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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensor-Vorrichtung
zum Messen magnetischer Feldstärken.
Die vorliegende Erfindung ist betrifft insbesondere eine Magnetfeldsensor-Vorrichtung
zur direkten Erzeugung digitaler Sensordaten von einem Magnetfeldsensor-Element,
ohne einen A/D-Wandler zu verwenden.
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Als
Magnetfeldsensor-Elemente zur Messung magnetischer Feldstärken werden üblicherweise
Hall-Elemente verwendet. Wenn ein Magnetfeld auf ein Hall-Element
wirkt, gibt dieses Element in Abhängigkeit von der Stärke des
Magnetfeldes einen analogen Spannungswert aus. Da sich die Betriebseigenschaften
des Hall-Elements verändern,
ist es erforderlich, die Empfindlichkeiten, den Offset und die Temperatureigenschaften
des Hall-Elements mit Hilfe einer Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung
zu korrigieren. Mit anderen Worten, mit der Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung
wird eine von dem Hall-Element ausgegebene analoge Spannung entweder
durch eine analoge oder eine digitale Schaltung korrigiert, so dass
ein um den Offset und die Temperatureigenschaften des Hall-Elements
korrigiertes Sensorausgangssignal erzeugt wird.
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Damit
in diesem Fall die von dem Hall-Element ausgegebene analoge Spannung
durch die digitale Schaltung korrigiert werden kann, muss die analoge
Ausgangsspannung durch einen A/D-Wandler in ein digitales Spannungssignal
umgewandelt werden. Darüber
hinaus arbeitet eine elektronische Steuervorrichtung im Wesentlichen
digital, unabhängig
davon, ob die Korrektur der analogen Ausgangsspannung von dem Hall-Element unter Verwendung von
analogen oder einer digitalen Schaltungen ausgeführt wird, so dass das Sensorsignal
des Hall-Elements letztlich digital sein muss,. um anschließend durch
eine vorbestimmte Verarbeitungsoperation verarbeitet zu werden.
Daraus folgt, dass das Sensorsignal letztlich durch den A/D-Wandler
in ein digitales Signal umgewandelt werden muss. Da der A/D-Wandler
in der Sensorsignal-Verarbeitungsschaltung
intergriert werden muss, steigen deren Herstellungskosten.
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Die
DE 44 31 299 A1 offenbart
integrierte, digitale Magnetfeld-Detektoren, bei denen mit Magnetfeld-Doppeldrain-Feldeffekttransistoren
(MAGFETs) Magnetfelder detektiert und mit Hilfe von Doppel-Ring-Oszillatoren
bzw. Ringschaltungen ausgewertet werden.
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Aus
der
US 5 619 134 A ist
ein Ring-Oszillator zum Umwandeln einer zu messenden analogen, physikalischen
Größe eines
magnetoresistiven Elements in eine digitale Größe bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Nachteile
zu beseitigen, und hat zum Ziel, eine Magnetfeldsensor-Vorrichtung
bereitzustellen, die einen digitalen Sensorwert direkt von einem
Magnetfeldsensor-Element erzeugen kann, ohne dabei von einem A/D-Wandler
Gebrauch zu machen. Diese Problemstellung wird mit der Magnetfeldsensor-Vorrichtung
gemäß Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafter
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Mehrzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren ringförmig miteinander
verbunden, um eine Ringschaltung in einer Magnetfeldsensor-Vorrichtung
bereitzustellen. Jeder der Halbleiter-Magnetfeldsensoren lenkt aufgrund
des Hall-Effekts Ladungsträger
ab, die durch den Kanalbereich fließen, wobei sich die Anzahl
der Ladungsträger,
die pro Zeiteinheit durch den geteilten Drain-Bereich fließen, d. h. die Stromstärke, in
Abhängigkeit
von der Stärke
des zu erfassenden Magnetfeldes ändert.
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Bei
der Ringschaltung ist einer der geteilten Drain-Bereiche eines vorangehenden,
mit einer Stromversorgung verbundundenen Halbleiter-Magnetfeldsensors
mit der Gate-Elektrode
eines nachfolgenden Halbleiter-Magnetfeldsensors verbunden. Dies
hat zur Folge, dass, wenn der vorangehende Halbleiter-Magnetfeldsensor
durchgeschaltet wird, indem an seine Gate-Elektrode eine Spannung
angelegt wird, zwischen dem Drain-Bereich und dem Source-Bereich
ein Strom zu fließen
beginnt. Dies hat zur Folge, dass keine Steuerspannung an die Gate-Elektrode
des nachfolgenden Halbleiter-Magnetfeldsensors
angelegt wird, da die Potentiale der geteilten Drain-Bereiche vom
Stromversorungspotential zum Erde-Potential angenähert werden,
so dass der nachfolgende Halbleiter-Magnetfeldsensor gesperrt wird.
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Jeder
der Halbleiter-Magnetfeldsensoren, die die Ringschaltung bilden,
kann als Inverterschaltung arbeiten. Wenn zum Beispiel ein Pegel
einer zugeführten
Spannung hoch ist (Hochpegel), so wird eine Spannung mit einem tiefen
Pegel (Tiefpegel) ausgegeben. Wird hingegen eine Spannung mit einem
Tiefpegel zugeführt,
so wird eine Spannung mit einem Hochpegel ausgegeben.
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Wenn
in diesem Fall eine Steuerspannung an die Gate-Elektrode eines bestimmten
Halbleiter-Magnetfeldsensors angelegt wird, kann zwischen der Source
und dem Drain dieses Halbleiter-Magnetfeldsensors ein Strom fließen, da
Ladungsträger durch
den Kanalbereich dieses Halbleiter-Magnetfeldsensors fließen können. Zu
diesem Zeitpunkt ändert
sich die Stromstärke
der geteilten Drain-Bereiche in Abhängigkeit von der Stärke des
zu messenden Magnetfeldes. Andererseits wird bei dem nachfolgenden
Halbleiter-Magnetfeldsensor die Versorgungsspannung an dessen Gate-Elektrode
angelegt, unmittelbar bevor die Steuerspannung an die Gate-Elektrode
des vorangehenden Halbleiter-Magnetfeldsensors angelegt wird.
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Wenn
in diesem Fall der Strom durch den vorangehenden Halbleiter-Magnetfeldsensor
zu fließen beginnt,
tritt aufgrund einer Streukapazität der Gate-Elektrode und der
Verdrahungsleitung, die die geteilten Drain-Elektroden mit der Gate-Elektrode verbindet,
eine Verringerung des Potentials dieser Gate-Elektrode verzögert ein.
Die Dauer dieser Verzögerung ändert sich
in Abhängigkeit
von der Höhe eines
Stromes, der durch den Drain-Bereich fließt, welcher mit Erde verbunden
ist, da der vorangehende Halbleiter-Magnetfeldsensor durchgeschaltet
ist. Dies bedeutet, dass, wenn die Höhe des Stromes, der durch einen
der geteilten Drain-Bereiche in dem vorangehenden Halbleitersensor
fließt,
höher als
die Höhe
des Stromes ist, der durch den anderen Drain-Bereich fließt, können sich
die Elektronenladungen, die in der Streukapazität gespeichert sind, schnell
entladen, so dass die Verzögerungszeit
bis der nachfolgende Halbleiter-Magnetfeldsensor gesperrt ist, verkürzt werden
kann. Andererseits kann die Verzögerungszeit
verlängert
werden, wenn die Höhe
des Stromes, der durch einen der geteilten Drain-Bereiche in dem
vorangehenden Halbleitersensor fließt, niedriger als die Höhe des Stromes
ist, der durch den anderen Drain-Bereich fließt.
