号被提供为非恒定的周期性连续时间函数。该电路包括检测电路，用于通过将所述检测电路电连接到该至少两对连接端子中的任一对连接端子同时将所述激励信号施加到该至少两对连接端子中的另一对连接端子来从所述电桥传感器结构获得传感器信号。该电路还包括开关单元，用于将由所述激励信号生成器生成的电激励信号从被供应到该至少两对连接端子中的第一对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子，且用于将所述检测电路从被连接到所述至少两对连接端子中的第二对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子。例如，第一对到另一对的切换和第二对到另一对的切换两者可以同时被执行，但是本发明的实施例并不一定限于此。开关单元例如可以适用于将该至少两对连接端子中的第一对连接端子从被连接到激励信号生成器切换到被连接到检测电路。
该电路还包括控制器，用于控制开关单元在当激励信号生成器在预定信号范围中生成激励信号时的瞬时时刻从被连接到激励信号生成器切换第一对，在该范围中激励信号值接近激励信号的零参考值，例如其中激励大体上等于零参考，例如等于容差范围内的零参考。
参考图1，示出了根据本发明实施例的用于偏置电阻式电桥传感器结构2且用于从该电阻式电桥传感器结构2读出传感器信号的电路1。该电阻式电桥传感器结构可以例如包括惠斯通电桥。该电阻式电桥传感器结构可以例如包括霍尔元件，例如霍尔板。该电阻式电桥传感器结构可以包括XMR桥，例如基于磁阻效应(诸如巨磁阻效应、隧道磁阻效应和/或各向异性磁阻效应)的电桥传感器。根据本发明的实施例的电路也可以适用于偏置其他类型的电桥传感器结构，例如电容式电桥传感器。该电路包括至少两对连接端子3，其中每对连接端子适用于连接到电阻式电桥传感器结构2的互补端子。
连接端子对的数量可以等于二，但也可以等于N>2的数量。例如，该电路可以适用于偏置多接触点的圆形霍尔元件，例如圆形的垂直霍尔元件。
本发明的实施例也可涉及一种传感器设备10，包括例如电阻式电桥传感器结构2的电桥传感器结构(例如如上文所描述)和根据本发明的实施例的电路1，其中该电路的每对连接端子3被连接到电桥传感器结构2的对应端子。
该电路1包括用于生成用于偏置和/或激励电桥传感器结构的电激励信号的激励信号生成器4。例如，电激励信号可以是电流或电压。
激励信号生成器4适用于生成(例如在电路的操作中生成)激励信号作为非恒定的周期性连续时间函数。“非恒定”可以指排除大体上恒定的函数，例如不具有显著的时间依赖性的函数。“连续”可以指在数学意义上(作为时间的函数)的函数的连续性。“周期性”可以指作为时间的函数的信号的重复性质。此函数的范围包括激励信号的零参考值，例如零电流值或参考电压值(例如零电压)。.
该周期性的连续时间函数可以具有正的最大信号值和负的最小信号值，例如分别相对于电阻式电桥传感器结构的诸如均匀参考电压(例如霍尔板的均匀参考电压)之类的零参考电平的正值和负值。特别地，正的最大信号值和负的最小信号值可以不同，例如使得激励信号是与零电平(例如零参考值)交叉的非恒定的时间函数。可替代地，零参考值可以对应于函数的极值，或者零参考值可以接近函数的极值，例如零参考值处于距极值的一距离处，该距离在相对于该函数的全范围的0％至10％的范围内、优选在0％至5％的范围内、在0％至2％的范围内或者甚至在0％到1％的范围内。
例如，周期性连续函数可以将电流或电压表达为时间的函数。周期性连续函数可以是可微的，例如连续可微的。周期性连续函数可以是平滑的。对“连续”、“可微”和“平滑”的引用优选地可以指那些术语的数学定义。
例如，激励信号生成器4可以包括波形生成器。波形生成器可适用于生成激励信号，例如在预定频率或频率的预定组合下的作为时间函数的电压或作为时间函数的电流。
在根据本发明的实施例的电路中，周期性连续函数可以是周期性连续三角函数。激励信号生成器可以适用于生成正弦激励信号，例如用于生成正弦电流波形和/或正弦电压波形。
该电路包括检测电路5，用于通过将检测电路电连接到该至少两对连接端子3中的任何一对连接端子(该任何一对连接端子充当到电桥传感器结构的一对感测节点的连接)，同时激励信号被施加到该至少两对连接端子3中的另一对连接端子(该另一对连接端子充当到电桥传感器结构的一对激励节点的连接)来从电桥传感器结构获得传感器信号。
检测电路5可以包括用于放大传感器信号的低噪声放大器。
检测电路5可以包括用于对传感器信号进行积分或求平均(例如对经由充当到该对感测节点的连接的该对连接端子获取的电量进行积分或求平均)的连续时间积分器或平均器。例如，此电信号可以是电流或电压。
连续时间积分器或平均器可以适用于提供代表在该对感测节点上的瞬时差分电压信号的连续时间积分或平均的输出信号。
特别地，本发明的实施例可以涉及如在2017年2月6日提交的欧洲专利申请EP17154758.1中所描述的设备。具体地，该检测电路5可以包括如在所述申请中公开的连续时间积分器或平均器，和/或该电路可以包括偏置电路，该偏置电路包括如在其中公开的第一和/或第二电容器和/或控制单元，其中用于偏置电路的偏置电流I偏置可以由激励信号生成器4供应。
电路1还包括开关单元6，用于将由激励信号生成器生成的电激励信号从被供应到该至少两对连接端子中的第一对连接端子切换到该至少两对连接端子中的另一对(例如进一步在下文提及的第二对或不同对)连接端子，以及用于将所述检测电路从被连接到所述至少两对连接端子中的第二对连接端子切换到该至少两对连接端子中的(又)另一对连接端子，其可以是第一对连接端子或者不同对连接端子。
