DE102022129671B3 - Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal sowie Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems - Google Patents

Abstract

Ein Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal umfasst für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals ein Magnetfeldsensor-Subsystem, das vorzugsweise zwei, miteinander verschaltete Subsysteme umfasst sowie ein Verfahren zur Temperaturgangs.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12.
• Stand der Technik
• Aus dem Stand der Technik sind Sensoren zur Messung eines Magnetfeldes, insbesondere auch Hall-Magnetfeldsensoren, in einer hinreichend breiten Vielfalt und hohen Vielzahl bekannt.
• Sehr ausführlich werden die Grundlagen von Hall-Magnetfeldsensoren beispielsweise in R. S. Popovic: „Hall-effect devices", Journal for Sensors and Actuators, Volume 17, Issues 1-2, 3 May 1989, Pages 39-53 oder in R. S. Popovic „Hall Effect Devices“, 2nd Edition CRC Press Taylor & Francis Group, LLC 2003, ISBN: 978-1-4200-3422-6 beschrieben.
• Ferner knüpft die vorliegende Erfindung an die Offenbarung der US 6366076 B1 an. Darin wird ein Stromsensor beschrieben, der die Signale von einem niederfrequenten Magnetfeldsensor, wie z.B. einen Hall-Effekt Sensor, und einer induktiven Spule, wie z.B. eine Rogowski-Spule, in einer Summiervorrichtung kombiniert, und diese aufsummierten Signale in einen Tiefpassfilter führt.
• Aus der DE 102018128469 B4 ist ein magnetisches Sensorsystem mit einem Magnetsensor, wie z.B. einem Hall-Magnetsensor, einer Induktionsschleife oder einer Spule, bekannt, welche mit dem Hall-Magnetsensor in Reihe geschaltet ist, und das Ausgangssignal einem Tiefpassfilter zugeführt wird.
• Diese beiden Erfindungen der US 6366076 B1 und der DE 102018128469 offenbaren ein Messprinzip wie man mit durch Kombination eines niederfrequenten Magnetfeldsensors, wie z.B. einem Hall-Effekt Sensor, und einer induktiven Spule, einen breitbandigen (Strom-) Sensor erhält, wobei die Signale der jeweiligen Signalpfade explizit ( US 6366076 B1 ) und implizit ( DE 102018128469 ) aufsummiert werden.
• Bei diesen in der US 6366076 B1 und der DE 102018128469 beschriebenen Erfindungen geht mit dem Messprinzip und dem Sensoraufbau selbst, sowie mit einer Anordnung des Sensors innerhalb einer Messschaltung gehen unerwünschte Nebeneffekte einher. Beispielwiese ist das Eingangsmesssignal in seiner Bandbreite relativ stark begrenzt, beispielwiese ein von Rauschen überlagertes Ausgangsmesssignal.
• Eine bekannte Methode zur Reduzierung von Offset- und Niederfrequenzrauschen von Hall-Effekt-Bauelementen ist die Verwendung einer als Spinning-Strom-Technik bekannten schalterbasierten Drehstromtechnik (sog. Spinning-Current) in Kombination mit der sogenannten Chopper-Stabilisierungstechnik. Die Verwendung dieser Kombination in Sensorsystemen, die einen Hall-Effekt Sensor umfassen, führt zu einer Reduktion des Offset- und Niederfrequenzrauschen des Hall-Effekt-Bauelementes und eines Verstärkers, der die Hall-Spannung verstärkt.
• Diese und weitere aus dem oben genannten Stand der Technik beschriebenen Ansätze stellen zwar neue Methoden und Schaltungsanordnungen zur Verfügung, sie stellen jedoch nicht im entferntesten einen Lösungsansatz zur Stabilisierung und Nachführung der optimalen Parameter für einen glatten Frequenzverlauf des Ausgangssignales eines solchen Sensorsystems zur Verfügung.
• Zudem sind auch Magnetfeldsensorsysteme mit einem oder mehreren Magnetfeldsensoren aus der DE 10 2008 061 067 A1 oder der DE 10 2021 102 051 A1 bekannt. Der Aspekt, dass der Temperaturgang des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit eines von einem Oszillator abgeleiteten Stromquellentaktsignals mittels dessen Versorgungsstrom kompensierbar ist, ist im gegebenen Zusammenhang aus dem Stand der Technik weder bekannt, noch dem Fachmann daraus nahegelegt.
• Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines Magnetfeldsensorsystems umfassend einen Magnetfeldsensor und ein induktives Element, in Reihe schaltbar oder mit explizitem Summier-Element kombiniert, unter verschiedensten Umgebungseinflüssen zu stabilisieren.
• Lösung der Aufgabe
• Zur Lösung der Aufgabe wird ein Magnetfeldsensorsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12 zur Verfügung gestellt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 12 ergeben sich in Kombination weiterer Merkmalen gemäß der Unteransprüche 2 bis 10.
• Beschreibung der Erfindung
• Ein Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal V_out umfasst für die Temperaturgangskompensation des Ausgangssignal V_out ein Magnetfeldsensor-Subsystem, das, vorzugsweise zwei, miteinander verschaltete Subsysteme umfasst.
