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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Derartige Drehratensensoren umfassen typischerweise einen Antrieb zur Anregung einer Schwingung einer schwingfähigen Masse, welcher mindestens eine Antrieb-Verstärkerschaltung aufweist. Über einen Detektor kann die Auslenkung der schwingfähigen Masse detektiert werden. Der Detektor weist üblicherweise mindestens eine Detektor-Verstärkerschaltung auf. Ferner ist in der Regel ein Referenzstromerzeuger zur Erzeugung eines Referenzstroms für die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung in dem Drehratensensor vorgesehen. Die Drehratensensoren können beispielsweise als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgestaltet sein.
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Solche Drehratensensoren werden typischerweise in mobilen Endgeräten eingesetzt, welche batteriebetrieben sind und daher nur begrenzte Energiereserven zum Betrieb solcher Drehratensensoren bereitstellen können. Um den Energieverbrauch solcher Drehratensensoren zu reduzieren, ist es bekannt, die Drehratensensoren periodisch ein- und auszuschalten. In dem eingeschalteten Zustand des Drehratensensors kann eine Messung durchgeführt werden. Danach wird der Drehratensensor in seinen ausgeschalteten Zustand versetzet. Auf diese Weise kann ein niedriger Energieverbrauch eingestellt werden, der den Betrieb eines solchen Drehratensensors in einem mobilen Endgerät ermöglicht.
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Allerdings hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass beim Einschalten des Drehratensensors, d.h. beim Umschalten von dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand, zunächst eine gewisse Anlaufzeit vergehen werden muss, bis eine ausreichend genaue Messung möglich ist. Diese Anlaufzeit ist z. B. dadurch bedingt, dass die schwingfähige Masse nicht beliebig schnell in die gewünschte Schwingung versetzt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, den Betrieb eines Drehratensensors in einem mobilen Endgerät mit einer reduzierten Anlaufzeit zu ermöglichen.
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass wahlweise ein geringer Ruhestrom zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung in einem Stromsparmodus oder ein höherer Ruhestrom zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung in einem Normalmodus einstellbar ist. Aufgrund des geringeren Ruhestroms weisen die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung im Stromsparmodus eine geringere Bandbreite und ein höheres Rauschen auf. Da über den Ruhestrom die Ströme in den einzelnen Zweigen der Verstärkerschaltungen in gleicher Weise reduziert werden, verändern sich im Stromsparmodus die Polstellen und Nullstellen der jeweiligen Verstärkerschaltung nur unwesentlich. Somit hat der Übergang von dem Stromsparmodus in den Normalmodus nur geringen Einfluss auf die Stabilität der Verstärkerschaltung. Insofern sind die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung im Stromsparmodus mit geringerer Performance aktiv. Es findet ein Abtausch zwischen dem Stromverbrauch und der Performance des Drehratensensors statt. Beim Umschalten in den Normalmodus können die Verstärkerschaltungen vergleichsweise schnell in ihren normalen Betriebszustand versetzt werden. Es ist daher nicht erforderlich, eine lange Anlaufzeit des Drehratensensors abzuwarten.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor einen Referenzstromerzeuger zur Erzeugung eines Referenzstroms für die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung umfasst, welcher einen ersten Feldeffekttransistor aufweist, wobei der erste Feldeffekttransistor eine erste Kanalweite aufweist, die zur Einstellung des Ruhestroms veränderbar ist. Unter der ersten Kanalweite (englisch channel width) wird die Ausdehnung des stromführenden Kanals des ersten Feldeffekttransistors senkrecht zur Stromrichtung verstanden. Die Kanalweite des ersten Feldeffekttransistors ist proportional zu dem vom dem ersten Feldeffekttransistor geführten Referenzstrom. Über die Einstellung der ersten Kanalweite kann der von dem ersten Feldeffekttransistor geführte Referenzstrom eingestellt werden. In der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung kann aus dem Referenzstrom der Ruhestrom der jeweiligen Verstärkerschaltung abgeleitet werden. Somit kann der Ruhestrom über den von dem Referenzstromerzeuger bereitgestellten Referenzstrom eingestellt werden. Der erste Feldeffekttransistor ist bevorzugt als MOSFET (englisch metal-oxide-semiconductorfieldeffect-transistor) oder als FinFET (englisch fin field-effect-transistor) ausgebildet. Alternativ kann der erste Feldeffekttransistor als JFET (englisch junction field-effect-transistor) ausgebildet sein. Der erste Feldeffekttransistor kann ein n-Kanal-Feldeffekttransistor oder ein p-Kanal-Feldeffekttransistor sein.