例如，开关单元可以适用于将该至少两对连接端子中的第一对连接端子从被连接到激励信号生成器4切换到被连接到检测电路5，例如使得连接到此对连接端子的电阻式电桥传感器结构的节点从被用作激励节点切换到被用作感测节点。同样，开关单元6可以适用于将该至少两对连接端子中的第二对连接端子从被连接到检测电路5切换到被连接到激励信号生成器4，例如，同时地将该至少两对连接端子中的第一对连接端子从被连接到激励信号生成器4切换到被连接到检测电路5。同样，开关单元6可以适用于将该至少两对连接端子中的第一对连接端子从被连接到检测电路5切换到被连接到激励信号生成器4。
从第一对到另一对的切换和从第二对到另一对的切换可以同时被执行，但是本发明的实施例并不一定限于此。
例如，该至少两对连接端子可以包括两对连接端子，用于分别连接到电桥传感器结构的两对端子。每对的电桥节点可以彼此相对布置，例如沿着与另一对节点被布置在其上的线垂直的线布置。因此，激励信号可以被施加到任一节点对，同时使用另一对来感测传感器信号。开关单元6和控制器7可以适用于将所述对连接端子的连接切换到激励信号生成器和检测电路，使得任一对可以充当感测节点，同时另一对可以充当激励节点。此外，开关单元6和控制器7可以适用于在这种连接中交换每对的节点，例如使得反转被感测的信号的极性。
该电路1还包括控制器7，用于控制开关单元6以在当激励信号生成器4在预定信号范围中生成激励信号时的瞬间时刻从被连接到激励信号生成器切换第一对，其中在该范围中的激励信号值接近激励信号的零参考值，例如大体上等于零参考值，例如在零参考值周围的预定容差范围内。该预定信号范围可以覆盖所生成的激励信号的全范围的小于10％，例如小于5％、例如小于2％、例如少于1％。
例如，在该预定范围内，该至少两对连接端子中的第一对连接端子上的电压可以大体上等于电阻式电桥传感器结构(例如霍尔板)的均匀参考电压。
例如，在该范围内，作为激励信号的供应给该至少两对连接端子中的第一对连接端子的电流可以大体上等于零电流，例如等于零电流。
特别地，开关单元6和/或控制器7可以适用于实施本领域已知的自旋技术，例如用于偏置和读出霍尔板。此自旋可以指其中按阶段执行传感器元件的读出的操作，其中激励节点和读出节点在后续阶段中切换角色。开关单元6和控制器7可适用于实施自旋方法，使得在自旋方法的每个相继(consecutive)步骤中电桥的激励节点和感测节点在相反的方向上旋转。
参考图2，图示了示例性的自旋操作。激励信号生成器4可以生成激励信号作为周期性的连续时变信号，例如激励电流Iex(t)。在操作中，控制器7和开关单元6可以将激励信号生成器4的连接从在第一阶段21中被施加在电桥元件的第一对节点A、C上电切换到在第二阶段22中被施加在第二对节点B、D上，到在第三阶段23中被施加在第一对节点A、C上，以及到在第四阶段24中被施加到第二对节点B、D。同样，在操作中，控制器7和开关单元6可以将检测电路5的连接从在第一阶段21中从电桥元件的第二对节点B、D接收传感器信号切换到在第二阶段22中从第一对节点A、C接收传感器信号，到在第三阶段23中从第二对节点B、D接收传感器信号，以及到在第四阶段24中从第一对节点A、C接收传感器信号。阶段21、22、23、24可以以所描述的顺序被相继地执行，并且可以通过在第四阶段24之后以第一阶段21重新开始来重复该程序。
参考图3，激励信号生成器4可以适用于生成用于以两个互补电压Vex+和Vex-(例如互补正弦电压)的形式偏置电阻式电桥传感器结构的电激励信号。控制器7可以适用于检测差分电压信号的每个零交点33(例如其中Vex+＝Vex-，或者其中对于容差阈值δ的|Vex+-Vex-|<δ)或者替代地通过相对于激励信号生成器的操作频率的同步定时来推断这样的零交点。在每个检测到的或推断出的零交点处，自旋阶段转变可由控制器7启动，例如通过控制开关单元6启动。
开关单元和控制器可适用于将两个激励电压中较大的激励电压施加到一对连接端子，其中用于施加激励信号的所选定对在每个自旋阶段转变处在自旋阶段自旋A、自旋B、自旋C、自旋D之间交替。这种仅按式激励的优点是可以仅拉式地制作浮动板偏置回路，从而允许简单的实现。
电路1还可以包括激励积分器和/或激励平均器8。此激励积分器和/或激励平均器可以确定在时间间隔期间(例如在单个自旋阶段或单个自旋阶段的时间的预定部分期间，例如在单个自旋阶段的一半时间期间)流经用于激励的该对节点的平均偏置电流和/或总电荷。例如，控制器7可以适用于在每个自旋阶段中的第一时间间隔期间控制传统的感测操作模式φ1，并且在每个自旋阶段中的第二时间间隔期间控制电荷积分操作模式φ2。
例如，激励积分器和/或激励平均器8可以包括电容器，该电容器被连接使得允许对应于激励信号的偏置电流在预定的时间间隔期间流经电阻式传感器结构并流入电容器。该控制器可以适用于确定在该时间间隔中存储在电容器中的电荷量。该控制器可以适用于基于被积分或求平均的读出信号以及基于指示存储在电容器中的电荷的值来确定传感器的读出值。
