DE102022121887A1

DE102022121887A1 - Vorrichtung und verfahren zur kompensation von sensitivitätsschwankungen einer magnetfeldsensorschaltung

Info

Publication number: DE102022121887A1
Application number: DE102022121887.2A
Authority: DE
Inventors: Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2022-08-30
Filing date: 2022-08-30
Publication date: 2024-02-29
Also published as: CN117630767A; US20240069122A1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Magnetsensorvorrichtung (100; 200), umfassend eine Magnetfelderzeugungsschaltung (110), die ausgebildet ist, um ein Magnetfeld (112) zu erzeugen, eine Magnetfeld-Sensorschaltung (120), die ausgebildet ist, um ansprechend auf das Magnetfeld (112) ein Sensorsignal (122) auszugeben, das eine Signalamplitude abhängig von einer Sensitivität der Magnetfeld-Sensorschaltung (120) aufweist, eine Verstärkerschaltung (130), die ausgebildet ist, um das Sensorsignal (122) zu verstärken und ein verstärktes Sensorsignal (132) mit einer verstärkten Signalamplitude auszugeben, und eine Regelschaltung (140), die ausgebildet ist, um mit einem Stellsignal (142) ein Versorgungssignal der Magnetfeld-Sensorschaltung (120) und/oder eine Verstärkung der Verstärkerschaltung (130) so einzustellen, dass die verstärkte Signalamplitude einer Zielamplitude (144) entspricht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein magnetische Sensoren und insbesondere eine Kompensation von Empfindlichkeitsdrift magnetoresistiver Sensoren.
Hintergrund
Als magnetoresistive Effekte bezeichnet man alle Effekte, welche die Änderung eines elektrischen Widerstands eines Materials durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes beschreiben. Dazu gehören insbesondere der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt), der Riesenmagnetowiderstand (GMR-Effekt), der kolossale magnetoresistive Effekt (CMR-Effekt), der magnetische Tunnelwiderstand (TMR-Effekt) sowie der planare Hall-Effekt. Die verschiedenen magnetoresitiven Widerstände werden im Folgenden allgemein auch als xMR-Widerstände bezeichnet.
xMR-Sensoren werden meist in Form von Halb- oder Vollbrückenschaltungen realisiert, wobei letztere ein differenzielles Sensorsignal bereitstellen können. Lineare xMR-Sensorbrücken leiden unter Umständen unter Empfindlichkeitsdrift (Sensitivitätsdrift), die durch mechanische Beanspruchung (Stabilitätsproblem über die Lebensdauer), Temperaturänderungen und/oder unvollständige Temperaturkompensation verursacht wird. Auch die technologische Streuung ist zuweilen hoch und sollte getrimmt werden. Es ist bekannt, die Sensorempfindlichkeit über die Temperatur zu trimmen, aber dies löst das Driftproblem nicht.
Bisherige Stress-Kompensationsverfahren beruhen auf einer bekannten Korrelation eines Stress-Sensors zur Sensitivität eines Magnetfeldsensors auf dem Chip. Diese Korrelation wird zur Kompensation der Drift (durch mechanische Stressänderungen) benutzt. Nun gibt es aber unterschiedlichste Stresskomponenten:

- Stress aus der Summe in X- und Y-Richtung einer Chip-Geometrie,
- Differenz-Stress,
- Shear-Stress,
- Z-Stress senkrecht zu Chip-Ebene,
- Inhomogener Stress.

Nicht alle Komponenten können Berücksichtigung finden, das wäre zu aufwändig, und außerdem werden Korrelations-Faktoren auch von technologischen und fertigungsbedingten Schwankungen beeinflusst. Obendrein müssen Temperaturkoeffizienten und Korrelationen in Laborexperimenten anhand einer Stichprobe sehr genau ermittelt werden, da in der Produktion keine Stress-Schwankungen (z.B. durch Feuchtigkeitsänderungen im Plastik-Package des ICs, oder Auflöten des ICs auf eine Leiterplatte) für jedes IC individuell nachgemessen werden kann. Man verlässt sich also auf statistische Mittelwerte der Korrelationskoeffizienten und deren Temperaturverlauf, ohne deren fertigungsbedingten Toleranzen berücksichtigen zu können.
Daher besteht ein Bedarf an magnetischen Sensorvorrichtungen, welche die Empfindlichkeitsdrift kompensieren können.
Zusammenfassung
Diesem Bedarf wird durch Vorrichtungen und Verfahren gemäß der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Magnetsensorvorrichtung vorgeschlagen. Die Magnetsensorvorrichtung umfasst eine Magnetfelderzeugungsschaltung, die ausgebildet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld kann dabei vordefiniert (d.h., bekannt) sein. Die Magnetsensorvorrichtung umfasst eine Magnetfeld-Sensorschaltung, die ausgebildet ist, um ansprechend auf das Magnetfeld ein Sensorsignal auszugeben, das eine Signalamplitude abhängig von einer Sensitivität (Messempfindlichkeit) der Magnetfeld-Sensorschaltung aufweist. Die Magnetsensorvorrichtung umfasst eine Verstärkerschaltung, die ausgebildet ist, um das Sensorsignal zu verstärken und ein verstärktes Sensorsignal mit einer verstärkten Signalamplitude auszugeben. Ferner umfasst die Magnetsensorvorrichtung eine Regelschaltung, die ausgebildet ist, um mit einem Stellsignal ein Versorgungssignal (Versorgungsstrom, Versorgungsspannung) der Magnetfeld-Sensorschaltung und/oder eine Verstärkung der Verstärkerschaltung so einzustellen, dass die verstärkte Signalamplitude einer Zielamplitude entspricht bzw. sich dieser annähert. Durch Einregeln des Versorgungssignals und/oder der Verstärkung auf die Zielamplitude kann eine Empfindlichkeitsdrift der Magnetfeld-Sensorschaltung ausgeglichen werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Magnetfeld-Sensorschaltung wenigstens einen Hall-Sensor.
