ITTO20100943A1 - READING CIRCUIT FOR A MAGNETIC FIELD SENSOR WITH SENSITIVITY CALIBRATION, AND RELATIVE READING METHOD - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:
“CIRCUITO DI LETTURA PER UN SENSORE DI CAMPO MAGNETICO CON CALIBRAZIONE DI SENSIBILITA', E RELATIVO METODO DI LETTURA†⠀ œREADING CIRCUIT FOR A MAGNETIC FIELD SENSOR WITH SENSITIVITY CALIBRATION, AND RELATED READING METHODâ €
La presente invenzione à ̈ relativa ad un circuito di lettura per un sensore di campo magnetico, in particolare un sensore magnetico magnetoresistivo anisotropo (AMR – “Anisotropic Magneto-Resistive†), con calibrazione della sensibilità dello stesso sensore, e ad un relativo metodo di calibrazione. The present invention relates to a reading circuit for a magnetic field sensor, in particular an anisotropic magnetoresistive magnetic sensor (AMR - â € œAnisotropic Magneto-Resistiveâ €), with calibration of the sensitivity of the sensor itself, and to a related calibration method.
Sensori di campo magnetico, in particolare sensori magnetici AMR, sono utilizzati in una pluralità di applicazioni e sistemi, ad esempio in bussole, in sistemi di rilevamento di materiali ferrosi, nel rilevamento di correnti, e in svariate altre applicazioni, grazie alla loro capacità di rilevare campi magnetici naturali (ad esempio il campo magnetico terrestre) e campi magnetici generati da componenti elettrici (quali dispositivi elettrici o elettronici e linee percorse da corrente elettrica). Magnetic field sensors, in particular AMR magnetic sensors, are used in a plurality of applications and systems, for example in compasses, in detection systems of ferrous materials, in current detection, and in various other applications, thanks to their ability to detect natural magnetic fields (for example the earth's magnetic field) and magnetic fields generated by electrical components (such as electrical or electronic devices and lines crossed by electric current).
In modo noto, il fenomeno della magnetoresistività anisotropa si verifica all’interno di particolari materiali ferrosi, che, quando sottoposti ad un campo magnetico esterno, subiscono una variazione di resistività in funzione delle caratteristiche dello stesso campo magnetico esterno. Solitamente, tali materiali vengono applicati sotto forma di sottili strisce (“strips†) in modo da formare elementi resistivi, e gli elementi resistivi così formati vengono collegati elettricamente a formare una struttura a ponte (tipicamente un ponte di Wheatstone). In a known way, the phenomenon of anisotropic magnetoresistivity occurs inside particular ferrous materials, which, when subjected to an external magnetic field, undergo a variation in resistivity as a function of the characteristics of the same external magnetic field. Usually, these materials are applied in the form of thin strips (â € œstripsâ €) to form resistive elements, and the resistive elements thus formed are electrically connected to form a bridge structure (typically a Wheatstone bridge).
È noto inoltre realizzare sensori magnetici AMR con tecniche standard di microfabbricazione dei semiconduttori, come descritto ad esempio in US 4,847,584. In particolare, ciascun elemento magnetoresistivo può essere formato da un film di materiale magnetoresistivo, quale ad esempio il Permalloy (una lega ferromagnetica contenente ferro e nichel), depositato a formare una sottile striscia su un substrato di materiale semiconduttore, ad esempio silicio. It is also known to realize AMR magnetic sensors with standard semiconductor microfabrication techniques, as described for example in US 4,847,584. In particular, each magnetoresistive element can be formed by a film of magnetoresistive material, such as for example Permalloy (a ferromagnetic alloy containing iron and nickel), deposited to form a thin strip on a substrate of semiconductor material, for example silicon.
Quando una corrente elettrica viene fatta scorrere attraverso un elemento magnetoresistivo, l’angolo Î ̧ tra la direzione di magnetizzazione di tale elemento magnetoresistivo e la direzione del flusso della corrente influenza il valore effettivo di resistività dello stesso elemento magnetoresistivo, così che, al variare del valore dell’angolo Î ̧, varia il valore di resistenza elettrica (in dettaglio, tale variazione segue una legge del tipo cos<2>Î ̧). Ad esempio, una direzione di magnetizzazione parallela alla direzione del flusso di corrente risulta in un valore di resistenza al passaggio di corrente attraverso l’elemento magnetoresistivo massimo, mentre una direzione di magnetizzazione ortogonale alla direzione del flusso di corrente risulta in un valore di resistenza al passaggio di corrente attraverso l’elemento magnetoresistivo minimo. When an electric current is made to flow through a magnetoresistive element, the angle Î ̧ between the direction of magnetization of that magnetoresistive element and the direction of current flow affects the effective resistivity value of the magnetoresistive element itself, so that, at the varying the value of the angle Î ̧, the electrical resistance value varies (in detail, this variation follows a law of the type cos <2> Î ̧). For example, a direction of magnetization parallel to the direction of the current flow results in a resistance value to the passage of current through the maximum magnetoresistive element, while a direction of magnetization orthogonal to the direction of the current flow results in a resistance value to the passage of current through the minimum magnetoresistive element.