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der erste Feldeffekttransistor mehrere erste Gate-Finger aufweist, wobei zur Einstellung des Ruhestroms mindestens ein erster Gate-Finger wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Die erste Kanalweite des ersten Feldeffekttransistors ist abhängig von der Breite der ersten Gate-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors. Bei einem ersten Feldeffekttransistor mit einer ersten Gate-Elektrode, die mehrere erste Gate-Finger aufweist, wird daher mindestens ein erster Gate-Finger zuschaltbar oder abschaltbar vorgesehen, so dass durch das Zuschalten oder Abschalten des ersten Gate-Fingers die effektive Breite der ersten Gate-Elektrode eingestellt werden kann. Bevorzugt ist der zuschaltbare oder abschaltbare erste Gate-Finger mit einem Schaltelement, beispielsweise einem Feldeffekttransistor, verbunden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Referenzstromerzeuger mehrere parallel geschaltete erste Transistoren aufweist, wobei mindestens einer der ersten Transistoren zur Einstellung des Referenzstroms wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Durch das parallele Zuschalten eines ersten Transistors kann der Referenzstrom erhöht und durch das Abschalten des ersten Transistors verringert werden. Bei einem erhöhten Referenzstrom ergibt sich in der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder in der Detektor-Verstärkerschaltung ein erhöhter Ruhestrom, bei einem verringerten Referenzstrom ergibt sich in der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder in der Detektor-Verstärkerschaltung ein verringerter Ruhestrom. Bei den ersten Transistoren kann es sich um Bipolar-Transistoren oder Feldeffekttransistoren handeln.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung einen zweiten Feldeffekttransistor aufweist, wobei der zweite Feldeffekttransistor eine Kanalweite aufweist, die zur Einstellung des Ruhestroms veränderbar ist. Unter der zweiten Kanalweite (englisch channel width) wird die Ausdehnung des stromführenden Kanals des zweiten Feldeffekttransistors senkrecht zur Stromrichtung verstanden. Die zweite Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors ist proportional zu dem vom dem zweiten Feldeffekttransistor geführten Referenzstrom. Über die Einstellung der zweiten Kanalweite kann der von dem zweiten Feldeffekttransistor geführte Referenzstrom daher eingestellt werden. Bevorzugt ist der von dem zweiten Transistor geführte Referenzstrom der Eingangsstrom eines Stromspiegels und der Ruhestrom ist der Ausgangsstrom des Stromspiegels, so dass durch eine Vergrößerung der Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors der Ruhestrom abgesenkt werden kann. Hingegen kann durch eine Verkleinerung der Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors der Ruhestrom erhöht werden. Der zweite Feldeffekttransistor ist bevorzugt als MOSFET (englisch metal-oxidesemiconductor field-effect-transistor) oder als FinFET (englisch fin field-effect-transistor) ausgebildet. Alternativ kann der zweite Feldeffekttransistor als JFET (englisch junction field-effect-transistor) ausgebildet sein. Der zweite Feldeffekttransistor kann ein n-Kanal-Feldeffekttransistor oder ein p-Kanal-Feldeffekttransistor sein.