• Ein erstes Subsystem des Magnetfeldsensor-Subsystems umfasst einen oder mehrere Magnetfeldsensoren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren oder anderen galvano-magnetischen Sensoren wie beispielsweise einen magnetischen Tunnelwiderstand (TMR), einen Riesenmagnetowiderstand (GMR), einen Sensor basierend auf dem kolossalen magnetoresistiven Effekt (CMR) oder einen Sensor basierend auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR).
• Ein zweites Subsystem des Magnetfeldsensor-Subsystems umfasst eine Stromquelle zur Stromversorgung von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren.
• Das Magnetfeldsensorsystem umfasst zudem einen Tiefpassfilter, sowie ein oder mehrere mit diesem oder mit diesen Magnetfeldsensoren des ersten Subsystems in direkter oder über einen Summierer gebildeten, elektrischen Verbindung stehenden induktiven Elements,
• Für die Temperaturgangskompensation des Magnetfeldsensorsystems versorgt die Stromquelle den einen oder die mehreren Magnetfeldsensoren mit einem Versorgungsstrom I_h derart, daß der Temperaturgang des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit eines von einem Oszillator abgeleiteten Stromquellentaktsignals mittels des Versorgungsstrom I_h kompensierbar ist.
• Vorzugsweise ist der Tiefpassfilter, so ausgebildet, um seine Grenzfrequenz f_co in Abhängigkeit von einem Filtertaktsignal derart zu ändern, sodass die Temperaturabhängigkeit mindestens eines Magnetfeldsensors zusätzlich kompensierbar ist.
• Vorzugsweise ist die Frequenz des Filtertaktsignals und/oder des Stromquellentaktsignals im Falle einer Abweichung von einer Nennfrequenz so veränderbar, daß die magnetische Empfindlichkeit des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren und die Grenzfrequenz f_co des Tiefpassfilters proportional zur Frequenz eines gemeinsamen Taktsignals sind.
• Vorzugsweise umfasst die Stromquelle für den Magnetfeldsensor und/oder der Tiefpassfilter jeweils einen oder mehrere Switched-Capacitor-Schaltkreise umfassen.
• Vorzugsweise ist dabei die Kapazität eines oder mehrerer Kondensatoren des einen oder der mehreren Switched-Capacitor-Schaltkreise programmierbar.
• Vorzugsweise ist der Oszillator ein spannungsgesteuerter Oszillator.
• Bei Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems ist das gemeinsame Taktsignal durch Synchronisation des Filtertaktsignals und des Stromquellentaktsignals ausgebildet.
• Bei Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems umfasst das Magnetfeldsensorsystem ferner eine Kompensationssteuerungseinheit, die so ausgebildet ist, daß sie das Filtertaktsignal, das Stromquellentaktsignal oder eine beliebige Kombination davon bereitstellt.
• Bei Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems umfasst das Magnetfeldsensor-Subsystem ein weiteres Subsystem als drittes Subsystem mit einem Verstärker zur Verstärkung einer von mindestens einem Magnetfeldsensor als von schaltbaren Kontakten moduliertes Magnetfeldsensorsignals ausgegebenen Ausgangsspannung V_h.
• Bei Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems ist weist das Magnetfeldsensorsystem und/oder das Magnetfeldsensor-Subsystem für einen Spinning-Current Betrieb eines Magnetfeldsensors und/oder einer Chopper-Stabilisierung des Verstärkers zusätzlich zu den schaltbaren Kontakten schaltbare Kontakte aufweist, welche sich beide auf dasselbe Taktsignal beziehen.
• Die Erfindung stellt damit eine essentielle Optimierung eines Magnetfeldsensorsystems umfassend einen oder mehrere Magnetfeldsensoren, eine oder mehrere induktive Elemente, wie beispielsweise einer Induktionsspule und/oder eine oder mehrere Induktionsschleifen, als auch einen Tiefpassfilter dar, da diejenigen Signale, welche von einem Magnetfeld in wenigstens einem Magnetfeldsensor und in wenigstens einem induktiven Element erzeugt werden, miteinander kombiniert werden und zusammen durch den Tiefpassfilter geführt werden.
• Das hat den Vorteil, daß bei relativ niedrigen Frequenzen des Magnetfeldes, ein nahezu frequenzunabhängiges Signal des Magnetfeldsensorsystems vorliegt. Das Signal des wenigstens eines induktiven Elements ist proportional zur Frequenz des Magnetfeldes. Wenn diese beiden Signale nun kombiniert und durch einen Tiefpassfilter geführt werden, ergibt sich ein Ausgangssignal des Sensors, welches von Gleichstrom oder Gleichspannung bis hin zu sehr hohen Frequenzen frequenzunabhängig ist.
• Der dabei einzusetzende Tiefpassfilter ist ein Tiefpassfilter 1. Ordnung, mit einer Grenzfrequenz, gleich jener Frequenz, bei welcher die Amplitudenkennlinien des Magnetfeldsensor-Subsystems für den Magnetfeldsensor und dem induktiven Element derart gleich sind, daß sie sich wie in 1 gezeigt, in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Das heißt, die Grenzfrequenz f_co des Tiefpassfilters muss folgende Bedingung erfüllen: $${\text{f}}_{\text{co}}=\left({\text{S}}_{\text{h}}*{\text{G}}_{\text{h}}\right)/\left(2*\mathrm{\pi }*{\text{A*G}}_{\text{c}}\right)$$