该控制器7可以适用于控制检测电路5以仅在每个自旋阶段期间的预定时间间隔中从电阻式电桥传感器结构获得传感器信号，例如用于在该时间间隔之外时的自旋阶段期间忽略传感器信号。该时间间隔可以排除紧接在切换到自旋阶段之后的时间帧和/或紧接在切换到下一个自旋阶段之前的时间帧。该时间间隔可以是在时间上相对于所施加的激励信号的最大值对称。例如，该时间间隔可以包括对应于自旋阶段的时间的中心部分，并且排除对应于自旋阶段的时间的开始和/或结束部分。因此，例如，该控制器可适用于应用零带化技术以排除在观察到的传感器信号中的残余瞬态效应。参照图5，示出了在差分正弦电压信号的零交点33处通过切换动作分开的两个自旋阶段21、22。可以仅在每个自旋阶段期间的预定时间间隔AVG中获得(例如积分或求平均)来自电阻式电桥传感器结构的传感器信号。因此，可以从传感器信号采集时间帧AVG排除紧接在切换到每个自旋阶段之后以及紧接在切换到下一个自旋阶段之前的时间间隔Tz/2。由于在零交点33附近(例如在考虑容差裕度的零交点处)执行切换，切换尖峰的幅度可以有利地较低，使得其中应用零带化的时间间隔Tz可以较小。激励信号的零交点的检测的实现可能在准确度上受到限制，例如由于可能漂移的放大器偏移以及在用模拟比较器检测零交点时刻时的受限带宽。并且，来自开关单元的电荷注入的不匹配可能导致残余尖峰存在。
读出信号(例如在读出节点之间的电压)可以在数学上建模为：
其中VH是待确定的霍尔电压，τ＝RH.CH是具有电阻RH和寄生电容CH的霍尔元件的主RC时间常数，Vn表示噪声，并且Vbias(t0)是(例如由于先前用作激励节点)就在转变到当前自旋阶段中之前存在于读出节点处的偏置电压。霍尔电压VH可以被表达为VH＝SIIbB，其中SI是霍尔板的灵敏度，Ib是偏置电流，并且B是待量化的外部磁场。当在时间间隔AVG上应用平均操作时，
其中Ts是指自旋阶段的长度，假设偏置电流(其(用于比较)具有与在相同的自旋阶段时间Ts上施加的恒定偏置电流Ib相等的平均值)，这导致被平均的读出信号
其中α是零带化时间分数Tz/Ts。
用于比较，当在相同自旋阶段时间上被施加到恒定偏置电流Ib时，紧接在自旋阶段转变随后的时段Tz上使用零带化的这种求平均操作将导致：
因此，当将用于正弦偏置电流的求平均操作与恒定的偏置电流进行比较时，可以观察到附加的因子此因子图示在图6中。由于在应用了零带化的大致所有情况下此因子大于1，所以与当使用具有相同平均值的恒定的偏置电流时相比，指示待检测的磁场B的有效霍尔信号也具有更大的幅度，并且可以获得更好的信噪比。由于更好的偏置电流浓度，传感器设备中的后续增益级的放大可以被降低，并且<VRO>中的误差源可能具有较小的影响。
假定噪声Vn具有白噪声分布，对于其中使用恒定偏置电流的参考条件可以获得均方根误差量化：
其中，N0表示在自相关函数中的单侧谱功率密度的水平。
RMS的表达式可以重构为：
其中是尖峰高度到白噪声的RMS噪声水平的标准化(normalization)(fs＝1/Ts)，并且n＝Ts/τ在多个RC时间常数中表达自旋阶段时间。
同样，将相同的噪声模型和标准化应用到正弦偏置电流，导致表达式：
图7图示了在数字上确定的作为参数n的函数的最佳零带化分数α。实线表示正弦激励信号的情况，而虚线表示恒定偏置电流的情况。示出了对于v0值为1、10、100、1000、10000和100000的曲线。这些绘图示出了对于相等的v0，在正弦激励的情况下可能需要更长的零带化时间。这可以被理解，因为在被分析的特定方法中，与对于恒定激励情况的零带(zero-band)间隔的开始时相比，切换发生在零带间隔的中间，并且因此只有一半的时间可用于指数衰减。然而，由于正弦激励在激励的零交点附近完成切换，所以对应的v0值可能会小几个数量级，并且因此应该优选地针对更左边的曲线做出比较。
图8图示了在数字上确定的并且(当在全自旋阶段时间上求平均时)相对于噪声RMS标准化的作为参数n的函数的最佳RMS因子。实线表示正弦激励信号的情况，而虚线表示恒定偏置电流的情况。示出了对于v0值为1、10、100、1000、10000和100000的曲线。对于相同的v0，正弦激励和恒定偏置电流的突然切换是竞争性的，最佳选项取决于可用时间常数的数量n。因此，例如由于当获取读出信号时用于增强霍尔信号的电流浓度效应，对于相同的v0正弦激励可以优于恒定偏置电流的突然切换。例如，恒定电流的突然切换可能浪费在零相位(zero-phase)期间的偏置电流，而正弦激励更有效地在适当的时间帧中运用电流。然而，通过在激励的零交点附近切换，v0尖峰幅度被显著减小。因此，实践中的表现可能会由图表更左侧的实线来主导。
图4示出根据本发明的实施例的电路的部分的示例性电路图。为了清楚起见，未示出开关单元6和控制器7，因此提供了根据本发明的实施例的在自旋方法的单个阶段中的电路1的等效操作的静态视图。该电路可以以浮动板偏置模式运行，例如类似于欧洲专利EP2722682中描述的替代方案。激励信号生成器4将经由(根据当前自旋阶段由开关单元6配置的)一对连接端子中的第一端子施加的激励信号(例如电压Vex或电流Iex)供应到电桥元件2(例如霍尔板)的第一激励节点。将例如经由根据当前自旋阶段由开关单元6配置的另一对连接端子的读出节点的共模电压VH+和VH-与参考电压Vref进行比较。该误差可以用于通过改变控制电压Vcntrl来使由M5施加的吸收(sinking)电流适应于第二激励节点。此反馈回路可以通过电容器Cc1和Cc2来稳定。因此，电激励信号可以作为两个互补电压被生成，例如由电压源Vex供应的第一电压和由如上文所描述的电路供应到激励节点对中的另一个节点的互补的第二电压。