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der zweite Feldeffekttransistor mehrere zweite Gate-Finger aufweist, wobei zur Einstellung des Ruhestroms mindestens ein zweiter Gate-Finger wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Die zweite Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors ist abhängig von der Breite der Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors. Bei einem zweiten Feldeffekttransistor mit einer zweiten Gate-Elektrode, die mehrere zweite Gate-Finger aufweist, wird daher mindestens ein zweiter Gate-Finger zuschaltbar oder abschaltbar vorgesehen, so dass durch das Zuschalten oder Abschalten des zweiten Gate-Fingers die effektive Breite der zweiten Gate-Elektrode eingestellt werden kann. Bevorzugt ist der zuschaltbare oder abschaltbare zweite Gate-Finger mit einem Schaltelement, beispielsweise einem Feldeffekttransistor, verbunden. Wenn der von dem zweiten Transistor geführte Referenzstrom der Eingangsstrom eines Stromspiegels und der Ruhestrom ist der Ausgangsstrom des Stromspiegels ist, kann durch das Zuschalten eines Gate-Fingers des zweiten Feldeffekttransistors der Ruhestrom abgesenkt werden. Hingegen kann durch das Abschalten eines Gate-Fingers des zweiten Feldeffekttransistors der Ruhestrom erhöht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung mehrere parallel geschaltete zweite Transistoren aufweist, wobei mindestens einer der zweiten Transistoren zur Einstellung des Ruhestroms wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Wenn der von dem zweiten Transistor geführte Referenzstrom der Eingangsstrom eines Stromspiegels und der Ruhestrom ist der Ausgangsstrom des Stromspiegels ist, kann durch das parallele Zuschalten eines zweiten Transistors kann der Ruhestrom verringert und durch das Abschalten eines zweiten Transistors erhöht werden. Bei den ersten Transistoren kann es sich um BipolarTransistoren oder Feldeffekttransistoren handeln.
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Der erfindungsgemäße Drehratensensor findet bevorzugt Anwendung in einem mobilen Endgerät, welches einen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, zur Versorgung des Drehratensensors mit elektrischer Energie aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Umschalten zwischen dem Stromsparmodus und dem Normalmodus über ein Steuerkommando erfolgen. Das Steuerkommando kann dem Drehratensensor von einer Steuereinheit eines mobilen Endgeräts zugeleitet werden. Das Steuerkommando kann über eine Eingabe eines Nutzers des mobilen Endgeräts ausgelöst werden. Alternativ ist es möglich, dass die Steuereinheit das Steuerkommando in Abhängigkeit von einer Zustandsvariablen des mobilen Endgeräts, insbesondere automatisch, erzeugt, beispielsweise in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers oder von einem Betriebszustand einer funktionalen Einheit des Endgeräts.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die im Zusammenhang mit dem Drehratensensor erläuterten vorteilhaften Merkmale ebenfalls Anwendung finden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungseispiele näher erläutert werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt die hauptsächlichen elektrischen Verbraucher eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Blockdiagramm.
- 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Referenzstromerzeugers und einer Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder Detektor-Verstärkerschaltung eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt in einem Blockdiagramm die hauptsächlichen elektrischen Verbraucher eines als Gyroskop ausgebildeten Drehratensensors 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Drehratensensor 1 ist ein MEMS-Drehratensensor. Der Drehratensensor 1 weist eine in dem Blockschaltbild nicht gezeigte schwingfähige Masse auf, welche durch einen Antrieb des Drehratensensors in Schwingung versetzt und im Schwingen gehalten wird. Zur Ermittlung der Drehrate wird die Auslenkung der schwingfähigen Masse mit einem Detektor des Drehratensensors gemessen. Der Detektor liefert ein Ausgangssignal, das abhängig von der Drehrate ist, welcher der Drehratensensor ausgesetzt ist. Die Wesentlichen elektrischen Verbraucher des Drehratensensors 1 sind in dem Antrieb vorgesehene Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 sowie in dem Detektor vorgesehene Detektor-Verstärkerschaltungen 4. Die Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 und die Detektor-Verstärkerschaltungen 4 können beispielsweise als Differenzverstärker ausgebildet sein. Solche Differenzverstärker erfordern zum Betrieb einen im Wesentlichen konstanten Ruhestrom 101, 101, 103 (englisch bias current), welcher mit einem im Wesentlichen konstanten Energieverbrauch einhergeht.