  
• S_h beschreibt die absolute magnetische Sensitivität des Magnetfeldsensors des Magnetfeldsensor-Subsystems, G_h und G_c sind die Verstärkungsfaktoren des Signales kommend von dem Magnetfeldsensor und von dem induktiven Element. Im Falle einer Induktionsspule als induktives Element, ist A ist die Fläche der Induktionsspule oder die effektive Fläche der Induktionsspule, welche durch $$\text{A}={\text{N}}_{\text{c}}\times {\text{A}}_{\text{a}},$$

  

  berechnet werden kann. N_c ist die Anzahl der Windungen der Induktionsspule und A_a die mittlere Fläche einer Windung der Induktionsspule.
• Der Vorteil eines solchen Magnetfeldsensorsystems, basierend auf der Kombination eines Magnetfeldsensors, vorzugsweise einer Induktionsspule als induktives Element und einem Tiefpassfilter, ist damit auch eine daraus resultierende große Bandbreite und ein niedriges Rauschen.
• Ausführungsformen eines solchen Magnetfeldsensorsystems können anstelle eines Tiefpassfilters auch einen Integrator umfassen, da ein Integrator die gleiche technische Wirkung wie ein Tiefpassfilter aufweist, wenn deren Zeitkonstanten jeweils gleich sind.
• Gleichung (1) zeigt den Zusammenhang zwischen den Parametern des Magnetfeldsensor-Subsystems, vorzugsweise der Induktionsspule als induktives Element und des Tiefpassfilters, die optimal gewählt werden.
• Die vorliegende Erfindung zeigt, wie man die Parameter der Komponenten des Magnetfeldsensorsystems stabilisiert, sodass sie ihre optimalen Werte unabhängig von äußeren Einflüssen behalten.
• Die Erfüllung der Gleichung (1) wird stets dadurch erfüllt, sobald die magnetische Sensitivität des Magnetfeldsensors und die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters proportional zu einem gemeinsamen Taktsignal als Referenztaktsignal sind.
• Beispielsweise ist die absolute magnetische Sensitivität des Magnetfeldsensors gegeben durch $${\text{S}}_{\text{h}}={\text{K}}_{\text{h}}*f_{\text{cl}}$$

  

  wobei K_h einen Proportionalitätskoeffizienten beschreibt und f_cl die Frequenz des Referenz-Taktes, und die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters, also diejenige Frequenz, bei welcher der Filter die Signalamplitude um -3 dB gedämpft hat, ist gegeben durch $${\text{f}}_{\text{co}}={\text{K}}_{\text{f}}*{\text{f}}_{\text{cl}}$$

  

  mit K_f als weiteren Proportionalitätskoeffizient.
• Die Verhältnisse in Gleichung (3) und (4) können dadurch erfüllbar sein, indem man die Stromquelle, welche den Magnetfeldsensor mit Strom versorgt, und/oder den Tiefpassfilter jeweils als geschaltete Kapazitäten (auf Englisch: switched capacitor) implementiert werden.
• Passende Schaltungen werden in dem Buch „Switched Capacitor Circuits“, Phillip E Allen, Springer Netherlands, 1984 gezeigt. Eine passende Switched-Capacitor Stromquelle ist in dem US Patent US 4374357A offenbart.
• Die absolute magnetische Sensitivität des Magnetfeldsensors ist proportional zum Versorgungsstrom I_h: $${\text{S}}_{\text{h}}={\text{S}}_{\text{hi}}*{\text{I}}_{\text{h}}$$

  

  wobei S_hi die strombezogene Sensitivität des Magnetfeldsensors ist.
• Ist diese Stromquelle für den Versorgungsstrom des Magnetfeldsensors nun als Switched-Capacitor-Schaltkreis implementiert, so kann der mittlere Strom dieser Quelle folgend ausgedrückt werden: $${\text{I}}_{\text{h}}={\text{V}}_{\text{r}}*{\text{C}}_{\text{i}}*{\text{f}}_{\text{cl}}$$

  
• V_r ist die Referenz-Spannung, Ci ist die Kapazität des Kondensators in diesem Schaltkreis, und f_cl steht für die Frequenz des zugehörigen Taktsignales, das Stromquellentaktsignal.
• Ersetzt man nun in Gleichung (5) den Versorgungsstrom I_h mit dem Ausdruck aus Gleichung (6), so erhält man: $${\text{S}}_{\text{h}}={\text{S}}_{\text{hi}}*{\text{V}}_{\text{r}}*{\text{C}}_{\text{i}}*{\text{f}}_{\text{cl}}.$$

  
• Führt man nun die folgende Schreibweise ein: $${\text{K}}_{\text{h}}={\text{S}}_{\text{hi}}*{\text{V}}_{\text{r}}*{\text{C}}_{\text{h}},$$

  
• So lässt sich Gleichung (7) umschreiben in die gleiche Form von Gleichung (3).
• Der Koeffizient K_h ist praktisch temperaturunabhängig, wenn die Referenz-Spannung V_r so ausgeführt wird, daß eine gegenteilige Temperaturabhängigkeit aufweist, verglichen mit der strombezogenen Sensitivität des Magnetfeldsensors S_hi.
• Das heisst, daß die Quelle der Referenz-Spannung V_r so ausgeführt wird, daß sie einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, wenn die strombezogene Sensitivität einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, und somit die Kombination der beiden Signale temperaturunabhängig ist. Dies lässt sich mit folgender Ungleichung ausdrücken: $${\text{S}}_{\text{hi}}*{\text{V}}_{\text{r}}\ne \text{f }\left(\text{T}\right)$$