Solitamente, i sensori magnetici AMR includono inoltre bobine, integrate negli stessi sensori, cosiddette “offset strap†, atte a generare, quando percorse da una corrente di valore opportuno, un campo magnetico che si accoppia lungo la direzione di rilevamento dei sensori; a questo riguardo, si veda ad esempio US 5,247,278. Tali bobine di offset sono solitamente utilizzate per operazioni di compensazione dell’offset presente nei sensori (a causa di mismatch nei valori dei relativi componenti elettrici) ed operazioni di self-test; in particolare, il valore delle grandezze elettriche in uscita dai sensori sono in tal caso funzione sia del campo magnetico esterno da rilevare, sia del campo magnetico generato internamente per effetto della corrente circolante nelle bobine di offset (che viene infatti rilevato dagli elementi magnetoresistivi). Le bobine di offset sono costituite da spire di materiale conduttivo, ad esempio metallico, disposte sullo stesso substrato su cui sono realizzati gli elementi magnetoresistivi del sensore, essendo elettricamente isolate dagli, e disposte in prossimità degli, stessi elementi magnetoresistivi. Usually, AMR magnetic sensors also include coils, integrated in the sensors themselves, so-called â € œoffset strapsâ €, capable of generating, when traversed by a current of suitable value, a magnetic field that couples along the sensing direction of the sensors; in this regard, see for example US 5,247,278. These offset coils are usually used for compensation of the offset present in the sensors (due to mismatch in the values of the relative electrical components) and self-test operations; in particular, the value of the electrical quantities coming out of the sensors are in this case a function both of the external magnetic field to be detected and of the magnetic field generated internally due to the effect of the current circulating in the offset coils (which is in fact detected by the magnetoresistive elements). The offset coils consist of coils of conductive material, for example metal, arranged on the same substrate on which the magnetoresistive elements of the sensor are made, being electrically isolated from, and arranged in proximity to, the same magnetoresistive elements.
In particolare, la struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone di un sensore magnetico AMR include elementi magnetoresistivi idealmente di pari valore di resistenza, e tali da formare coppie diagonali di elementi uguali, che reagiscono in maniera tra loro opposta ai campi magnetici esterni, come mostrato schematicamente in figura 1 (in cui I indica la corrente elettrica che fluisce negli elementi magnetoresistivi e R il valore comune di resistenza). In particular, the Wheatstone bridge detection structure of an AMR magnetic sensor includes magnetoresistive elements ideally of equal resistance value, and such as to form diagonal pairs of equal elements, which react opposite each other to external magnetic fields, as shown schematically in Figure 1 (where I indicates the electric current flowing in the magnetoresistive elements and R the common resistance value).
Applicando una tensione di alimentazione Vsin ingresso alla struttura di rilevamento a ponte (in particolare a primi due terminali del ponte, che operano come terminali di ingresso), in presenza di un campo magnetico esterno He, si verifica una variazione di resistenza ΔR degli elementi magnetoresistivi ed una corrispondente variazione del valore di caduta di tensione (“voltage drop†) sugli stessi elementi magnetoresistivi; infatti, il campo magnetico esterno Hedetermina una variazione della direzione di magnetizzazione degli elementi magnetoresistivi. Ne consegue uno sbilanciamento del ponte, che si manifesta come una variazione di tensione ΔV all’uscita del circuito a ponte (in particolare tra i restanti due terminali del ponte, che operano come terminali di uscita). Siccome la direzione della magnetizzazione iniziale degli elementi magnetoresistivi à ̈ nota a priori, in funzione di tale variazione di tensione ΔV risulta dunque possibile risalire alla componente del campo magnetico esterno agente lungo la direzione di sensibilità del sensore magnetico (essendo dunque possibile, utilizzando tre sensori magnetici con direzioni di sensibilità tra loro ortogonali, determinare modulo e direzione dello stesso campo magnetico esterno). By applying an input supply voltage Vs to the bridge detection structure (in particular to the first two terminals of the bridge, which operate as input terminals), in the presence of an external magnetic field He, a change in resistance Î "R of the magnetoresistive elements and a corresponding variation of the voltage drop value (â € œvoltage dropâ €) on the same magnetoresistive elements; in fact, the external magnetic field Hedetermines a variation of the magnetization direction of the magnetoresistive elements. The result is an imbalance of the bridge, which manifests itself as a voltage variation Î ”V at the output of the bridge circuit (in particular between the remaining two terminals of the bridge, which operate as output terminals). Since the direction of the initial magnetization of the magnetoresistive elements is known a priori, as a function of this voltage variation Î "V it is therefore possible to trace the component of the external magnetic field acting along the direction of sensitivity of the magnetic sensor (thus being possible, using three magnetic sensors with orthogonal directions of sensitivity to each other, to determine the module and direction of the same external magnetic field).