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Dieser Ruhestrom 101, 102, 103 kann - wie nachfolgend noch erläutert werden wird - über einen oder mehrere Referenzstromerzeuger 2 sowie über in den Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 und/oder den Detektor-Verstärkerschaltungen 4 angeordnete Stromspiegel bereitgestellt werden. Generell kann mit einem höheren Ruhestrom 101, 102, 103 eine verbesserte Performance der Antrieb-Verstärkerschaltung 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung 4 erreicht werden, insbesondere eine höhere Bandbreite und/oder geringeres Rauschen. Diese Performance wird jedoch mit einem konstanten, nicht unwesentlichen Energieverbrauch erkauft.
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Bei dem Drehratensensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel sind besondere Maßnahmen ergriffen worden, um den Energieverbrauch zu reduzieren und trotzdem den Betrieb des Drehratensensors 1 mit ausreichender Performance in einem mobilen Endgerät zu ermöglichen. Solche mobilen Endgeräte weisen oftmals ausschließlich einen als Batterie ausgebildeten Energiespeicher zur Versorgung des Drehratensensors 1 auf. Erfindungsgemäß ist wahlweise ein geringer Ruhestrom 101, 102, 103 zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltungen 4 in einem Stromsparmodus oder ein höherer Ruhestrom 101, 102, 103 zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltungen 4 in einem Normalmodus einstellbar. Aufgrund des geringeren Ruhestroms 101, 102, 103 weisen die Antrieb-Verstärkerschaltung 3 und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung 4 im Stromsparmodus eine geringere Bandbreite und ein höheres Rauschen auf. Allerdings hat der Übergang von dem Stromsparmodus in den Normalmodus nur geringen Einfluss auf die Stabilität der Antrieb-Verstärkerschaltung 3 und/oder Detektor-Verstärkerschaltung 4. Beim Umschalten in den Normalmodus können die Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 und/oder Detektor-Verstärkerschaltungen 4 schnell in ihren normalen Betriebszustand versetzt werden. Es ist daher nicht erforderlich, eine lange Anlaufzeit des Drehratensensors 1 abzuwarten.
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Die 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Teils eines Drehratensensors 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Referenzstromerzeuger 2 und eine Verstärkerschaltung 3, 4 welche als Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder Detektor-Verstärkerschaltung ausgebildet sein kann. Über den Referenzstromerzeuger wird ein Referenzstrom 100 erzeugt, welcher der Verstärkerschaltung 3, 4 bereitgestellt wird.
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Der Referenzstromerzeuger 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel weist einen Stromspiegel auf. Der Stromspiegel umfasst eine Stromquelle 20 und mehrere mit der Stromquelle verbundene Transistoren 21, 22, 23, welche als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. In der Darstellung in 2 ist ein erster Feldeffekttransistor durch die Symbole 22 und 23 und ein zweiter Feldeffekttransistor durch das Symbol 21 dargestellt. Der erste Feldeffekttransistor 22, 23 weist mehrere Gate-Finger auf, wobei das Symbol 22 einen ersten Gate-Finger und das Symbol 23 einen zweiten Gate-Finger bezeichnet. Abweichend davon kann der erste Feldeffekttransistor 22, 23 weitere Gate-Finger aufweisen. Weiter alternativ können anstelle eines ersten Feldeffekttransistors 22, 23 mehrere parallel verschaltete Transistoren vorgesehen sein.
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Der erste Feldeffekttransistor 22, 23 weist eine erste Kanalweite auf, die zur Einstellung des Ruhestroms 101, 102, 103 veränderbar ist. Diese Einstellbarkeit der Kanalweite ist gemäß dem Ausführungsbeispiel dadurch ermöglicht, dass der erste Gate-Finger 22 des ersten Feldeffekttransistors wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Hierzu ist im Verbindungspfad zwischen der Stromquelle 20 und der Gate-Elektrode des ersten Gate-Fingers 22 ein Schalter 24 vorgesehen. Der Schalter 24 kann über eine Steuereinheit des mobilen Endgeräts gesteuert werden. Der Schalter 24 kann als Transistor, beispielsweise als Feldeffekttransistor, ausgebildet sein. Durch das Zuschalten oder Abschalten des ersten Gate-Fingers 22 wird die effektive Breite der ersten Gate-Elektrode eingestellt. Bei geschlossenem Schalter 24 ist der erste Gate-Finger 22 zugeschaltet. Die Kanalweite des ersten Feldeffekttransistors 22, 23 ist erhöht. Somit kann der Feldeffekttransistor einen erhöhten Referenzstrom 100 bereitstellen. Über den Stromspiegel der Verstärkerschaltung 3,4 wird dieser erhöhte Referenzstrom 100 auf die Ruheströme 101, 102, 13 der Verstärkerschaltung gespiegelt. Dieser Zustand stellt den Normalmodus des Drehratensensors 1 dar. Wird der Schalter 24 geöffnet, so ist der Gate-Finger 22 abgeschaltet. Die Kanalweite des ersten Feldeffekttransistors 22, 23 ist reduziert. Der Referenzstrom 100 ist verringert. Über den Stromspiegel der Verstärkerschaltung 3, 4 wird der verringerte Referenzstrom 100 auf die Ruheströme 101, 102, 103 gespiegelt. Dieser Zustand stellt den Stromsparmodus des Drehratensensors 1 dar.