  
• Die Bedingung in Gleichung (9) ist gewöhnlich für auf den Hall-Effekt basierenden Magnetfeldsensoren. Typischerweise weist S_hi eine lineare Temperaturabhängigkeit von ca. -0.1 %/°C auf. Somit, um Gleichung (9) zu erfüllen, muss V_r einen linearen Temperaturkoeffizienten von ca. +0.1%/°C aufweisen.
• Die Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters 1. Ordnung, welcher als Switched-Capacitor-Schaltkreis implementiert ist, kann mit folgender Gleichung berechnet werden: $${\text{f}}_{\text{co}}=\left({\text{C}}_1/{\text{C}}_2\right)*{\text{f}}_{\text{cl}}/\left(2*\mathrm{\pi }\right)$$

  
• Dieser Ausdruck ist bestens bekannt aus diversen Fachbüchern. Wenn man folgende Schreibweise einführt: $${\text{K}}_{\text{f}}=\left({\text{C}}_1/{\text{C}}_2\right)/\left(2*\mathrm{\pi }\right)$$

  

  dann lässt sich Gleichung (10) so umschreiben, daß sie die gleiche Form wie in Gleichung (4) annimmt.
• Ersetzt man in Gleichung (1) f_co durch Gleichung (10), und S_hi durch Gleichung (7), so erhält man folgende Beziehungen: $${\text{C}}_1/{\text{C}}_2=\left({\text{S}}_{\text{hi}}*{\text{V}}_{\text{r}}*{\text{C}}_{\text{i}}*{\text{G}}_{\text{h}}\right)/\left({\text{A*G}}_{\text{c}}\right)$$

  
• Somit zeigt sich die Bedingung für den optimalen Betrieb des Magnetfeldsensorsystems, ausgeführt gemäß der offenbarten Erfindung, durch die Gültigkeit von Gleichung (12), welche nun Gleichung (1) ersetzt.
• Die Gültigkeit von Gleichung (12) kann als praktisch unabhängig von Umgebungsfaktoren erachtet werden, wenn:
• - C₁, C₂, und Ci als integrierte Kapazitäten ausgeführt sind. Werden diese Kapazitäten als Poly-Silizium oder MOS-Kapazitäten (Englische Abkürzung für Metal Oxide Semiconductor) ausgeführt, dann sind diese praktisch temperaturunabhängig; und/oder
• - A ist die Fläche der Induktionsspule bzw. Induktionsschleife oder effektive Fläche der Spule, welche praktisch auch temperaturunabhängig ist; und/oder
• - G_h / G_c ist das Verhältnis der Spannungsverstärkungsfaktoren von integrierten Verstärkern, welche durch sorgfältiges Design und Abgleich, sowie Platzierung am selben Chip-Substrat, weitgehend unabhängig von Umgebungseinflüssen gemacht werden können; und/oder
• - das Produkt S_hi * V_r kann durch die Gültigkeit von Gleichung (10) temperaturunabhängig gemacht werden.
• Somit wird das betrachtete Magnetfeldsensorsystem einmal eingestellt, das heisst die Parameter justiert, sodass Gleichung (1) und (13) erfüllt sind und die Einstellungen bleiben für beliebige Betriebstemperaturen erhalten.
• Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems haben zum Vorteil, daß durch Ausführung wenigstens einer der Kapazitäten C₁, C₂ bis Ci gemäß Gleichung (12) als digital programmierbare Kapazität, die anfängliche Einstellung vorteilhaft gestaltbar ist.
• Eine vorteilhaft zu implementierende Ausführung eines sogenannten ratiometrischen Sensorsystems, welches eine magnetische Sensitivität proportional zu einer Referenzspannung aufweist, wie zum Beispiel die Spannung der Spannungsversorgung des Magnetfeldsensorsystems. Somit kann der Taktgeber, welcher als gemeinsame Taktquelle (Referenz-Takt) dient, als spannungsgesteuerter Oszillator (auf Englisch: voltage controlled oscillator) ausgeführt werden.
• Ausführungsformen können auch in einem Magnetfeldsensorsystem eingesetzt werden, in welchem der Magnetfeldsensor ein Hall-Effekt Sensor mit einem Hall-Element als Sensorelement oder ein anderer galvano-magnetischen Sensor mit einem magnetoresistiven Widerstandselement als Sensorelement ist.
• Ein Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems, welches ein Magnetfeldsensor-Subsystem umfassend miteinander verschaltete Subsysteme umfasst, wobei ein erstes Subsystem einen oder mehrere Magnetfeldsensoren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren oder anderen galvano-magnetischen Sensoren umfasst, und ein zweites Subsystem des Magnetfeldsensor-Subsystems mit einer Stromquelle zur Stromversorgung von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren umfasst, wobei das Magnetfeldsensorsystem zudem einen Tiefpassfilter umfasst, sowie ein oder mehrere mit diesem oder mit diesen Magnetfeldsensoren des Subsystems in direkter oder über einen Summierer gebildeten, elektrischen Verbindung stehenden induktiven Elements umfasst, umfasst die folgenden Schritte:
• - Bestimmen eines Versorgungsstroms als Funktion eines von einem Oszillator abgeleiteten Stromquellentaktsignals, wodurch das Temperaturverhalten des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren kompensiert wird; und
• - Versorgen des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren mit dem bestimmten Versorgungsstrom unter Verwendung der Stromquelle.
• Ein Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems mit den Merkmalen einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfasst die Schritte:
• - Bestimmen eines Versorgungsstroms als Funktion eines von einem Oszillator abgeleiteten Stromquellentaktsignals, wodurch das Temperaturverhalten des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren kompensiert wird; und
• - Versorgen des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren mit dem bestimmten Versorgungsstrom unter Verwendung der Stromquelle.
• Dementsprechend vorteilhaft ist auch die Anwendung eines der zuvor beschriebenen Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems gemäss den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus den Figuren. Diese zeigen in
• 1 ein Frequenz-Spannungsdiagramm der Frequenzgänge von Teilspannungen eines mit einer Induktionsspule als induktives Element verschalteten Magnetfeldsensorsystems als Funktion der Frequenz eines Magnetfeldes;
• 2 ein Blockschaltbild eines Magnetfeldsensor-Subsystems;
• 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems, das mit einer Induktionsspule als induktives Element in Reihe geschaltet ist;
• 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems, das mit einer Induktionsspule als induktives Element parallelgeschaltet ist, wobei die jeweiligen Signalpfade jeweils einen separaten Tiefpass-Filter 1. Ordnung aufweisen;
• 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems, das mit einer Induktionsspule als induktives Element parallelgeschaltet ist, wobei die beiden jeweiligen Signalpfade einen gemeinsamen Tiefpass-Filter 1. Ordnung aufweisen.
• Ausführliche Beschreibung der Figuren
• 1 zeigt ein Frequenz-Spannungsdiagramm, in welchem der jeweilige Frequenzgang von Teilspannungen eines mit einer Induktionsspule als induktives Element verschalteten Magnetfeldsensorsystems als Funktion der Frequenz eines Magnetfeldes $\stackrel{\rightharpoonup }{B}$