Alternativ kann die Magnetfeld-Sensorschaltung wenigstens einen xMR-Sensor umfassen. Der xMR-Sensor kann dabei als xMR-Sensorbrückenschaltung und insbesondere als TMR-Sensorbrückenschaltung ausgebildet sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Magnetfelderzeugungsschaltung einen Stromleiter für einen elektrischen Erregerstrom. Der Stromleiter und die Magnetfeld-Sensorschaltung können beispielsweise auf einem gemeinsamen Halbleiter-Chip angeordnet sein. Der Stromleiter wird dabei auch als sogenannter Wire on Chip (WoC) bezeichnet, um mittels des elektrischen Erregerstroms das Magnetfeld zu erzeugen. Die Verstärkerschaltung und die Regelschaltung können ebenfalls auf dem Chip integriert sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Magnetfelderzeugungsschaltung ausgebildet, um das Magnetfeld mittels eines AC-Erregerstroms (AC = alternating current) als AC-Magnetfeld zu erzeugen. Ein solches AC-Magnetfeld zum Trimmen der Magnetfeld-Sensorschaltung kann beispielsweise einem an sich zu messenden DC-Magnetfeld (DC = direct current) überlagert werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Magnetfelderzeugungsschaltung ausgebildet, um das (AC-) Magnetfeld gemäß einem Spreizcode zu erzeugen. Beispielsweise kann der elektrische Erregerstrom für das Magnetfeld gemäß dem Spreizcode moduliert sein. Dies ähnelt einem Bandspreizverfahren wie CDMA (Code Division Multiple Access) oder DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), wo eine zu übertragende Nachricht mit dem Spreizcode (engl. spreading code), welcher aus einer Folge von Chips bzw. Pulsen besteht, gespreizt wird.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Magnetfelderzeugungsschaltung ausgebildet, um das vordefinierte Magnetfeld gemäß einem pseudozufälligen Pilotsignal zu erzeugen (d.h., pseudozufälliges Pilotsignal = Spreizcode). Beispielsweise kann der elektrische Erregerstrom gemäß dem pseudozufälligen Pilotsignal moduliert sein. Das pseudozufällige Pilotsignal kann ein digitales n-Bit Signal sein, mit n ≥ 1. Beispielsweise kann es sich um ein binäres pseudozufälliges Pilotsignal handeln.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Magnetsensorvorrichtung ferner eine Entfernungsschaltung, die ausgebildet ist, den Spreizcode bzw. das pseudozufällige Pilotsignal zumindest teilweise aus dem verstärkten Sensorsignal zu entfernen. Dazu kann die Entfernungsschaltung beispielsweise ausgebildet sein, um das verstärkte Sensorsignal entsprechend zu demodulieren. Zusätzlich oder alternativ kann die Entfernungsschaltung einen n-Bit-DAC (Digital-Analog-Wandler) für das pseudozufällige Pilotsignal aufweisen und ausgebildet sein, ein Ausgangssignal des n-Bit-DAC von dem verstärkten Sensorsignal abzuziehen, wobei n einer Anzahl an Bits des Spreizcodes bzw. pseudozufälligen Pilotsignals entspricht. Es versteht sich, dass Magnetfelderzeugungsschaltung und Entfernungsschaltung im Hinblick auf den Spreizcode bzw. das pseudozufällige Pilotsignal synchronisiert sein sollten. Alternative Implementierungen der Entfernungsschaltung basierend auf Tiefpassfiltern oder Bandpassfiltern sind ebenfalls möglich.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Magnetsensorvorrichtung ferner eine Bandabstandsreferenzschaltung, die ausgebildet ist, eine konstante Referenzspannung mit der Zielamplitude und/oder einen elektrischen Erregerstrom für die Magnetfelderzeugungsschaltung mit konstanter Stromstärke zu erzeugen. Als Bandabstandsreferenz (bandgap voltage reference) bezeichnet man eine Referenzspannungsquelle, deren Ausgangsspannung in temperaturkompensiertem Zustand der Bandabstandsspannung eines Halbleiters entspricht. Je nach Halbleitermaterial, Silizium, Siliziumcarbid oder Galliumarsenid, variiert somit die erzeugte Spannung. Eine besondere Eigenschaft einer Bandabstandsreferenz ist eine hohe Präzision bei geringem schaltungstechnischem Aufwand. Zudem sind Bandabstandsreferenzen temperaturstabil.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die Bandabstandsreferenzschaltung einen von mechanischem Stress (nahezu) unabhängigen Widerstand auf, um einen von mechanischem Stress (nahezu) unabhängigen Strom zu erzeugen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Metall-Widerstand oder einen silizidierten Polysiliziumwiderstand handeln oder Kombinationen von Widerständen mit unterschiedlicher Stress-Abhängigkeit, wobei die Kombination eine Stressabhängigkeit < 1% aufweist. Integrierte Schaltungen (ICs) erfordern häufig integrierte Widerstände für den ordnungsgemäßen Betrieb der Schaltung. Solche Widerstände bestehen in der Regel aus dotiertem polykristallinem Silizium. Um die Widerstände und die Abhängigkeit von mechanischem Stress in den polykristallinen Widerständen zu verringern, kann eine Metallsilizidschicht auf der Oberseite des dotierten polykristallinen Siliciums gebildet werden oder die Bildung einer solchen Schicht auf der Oberseite des dotierten polykristallinen Siliciums verhindert werden. Diese Option des Metallsilizids ermöglicht zwei verschiedene Arten von Widerständen aus polykristallinem Silizium. Der erste Typ mit der Metallsilizidschicht über dem dotierten polykristallinen Silizium wird als „silizidierter polykristalliner Siliziumwiderstand“ (silizidierter Polywiderstand) bezeichnet, und die elektrische Leitung dieses Widerstands erfolgt über die Metallsilizidschicht. Der zweite Typ ohne die Metallsilicidschicht über dem dotierten polykristallinen Silicium wird als „nicht silizidierter polykristalliner Siliziumwiderstand“ (nicht silizidierter Polywiderstand) bezeichnet. Die elektrische Leitung des zweiten Typs erfolgt durch das polykristalline Silizium, was von der Dotierung (p- oder n-dotiert) des polykristallinen Siliziums abhängt.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die Regelschaltung einen Differenzverstärker auf, der ausgebildet ist, um, basierend auf einer Differenz zwischen der verstärkten Signalamplitude und der Zielamplitude, das Stellsignal für das Versorgungssignal und/oder die Verstärkerschaltung auszugeben. Bei dem Differenzverstärker kann es sich beispielsweise um einen Operationsverstärker oder Transkonduktanzverstärker (Operational-Transconductance-Amplifier, OTA) handeln, der eine Differenzspannung an seinen beiden Eingängen in einen proportionalen Ausgangsstrom (Stellsignal) umwandelt. Für die Signalverarbeitung ist ebenfalls ein Analog-Digital-Wandler möglich, dessen Referenz geregelt wird. Dies entspricht auch einer Verstärkungs- oder Sensitivitätsregelung.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Zielamplitude eine konstante oder eine von einer Versorgungsspannung der Magnetsensorvorrichtung ratiometrisch abhängende Amplitude. Der Begriff „ratiometrisch“ bedeutet in der Elektronik, dass eine unbekannte Größe aus einem bekannten Verhältnis mehrerer anderer Größen zueinander abgeleitet werden kann. Allgemein ergibt sich bei einer ratiometrischen Messung als Quotient zweier Größen mit der gleichen Störungsüberlagerung, dass diese nicht die Messung beeinflusst. Eine ratiometrische Messgröße (wie z.B. eine gemessene Amplitude) ist zum Beispiel unabhängig von einer Versorgungsspannung (V_DD), die Schwankungen unterliegen kann. Steigt an einem Messsystem die Versorgungsspannung beispielsweise unerwartet an, steigt ein linear an die Versorgungspannung gekoppeltes Messsignal folglich mit an. Die zu messende Größe hat sich aber nicht geändert. Ginge das Messsignal nun an einen ADC (Analog Digital Wandler) mit fester Referenzspannung, wäre das Resultat, dass der ADC einen Code liefert, der einer höheren Messgröße entspricht - Fehlmessung - in diesem Fall kein ratiometrisches System. Würde auch die Referenzspannung des ADC linear zur Versorgung mit ansteigen, würde sich die zu messende Größe am Ausgang des ADC nicht ändern - richtige Messung - da in diesem Fall ein ratiometrisches System vorliegt. Ratiometrisch bedeutet also, wenn sich das gemessene Signal durch eine Störgröße im System ändert, so muss sich die Vergleichsgröße genauso ändern, so dass sich die Änderung sozusagen „herauskürzt“ und die Änderung mit „1/1“ übrigbleibt. Mit diesem Bruch wird dann das Messsignal multipliziert. Bei 1 ist die Ratiometrie perfekt, bei 1.15 schon schlechter, usw.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Magnetsensorvorrichtung ferner eine zweite Magnetfeld-Sensorschaltung, die ausgebildet ist, um ein zweites Sensorsignal auszugeben, das eine Signalamplitude abhängig von einer Sensitivität der zweiten Magnetfeld-Sensorschaltung aufweist. Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann die Magnetsensorvorrichtung ferner eine zweite Verstärkerschaltung aufweisen, die ausgebildet ist, um das zweite Sensorsignal zu verstärken und ein zweites verstärktes Sensorsignal auszugeben. Die Regelschaltung kann ausgebildet sein, um mit dem Stellsignal ein Versorgungssignal der zweiten Magnetfeld-Sensorschaltung und/oder eine Verstärkung der zweiten Verstärkerschaltung einzustellen. Somit kann das vorgeschlagene Konzept auch mittels eines Replika-Signalpfads umgesetzt werden. Die Verwendung eines Replika-Signalpfads kann zum Zweck haben, dass sich beide Signalpfade auch bei variierenden Umgebungsbedingungen stets identisch verhalten. Unter „Replika-Schaltung“ können nicht nur (im Rahmen von Fertigungstoleranzen) identische Schaltungen verstanden werden, sondern auch sogenannte skalierbare Replika-Schaltungen. Bei Letzteren kann sich beispielsweise ein Verstärkungsfaktor zwischen den beiden Schaltungen unterscheiden (z.B. durch unterschiedliche Emitterflächen oder Source-Drain-Kanäle), bei ansonsten identischer Implementierung. Replika-Schaltungen auf einem IC haben untereinander sehr gute Gleichlaufeigenschaften, die in der Regel um eine Größenordnung besser sind als Änderungen über Temperatur, mechanischen Stresseffekten und Lebensdauerdriften. Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die Magnetfeld-Sensorschaltung und die zweite Magnetfeld-Sensorschaltung sowie die Verstärkerschaltung und die zweite Verstärkerschaltung also jeweils als Replika-Schaltungen auf einem gemeinsamen Chip ausgebildet sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann die Magnetfelderzeugungsschaltung ausgebildet sein, um das Magnetfeld für die Magnetfeld-Sensorschaltung und die zweite Magnetfeld-Sensorschaltung mittels eines Gleichtaktsignals (Common-Mode WoC) zu erzeugen. Bei symmetrischer Signalübertragung wird dem eigentlichen Nutzsignal ein Gleichtaktsignal (engl. Common-Mode Signal) überlagert. Spannungssignale im Gleichtakt können als Gleichtaktspannungen bezeichnet werden. Bei Strömen kann man vom Gleichtaktstrom sprechen. Gleichtaktsignale für symmetrische Signalübertragung können Gleichspannung bzw. Gleichströme sein, während Nutzsignale dem Gleichtaktsignal überlagerte komplementäre Wechselspannungen bzw. -ströme sein können.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfassen die Magnetfeld-Sensorschaltung und die zweite Magnetfeld-Sensorschaltung jeweils wenigstens einen Hall-Sensor. Alternativ können die Magnetfeld-Sensorschaltung und die zweite Magnetfeld-Sensorschaltung jeweils wenigstens einen xMR-Sensor umfassen. Der xMR-Sensor kann dabei als xMR-Sensorbrückenschaltung und insbesondere als TMR- Sensorbrückenschaltung ausgebildet sein. TMR-Sensorbrückenschaltungen können eine besonders ausgeprägte Empfindlichkeitsdrift aufweisen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist die Verstärkerschaltung als digitale Verstärkerschaltung mit einstellbarer digitaler Verstärkung ausgebildet. Beispielsweise kann die digitale Verstärkerschaltung einen Analog-Digital-Wandler (ADC) mit durch die Regelschaltung einstellbarer Referenzspannung aufweisen. Ferner könnte auch eine digitale Verstärkung nach Analog-Digital-Wandlung des Signals eingestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Kompensation von Sensitivitätsschwankungen einer Magnetfeld-Sensorschaltung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines Magnetfelds, ansprechend auf das Magnetfeld, in Ausgeben eines Sensorsignals mittels der Magnetfeld-Sensorschaltung, wobei das Sensorsignal eine Signalamplitude abhängig von einer Sensitivität der Magnetfeld-Sensorschaltung aufweist, ein Verstärken des Sensorsignals, um ein verstärktes Sensorsignal mit einer verstärkten Signalamplitude zu erhalten, und ein Einstellen eines Versorgungssignals der Magnetfeld-Sensorschaltung und/oder einer Verstärkung der Verstärkerschaltung, so dass die verstärkte Signalamplitude einer Zielamplitude entspricht.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können das Problem der Lebensdauerdrift von Hall- oder xMR-Sensoren (Genauigkeit und Stabilität der Empfindlichkeit) lösen, das hauptsächlich durch mechanische Belastung verursacht wird. Zur Stabilisierung können Schaltungstechniken mit einem pseudozufälligen magnetischen Pilotsignal und Rückkopplungsregelschleifen verwendet werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können Systeme mit geringem Rauschen, hoher Bandbreite, hoher Genauigkeit und geringem Offset bei geringeren Kosten ermöglichen.
Figurenkurzbeschreibung
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Übersichtsdarstellung einer Magnetsensorvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Magnetsensorvorrichtung;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Magnetsensorvorrichtung;
4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Magnetsensorvorrichtung;
5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Magnetsensorvorrichtung;
6A ein fünftes Ausführungsbeispiel der Magnetsensorvorrichtung;
6B ein fünftes Ausführungsbeispiel der Magnetsensorvorrichtung;
7 ein Beispiel einer stressunabhängigen Konstantstromquelle; und
8 unterschiedliche Implementierungen einer ersten xMR-Sensorbrückenschaltung und einer zweiten (Replika) xMR-Sensorbrückenschaltung mit zugeordnetem Stromleiter auf einem Chip.

Beschreibung
Einige Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Weitere mögliche Beispiele sind jedoch nicht auf die Merkmale dieser detailliert beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Diese können Modifikationen der Merkmale sowie Entsprechungen und Alternativen zu den Merkmalen aufweisen. Ferner soll die Terminologie, die hierin zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, nicht einschränkend für weitere mögliche Beispiele sein.
Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente beziehungsweise Merkmale, die jeweils identisch oder auch in abgewandelter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen. In den Figuren können ferner die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht im Einzelfall ausdrücklich anders definiert. Als alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen kann „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“ verwendet werden. Das gilt Äquivalent für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch mehrere Elemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion im Folgenden als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei deren Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben beschreiben, dabei aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
1 zeigt eine Übersichtsdarstellung einer Magnetsensorvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Magnetsensorvorrichtung 100 umfasst eine Magnetfelderzeugungsschaltung 110, die ausgebildet ist, um ein vordefiniertes Magnetfeld 112 zu erzeugen. Als vordefiniertes Magnetfeld wird hier ein Magnetfeld zum Trimmen der Messempfindlichkeit der Magnetsensorvorrichtung 100 verstanden. Die Magnetsensorvorrichtung 100 umfasst außerdem wenigstens eine Magnetfeld-Sensorschaltung 120, die ausgebildet ist, um ansprechend auf das vordefinierte Magnetfeld 112 ein Sensorsignal 122 auszugeben, das eine Signalamplitude abhängig von einer Sensitivität (Messempfindlichkeit) der Magnetfeld-Sensorschaltung 120 aufweist. Eine Verstärkerschaltung 130 der Magnetsensorvorrichtung 100 ist ausgebildet, um das Sensorsignal 122 der Magnetfeld-Sensorschaltung 120 zu verstärken und ausgangsseitig ein verstärktes Sensorsignal 132 mit einer verstärkten Signalamplitude auszugeben. Die Verstärkerschaltung 130 kann auch ein Analog-Digital-Wandler sein, mit folgender digitaler Signalverarbeitung. Eine Regelschaltung 140 ist ausgebildet, um mit einem Stellsignal 142 ein Versorgungssignal der Magnetfeld-Sensorschaltung 120 und/oder eine Verstärkung der Verstärkerschaltung 130 oder die Referenz eines ADCs oder die Verstärkung einer dem ADC folgenden digitalen Signalverarbeitung so einzustellen, dass die verstärkte Signalamplitude einer Zielamplitude 144 entspricht. Die verstärkte Signalamplitude des verstärkten Sensorsignals 132 wird durch die Regelschaltung 140 also auf die die Zielamplitude 144 geregelt.
