DE102020111914A1

DE102020111914A1 - Choppersystem und Verfahren

Info

Publication number: DE102020111914A1
Application number: DE102020111914.3A
Authority: DE
Inventors: Mario Motz; Umberto ARACRI
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-05-04
Filing date: 2020-05-04
Publication date: 2021-11-04
Also published as: CN113612476A; US20210344315A1; US11863137B2

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren bereitgestellt, bei denen ein Choppermodulator und ein Chopperdemodulator eine gechoppte Vorrichtung (11) mit einer variablen Chopperfrequenz beschrieben werden. Ein Rückkopplungspfad (16) dient zur Reduzierung von Welligkeiten und/oder verbleibenden Offsets durch die variable Chopperfrequenz.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft Systeme, die ein Choppen (im Deutschen manchmal als „Zerhacken“ bezeichnet) einsetzen, und entsprechende Verfahren.
HINTERGRUND
Choppen ist eine Technik, bei der ein Eingangssignal und ein Ausgangssignal einer Vorrichtung jeweils mit einem Choppersignal, das eine Chopperfrequenz aufweist, moduliert werden. Die Vorrichtung kann dabei beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler oder ein Verstärker sein und wird im Rahmen dieser Anmeldung allgemein als gechoppte Vorrichtung bezeichnet. Beispielsweise kann ein derartiges Choppersignal mit einer Chopperfrequenz abwechselnd Werte von +1 und -1 annehmen, und das Eingangssignal und das Ausgangssignal der gechoppten Vorrichtung werden mit diesem Signal zur Modulation multipliziert.
Dieses Choppen beseitigt einen Gleichspannungs-Offset der gechoppten Vorrichtung oder verringert ihn zumindest. Allerdings bewirkt das Choppen eine Welligkeit (engl. „ripple“) bei der Chopperfrequenz. Zum Beseitigen dieser Welligkeiten ist bei herkömmlichen Herangehensweisen ein Tiefpassfilter oder Kerbfilter erforderlich, was einen zusätzlichen Implementierungsaufwand, zusätzliche Verzögerungszeiten und unerwünschtes Ein- oder Überschwingverhalten bedeuten kann. Auch mit einem solchen Filter kann es zudem zu Störsignalen bei Vielfachen der Chopperfrequenz kommen. Dies kann bei unerwünschten Störeinkopplungen am Ausgang einer Chopperanordnung erfolgen und zu unerwünschten Demodulationseffekten führen, die das Nutzsignal im Gleichanteil oder im Nutzfrequenzbereich verfälschen können ,insbesondere bei Systemen mit Hochfrequenzstörungen aus einer Umgebung des Systems.
Bei manchen Herangehensweisen wird die Chopperfrequenz zufällig oder pseudozufällig variiert, um derartige Störsignale bei Vielfachen der Chopperfrequenz zu verringern. Dies hat aber den Nachteil, dass Offset-Anteile nicht vollständig auf eine fixe Chopperfrequenz hochmoduliert werden und anschließend gezielt weggefiltert werden können, sondern Mischfrequenzen zu einem Herunterfalten (Herunterdemodulieren) führen, was sich als Rauscherhöhung im Nutzsignal bemerkbar machen kann. Diese Mischfrequenzen entstehen durch die sich ständig ändernde Chopperfrequenz.
KURZFASSUNG
Es werden ein System nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 7 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein System bereitgestellt, umfassend: eine gechoppte Vorrichtung mit einem Choppermodulator an einem Eingang und einem Chopperdemodulator an einem Ausgang, eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Choppersignals mit einer variablen Chopperfrequenz an den Choppermodulator und den Demodulator, und einen Rückkopplungspfad von einem Ausgang des Chopperdemodulators zu der gechoppten Vorrichtung, welche eingerichtet ist, durch die variable Chopperfrequenz verursachte Welligkeiten und/oder Offsets zu reduzieren.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend:

Bereitstellen eines Choppersignals mit einer variablen Chopperfrequenz an eine Chopperanordnung, und
Bereitstellen von einer Rückkopplung von einem Ausgang der Chopperanordnung zu einer gechoppten Vorrichtung zum Kompensieren von durch die variable Chopperfrequenz verursachten Welligkeiten oder Offsets.

Die obige Kurzfassung stellt lediglich einen kurzen Überblick über manche Ausführungsformen dar und ist nicht als einschränkend auszulegen, da andere Ausführungsformen andere Merkmale aufweisen können als die oben diskutierten.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 ist ein Flussdiagram zur Erläuterung von Verfahren gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
3, bestehend aus 3A bis 3D, zeigt eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in vier verschiedenen Betriebsphasen.
4A und 4B zeigen Diagramme zur Veranschaulichung einer variablen Chopperfrequenz
5A ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise mancher Ausführungsbeispiele.
5B ist ein Beispiel für mit der Vorrichtung der 5A erzeugte Signale.
6 ist ein Schaltungsdiagramm einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Choppersignals mit einer pseudozufälligen Chopperfrequenz.
7 ist ein Diagramm eines Implementierungsbeispiels eines Rückkopplungspfades.
8 bis 10 sind Diagramme zur Veranschaulichung der Effekte mancher Ausführungsbeispiele verglichen mit herkömmlichen Systemen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Während in manchen Ausführungsbeispielen spezifische Implementierungsdetails beschrieben sind, können in anderen Ausführungsbeispielen auch andere Implementierungen mit anderen Merkmalen (beispielsweise Komponenten, Verfahrensabläufen, Elementen und dergleichen) verwendet werden.
Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Variationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar und werden daher nicht wiederholt erläutert. Zusätzlich zu den explizit dargestellten und beschriebenen Merkmalen können weitere Merkmale, beispielsweise in herkömmlichen Systemen mit gechoppten Vorrichtungen verwendete Merkmale, bereitgestellt sein.
Verbindungen und Kopplungen, die hier beschrieben werden, sind elektrische Verbindungen oder Kopplungen sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist. Derartige Verbindungen oder Kopplungen können modifiziert werden, solange die grundsätzliche Funktionsweise der Verbindung oder Kopplung im Wesentlichen unverändert bleibt.
1 zeigt ein System gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das System der 1 umfasst eine Signalquelle 10. Die Signalquelle 10 kann beispielsweise einen Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe und gegebenenfalls weitere Komponenten wie Filter und Verstärker zum Verarbeiten eines von dem Sensor ausgegebenen Signals aufweisen. Auch andere Arten von Signalquellen, beispielsweise Audiosignalquellen, können verwendet werden.
Ein Signal von der Signalquelle 10 wird einer gechoppten Vorrichtung 11 zugeführt. Die gechoppte Vorrichtung 11 weist an ihrem Eingang einen Choppermodulator 13 und an ihrem Ausgang einen Chopperdemodulator 14 auf. Die gechoppte Vorrichtung 11 kann jede Art von Vorrichtung sein, bei der herkömmlicherweise ein Choppen verwendet wird, beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler zur Wandlung eines von der Signalquelle 10 ausgegebenen analogen Signals in ein digitales Signal, oder einen Verstärker, um das von der Signalquelle 10 gelieferte Signal zu verstärken. Ein Ausgangssignal der gechoppten Vorrichtung 11 wird nach dem Demodulieren durch den Chopperdemodulator 14 einer Signalsenke 12 zugeführt.
Im Falle einer Signalquelle 10, die einen Sensor umfasst, können dann beispielsweise in der Signalsenke 12 die Sensorsignale weiterverarbeitet werden und beispielsweise in Abhängigkeit von den Sensorsignalen andere Vorrichtungen gesteuert werden. Andere Arten von Signalsenken, die Signale von einer Signalquelle verarbeiten, können ebenfalls verwendet werden.
Das System der 1 weist zudem eine Einrichtung 15 zum Erzeugen eines Choppersignals c mit einer variablen Chopperfrequenz fchop auf. Das Signal c kann beispielsweise alternierend Werte von +1 und -1 aufweisen, mit denen das Signal von der Signalquelle 10 in dem Choppermodulator 13 bzw. das Signal von der gechoppten Vorrichtung 11 in dem Chopperdemodulator 14 multipliziert wird. Auch andere bei herkömmlichen Choppern verwendete Signalfolgen können verwendet werden. Das Choppersignal c weist eine variable Chopperfrequenz auf, das heißt, dass beispielsweise der Wechsel von +1 zu -1 (oder andere Signalwerte des Choppersignals c) nicht mit einer festen Frequenz stattfindet, sondern um eine gewisse Frequenz herum variiert. Diese Variation kann nach einem vorgegebenen Schema (das heißt einer vorgegebenen Abfolge von Frequenzen), zufällig oder pseudozufällig erfolgen. Mögliche Implementierungen einer derartigen pseudozufälligen Erzeugung einer variablen Chopperfrequenz werden später noch unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 erläutert. Durch die Verwendung einer derartigen variablen Chopperfrequenz können Störsignale bei hohen Frequenzen verringert werden, beispielsweise über einen größeren Frequenzbereich, dafür mit niedrigerer Intensität, verteilt werden. Ohne weitere Maßnahmen würden jedoch eine Welligkeit oder ein Offset in dem Ausgangssignal, das der Signalsenke 12 zugeführt wird verbleiben bzw. durch die variable Chopperfrequenz zunehmen.
Zur Unterdrückung oder Verringerung derartiger Effekte ist weiter in dem System der 1 ein Rückkopplungspfad 16 von dem Ausgang des Chopperdemodulators 14 zu der gechoppten Vorrichtung 11 bereitgestellt. Über den Rückkopplungspfad 16 wird ein Offset der gechoppten Vorrichtung 11 verstellt. Die Möglichkeit, einen Offset zu verstellen, bieten viele gechoppte Vorrichtungen wie Analog-Digital-Wandler oder Verstärker ohnehin. Bei Analog-Digital-Wandlern kann dies durch Addieren oder Subtrahieren eines einstellbaren digitalen Wertes von der Ausgabe erfolgen, bei Verstärken kann dies beispielsweise durch Einstellung einer Vorspannung des Verstärkers erfolgen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch ein Eingangssignal der gechoppten Vorrichtung 11 mit einem Signal aus dem Rückkopplungspfad modifiziert werden.
Der Rückkopplungspfad kann analog, digital oder eine Mischung von beiden sein und durch Verarbeitung des von dem Chopperdemodulator 14 ausgegebenen Signals ein Kompensationssignal erzeugen, mit dem derartige Welligkeiten und verbleibende Offsets durch die variable Chopperfrequenz beseitigt oder zumindest verringert werden können. Hierzu kann der Rückkopplungspfad einen Integrator aufweisen. Der Rückkoppelpfad kann eine Filterfunktion aufweisen, die das Nutzsignal des Systems (d.h. das von der Signalquelle 10 kommende und von der gechoppten Vorrichtung 11 verarbeiteten Nutzsignals) ganz oder teilweise unterdrückt und die von der variablen Chopperfrequenz erzeugten Welligkeiten und/oder Offsets durchlässt, so dass die gechoppte Vorrichtung 11 auf Basis dieser Welligkeiten und/oder Offsets gegengleich angesteuert werden kann, um diese dann am Ausgang des Systems zu unterdrücken.