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Folglich ändern sich
die Stromstärken
der Ströme,
die durch die geteilten Drain-Bereiche
fließen,
in Abhängigkeit
von der Stärke
des zu messenden Magnetfeldes. Außerdem ändert sich die Verzögerungszeit
in Abhängigkeit
von dieser Stromstärke. Diese
Verzögerungszeit
ist definiert als die Zeitspanne zwischen dem Durchschalten des
vorangehenden Halbleiter-Magnetfeldsensors und dem Sperren des nachfolgenden
Halbleiter-Magnetfeldsensors. Daraus folgt, dass die Stärke des
zu messenden Magnetfeldes auf der Basis dieser Verzögerungszeit
ermittelt werden kann.
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Da
eine Mehrzahl von Halbleitersensoren die Ringschaltung bildet, kann
die Verzögerungszeit
aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit eines solchen Impulssignals
während
einer vorbestimmten Zeitspanne gewonnen werden, das durch jeden
der in der Ringschaltung verwendeten Halbleiter-Magnetfeldsensor
von einem Hochpegel zu einem Tiefpegel oder von einem Tiefpegel
zu einem Hochpegel invertiert wird.
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Dies
hat zur Folge, dass während
einer vorbestimmten Zeitspanne die Ausbreitungsgeschwindigkeit des
Impulssignals in der Ringschaltung erfasst wird. Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit
kann in Form von digitalen Daten aus einer Gesamtumlaufzeit des
Pulssignals in der Ringschaltung und einer Gesamtzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren
ausgedrückt
werden, die während
der vorbestimmten Zeitspanne die Invertierungsoperationen ausgeführt haben.
Dies hat zur Folge, dass die digitalen Daten, die als Antwort auf
die Stärke
des zu ermittelnden Magnetfeldes erzeugt werden, gewonnen werden können, ohne
einen A/D-Wandler zu verwenden, da eine Mehrzahl von Halbleiter-Magneffeldsensoren ringförmig miteinander
verbunden sind.
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Die
genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden verständlicher
aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
In den Zeichnungen ist:
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1A eine
perspektivische Ansicht, die eine Struktur eines Halbleiter-Magnetfeldsensors (MAGFET)
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, und 1B ist
eine schematische Ansicht, die Richtungen von Ladungsträgern zeigt,
die durch einen Kanalbereich eines in 1A gezeigten
MAGFET fließen.
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2 ein
Schaltungsdiagramm, das eine Anordnung einer Ringschaltung gemäß der ersten Ausführungsform
zeigt;
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3 eine
Kennlinie, die eine Beziehung zwischen einer Stromstärke des
MAGFET und einer Verzögerungszeit
zeigt, wobei die Verzögerungszeit als
die Zeitspanne definiert ist, bis zu der von dem MAGFET ein Ausgangssignal
erzeugt wird, das bezüglich
seines Eingangssignals invertiert ist;
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4 ein
Schaltungsdiagramm, das eine zu der Ringschaltung der ersten Ausführungsform äquivalente
Schaltung zeigt;
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5 ein
schematisches Blockdiagramm, das eine Ausgangskreis zeigt, die digitale
Daten "DO1" als Antwort auf
eine Magnetfeldstärke
von dem Ausgang der Ringschaltung erzeugt;
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6 ein
schematisches Blockdiagramm, das eine Korrekturschaltung zeigt,
um digitale Daten "DOR" von den digitalen
Daten "DO1" abzuziehen, die
von der Ausgangskreis ausgegeben werden, wenn das Magnetfeld Null
ist; und
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7 ein
Schaltungsdiagramm, das eine zu einer Ringschaltung äquivalente
Schaltung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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(Erste Ausführungsform)
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1A zeigt
einen Halbleiter-Magnetfeldsensor mit einem Feldeffekttranssistor
(MAGFET) 6, der n+-Source-Bereiche 1a, 1b sowie n+-Drain-Bereiche 2a, 2b aufweist,
die auf einer Hauptfläche
eines p-leitenden Halbleitersubstrats 5 ausgebildet sind.
Ferner ist zwischen den n+-Source-Bereichen 1a, 1b und
den n+-Drain-Bereichen 2a, 2b eine
Gate-Elektrode 3 ausgebildet, so dass über einen Isolierfilm 4,
z. B. einen Siliziumoxidfilm, ein Kanalbereich 9 induziert
wird. Somit umfasst der MAGFET 6 einen n-Typ MOSFET auf.
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Die
n+-Source-Bereiche 1a, 1b und
die n+-Drain-Bereiche 2a, 2b sind
jeweils in zwei Bereiche geteilt. Die zwei ge teilten n+-Source-Bereiche 1a, 1b weisen
die gleiche Form auf und sind nebeneinander liegend angeordnet.
Ebenso sind die n+-Drain-Bereiche 2a, 2b nebeneinander
angeordnet und weisen die gleiche Form auf, welche zudem ähnlich ist
wie jene der n+-Source-Bereiche 1a, 1b.
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Eine
Konstantstromschaltung ist über
zwei (nicht gezeigte) Source-Kontakte mit den in zwei Bereiche geteilten
n+-Source-Bereichen 1a, 1b verbunden,
so dass der Gesamtstrom, der durch die jeweiligen n+-Source-Bereiche 1a, 1b fließt, konstant
ist. Die zwei n+-Drain-Bereiche 2a und 2b sind über zwei (nicht
gezeigte) Drain-Kontakte mit einer gemeinsamen Stromversorgung verbunden,
so dass die gleiche Spannung an den n+-Drain-Bereichen 2a und 2b anliegt.
Die beiden Source-Kontakte sind in Kontakt mit den zwei n+-Source-Bereichen 1a bzw. 1b,
während
die beiden Drain-Kontakte in Kontakt mit den zwei n+-Drain-Bereichen 2a bzw. 2b sind.
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Wenn
auf den MAGFET 6, der die oben beschriebene Struktur aufweist,
kein Magnetfeld wirkt, können
Ladungsträger
von den n+-Source-Bereichen 1a und 1b nur
zu den n+-Drain-Bereichen 2a und 2b fließen, die
bezüglich
der n+-Source-Bereiche 1a und 1b eine
Paarstruktur bilden. Da in diesem Fall die zwei n+-Source-Bereiche 1a und 1b und
die zwei n+-Drain-Bereichen 2a und 2b exakt
die gleiche Form aufweisen und die Breiten der jeweiligen Source/Drain-Bereiche 1a, 1b, 2a, 2b,
die dem Kanalbereich gegenüberliegen,
zudem gleich groß sind,
sind die Strombelastbarkeiten der jeweiligen Bereiche 1a, 1b, 2a, 2b jeweils
identisch. Dies hat zur Folge, dass die Anzahl von Ladungsträgern, die
von dem n+-Source-Bereich 1a zu
dem n+-Drain-Bereich 2a fließen, im
Wesentlichen gleich der Anzahl von Ladungsträgern ist, die von dem n+-Source-Bereich 1b zu dem n+-Drain-Bereich 2b fließen.