在进一步的方面，本发明还涉及一种用于电桥传感器结构(例如诸如惠斯通电桥或霍尔传感器结构之类的电阻式电桥结构)的偏置并从其读出信号的方法。该电桥传感器结构包括至少两对节点，例如电连接到电桥结构的触点对，其中每对的触点可以相对于电桥结构(例如十字形、星形或圆形电桥传感器结构)的中心被相对地布置。
参考图9，示出了根据本发明的实施例的方法100。
该方法100包括生成101用于偏置所述电桥传感器结构的电激励信号，其中所述激励信号被提供为非恒定的周期性连续时间函数。该方法还包括通过施加电激励信号来偏置和/或激励102电桥传感器结构的第一对节点，同时从电桥传感器结构的第二对节点(例如从不同于第一对节点的另一对节点)获得103传感器信号。该方法进一步包括例如基本上同时地将电激励信号从被施加到第一对节点切换104到被施加到另一对节点，并且将传感器信号从被从第二对节点获得切换到被从另一对节点获得，例如将第一对节点从被连接以接收电激励信号切换到被连接以获得传感器信号，并且将另一对节点(诸如所述第二对节点)切换到被连接以接收电激励信号。该切换是在当激励信号在预定的信号范围中被生成时的瞬时时刻被执行，在所述范围中激励信号值大体上等于零参考值。因此，在根据实施例的方法中，在每次迭代中对于不同对的节点可以重复105通过施加电激励信号来偏置102的步骤和获得103传感器信号的步骤，该不同对的节点通过在当在预定的信号范围中生成激励信号时的瞬时时刻重复切换104来选择。在此重复切换中的相继切换动作之间的每个时间间隔(例如每次迭代)可以被称为自旋阶段。
在根据本发明的实施例的方法中，非恒定的周期性连续函数可以是可微的、连续可微的和/或平滑的。
在根据本发明的实施例的方法中，激励信号可以被生成101为正弦电流波形和/或正弦电压波形。在根据本发明的实施例的方法中，电激励信号可以以两个互补电压(例如互补正弦电压)的形式被生成101。该方法可以进一步包括检测差分电压信号的每个零交点，在该零交点处两个互补电压之间的差的绝对值为零或者替代地小于预定的容差阈值。
在根据本发明的实施例的方法中，通过施加电激励信号来偏置102电桥传感器结构的第一对节点的步骤可以包括将两个正弦电压中较大的一个施加到第一对节点。
在根据本发明的实施例的方法中，激励信号被施加到的一对节点(例如在偏置102的步骤中)可以在每个检测到的零交点处交替，因此在由检测到的零交点在时间上界定的多个自旋阶段上迭代。
在根据本发明的实施例的方法中，电阻式电桥传感器结构可以是霍尔元件，从第二对节点获得103传感器信号的步骤可以包括获得以霍尔板读出信号的形式的传感器信号，并且当执行切换104时的瞬时时刻可以对应于当在第一对节点上的电压大体上等于霍尔元件的零参考电压时的瞬时时刻。
在根据本发明的实施例的方法中，例如在偏置102的步骤中，供应给第一对节点的电流可以大体上等于零电流，例如可以是零电流，例如在预定信号范围内可以具有低于预定的阈值的电流幅度。
根据本发明的实施例的方法可以包括使用用于放大传感器信号的低噪声放大器。
根据本发明的实施例的方法可以包括对传感器信号积分或求平均。
在根据本发明的实施例的方法中，对传感器信号进行积分或求平均的步骤可以包括提供代表在第二对节点上的瞬时差分电压信号的连续时间积分或平均的输出信号。
根据本发明实施例的方法可以包括(例如通过在时间上积分或在时间上求平均)确定在预定时间间隔期间流经第一对节点的平均偏置电流和/或总电荷。
根据本发明的实施例的方法可以包括基于被积分或被求平均的读出信号和指示存储在电容器中的电荷量的值来确定传感器读出值。
在根据本发明的实施例的方法中，获得103传感器信号的步骤可以包括仅在每个自旋阶段期间的另外的预定时间间隔中获得传感器信号。
在根据本发明的实施例的方法中，获得103传感器信号的步骤可以包括在所述另外的预定时间间隔之外时的自旋阶段期间忽略或归零(zeroing)传感器信号。
在根据本发明的实施例的方法中，所述另外的预定时间间隔可以排除紧接在切换104到自旋阶段(例如当前的自旋阶段)之后的时间帧和紧接在切换到下一个自旋阶段之前的时间帧。

Claims (15)

1.一种用于使电桥传感器结构(2)偏置且用于从所述电桥传感器结构(2)读出传感器信号的电路(1)，所述电路包括：
-至少两对连接端子(3)，每对连接端子适用于连接到所述电桥传感器结构的互补端子；
-激励信号生成器(4)，用于生成用于偏置和/或激励所述电桥传感器结构的电激励信号，其中所述激励信号被提供为非恒定的周期性连续时间函数；
-检测电路(5)，用于通过将所述检测电路电连接到所述至少两对连接端子(3)中的任一对连接端子同时将所述激励信号施加到所述至少两对连接端子(3)中的另一对连接端子来从所述电桥传感器结构(2)获得所述传感器信号；
-开关单元(6)，用于将由所述激励信号生成器生成的电激励信号从被供应到所述至少两对连接端子中的第一对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子，且用于将所述检测电路从被连接到所述至少两对连接端子中的第二对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子；以及
-控制器(7)，用于控制所述开关单元(6)在当所述激励信号生成器(4)以预定信号范围生成所述激励信号时的瞬时时刻从被连接到所述激励信号生成器(4)切换所述第一对，在所述范围中所述激励信号值大致上等于零参考值。