In particolare, per rilevare lo sbilanciamento del ponte di Wheatstone e generare un segnale di uscita indicativo delle caratteristiche del campo magnetico esterno da misurare, viene solitamente utilizzato un circuito (o front-end) di lettura, accoppiato all’uscita del sensore magnetico AMR, ed includente, ad esempio, un amplificatore da strumentazione. Il sensore magnetico AMR e l’associato circuito di lettura formano, insieme, un dispositivo sensore di campo magnetico, che fornisce in uscita un segnale elettrico in funzione del campo magnetico rilevato, presentando una data risposta ingresso/uscita, dovuta in parte alla sensibilità della struttura di rilevamento a ponte, ed in parte al guadagno dell’associato front-end di lettura. In particular, to detect the imbalance of the Wheatstone bridge and generate an output signal indicative of the characteristics of the external magnetic field to be measured, a reading circuit (or front-end) is usually used, coupled to the output of the AMR magnetic sensor. , and including, for example, an instrumentation amplifier. The AMR magnetic sensor and the associated reading circuit together form a magnetic field sensor device, which outputs an electrical signal as a function of the detected magnetic field, presenting a given input / output response, partly due to sensitivity of the bridge detection structure, and in part to the gain of the associated reading front-end.
In modo noto, la sensibilità dei sensori magnetici AMR, ovvero l’entità della risposta elettrica fornita dalla relativa struttura di rilevamento a ponte in funzione del campo magnetico esterno da rilevare, presenta normalmente un’elevata variabilità (o spread), che può arrivare anche fino al 40% rispetto al valore nominale. Tale variabilità à ̈ dovuta ad esempio alle variazioni intrinseche di processo associate alla fabbricazione dei sensori stessi. In a known way, the sensitivity of AMR magnetic sensors, that is the magnitude of the electrical response provided by the relative bridge detection structure as a function of the external magnetic field to be detected, normally presents a high variability (or spread), which can even up to 40% of the nominal value. This variability is due, for example, to the intrinsic process variations associated with the manufacture of the sensors themselves.
Di conseguenza, uno stesso campo magnetico esterno può generare segnali elettrici il cui valore può variare considerevolmente anche tra sensori realizzati nello stesso lotto di fabbricazione. Una tale variabilità nella sensibilità dei sensori magnetici AMR può non essere accettabile, in particolare in quelle applicazioni che richiedono una misura accurata del campo magnetico da rilevare, come ad esempio nei magnetometri. Consequently, the same external magnetic field can generate electrical signals whose value can vary considerably even between sensors made in the same manufacturing batch. Such a variability in the sensitivity of AMR magnetic sensors may not be acceptable, particularly in those applications that require an accurate measurement of the magnetic field to be detected, such as in magnetometers.
Sono state dunque proposte tecniche di calibrazione dei sensori magnetici AMR, atte a ridurre o almeno limitare la variabilità della sensibilità delle relative strutture di rilevamento. Therefore, calibration techniques have been proposed for the AMR magnetic sensors, aimed at reducing or at least limiting the variability of the sensitivity of the relative detection structures.
Ad esempio, una tecnica di calibrazione prevede l’utilizzo di procedimenti di “laser trimming†nell’ambito del processo di fabbricazione dei sensori magnetici AMR, ovvero l’utilizzo di tecniche di asportazione laser per regolare i valori dei componenti elettronici che costituiscono gli stessi sensori). In particolare, in un ambiente esterno a campo magnetico controllato, si regolano fisicamente le caratteristiche elettriche del sensore in modo tale che fornisca in uscita una grandezza elettrica di valore corrispondente a quello del campo magnetico esterno, indipendentemente dalle variazioni di processo che possano averne alterato la sensibilità . For example, a calibration technique involves the use of â € œlaser trimmingâ € procedures as part of the manufacturing process of AMR magnetic sensors, or the use of laser removal techniques to adjust the values of the electronic components which constitute the same sensors). In particular, in an external environment with a controlled magnetic field, the electrical characteristics of the sensor are physically adjusted in such a way that it outputs an electrical quantity having a value corresponding to that of the external magnetic field, regardless of the process variations that may have altered its output. sensitivity.