Ist die gechoppte Vorrichtung 11 beispielsweise ein Verstärker mit offener Verstärkung von G, führt eine Rückkopplungsfunktion H an den Verstärker zu einer inversen Funktion G/(1+GH) am Verstärkerausgang. Bei genügen großer Verstärkung G führt das zu einem Verhalten, dass näherungsweise proportional zu 1/H ist. Wenn das Rückkopplungssignal nun Welligkeiten und/oder Offsets repräsentiert, dass diese unterdrückt werden. Da auf der anderen Seite das Nutzsignal im Rückkopplungspfad unterdrückt wird, wird das Nutzsignal am Ausgang des Verstärkers von der Rückkopplung wenig beeinflusst.
Mit dieser Kombination aus variabler Chopperfrequenz und Rückkopplungspfad ist es möglich, die Vorteile der variablen Chopperfrequenz, insbesondere Verringerung von Störungen bei Vielfachen einer festen Chopperfrequenz, zu nutzen, und gleichzeitig Welligkeiten und den Offset stark auf bei oder nahe null zu reduzieren. Zudem können die Modulationseffekte in nachfolgenden Systemen wie der Signalsenke 12 verringert werden, und eine Herausfilterung von Nutzsignalen in der Nähe der Chopperfrequenz kann reduziert werden. Ohne den Rückkopplungspfad 16 würde die Nutzung der variablen Chopperfrequenz hingegen die eingangs beschriebenen Nachteile mit sich bringen. Es ist kein Tiefpassfilter oder Kerbfilter am Ausgang des Choppers 14 nötig, und die damit verbundenen Nachteile treten nicht auf. Zudem kann eine Empfindlichkeit gegenüber hochfrequenten Störsignalen verringert werden. Auch kann durch den Rückkopplungspfad 16 eine Erhöhung von Rauschen im Nutzsignalbereich, der bei herkömmlichen Ansätzen mit einer variablen Chopperfrequenz einhergeht, verringert oder vermieden werden.
Der Rückkopplungspfad 16 führt wie oben erläutert zu einer effektiven Filterung des Ausgangssignals. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist eine Filterfrequenz dieser Filterung (beispielsweise eine Grenzfrequenz einer Tiefpassfilterung zum Herausfiltern des Nutzsignals wie oben beschrieben) durch den Rückkopplungspfad um mindestens einen Faktor 2 kleiner als eine Wiederholfrequenz der variablen Chopperfrequenz. Diese Wiederholfrequenz gibt an, wie schnell sich die Frequenzabfolge im Falle einer Pseudozufallssequenz oder einer vorgegebenen Reihenfolge wiederholt. Dies kann eine Stabilität des Systems bei manchen Implementierungen erhöhen, insbesondere dazu führen, dass sich ein von dem Rückkopplungspfad 16 ausgegebenes Signal besser auf einen stabilen Wert einregelt. Insbesondere führt dies dazu, dass der Rückkopplungspfad den wechselnden Chopperfrequenzen nicht folgen kann. Dies kann den zusätzlichen Effekt haben, dass ein Nutzsignal in der Nähe der Chopperfrequenz weniger unterdrückt wird.
Zudem oder alternativ kann die Filterfrequenz mindestens einen Faktor 2 kleiner sein als eine minimale Chopperfrequenz der variablen Chopperfrequenz.
Bei manchen Ausführungsbeispielen liegt der Frequenzbereich, in dem die variablen Chopperfrequenz des Choppersignals c variiert, oberhalb eines Nutzsignalbereichs, das heißt eines Frequenzbereichs des von der Signalquelle 10 ausgegebenen Signals. Dies kann verhindern, dass sich die Energie von Welligkeiten im Nutzsignalbereich erhöht. Oberhalb des Nutzsignalbereichs wird bei manchen Ausführungsbeispielen ein vergleichsweise breiter Frequenzbereich verwendet, um Energie bei Vielfachen der Chopperfrequenz möglichst breit zu verteilen. Beispielsweise kann ein Nutzfrequenzbereich bis 200kHz reichen, eine mittlere Chopperfrequenz bei 300kHz liegen, wobei die variable Chopperfrequenz zwischen 200kHz und 400kHz variiert. In einem solchen Fall kann dann der Rückkopplungspfad eine Filterfrequenz kleiner als 100kHz aufweisen. Diese Zahlenbeispiele dienen jedoch nur der Veranschaulichung, und je nach Implementierung sind auch andere Werte möglich.
Die 2 zeigt ein Flussdiagram zur Veranschaulichung von Verfahren gemäß mancher Ausführungsbeispiele. Das Verfahren der 2 kann beispielsweise in dem System der 1 implementiert werden und wird zur Vermeidung von Wiederholungen unter Bezugnahme auf diese beschrieben. Das Verfahren der 2 kann jedoch auch in anderen Systemen, beispielsweise den nachfolgend beschriebenen Systemen, implementiert sein und ist daher nicht auf eine bestimmte Vorrichtung beschränkt. Während das Verfahren der 2 mit zwei Teilen bei 20 und 21 beschrieben ist, können die beschriebenen Vorgänge im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden, wie dies auch in 1 der Fall ist.
