DE102004016425A1

DE102004016425A1 - Schaltunganordnung

Info

Publication number: DE102004016425A1
Application number: DE200410016425
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Machul
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-04-03
Also published as: DE102004016425B4

Abstract

Schaltungsanordnung zur elektrischen Verstimmung einer Messbrücke, insbesondere Wheatstoneschen Messbrücke, mit wenigstens einer einen Kompensationsstrom erzeugenden Stromquelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verstimmung einer Messbrücke, insbesondere einer Wheatstoneschen Messbrücke.
Es ist grundsätzlich bekannt, dass Messbrücken magnetoresistive Widerstände aufweisen können. Derartige Messbrücken können dann zur Messen eines externen Magnetfelds verwendet werden, da die Brückenspannung der Messbrücke in Abhängigkeit von dem externen Magnetfeld variiert. Beispielsweise können derartige Messbrücken in binären Magnetfeldsensoren eingesetzt werden.
Üblicherweise wird der Schaltpunkt eines derartigen binären Magnetfeldsensors bei der Herstellung durch Änderung des oder der Widerstandswerte eines oder mehrerer Widerstände der Messbrücke durch Laserabgleich eingestellt. Eine Änderung des seitens des Herstellers eingestellten Schaltpunkts durch den Benutzer ist nur durch nachträgliches Anbringen magnetisch leitfähiger Materialien möglich, wodurch das auf die magnetoresistiven Widerstände effektiv wirkende externe Magnetfeld verändert und damit die Brückenspannung verstimmt werden kann.
Eine derartige nachträgliche Änderung des Schaltpunkts durch den Benutzer ist mit einem relativ hohen Aufwand verbunden und nur in groben Schritten möglich. Darüber hinaus weisen die für die nachträgliche Änderung verwendeten magnetisch leitfähigen Materialien relativ große Toleranzen hinsichtlich ihrer Geometrie und ihrer magnetischen Materialpa rameter auf, so dass sich Schaltpunkttoleranzen von mehr als 25 % ergeben können.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine einfache, kostengünstige und zugleich präzise Verstimmung der Brückenspannung einer Messbrücke ermöglicht. Insbesondere soll im Rahmen der Erfindung eine Schaltungsanordnung geschaffen werden, die zur Verstimmung eines Schaltpunkts eines Magnetfeldsensors geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Messbrücke elektrisch verstimmbar ist. Mittels der Stromquelle der Schaltungsanordnung kann ein Kompensationsstrom erzeugt werden, mit dem die Messbrücke beaufschlagbar ist, so dass die Brückenspannung der Messbrücke verändert werden kann.

Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem binären Magnetfeldsensor eingesetzt wird. Hierdurch kann der Schaltpunkt des Magnetfeldsensors elektrisch und damit besonders einfach verstellt werden. Auf ein nachträgliches Anbringen magnetisch leitfähiger Materialien und/oder auf einen Laserabgleich kann verzichtet werden, so dass der Magnetfeldsensor besonders kostengünstig hestellbar ist. Ferner ist eine präzise Schaltpunkteinstellung möglich, die von geometrischen und/oder materialspezifischen Toleranzen unabhängig ist.

Für unterschiedlich starke Verstimmungen der Messbrücke ist die Stromquelle bevorzugt digital einstellbar. Hierdurch wird erreicht, dass eine binäre Magnetfeldsonde mit einer digital programmierbaren Schaltpunkteinstellung ausgestattet werden kann. Insbesondere kann der Schaltpunkt in besonders kleinen Schritten eingestellt werden, so dass eine nahezu stufenlose Schaltpunkteinstellung möglich wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Kompensationsstrom aus dem Brückenwiderstand der Messbrücke abgeleitet. Ohne die Ableitung des Kompensationsstroms aus dem Brückenwiderstand kann die an einer mittels eines Kompensationsstroms verstimmten Brücke abfallende Brückenspannung auch bei magnetischem Nullfeld, d.h. ohne externes Magnetfeld, eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Durch die Ableitung des Kompensationsstroms aus dem Brückenwiderstand kann eine derartige temperaturabhängige Aufspreizung der Brückenspannung kompensiert werden. Insbesondere kann der Kompensationsstrom dem mit einem Faktor gewichteten Verhältnis einer an die Messbrücke angelegten Referenzspannung und des Brückenwiderstands entsprechen.