Tale tecnica tuttavia, oltre ad essere di complessa e costosa implementazione (in quanto richiede dispendiose attrezzature di test e calibrazione), necessita un accurato controllo del campo magnetico presente nell’area circostante i sensori durante le operazioni di calibrazione; tale controllo accurato può tuttavia risultare difficile da ottenere, a causa ad esempio di campi magnetici parassiti generati dai macchinari di test o provenienti dall’ambiente di fabbricazione. However, this technique, in addition to being complex and expensive to implement (as it requires expensive test and calibration equipment), requires careful control of the magnetic field present in the area surrounding the sensors during calibration operations; however, such accurate control can be difficult to obtain, due for example to parasitic magnetic fields generated by the test machines or coming from the manufacturing environment.
Le tecniche di calibrazione dei sensori magnetici AMR che sono state sino ad oggi proposte non risultano dunque del tutto soddisfacenti, e spesso non sono in grado di assicurare i risultati desiderati. The calibration techniques of the AMR magnetic sensors that have been proposed up to now are therefore not entirely satisfactory, and are often not able to ensure the desired results.
Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire una tecnica di calibrazione relativa alla sensibilità di un sensore magnetico AMR, che risulti esente dagli svantaggi dell’arte nota, precedentemente evidenziati. The aim of the present invention is therefore to provide a calibration technique relating to the sensitivity of an AMR magnetic sensor, which is free from the disadvantages of the prior art, previously highlighted.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un circuito ed un relativo metodo di lettura, come definiti nelle rivendicazioni allegate. According to the present invention, a circuit and a relative reading method are provided, as defined in the attached claims.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: For a better understanding of the present invention, preferred embodiments are now described, purely by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:
- la figura 1 mostra uno schema elettrico semplificato di un sensore magnetico AMR di tipo noto, con struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone; Figure 1 shows a simplified electrical diagram of a known type AMR magnetic sensor, with Wheatstone bridge detection structure;
- la figura 2 mostra uno schema semplificato di un circuito di lettura per un sensore di campo magnetico, in particolare un sensore magnetico AMR, includente uno stadio di calibrazione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 2 shows a simplified diagram of a reading circuit for a magnetic field sensor, in particular an AMR magnetic sensor, including a calibration stage according to an embodiment of the present invention;
- la figura 3 Ã ̈ un diagramma di flusso relativo ad operazioni previste da un metodo di calibrazione utilizzato nel circuito di figura 2; e - figure 3 is a flow chart relating to operations envisaged by a calibration method used in the circuit of figure 2; And
- la figura 4 mostra uno schema a blocchi semplificato di un dispositivo elettronico includente il circuito di lettura ed il sensore di campo magnetico di figura 2. - figure 4 shows a simplified block diagram of an electronic device including the reading circuit and the magnetic field sensor of figure 2.
Un aspetto della presente invenzione si applica ad un sensore di campo magnetico, in particolare un sensore magnetico AMR del tipo descritto con riferimento alla figura 1, e prevede di implementare un circuito di lettura, associato al sensore di campo magnetico, che comprende: uno stadio di guadagno variabile e selezionabile; ed uno stadio di calibrazione, configurato per variare il valore di guadagno implementato dallo stadio di guadagno in modo tale da compensare, ed in particolare ridurre, eventuali “spread†di sensibilità del sensore di campo magnetico dovuti, ad esempio, al processo di fabbricazione dello stesso sensore di campo magnetico. In altre parole, il circuito di lettura associato al sensore di campo magnetico viene dotato di una funzione di calibrazione della sensibilità dello stesso sensore, in modo tale che l’utente percepisca una risposta complessiva del dispositivo sensore (inteso come l’insieme del sensore e del relativo circuito di lettura) corrispondente ad una risposta nominale o attesa (ovvero una risposta come da “data sheet†). An aspect of the present invention applies to a magnetic field sensor, in particular an AMR magnetic sensor of the type described with reference to Figure 1, and provides for the implementation of a reading circuit, associated with the magnetic field sensor, which comprises: a stage variable and selectable gain; and a calibration stage, configured to vary the gain value implemented by the gain stage in such a way as to compensate, and in particular reduce, any sensitivity `` spread '' of the magnetic field sensor due, for example, to the manufacturing process of the same magnetic field sensor. In other words, the reading circuit associated with the magnetic field sensor is equipped with a calibration function of the sensitivity of the same sensor, so that the user perceives an overall response of the sensor device (intended as the whole of the sensor and related reading circuit) corresponding to a nominal or expected response (i.e. a response as per â € œdata sheetâ €).