In Schritt 20 wird einer Chopperanordnung, beispielsweise dem Choppermodulator 13 und dem Chopperdemodulator 14, ein Choppersignal mit variabler Chopperfrequenz bereitgestellt, wie beispielsweise das Choppersignal c der 1. Bei 21 wird eine Rückkopplung von einem Ausgang zu der gechoppten Vorrichtung bereitgestellt, beispielsweise um einen Offset der gechoppten Vorrichtung einzustellen, wie dies für den Rückkopplungspfad 16 der 1 beschrieben wurde.
Die 3, bestehend aus 3A bis 3D, zeigt ein System gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die unter Bezugnahme auf die 1 und 2 diskutierten Techniken auf einen spezifischen Fall einer Verarbeitung eines Signals von einem Hall-Sensor, der mit einer Spinning-Current-Technik betrieben wird, angewendet wird. Bei der Spinning-Current-Technik werden Anschlüsse eines Hall-Sensors, denen ein Bias-Strom zugeführt wird, und Anschlüsse, an denen eine Hall-Spannung abgegriffen wird, zyklisch durchgetauscht, was zur Kompensation von Offsets des Hall-Sensors dienen kann. In den 3A bis 3D ist die Anwendung einer Vier-Phasen-Spinning-Current-Technik gezeigt, wobei jede der 3A bis 3D eine Phase zeigt, in den Figuren mit PH1 bis PH4 bezeichnet. Zunächst wird die Vorrichtung unter Bezugnahme auf die 3A beschrieben. Die gleiche Vorrichtung ist in den 3B bis 3D, nur für andere Phasen, gezeigt.
Die Vorrichtung der 3 weist einen Hall-Sensor 30 auf, welcher durch eine Schaltung von vier Widerständen 31 bis 34 symbolisiert ist. Knoten zwischen den Widerständen sind mit hnw, hne, hse und hsw bezeichnet.
Beim Anlegen eines Bias-Stroms zwischen zwei gegenüberliegenden Knoten kann eine Hall-Spannung zwischen den beiden anderen Knoten abgegriffen werden. In den Figuren zeigt ein Pfeil 314 jeweils den angelegten Bias-Strom an, im Falle der 3A von dem Knoten hnw zu dem Knoten hse. Eine Hall-Spannung wird dann im Falle der 3A entsprechend zwischen den Knoten hne und hsw abgegriffen und einem Choppermodulator 35 zugeführt. Ein Ausgang des ersten Choppers 35 ist mit einem Differenzverstärker 37 über eine Gleichspannungskopplung 36, die Gleichanteile des Ausgangssignals des Choppermodulators 35 überträgt, verbunden. Der Differenzverstärker 37 ist ein Beispiel für eine gechoppte Vorrichtung.
Ein Ausgangssignal des Differenzverstärkers 37 wird einem Chopperdemodulator 38 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Chopperdemodulators 38 wird in einem Operationsverstärker 39 gepuffert und ausgegeben. Zum anderen wird das Ausgangssignal einem Rückkopplungspfad umfassend einen analogen Demodulator 310, einen Analog-Digital-Wandler 311, eine Rückkopplungssteuerung 312 und einem Digital-Analog-Wandler 313 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 313 verändert einen Offset des Differenzverstärkers 37.
Im Betrieb wird an den Choppermodulator 35 und den Chopperdemodulator 38 ein Choppersignal mit einer nicht konstanten Chopperfrequenz fchop (symbolisiert durch „fchop ≠ const“) angelegt. Synchron hierzu wird auch das es Spinning-Current-Verfahren mit einer nicht konstanten Frequenz fspin, die ein ganzzahliges Vielfaches von fchop (beispielsweise 2*fchop) sein kann, betrieben.
In der Phase 1 der 3A wird der Bias-Strom wie bereits erläutert zwischen den Anschlüssen hnw und hse angelegt, und die Hall-Spannung wird zwischen den Anschlüssen ein hne und hsw abgegriffen. Dies ergibt eine Spannung +Vs+Voh-Vn11, wobei Vs die eigentlich zu messende Spannung, die durch ein Magnetfeld verursacht wird, ist, Voh ein Offset des Hall-Sensors 30 ist, und Vn11 eine Spannung ist, die dadurch entsteht, dass die Widerstände 31 bis 34 kein gleiches Verhalten zeigen und hier durch den Widerstand 32 verursacht ist. Diese Spannung wird von dem Differenzverstärker 37 verstärkt, wobei zusätzlich ein Offset Voa des Verstärkers 37 hinzukommt. Am Ausgang des Choppers 38 liegt dann eine Spannung +Vs+Voh+Voa-Vn11 vor. Das Ausgangssignal wird nochmals mit der Chopperfrequenz in dem Demodulator 310 demoduliert, und über die Rückkopplungssteuerung 312 wird auf Basis dieses modulierten Signals dann der Offset des Differenzverstärkers 37 eingestellt. Dieser Rückkopplungspfad kann im Wesentlichen wie oben für den Rückkopplungspfad 16 beschrieben arbeiten, so dass über die Rückkopllungssteuerung 312 das Nutzsignal unterdrückt wird und der Differenzverstärker 37 dann auf Basis der Welligkeiten und/oder Offsets angesteuert wird.