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Wenn
jedoch auf die Hauptfläche
des p-leitenden Halbleitersubstrats 5 in vertikaler Richtung
in 1A ein Magnetfeld wirkt, wirkt auf die Ladungsträger, die
durch den Kanalbereich 9 fließen, der durch die Gate-Elektrode 3 induziert
wird, die Lorentz-Kraft, so dass sie abgelenkt werden. Ein Teil
der abgelenkten Ladungsträger
wird von dem n+-Source-Bereich 1b zu
dem n+-Drain-Bereich 2a oder von dem
n+-Source-Bereich 1a zu dem n+-Drain-Bereich 2b fließen, je
nach Richtung des Magnetfeldes. Es sollte erwähnt sein, dass 1B ein
Beispiel zeigt, bei dem die Ladungsträger von dem n+-Source-Bereich 1b zu
dem n+-Drain-Bereich 2a fließen. Mit
anderen Worten, bei dem MAGFET 6 wird aufgrund des Hall-Effekts
eine dem zu messenden Magnetfeld entsprechende Differenz zwischen
dem Strom von dem n+-Source-Bereich 1a zu
dem n+-Drain-Bereich 2a und dem
Strom von dem n+-Source-Bereich 1b zu dem
n+-Drain-Bereich 2a erzeugt, die
jeweils Paarstrukturen bilden.
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Was
den n+-Source-Bereich 1a und den n+-Drain-Bereich 2a anbelangt, so
ist bei dem in 1B gezeigten Fall zu diesem
Zeitpunkt die Anzahl der Ladungsträger, die durch den Drain-Bereich 2a fließen, erhöht, da das
Magnetfeld wirkt. Daraus folgt, dass die Höhe des Stromes, der von dem n+-Drain-Bereich 2a zu dem n+-Source-Bereich 1a fließt, im Vergleich
zu der Stromstärke,
wenn kein Magnetfeld auf den MGAFET 6 wirkt, erhöht ist.
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Bei
der Magnetfeldsensor-Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
sind eine ungerade Anzahl von MAGFETs 6 miteinander verbunden,
so dass eine Ringschaltung 10 gebildet ist, wie es in 2 gezeigt
ist. Bei jedem der MAGFETs 6 sind die Drain-Bereiche 2a und 2b jeweils über Ladewiderstände 11 mit
einer gemeinsamen Stromversorgung VDD verbunden, und die Source-Bereiche 1a und 1b sind über eine
Konstantstromschaltung 12 mit der Erde GND (ground) verbunden.
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Die
MAGFETs 6 sind auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat
ausgebildet. Daraus folgt, dass, wenn ein Magnetfeld entlang der
vertikalen Richtung auf eine Oberfläche des Halbleitersubstrats,
auf der die MAGFETs 6 ausgebildet sind, wirkt, werden Ladungsträger, die
durch die Kanalbereiche der jeweiligen MAGFETs 6 fließen, in
der gleichen Richtung abgelenkt.
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Was
die gegenseitige Verbindung zwischen den einzelnen MAGFETs 6 anbelangt,
so ist ein Drain-Bereich 2a eines vorangehenden MAGFET 6 über eine
Leitung 15 mit einer Gate-Elektrode 3 eines nachfolgenden
MAGFETs 6 verbunden. Es sollte erwähnt werden, dass bei allen
MAGFETs 6 der Drain-Bereich 2a von
den geteilten Drain-Bereichen 2a und 2b, der näher an dem
nachfolgenden MAGFET 6 angeordnet ist, mit der Gate-Elektrode 3 des nachfolgenden
MAGFET 6 verbunden ist. Darüber hinaus weisen die Source-Bereiche 1a und 1b,
die Drain-Bereiche 2a und 2b und die Gate-Elektrode 3a jedes
der die Ringschaltung 10 bildenden MAGFETs 6 im
Wesentlichen die gleiche Form auf. Dies hat zur Folge, dass, wenn
auf die jeweiligen MAGFETs 6 ein Magnetfeld wirkt, der
Strom in den Drain-Bereichen 2a der MAGFETs 6,
die jeweils mit den Gate-Elektroden 3 der nachfolgenden
MAGFETs 6 verbunden sind, um den gleichen Betrag erhöht bzw.
verringert ist.
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Wenn
einer der die Ringschaltung 10 bildenden, ungeradzahligen
MAGFETs 6 durchgeschaltet wird, wird eine Steuerspannung
an die Gate-Elektrode 3 dieses einen MAGFETs 6 angelegt.
Da in diesem Fall der Kanalbereich durch Anlegen einer Steuerspannung
an diesen MAGFET 6 induziert wird, kann ein Strom zwischen
den Drain-Bereichen 2a, 2b und den Source-Bereichen 1a, 1b fließen. Da
Potentiale der Drain-Bereiche 2a und 2b im Wesentlichen auf
Erde liegen, liegt die Steuerspannung folglich nicht an der Gate-Elektrode 3 eines
der nachfolgenden MAGFETs 6 an. Daraus folgt, dass der
nachfolgende MAGFET 6 bezüglich eines MAGFETs 6,
der durchgeschaltet wird, gesperrt wird.
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Wenn
andererseits der vorangehende MAGFET 6 gesperrt wird, wird
zwischen der Source und dem Drain dieses MAGFETs 6 der
Kanalbereich nicht induziert, so dass in diesem Source-Drain-Pfad
keine Ladungsträger
fließen.
Daraus folgt, dass das Potential, das an dem geteilten Drain-Bereich 2a anliegt,
im Wesentlichen gleich Potential VDD der Stromversorgung ist. Demzufolge
wird dieser nachfolgende MAGFET 6 durchgeschaltet, da dieses
Stromversorgungspotential an der Gate-Elektrode 3 des nachfolgenden
MAGFET 6 anliegt.
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Wenn
ein Pegel der Spannung, die an die Gate-Elektrode jedes die Ringschaltung 10 bildenden
MAGFATs 6 angelegt wird, hoch ist (Hochpegel: Potential
der Stromversorgung), dann gibt dieser MAGFET 6 über die
Leitung 15 eine Tiefpegel-Spannung (Erde-Potential) an
einen nachfolgenden MAGFET 6 ab. Wenn hingegen an die Gate-Elektrode 3 jedes
dieser MAGFETs 6 eine Tiefpegel-Spannung angelegt wird,
dann gibt dieser MAGFET 6 eine Hochpegel-Spannung an den
nachfolgenden MAGFET 6 ab. Mit anderen Worten, jeder dieser
MAGFETs 6, die in der genannten Weise miteinander verbunden
sind, um so die Ringschaltung 10 zu bilden, kann als eine
Inverterschaltung (Inverter) arbeiten.
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Bei
der Ringschaltung 10 ist die Leitung 15, die mit
den Drain-Bereichen 2a der jeweiligen MAGFETs 6 verbunden
ist, nicht nur mit den Gate-Elektroden 3 der nachfolgenden
MAGFETs 6, sondern zudem über Ausgänge "D1" bis "Dn" der Ringschaltung 10 mit
einem Impulsselektor 21 sowie mit einem Zähler 23 (5)
verbunden.
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Es
sei auch erwähnt,
dass nach Anlegen einer Hochpegel-Spannung bzw. einer Tiefpegel-Spannung
an die Gate-Elektrode 3 eines MAGFETs 6 eine zeitliche
Verzögerung
ein tritt, bis über
die Leitung 15, welche mit einem Drain-Bereich 2a dieses
MAGFETs 6 verbunden ist, eine Spannung ausgegeben wird, die
einen zu dem Pegel der eingegebenen Spannung entgegengesetzten Pegel
aufweist. Dies hat zur Folge, dass ein von einem MAGFET 6 invertiertes
Signal (Impulssignal) zeitlich verzögert auf die jeweiligen die Ringschaltung 10 bildenden
MAGFETs 6 übertragen wird.