Die Magnetfeld-Sensorschaltung 120 kann als Hall- oder xMR-Sensorschaltung, insbesondere xMR-Sensorbrückenschaltung, ausgebildet sein. Im Nachfolgenden wird lediglich beispielhaft näher auf xMR-Sensorbrückenschaltungen als Magnetfeld-Sensorschaltung 120 eingegangen.
Die Schaltungskomponenten der Magnetsensorvorrichtung 100 können beispielsweise gemeinsam auf einem Chip integriert sein. Es sind zahlreiche unterschiedliche schaltungstechnische Implementierungen der Magnetsensorvorrichtung 100 möglich. Einige beispielhafte Implementierungen werden bezugnehmend auf die nachfolgenden Figuren beschrieben.
2 zeigt eine Magnetsensorvorrichtung 200 gemäß einer ersten möglichen Implementierung.
Die Magnetfelderzeugungsschaltung 110 der in 2 gezeigten Magnetsensorvorrichtung 200 weist einen Stromleiter 212 für einen vordefinierten elektrischen Erregerstrom auf. Der vordefinierte elektrische Erregerstrom wird von einer Stromquelle 214 geliefert und weist zumindest eine vordefinierte (d.h., bekannte) Stromstärke auf. Damit wird dann auch das dadurch erzeugte Magnetfeld 112 zu einem vordefinierten Magnetfeld. Die Stromquelle 214 kann eine Bandabstandsreferenzschaltung mit einem von mechanischem Stress unabhängigen Widerstand (z.B., Metall-Widerstand oder silizidierter Polysiliziumwiderstand oder einer Kombination von Widerständen mit unterschiewdlicher Stressabhängigkeit) aufweisen, um den elektrischen Erregerstrom mit konstanter, stressunabhängiger Stromstärke zu erzeugen. Eine mögliche Implementierung ist schematisch in 7 gezeigt.
Bei dem Stromleiter 212 kann es sich beispielsweise um eine Stromschiene, Leiterschleife oder eine Spule handeln. Wird der Stromleiter 212 von einem vordefinierten elektrischen Strom durchflossen, so bildet sich um den Stromleiter 212 ein von dem elektrischen Strom abhängiges vordefiniertes Magnetfeld 112 aus. Dieses vordefinierte Magnetfeld 112 kann dann von der xMR-Sensorbrückenschaltung 120 detektiert und gemessen werden, welche in der Nähe des Stromleiters 212 angeordnet ist. Aus dem gemessenen Magnetfeld kann dann wiederum auf den Strom zurückgeschlossen werden, so dass die (getrimmte) xMR-Sensorbrückenschaltung 120 beispielsweise als Stromsensor eingesetzt werden kann. Gemäß machen Ausführungsbeispielen können der Stromleiter 212 und die xMR-Sensorbrückenschaltung 120 auf einem gemeinsamen Halbleiter-Chip angeordnet sein (WoC).
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Magnetfelderzeugungsschaltung 110 ausgebildet, um das Magnetfeld (z.B. in einem Trimmmodus der Magnetsensorvorrichtung 200) gemäß einem Wechselerregertrom (AC = alternating current) mit einer definierten Amplitude und Frequenz zu erzeugen. Somit kann das vordefinierte AC-Magnetfeld beispielsweise einem DC-Magnetfeld oder einem anderen AC-Magnetfeld als Nutzsignal überlagert werden. Der Wechselerregertrom - und damit das AC-Magnetfeld - kann gemäß manchen Ausführungsbeispielen gemäß einem vordefinierten oder pseudozufälligen Spreizcode erzeugt werden, welcher aus einer Folge von Pulsen bzw. Chips besteht (Chip = ein einzelner elementarer Modulationszustand). Bei hinreichend hoher Puls- bzw. Chiprate (Frequenz) des Spreizcodes wird ein Frequenzspektrum des Magnetfelds derart geweitet, dass es von Rauschen nicht mehr zu unterscheiden ist.
Der Wechselerregertrom kann gemäß manchen Ausführungsbeispielen gemäß einem pseudozufälligen Pilot- bzw. Spreizsignal (pseudo-random signal, PRS) erzeugt bzw. moduliert werden. Bei dem pseudozufälligen Pilotsignal (Spreizcode) kann es sich um ein pseudozufälliges digitales n-Bit Signal (n ≥ 1) handeln. Der Wechselerregertrom durch den Stromleiter 212 kann mittels einer Modulation eines DC-Stroms erzeugt werden. Ein Beispiel für eine Modulationsschaltung 216 ist in 2 gezeigt. Befinden sich die Schalter der Modulationsschaltung 216 in der in 2 dargestellten Position, fließt Strom durch die Spule (Leiterschleife). Bei geänderter Schalterstellung fließt kein Strom durch die Spule. Beispielsweise kann der Erregerstrom gemäß einem binären pseudozufälligen Pilotsignal an und aus geschaltet werden und dabei ein entsprechendes AC-Magnetfeld erzeugen.
Das vordefinierte Magnetfeld wird von der xMR-Sensorbrückenschaltung 120 gemessen und dabei ein Sensorsignal 122 ausgegeben, welches vom Magnetfeld abhängt. Das Sensorsignal 122 ist in diesem Ausführungsbeispiel als differenzielles (symmetrisches) Signal gezeigt. Es versteht sich, dass das Sensorsignal 122 auch unsymmetrisch (single-ended) sein könnte. Die xMR-Sensorbrückenschaltung 120 ist in diesem Ausführungsbeispiel als TMR-Sensorbrückenschaltung ausgebildet. Es versteht sich, dass die xMR-Sensorbrückenschaltung 120 beispielsweise auch als AMR- oder GMR-Sensorbrückenschaltung ausgebildet sein könnte. Bei TMR Sensoren erweist sich das hierin vorgeschlagene Konzept zur Empfindlichkeitsdriftkompensation jedoch als besonders wirksam.
Das Sensorsignal 122 der xMR-Sensorbrückenschaltung 120 wird einem Eingang eines ersten Verstärkers 130 zugeführt. Der erste Verstärker 130 (z.B. ein Vorverstärker) verstärkt das Sensorsignal 122 und gibt an seinem Ausgang ein verstärktes Sensorsignal 132 aus. Das verstärkte Sensorsignal 132 ist in diesem Ausführungsbeispiel als differenzielles (symmetrisches) Signal gezeigt. Entsprechend ist der erste Verstärker 130 als differenzieller Verstärker ausgebildet. Es versteht sich, dass das verstärkte Sensorsignal 132 und der erste Verstärker 130 auch unsymmetrisch (single-ended) ausgebildet sein könnten.
Das verstärkte Sensorsignal 132 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel als Regelgröße einem analogen Regler 140 in Form eines Differenzverstärkers zugeführt. Der Differenzverstärker 140 ist hier als Transkonduktanzverstärker (OTA) ausgebildet. Andere Formen von Reglern sind ebenfalls denkbar und von der konkreten Implementierung abhängig. Beispielsweise könnte die hier dargestellte analoge Regelschaltung auch digital ausgebildet werden. Das heißt, anstelle eines analogen Regelkreises (mit OTAs und Kondensatoren) kann auch ein digitaler Regelkreis verwendet werden (Komparator + Auf/Ab-Zähler + DAC oder PGA (= Programmable gain Amplifier), um niedrige Filterfrequenzen in der Schleife und damit eine bessere Unterdrückung von EMV- und Intermodulationseffekten zu ermöglichen.