Linien in dem Chopper-Modulator 35 zeigen Beispiele für die Verbindungen des Hall-Sensors 30 mit dem Differenzverstärker 37 in jeder Phase PH1 bis PH4. Im Wesentlichen ist dies bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel so implementiert, dass Voh (Hallbrücken-Offset) und Voa (Verstärkeroffset) synchron laufen, wohingegen demgegenüber das Signal Vs vom Vorzeichen wechselt so dass wie unten beschrieben am Ende beides separiert werden kann und Offsets unterdrückt werden können. Linien in dem Chopper-Demodulator 38 zeigen die Verbindungen vom Differenzverstärker 37 zu dem Ausgang des Systems (bzw einem positivem Ausgang, falls ein differenzieller Ausgang implementiert ist).
In der Phase 2 der 3B wird der Bias-Strom zwischen den Anschlüssen hsw und hne angelegt, das heißt in umgekehrter Richtung wie in der Phase 1 der 3A, und das Ausgangssignal ist entsprechend -Vs-Voh-Vnl11. Als Ausgangssignal des Differenzverstärkers 37 ergibt sich +Vs+Voh+Voa+Vn11, und als Ausgangssignal des Chopperdemodulators 38 +Vs+Voh+Voa+Vn11. In den Phasen der 3C und 3D wird dann der Bias-Strom 314 zwischen den Anschlüssen hne und hsw angelegt, mit unterschiedlicher Polarität, und die Hall-Spannung wird zwischen den Anschlüssen hne unter hsw abgegriffen. Dies ergibt im Falle der 3C eine Ausgangsspannung +Vs-Voh-Voa+Vnl2 und auch im Falle der 3D ein Ausgangssignal +Vs-Voh-Voa-Vnl2. Werden die vier Ausgangssignale addiert, kompensieren sich die Anteile von Voh und Voa, und es bleibt ein Wert von 4 Vs übrig.
Die obige Beschreibung gilt zunächst für gleichbleibenden (DC) Signale im zeitlichen Mittel gilt. Bereits hier verbleibt ein Wechsel-Anteil (AC) bei der hochmodulierenden Chopperfrequenz (z.B. der Anteil von Voa verschwindet im zeitlichen Mittel, jedoch tritt er am Ausgang als Wechselspannungssignal mit +Voa und -Voa auf. Die Wechselfrequenz zwischen +Voa / -Voa ist gleich der Chopperfrequenz.
Der Rückkopplungspfad 310 bis 313 arbeitet nun als Gegenkopplung dieses Wechselspannungssignals im Differenzverstärker 37, so dass nach Einschwingen des Rückkoplungspfades (entsprechend seiner Filterfrequenz) am Ausgang des Sensors der Wechselanteil verschwindet.
Durch die variable Chopperfrequenz in Verbindung mit der Rückkopplung können zudem Störsignale bei höheren Frequenzen bei gleichzeitiger Unterdrückung eines Offsets oder einer Welligkeit, die durch die variable Chopperfrequenz hervorgerufen wird, erreicht werden.
Die 4A und 4B zeigen Beispiele für variable Chopperfrequenzen über der Zeit, wobei jeweils die Chopperfrequenz über der Zeit aufgetragen ist. In 4A sind elf Perioden des Choppersignals 1 bis 11 über der Zeit aufgetragen, mit Frequenzen zwischen 300 und 180 kHz. Derartige Frequenzen können beispielsweise mit einem Pseudozufallszahlengenerator erzeugt werden. Ein anderes Beispiel für variable Frequenzen ist in der 4B dargestellt. Hier wiederholt sich das Muster der Frequenzen nach einer gewissen Zeit, wobei in 4B zwei Wiederholungen gezeigt sind. Diese Wiederholung weist also eine Wiederholfrequenz auf, die oben erläutert wurde.
Möglichkeiten zur Erzeugung variabler Chopperfrequenzen werden nunmehr erläutert.
Die 5A zeigt eine Vorrichtung mit einem Oszillatorabschnitt 50, der von einer Versorgungsspannung VDDA versorgt wird, und einem Abschnitt 51, der von einer Versorgungsspannung VDDD versorgt wird und Frequenzteiler 52 bis 55 sowie Pseudozufallsgeneratoren 56 und 57 aufweist. Eine Möglichkeit, ein Choppersignal mit variabler Chopperfrequenz zu erzeugen, besteht darin, eine Zufallssequenz von dem Pseudozufallsgenerator 57 einem Dither-Register des Oszillatorabschnitts zuzuführen, wodurch dessen Frequenz variiert wird. Dies kann beispielsweise durch Auswahl von binär gewichteten Stromquellen entsprechend dem Dither-Register für einen Integratorstrom eines Relaxationsoszillators erfolgen. Bei einem digital gesteuerten Oszillator (DCO) kann das Dither-Register ein Teil des Steuerwortes sein und somit ebenfalls die Frequenz variieren. Ansonsten wird eine Frequenz durch ein Signal Trim OSC eingestellt. Der Oszillatorabschnitt 50 kann beispielsweise ein Signal mit einer Frequenz um die 6 MHz, gegebenenfalls variiert durch die Ansteuerung des Dither-Registers, ausgeben.