Da die Ringschaltung 10 aus einer ungeraden Anzahl von
MAGFETs 6 aufgebaut ist, wird der Gate-Elektrode jedes
der MAGFETs 6 eine Spannung zugeführt, deren Pegel sich von dem
des anfangs zugeführten
Impulssignals unterscheidet, nachdem das Impulssignal die Ringschaltung 10 einmal
umlaufen hat. Dies hat zur Folge, dass jeder Betriebszustand der
MAGFETs 6 jedesmal, wenn das Impulssignal zugeführt wird,
entweder vom durchgeschalteten in den gesperrten Zustand oder vom
gesperrten in den durchgeschalteten Zustand umgeschaltet wird. Die
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Impulssignale wird durch die Ringschaltung 10 nicht verändert.
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Bei
der ersten Ausführungsform
sind ein Transistor 13 und ein Transistor 14 zwischen
Erde GND und einem MAGFET (Initialisierungs-MAGFET) 6A der
ungeraden Anzahl von den die Ringschaltung 10 bildenden
MAGFETs 6 geschaltet. Mit anderen Worten, die Transistoren 13 und 14 sind
mit den geteilten Source-Bereichen 1a bzw. 1b des
Initialisierungs-MAGFETs 6.
verbunden. Die Transistoren 13 und 14 sind als
Mehrzweck-MOSFETs ausgeführt und
weisen eine Strombelastbarkeit auf, die über oder wenigstens gleich
der der Source-Bereiche 1a und 1b des Initialisierungs-MAGFETs 6A liegt.
Den MOSFETs 13 und 14 wird über eine Steuerschaltung 20 (5)
ein Startsignal "START" zugeführt.
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Da
die MOSFETs 13 und 14 mit den Source-Bereichen 1a und 1b des
Initialisierungs-MAGFETs 6A verbunden sind, gibt der MAGFET 6A,
ungeachtet seines Durchschalte- bzw. Sperrzustandes, kontinuierlich
eine Hochpegel-Spannung an die Gate-Elektrode 3 des nachfolgenden
MAGFETs 6 aus, solange die MOSFETs 13 und 14 nicht
durchgeschaltet sind. Das heißt,
wenn Hochpegel-Spannungssignale an die jeweiligen Gates der MOSFETs 13 und 14 des
nachfolgenden MAGFETs 6 gegeben werden, geben die MOSFETs 13 und 14 Tiefpegel-Spannungssignale
an den nachfolgenden MAGFET 6 aus und arbeiten somit als
NAND-Gatter-Elemente. Daraus folgt, dass die Betriebszustände der jeweiligen
MAGFETs 6 nicht verändert
werden, solange das Startsignal auf einem Tiefpegel liegt. Andererseits
breitet sich das Impulssignal in der Ringschaltung 10 auch
nicht aus.
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Da
das Hochpegel-Startsignal beim Betrieb der Ringschaltung 10 von
der Steuerschaltung 20 an die Gate-Anschlüsse der
MOSFETs 13 und 14 gegeben wird, wird das Tiefpegel-Spannungssignal
von dem Initialisierungs-MAGFET 6A an die nachfolgenden
MAGFET 6 gegeben, so dass die Ausbreitung des Impulssignals
eingeleitet wird.
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In
diesem Fall werden die jeweiligen MAGFETs 6 und der Initialisierungs-MAGFET 6A,
die zusammen die Ringschaltung 10 bilden, durchgeschaltet,
wenn das Hochpegel-Spannungssignal der Gate-Elektrode 3 zugeführt wird.
Folglich können
Ladungsträger
in den Kanalbereich dieses MAGFETs 6 oder in den Kanalbereich
des Initialisierungs-MAGFETs 6A fließen. Daraus folgt, dass ein
Strom zwischen der Source und dem Drain entweder des MAGFETs 6 oder
des Initialisierungs-MAG-FETs 6A fließen kann.
Zu diesem Zeitpunkt wird, wie zuvor erläutert, die Höhe des Stromes,
der durch den geteilten Drain-Bereich 2a fließt, in Abhängigkeit
von der Stärke
des an ihn angelegten Magnetfeldes verändert.
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Andererseits
wird, unmittelbar bevor der vorangehende MAGFET 6 durchgeschaltet
wird, die Versorgungsspannung an die Gate-Elektrode 3 des MAGFETs 6 angelegt,
der auf den MAGFET 6 folgt, der durchgeschaltet wird. Wenn
in diesem Zustand ein Strom durch den Source-Drain-Pfad des vorangehenden
MAGFETs 6 zu fließen
beginnt, wird das Potential an der Gate-Elektrode 3 des
nachfolgenden MAGFETs 6 abgesenkt. Aufgrund einer Streukapazität der Leitung 15,
die den geteilten Drain-Elektrode 2a mit der Gate-Elektrode 3 verbindet,
sowie der Streukapazität
der Gate-Elektrode 3, wird in diesem Fall das Gate-Potential
mit einer vorbestimmten Änderungsrate
(Gradient) abgesenkt. Daraus folgt, dass ab dem Zeitpunkt, an dem
das Tiefpegel-Spannungssignal von dem vorangehenden MAGFET 6 eingegeben
wurde, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der nachfolgende MAGFET 6 einen
solchen Pegel erreicht hat, dass er sperrt, eine zeitliche Verzögerung eintritt,
die dadurch verursacht wird, dass bis zum Absinken des Potentials
der Gate-Elektrode 3 eine gewisse Zeit verstreicht.
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Diese
zeitliche Verzögerung ändert sich
in Abhängigkeit
von der Höhe
eines Stromes, der durch den geteilten Drain-Bereich 2a des vorangehenden MAGFETs 6 fließt. Wenn
die Stromstärke
eines Stromes, der durch den geteilten Drain-Bereich 2a des vorangehenden
MAGFET 6 fließt,
welcher mit der Gate-Elektrode 3 des nachfolgenden MAGFET 6 verbunden
ist, hoch ist, dann können
sich Elektronenladungen, die in der Streukapazität gespeichert sind, schnell
entladen. Daraus folgt, dass die Verzögerungszeit, die als die Zeitspanne
definiert ist, bis der nachfolgende MAGFET 6 sperrt, verkürzt werden kann.
Wenn andererseits die Stromstärke
eines Stromes, der durch diesen getrennten Drain-Bereich 2a fließt, niedrig
ist, wird die Verzögerungszeit
verlängert.
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3 ist
eine Kennlinie zur grafischen Darstellung einer Beziehung zwischen
der Stromstärke eines
Stromes, der zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich des
MAG-FETs 6 fließt, und der
Verzögerungszeit,
die als die Zeit definiert ist, bis der MAGFET 6, der als
Inverter wirkt, ein Signal ausgibt, dessen Pegel bezüglich des
Pegels eines Eingangssignals invertiert ist. Wenn, wie oben beschrieben,
die Stromstärke
niedrig ist, ist die Verzögerungszeit
lang, wohingegen die Verzögerungszeit
umso kürzer
wird, je stärker
die Stromstärke
erhöht
wird. Es sei erwähnt,
dass, während
die Höhe
eines Basisstromes durch eine Konstantstromschaltung 12 (5)
eingestellt wird, dessen Höhe
in Abhängigkeit
von der Höhe
eines Magnetfeldes verändert
wird. Darüber
hinaus kann die Höhe
des Stromes durch die Konstantstromschaltung 12 beliebig
eingestellt werden.
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Wie
oben beschrieben ist, wird die Verzögerungszeit des MAGFET 6,
der als Inverter arbeitet, aufgrund der Höhe des Stromes, der durch den Drain-Bereich 2a fließt, verändert, und
darüber
hinaus wird die Höhe
des Stromes, der durch diesen Drain-Bereich 2a fließt, in Abhängigkeit
von der Stärke
des Magnetfeldes verändert.
Die hat zur Folge, dass die Stärke
der Magnetfelder, die auf die jeweiligen MAGFETs 6 wirkt,
basierend auf dieser Verzögerungszeit
ermittelt werden kann.