Inoltre, un aspetto della presente invenzione prevede di utilizzare, per la suddetta operazione di calibrazione, una bobina di offset (cosiddetta “offset strap†) integrata nella struttura dello stesso sensore magnetico AMR (si veda la discussione precedente), al fine di generare un campo magnetico interno di valore noto e controllato, in prossimità degli elementi magnetoresistivi del sensore di campo magnetico. La risposta del dispositivo sensore a tale campo magnetico di valore controllato può essere infatti utilizzata per determinare lo spread della sensibilità effettiva del sensore di campo magnetico, e variare di conseguenza il guadagno dell’associato circuito di lettura. Furthermore, an aspect of the present invention provides for the use, for the aforementioned calibration operation, an offset coil (so-called â € œoffset strapâ €) integrated in the structure of the AMR magnetic sensor itself (see the previous discussion), in order to generate an internal magnetic field of known and controlled value, near the magnetoresistive elements of the magnetic field sensor. The response of the sensor device to this magnetic field of controlled value can in fact be used to determine the spread of the effective sensitivity of the magnetic field sensor, and consequently vary the gain of the associated reading circuit.
In dettaglio, la figura 2 mostra schematicamente un dispositivo sensore secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, indicato nel suo complesso con 1, includente un sensore di campo magnetico (in particolare un sensore magnetico AMR), indicato con 2 e schematizzato mediante il suo circuito equivalente a ponte di Wheatstone, ed un circuito (o front-end) di lettura 3, associato al sensore di campo magnetico 2. In detail, figure 2 schematically shows a sensor device according to an embodiment of the present invention, indicated as a whole with 1, including a magnetic field sensor (in particular an AMR magnetic sensor), indicated with 2 and schematized by its equivalent Wheatstone bridge circuit, and a reading circuit (or front-end) 3, associated with the magnetic field sensor 2.
In particolare, il sensore di campo magnetico 2 comprende una struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone, con quattro elementi magnetoresistivi 2a-2d, ad esempio costituiti da strisce di un film sottile di materiale magnetoresistivo, quale il Permalloy, aventi uno stesso valore di resistenza a riposo R (in assenza di campi magnetici esterni), ed atti a subire a coppie una stessa variazione ΔR in presenza di un campo magnetico esterno He(le coppie sono formate dagli elementi affacciati in diagonale nel ponte, vale a dire una prima coppia à ̈ formata dagli elementi magnetoresistivi 2a e 2c, ed una seconda coppia dagli elementi magnetoresistivi 2b e 2d). In particular, the magnetic field sensor 2 comprises a Wheatstone bridge detection structure, with four magnetoresistive elements 2a-2d, for example consisting of strips of a thin film of magnetoresistive material, such as Permalloy, having the same resistance value at rest R (in the absence of external magnetic fields), and capable of undergoing the same variation in pairs Î "R in the presence of an external magnetic field He (the pairs are formed by the elements facing diagonally in the bridge, ie a first pair is formed by the magnetoresistive elements 2a and 2c, and a second pair by the magnetoresistive elements 2b and 2d).
La struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone presenta un primo terminale di ingresso In1, collegato al polo positivo di una sorgente di alimentazione fornente una tensione di alimentazione Vs, ed un secondo terminale di ingresso In2, collegato al polo negativo della stessa sorgente di alimentazione (ad esempio coincidente con un terminale di massa del circuito di lettura 3). La struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone presenta inoltre un primo ed un secondo terminale di uscita Out1, Out2, tra cui à ̈ presente il segnale elettrico di sbilanciamento (ovvero la variazione di tensione ΔV), che à ̈ funzione, in particolare, delle caratteristiche del campo magnetico esterno He. The Wheatstone bridge detection structure has a first input terminal In1, connected to the positive pole of a power source providing a power supply voltage Vs, and a second input terminal In2, connected to the negative pole of the same power source ( for example coinciding with a ground terminal of the reading circuit 3). The Wheatstone bridge detection structure also has a first and a second output terminal Out1, Out2, including the electrical unbalance signal (ie the voltage variation Î "V), which is a function, in particular , of the characteristics of the external magnetic field He.