Des Weiteren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Stromspiegel zur Spiegelung des durch die Messbrücke fließenden Referenzstroms an einen Eingang der Stromquelle vorgesehen ist. Der durch die Messbrücke fließende Referenzstrom ist ein Maß für den Brückenwiderstand der Messbrücke. Durch den Stromspiegel kann der Referenzstrom auf besonders einfache Weise der Stromquelle zur Verfügung gestellt werden.

Ferner können erfindungsgemäß zur Verstimmung der Messbrücke zwei Stromquellen vorgesehen sein, die jeweils an einen der beiden Ausgänge der Messbrücke anschließbar sind, zwischen welchen die Brückenspannung abfällt. Insbesondere können die Kompensationsströme der beiden Stromquellen zueinander invertiert sein.

Alternativ kann zur Verstimmung der Messbrücke eine einzelne Stromquelle zwei Ausgänge aufweisen, die jeweils an einen der beiden Ausgänge der Messbrücke anschließbar sind, zwischen welchen die Brückenspannung abfällt. Die beiden Ausgänge der Stromquelle sind bevorzugt wiederum zueinander invertiert, so dass die Stromquelle einen Kompensationsstrom und einen dazu invertierten Kompensationsstrom zur Verfügung stellt.

Die Stromquelle ist zur Steuerung des Kompensationsstroms bevorzugt als insbesondere übersteuerter U/I-Wandler ausgebildet. Der Sättigungsstrom bzw. Kompensationsstrom des übersteuerten U/I-Wandlers kann durch den durch die Messbrücke fließenden Referenzstrom variiert werden.

Um zu ermöglichen, dass der Schaltpunkt eines Magnetfeldsensors reproduzierbar einstellbar ist, kann ein der Stärke der Verstimmung der Messbrücke entsprechender Wert in einem insbesondere nichtflüchtigen Datenspeicher abgelegt sein. Zur Einstellung des Schaltpunkts eines Magnetfeldsensors kann der Wert beispielsweise aus einem OTP oder einen EEPROM geladen werden. Insbesondere kann der Wert vom Hersteller und/oder einem Benutzer eingestellt und in dem Datenspeicher abgelegt werden.

Zur Auswertung der Brückenspannung der Messbrücke und/oder zur Ansteuerung eines Schalters, insbesondere Schalttransistors, ist bevorzugt ein Komparator vorgesehen. Bei Verwendung der Schaltungsanordnung in einem Magnetfeldsensor entspricht der Schaltpunkt des Komparators dem Schaltpunkt des Magnetfeldsensors. Zur Verstärkung des Ausgangssignals kann der Komparator mit einer Treiberstufe versehen sein.