Eingangsseitig zu einem ersten (differenziellen) Eingang des Reglers (OTA) 140 befindet sich eine Demodulationsschaltung 218, die ausgebildet ist das verstärkte (gespreizte) AC-Sensorsignal 132 in ein (entspreiztes) DC-Signal zu wandeln, welches dann dem ersten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers 140 zu geführt wird. In der Demodulationsschaltung 218 erfolgt eine Entspreizung durch eine Korrelation des verstärkten Sensorsignals 132 mit dem Pilot- bzw. Spreizsignal. Einem zweiten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers 140 wird ein Sollsignal entsprechend einer Zielamplitude 144 zugeführt. Dabei kann es sich um ein DC-Signal, wie z.B. eine DC-Spannung handeln. Über einen Schalter 220 kann eingestellt werden, ob die Zielamplitude 144 eine konstante oder eine von einer Versorgungsspannung VDDext der Magnetsensorvorrichtung 200 ratiometrisch abhängende Amplitude ist. Im ersten Fall wird ein Spannungsteiler 222, der ausgangsseitig mit dem zweiten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers 140 gekoppelt ist, eingangsseitig mit einer Konstantspannungsquelle 224 gekoppelt. Bei der Konstantspannungsquelle 224 kann es sich um eine Bandabstandsreferenzschaltung handeln, die ausgebildet ist, eine konstante Referenzspannung Vconst mit der Zielamplitude zu erzeugen. Der elektrische Erregerstrom für die Magnetfelderzeugungsschaltung 110 mit konstanter Stromstärke kann ebenfalls von der Konstantspannungsquelle 224 hergeleitet werden, in dem diese zum Beispiel einen von mechanischem Stress unabhängigen Widerstand aufweist, um einen von mechanischem Stress unabhängigen Erregerstrom zu erzeugen. Im zweiten Fall (ratiometrisch) wird der Spannungsteiler 222 über den Schalter 220 eingangsseitig mit der Versorgungsspannung VDDext der Magnetsensorvorrichtung 200 gekoppelt.
Der Differenzverstärker (OTA) 140 ist ausgebildet, um, basierend auf einer Differenz seiner beiden Eingangssignale (verstärkte Signalamplitude und Zielamplitude), das Stellsignal 142 für den ersten Verstärker 130 auszugeben. Eine Differenzspannung an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 140 wird also in einen proportionalen Ausgangsstrom (Stellsignal 142) umgewandelt, mit welchem die Verstärkung des ersten Verstärkers 130 so eingestellt wird, dass die Differenzspannung an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 140 möglichst Null wird - die verstärkte Signalamplitude und die Zielamplitude also im Wesentlichen gleich sind.
Zwischen dem ersten Verstärker 130 und einem zweiten nachgelagerten Verstärker 226 (z.B. Ausgangsverstärker) weist die Magnetsensorvorrichtung 200 eine Entfernungsschaltung 230 auf, die ausgebildet ist, das Pilot- bzw. Spreizsignal zumindest teilweise aus dem verstärkten Sensorsignal 132 zu entfernen. Dazu weist die Entfernungsschaltung 230 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen 1-Bit-DAC 232 für das Pilot- bzw. Spreizsignal auf und ist ausgebildet, ein Ausgangssignal des 1-Bit-DAC 232 von dem verstärkten Sensorsignal 132 abzuziehen. Insbesondere wandelt der 1-Bit-DAC 232 das digitale 1-Bit Pilot- bzw. Spreizsignal in ein (differenzielles) analoges Signal. Dieses analoge Spreizsignal wird dann von dem verstärkten Sensorsignal 132, welches ebenfalls das Spreizsignal enthält, abgezogen. Stimmen die Amplitude des analogen Spreizsignals am Ausgang des DAC 232 und die Amplitude des in dem verstärkten Sensorsignal 132 enthaltenen Spreizsignal überein, findet eine im Wesentlichen vollständige Entfernung des Spreizsignals aus dem verstärkten Sensorsignal 132 statt. Das danach übrigbleibende Signal entspricht beispielsweise einem gemessenen DC-Magnetfeld und kann von dem Ausgangsverstärker 226 für eine Weiterverarbeitung verstärkt werden. Es versteht sich, dass Modulationsschaltung 216 und Entfernungsschaltung 230 synchronisiert sein sollten.
Ein möglicherweise verbleibendes kleines Spreizsignal am Eingang des Ausgangsverstärkers 226, das aus einer Fehlanpassung des analogen Spreizsignals am Ausgang des DAC 232 an das in dem verstärkten Sensorsignal 132 enthaltene Spreizsignal stammt, kann durch einen zweiten Demodulator (nicht gezeigt) kompensiert werden, der schließlich eine Amplitude des DAC 232 einstellt. Zusätzlich oder alternativ können mögliche verbleibende Oberwellen des Spreizsignals am Ausgang durch ein Tiefpassfilter am Ausgang des DACs 232 bzw. am Eingang des Ausgangsverstärkers 226 kompensiert werden. Dieser Tiefpassfilter kann die gleiche Bandbreite wie der Vorverstärker 130 aufweisen.
Zusammenfassend zeigt die 2 eine Implementierung einer TMR-Sensor Stabilisierung der Empfindlichkeit mit pseudozufälligem (Spread Spectrum) Pilot-Tone für Wire-on-Chip (WoC) und Pilot-Tone-Kompensation am Ausgangsverstärker. Der Regelkreis kann einen steuerbaren Verstärker oder digital programmierbarem Verstärker 130 aufweisen.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Magnetsensorvorrichtung 300, die sich von der Magnetsensorvorrichtung 200 lediglich durch die Implementierung der Regelschaltung unterscheidet. Während bei der Regelschaltung der 2 die Verstärkung des Verstärker 130 mittels des Stellsignals 142 regelbar ist, ist bei der Regelschaltung gemäß 3 eine Versorgungsspannung der xMR-Sensorbrückenschaltung 120 mittels des Stellsignals 142 regelbar, wodurch sich die Sensitivität des TMR-Brückensensors proportional regeln lässt. Die Verstärkung des (Vor-)Verstärkers 130 ist hier konstant.
