DE19650184A1

DE19650184A1 - Getakteter Hall-Sensor

Info

Publication number: DE19650184A1
Application number: DE19650184A
Authority: DE
Inventors: Alberto Bilotti; Gerardo Monreal
Original assignee: Allegro Microsystems Inc
Current assignee: Allegro Microsystems Inc
Priority date: 1995-12-08
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2016-12-05
Also published as: GB9624699D0; JPH09196699A; GB2308029B; DE19650184C2; GB2308029A; JP3022957B2; US5621319A; FR2742225A1; FR2742225B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen getakteten Hall-Sensor-Schaltkreis, wobei der Anregungsstrom für das Hall-Element abwechselnd vom Fluß in einer Richtung zu einem Fluß in einer anderen Richtung umgeschaltet wird, und sie bezieht sich insbesondere auf einen solchen Hall-Sensor, in welchem ein getakteter Abtast- und Halte-Hallspannungs-Schaltkreis synchron mit dem geschalteten Hallelement getaktet wird.

Es ist lange übliche Praxis gewesen, ein Hallelement anzuregen, indem es permanent durch zwei Kontakte mit der Gleichspannungs-Versorgungsspannung oder einer anderen Quelle des Hall-Stromes I_H verbunden wird, um eine Hall-Spannung (V_H) an zwei anderen Kontakten zu erzielen, die proportional zu dem Produkt der magnetischen Umgebungs-Feldstärke B und dem Hall-An regungsstrom I_H ist. Wenn ein magnetisches Umgebungsfeld nicht vorliegt (Feldstärke O), so wird typischerweise eine unerwünschte Offset-Spannung V_OS) an den Hall-Ausgangskontakten erzeugt, und wenn die Stärke des Umgebungsfeldes B von O abweicht, so ist die Ausgangsspannung des Hall-Ele mentes die Summe von V_H und V_OS. Die Größe und Polarität der unerwünschten Offset-Spannung sind u. a. eine Funktion von Beanspruchungen in dem Halbleiterchip, der das Hallelement bildet, wobei die Beanspruchungen mit dem mechanischen Druck und der Temperatur variieren.

Es ist bekannt, einen Schalter-Schaltkreis vorzusehen, in welchem ein Hallelement-Anregungsstrom abwechselnd vom Fluß in einer Richtung auf einen Fluß in einer anderen Richtung durch das Hallelement umgeschaltet wird. Ein solcher Schalter-Schaltkreis ist in Fig. 1 gezeigt. Das symmetrische Hall-Element 10 besitzt vier gleich beabstandete Kontakte 11, 12, 13 und 14, die die Ecken eines hypothetischen Quadrates 15 definieren. Die Kontakte 11 und 14 sind mit der Gleichspannungs-Versorgungsspannung V_cc über einen elektrisch steuerbaren Umschalter 16 verbunden, und die Kontakte 12 und 13 sind mit der Masse der Versorgungsspannung über einen elektrisch-steuerbaren Umschalter 18 verbunden.

Wenn die Schalter 16 und 18 mit einem hohen binären Signalpegel während der Phase ϕ1 des Taktes ck1 getaktet werden, so fließt der Hall-Element-An regungsstrom I_H von dem Kontakt 11 zu dem Kontakt 13. Wenn nachfolgend die Schalter 16 und 18 durch ein binäres Signal mit niedrigem Pegel während der nächsten Phase nϕ1 des Taktes ck1 getaktet werden, so fließt der Hallelement-Anregungsstrom I_H von dem Kontakt 14 zu dem Kontakt 12 in einer Richtung durch das Hallelement, die im rechten Winkel zu der Richtung verläuft, in der der Strom während einer Phase ϕ1 des Taktsignales ck1 geflossen ist.

Schalter 16, 18, 19 und 20 sind in den Positionen entsprechend der Taktphase ϕ1 gezeigt (ausgezogener Pfeil). Die anderen Schalterpositionen (gestrichelte Pfeile) entsprechen der Taktphase nϕ1. Die periodische Umschaltung der Richtung des Hallelement-Anregungsstromes I_H, wie bei dem Schaltkreis von Fig. 1, kombiniert mit einer weiteren Signalverarbeitung, macht es möglich, in großem Umfang den Betrag der Offset-Spannung V_os zu reduzieren. Die Schalter-Schaltkreis-Ausgangsspannung V_SH ist aus V_os und der gewünschten Hallspannung V_H zusammengesetzt.