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Im
folgenden wird ein Ausgangskreis beschrieben, der aus der Verzögerungszeit
des MAGFETs 6 die Stärke
eines Magnetfeldes in Form digitaler Daten ausgibt.
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Da
die MAGFETs 6 ringförmig
miteinander verbunden sind und auf diese Weise die Ringschaltung 10 bilden,
kann eine Verzögerungszeit
von jedem der MAGFETs 6 aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit
von Impulssignalen in der Ringschaltung 10 während einer
vorbestimmten Zeitspanne gewonnen werden. 4 zeigt
eine zu der Ringschaltung 10 äquivalente Schaltung. Wie in 4 gezeigt
ist, wird die Ringschaltung 10 dadurch gebildet, dass ein NAND-Gatter "NAND" mit einer geraden
Anzahl von Invertern "INV" zu einer Ringstruktur
verbunden sind.
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5 zeigt
ein Schaltungsdiagramm des Ausgangskreises, der Ausbreitungsgeschwindigkeiten
von Impulssignalen innerhalb einer vorgewählten Zeitspanne in Form digitaler
Daten ausgibt. Wie in 5 gezeigt ist, umfasst der Ausgangskreis
eine Steuerschaltung 20 und eine Schaltung 30 zur
Erzeugung digitaler Daten. Die Steuerschaltung 20 erzeugt sowohl
das Startsignal "START" als auch das Impulssignal "PB". Das Impulssignal
PB wird nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne seit dem
Startsignal START ausgegeben. Die Schaltung 30 zur Erzeugung
digitaler Daten erzeugt digitale Daten, die die Ausbreitungsgeschwindigkeiten
des Impulssignals aus Ausgangssignalen D1 bis Dn der Ringschaltung 10 anzeigt.
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Die
Schaltung 30 zur Erzeugung digitaler Daten weist einen
Zähler 33 und
eine Signalspeicherschaltung 34 auf. Der Zähler 33 zählt die
Gesamtanzahl von Pegelinvertierungen des Ausgangssignals Dn des
Inverters INVn, der an einer vorangehenden Stufe des in der Ringschaltung 10 verwendeten NAND-Gatters
angeordnet ist, und bestimmt daraus die Ringumlaufzeit des Pulssignals
innerhalb der Ringschaltung 10. Der Zähler 33 erzeugt daraufhin binäre digitale
Daten. Die Signalspeicherschaltung 34 speichert die von
dem Zähler 33 ausgegebenen digitalen
Daten. Darüber
hinaus ist die Schaltung 30 zur Erzeugung digitaler Daten
mit einem Impulsselektor 31 und einem Encoder 32 ausgestattet.
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Der
Impulsselektor 31 entnimmt die Ausgangssignale "D1" bis "Dn – 1" den jeweiligen die Ringschaltung
bildenden Inverterschaltungen (NAND-Gatter und Inverter INV) und
gewinnt aus Ausgangspegeln dieser entnommenen Ausgangssignale D1
bis Dn – 1
ein Impulssignal, das die Ringschaltung 10 durchläuft. Anschließend erzeugt
der Impulsselektor 31 ein Signal, das eine Position dieses
Impulssignals anzeigt. Der Encoder 32 erzeugt digitale
Daten, die dem Ausgangssignal des Impulsselektors 31 entsprechen.
Es sollte erwähnt
sein, dass Umlaufpositionen des Impulssignals innerhalb der Ringschaltung 10 von
einem solchen Ausgangssignal erfasst werden können, das kontinuierlich Spannungen
ausgibt, die unter den Ausgangssignalen D1 bis Dn – 1 den
gleichen Pegel aufweisen.
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Darüber hinaus
weist die Schaltung 30 zur Erzeugung digitaler Daten eine
Signalverarbeitungsschaltung 35. Diese Signalverarbeitungsschaltung 35 gibt
darin sowohl die digitalen Daten von der Signalspeicherschaltung 34 als
höherwertige
Bits, als auch digitale Daten von dem Encoder 32 als weniger wertige
Bits ein. Anschließend
addiert die Signalverarbeitungsschaltung 35 die Daten der
weniger wertige Bits zu den Daten der höher wertigen Bits, so dass binäre digitale
Daten "DO1" erzeugt werden.
Diese binären
Daten DO1 bezeichnen Umlaufpositionen des Impulssignals innerhalb
der Ringschaltung 10 innerhalb einer Zeitspanne vom Startsignal
START bis zum Impulssignal PB.
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Selbstverständlich werden
sowohl die Signalspeicherschaltung
34 als auch der Impulsselektor
31 gesteuert,
indem die von der Steuerschaltung
20 ausgegebenen Impulssignale
PB empfangen werden. Da der in dieser Weise gebildete Ausgangskreis im
Wesentlichen gleich ist wie die Impulsphasendifferenz-Kodierschaltung,
die in der A/D-Konverterschaltung verwendet wird, die in der
US 5396247A vorgeschlagen
wird, werden deren Operationen im folgenden kurz erläutert.
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Wenn
das von der Steuerschaltung 20 ausgegebene Startsignal
START einen Hochpegelzustand annimmt, leitet die Ringschaltung 10 die
Umlaufaktion des Impulssignals ein und lässt das Impulssignal während einer
Zeitspanne umlaufen, während
der das Startsignal START auf einem Hochpegelzustand liegt. Diese
Umlaufzeit wird von dem Zähler 33 registriert,
und das Zählergebnis
wird in der Signalspeicherschaltung 34 zu einem Zeitpunkt
gespeichert, zu dem das von der Steuerschaltung 23 ausgegebene
Impulssignal einen Hochpegelzustand annimmt.
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Wenn
das von der Steuerschaltung 4 ausgegebene Impulssignal
PB einen Hochpegelzustand annimmt, erfasst der Impulsselektor 31 eine
Umlaufposition des Impulssignals innerhalb der Ringschaltung 10.
Darüber
hinaus erzeugt der Encoder 32 digitale Daten, die dieser
erfassten Umlaufposition entsprechen. Dies hat zur Folge, dass die
Signalverarbeitungsschaltung 35 auf der Grundlage der von
dem Encoder 32 abgeleiteten Daten 32 und der von
der Signalspeicherschaltung 34 abgeleiteten Daten binäre digitale
Daten "DO1" erzeugt, die der
Umlaufposition des Impulssignals innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne
entsprechen, welche als die Zeitspanne zwischen der Anstiegsflanke
des Startsignals START und der Anstiegsflanke des Impulssignals
PB definiert ist.
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Die
hat zur Folge, dass gemäß dem Ausgangskreis
der ersten Ausführungsform
die digitalen Daten DO1 erzeugt werden können, die die Umlaufposition
der Impulssignale der Ringschaltung 10 innerhalb einer
vorbestimmten Zeitspanne anzeigen, welche durch das Startsignal
START und das Impulssignal PB definiert ist. Mit anderen Worten,
da bei der ersten Ausführungsform
die durch ringförmige
Kopplung einer ungeraden Anzahl von MAGFETs 6 erzeugte
Struktur ohne einen A/D-Wandler in der Ringschaltung 10 verwendet
wird, können
die digitalen Daten in Abhängigkeit
von der Stärke
des Magnetfeldes gewonnen werden, das auf die jeweiligen MAGFETs 6 wirkt.
Alternativ dazu kann, mit Ausnahme der Tatsache, dass die vorbestimmte
Zeitspanne durch das Startsignal START und das Impulssignal PB definiert
ist, die vorbestimmte Zeitspanne auf der Grundlage dieser zwei Impulssignale
PB definiert werden, da zwei Sätze
dieser Impulssignale PB ausgegeben werden, während das Startsignal START
in einem Hochpegelzustand gehalten wird.