  

  eingezeichnet ist.
• Die Kurve V_hall zeigt den Frequenzgang einer ungefilterten Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensor-Subsystems.
• Die Kurve V_{hall_F} zeigt den Frequenzgang einer mit einem Tiefpass-Filter 1. Ordnung gefilterten Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensor-Subsystems.
• Die Kurve V_ind zeigt den Frequenzgang einer ungefilterten Ausgangsspannung eines induktiven Elements.
• Die Kurve V_{ind _F} zeigt den Frequenzgang einer mit einem Tiefpass-Filter 1. Ordnung gefilterten Ausgangsspannung eines induktiven Elements.
• Die Kurve V_out zeigt den Frequenzgang der aufsummierten tiefpassgefilterten Teilspannung V_hall und V_ind.
• Auf der x-Achse ist zudem die Grenzfrequenz f_co des Tiefpass-Filters 1. Ordnung eingezeichnet.
• Die tiefpassgefilterten Teilspannungen V_hall und V_ind. sind derart aufeinander abgestimmt, daß die jeweiligen Amplitudengänge der Ausgangssignale eines Magnetfeldsensor-Subsystems und das Ausgangssignals eines induktiven Elements deckungsgleich sind.
• Beide Amplitudengänge der tiefpassgefilterten Teilspannungen V_hall und V_ind schneiden sich bei der Grenzfrequenz f_co des Tiefpassfilters 1. Ordnung.
• 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems 500 umfassend drei miteinander verschaltete Subsysteme 400, 450 und 1061, sowie Versorgungsklemmen V₊ und V_- und elektrische Kontaktklemmen 501, 502 zur Ausgabe eines ungefilterten Ausgangssignales V_hall.
• Das Subsystem 400 einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems 500 umfasst einen Magnetfeldsensor 100, welchem die schaltbaren Kontakte 110, 111, 112 zugeordnet sind und die über die Kontaktklemme 503 mit strichliert angedeuteten Steuersignalen schaltbar sind.
• Der Magnetfeldsensor 100 umfasst in der abgebildeten Ausführungsform das Magnetfeldsensor-Element 10, welches über die schaltbaren Kontakte 110, 111, 112 selektiv gekoppelt werden kann. Diese schaltbaren Kontakte ermöglichen somit die wohlbekannte Spinning-Current-Technik, wobei die Verschaltung vorzugsweise derart gestaltet ist, daß eine Modulierung des unverstärkten Sensorsignals durch die schaltbaren Kontakte 110 und 111 erfolgt und der schaltbare Kontakt 112 zur Kontaktierung des Sensors mit dem Verstärker während des Messvorgangs dient.
• Der Magnetfeldsensor 100 kann ein oder mehrere solcher Magnetfeldsensorelemente 10 umfassen und diese können beispielsweise als planare oder vertikale Hall-Sensorelemente ausgeführt sein. Die Verschaltung des einen oder der mehreren Magnetfeldsensorelemente 10 erfolgt mittels deren Anschlüssen 1, 2, 3 und 4.
• Im Fall mehrerer Magnetfeldsensorelemente 10 können derartige Magnetfeldsensorelemente 10 parallel oder in Reihe miteinander verschaltet sein oder in einer Kombination aus Reihen- und/oder Parallelschaltung miteinander verschaltet sein.
• In Ausführungsformen eines Magnetfeldsensor-Subsystems 500 können zudem auch andere Arten von Magnetfeldsensoren verwendet werden, beispielsweise Sensoren, die einen galvano-magnetischen oder magnetoresistiven Effekt (xMR-Sensoren), zum Beispiel einen magnetischen Tunnelwiderstand (TMR), einen Riesenmagnetowiderstand (GMR), einen kolossalen magnetoresistiven Effekt (CMR) oder einen anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR), verwenden.
• Das Subsystem 450 einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems 500 umfasst vorzugsweise einen Verstärker 40 zur Verstärkung des modulierten Magnetfeldsensorsignals V_h und daran angeschlossene schaltbare Kontakte 113 zur Signaldemodulation, um zwischen den Kontaktklemmen 502 und 503 das Ausgangssignal V_hall zur Verfügung zu stellen. Die strichliert angedeuteten Steuersignale für die schaltbaren Kontakte 113 wird über die Kontaktklemme 503 eingespeist.
• Das Subsystem 1061 einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems 500 umfasst ferner eine Stromquelle 61 zur Stromversorgung von dem Magnetfeldsensor 100.
• Der Strom I_h der Stromquelle 61 des Subsystems 1061 ist vorzugsweise veränderbar mittels eines oder mehreren Switched-Capacitor-Schaltkreises 62 in Abhängigkeit des strichliert angedeuteten Stromquellentaktsignals 1702a, welches über die Kontaktklemme 504 eingespeist wird.
• 3 zeigt eine Ausführungsform eines Magnetfeldsensorsystems umfassend ein Magnetfeldsensor-Subsystem 500, wobei das Magnetfeldsensor-Subsystem 500 mit einem induktiven Element 150, beispielsweise in Form einer Induktionsschleife oder einer Induktionsspule, in Reihe geschaltet ist. Das Magnetfeldsensor-Subsystem 500, basierend auf der Spinning-Current-Technik mit den nichtabgebildeten Schaltern 110, 111, 112, 113 dient zur Realisierung dieser und umfasst das Subsystem 1061 zur elektrischen Versorgung des Subsystems 400.
• Das Ausgangssignal V_hall des Subsystems 450, respektive des Magnetfeldsensorsubsystems 500, liegt als Eingangssignal des in Reihe geschalteten induktiven Elements 150 an. Das resultierende, summierte Signal des Magnetfeldsensor-Subsystems 500 und des induktiven Elements 150 kann vorzugsweise mit einem nachgeschalteten Verstärker 41 mit einem Verstärkungsfaktor Gc verstärkt werden und das Signal einem Tiefpassfilter 1. Ordnung 1200 zugeführt.
• Die Summe aus den Signalen des Magnetfeldsensor-Subsystem 500 und des Signals des induktiven Elements 150 wird somit gefiltert.
• Die strichliert angedeuteten Taktsignale, nämlich das Stromquellentaktsignal 1702a zur Steuerung der Stromquelle 1061, das Spinning-Current-Taktsignal 1702b zur Steuerung der Schalter 110, 111, 112, 113 für die Spinning-Current Technik, also der Signalmodulation und Signaldemodulation und das Filtertaktsignal 1702c zur Steuerung des Switched-Capacitor Tiefpassfilters (zu Deutsch: Tiefpassfilter mit geschalteten Kondensatoren) werden durch Koordination mit dem gemeinsamen Taktsignal 1700 gebildet.