2.如权利要求1所述的电路(1)，其中所述激励信号生成器(4)适用于生成正弦电流波形和/或正弦电压波形。
3.如权利要求1所述的电路(1)，其中所述激励信号生成器(4)适用于以两个互补电压(Vex+,Vex-)的形式生成所述电激励信号并且其中所述控制器(7)适用于检测差分电压信号的每个零交点(33)，在所述零交点处所述两个互补电压之间的差的绝对值为零，或替代地小于预定的容差阈值。
4.如权利要求3所述的电路(1)，其中所述开关单元(6)和所述控制器(7)适用于将所述两个互补电压施加到所述至少两对连接端子的选定对，其中用于施加所述激励信号的所述选定对在所述检测到的零交点的预定零交点处被改变，因此在由所述检测到的零交点或所述检测到的零交点的子集在时间上界定的多个自旋阶段上迭代。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中所述至少两对连接端子(3)由用于分别连接到所述电桥传感器结构的两个节点对的两对连接端子组成，所述开关单元(6)和所述控制器(7)适用于交换连接端子对到所述激励信号生成器和所述检测电路的连接，使得所述激励信号交替地被施加到每个节点对同时经由另一对感测所述传感器信号。
6.如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中所述检测电路(5)适用于从以霍尔元件形式的所述电阻式电桥传感器结构(2)获得以霍尔板读出信号形式的所述传感器信号，并且其中当所述控制器(7)控制所述开关单元的所述切换时的所述瞬时时刻对应于当在所述至少两对连接端子中的所述第一对连接端子上的电压大体上等于零时的瞬时时刻。
7.如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中在所述预定信号范围中，作为激励信号被供应给所述第一对连接端子的电流大体上等于零电流。
8.如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中所述检测电路(5)包括用于放大所述传感器信号的低噪声放大器。
9.如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中所述检测电路(5)包括用于对所述传感器信号进行积分或求平均的连续时间积分器或平均器，其中所述连续时间积分器或平均器适用于提供代表在连接到所述检测电路(5)的所述对连接端子上的瞬时差分电压信号的连续时间积分或平均的输出信号。
10.如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中所述电路(1)包括激励积分器和/或激励平均器(8)，用于在预定时间间隔期间确定流经连接到所述激励信号生成器(4)的所述对连接端子的平均电流和/或总电荷，所述激励积分器和/或激励平均器(8)包括在所述预定时间间隔期间接收代表与所述激励信号对应的偏置电流的电流的电容器。
11.如权利要求10所述的电路(1)，在也从属于权利要求9的范围内，其中所述控制器(7)适用于基于所积分或所求平均的读出信号和指示在所述时间间隔期间存储在所述电容器中的电荷量的变化的值来确定传感器读出值。
12.如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中所述控制器(7)适用于控制所述检测电路(5)以仅在每个自旋阶段期间的另外的预定时间间隔中从所述电桥传感器结构获得所述传感器信号，以及在此时间间隔之外时的自旋阶段期间忽略或归零所述传感器信号，其中自旋阶段是指在所述开关单元(6)的两个相继切换动作之间的时间。
13.如权利要求12所述的电路，其中所述另外的预定时间间隔排除紧接在切换到所述自旋阶段之后的时间帧。
14.一种传感器设备(10)，包括电桥传感器结构(2)和如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中所述电路(1)的每对连接端子(3)被连接到所述电桥传感器结构(2)的对应端子。
15.一种用于电桥传感器结构的偏置并从所述电桥传感器结构读出信号的方法(100)，其中所述电桥传感器结构包括至少两对节点，所述方法包括：
-生成(101)用于偏置所述电桥传感器结构的电激励信号，其中所述激励信号被提供为非恒定的周期性连续时间函数，
-通过施加所述电激励信号来偏置(102)所述电桥传感器结构的第一对节点，同时从所述电桥传感器结构的第二对节点获得(103)传感器信号，
-将电激励信号从被施加到所述电桥传感器结构的所述第一对节点切换(104)到被施加到另一对节点，并且将传感器信号从被从第二对节点获得切换到被从另一对节点获得，
其中所述切换是在当所述激励信号在预定信号范围中被生成时的瞬时时刻被执行，在所述范围中所述激励信号值大体上等于零参考值。
CN201810390732.4A 2017-04-28 2018-04-27 用于电桥传感器偏置和读出的电路和方法 Active CN108801298B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17168592.8 2017-04-28