Das Taktsignal ck1 ändert sich abwechselnd von der Phase ϕ1 zu der Phase nϕ1, wie in Fig. 2a ersichtlich. In der Schalter-Schaltkreis-Ausgangsspannung V_SH ist die Hallspannungskomponente V_H während der Phase ϕ1 positiv und während der Phase nϕ1 negativ. Während jeder Phase ist die Größe von V_H durch I_H×B gegeben. In der Schalter-Schaltkreis-Ausgangsspannung V_SH tritt diese erwünschte Komponente V_H (Fig. 2c) kombiniert mit der unerwünschten Offset-Komponente V_os auf. Die Polarität der unerwünschten Offset-Span nungs-Komponente V_os in V_sh ist positiv und im wesentlichen von der gleichen Größe während beider Phasen ϕ1 und nϕ1, wie in Fig. 2b erkennbar. Die resultierende Schalter-Schaltkreis-Ausgangsspannung V_sh ist die Summe der zwei Signale V_os und V_H, wie in Fig. 2d gezeigt.

Während der Phase ϕ1 gilt V_SH = V_H + V_os.

Während der Phase nϕ1 gilt V_sh = -V_H + V_os.

Somit wird irgendein Schaltkreis, der die zwei Spannungspegel in dem Signal V_SH, nämlich den Pegel während der Phase nϕ1 von dem in der Phase ϕ1 subtrahiert, eine Differenzspannung vorgegeben, die unmittelbar 2V_H entspricht und die Hall-Offset-Spannung ist theoretisch eliminiert worden.

Ein Hauptproblem bei der Verwendung eines Hall-Schalter-Schaltkreises, wie jenem von Fig. 1, liegt darin, daß die Spannungsspitzen, die durch das Schalten des Hall-Anregungsstromes I_H erzeugt werden, sehr groß im Vergleich zu der Hall-Spannung V_H sind, so daß teuere Filterkondensatoren erforderlich sind. Die Verwendung von großen Tiefpaß-Filterkondensatoren zieht eine wesentliche Verteuerung nach sich und macht solche Schaltkreise nutzlos für das Messen bzw. Feststellen von sich schnell verändernden Magnetfeldern mit kleinem Pegel.

Es ist vorgeschlagen worden, dieses Problem durch die Verwendung eines schaltenden Ladungs-Übertragungs-Verstärkers zu lösen, um die Hall-Span nung zu verstärken, und die Hall-Schaltspitzen zu vermindern. Ladungs übertragungsschaltkreise selbst führen jedoch ein Ladungsinjektions-Schalt rauschen bei dem geringsten Hall-Signalpegel in dem System ein.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen sensitiven Hall-Sensor vorzugeben, dem ein Verstärker und ein synchron getakteter Abtast- und Halteschaltkreis nachgeschaltet ist, um eine dynamische Offset-Unterdrückung vorzugeben, die unempfindlich ist gegen Spannungsübergänge des Hall-Schalterstromes und gegen die charakteristischen Offset-Spannungen sowohl des Hall-Span nungsverstärkers als auch des Hallplättchens, ohne die Verwendung von schaltenden Ladungs-Übertragungs-Verstärkerschaltkreisen am Eingang.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, solch einen Hall-Sensor vorzugeben, bei dem die Hallspannung durch einen in der Verstärkung getakteten differentiellen linearen Analogverstärker zum Austasten der Hall-Schalter-Rauschspitzen verstärkt wird.

Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen solchen Hall-Sensor vorzugeben, bei dem der Abtast- und Halteschaltkreis ein getakteter Abtast- und Halteschaltkreis mit gekreuzter Polarität ist und der vollständig differentiell zur Zurückweisung von Gleichtakt-Rauschsignalen arbeitet.

Ein getakteter Hall-Sensor umfaßt einen Hallelement-Schalter-Schaltkreis der Art, bei welchem ein Hallelement zwei Paare von diagonal gegenüberliegenden Hallkontakten besitzt, welche abwechselnd mit einem Paar von Gleichspannungs-Versorgungs-Leitungen und mit einem Paar von Hall-Schalter-Schaltkreis-Ausgangsleitungen verbunden werden, wobei die zwei Kontaktpaare abwechselnd als die Anregungsanschlüsse und die Hallspannungs-Aus gangsanschlüsse dienen und der Hallelement-Anregungsstrom abwechselnd vom Fluß in einer Richtung zum Fluß in einer anderen Richtung durch das Hallelement und vorzugsweise in einer quadratischen Richtung umgeschaltet wird.