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Da
in diesem Fall der Ausgangskreis 30 die digitalen Daten
DO1 erzeugt, die nur die Umlaufposition des Impulssignals innerhalb
der Ringschaltung 10 während
einer vorbe stimmten Zeitspanne angeben, repräsentieren diese digitalen Daten
DO1 die Stärke
des Magnetfeldes nicht direkt. Dies hat zum Beispiel zur Folge,
dass dadurch digitale Daten "DO2" erzeugt werden können, die
direkt die Stärke des
Magnetfeldes angeben, dass eine Korrekturschaltung 40 verwendet
wird, wie es in 6 gezeigt ist.
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Die
Korrekturschaltung 40 weist einen Speicher 40,
einen Register 43, einen Auswahlschalter 41 und
eine Subtraktionsschaltung 44 auf. Sowohl in dem Speicher 42 als
auch in dem Register 43 werden die von dem Ausgangskreis 30 ausgegebenen
digitalen Daten DO1 gespeichert. Der Auswahlschalter 41 wird
in Abhängigkeit
von einem von der Steuerschaltung 20 ausgegebenen Schaltsignal
selektiv betätigt, so
dass die Speicheradresse der von dem Ausgangskreis 30 ausgegebenen
Daten DO1 entweder zu dem Speicher 42 oder dem Register 43 umgeschaltet wird.
Die Subtraktionsschaltung 44 empfängt die in dem Speicher 42 bzw.
dem Register 43 gespeicherten digitalen Daten DO1, subtrahiert
beide Daten voneinander und gibt anschließend das Subtraktionsergebnis
als digitale Daten DO2 aus.
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Wenn
bei der so ausgebildeten Korrekturschaltung 40 auf die
die Ringschaltung bildenden MAGFETs 6 kein Magnetfeld wirkt,
werden sowohl das Startsignal START als auch das Impulssignal PB von
der Steuerschaltung 20 ausgegeben. Außerdem gibt die Steurerschaltung 20 ein
Schaltsignal an den Auswahlschalter 41, so dass die von
dem Ausgangskreis 30 ausgegebene Speicheradresse der digitalen Daten
DO1 im Speicher 42 abgelegt werden. Daraus folgt, dass
die digitalen Daten (DOR) in dem Speicher 42 abgelegt werden.
Die digitalen Daten "DOR" geben eine Umlaufposition
des Impulssignals innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne an, wenn
auf die die Ringschaltung 10 bildenden MAGFETs 6 kein
Magnetfeld wirkt.
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Anschließend schaltet
die Steuerschaltung 20 den Auswahlschalter 41 derart,
dass die von der Ausgangskreis 30 ausgegebene Speicheradresse der
digitalen Daten DO1 in dem Register 43 abgelegt werden.
Dies hat zur Folge, dass die digitalen Daten DO1 temporär in dem
Register 43 abgelegt werden können, wobei sie eine Umlaufposition
eines Impulssignals angeben, die gemessen wird, wenn die die Ringschaltung 10 bildenden
MAGFETs 6 in einem Umfeld angeordnet sind, in dem das zu
messende Magnetfeld vorhanden ist.
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Anschließend subtrahiert
die Subtraktionseinheit 44 die digitalen Daten "DOR" von den digitalen
Daten "DO1" und gibt das Subktraktionsergebnis als
digitale Daten "DO2" aus. Die ersten
digitalen Daten "DOR" werden im Speicher 42 abgelegt
und geben die Umlaufposition des Impulssignals an, wenn kein Magnetfeld
vorhanden ist. Die zweiten digitalen Daten "DO1" werden
temporär
im Register 43 gespeichert und geben die Umlaufposition
des Impulssignals an, das durch die entsprechend der Stärke des
zu messenden Magnetfeldes erzeugte Verzögerungszeit verändert wurde.
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Während die
Korrekturschaltung 40 als Referenzwert die Umlaufposition
des Impulssignals innerhalb der Ringschaltung 10 in der
vorbestimmten Zeitspanne verwendet, wenn das zu erfassende Magnetfeld
Null ist, erzeugt die Korrekturschaltung 40 digitale Daten "DO2", die die Differenz
zwischen einer Umlaufposition der Impulssignals und einer weiteren
Umlaufposition des Impulssignals anzeigen, wenn ein zu erfassendes
Magnetfeld vorhanden ist. Daraus folgt, das die digitalen Daten
DO2 direkt die Verzögerungszeiten
der jeweiligen die Ringschaltung 10 bildenden MAGFETs 6 und
somit direkt die Stärke des
zu messenden Magnetfeldes anzeigen.
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Darüber hinaus
sind zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ringschaltung 10 hergestellt
wird, je nachdem, welche Produkte verwendet werden, die Umlaufpositionen
der Impulssignale aufgrund von Herstellungstoleranzen der jeweiligen
MAGFETs 6 und der Lasttransistoren 11, leicht
voneinander verschieden, wenn das Magnetfeld Null ist. Da jedoch
die Korrekturschaltung 40 verwendet wird, und da die digitalen
Daten DOR, die die Umlaufpositionen des Impulssignals anzeigen,
wenn das Magnetfeld Null ist, für jedes
Produkt erzeugt werden können,
kann die Genauigkeit der digitalen Daten, die direkt die Verzögerungszeiten
der MAGFETs 6 anzeigen, verbessert werden.
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Selbstverständlich kann
außer
mit Hilfe der oben beschriebenen Korrekturschaltung 40,
die folgende alternative Messung verwendet werden, um digitale Daten
zu gewinnen, die der Umlaufpositoin des Impulssignals entsprechen,
wenn kein Magnetfeld vorhanden ist. Zum Beispiel können die
Impulssignale sowohl in der Ringschaltung aus den MAGFETs 6 als
auch in einer Ringschaltung aus den MOSFETs an den gleichen Punkten
und nur während derselben
Zeitspanne in Umlauf gebracht werden, wenn eine weitere unabhängige Ringschaltung
unter Verwendung der MOSFETs gebildet wird, die ähnliche Strombelastungen aufweisen,
wie jene, die Ringschaltung 10 bildenden MAGFETs 6,
indem eine Länge
einer Leitung und die Gesamtanzahl der verbundenen MOSFETs gleich
der der MAGFETs 6 ist.
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Da
die MOSFETs und die MAGFETs eine ähnliche Struktur aufweisen,
kann davon ausgegangen werden, dass, wenn eine Ringschaltung in
der beschriebenen Weise aus MOSFETs aufgebaut ist, diese Ringschaltung
dann die Umlaufaktion des Impulssignals ausführen kann, wenn kein Magnetfeld vorhanden
ist. Daraus folgt, dass, während
digitale Daten, die einer Umlaufposition eines Impulssignals in
der aus MOSFETs gebildeten Ringschaltung entsprechen, als Referenzwerte
verwendet werden, solche digitale Daten gewonnen werden können, die
direkt die Stärke
eines Magnetfeldes anzeigen, da diese digitalen Daten von anderen
digitalen Daten subtrahiert werden, die eine Umlaufposition eines
Impulssignals in der aus den MAGFETs 6 gebildeten Ringschaltung 10 anzeigen.
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Da
in diesem Fall darüber
hinaus sowohl die aus den MAGFETs gebildete Ringschaltung als auch die
aus den MOSFETs gebildete Ringschaltung die Umlaufaktionen der Impulssignale
in der gleichen Umgebung ausführen,
kann auch eine Änderung
der Verzögerungszeiten
ausgeglichen werden, die durch eine Änderung der Umgebungstemperatur
hervorgerufen wird. Folglich können
die digitalen Daten, die der magnetischen Feldstärke entsprechen, mit höherer Genauigkeit
gewonnen werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Eine
Ringschaltungskonfiguration einer Magnetfeldsensor-Vorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
unterscheidet sich nur leicht von der der ersten Ausführungsform.