Ein besonders kompakter und platzsparender Aufbau ergibt sich, wenn mehrere oder alle Bestandteile der Schaltungsanordnung in einem einzigen Chip integriert sind. Zur Realisierung mehrerer oder aller Bestandteile der Schaltungsanordnung kann der Chip in CMOS-Technologie ausgebildet sein.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Magnetfeldsensor mit einer Messbrücke, insbesondere Wheatstoneschen Messbrücke, die wenigstens einen magnetoresistiven Widerstand aufweist, und einer Schaltungsanordnung zur Verstimmung eines Schaltpunkts des Magnetfeldsensors, wie sie vorstehend erläutert ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert; in diesen zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die an eine Wheatstonesche Brücke angeschlossen ist,
2 Kennlinien (externes Magnetfeld – Brückenspannung) eines auf einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung basierenden Magnetfeldsensors ohne Ableitung des Kompensationsstroms aus dem Brückenwiderstand, und
3 Kennlinien (externes Magnetfeld – Brückenspannung) eines auf einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung basierenden Magnetfeldsensors mit Ableitung des Kompensationsstroms aus dem Brückenwiderstand.
In 1 ist ein Magnetfeldsensor mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und einer Brückenschaltung 10, die vier Widerstände 12, 14, 16, 18 aufweist, die in Form einer Wheatstoneschen Messbrücke angeordnet sind, dargestellt. Die Messbrücke 10 wird mit einer Referenzspannung U_REF beaufschlagt, die über den beiden in Reihe geschalteten Widerständen 12 und 16 bzw. 14 und 18 abfällt. Der Ersatzwiderstand der Messbrücke 10 wird als Brückenwiderstand R_B bezeichnet, wobei durch die Messbrücke 10 ein Referenzstrom I_REF fließt, der dem Verhältnis der Referenzspannung U_REF und des Brückenwiderstands R_B entspricht.
Die Wheatstonesche Messbrücke 10 umfasst ferner zwei Ausgänge 20, 22, an denen die Brückenspannung der Messbrücke 10 abfällt. Die Brückenspannung wird an den beiden Knotenpunkten zwischen den Widerständen 12 und 16 sowie 14 und 18 abgegriffen. Ist die Brückenspannung gleich Null, dann ist die Messbrücke 10 ist abgeglichen.
Die beiden in 1 diagonal gegenüberliegenden Widerstände 12 und 18 sind jeweils als magnetoresistiver Widerstand ausgebildet. Insbesondere können die magnetoresistiven Widerstände 12, 18 jeweils mit aus dem Stand der Technik bekannten Widerstandsstreifen versehen sein. Aufbau und Wirkungsweise einer derartigen Wheatstoneschen Brücke sind jedoch grundsätzlich bekannt, so dass hierauf im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht näher eingegangen wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst zwei Stromquellen 24, 26, die jeweils an einen der beiden Ausgänge 20, 22 der Messbrücke 10 angeschlossen sind. Die beiden Stromquellen 22, 24 sind derart ausgebildet, dass sie zueinander invertierte Kompensationsströme erzeugen, deren Betrag in 1 durch I_B gekennzeichnet ist. Die erfindungsgemäß änderbaren Kompensationsströme I_B bewirken, dass die Brückenspannung der Messbrücke 10 verstellt und damit die Messbrücke 10 verstimmt werden kann.
Der Kompensationsstrom I_B ist aus dem Brückenwiderstand R_B der Messbrücke 10 abgeleitet und entspricht dem mit einem Faktor D gewichteten Referenzstrom I_REF, wobei der Faktor D über jeweils einen digitalen Eingang in die Stromquelle 24, 26 eingegeben werden kann. Zur Spiegelung des durch die Messbrücke 10 fließenden Referenzstroms I_REF an jeweils einen Eingang der beiden Stromquellen 24, 26 ist ein Stromspiegel bzw. eine stromgesteuerte Stromquelle 28 vorgesehen. Der Faktor D kann in einem nichtflüchtigen Datenspeicher 30 gespeichert werden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst ferner einen mit einer Treiberstufe versehenen Komparator 32, der die an den beiden Ausgängen 20, 22 der Messbrücke 10 anliegende Brückenspannung auswertet und in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Brückenspannung einen nicht dargestellten, externen Schalttransistor steuert.
Nachfolgend wird die Einstellung des Schaltpunkts eines binären Magnetfeldsensors, der eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aufweist, unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
Vor der elektrischen Verstimmung der Messbrücke 10 mittels der Stromquellen 24, 26 und ohne externes Magnetfeld ist die Brückenspannung der Messbrücke 10 temperaturunabhängig und besitzt beispielsweise einen Wert von ca. –5 mV, wie anhand der jeweils oberen Kennlinienscharen der 2 und 3 gezeigt ist. Mit steigendem Magnetfeld (H-Feld), in oder entgegen einer ausgewählten Raumrichtung, nimmt die Brückenspannung linear zu, wobei die verschiedenen Kennlinien der Kennlinienschar verschiedenen Temperaturen entsprechen. Der Schaltpunkt des vorliegenden Magnetfeldsensors liegt bei einer Brückenspannung von Null und gemäß den 2 und 3 somit bei einem externen Magnetfeld von ca. 0,2 bis 0,3 mT.
Zur elektrischen Verstimmung der Messbrücke 10 werden die Ausgänge 20, 22 der Messbrücke 10 jeweils mit dem Kompensationsstrom I_B beaufschlagt, wodurch die Brückenspannung der Messbrücke 10 und damit die Kennlinie des Magnetfeldsensors verschoben wird. In 3 ist der Kompensationsstrom I_B mittels des digital programmierbaren Faktors D derart gewählt, dass die Brückenspannung bei magnetischem Nullfeld einen Wert von ca. –70 mV besitzt.
Der Schaltpunkt des derart elektrisch verstimmten Magnetfeldsensors befindet sich bei einem externen Magnetfeld von ca. +/- 4 mT, der in Abhängigkeit von der jeweils vorherrschenden Umgebungstemperatur geringfügig variiert. Unterschiedlich starke Verstimmungen der Messbrücke 10, d.h. unterschiedlich starke Verschiebungen der Brückenspannung, können durch unterschiedliche Faktoren D eingestellt werden.
Der Kompensationsstrom I_B ist aus dem durch die Messbrücke 10 fließenden Referenzstrom I_REF und damit aus dem Brückenwiderstand R_B der Messbrücke 10 abgeleitet. Ohne die Ableitung des Kompensationsstroms I_B aus dem Brückenwiderstand R_B würde der Magnetfeldsensor bereits ohne externes Magnetfeld eine temperaturabhängige Aufspreizung der Brückenspannung aufweisen, wie in 2 dargestellt ist.
Zur Einstellung des Schaltpunkts kann der Magnetfeldsensor einem dem einzustellenden Schaltpunkt entsprechenden externen Magnetfeld ausgesetzt werden, wobei sich die beispielsweise ursprünglich abgeglichene Messbrücke 10 entsprechend der Stärke des externen Magnetfelds verstimmt. Dann wird mittels der digital einstellbaren Stromquellen 24, 26 die Brückenspannung so lange verschoben, bis die Brückenspannung Null beträgt, so dass die Messbrücke 10 wieder abgeglichen ist. Somit ist ohne externes Magnetfeld die Messbrücke 10 dem gewünschten Schaltpunkt entsprechend verstimmt.