Zusätzlich oder alternativ zu der Variation über das Dither-Register kann ein Ausgangssignal des Pseudzufallsgenerators 56 einen variablen Frequenzteiler 52 ansteuern, der die Frequenz seines Eingangssignals durch einen Faktor zwischen 5 und 8 (in dem dargestellten Beispiel 5, 6, 7, 8) variabel teilt und somit variable Frequenzen erzeugt. In dem Ausführungsbeispiel der 5A sind dem variablen Frequenzteiler noch fixe Frequenzteiler 53, 54 zum Teilen der Frequenz durch zwei nachgeschaltet, um ein Choppersignal Clk_chop zu erzeugen, welches in dem Zahlenbeispiel Frequenzen von 250 kHz, 187,5 kHz, 214,28 kHz oder 300 kHz aufweisen kann. Zwischen den Teilern 53 und 54 wird zudem noch ein Signal Clk_spin abgezweigt, welches als Taktsignal für ein Spinning-Current-Verfahren dienen kann und die doppelte Frequenz von dem Signal C1k_chop aufweist. Zudem wird das Oszillatorsignal direkt einem Frequenzteiler 55, der das Signal durch zwei teilt, zugeführt, um ein Signal Clk_adc zu erzeugen, welches beispielsweise als Taktsignal für einen Analog-Digital-Wandler dienen kann.
Sämtliche Zahlen in dem Beispiel der 5A dienen lediglich der Veranschaulichung, und es können auch andere Werte, andere Anzahlen von Frequenzteilern, oder andere Teilerverhältnisse verwendet werden. Zudem können das Dither-Register des Oszillatorabschnitts 50 und der variable Frequenzteiler 52 gemeinsam, aber auch unabhängig voneinander verwendet werden, um eine variable Chopperfrequenz zu erzeugen.
Die 5B zeigt ein Beispiel für Signale, welche mit der Vorrichtung der 5A ohne das Dither-Register, aber mit dem variablen Frequenzteiler 52 erzeugt werden können. Eine Kurve 58 in 5B zeigt ein Beispiel für das Choppersignal Clk_chop, wobei oben das Teilerverhältnis des variablen Frequenzteilers 52 gezeigt wird. Zudem sind die Phasen der Spinning-Current-Technik gemäß dem mit doppelter Frequenz laufenden Signal Clk_spin angegeben. Auch dies dient lediglich als veranschaulichendes Beispiel.
Die 6 zeigt ein Beispiel für einen Pseudozufallsgenerator, der mit einer Kette von Schieberegistern implementiert ist und einen programmierbaren Frequenzteiler 60, der dem variablen Frequenzteiler 52 der 5A entsprechen kann, ansteuert, um so ein Signal mit einer variablen Chopperfrequenz fchop aus einem Oszillatorsignal fosc zu erzeugen. Andere Implementierungen von Pseudozufallszahlengeneratoren können ebenso verwendet werden
Die 7 zeigt ein Implementierbeispiel für einen Rückkopplungspfad, wie er in dem Ausführungsbeispiel der 3 verwendbar ist.
Der Rückkopplungspfad der 7 empfängt ein Ausgangssignal rm von einer gechoppten Vorrichtung nach einem Chopperdemodulator (und gegebenenfalls nach einer Verstärkung wie durch den Operationsverstärker 39 der 3) an einem Demodulator 70, dessen Funktion dem analogen Demodulator 310 der 3C entspricht. Ein Ausgangssignal des Demodulators 70 wird einem Analog-Digital-Wandler 71 zugeführt, der in dem dargestellten Beispiel ein 1-Bit-Analog-Digital-Wandler ist, das heißt ein Analog-Digital-Wandler, der ein 1-Bit-Signal ausgibt. Das ausgegebene Signal ist in 7 als comprr_o bezeichnet. Ein Beispiel für dieses Signal für mehrere Phasen des Spinning-Current-Verfahrens ist dargestellt (2mal PH1 bis PH4) .
Das Signal comprr_o wird einem Integrator 72 zugeführt, der als einfacher Hoch-/Runterzähler implementiert sein kann und je nach Wert des Signals comprr_o entweder nach oben oder nach unten zählt.
Um die Funktion des Integrators zu veranschaulichen, zeigen Amplituden 78 des Beispielsignals z.B das Offset-Signal des Verstärkers Voa in den Phasen PH1 bis PH4. Amplituden 79 zeigen das Nutzsignal in den Phasen PH1 bis PH4. Da das Nutzsignal zu gleichen Teilen mal positiv, mal negativ erscheint, wird das Nutzsignal im Integrator 72 gemittelt und damit unterdrückt, während sich die Voa-Anteile (Offset) gemäß den Amplituden 78 immer weiter aufintegrieren.
Das Aufintegrieren hat im Betrieb der jeweiligen gechoppten Vorrichtung (im Falle der 7 ein Verstärker 77) durch den Rückkopplungspfad dann ein Ende wenn der unerwünschte Anteil im Ausgangssignal durch die von dem Rückkopplungspfad verursachte Gegenkopplung verschwindet. Darauf stellt sich das System ein.
Das von dem Integrator 72 ausgegebene Signal kann beispielsweise ein 12-Bit-Signal sein. Ein Ausgangssignal des Integrators 72 wird einem Digital-Analog-Wandler, in dem dargestellten Beispiel ein 13-Bit-ODAG (objective digital to analog converter) zugeführt. Das so erzeugte Signal wird dann über einen Widerstand 76 an einem Eingang des Verstärkers 77 überlagert, der ein Beispiel für eine gechoppte Vorrichtung ist. Hier wird das Signal des Rückkopplungssignals also am Eingang des Verstärkers 77 eingespeist, was effektiv ebenso den Offset des Verstärkers 77 verändert. Am Verstärker wird dann wiederum ein Signal „Ripple meas“ als Eingangssignal für den Rückkopplungspfad abgegriffen. Dies kann auch an einem Ausgang des Verstärkers 77 oder nach einem Chopperdemodulator wie oben erläutert erfolgen.
Die 7 zeigt nur eine mögliche Implementierung eines Rückkopplungspfades, und andere Implementierungen, beispielsweise Implementierungen, wie sie in ähnlicher Weise auch bei Systemen mit konstanter Chopperfrequenz verwendet werden, können herangezogen werden.