Das Prinzip der Schaltungen gemäß der 3 und 4 kann folgendermaßen zusammengefasst werden. Ein pseudozufälliger Pilotton wird in die WoC einer xMR-Brücke 120 eingefügt. Die Amplitude des gewonnenen WoC-Signals wird nach dem Vorverstärker 130 demoduliert und mit einer Zielamplitude 144 verglichen. Aus diesem Vergleich wird ein Steuersignal 142 abgeleitet, das entweder die Versorgungsspannung der xMR-Brücke 120 oder die Verstärkung des Vorverstärkers 130 steuert. Das Pilotsignal wird dann wieder mit einem 1-Bit-DAC aus dem Signalweg subtrahiert, um ein sauberes Ausgangssignal ohne überlagerte Pilottöne zu erhalten.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform einer Magnetsensorvorrichtung 400 mit zwei Signalpfaden. Ein erster Signalpfad umfasst eine erste xMR-Sensorbrückenschaltung 120-1, die ein erstes (differenzielles) Sensorsignal 122-1 ansprechend auf ein zu messendes Magnetfeld ausgibt. Das erste (differenzielle) Sensorsignal 122-1 wird einem (differenziellen) Eingang eines ersten regelbaren Verstärkers 130-1 zugeführt, um an dessen Ausgang ein erstes verstärktes Sensorsignal 132-1 zu erhalten. Ein zweiter Signalpfad umfasst eine zweite xMR-Sensorbrückenschaltung 120-2, die ein zweites (differenzielles) Sensorsignal 122-2 ansprechend auf ein vordefiniertes Trimm-Magnetfeld ausgibt. Das Trimm-Magnetfeld kann wiederrum ein AC-Magnetfeld gemäß einem Spreizcode sein. Das zweite (differenzielle) Sensorsignal 122-2 wird einem (differenziellen) Eingang eines zweiten regelbaren Verstärkers 130-2 zugeführt, um an dessen Ausgang ein zweites verstärktes Sensorsignal 132-2 zu erhalten. Bei dem zweiten Signalpfad handelt es sich um einen Replika-Signalpfad zum ersten Signalpfad. Die erste und zweite xMR-Sensorbrückenschaltung 120-1, 120-2 sind also Replika-Schaltungen. Der erste und zweite Verstärker 130-1, 130-2 sind ebenfalls Replika-Schaltungen. Die Replika-Schaltungen können gemeinsam auf einem Chip (Die) implementiert sein.
Wie in 4 angedeutet, kann der zweite Verstärker 130-2 als Chopper-Verstärker ausgebildet sein. Chopper-Verstärker sind eine Art von Verstärkern, bei welchen ein zu verstärkendes Signal moduliert (gechoppt), verstärkt und wieder demoduliert wird. Durch Verwendung einer derartigen Technik kann ein Nullpunktfehler (oder Offsetfehler) und ein sogenanntes 1/f-Rauschen eines Verstärkers in ein Frequenzband verschoben werden, welches nicht von Interesse ist.
Das zweite verstärkte Sensorsignal 132-2 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel einem Differenzverstärker 140 in Form eines Transkonduktanzverstärkers (OTA) zugeführt, der als analoger Regler fungiert. Andere Formen von Differenzverstärkern sind ebenfalls denkbar und von der konkreten Implementierung abhängig. Beispielsweise könnte die hier dargestellte analoge Regelschaltung auch als digitale Regelschleife ausgebildet werden.
Eingangsseitig zu einem ersten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers (OTA) 140 befindet sich eine Demodulationsschaltung 218, die ausgebildet ist das zweite verstärkte (gespreizte) AC-Sensorsignal 132-2 in ein (entspreiztes) DC-Signal zu wandeln, welches dann dem ersten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers 140 zu geführt wird. Einem zweiten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers 140 wird ein Sollsignal entsprechend einer Zielamplitude 144 zugeführt. Über den Schalter 220 kann eingestellt werden, ob die Zielamplitude 144 eine konstante oder eine von einer Versorgungsspannung VDDext der Magnetsensorvorrichtung 200 ratiometrisch abhängende Amplitude ist.
Der Differenzverstärker 140 ist ausgebildet, um, basierend auf einer Differenz seiner beiden Eingangssignale (verstärkte Signalamplitude und Zielamplitude), ein Stellsignal 142 für beide Replika-Verstärker 130-1 und 130-2 auszugeben. Eine Differenzspannung an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 140 wird also in einen proportionalen Ausgangsstrom (Stellsignal 142) umwandelt, mit welchem die Verstärkung der beiden identischen Verstärker 130-1, 130-2 so eingestellt wird, dass die Differenzspannung an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 140 möglichst Null wird - die verstärkte Signalamplitude und die Zielamplitude also im Wesentlichen gleich sind. Dieses Ausführungsbeispiel geht davon aus, dass sich beide Replika-Sensorbrückenschaltungen 120-1, 120-2 und die TMR-Brücken 120-1, 120-2 untereinander hinsichtlich der zu kompensierenden Empfindlichkeitsdrift nahezu identisch verhalten, d.h. deren Verstärkungsunterschiede < 1% sind.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Magnetsensorvorrichtung 500, die sich von der Magnetsensorvorrichtung 400 lediglich durch die Implementierung der Regelschaltung unterscheidet. Während bei der Regelschaltung der 4 die Verstärkung der beiden Replika-Verstärker 130-1, 130-2 mittels des Stellsignals 142 regelbar ist, ist bei der Regelschaltung gemäß 5 eine gemeinsame Versorgungsspannung der Replika-Sensorbrückenschaltungen 120-1, 120-2 mittels des Stellsignals 142 regelbar. Die Verstärkungen der beiden (Vor-)Verstärker 130-1, 130-2 sind hier konstant.
Die 6A zeigt eine weitere Ausführungsform einer Magnetsensorvorrichtung 600 mit zwei xMR-Sensorbrückenschaltungen 120-1, 120-2, die als Differenzsensor konfiguriert sind, um ein Nutzsignal aus der Differenz der Sensorsignale 122-1, 122-2 der beiden xMR-Sensorbrückenschaltungen 120-1, 120-2 zu gewinnen. Die Magnetfelderzeugungsschaltung 110 ist ausgebildet, um ein erstes (vordefiniertes) Magnetfeld 112-1 für die erste xMR-Sensorbrückenschaltung 120-1 und ein zweites (vordefiniertes) Magnetfeld 112-2 für die zweite xMR-Sensorbrückenschaltung 120-2 mittels eines gemeinsamen Gleichtaktsignals (Common Mode Signal) zu erzeugen. Der ersten xMR-Sensorbrückenschaltung 120-1 ist also ein erster Stromleiter 212-1 zur Erzeugung des ersten (vordefinierten) Magnetfelds 112-1 zugeordnet. Der zweiten xMR-Sensorbrückenschaltung 120-2 ist ein zweiter Stromleiter 212-2 zur Erzeugung des zweiten (vordefinierten) Magnetfelds 112-2 zugeordnet. Dabei können 212-1, 212-2 auch unterschiedliche Abschnitte eines Stromleiters bezeichnen. Bei dem Gleichtaktsignal kann es sich um mittels des Spreizcodes modulierten Erregerstrom handeln.
Die erste xMR-Sensorbrückenschaltung 120-1 gibt ein erstes (differenzielles) Sensorsignal 122-1 ansprechend auf das erste vordefinierte Magnetfeld 112-1 aus. Das erste Sensorsignal 122-1 wird sowohl dem ersten regelbaren Verstärker 130-1 als auch dem zweiten regelbaren Verstärker 130-2 zugeführt. Die zweite xMR-Sensorbrückenschaltung 120-2 gibt ein zweites (differenzielles) Sensorsignal 122-2 ansprechend auf das zweite vordefinierte Magnetfeld 112-2 aus. Das zweite Sensorsignal 122-2 wird sowohl dem zweiten regelbaren Verstärker 130-2 als auch dem ersten regelbaren Verstärker 130-1 zugeführt. Während der erste Verstärker 130-1 ein Differenzsignal (Nutzsignal) aus erstem und zweiten Sensorsignal 122-1, 122-2 verstärkt, verstärkt der zweite Verstärker 130-2 ein Summensignal aus erstem und zweiten Sensorsignal 122-1, 122-2. Das Gleichtaktsignal verschwindet beim Differenzsignal (Nutzsignal), so dass am Ausgang des ersten regelbaren Verstärkers 130-1 ein erstes verstärktes Sensorsignal 132-1 (Nutzsignal) ohne Gleichtaktsignalanteil erhalten wird. Beim Summensignal am Eingang des zweiten Verstärkers 130-2 ist das Gleichtaktsignal vorhanden, so dass am Ausgang des zweiten regelbaren Verstärkers 130-2 ein zweites verstärktes Sensorsignal 132-2 mit Gleichtaktsignalanteil (gemäß Spreizcode) erhalten wird. Dieses kann - ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen - einem Regler zugeführt werden.