Il sensore di campo magnetico 2 comprende inoltre una bobina di offset 4 (schematizzata in figura 2 come un resistore, e comunemente nota come “offset strap†), disposta in modo da essere accoppiata magneticamente agli elementi magnetoresistivi 2a-2d e collegata elettricamente ad un generatore di corrente 5, atto a fornire una corrente di eccitazione Iecc, di valore controllato, alla stessa bobina di offset 4; in modo noto, e come precedentemente discusso, la bobina di offset 4 à ̈ integrata nel sensore di campo magnetico 2 (ad esempio essendo realizzata sullo stesso substrato di silicio su cui sono realizzati gli elementi magnetoresistivi 2a-2d) ed à ̈ atta a generare, in funzione del valore della corrente di eccitazione Iecc, un campo magnetico interno Hi, di valore noto. The magnetic field sensor 2 also comprises an offset coil 4 (schematized in Figure 2 as a resistor, and commonly known as the â € œoffset strapâ €), arranged in such a way as to be magnetically coupled to the magnetoresistive elements 2a-2d and electrically connected to a current generator 5, adapted to supply an excitation current Iecc, of controlled value, to the same offset coil 4; in a known way, and as previously discussed, the offset coil 4 is integrated in the magnetic field sensor 2 (for example being made on the same silicon substrate on which the magnetoresistive elements 2a-2d are made) and is capable of generating , as a function of the value of the excitation current Iecc, an internal magnetic field Hi, of known value.
Il circuito di lettura 3 comprende uno stadio di amplificazione 6 (mostrato schematicamente in figura 2), accoppiato elettricamente all’uscita del sensore di campo magnetico 2 ed includente ad esempio un amplificatore operazionale, indicato con 8, di tipo “fully differential†(ovvero avente ingressi ed uscite differenziali). L’amplificatore 8 presenta un ingresso non invertente 8a collegato al primo terminale di uscita Out1del sensore di campo magnetico 2, ed un ingresso invertente 8b collegato al secondo terminale di uscita Out2; l’amplificatore 8 presenta inoltre un’uscita invertente 8c ed un’uscita non invertente 8d, tra cui à ̈ presente un segnale di uscita Vout, che risulta funzione della variazione di tensione ΔV fornita dal sensore di campo magnetico 2. The reading circuit 3 comprises an amplification stage 6 (schematically shown in figure 2), electrically coupled to the output of the magnetic field sensor 2 and including for example an operational amplifier, indicated with 8, of the â € œfully differentialâ € type. (i.e. having differential inputs and outputs). The amplifier 8 has a non-inverting input 8a connected to the first output terminal Out1 of the magnetic field sensor 2, and an inverting input 8b connected to the second output terminal Out2; the amplifier 8 also has an inverting output 8c and a non-inverting output 8d, among which there is an output signal Vout, which is a function of the voltage variation Î "V supplied by the magnetic field sensor 2 .
Lo stadio di amplificazione 6 comprende un primo ed un secondo ramo circuitale sostanzialmente identici, collegati rispettivamente agli ingressi non invertente ed invertente 8a, 8b dell’amplificatore 8, ciascuno dei quali realizza una rete di guadagno, in questo caso capacitiva (in maniera evidente, in una differente forma di realizzazione, può essere prevista una rete di guadagno resistiva). The amplification stage 6 comprises a first and a second substantially identical circuit branch, connected respectively to the non-inverting and inverting inputs 8a, 8b of the amplifier 8, each of which realizes a gain network, in this case capacitive (evidently , in a different embodiment, a resistive gain network can be provided).
In dettaglio, ciascun ramo comprende un primo condensatore di guadagno 9, avente un primo terminale collegato ad un rispettivo terminale di uscita Out1, Out2(a seconda del ramo circuitale considerato) del sensore di campo magnetico 2, ed un secondo terminale collegato ad un rispettivo ingresso non invertente o invertente 8a, 8b (nuovamente, a seconda del ramo circuitale considerato) dell’amplificatore 8; il primo condensatore di guadagno 9 presenta una capacità C1. Ciascun ramo circuitale comprende inoltre un secondo condensatore di guadagno 10, avente un primo terminale collegato ad un rispettivo ingresso non invertente o invertente 8a, 8b (a seconda del ramo circuitale considerato) dell’amplificatore 8, ed un secondo terminale collegato ad una rispettiva uscita invertente o non invertente 8c, 8d (nuovamente, a seconda del ramo circuitale considerato) dello stesso amplificatore 8; il secondo condensatore di guadagno 10 presenta una capacità C2. In detail, each branch comprises a first gain capacitor 9, having a first terminal connected to a respective output terminal Out1, Out2 (depending on the circuit branch considered) of the magnetic field sensor 2, and a second terminal connected to a respective non-inverting or inverting input 8a, 8b (again, depending on the circuit branch considered) of the amplifier 8; the first gain capacitor 9 has a capacitance C1. Each circuit branch also comprises a second gain capacitor 10, having a first terminal connected to a respective non-inverting or inverting input 8a, 8b (depending on the circuit branch considered) of the amplifier 8, and a second terminal connected to a respective inverting or non-inverting output 8c, 8d (again, depending on the circuit branch considered) of the same amplifier 8; the second gain capacitor 10 has a capacitance C2.