Ein erster Taktgenerator, der an den Hall-Schalter-Schaltkreis angeschlossen ist und dessen Umschaltung steuert, erzeugt ein binäres Taktsignal ck1 mit binären Phasen ϕ1 und nϕ1, die entsprechend zum Anschluß des einen und des anderen Kontaktpaares des Hallelementes an die Hallspannungs-Ausgangs-An schlüsse führen.

Ein Begleittakt-Signalgenerator, der an den ersten Taktsignalgenerator angeschlossen ist, besitzt einen zweiten Taktausgang, an welchem ein binäres Taktsignal ck2 mit einer binären Phase ϕ2 erzeugt wird, die während eines Mittelteils einer jeder Phase ϕ1 des Taktsignales ck1 auftritt. Ferner besitzt der Begleittakt-Signalgenerator einen dritten Taktausgang, an welchem ein binäres Taktsignal ck3 mit einer binären Phase ϕ3 erzeugt wird, die während eines Mittelteiles einer jeder Phase nϕ1 des Taktsignales ck1 auftritt.

Ein linearer analoger Doppeldifferential-Hallspannungs-Verstärker besitzt einen Differentialeingang, der an das Paar der Hall-Schalter-Schaltkreis-Aus gangsleitungen angeschlossen ist.

Ein getakteter Abtast- und Halteschaltkreis umfaßt erste und zweite Abtast- und Halteschaltkreiselemente, von denen jedes erste und zweite Abtast- und Halte-Schalt kreiselemente besitzt, die entsprechend an den einen und den anderen der Differential-Ausgange des Hall-Spannungsverstärkers angeschlossen sind. Jedes der ersten und zweiten Abtast- und Halte-Schaltkreiselemente besitzt eine Abtast-Freigabe-Schalteinrichtung, die entsprechend an die zweiten und dritten Taktausgänge angeschlossen ist, um entsprechend die Eingangssignale des Abtast- und Halte-Schaltkreiselementes nur während der Phasen ϕ2 und ϕ3 abzutasten und die Abtastsignale an den entsprechenden Ausgängen der ersten und zweiten Abtast- und Halte-Schaltkreiselemente während der der Phasen nϕ2 und nϕ3 entsprechend zu halten.

Ein Summierschaltkreis ist enthalten, der einen ersten Eingang besitzt, der an den Ausgang des ersten Abtast- und Halte-Schaltkreiselementes angeschlossen ist und der einen zweiten Eingang besitzt, der an den Ausgang des zweiten Abtast- und Halte-Schaltkreiselementes angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Summierschaltkreises als Ausgang des Hall-Sensors dient.

Somit sind in dem getakteten Hall-Sensor dieser Erfindung die großen Schaltübergänge, die während der Schaltphasen-Übergänge in dem Hall-Ele ment-Schaltkreis auftreten, ohne Bedeutung, da das verstärkte Hall-Span nungssignal abgetastet wird, nachdem der Verstärker und das Hallelement vollständig abgeklungen sind.

Ein zweites Ausführungsbeispiel wird aufgebaut durch Hinzufügung von dritten und vierten Abtast- und Halte-Schaltkreiselementen für die eben zuvor beschriebenen getakteten Abtast- und Halteschaltkreise. Jedes der dritten und vierten Abtast- und Schalter-Schaltkreis-Elemente besitzt einen Eingang, der entsprechend an den anderen und den einen der Differentialausgänge des Hall-Spannungsverstärkers angeschlossen ist. Jedes der dritten und vierten Abtast- und Halte-Schaltkreiselemente besitzt ebenfalls eine Abtast-Freigabe-Schalt einrichtung, die entsprechend an die zweiten und dritten Taktausgänge angeschlossen ist, um entsprechend die Eingangssignale der Abtast- und Halte-Schalt kreiselemente nur während der Phasen ϕ2 und ϕ3 abzutasten und die Abtastsignale an den entsprechenden Ausgängen der dritten und vierten Abtast- und Halte-Schaltkreiselemente während der Phasen nϕ2 und nϕ3 entsprechend zu halten. Dem Summierschaltkreis ist ferner hinzugefügt ein dritter Eingang, der an den Ausgang des dritten Abtast- und Halte-Schaltkreiselementes angeschlossen ist und ein vierter Eingang, der an den Ausgang des vierten Abtast- und Halter-Schaltkreis-Elementes angeschlossen ist.