Der Effekt von hier diskutierten Vorrichtungen wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 noch veranschaulicht. Der genaue Verlauf der dargestellten Kurven hängt von der jeweiligen Implementierung ab, sodass die dargestellten Kurven lediglich als Beispiel zu verstehen sind. Die 8 zeigt einen Signalverlauf eines Ausgangssignals eines Systems wie dem System der 3 für eine feste Chopperfrequenz in einer Kurve 81 und für eine variable Chopperfrequenz in einer Kurve 80. Wie zu sehen, ist die Unterdrückung des Signals im Falle der festen Chopperfrequenz fchop sehr groß (sichtbar als deutlicher Peak nach unten). Mit variabler Chopperfrequenz, die um fchop herum variiert, ist die Unterdrückung des Signals in der Nähe von fchop geringer (sichtbar durch kleinere und verteilte Peaks nach unten). Diese geringere Unterdrückung kommt daher, dass jede Chopperfrequenz nur für kurze Zeit auftritt.
Wie zudem in einer Kurve 9 zu sehen sind, sind insbesondere Störempfindlichkeiten bestimmter hoher Frequenzen in einer Kurve 90 mit konstanter Chopperfrequenz deutlich ausgeprägter als in einer Kurve 91 mit zufälliger Chopperfrequenz.
Des Weiteren zeigt eine Kurve 1002 in 10 eine Rauschdichte und eine Kurve 1001 eine akkumulierte Rauschdichte, bei der insbesondere bei hohen Frequenzen deutlich geringere Spikes auftreten als bei herkömmlichen Verfahren und insbesondere keine Frequenzen stark hervorstechen. In der Kurve 1001 ist zu sehen, dass sich durch verbleibende Welligkeiten keine sprunghafte Erhöhung in der Nähe der Chopperfrequenz vorliegt, sondern nur wie theoretisch vorhersagbar mit 10dB/dec entsprechend der Bandbreite anwächst. Wird nur eine variable Chopperfrequenz ohne Rückkopplung verwendet, würden sich Welligkeiten bei hohen Frequenzen unerwünscht bemerkbar machen und das gesamt akkumulierte Rauschen verstärken. Es werden also auch verbleibende Welligkeiten, die durch das Choppen mit variabler Chopperfrequenz entstehen, durch die Rückkopplung deutlich reduziert.
Manche Ausführungsbeispiele werden durch die folgenden Beispiele definiert:

Beispiel 1. System, umfassend:
- eine gechoppte Vorrichtung mit einem Choppermodulator an einem Eingang und einem Chopperdemodulator an einem Ausgang,
- eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Choppersignals mit einer variablen Chopperfrequenz an den Choppermodulator und
- den Chopperdemodulator, und
- einen Rückkopplungspfad von einem Ausgang des Chopperdemodulators zu der gechoppten Vorrichtung, welche eingerichtet ist, durch die variable Chopperfrequenz verursachte Welligkeiten oder Offsets zu reduzieren.
Beispiel 2. System nach Beispiel 1, wobei ein Ausgangssignal des Rückkopplungspfades eingerichtet ist, einen Offset der gechoppten Vorrichtung einzustellen.
Beispiel 3. System nach Beispiel 1 oder 2, wobei die variable Chopperfrequenz eine Wiederholfrequenz aufweist, mit der sich Chopperfrequenzen wiederholen, und wobei der Rückkopplungspfad eine Filterfrequenz aufweist, die um mindestens einen Faktor 2 kleiner ist als die Wiederholfrequenz.
Beispiel 4. System nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die variable Chopperfrequenz in einem Frequenzbereich oberhalb eines Nutzfrequenzbereichs der gechoppten Vorrichtung liegt.
Beispiel 5. System nach einem der Beispiele 1 bis 4, wobei der Rückkopplungspfad eine Filterfrequenz aufweist, die um mindestens einen Faktor 2 kleiner ist als eine minimale Chopperfrequenz der variablen Chopperfrequenz.
Beispiel 6. System nach einem der Beispiele 1 bis 5, wobei der Rückkopplungspfad einen Demodulator, der eingerichtet ist, auf Basis des Choppersignals zu arbeiten, und einen Integrator umfasst.
Beispiel 7. System nach einem der Beispiele 1 bis 6, weiterhin umfassend einen Spinning-Current-Hall-Sensor, wobei ein Ausgang des Spinning-Current-Hall-Sensors mit einem Eingang des Choppermodulators gekoppelt ist, wobei der Spinning-Current-Hall-Sensor eingerichtet ist, mit einer variablen Spinning-Frequenz betrieben zu werden, die ein ganzzahliges Vielfaches der variablen Chopperfrequenz ist.
Beispiel 8. Verfahren, umfassend:
- Bereitstellen eines Choppersignals mit einer variablen Chopperfrequenz an eine Chopperanordnung, und
- Bereitstellen von einer Rückkopplung von einem Ausgang der Chopperanordnung zu einer gechoppten Vorrichtung zum Kompensieren von durch die variable Chopperfrequenz verursachten Welligkeiten oder Offsets.
Beispiel 9. Verfahren nach Beispiel 8, wobei die Rückkopplung eingerichtet ist, einen Offset der gechoppten Vorrichtung einzustellen.
Beispiel 10. Verfahren nach Beispiel 8 oder 9, wobei die variable Chopperfrequenz eine Wiederholfrequenz aufweist, mit der sich Chopperfrequenzen wiederholen, und wobei die Rückkopplung eine Filterfrequenz aufweist, die um mindestens einen Faktor 2 kleiner ist als die Wiederholfrequenz.
Beispiel 11. Verfahren nach einem der Beispiele 8 bis 10, wobei die variable Chopperfrequenz in einem Frequenzbereich oberhalb eines Nutzfrequenzbereichs einer gechoppten Vorrichtung, der der Chopperanordnung zugeordnet ist, liegt.
Beispiel 12. Verfahren nach einem der Beispiele 8 bis 11, wobei die Rückkopplung eine Filterfrequenz aufweist, die um mindestens einen Faktor 2 kleiner ist als eine minimale Chopperfrequenz der variablen Chopperfrequenz.
Beispiel 13. Verfahren nach einem der Beispiele 8 bis 12, wobei das Bereitstellen der Rückkopplung ein Demodulieren eines Ausgangssignals der Chopperanordnung auf Basis des Choppersignals, und ein Integrieren des demodulierten Ausgangssignals umfasst.
Beispiel 14. Verfahren nach einem der Beispiele 8 bis 13, weiterhin umfassend ein Betreiben eines Hall-Sensors mit einer Spinning-Current-Technik, wobei ein Ausgang des Hall-Sensors mit einem Eingang der Chopperanordnung gekoppelt ist, wobei die Spinning-Current-Technik mit einer variablen Spinning-Frequenz betrieben wird, die ein ganzzahliges Vielfaches der variablen Chopperfrequenz ist.

Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.

Claims

System, umfassend: eine gechoppte Vorrichtung mit einem Choppermodulator (13; 35) an einem Eingang und einem Chopperdemodulator (14; 38) an einem Ausgang, eine Einrichtung (15) zum Bereitstellen eines Choppersignals (c) mit einer variablen Chopperfrequenz an den Choppermodulator (13; 35) und den Chopperdemodulator (14; 38), und einen Rückkopplungspfad (16) von einem Ausgang des Chopperdemodulators (14; 38) zu der gechoppten Vorrichtung (11), welche eingerichtet ist, durch die variable Chopperfrequenz verursachte Welligkeiten oder Offsets zu reduzieren.
System nach Anspruch 1, wobei ein Ausgangssignal des Rückkopplungspfades (16) eingerichtet ist, einen Offset der gechoppten Vorrichtung (11) einzustellen.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die variable Chopperfrequenz eine Wiederholfrequenz aufweist, mit der sich Chopperfrequenzen wiederholen, und wobei der Rückkopplungspfad (16) eine Filterfrequenz aufweist, die um mindestens einen Faktor 2 kleiner ist als die Wiederholfrequenz.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die variable Chopperfrequenz in einem Frequenzbereich oberhalb eines Nutzfrequenzbereichs der gechoppten Vorrichtung (11; 37) liegt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Rückkopplungspfad eine Filterfrequenz aufweist, die um mindestens einen Faktor 2 kleiner ist als eine minimale Chopperfrequenz der variablen Chopperfrequenz.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Rückkopplungspfad (16) einen Demodulator (310; 70), der eingerichtet ist, auf Basis des Choppersignals (c) zu arbeiten, und einen Integrator (72) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend einen Spinning-Current-Hall-Sensor (30), wobei ein Ausgang des Spinning-Current-Hall-Sensors (30) mit einem Eingang des Choppermodulators (13; 35) gekoppelt ist, wobei der Spinning-Current-Hall-Sensor (30) eingerichtet ist, mit einer variablen Spinning-Frequenz betrieben zu werden, die ein ganzzahliges Vielfaches der variablen Chopperfrequenz ist.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Choppersignals (c) mit einer variablen Chopperfrequenz an eine Chopperanordnung (13, 14; 35, 38), und Bereitstellen von einer Rückkopplung von einem Ausgang der Chopperanordnung (13, 14; 35, 38) zu einer gechoppten Vorrichtung (11; 37) zum Kompensieren von durch die variable Chopperfrequenz verursachten Welligkeiten oder Offsets.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Rückkopplung eingerichtet ist, einen Offset der gechoppten Vorrichtung (11) einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die variable Chopperfrequenz eine Wiederholfrequenz aufweist, mit der sich Chopperfrequenzen wiederholen, und wobei die Rückkopplung eine Filterfrequenz aufweist, die um mindestens einen Faktor 2 kleiner ist als die Wiederholfrequenz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die variable Chopperfrequenz in einem Frequenzbereich oberhalb eines Nutzfrequenzbereichs einer gechoppten Vorrichtung (11; 37), der der Chopperanordnung (13, 14; 35, 38) zugeordnet ist, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Rückkopplung eine Filterfrequenz aufweist, die um mindestens einen Faktor 2 kleiner ist als eine minimale Chopperfrequenz der variablen Chopperfrequenz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Bereitstellen der Rückkopplung ein Demodulieren eines Ausgangssignals der Chopperanordnung (13, 14; 35, 38) auf Basis des Choppersignals (c), und ein Integrieren des demodulierten Ausgangssignals umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, weiterhin umfassend ein Betreiben eines Hall-Sensors (30) mit einer Spinning-Current-Technik, wobei ein Ausgang des Hall-Sensors (30) mit einem Eingang der Chopperanordnung (13, 14; 35, 38) gekoppelt ist, wobei die Spinning-Current-Technik mit einer variablen Spinning-Frequenz betrieben wird, die ein ganzzahliges Vielfaches der variablen Chopperfrequenz ist.