DE10313578B4 - Magnetfeldsensor-Vorrichtung zur direkten Erzeugung digitaler Sensordaten von einem Magnetfeldsensor-Element - Google Patents

Magnetfeldsensor-Vorrichtung zur direkten Erzeugung digitaler Sensordaten von einem Magnetfeldsensor-Element Download PDF

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Abstract

Magnetfeldsensor-Vorrichtung mit:
– einer Ringschaltung (10, 50), die eine Mehrzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren (6) umfasst, die in Form eines Rings miteinander verbunden sind; und
– einem Ausgangskreis (30) zur Erfassung einer Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Impulssignals innerhalb der Ringschaltung (10, 50) während einer vorbestimmten Zeitspanne und zur Ausgabe von digitalen Daten (DO1), die der Stärke eines einwirkenden Magnetfeldes entsprechen, auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses der Ausbeitungsgeschwindigkeit;
– wobei jeder Halbleiter-Magnetfeldsensor (6) Source-Bereiche (1a, 1b), Drain-Bereiche (2a, 2b) und eine Gate-Elektrode (3) aufweist, derart, dass wenigstens die Drain-Bereiche geteilt sind, und die Gate-Elektrode (3) Kanalbereiche (9), die zwischen den Source-Bereichen und den geteilten Drain-Bereichen angeordnet ist, steuert, wobei eine Anzahl von Ladungsträgern, die durch die geteilten Drain-Bereiche fließen, in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes ausgetauscht werden, wenn auf die Ladungsträger, die durch die Kanalbereiche fließen, ein Magnetfeld wirkt; und
– wobei einer der geteilten Drain-Bereiche eines vorangehenden Halbleiter-Magnetfeldsensors...