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Wie
in 7 gezeigt ist, umfasst eine Ringschaltung 50 gemäß der zweiten
Ausführungsform zwei
Sätze von
NAND-Gattern "NAND" und 14 Sätze von
Invertern "INV". Ein Startsignal
(START) wird von einer (nicht gezeigten) Steuerschaltung an einen
Eingangsanschluss (Initialisierungsanschluss) gegeben, der nicht
mit einem Inverter "INV16" eines NAND-Gatters "NAND1" verbunden ist. Darüber hinaus
wird das Ausgangssignal eines Inverters "INV6" an
einen Eingangsanschluss (Rücksetzanschluss) gegeben,
der nicht mit einem Inverter "INV11" eines weiteren NAND-Gatters "NAND12" verbunden ist.
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Ähnlich wie
bei der ersten Ausführungsform, weist
das NAND-Gatter NAND1 einen Eingangsanschluss für das Startsignal START auf,
indem ein MOSFET mit den MAGFETs 6 in Reihe geschaltet
ist. Da andererseits ein Impulssignal, das durch die Ringschaltung 50 geschickt
wird, beiden Eingangsanschlüsse
des NAND-Gatters NAND12 zugeführt
wird, ist dieses NAND-Gatter NAND12 aus einer Reihenschaltung von
zwei MAGFETs 6 und einem MOSFET gebildet.
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Wenn
sich im Betrieb das Startsignal in einem Tiefpegelzustand befindet
(Initialisierungszustand), nehmen die Ausgangssignale von geradzahligen
Inverter INV2, INV4, ---INV16, gezählt ab dem ersten NAND-Gatter
NAND1, einen Hochpegelzustand an, und die Ausgangssignale von ungeradzahligen
Invertern INV3, INV5, ---, INV5 nehmen einen Hochpegelzustand an,
da der Ausgang des NAND-Gatters NAND1 einen Hochpegelzustand annimmt.
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Da
sich unter diesen Anfangsbedingungen das Ausgangssignal des Inverters
INV6, das an den Rücksetzanschluss
des NAND-Gatters NAND12 gegeben wird, in einem Tiefpegelzustand
befindet, gibt das NAND-Gatter NAND12 ein Hochpegelsignal aus, obwohl
das NAND-Gatter NAND12 mit der geradzahligen Stufe verbunden ist.
Daraus folgt, dass von den Invertern INV13 bis INV16, die zu nachfolgenden Stufen
des NAND-Gatters NAND12 verbunden sind, die Ausgänge der ungeradzahligen Inverter
INV13, INV15 einen Tiefpegelzustand annehmen, während die Ausgänge der
geradzahligen Inverter INV14, INV16 einen Hochpegelzustand annehmen.
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Der
Zustand des NAND-Gatters NAND1, dem das Startsignal START zugeführt wird,
wird nicht verändert,
und ein Hochpegelsignal wird kontinuierlich von diesem NAND-Gatter
ausgegeben, während das
Startsignal START einen Tiefpegelzustand aufweist, so dass die Ringschaltung 50 unter
diesen Bedingungen stabil wird.
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Wenn
schließlich
das Startsignal START von einem Hochpegelzustand in einen Tiefpegelzustand verändert wird,
wird der Ausgang des NAND-Gatters NAND1 vom Hochpegelzustand in
den Tiefpegelzustand invertiert, da ein Hochpegelsignal von dem
Inverter INV16 auch einem weiteren Eingangsanschluss des NAND-Gatters
NAND1 zugeführt
wird. Daraus folgt, dass sich ein Impulssignal in der Ringschaltung 50 auszubreiten
beginnt. Dies hat zur Folge, dass die Ausgangspegel der Inverter
INV2, INV3, ---, der nachfolgenden Stufen nacheinander invertiert werden,
so dass der Ausgang der ungeradzahligen Inverter INV3, INV5, ---,
vom Hochpegelzustand zum Tiefpegelzustand verändert werden, während der Ausgang
der geradzahligen Inverter INV2, INV4, ---, vom Tiefpegelzustand
zum Hochpegelzustand verändert
werden. Ein solcher Impuls wird als "Hauptimpuls" bezeichnet. Das heißt, dieser Hauptimpuls wird in
Abhängigkeit
von dieser Veränderung
des Startsignals START erzeugt. Dieser Hauptimpuls wird als ein
Abfallflankenausgangssignal des ungeradzahligen NAND-Gatters NAND1 und
als Anstiegsflankenausgangssignale der ungeradzahligen Inverter
INV3, INV5, ---, und außerdem
als ein Anstiegsflankenausgangssignal des geradzahligen NAND-Gatters NAND12 und
als Abfallflankenausgangssignale der geradzahligen Inverter INV2,
INV4, ---, aufeinanderfolgend in Umlauf gesetzt.
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Wenn
dann dieser Hauptimpuls den Inverter INV6 erreicht und der Ausgang
dieses Inverters INV6 von dem Tiefpegelzustand in einen Hochpegelzustand
invertiert wird, nehmen die zwei Eingangssignale des NAND-Gatters
NAND12 einen Hochpegelzustand an, da sich der Ausgang des Inverters
INV11 noch in einem Hochpegelzustand befindet, so dass der Ausgang
des NAND-Gatters NAND12 vom Hochpegelzustand in den Tiefpegelzustand
invertiert wird. Es sei zudem erwähnt, dass ein solcher Hauptimpuls als "Rücksetzimpuls" bezeichnet wird.
Das heißt,
dieser Hauptimpuls wird von dem Rücksetzanschluss an das NAND-Gatter
NAND12 gegeben und anschließend
von diesem NAND-Gatter NAND12 invertiert. Dieser invertierte Hauptimpuls
wird anschließend
in der Ringschaltung 50 als Anstiegsflankenausgangssignale
des ungeradzahligen NAND-Gatters NAND1 der Inverter INV13, INV15,
---, und als Abfall flankensausgangssignale des ungeradzahligen
NAND-Gatters NAND12
und der Inverter INV14, INV16, ---, in Umlauf gesetzt. Dieser Rücksetzimpuls wird
innerhalb der Ringschaltung 50 in Verbindung mit dem von
dem NAND-Gatter NAND1 erzeugten Hauptimpuls in Umlauf gesetzt.
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Anschließend wird
dieser Hauptimpuls durch die auf den Inverter INV6 folgenden Inverter
INV7, INV8, ---, sukzessive invertiert, und anschließend wird
der invertierte Hauptimpuls übertragen.
Da der Ausgang des Inverters INV11 durch den Hauptimpuls von dem
Hochpegelzustand zu dem Tiefpegelzustand invertiert wird, wird ein
Tiefpegel-Signal einem weiteren Anschluss des NAND-Gatters NAND12
und nicht dessen Rücksetzanschluss
zugeführt.
Da zu diesem Zeitpunkt das Hochpegel-Signal von dem Inverter INV16
diesem Rücksetzanschluss
zugeführt wird,
wird der Ausgang des NAND-Gatters NAND12 von dem Hauptimpuls vom
Tiefpegelzustand in den Hochpegelzustand invertiert. Darüber hinaus
wird der Hauptimpuls an die jeweiligen Inverter INV13, INV14, ---,
die auf das NAND-Gatter
NAND12 folgen, übertragen.
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Der
Grund, weshalb sich das Ausgangssignal des Inverters INV6 immer
noch in einem Hochpegelzustand befindet, wenn der Hauptimpuls über die Inverter
INV7 bis INV11 das NAND-Gatter NAND12 erreicht, ist folgender. Die
Gesamtanzahl von Invertern, von dem Inverter INV7 bis zu dem Inverter INV11.
gerechnet, beträgt
5, während
die Gesamtanzahl der Inverter einschließlich NAND-Gatter, von dem
NAND-Gatter NAND12 bis zu dem Inverter INV6 gerechnet, 11 beträgt, so dass
die Gesamtanzahl von Invertern, durch die der Hauptimpuls hindurchgeht, kleiner
ist als die der Inverter und des NAND-Gatters. Daraus folgt, dass
der Hauptimpuls zu einem Zeitpunkt dem NAND-Gatter NAND12 zugeführt werden kann,
der vor einem Zeitpunkt liegt, zu dem der Rücksetzimpuls von dem NAND-Gatter
NAND12 zu dem Inverter INV6 übertragen
wird.
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Andererseits
erreicht der Rücksetzimpuls, der
von dem NAND-Gatter NAND12 erzeugt wird, wiederum über die
jeweiligen Inverter INV13, INV14, ---, einschließlich dem NAND-Gatter NAND1 den
Inverter INV16, so dass das Signal des Rücksetzanschlusss des NAND-Gatters
NAND12 durch diesen Rücksetzimpuls
vom Hochpegelzustand zum Tiefpegelzustand invertiert wird. Da jedoch
zu diesem Zeitpunkt der Pegel des von dem Inverter INV11 des NAND-Gatters
NAND12 zugeführten
Eingangssignals durch den Hauptimpuls schon einen Tiefpegelzustand
angenommen hat, bleibt der Ausgangspegel des NAND-Gatters NAND12
unverändert.
Anschließend
wird der Rücksetzimpuls
sequentiell über
die normale Strecke der Ringschaltung 50, d. h. von dem Inverter
INV6 zu dem Inverter INV11 bis zu dem NAND-Gatter NAND12 übertragen.
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Wenn
dann der Rücksetzimpuls
den Inverter INV11 erreicht, wird das Ausgangssignal des Inverters
INV11 bezüglich
des NAND-Gatters NAND12 vom Tiefpegelzustand zum Hochpegelzustand
invertiert. Darüber
hinaus erreicht der Hauptimpuls im Wesentlichen zur gleichen Zeit
den Inverter INV6, so dass das Eingangssignal für den Rücksetzanschluss des NAND-Gatters
NAND12 ebenfalls vom Tiefpegelzustand zum Hochpegelzustand invertiert
wird. Dies hat zur Folge, dass das NAND-Gatter NAND12 einen Rücksetzimpuls
ausgibt, der sich zu einem Zeitpunkt in einem Hochpegelzustand befindet,
zu dem der Inverter INV11 durch den Hauptimpuls ein Hochpegelsignal
ausgibt. Darüber
hinaus gibt der Inverter INV6 durch das Hauptsignal ein Hochpegelsignal
aus.
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Anschließend werden
die genannten Operationen wiederholt ausgeführt, und sowohl der Rücksetzimpuls
als auch der Hauptimpuls laufen innerhalb der Ringschaltung 50 um.
Darüber
hinaus wird diese Operation in den oben beschriebenen Ausgangszustand
zurückgeführt, wenn
es gewünscht wird,
dass eine Reihe solcher Operationen beendet wird, und wenn das Startsignal
vom Hochpegelzustand zum Tiefpegelzustand verändert wird.
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Wie
zuvor erläutert,
nehmen die Eingangs-/Ausgangspegel
der jeweiligen Inverterschaltungen normalerweise einen voneinander
verschiedenen Zustand ein, wenn die gerade Anzahl von Inverterschaltungen
(sowohl NAND-Gatter als auch Inverter) ringförming miteinander gekoppelt
werden, so dass die gesamte Schaltung stabil wird. Da jedoch bei
der Ringschaltung 50 dieser Ausführungsform die zwei Impulse,
die zu unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugt werden, auf demselben
Ringpfad in Umlauf gesetzt werden, wird der Ausgangspegel des NAND-Gatters
NAND1 durch den Rücksetzimpuls
invertiert, bevor der durch das eigene NAND-Gatter NAND1 erzeugte
Hauptimpuls zurückgesendet
wird. Darüber
hinaus wird der Ausgangspegel des NAND-Gatters NAND12 durch den
Hauptimpuls invertiert, bevor der von dem eigenen NAND-Gatter NAND12 erzeugte
Rücksetzimpuls
zurückgesendet wird.
Dies hat zur Folge, dass die zwei Haupt-/Rücksetzimpulssignale
in der Ringschaltung 50 in Umlauf gesetzt werden können, während die
gesamte Schaltung nicht in einen stabilen Zustand gebracht wird.
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Während nur
sowohl die Ausgangsschaltung als auch die Korrekturschaltung gemäß der ersten Ausführungsform
verwendet werden, gewinnt man Ausbreitungsgeschwindigkeiten der
Impulssignale innerhalb einer vorbestimmten Zeit auf der Grundlage
der Anzahl der Gesamtumläufe
des Hauptimpulses und des Rücksetzimpulses
und ferner zum Beispiel die Umlaufposition der Hauptimpulses. Daraus folgt,
dass sowohl die digitalen Daten DO1, die in Abhängigkeit von der Stärke des
Magnetfeldes erzeugt werden, als auch die digitalen Daten DO2, die
direkt die Stärke
des Magnetfeldes angeben, gewonnen werden können.
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Es
sei ferner erwähnt,
dass die in der zweiten Ausführungsform
gezeigte Ringschaltung 50 ein Verbindungsbeispiel für den Fall
anzeigt, bei dem die Ringschaltung aus einer geraden Anzahl von
Inverterschaltungen (sowohl NAND-Gatter als auch Inverter) besteht.
Jedoch ist die Art der Verbindung der NAND-Gatter und der Inverter
nicht auf dieses Verbindungsbeispiel begrenzt.
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Zusammenfassend
ist ein weiterer MAGFET (zweiter Rücksetz-MAGFET) bezuglich eines
solchen MAGFET (erster Rücksetz-MAGFET),
der an einer Position angeordnet ist, bei der die gerade Anzahl
von Invertern in der Ausbreitungsrichtung des Impulssignals, gezählt ab dem
NAND-Gattern NAND1, angeordnet ist, in Reihe geschaltet, so dass das
NAND-Gatter NAND2
gebildet wird. Bei den zwischen das NAND-Gatter NAND1 und das NAND-Gatter NAND2
geschalteten Invertern kann der Ausgang der geradzahligen Inverter,
gezählt
von dem NAND-Gatter NAND1, mit der Gate-Elektrode des zweiten Rücksetz-MAGFETs
verbunden sein.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsformen sind
sowohl die beiden n+-Source-Bereiche 11a und 11b als
auch die beiden n+-Drain-Bereiche 12a und 12b in
jeweils zwei Bereiche des MAGFETs 6 geteilt. Alternativ
dazu müssen
die n+-Source-Bereiche nicht geteilt sein.
Selbst in diesem Fall können
in den geteilten n+-Drain-Bereichen Stromstärkenzu-/bzw.
Abnahmen in Abhängigkeit
von der Stärke
des Magnetfeldes erzeugt werden.
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Darüber hinaus
wird der Halbleiter-Magnetfeldsensor mit den FETs des nMOS-Typ hergestellt. Alternativ
dazu kann eine FET-Struktur des pMOS-Typs als Halbleitersensor verwendet
werden.