• Der 3 ist zudem entnehmbar, daß das Subsystem 1061 und der Tiefpassfilter 1. Ordnung 1200 mit einem gemeinsamen Taktsignal als Referenztaktsignal steuerbar sind. Das heißt, daß die jeweiligen Taktsignale, namentlich das Stromquellentaktsignal 1702a und das Filtertaktsignal 1702c, mit dem gemeinsamen Taktsignal koordiniert werden.
• Die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702c werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 koordiniert und bereitgestellt. Die Kompensationssteuerungseinheit 1701 ist derart ausgebildet, sodass die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702c von dem Referenztaktsignal 1700 abgeleitet werden. Das Referenztaktsignal 1700 wird durch den Oszillator 1703 als Taktgeber bereitgestellt.
• Die Taktsignale 1702a und 1702c werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 zudem derart bereitgestellt, daß die Taktsignale proportional zu dem Referenztaktsignal 1700 sind.
• Das Ausgangssignal V_out des Magnetfeldsensorsystems liegt letztlich zwischen den beiden nicht abgebildeten Kontaktklemmen 501 und 502 an.
• 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensorsystems mit einem Magnetfeldsensorsubsystem 500 umfassend die Subsysteme 400, 450 und 1061. Das Magnetfeldsensorsubsystem 500 ist parallel mit einem induktiven Element 150, beispielsweise in Form einer Induktionsschleife oder einer Induktionsspule geschaltet.
• Das Ausgangssignal des induktiven Elements 150 kann vorzugsweise mit einem nachgeschalteten Verstärker 41 mit einem Verstärkungsfaktor Gc verstärkt werden, ehe es als gegebenenfalls verstärktes Ausgangsignal V_ind dem Tiefpassfilter 1. Ordnung 1202 als Eingangssignal V_ind zugeführt wird. Der Tiefpassfilter 1. Ordnung 1202 gibt V_{ind_F} als Ausgangssignal die tiefpassgefilterte und gegebenenfalls verstärkte Ausgangsspannung der Induktionsspule aus.
• Das Ausgangssignal V_hall des Subsystems 450, respektive des Magnetfeldsensorsubsystems 500, liegt im Parallelzweig der Schaltung als Eingangssignal des Tiefpassfilters 1. Ordnung 1201 an. Der Tiefpassfilter 1. Ordnung 1201 gibt V_{hall_F} als Ausgangssignal die tiefpassgefilterte Ausgangsspannung des Subsystems 450, respektive des Magnetfeldsensorsubsystems 500, aus.
• Die beiden Ausgangssignale V_{ind_F} und V_{hall_F} werden aufsummiert und liegen als aufsummiertes Ausgangssignal V_out des Sensorsystems letztlich zwischen den beiden nicht abgebildeten Kontaktklemmen 501 und 502 an.
• Die entlang der Signalpfade der Ausführungsform des abgebildeten Magnetfeldsensorsystems vor der Summierung angeordneten Tiefpassfilter 1. Ordnung 1201 und 1202 sind durch die jeweiligen Filtertaktsignale 1702d und 1702e steuerbar.
• Die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702d, 1702e werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 koordiniert und bereitgestellt. Die Kompensationssteuerungseinheit 1701 ist derart ausgebildet, sodass die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702d, 1702e von dem Referenztaktsignal 1700 abgeleitet werden. Das Referenztaktsignal 1700 wird durch den Oszillator 1703 als Taktgeber bereitgestellt.
• Die Taktsignale 1702a, 1702d, 1702e werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 zudem derart bereitgestellt, daß die Taktsignale proportional zu dem Referenztaktsignal 1700 sind.
• 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensorsystems mit einem Magnetfeldsensorsubsystem 500 umfassend die Subsysteme 400, 450 und 1061. Das Magnetfeldsensorsubsystem 500 ist parallel mit einem induktiven Element 150, beispielsweise in Form einer Induktionsschleife oder einer Induktionsspule geschaltet.
• Das Ausgangssignal der Induktionsspule 150 kann vorzugsweise mit einem nachgeschalteten Verstärker 41 mit einem Verstärkungsfaktor Gc verstärkt werden, ehe es als gegebenenfalls verstärktes Ausgangsignal V_ind zum Aufsummieren ausgegeben wird.
• Das Ausgangssignal V_hall des Subsystems 450, respektive des Magnetfeldsensorsubsystems 500, wird im Parallelzweig aus Ausgangsignal V_hall zum Aufsummieren ausgegeben.
• Die beiden Ausgangssignale V_ind und V_hall werden aufsummiert und liegen als aufsummiertes Signal als Eingangssignal am Tiefpassfilter 1. Ordnung 1200 an. Der Tiefpassfilter 1. Ordnung 1200 gibt V_out als Ausgangssignal das tiefpassgefilterte aufsummierten Signal aus der gegebenenfalls verstärkten Ausgangsspannung des induktiven Elements 150 und der Ausgangsspannung des Magnetfeldsensor-Subsystems 500 aus.
• Das Ausgangssignal V_out des Magnetfeldsensorsystems liegt letztlich zwischen den beiden nicht abgebildeten Kontaktklemmen 501 und 502 an.
• Der 5 ist zudem entnehmbar, daß das Subsystem 1061 und der Tiefpassfilter 1. Ordnung 1200 mit einem gemeinsamen Taktsignal als Referenztaktsignal 1700 steuerbar sind. Das heisst, daß die jeweiligen Taktsignale, namentlich das Stromquellentaktsignal 1702a und das Filtertaktsignal 1702c, mit dem gemeinsamen Taktsignal koordiniert werden.
• Die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702c werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 koordiniert und bereitgestellt. Die Kompensationssteuerungseinheit 1701 ist derart ausgebildet, sodass die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702c von dem Referenztaktsignal 1700 abgeleitet werden. Das Referenztaktsignal 1700 wird durch den Oszillator 1703 als Taktgeber bereitgestellt.
• Die Taktsignale 1702a und 1702c werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 zudem derart bereitgestellt, daß die Taktsignale proportional zu dem Referenztaktsignal 1700 sind.
• Bezugszeichenliste