10: Messbrücke
12: magnetoresistiver Widerstand
14: Widerstand
16: Widerstand
18: magnetoresistiver Widerstand
20: Ausgang
22: Ausgang
24: Stromquelle
26: Stromquelle
28: Stromspiegel
30: Datenspeicher
32: Komparator

Claims

Schaltungsanordnung zur elektrischen Verstimmung einer Messbrücke (10), insbesondere Wheatstoneschen Messbrücke, mit wenigstens einer einen Kompensationsstrom (I_B) erzeugenden Stromquelle (24, 26).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedlich starke Verstimmungen der Messbrücke (10) die Stromquelle (24, 26) digital einstellbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom (I_B) aus dem Brückenwiderstand (R_B) der Messbrücke (10) abgeleitet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationsstrom (I_B) dem mit einem Faktor (D) gewichteten Verhältnis einer an die Messbrücke (10) angelegten Referenzspannung (U_REF) und des Brückenwiderstands (R_B) entspricht.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromspiegel (28) zur Spiegelung des durch die Messbrücke (10) fließenden Referenzstroms (I_REF) an einen Eingang der Stromquelle (24, 26) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstimmung der Messbrücke (10) zwei Stromquellen (24, 26) vorgesehen sind, die jeweils an einen der beiden Ausgänge (20, 22) der Messbrücke (10) anschließbar sind, zwischen denen die Brückenspannung abfällt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstimmung der Messbrücke (10) die Stromquelle zwei Ausgänge aufweist, die jeweils an einen der beiden Ausgänge (20, 22) der Messbrücke (10) anschließbar sind, zwischen denen die Brückenspannung abfällt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Kompensationsstroms (I_B) die Stromquelle (24, 26) als insbesondere übersteuerter U/I-Wandler ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Stärke der Verstimmung der Messbrücke (10) entsprechender Wert (D) in einem insbesondere nichtflüchtigen Datenspeicher (30) abgelegt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (D) vom Hersteller und/oder einem Benutzer in den Datenspeicher (30) abgelegt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der Brückenspannung der Messbrücke (10) und/oder zur Ansteuerung eines Schalters, insbesondere Schalttransistors, ein Komparator (32) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (32) mit einer Treiberstufe versehen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Bestandteile (24, 26, 28, 30, 32) der Schaltungsanordnung in einem einzigen Chip integriert sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip in CMOS-Technologie ausgebildet ist.
Magnetfeldsensor mit einer Messbrücke (10), insbesondere Wheatstonesche Messbrücke, die wenigstens einen magnetoresistiven Widerstand (12, 18) aufweist, und einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verstimmung eines Schaltpunkts des Magnetfeldsensors.