Das zweite verstärkte Sensorsignal 132-2 wird dem Differenzverstärker 140 zugeführt, der als analoger Regler fungiert. Andere Formen von Differenzverstärkern sind ebenfalls denkbar und von der konkreten Implementierung abhängig. Beispielsweise könnte die hier dargestellte analoge Regelschaltung auch digital ausgebildet werden.
Eingangsseitig zu dem ersten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers (OTA) 140 befindet sich die Demodulationsschaltung 218, die ausgebildet ist das zweite verstärkte (gespreizte) AC-Sensorsignal 132-2 in ein (entspreiztes) DC-Signal zu wandeln, welches dann dem ersten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers 140 zugeführt wird. Dem zweiten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers 140 wird das Sollsignal entsprechend der Zielamplitude 144 zugeführt. Über den Schalter 220 kann eingestellt werden, ob die Zielamplitude 144 eine konstante oder eine von einer Versorgungsspannung VDDext der Magnetsensorvorrichtung 200 ratiometrisch abhängende Amplitude ist.
Der Differenzverstärker 140 ist ausgebildet, um, basierend auf einer Differenz seiner beiden Eingangssignale (verstärkte Signalamplitude und Zielamplitude), das Stellsignal 142 für beide Verstärker 130-1 und 130-2 auszugeben. Eine Differenzspannung an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 140 wird also in einen proportionalen Ausgangsstrom (Stellsignal 142) umwandelt, mit welchem die Verstärkung der beiden identischen Verstärker 130-1, 130-2 so eingestellt wird, dass die Differenzspannung an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 140 möglichst Null wird - die verstärkte Signalamplitude und die Zielamplitude also im Wesentlichen gleich sind. Dieses Ausführungsbeispiel geht davon aus, dass sich beide Sensorbrückenschaltungen 120-1, 120-2 hinsichtlich der zu kompensierenden Empfindlichkeitsdrift identisch verhalten.
Während bei der Regelschaltung der 6A die Verstärkung der beiden Verstärker 130-1, 130-2 mittels des Stellsignals 142 regelbar ist, können auch die Versorgungsspannungen der Sensorbrückenschaltungen 120-1, 120-2 mittels des Stellsignals 142 regelbar sein. Die Verstärkungen der beiden (Vor-)Verstärker 130-1, 130-2 können dann konstant sein.
Die 6B zeigt eine weitere Ausführungsform einer Magnetsensorvorrichtung 700 mit einer als Differenzsensor konfigurierten xMR-Sensorbrückenschaltungen 120. Die Magnetfelderzeugungsschaltung 110 ist ausgebildet, um gemäß einem Spreizcode ein (vordefiniertes) Gleichtakt-AC-Magnetfeld 112 für die xMR-Sensorbrückenschaltung 120 zu erzeugen, welches im Differenz-Nutzsignal nicht sichtbar ist
Die xMR-Sensorbrückenschaltung 120 gibt ein differenzielles Sensorsignal 122 ansprechend auf das Differenz-Nutzsignal aus, während das vordefinierte Gleichtakt-AC-Magnetfeld 112 nur in der Summe (als Gleichtakt-AC-Signal) an der xMR-Sensorbrückenschaltung 120 sich auswirkt. Das Sensorsignal 122 wird dem ersten regelbaren Verstärker 130-1 als Differenzsignal (Nutzsignal) und dem zweiten regelbaren Verstärker 130-2 als Summensignal zugeführt. Das Gleichtaktsignal gemäß dem Spreizcode erscheint nicht im Differenzsignal (Nutzsignal), so dass am Ausgang des ersten regelbaren Verstärkers 130-1 ein erstes verstärktes Sensorsignal 132-1 (Nutzsignal) ohne Gleichtaktsignalanteil erhalten wird. Beim Summensignal am Eingang des zweiten Verstärkers 130-2 ist das Gleichtaktsignal vorhanden, so dass am Ausgang des zweiten regelbaren Verstärkers 130-2 ein zweites verstärktes Sensorsignal 132-2 mit Gleichtaktsignalanteil (gemäß Spreizcode) erhalten wird. Das zweite verstärkte Sensorsignal 132-2 wird dem Differenzverstärker 140 zugeführt. Andere Formen von Differenzverstärkern sind ebenfalls denkbar und von der konkreten Implementierung abhängig. Beispielsweise könnte die hier dargestellte analoge Regelschaltung auch digital ausgebildet werden. Eingangsseitig zu dem ersten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers (OTA) 140 befindet sich die Demodulationsschaltung 218, die ausgebildet ist das zweite verstärkte (gespreizte) AC-Sensorsignal 132-2 in ein (entspreiztes) DC-Signal zu wandeln, welches dann dem ersten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers 140 zugeführt wird. Dem zweiten (differenziellen) Eingang des Differenzverstärkers 140 wird das Sollsignal entsprechend der Zielamplitude 144 zugeführt. Über den Schalter 220 kann eingestellt werden, ob die Zielamplitude 144 eine konstante oder eine von einer Versorgungsspannung VDDext der Magnetsensorvorrichtung 200 ratiometrisch abhängende Amplitude ist. Der Differenzverstärker 140 ist ausgebildet, um, basierend auf einer Differenz seiner beiden Eingangssignale (verstärkte Signalamplitude und Zielamplitude), das Stellsignal 142 für beide Verstärker 130-1 und 130-2 auszugeben. Eine Differenzspannung an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 140 wird also in einen proportionalen Ausgangsstrom (Stellsignal 142) umwandelt, mit welchem die Verstärkung der beiden Verstärker 130-1, 130-2 so eingestellt wird, dass die Differenzspannung an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 140 möglichst Null wird - die verstärkte Signalamplitude und die Zielamplitude also im Wesentlichen gleich sind.
Während bei der Regelschaltung der 6B die Verstärkung der beiden Verstärker 130-1, 130-2 mittels des Stellsignals 142 regelbar ist, kann alternativ auch die Versorgungsspannung der Sensorbrückenschaltungen 120 mittels des Stellsignals 142 regelbar sein.
Figure 7 zeigt ein Beispiel einer stressunabhängigen Konstantstromquelle mittels Bangap-Prinzip zur Erzeugung eines modulierten AC-Stroms zur Ereugung eines definierten und vom mechanischen Stress unabhängigen AC-Magnetfeldes. Die bekannte VPTAT-Stromerzeugungsschaltung erzeugt intern eine VPTAT-Spannung (voltatge = proportional to absolute temperature) über einen Referenzwiderstand, der weitgehend (>99%) stressunabhängig ist. Dies kann durch einen Metallwiderstand oder polysilizidierten Widerstand oder eine Kombination von Widerständen mit unterschiedlichen Stressabhängikeiten erreicht werden.
Die 8A-D zeigen schematisch unterschiedliche Implementierungen von erster xMR-Sensorbrückenschaltung 120-1 und zweiter (Replika) xMR-Sensorbrückenschaltung 120-2 mit zugeordnetem Stromleiter 212 auf einem Chip (WoC).
Die Aspekte und Merkmale, die im Zusammenhang mit einem bestimmten der vorherigen Beispiele beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der weiteren Beispiele kombiniert werden, um ein identisches oder ähnliches Merkmal dieses weiteren Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das weitere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Es versteht sich ferner, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als zwingend in der beschriebenen Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht im Einzelfall explizit angegeben oder aus technischen Gründen zwingend erforderlich ist. Daher wird durch die vorhergehende Beschreibung die Durchführung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt. Ferner kann bei weiteren Beispielen ein einzelner Schritt, eine einzelne Funktion, ein einzelner Prozess oder eine einzelne Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden.