EP17168592.8A EP3396397B1 (en) 2017-04-28 2017-04-28 Bridge sensor biasing and readout

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108801298A true CN108801298A (zh) 2018-11-13
CN108801298B CN108801298B (zh) 2021-08-24

Family

ID=58672366

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810390732.4A Active CN108801298B (zh) 2017-04-28 2018-04-27 用于电桥传感器偏置和读出的电路和方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11255696B2 (zh)
EP (1) EP3396397B1 (zh)
KR (1) KR20180121357A (zh)
CN (1) CN108801298B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111487569A (zh) * 2019-01-28 2020-08-04 迈来芯电子科技有限公司 具有虚拟电阻器结构的桥式传感器
CN111707297A (zh) * 2019-03-18 2020-09-25 纮康科技股份有限公司 传感器补偿电路
WO2021022459A1 (zh) * 2019-08-05 2021-02-11 深圳市汇顶科技股份有限公司 电桥传感器的检测电路、芯片及检测系统
CN112582001A (zh) * 2019-09-30 2021-03-30 台湾积体电路制造股份有限公司 半导体器件及其形成方法
CN112697343A (zh) * 2021-03-23 2021-04-23 上海艾为微电子技术有限公司 电阻桥式压力传感器的检测电路、方法、电子设备及芯片
CN114199353A (zh) * 2021-12-09 2022-03-18 上海辰竹仪表有限公司 应变桥输入采样电路和称重系统
CN114689224A (zh) * 2020-12-31 2022-07-01 中国科学院微电子研究所 一种差压式mems压阻传感器及其自测试方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI673479B (zh) * 2019-03-07 2019-10-01 紘康科技股份有限公司 感測器補償電路
EP3995801A1 (en) 2020-11-10 2022-05-11 Melexis Technologies SA Bridge sensor biasing and readout system

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4037150A (en) * 1973-05-30 1977-07-19 Sergei Glebovich Taranov Method of and apparatus for eliminating the effect of non-equipotentiality voltage on the hall voltage
US6064202A (en) * 1997-09-09 2000-05-16 Physical Electronics Laboratory Spinning current method of reducing the offset voltage of a hall device
CN102680919A (zh) * 2011-03-17 2012-09-19 英飞凌科技股份有限公司 具有数字输出的准确且成本高效的线性霍尔传感器
GB2489941A (en) * 2011-04-11 2012-10-17 Melexis Tessenderlo Nv Fault detection in difference measurement circuit-based sensors by changing the read-out configuration
CN103733082A (zh) * 2012-05-11 2014-04-16 旭化成微电子株式会社 磁检测装置以及磁检测方法
US20140103921A1 (en) * 2012-10-16 2014-04-17 Melexis Technologies N.V. Circuit and method for biasing a plate-shaped sensor element of semiconductor material
CN104515958A (zh) * 2013-10-08 2015-04-15 法国大陆汽车公司 用于借助于开关霍尔效应传感器来测量磁场的方法
US20160252589A1 (en) * 2013-11-06 2016-09-01 Melexis Technologies Nv Hall Sensor Readout System with Offset Determination Using the Hall Element Itself