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Die Ruheströme 101, 102, 103 können bei dem Drehratensensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel alternativ oder zusätzlich durch einen zweiten Schalter 36 beeinflusst werden, welcher in der Verstärkerschaltung 3, 4 angeordnet ist. Die Verstärkerschaltung 3, 4 weist einen Stromspiegel auf, in welchen der Referenzstrom 100 eingespeist wird. Der Stromspiegel weist mehrere-Spiegel-Transistoren auf, welche die einzelnen Ruheströme 101, 102, 103 bereitstellen. Ferner ist ein zweiter Feldeffekttransistor 31, 32 vorgesehen, welcher mehrere Gate-Finger aufweist. In der Darstellung in 2 ist ein erster Gate-Finger 31 und ein zweiter Gate-Finger 32 gezeigt. Abweichend davon kann der zweite Feldeffekttransistor weitere Gate-Finger aufweisen. Weiter alternativ kann anstelle des Feldeffekttransistors 31, 32 eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, vorgesehen sein. Der erste Gate-Finger 32 ist über den Schalter 36 wahlweise abschaltbar oder zuschaltbar. Durch das Zuschalten oder Abschalten des zweiten Gate-Fingers 32 wird die effektive Breite der zweiten Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors eingestellt. Bei geschlossenem Schalter 36 ist der erste Gate-Finger 32 zugeschaltet. Die Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors 31, 32 ist erhöht. Infolge reduzieren sich die gespiegelten Ruheströme 101, 102, 103. Dieser Zustand stellt den Stromsparmodus des Drehratensensors 1 dar. Wird der zweite Schalter 36 geöffnet, so ist der zweite Gate-Finger 32 abgeschaltet. Die Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors 31, 32 ist reduziert. Die gespiegelten Ruheströme 101, 102, 103 erhöhen sich. Dieser Zustand stellt den Normalmodus des Drehratensensors 1 dar.
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Die vorstehend beschriebenen Drehratensensoren 1 weisen einen Antrieb zur Anregung einer Schwingung einer schwingfähigen Masse auf, welcher mindestens eine Antrieb-Verstärkerschaltung 3 umfasst. Ferner weisen diese Drehratensensoren 1 einen Detektor zur Detektion einer Auslenkung der schwingfähigen Masse auf, welcher mindestens eine Detektor-Verstärkerschaltung 4 umfasst. Um den Betrieb der Drehratensensoren 1 in einem mobilen Endgerät mit einer reduzierten Anlaufzeit zu ermöglichen, ist wahlweise ein geringer Ruhestrom 101, 102, 103 zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltung 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung 4 in einem Stromsparmodus oder ein höherer Ruhestrom 101, 102, 103 zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltung 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung 4 in einem Normalmodus einstellbar.
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In der vorstehenden Beschreibung soll die Verwendung eines bestimmten oder unbestimmten Artikels zusammen mit einem Substantiv auch den Plural des Substantivs einschließen, sofern nichts anderes erwähnt wird. Die Begriffe „erster“ und „zweiter“ in der Beschreibung und den Ansprüchen sollen das Unterscheiden ähnlicher Elemente voneinander ermöglichen und beschreiben keine bestimmte Abfolge dieser Elemente. Ferner werden nachfolgend identische Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