Il circuito di lettura 3 comprende inoltre uno stadio di calibrazione 12, configurato in modo da implementare un algoritmo di calibrazione (descritto in dettaglio in seguito) per compensare variazioni di sensibilità della struttura di rilevamento del sensore di campo magnetico 2, ed in particolare per ridurre gli effetti di eventuali spread dovuti ad esempio al processo di fabbricazione. The reading circuit 3 further comprises a calibration stage 12, configured so as to implement a calibration algorithm (described in detail below) to compensate for variations in sensitivity of the detection structure of the magnetic field sensor 2, and in particular to reduce the effects of any spreads due for example to the manufacturing process.
In dettaglio, lo stadio di calibrazione 12 comprende una prima ed una seconda unità di condensatore regolabile (“trimmable capacitor†, dette anche “captrim†) 14a, 14b, collegate in parallelo al primo condensatore di guadagno 9 rispettivamente del primo e del secondo ramo circuitale, ed agenti come elementi di variazione del guadagno dello stadio di amplificazione 6. Ciascuna unità di condensatore regolabile 14a, 14b presenta: un primo ed un secondo terminale, tra cui fornisce una capacità complessiva di valore variabile Cx; ed un terminale di controllo, su cui riceve un segnale di controllo guadagno Sg, che determina il valore della suddetta capacità complessiva; il segnale di controllo guadagno Sgà ̈ un segnale digitale a n bit (b0, b1, b2, … bn), con n ad esempio uguale a sei. In maniera evidente, in una differente forma di realizzazione, in cui si utilizzi una rete di guadagno resistiva, potrebbe essere previsto l’utilizzo di un resistore a resistenza variabile e selezionabile. In detail, the calibration stage 12 comprises a first and a second adjustable capacitor unit (â € œtrimmable capacitorâ €, also called â € œcaptrimâ €) 14a, 14b, connected in parallel to the first gain capacitor 9 respectively of the first and of the second circuit branch, and acting as elements for varying the gain of the amplification stage 6. Each adjustable capacitor unit 14a, 14b has: a first and a second terminal, between which it provides an overall capacitance of variable value Cx; and a control terminal, on which it receives a gain control signal Sg, which determines the value of the aforesaid overall capacity; the gain control signal Sgà is an n-bit digital signal (b0, b1, b2, â € ¦ bn), with n for example equal to six. Clearly, in a different embodiment, in which a resistive gain network is used, the use of a resistor with variable and selectable resistance could be envisaged.
In maggiore dettaglio, ciascuna unità di condensatore regolabile 14a, 14b à ̈ realizzata da un rispettivo banco di condensatori elementari 14a0-14an, 14b0-14bn, i quali sono tra loro selettivamente collegati in parallelo, e ciascuno dei quali à ̈ collegato in serie ad un rispettivo interruttore di abilitazione 15, controllato da un rispettivo bit b0-bndel segnale di controllo guadagno Sg. In tal modo, in funzione della configurazione di bit del segnale di controllo guadagno Sg, varia la configurazione dei condensatori elementari 14a0-14an, 14b0-14bncollegati in parallelo, e dunque il valore della capacità complessiva Cxdelle unità di condensatore regolabile 14a, 14b. In greater detail, each adjustable capacitor unit 14a, 14b is made from a respective bank of elementary capacitors 14a0-14an, 14b0-14bn, which are selectively connected to each other in parallel, and each of which is connected in series to a respective enabling switch 15, controlled by a respective bit b0-bnd of the gain control signal Sg. In this way, according to the bit configuration of the gain control signal Sg, the configuration of the elementary capacitors 14a0-14an, 14b0-14bn connected in parallel varies, and therefore the value of the overall capacity Cx of the adjustable capacitor units 14a, 14b.