1

Anschlusskontakt

2

Anschlusskontakt

3

Anschlusskontakt

4

Anschlusskontakt

40

Verstärker

41

Verstärker

61

Stromquelle

62

Switched-Capacitor-Schaltkreis

100

Magnetfeldsensor

110

schaltbare Kontakte

111

schaltbare Kontakte

112

schaltbare Kontakte

113

schaltbare Kontakte

150

induktives Element

400

Subsystem

450

Subsystem

500

Magnetfeldsensor-Subsystem

501

Kontaktklemme

502

Kontaktklemme

503

Kontaktklemme

1061

Subsystem

1200

Tiefpassfilter

1201

Tiefpassfilter

1202

Tiefpassfilter

1700

Taktsignal

1701

Kompensationssteuerungseinheit

1702a

Stromquellentaktsignal

1702b

Spinning-Current-Taktsignal

1702c

Filtertaktsignal

1702d

Filtertaktsinal

1702e

Filtertaktsignal

1703

Oszillator

1720

Summierer

Magnetfeld als Sensor-Eingangssignal

V+

Positive Versorgungspannung

V-

Negative Versorgungspannung

Vh

Magnetfeldsensorsignal

Ih

Versorgungsstrom

Gc

Verstärkungsfaktor

Gh

Verstärkungsfaktor

Vhall

ungefilterte Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors

Vhall_F

gefilterte Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors

Vind

ungefilterte Ausgangsspannung des induktiven Elements

Vind_F

gefilterte Ausgangsspannung des induktiven Elements

Vout

Ausgangsspannung des Magnetfeldsensorsystems

Kh

Proportionalitätskoeffizient

Kf

Proportionalitätskoeffizient

fcl

Frequenz des Referenztaktes

fco

Grenzfrequenz des Tiefpassfilters

Claims (12)

1. Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal (V_out) wobei das Magnetfeldsensorsystem für die Temperaturgangskompensation des Ausgangssignals (V_out) ein Magnetfeldsensor-Subsystem (500) umfassend miteinander verschaltete Subsysteme (400, 1061) umfasst, wobei - ein erstes Subsystem (400) einen oder mehrere Magnetfeldsensoren (100), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren oder anderen galvano-magnetischen Sensoren umfasst; und - ein zweites Subsystem (1061) des Magnetfeldsensor-Subsystems (500) mit einer Stromquelle (61) zur Stromversorgung von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren (100) umfasst; wobei das Magnetfeldsensorsystem zudem einen Tiefpassfilter (1200) umfasst, sowie ein oder mehrere mit diesem oder mit diesen Magnetfeldsensoren (100) des Subsystems (400) in direkter oder über einen Summierer (1720) gebildeten, elektrischen Verbindung stehenden induktiven Elements (150) umfasst, und für die Temperaturgangskompensation die Stromquelle (61) den einen oder die mehreren Magnetfeldsensoren (100) mit einem Versorgungsstrom (I_h) derart versorgt, daß der Temperaturgang des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) in Abhängigkeit eines von einem Oszillator (1703) abgeleiteten Stromquellentaktsignals (1702a) mittels des Versorgungsstrom (I_h) kompensierbar ist.
2. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1, wobei der Tiefpassfilter (1200), so ausgebildet ist, um seine Grenzfrequenz (f_co) in Abhängigkeit von einem Filtertaktsignal (1702c) derart zu ändern, sodass die Temperaturabhängigkeit mindestens eines Magnetfeldsensors (100) zusätzlich kompensierbar ist.
3. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Frequenz des Filtertaktsignals (1702c) und/oder des Stromquellentaktsignals (1702a) im Falle einer Abweichung von einer Nennfrequenz so veränderbar sind/ist, daß die magnetische Empfindlichkeit des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) und die Grenzfrequenz (f_co) des Tiefpassfilters proportional zur Frequenz eines gemeinsamen Taktsignals (1700) sind.
4. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1, wobei die Stromquelle (1061) für den Magnetfeldsensor (100) und/oder der Tiefpassfilter (1200) jeweils einen oder mehrere Switched-Capacitor-Schaltkreise umfassen.
5. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 4, bei dem die Kapazität eines oder mehrerer Kondensatoren des einen oder der mehreren Switched-Capacitor-Schaltkreise programmierbar ist.
6. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 3, wobei das gemeinsame Taktsignal (1700) durch Synchronisation des Filtertaktsignals (1702c) und des Stromquellentaktsignals (1702a) gebildet ist.
7. Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 2, 3, 5 oder 6, wobei das Magnetfeldsensorsystem ferner eine Kompensationssteuerungseinheit (1701) umfasst, die so ausgebildet ist, daß sie das Filtertaktsignal (1702c), das Stromquellentaktsignal (1702a) oder eine beliebige Kombination davon bereitstellt.
8. Magnetfeldsensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Magnetfeldsensor-Subsystem (500) ein weiteres Subsystem 450 mit einem Verstärker (40) zur Verstärkung einer von mindestens einem Magnetfeldsensor (100) als von schaltbaren Kontakten (112) moduliertes Magnetfeldsensorsignals ausgegebenen Ausgangsspannung (V_h) umfasst.
9. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 8, wobei das Magnetfeldsensorsystem und/oder das Magnetfeldsensor-Subsystem (500) für einen Spinning-Current Betrieb eines Magnetfeldsensors (100) und/oder einer Chopper-Stabilisierung des Verstärkers (40) zusätzlich zu den schaltbaren Kontakten (112) schaltbare Kontakte (110, 111) aufweist, welche sich beide auf dasselbe Taktsignal (1700) beziehen.
10. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1, wobei der Oszillator (1703) ein spannungsgesteuerter Oszillator ist.
11. Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals (V_out) eines Magnetfeldsensorsystems, welches ein Magnetfeldsensor-Subsystem (500) umfassend miteinander verschaltete Subsysteme (400, 1061) umfasst, wobei - ein erstes Subsystem (400) einen oder mehrere Magnetfeldsensoren (100), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren oder anderen galvano-magnetischen Sensoren umfasst; und - ein zweites Subsystem (1061) des Magnetfeldsensor-Subsystems (500) mit einer Stromquelle (61) zur Stromversorgung von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren (100) umfasst; wobei das Magnetfeldsensorsystem zudem einen Tiefpassfilter (1200) umfasst, sowie ein oder mehrere mit diesem oder mit diesen Magnetfeldsensoren (100) des Subsystems (400) in direkter oder über einen Summierer (1720) gebildeten, elektrischen Verbindung stehenden induktiven Elements (150) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Bestimmen eines Versorgungsstroms (I_h) als Funktion eines von einem Oszillator (1703) abgeleiteten Stromquellentaktsignals (1702a), wodurch das Temperaturverhalten des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) kompensiert wird; und - Versorgen des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) mit dem bestimmten Versorgungsstrom (I_h) unter Verwendung der Stromquelle (61).
12. Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals (V_out) eines Magnetfeldsensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Bestimmen eines Versorgungsstroms (I_h) als Funktion eines von einem Oszillator (1703) abgeleiteten Stromquellentaktsignals (1702a), wodurch das Temperaturverhalten des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) kompensiert wird; und - Versorgen des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) mit dem bestimmten Versorgungsstrom (I_h) unter Verwendung der Stromquelle (61).

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