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2682762A1 (en) * 2012-07-06 2014-01-08 Senis AG Current transducer for measuring an electrical current, magnetic transducer and current leakage detection system and method
US9164155B2 (en) * 2013-01-29 2015-10-20 Infineon Technologies Ag Systems and methods for offset reduction in sensor devices and systems
EP3358309B1 (en) 2017-02-06 2019-04-24 Melexis Technologies SA Method and circuit for biasing and readout of resistive sensor structure

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4037150A (en) * 1973-05-30 1977-07-19 Sergei Glebovich Taranov Method of and apparatus for eliminating the effect of non-equipotentiality voltage on the hall voltage
US6064202A (en) * 1997-09-09 2000-05-16 Physical Electronics Laboratory Spinning current method of reducing the offset voltage of a hall device
CN102680919A (zh) * 2011-03-17 2012-09-19 英飞凌科技股份有限公司 具有数字输出的准确且成本高效的线性霍尔传感器
GB2489941A (en) * 2011-04-11 2012-10-17 Melexis Tessenderlo Nv Fault detection in difference measurement circuit-based sensors by changing the read-out configuration
CN103733082A (zh) * 2012-05-11 2014-04-16 旭化成微电子株式会社 磁检测装置以及磁检测方法
US20140103921A1 (en) * 2012-10-16 2014-04-17 Melexis Technologies N.V. Circuit and method for biasing a plate-shaped sensor element of semiconductor material
CN104515958A (zh) * 2013-10-08 2015-04-15 法国大陆汽车公司 用于借助于开关霍尔效应传感器来测量磁场的方法
US20160252589A1 (en) * 2013-11-06 2016-09-01 Melexis Technologies Nv Hall Sensor Readout System with Offset Determination Using the Hall Element Itself

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R. STEINER等: "Offset reduction in Hall devices by continuous spinning current method", 《SENSORS AND ACTUATORS》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111487569A (zh) * 2019-01-28 2020-08-04 迈来芯电子科技有限公司 具有虚拟电阻器结构的桥式传感器
CN111707297A (zh) * 2019-03-18 2020-09-25 纮康科技股份有限公司 传感器补偿电路
WO2021022459A1 (zh) * 2019-08-05 2021-02-11 深圳市汇顶科技股份有限公司 电桥传感器的检测电路、芯片及检测系统
US11686598B2 (en) 2019-08-05 2023-06-27 Shenzhen GOODIX Technology Co., Ltd. Detection circuit of bridge sensor, chip and detection system
CN112582001A (zh) * 2019-09-30 2021-03-30 台湾积体电路制造股份有限公司 半导体器件及其形成方法
CN112582001B (zh) * 2019-09-30 2024-05-24 台湾积体电路制造股份有限公司 半导体器件及其形成方法