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • 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.
  • 2 ein Schaltungsdiagramm, das eine Anordnung einer Ringschaltung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
  • 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;
  • 4 ein Schaltungsdiagramm, das eine zu der Ringschaltung der ersten Ausführungsform äquivalente Schaltung zeigt;
  • 5 ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ausgangskreis zeigt, die digitale Daten "DO1" als Antwort auf eine Magnetfeldstärke von dem Ausgang der Ringschaltung erzeugt;
  • 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
  • 7 ein Schaltungsdiagramm, das eine zu einer Ringschaltung äquivalente Schaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden wird ein Ausgangskreis beschrieben, der aus der Verzögerungszeit des MAGFETs 6 die Stärke eines Magnetfeldes in Form digitaler Daten ausgibt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Eine Ringschaltungskonfiguration einer Magnetfeldsensor-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform unterscheidet sich nur leicht von der der ersten Ausführungsform.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. Magnetfeldsensor-Vorrichtung mit: – einer Ringschaltung (10, 50), die eine Mehrzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren (6) umfasst, die in Form eines Rings miteinander verbunden sind; und – einem Ausgangskreis (30) zur Erfassung einer Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Impulssignals innerhalb der Ringschaltung (10, 50) während einer vorbestimmten Zeitspanne und zur Ausgabe von digitalen Daten (DO1), die der Stärke eines einwirkenden Magnetfeldes entsprechen, auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses der Ausbeitungsgeschwindigkeit; – wobei jeder Halbleiter-Magnetfeldsensor (6) Source-Bereiche (1a, 1b), Drain-Bereiche (2a, 2b) und eine Gate-Elektrode (3) aufweist, derart, dass wenigstens die Drain-Bereiche geteilt sind, und die Gate-Elektrode (3) Kanalbereiche (9), die zwischen den Source-Bereichen und den geteilten Drain-Bereichen angeordnet ist, steuert, wobei eine Anzahl von Ladungsträgern, die durch die geteilten Drain-Bereiche fließen, in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes ausgetauscht werden, wenn auf die Ladungsträger, die durch die Kanalbereiche fließen, ein Magnetfeld wirkt; und – wobei einer der geteilten Drain-Bereiche eines vorangehenden Halbleiter-Magnetfeldsensors (6) mit der Gate-Elektrode (3) eines nachfolgenden Halbleiter-Magnetfeldsensors (6) verbunden ist, so dass jeder der Halbleiter-Magnetfeldsensoren eine Inverterschaltung (INV) bildet.
  2. Magnetfeldsensor-Vorrichtung nach Anspruch 1, – wobei die Drain-Bereiche (2a, 2b) mit einer Stromversorgung (VDD) und die Source-Bereiche (1a, 1b) mit Erde (GND) verbunden sind; und – wobei die Mehrzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren (6) auf einer selben Ebene eines gemeinsamen Halbleitersubstrats (5) angeordnet sind, so dass die Ladungsträger, die durch die jeweiligen Kanalbereiche fließen, durch das Magnetfeld in der gleichen Richtung abgelenkt werden.
  3. Magnetfeldsensor-Vorrichtung nach Anspruch 2, – wobei einer der geteilten Drain-Bereichen (2a, 2b) jedes Halbleiter-Magnetfeldsensorens, der mit der Gate-Elektrode (3) des nachfolgenden Halbleiter-Magnetfeldsensors verbunden ist, in Bezug auf das Magnetfeld eine ähnliche Stromzunahme-/Abnahmetendenz aufweist.
  4. Magnetfeldsensor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – wobei die Source-Bereiche (1a, 1b), die Drain-Bereiche (2a, 2b) und die Kanalbereiche (9) der Mehrzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren die gleiche Größe aufweisen, so dass Stromstärken von Strömen, die durch einen der geteilten Drain-Bereiche des vorangehenden Halbleiter-Magnetfeldsensors fließen, der mit der Gate-Elektrode des nachfolgenden Halbleiter-Magnetfeldsensors verbunden ist, sich innerhalb der Halbleiter-Magnetfeldsensoren gleich sind.
  5. Magnetfeldsensor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – wobei einer der Mehrzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren (6) in Reihe mit Feldeffekttransistoren (13, 14) geschaltet ist, die mit Erde verbunden sind, und ein Initialisierungssignal zur Ausbreitung eines Impulssignals innerhalb der Ringschaltung Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren zugeführt wird, so dass der eine der Halbleiter-Magnetfeldsensoren als Initialisierungs-Magnetfeldsensor (6A) wirkt.
  6. Magnetfeldsensor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – wobei der Ausgangskreis (30) auf der Grundlage eines Differenzbetrages zwischen einer erfassten Ausbreitungsgeschwindigkeit und einem Referenzwert die digitalen Daten (DO1) ausgibt, die dem Magnetfeld entsprechen, wobei der Differenzbetrag einer Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Impulssignals innerhalb der Ringschaltung während einer vorbestimmten Zeitspanne entspricht, wenn die Stärke des Magnetfeldes gleich Null ist.
  7. Magnetfeldsensor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – wobei die Ringschaltung (10, 50) eine ungerade Anzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren (6) umfasst, die miteinander in Form eines Ringes verbunden sind.
  8. Magnetfeldsensor-Vorrichtung nach Anspruch 5, – wobei die Ringschaltung (10, 50) eine gerade Anzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren umfasst, die miteinander in Form eines Ringes verbunden sind; – wobei ein Halbleiter-Magnetfeldsensor, der an einer Position angeordnet ist, an der eine gerade Anzahl von Halbleiter-Magnetfeldsensoren in einer Ausbreitungsrichtung des Impulssignals, gezählt von dem Initialisierungs-Magnetfeldsensor, angeschlossen ist, als ein erster Rücksetz-Hableiter-Magnetfeldsensor verwendet wird; – wobei ein zweiter Rücksetz-Magnetfeldsensor zwischen dem ersten Rücksetz-Halbleiter-Magnetfeldsensor und einer Erde in Reihe geschaltet ist; – wobei einer der geteilten Drain-Bereiche eines geradzahligen Halbleiter-Magnetfeldsensors, der von dem Initialisierungs-Magnetfeldsensor unter den Halbleiter-Magnetfeldsensoren aus gezählt wird, der zwischen dem Initiallisierungs-Magnetfeldsensor und dem ersten Rücksetz-Magnetfeldsensor geschaltet ist, mit einer Gate-Elektrode des zweiten Rücksetz-Halbleiter-Magnetfeldsensors verbunden ist, und wobei zwei Arten von Impulssignalen innerhalb der Ringschaltung umlaufen.
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