(Die ersten, zweiten, dritten und vierten Abtast- und Halte-Schaltkreis elemente entsprechen den Abtast- und Halte-Schaltkreiselementen in Fig. 6, und sie erzeugen entsprechend die Ausgangsspannungen V1, V2, V3 und V4).

Dieser getaktete Abtast- und Halte-Schaltkreis ist ein Volldifferential-Abtast- und Halteschaltkreis mit gekreuzter Polarität. Er liefert eine Zurückweisung von unerwünschten durch den Takt induzierten Gleichtakt-Rauschsignalen, von Veränderungen in der Versorgungsspannung, von Signalen, die der Ladungsinjektion und dem Abfall zugeordnet sind, die in den Abtast- und Halte-Schaltkreiselementen erzeugt werden, da diese unerwünschten Signale dem Summierschaltkreis als Gleichtaktsignale durch den Abtast- und Halte-Schaltkreis mit gekreuzter Polarität zugeführt werden.

Ferner kann ein Hall-Schalter-Rausch-Unterdrückungsmerkmal vorteilhaft dem getakteten Hallsensor in jedem Ausführungsbeispiel hinzugefügt werden. Um dies zu machen, wird der Begleittakt-Signalgenerator zusätzlich in die Lage versetzt, an einem vierten Taktausgang ein binäres Taktsignal ck4 mit einer binären Phase ϕ4 zu erzeugen, die synchronisiert ist, um während einer Zeitspanne aufzutreten, die jeden Auftritt einer Umschaltung zwischen den Phasen ϕ1 und nϕ1 in dem Taktsignal ck1 umschließt.

Der Doppeldifferential-Hall-Spannungsverstärker umfaßt zusätzlich eine elektrisch betätigte Schalteinrichtung zur Verstärkungsreduzierung, die an den vierten Taktausgang während jeder Phase ϕ4 in dem Taktsignal ck4 angeschlossen ist, um die differentielle Verstärkung des Halte-Spannungs-Ver stärkers zu reduzieren. Dieses Verstärker-Unterdrückungsmerkmal verbessert ferner das Verhältnis des Ausgangssignales des Hall-Sensors zu den Rauschspitzen des Hallschalters.

Fig. 1 zeigt ein Hallplättchen in einem Schalter-Schalt kreis des Standes der Technik für die abwechselnde Umschaltung der Hall-Stromrichtung.

Fig. 2a, 2b, 2c und 2d zeigen entsprechend die Spannungsverläufe in dem Hall-Schalter-Schaltkreis von Fig. 1 bzgl. des Taktsignales (V_ck1) an den Hall-Schalter, der Hall-Offset-Ausgangsspannungskomponente (V_os) der durch das Magnetfeld induzierten Hall-Aus gangsspannungskomponenten (Vsg) und der Hall-Schalter-Schaltkreis-Ausgangsspannung (V_sh).

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Hall-Sen sors mit einer getakteten Abtast- und Halte-Kon struktion mit gekreuzter Polarität dieser Erfindung, die einen vereinfachten Hall-Schalter-Schalt kreis umfaßt, der demjenigen von Fig. 1 äquivalent ist und dem ein Hall-Spannungs-Ver stärker und ein getakteter Abtast- und Halte-Schalt kreis mit gekreuzter Polarität nachgeschaltet ist.

Fig. 4a, 4b, 4c und 4d zeigen entsprechend die Spannungsverläufe der Taktsignale ck1, ck2, ck3 und ck4 in dem vereinfachten Hall-Sensor von Fig. 3, die alle auf den gleichen Zeitmaßstab bezogen sind.

Fig. 5a und 5b zeigen die Spannungsverläufe in dem vereinfachten Hall-Sensor von Fig. 3 entsprechend der Spannung Va+ an einem Differentialausgang des Hall-Spannungsverstärkers und der Spannung Va- an dem anderen Differentialausgang des Hall-Spannungsverstärkers.

Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm eines vollständig differentiellen Hall-Sensors mit einem getakteten Abtast- und Halteschaltkreis gekreuzter Polarität dieser Erfindung, der einen Hall-Schalter-Schalt kreis wie in Fig. 1 einschließt, dem ein analoger Hall-Spannungsverstärker, ein vollständig differentieller Abtast- und Halterschaltkreis und ein Signal-Summierschaltkreis folgen.

Fig. 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Hall-Spannungsverstärkers dieser Erfindung.

Fig. 8 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Abtast- und Halte-Schaltkreiselementes, das zur Verwendung in den getakteten Abtast- und Halteschaltkreisen mit gekreuzter Polarität dieser Erfindung geeignet ist.

Bei dem Hall-Sensor von Fig. 3 enthält ein äquivalenter Schaltkreis 20 zu dem schaltenden Hall-Schaltkreis, wie beispielsweise dem in Fig. 1, die Signal-Er zeugungsblöcke 22 und 24, die entsprechend die Signale +V_H während ϕ1 und nϕ1 erzeugen, den Block 26, der das Offset-Signal-Vos und den Umschalter 28, der durch das binäre Taktsignal ck1 gesteuert ist, wie dies aus Fig. 4a erkennbar ist. Der äquivalente Schaltkreis ist nützlich für ein klareres Verständnis der Schaltkreise dieser Erfindung.

Der Hall-Spannungsverstärker 30 soll ein idealer, linearer, analoger Doppeldifferential-Verstärker sein, und seine auf den Eingang bezogene Offset-Span nung Voa wird durch den Block 32 erzeugt, der in Reihe zu dem einen Verstärkereingang und zu dem Ausgang des schaltenden Hall-Schaltkreises 20 geschaltet ist. Im wesentlichen sind die Offset-Spannung Vos des schaltenden Hall-Schaltkreises 20 und die Offset-Spannung Voa des Verstärkers 30 zwei Gleichspannungen, die in Reihe erzeugt werden und zusammengenommen eine summierte Gleichspannungsspannungs-Offset-Spannung V_osa ergeben. Das Signal am Eingang des idealen Verstärkers 30 beträgt daher V_sh = V_H + Vosa während der Phase ϕ1 (des Taktsignales ck1) und V_sh = -V_H + Vosa während der Phase nϕ1 (der anderen und komplementären Phase ϕ1 in dem Taktsignal ck1). So ergeben sich die Verstärker - Ausgangssignale zu

+Va = (G/2) (V_H + Vosa) und
-Va = -(G/2) (-V_H + Vosa) = (G/2) (V_H - Vosa)

wobei O die Differential/Differential-Verstärkung des Verstärkers 30 ist.

Die Ausgangssignale +Va und -Va des Verstärkers 30 werden entsprechend an die Eingänge der getakteten Abtast- und Halte-Schaltkreise 34 und 36 mit gekreuzter Polarität angelegt. Die Schaltkreise 34 und 36 werden aktiviert, um die Eingangssignale +Va und -Va durch die Taktsignale ck2 und ck3 abzutasten. Impulsformen der Taktsignale ck2 und ck3, die in den Fig. 4b und 4c gezeigt sind, aktivieren entsprechend die Abtastung der Abtast- und Halteschaltkreise 36 und 34 während einer Dauer, die geringer ist als die volle Spanne der Phase ϕ1 und nϕ1.

Ferner sind die durch beide Taktsignale ck2 und ck3 gebildeten Abtastzeiten nicht koinzidierend mit den Phasenumschaltungen in ck1, d. h. mit den Umschaltungen von ϕ1 zu nϕ1 und umgekehrt. Die Abtastung wird daher veranlaßt, nur während einer Zeit zwischen Phasenumschaltungen in dem Taktsignal ck1 aufzutreten und zu einer Zeit nach jeder solchen Phasenumschaltung, wenn der Verstärker 30 und das Hall-Element 10 sich nach dem Auftreten der Spannungsspitzen, die bei jedem Hall-Schaltübergang erzeugt werden, beruhigt haben.

In Fig. 5a ist der Ausgang V₃₄ des Abtast- und Halteschaltkreises 34 dem Verstärker-Ausgangssignal +Va überlagert. Bei jedem hohen Impuls in dem Taktsignal ck2 wird der Abtast- und Halteschaltkreis 34 freigegeben (d. h. aktiviert), um das Verstärker-Ausgangssignal +Va auszutasten. Während der Zeit zwischen den hohen Impulsen in dem Signal ck2 wird das abgetastete Signal V₃₄ geringfügig während des Haltens abfallen. Ausgenommen diesen Abfall entspricht der mittlere Wert von V₃₄ demjenigen des positiven Teiles des Signales +Va.