CN114689224A (zh) * 2020-12-31 2022-07-01 中国科学院微电子研究所 一种差压式mems压阻传感器及其自测试方法
CN112697343A (zh) * 2021-03-23 2021-04-23 上海艾为微电子技术有限公司 电阻桥式压力传感器的检测电路、方法、电子设备及芯片
CN112697343B (zh) * 2021-03-23 2021-07-16 上海艾为微电子技术有限公司 电阻桥式压力传感器的检测电路、方法、电子设备及芯片
CN114199353A (zh) * 2021-12-09 2022-03-18 上海辰竹仪表有限公司 应变桥输入采样电路和称重系统
CN114199353B (zh) * 2021-12-09 2024-03-05 上海辰竹仪表有限公司 应变桥输入采样电路和称重系统

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180121357A (ko) 2018-11-07
US20180313910A1 (en) 2018-11-01
US11255696B2 (en) 2022-02-22
EP3396397B1 (en) 2019-11-20
EP3396397A1 (en) 2018-10-31
CN108801298B (zh) 2021-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108801298A (zh) 电桥传感器偏置和读出
CN104679372B (zh) 用于接近检测的电容性感测接口
CN101738589B (zh) 传感器电路
US9201122B2 (en) Circuits and methods using adjustable feedback for self-calibrating or self-testing a magnetic field sensor with an adjustable time constant
JP2012533736A5 (zh)
JP2018128448A (ja) 抵抗センサ構造のバイアスおよび読み出し方法および回路
DE102013215700B4 (de) Rückkopplungssteuerkreis für eine Hall-Effekt-Vorrichtung, geregelter Sensor und Verfahren zur Regelung einer Hall-Effekt-Vorrichtung
CN101738588A (zh) 传感器电路
US10983141B2 (en) Excitation circuit, system including excitation circuit and capacitive transducer, and method
US8633687B2 (en) Hall Effect sensor with reduced offset
DE602004028696D1 (de) Messaufnehmer für dynamische Grössen
US9500721B2 (en) Magnetic field detecting device
US9461635B2 (en) Signal processing circuit
CN103163359B (zh) 一种超级电容单体电压采样测量电路
US8760099B2 (en) Sensorless motor apparatus, back EMF detector and detection method thereof
US10001503B2 (en) Rotation sensor
AU2012214000A1 (en) Device and method for evaluating signals of load cells with strain gauges
Bruschi et al. A low-power capacitance to pulse width converter for MEMS interfacing
CN111307026A (zh) 一种基于二极管开关的充放电式电容传感器
Delle Femine et al. Low power contacless voltage sensor for IoT applications
RU2339047C1 (ru) Устройство для преобразования параметров датчиков индуктивного типа
CN203149016U (zh) 一种超级电容单体电压采样测量电路
Nagarajan et al. A direct-digital converter for resistive sensor elements in bridge configuration
Jiang et al. A hybrid multi-path CMOS magnetic sensor with 76 ppm/° C sensitivity drift
JPH09329628A (ja) ホール素子式電流検出器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant