DE2009972B2 - Einrichtung zur Multiplikation zweier elektrischer Größen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Multiplikationseinrichuing für zwei elektrische Größen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Einrichtungen, die zur Multiplikation zweier elektrischer Größen, am häufigsten von Spannungen oder Strömen bzw. anderen in Spannung oder Strom umgewandelter, physikalischer Größen dienen, werden Elemente mit niehtlinearer Strom- und Spannungskennlinie, beispielsweise entsprechend geschaltete Dioden bzw. Elemente, angewendet, in denen physikalische Effekte auftreten, die einen dem Produkt zweier Eingangswerte proportionalen Ausgangswert liefern. Zu den letzteren zählen beispielsweise die zur Multiplikation zweier elektrischer Größen dienenden Hall-Elemente, in denen der Hall-Effekt in Halbleitern ausgenutzt wird. In Multiplikationseinrichtungen mit Hall-Elementen oder auch mit Hall-Generatoren wird eine der Multiplikationsgrößen in Steuerstrom und die andere in magnetische Induktion umgewandelt.

Zur Erzeugung der magnetischen Induktion werden am häufigsten Spulen mii ferromagnetischen oder Ferritkernen, sehener kernlose Spulen. \erw endet. Ferromagnetische Kerne müssen verwendet werden. weil die Multiplikationseinrichtung mit einem Hall-Element oder mit einem Hall-Generator bei hohen Induklionswerten (von über 10 Gs) arbeitet. Die

ίο Verwendung von ferromagnetischen oder Ferritkernen führt zu einer Fehlerhäufung im Endergebnis, die unter anderem durch nichtlineare Abhängigkeit /wischen der Feldstärke und der Induktion. Verluste infolge um Wirbelströmen. Hystereseverluste u. dgl. verursach!

werden. Wenn eine kernlose Spule verwendet wird. ?>ind zwar diese Abweichungen geringer, dafür können abei keine kleinen Ströme oder Spannungen muhipli/ien werden. Außerdem weisen die Multiplikationseinrich tungen mit Hall-Elementen oder mit Hall-Generatoren Abweichungen auf, die mit einem verhältnisniiißi«: großen Temperaturkoeffizienten verbunden sind. Infolge der vorerwähnten Faktoren dürfen die /.u multiplizierenden Größen als Strom etwa 15 niA und als Spannung einige Volt nicht unterschreiten.

Ferner ist eine Einrichtung bekannt, bei welcher der Magnetoresistanzeffekt in dünnen, ferromagnetische!! Schichten mit einer einachsigen Anisotropie in Speicherelementen ausgenutzt wird und bei welcher die dünne magnetische Schicht induktiv an eine Magnetspu-Ie angekoppelt ist. Auf Grund ihres Aufbaus kann jedoch mit dieser Einrichtung kein Ausgangssignal erhallen werden, welches proportional dem Produkt der Größe des durch die Schicht fließenden Stroms und der Größe des Magnetisierungsstroms ist. welcher ein zur leichten Magnetisierungsachse senkrechtes feld erzeugt. Das Ausgangssignal des Speicherelements ist vielmehr ein Impuls mit konstanter Amplitude, und seine Polarisation bzw. sein Vorzeichen bestimmt den Magnetisierungszustand der Schicht, d. h. einer einge schrieberen Binärzahl »0« oder »1«. Eine Multiplikationseinrichtung muß dagegen ein Ausgangssignal liefern, dessen Wert dem Produkt der Stromstärken der durch die Schicht und die Magnetisierungsspule fließenden Ströme proportional ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine mit geringem technischen Aufwand realisierbare Multiplikationseinrichtung zu schaffen, an welcher ein Ausgangssignal entnommen werden kann, welches zwei miteinander zu multiplizierenden elektrischen Größen proportional ist.

welche auch kleine Werte aufweisen können, nämlich beispielsweise Spannungen von etwa 15 mV und Ströme ab einigen niA. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung bei einer Multiplikationseinrichtung für zwei elektrische Größen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Gemäß der Erfindung ist somit eine Multiplikationseinrichtung geschaffen, welche im Vergleich mit bekannten Multiplikationseinrichlungen eine sehr hohe Empfindlichkeit aufweist, d. h„ sie arbeitet bereits bei sehr kleinen Steuerströmen und Magnetfeldern, so daß Einrichtungen zur Konzentrierung des Feldes nicht erforderlich sind! Es können somit kleinere Magnetfelder angelegt werden, und obendrein ist der praktische Anwendungsbereich der Einrichtung in Meß-, Automatik- und Steuerschaltungen wesentlich erweitert.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von

Ausführungsbeispielen und unter lic/.ug .iul die /eichnungen naher erläutert.

Fig. I zeigt die dünne ferromagnetische Schicht mit Elektroden;

I" i g. 2 zeigt das Grundsehallbild der Muliiplikaiionseinrichtung für zwei elektrische Größen;

Fig. 3 zeigt eine Einrichtung g-inüb" der Erfindung mit einer Zusaiz-Magnetisierungsspule;

K ig. 4 zeigt eine Einrichtung gemäß der Erfindung mit einem Dauermagneten;

Fig. 5 zeigt eine Einrichtung gemäß Erfindung mit einer zusätzlichen leitenden Schicht, durch die das Ummagnetisierungifeld erzeugt wird.

In der F i g. 1 ist eine am vorteilhaftesten einachsige Anisotropie aufweisende dünne ferromagnetische Schicht 2 dargestellt, die samt den Stromelektroden 4 und den Spannungselektroden 3 auf den Isolierkörper I aufgetragen ist. Die ferromagnetische Schicht 2 kann einfach oder mehrfach sein, d. h., sie kann aus mehreren durch nichtferromagnetische Zwischenlagen, beispielsweise aus Siliziumoxyd SiO, getrennten ferromagnetischen Schichten bestehen, wobei die Dicke jeder Schicht im Bereich von 5 bis 2000 Nanometer liegen kann; als Isolierkörper kann eine Glasplatte und als lerromagneiischer Stoff verschiedene Permallovarten verwendet werden. Infolge der Einwirkung der Energie der inneren oder induzierten magnetischen Anisotropie kann man in einer solchen Schicht zwei Richtungen, nämlich eine mit einer leichten L und eine mit einer schweren Magnetisierung T! unterscheiden, lit kein fremdes Magnetfeld vorhanden, so ist der Magnetisicrungsvektor /längsder Achse Lgerichtet. Die Lage des Magnetisierungsvektors / ändert sich unter der Einwirkung des fremden Magnetfeldes //. und damit wird auch die Anisotropieachse des elektrischen Widerstandes der Schicht geändert. Zwischen den Spannungselektruden 3 tritt eine Spannung auf. Die Änderung der Anisotropieachse des Widerslandes unter der Einwirkung der Magneiisierungsanderung wird als magnetische Widerstandsänderung bezeichnet. Wird an die Stromelektroden 4 der dünnen ferromagnetische!! Schicht 2 die Spannung Us angelegt, die einen Steuerstrom h fließen läßt, so tritt an den Spannungselektroden 3 eine Ausgangsspannung auf, die von der Lage des Magnctisicrungsvcktors / abhängig ist. Die Lageänderung dieses Vektors wird durch ein äußeres Magnetfeld hervorgerufen.

Eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung ist aus F i g. 2 ersichtlich. Den Klemmen der Magnetisierungsspule 5 wird die Spannung Um oder der Strom Im zugeführt, die der Multiplikation durch die Spannung Us oder den Strom Λ unter'iegen, welch letztere den Slromelekiroden 4 zugeführt werden. Der durch die Spule 5 fließende Strom Im erzeugt das Magnetfeld H, das eine Lageänderung des Magnetisierungsvektors / in der ferromagnetische!! Schicht bewirkt, wodurch an den Spannungselektroden 3 die Spannung L/?auftrilt,dicdcm Produkt der Spannung Um oder des Stroms Im und der Spannung Us oder des Stroms /s proportional ist. Das Ausgangssignal in Form der Spannung Ug oder des Stroms Ig wird direkt dem Meßgerät 6 zugeführt bzw. mit Hilfe des Verstärkers 7 verstärkt.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung mit einer Zusatz-Magnetisie rungsspule 8 angegeben, die durch einen Gleichstrom "on bestimmter Stärke durchflossen wird, durch den das zum Feld H der Spule 5 senkrecht gerichtete konstante Magnetfeld /7- erzeugt wird, infolge dieser Anordnung der Spule 8 in bezug auf tiie ferromagnetische Schicht wird die in der Ebene der ferromagnetischen Schicht liegende Magnetfeldkoniponente erzielt. Die in der Schichtebene liegende Feldkomponenie H wirkt auf den Magnetisierungsvektor / ein, wodurch eine Änderung der Charakteristik des Ausgangssignals der Multiplikationseinrichtung sowie ihrer Empfindlichkeit ermöglicht und damit eine Erweiterung des Meßbereichserzielt wird.

In Fig.4 ist eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der die auf dem isolierkörper 1 angebrachte ferromagneiischeSchich! 2 mit Elektroden und die Magnetisierungsspule 5 sich im Wirkungsbereich des mit Hilfe des Dauermagneten 9 erzeugten Magnetfelds befinden. Der Magnet 9 ist so in bezug auf die ferromagnetische Schicht 2 angeordnet, daß die Magnetfeldkomponente in der Ebene der Schien· 2 liegt. Diese Ausführungsform erfordert keine zusatzliche Gleichstromquelle zur Speisung der Spule 8 gemäß Fig. 3, und eine Änderung der Charakteristik wird durch eine Änderung der Lage des Magneten 9 in bezug auf die dünne Schicht 2 erzielt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung, in der zwischen der isolierenden 1 und der ferromagnetischen Schicht 2 eine dünne !eilende Schicht 10 angeordnet ist. die die Einwirkung der Magnetisierungspule 5 ersetzt. Bei dieser Ausführung wird der durch den Steuerstrom h multiplizierte Strom Im durch die leitende Schicht 10 durchgelassen, und das um diese entstandene Magnetfeld ändert die Lage des Magnetisierung^ ektors / in der ferromagnetischen Schicht 2. Durch das Ersetzen der Magnetisicrungsspule 5 durch die dünne leitende Schicht 10 können die Abmessungen der Einrichtung beträchtlich verringert werden, und ihre Herstellung vereinfacht sich ebenfalls. Diese Ausführungsform ist zur Korrelation ihrer Charakteristik oder Änderung des Meßbereichs mii einer Zusatzspule 8 oder einem Dauermagneten 9 ausgestattet.

Mit Hilfe der beschriebenen E'inriehtungen können sowohl Wechselspannungen und -ströme als auch Gleichspannungen und -ströme multipliziert werden. Der Multiplikationseffekt tritt auch dann auf, wenn eine der Multiplikation unterliegenden Größen konstant und die andere veränderlich ist.

Die Multiplikationseinriehiung für zwei elektrische Größen gemäß der Erfindung weist gute metrologische Eigenschaften auf. Sie ermöglicht die Multiplikation zweier elektrischer Größen mit kleinen Werten, wobei der Einfluß von Störfaktoren auf das Multiplikationsergebnis geringfügig ist. Die Einrichtung hat sehr kleine Abmessungen, wodurch ihr Verwendungsbereich groß ist..

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Multiplikaiionseiniichmng für zwei elektrische Größen, die eine dünne ferromagnetische Schicht mit einer vorzugsweise einachsigen, magnetischen Anisotropie in einer Ebene aufweist und unter Ausnutzung des Magneioresistan/elfektes in der dünnen ferromagnetischen Schicht arbeitet, welche induktiv an eine Magnetspule gekoppelt ist. dadurch gekennzeichnet, daß an der ein- oder mehrfachen ferromagnetischen Schicht (2) vier Elektroden (3, 4) vorgesehen sind, von welchen ein Elektrodenpaar der einander gegenüberliegenden Elektroden (3) in Richtung einer leichten Magnetisierungsachse (L) und das zweite Paar der einander gegenüberliegenden Elektroden (4) senkrecht zu dieser leichten Magnetisierungsachse (L) angeordnet ist. und daß ein Magnetfeld (H), das mittels eines durch die Spule (5) fließenden und der Multiplikation unterliegenden Gleichstroms oder Wechselstroms (Im)erzeugt wird, eine zur leichten Magnetisierungsachse (L) senkrechte Richtung aufweist, wobei der durch die Spule (5) fließende Strom (Im) mit dem dem zweiten Elektrodenpaar (4) zugeführten Wechseloder Gleichstrom multipliziert wird, und von dem ersten Elektrodenpaar (3) ein Signal entnommen wird, das das Produkt der beiden Größen bildet.

2. Multiplikationseinrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die dünne ferromagnetische Schicht (2) mit den Elektrodenpaaren (3 und 4), die auf einem Isolierkörper (1) angebracht sind, sowie die Magnelisierungsspule (5) je nach Bedarf im Wirkungsbereich eines mittels einer zusätzlichen Magnetisierungsspule (8) oder eines Dauermagneten (9) erzeugten Magnetfeldes angeordnet sind, wobei die zusätzliche Spule (8) oder der Dauermagnet (9) bezüglich der Schicht (2) so angeordnet sind, daß das Magnetfeld eine in der Ebene dieser Schicht (2) liegende Komponente besitzt.

3. Multiplikationseinrichlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Isolierkörper (1) und der mit zwei Elektrodenpaarcn (3 und 4) versehenen, dünnen, ferromagnetischen Schicht (2) eine dünne leitende Schicht (10) mit einem Paar Elektroden angeordnet ist, durch die der der Multiplikation unterliegende Magnetisierungsslrom (Vm^zugeführt wird.