Der Ausgang V₃₆ des Abtast- und Halteschaltkreises 36 ist dem Verstärker-Aus gangssignal -Va in Fig. 5b überlagert (als eine stärkere Linie). Bei jedem hohen Impuls in dem Taktsignal ck3 wird der Abtast- und Halteschaltkreis 36 freigegeben (d. h. aktiviert), um das Verstärker-Ausgangssignal -Va abzutasten. Ausgenommen diesen Abfall entspricht der mittlere Wert von V₃₆ demjenigen des positiven Teiles des Signales -Va.

Es ist daher erkennbar, daß während eines späten zentralen Teiles einer jeden Phase ϕ1 des Hall-Taktes ck1 ein hoher Impuls in dem Taktsignal ck2 während der Phase ϕ2 auftritt, um den Abtast- und Halteschaltkreis 34 zu aktivieren und daß in gleicher Weise während eines späten zentralen Teiles einer jeden Phase nϕ1 des Hall-Taktes ck1 ein hoher Impuls in dem Taktsignal ck3 während der Phase ϕ3 auftritt, um den Abtast- und Halteschaltkreis 36 zu aktivieren.

Somit sind die zwei Signalspannungen V₃₄ und V₃₆ proportional zu den positiven und negativen Spitzenspannungen in dem geschalteten Ausgangssignal des Hall-Schaltkreises V_sh, ohne durch Spannungsspitzen in diesem Signal und durch Störungen in dem Verstärker-Ausgangssignal während der Erholung des Verstärkers von diesen Hall-Schaltungs-Spannungsspitzen beeinträchtigt zu werden.

Die zwei Ausgangssignale V₃₄ und V₃₆ des Abtast- und Halteschaltkreises werden zu einem Spannungssummierer 38 weitergereicht, der eine Summier-Aus gangsspannung wie folgt erzeugt:

V_S = V₃₄ + V₃₆
= (G/2) (V_H + Vosa) + (G/2) (V_H - Vosa) = GV_H.

Alternativ kann der Summierschaltkreis 38 von der Art sein (mit einer Verstärkung von 0,5), die die zwei Eingangssignale von V₃₄ und V₃₆ mittelt, in welchem Fall die Ausgangsspannung des Summierers einfach durch (G/2) V_H gegeben ist.

Der vollständig differentielle Hall-Sensor von Fig. 6 besitzt einen geschalteten Hall-Schaltkreis 40, einen Hall-Spannungsverstärker 42, einen getakteten differentiellen Abtast- und Halteschaltkreis 44 mit gekreuzter Polarität und einen Summierschaltkreis 46. Diese Hauptkomponenten des Hall-Sensors von Fig. 6 führen die gleichen Funktionen aus wie dies die entsprechenden Hauptkomponenten in Fig. 3 tun. Diese Hall-Sensoren geben eine große Reduzierung der Hall-Offset-Spannungen und der Verstärker-Offset-Span nungen in der Ausgangsspannung des Summierers vor, d. h. in der Ausgangsspannung des Sensors. Der Hall-Sensor von Fig. 6 zeigt sogar weniger Welligkeit als der Schaltkreis von Fig. 3, welche verminderte Welligkeit der Streichung des differentiellen Abfalles und der Ladungs- Injektions-Effekte der Abtast- und Halteschaltkreise zuzuschreiben ist sowie eine Verminderung von anderem Gleichtaktrauschen, wie beispielsweise Veränderungen in der Versorgungsspannung.

Der Verstärker 42 (Fig. 6) besitzt ein zusätzliches Merkmal, nämlich ein Rausch-Unterdrückungsmerkmal, wobei die zuvor erwähnten Rauschspitzen, die an den Phasenumschaltungen in dem Hall-Schaltertakt ck1 erzeugt werden, in dem Hall-Spannungsverstärker 42 gedämpft werden. Dies wird verwirklicht durch eine gemeinsame Unterdrückungsschaltung innerhalb des Verstärkers 42, welche die Verstärkung des Verstärkers wesentlich während der Phasenumschaltungen in dem Takt ck1 reduziert. Die Unterdrückung wird bewirkt durch ein Taktsignal ck4, das eine Impulsform gemäß Fig. 4d aufweist und das mit dem Hall-Schalter-Taktsignal ck1 von Fig. 4a synchronisiert ist.

Gemäß Fig. 7 wird der Doppel-Differentialverstärker 42 in einem integrierten Schaltkreis gebildet und verwendet bipolare Verstärkungstransistoren 51 und 52, denen P-MOS-Stromspiegeltransistoren 53 und 54 und Stromquellentransistoren 59 und 60 folgen. Der Differentialausgang dieser zwei Spiegeltransistoren wird periodisch durch den Schalter kurzgeschlossen, der aus den 4 MOS-Transistoren, 55, 56, 57 und 58 zusammengesetzt ist. Wenn die N-MOS und P-MOS-Transistoren durch das Taktsignal ck4 während der Phasen ϕ4 und nϕ4 entsprechend eingeschaltet werden, so ist der Verstärker quasi kurzgeschlossen und die Verstärkung des Verstärkers wesentlich reduziert, während er die Funktion der Unterdrückung der Rauschspitzen ausführt, die bei den Phasenumschaltungen des Taktes ck1 erzeugt werden. Dieses Verstärker-Unterdrückungsmerkmal verbessert ferner das Verhältnis des Hall-Sensor-Ausgangssignales zu dem Hall-Schaltungsrauschen.

Der Hall-Sensorschaltkreis von Fig. 6 einschließlich des Verstärkers von Fig. 7 und einschließlich der vier Abtast- und Halteschaltkreiselemente gemäß Fig. 8 (die den Mehrfach-Abtast- und Halteschaltkreis 44 von Fig. 6 ersetzen) ist in der Lage, mit einer Taktfrequenz ck1 zu arbeiten, die größer als 200 kHz ist, und daher kann die verbleibende Welligkeit, die der typischen Stufenwellenform nach der Abtastung und einer möglichen Taktdurchführung zuordenbar ist, unter Verwendung eines Tiefpaßfilters mit einem relativ kleinen integrierbaren Filterkondensator gefiltert werden. Der Abtast- und Halteschalter in Fig. 8 ist aus vier MOS-Transistoren 61, 62, 63 und 64 und einem Pufferschaltkreis zusammengesetzt. Die vier MOS-Transistoren werden durch ein Paar von komplementären Taktsignalen ck2 und nck2 (oder ck3 und nck3) getaktet in der gleichen Weise, wie dies bei dem Rausch-Unter drückungsschalter geschieht unter Verwendung der Transistoren 55-58 in dem Verstärker 42 von Fig. 7.

Der Differential/Differential-Verstärker, z. B. der Verstärker 42 kann durch einen Verstärker mit Differentialeingang und einfachem Ausgang ersetzt werden, wobei der Verstärker-Ausgang direkt an einen (oder an ein Paar von) Abtast- und Halteschaltkreisen und über einen Inverter an einen anderen (oder ein paar von) Abtast- und Halteschaltkreisen angeschlossen ist, wodurch im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wie für den Hall-Sensor von Fig. 3 (oder von Fig. 6) erzielt werden.

Claims

1. Getakteter Hall-Sensor mit einem Hall-Element, das zwei Paare von diagonal gegenüberliegenden Hall-Kontakten besitzt, wobei die Kontakte voneinander beabstandet sind und nahe des Umfanges des Hall-Elementes angeordnet sind, mit einem Paar von Gleichspannungs-Ver sorgungsleitungen, an die eine Gleichspannungsquelle zum Anregen des Hall-Elementes angeschlossen werden kann, mit einem Taktsignalgenerator zur Erzeugung eines binären Taktsignales ck1 an einem ersten Taktausgang, das binäre Phasen ϕ1 und nϕ1 besitzt und mit einem Hall-Element-Schalter-Schaltkreis, der an den ersten Taktausgang angeschlossen ist und ein Paar von Hall-Element-Schalter-Schalt kreis-Ausgangsleitungen besitzt, um während der Phase ϕ1 eines der diagonal gegenüberliegenden Kontaktpaare mit dem Paar von Gleichspannungs-Versorgungsleitungen zu verbinden, während gleichzeitig das andere der diagonal gegenüberliegenden Kontaktpaare mit dem Paar von Hall-Element-Schalter-Schaltkreis-Ausgangsleitungen verbunden wird und um während der Phase nϕ1 das andere der diagonal gegenüberliegenden Kontaktpaare mit dem Paar von Gleichspannungs-Versorgungsleitungen zu verbinden, während gleichzeitig das eine Paar von diagonal gegenüberliegenden Hallkontakten mit dem Paar von Hallelement-Schalter-Schaltkreis-Aus gangsleitungen verbunden wird und wobei die Verbesserung umfaßt:

a) Einen Begleittakt-Signalgenerator, der an den einen Taktsignal-Ge nerator angeschlossen ist und einen zweiten Taktausgang besitzt, um an dem zweiten Taktausgang ein binäres Taktsignal ck2 mit einer binären Phase ϕ2 zu erzeugen, das während eines Mittelteiles einer jeden Phase ϕ1 des Taktsignales ck1 auftritt und der einen dritten Taktausgang besitzt, um an dem dritten Taktausgang ein binäres Taktsignal ck3 mit einer binären Phase ϕ3 zu erzeugen, das während eines Mittelteiles einer jeden Phase nϕ1 des Taktsignales ck1 auftritt;
b) einen linearen, analogen Doppeldifferential-Hall-Span nungsverstärker (30), der mit einem Differentialeingang an das Paar von Hallelement-Schalter-Schaltkreis-Ausgangsleitungen angeschlossen ist;
c) einen getakteten Abtast- und Halteschaltkreis (34, 36), der erste und zweite Abtast- und Halte-Schaltkreiselemente umfaßt, wobei jedes der ersten und zweiten Abtast- und Halte-Schaltkreis elemente einen Eingang besitzt, der entsprechend an den einen oder anderen der Differentialausgänge des Hall-Span nungsverstärkers (30) angeschlossen ist, wobei die ersten und zweiten Abtast- und Halte-Schaltkreiselemente eine Abtast-Frei gabe-Schalteinrichtung aufweisen, die entsprechend an die ersten und zweiten Taktausgänge angeschlossen sind, um entsprechend die Eingangssignale der Abtast- und Halte-Schalt kreiselemente nur während der Phasen ϕ2 und ϕ3 abzutasten, und die Abtastsignale an den entsprechenden Ausgängen der ersten und zweiten Abtast- und Halte-Schaltkreis elemente während der Phasen nϕ2 und nϕ3 entsprechend zu halten; und
d) einen Summierschaltkreis (38), der mit einem ersten Eingang an den Ausgang des ersten Abtast- und Halte-Schaltkreiselementes angeschlossen ist und der mit einem zweiten Eingang an den Ausgang des zweiten Abtast- und Halte-Schaltkreiselementes abgeschlossen ist, wobei der Ausgang des Summierschaltkreises als Ausgang des Hall-Sensors dient.

2. Getakteter Hall-Sensor nach Anspruch 1, wobei der Begleittakt-Signal generator zusätzlich an einem vierten Taktausgang ein binäres Taktsignal ck4 mit einer binären Phase ϕ4 erzeugt, das synchronisiert ist, um während einer Zeitspanne aufzutreten, die jeden Auftritt einer Umschaltung zwischen den Phasen ϕ1 und nϕ1 in dem Taktsignal ck1 umfaßt, wobei der Doppeldifferential-Hall-Spannungsverstärker eine elektrisch betätigte Verstärkungs-Reduzierschalteinrichtung umfaßt, die an den vierten Taktausgang während jeder Phase ϕ4 in dem Taktsignal ck4 angeschlossen ist, um die Differentialverstärkung des Hall-Spannungsverstärkers zu vermindern.

3. Getakteter Hall-Sensor nach Anspruch 1, wobei der getaktete Abtast- und Halteschaltkreis zusätzlich dritte und vierte Abtast- und Halte-Schalt kreiselemente umfaßt und jedes dritte und vierte Abtast-Halte-Schalt kreiselement einen Eingang besitzt, der entsprechend an den anderen und den einen der Differentialausgänge des Hall-Span nungsverstärkers angeschlossen ist, wobei jedes dritte und vierte Abtast- und Halte-Schaltkreiselement eine Abtast-Freigabe-Schalt einrichtung besitzt, die entsprechend an die zweiten und dritten Taktausgänge angeschlossen ist, um die Eingangssignale der Abtast- und Halte-Schaltkreiselemente nur während der Phase nϕ2 und ϕ3 abzutasten und die Abtastsignale an den entsprechenden Ausgängen der dritten und vierten Abtast- und Halte-Schaltkreiselemente während der Phasen nϕ2 und nϕ3 entsprechend zu halten, wobei die Summiereinrichtung zusätzlich einen dritten Eingang aufweist, der an den Ausgang des dritten Abtast- und Halte-Schaltkreiselementes angeschlossen ist und einen vierten Eingang aufweist, der an den Ausgang des vierten Abtast- und Halte-Schaltkreiselementes angeschlossen ist, so daß der getaktete Abtast- und Halte-Schaltkreis ein Volldifferential-Abtast- und Halteschaltkreis mit gekreuzter Polarität ist.