Wenn einige Aspekte in den vorhergehenden Abschnitten im Zusammenhang mit einer Vorrichtung oder einem System beschrieben wurden, sind diese Aspekte auch als eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zu verstehen. Dabei kann beispielsweise ein Block, eine Vorrichtung oder ein funktionaler Aspekt der Vorrichtung oder des Systems einem Merkmal, etwa einem Verfahrensschritt, des entsprechenden Verfahrens entsprechen. Entsprechend dazu sind Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben werden, auch als eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, eines entsprechenden Elements, einer Eigenschaft oder eines funktionalen Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung oder eines entsprechenden Systems zu verstehen.
Die folgenden Ansprüche werden hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Ferner ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen bezieht - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hiermit explizit vorgeschlagen, sofern nicht im Einzelfall angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.

Claims

Magnetsensorvorrichtung (100; 200), umfassend eine Magnetfelderzeugungsschaltung (110), die ausgebildet ist, um ein Magnetfeld (112) zu erzeugen; eine Magnetfeld-Sensorschaltung (120), die ausgebildet ist, um ansprechend auf das Magnetfeld (112) ein Sensorsignal (122) auszugeben, das eine Signalamplitude abhängig von einer Sensitivität der Magnetfeld-Sensorschaltung (120) aufweist; eine Verstärkerschaltung (130), die ausgebildet ist, um das Sensorsignal (122) zu verstärken und ein verstärktes Sensorsignal (132) mit einer verstärkten Signalamplitude auszugeben; und eine Regelschaltung (140), die ausgebildet ist, um mit einem Stellsignal (142) ein Versorgungssignal der Magnetfeld-Sensorschaltung (120) und/oder eine Verstärkung der Verstärkerschaltung (130) so einzustellen, dass die verstärkte Signalamplitude einer Zielamplitude (144) entspricht.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeld-Sensorschaltung (120) einen Hall-Sensor umfasst.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeld-Sensorschaltung (120) einen xMR-Sensor umfasst.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfelderzeugungsschaltung (110) einen Stromleiter (212) für einen elektrischen Erregerstrom aufweist und wobei der Stromleiter (212) und die Magnetfeld-Sensorschaltung (120) auf einem gemeinsamen Chip angeordnet sind.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfelderzeugungsschaltung (110) ausgebildet ist, um das Magnetfeld (112) gemäß einem pseudozufälligen Pilotsignal zu erzeugen.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 5, ferner umfassend eine Entfernungsschaltung (230), die ausgebildet ist, das pseudozufällige Pilotsignal zumindest teilweise aus dem verstärkten Sensorsignal (132) zu entfernen.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das pseudozufällige Pilotsignal ein digitales n-Bit Signal ist, mit n ≥ 1.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Entfernungsschaltung (230) einen n-Bit-DAC (232) für das pseudozufällige Pilotsignal aufweist und ausgebildet ist, ein Ausgangssignal des n-Bit-DAC von dem verstärkten Sensorsignal (132) abzuziehen, wobei n einer Anzahl an Bits des pseudozufälligen Pilotsignals entspricht.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Bandabstandsreferenzschaltung (224), die ausgebildet ist, eine konstante Referenzspannung mit der Zielamplitude (144) und/oder einen elektrischen Erregerstrom für die Magnetfelderzeugungsschaltung (110) mit konstanter Stromstärke zu erzeugen.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 9, wobei die Bandabstandsreferenzschaltung einen von mechanischem Stress unabhängigen Widerstand aufweist, um einen vom mechanischen Stress unabhängigen Erregerstrom zu erzeugen.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelschaltung (140) einen Differenzverstärker aufweist, der ausgebildet ist, um, basierend auf einer Differenz zwischen der verstärkten Signalamplitude und der Zielamplitude (144), das Stellsignal (142) für das Versorgungssignal und/oder die Verstärkerschaltung (130) auszugeben.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zielamplitude eine konstante oder eine von einer Versorgungsspannung der Magnetsensorvorrichtung (100; 200) ratiometrisch abhängende Amplitude ist.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfelderzeugungsschaltung (110) ausgebildet ist, um einen Erregerstrom für das vordefinierte Magnetfeld gemäß einem pseudozufälligen Pilotsignal zu modulieren und wobei die Regelschaltung (140) ausgebildet ist, um das verstärkte Sensorsignal entsprechend zu demodulieren.
Magnetsensorvorrichtung (400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine zweite Magnetfeld-Sensorschaltung (120-2), die ausgebildet ist, um ein zweites Sensorsignal (120-2) auszugeben, das eine Signalamplitude abhängig von einer Sensitivität der zweiten Magnetfeld-Sensorschaltung (120-2) aufweist; eine zweite Verstärkerschaltung (130-2), die ausgebildet ist, um das zweite Sensorsignal (122-2) zu verstärken und ein zweites verstärktes Sensorsignal (132-2) auszugeben; wobei die Regelschaltung (140) ausgebildet ist, um mit dem Stellsignal (142) ein Versorgungssignal der zweiten Magnetfeld-Sensorschaltung (120-2) und/oder eine Verstärkung der zweiten Verstärkerschaltung (130-2) einzustellen.
Magnetsensorvorrichtung (400; 500; 600) nach Anspruch 14, wobei die Magnetfeld-Sensorschaltung (120-1) und die zweite Magnetfeld-Sensorschaltung (120-2) sowie die Verstärkerschaltung (130-2) und die zweite Verstärkerschaltung (130-2) jeweils als Replika-Schaltungen auf einem gemeinsamen Chip ausgebildet sind.
Magnetsensorvorrichtung (600) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Magnetfeld-Sensorschaltung (120-1) und die zweite Magnetfeld-Sensorschaltung (120-2) als Differenzsensor konfiguriert sind, und wobei die Magnetfelderzeugungsschaltung (110) ausgebildet ist, um das Magnetfeld (112) für die Magnetfeld-Sensorschaltung (120-1) und die zweite Magnetfeld-Sensorschaltung (120-2) mittels eines Gleichtaktsignals zu erzeugen.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach einem der Ansprüche 2 bis 16, wobei die Magnetfeld-Sensorschaltung (120) als TMR-Sensorbrückenschaltung ausgebildet ist.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verstärkerschaltung (130) als digitale Verstärkerschaltung mit einstellbarer digitaler Verstärkung ausgebildet ist.
Magnetsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 600) nach Anspruch 18, wobei die digitale Verstärkerschaltung einen Analog-Digital-Wandler, ADC, mit einstellbarer Referenzspannung aufweist.
Verfahren zur Kompensation von Sensitivitätsschwankungen einer Magnetfeld-Sensorschaltung (120), umfassend Erzeugen eines Magnetfelds (112); ansprechend auf das Magnetfeld (112), Ausgeben eines Sensorsignals (122) mittels der Magnetfeld-Sensorschaltung (120), wobei das Sensorsignal (122) eine Signalamplitude abhängig von einer Sensitivität der Magnetfeld-Sensorschaltung (120) aufweist; Verstärken des Sensorsignals (122) mittels einer Verstärkerschaltung (130), um ein verstärktes Sensorsignal (132) mit einer verstärkten Signalamplitude zu erhalten; und Einstellen eines Versorgungssignals der Magnetfeld-Sensorschaltung (120) und/oder einer Verstärkung der Verstärkerschaltung (130), so dass die verstärkte Signalamplitude einer Zielamplitude (144) entspricht.