In particolare, risulta evidente che il guadagno G dello stadio di amplificazione 6, che determina il valore del segnale di uscita Vout, Ã ̈ dato da: In particular, it is evident that the gain G of the amplification stage 6, which determines the value of the output signal Vout, is given by:
G=-(C1+Cx)/C2G = - (C1 + Cx) / C2
dove la capacità complessiva Cxà ̈ data dalla somma delle capacità dei condensatori elementari 14a0-14an, 14b0-14bnche risultano di volta in volta collegati in parallelo nel rispettivo banco di condensatori. Il guadagno G risulta dunque variabile, ed elettronicamente selezionabile (in modo da essere incrementato o decrementato), in funzione del segnale di controllo guadagno Sg. where the overall capacity Cx is given by the sum of the capacities of the elementary capacitors 14a0-14an, 14b0-14bn which are each time connected in parallel in the respective capacitor bank. The gain G is therefore variable, and electronically selectable (so as to be increased or decreased), according to the gain control signal Sg.
Lo stadio di calibrazione 12 comprende inoltre: un convertitore ADC (Analog-to-Digital Converter) 18, avente ingressi collegati alle uscite 8c, 8d dell’amplificatore 8, ed atto a convertire da analogico a digitale il segnale di uscita Vout fornito dallo stesso amplificatore 8 (il convertitore ADC 18 opera a m bit, con m ad esempio uguale a dodici; ed un’unità di elaborazione 19 (ad esempio includente un microprocessore o un microcontrollore, o un analogo strumento di calcolo), collegata all’uscita del convertitore ADC 18 ed atta ad implementare, mediante un’opportuna logica di controllo, i passi dell’algoritmo di calibrazione che sarà successivamente descritto. The calibration stage 12 also comprises: an ADC (Analog-to-Digital Converter) 18, having inputs connected to the outputs 8c, 8d of the amplifier 8, and able to convert from analog to digital the output signal Vout supplied by the same amplifier 8 (the ADC converter 18 operates in m bit, with m for example equal to twelve; and a processing unit 19 (for example including a microprocessor or a microcontroller, or an analogous calculation instrument), connected to the output of the ADC converter 18 and able to implement, by means of an appropriate control logic, the steps of the calibration algorithm that will be described later.
In particolare, l’unità di elaborazione 19, in funzione del valore del segnale di uscita Vout, determina il valore del segnale di controllo guadagno Sgda inviare alla prima ed alla seconda unità di condensatore regolabile 14a, 14b, per variare il guadagno G dello stadio di amplificazione 6. In particular, the processing unit 19, according to the value of the output signal Vout, determines the value of the gain control signal Sg to be sent to the first and second adjustable capacitor units 14a, 14b, to vary the gain G of the amplifier stage 6.
La stessa unità di elaborazione 19 genera inoltre un segnale di controllo corrente Si, che invia al generatore di corrente 5, per controllare la fornitura della corrente di eccitazione Ieccalla bobina di offset 4 integrata nel sensore di campo magnetico 2, ed in particolare per controllare la generazione, mediante la stessa bobina di offset 4, del campo magnetico interno Hidi valore noto e controllato. In una differente forma di realizzazione, il generatore di corrente 5 può essere controllato da un’unità di controllo esterna al circuito di lettura 3 (ad esempio un’unità di controllo dell’apparecchio elettronico che incorpora il dispositivo sensore 1), e l’unità di elaborazione 19 riceve da tale unità di controllo esterna l’informazione sul valore del campo magnetico interno Higenerato, all’occorrenza, mediante la bobina di offset 4. The same processing unit 19 also generates a current control signal Si, which it sends to the current generator 5, to control the supply of the excitation current Iecc to the offset coil 4 integrated in the magnetic field sensor 2, and in particular to control the generation, by means of the same offset coil 4, of the internal magnetic field Hidi known and controlled value. In a different embodiment, the current generator 5 can be controlled by a control unit external to the reading circuit 3 (for example a control unit of the electronic device which incorporates the sensor device 1), and the processing unit 19 receives from this external control unit the information on the value of the internal magnetic field Higenerated, if necessary, by means of the offset coil 4.
Come illustrato in figura 3, l’algoritmo di calibrazione per il sensore di campo magnetico 2 prevede le seguenti operazioni, che vengono eseguite all’interno dello stadio di calibrazione 12, in particolare da parte della relativa unità di elaborazione 19. As illustrated in Figure 3, the calibration algorithm for the magnetic field sensor 2 provides for the following operations, which are performed inside the calibration stage 12, in particular by the related processing unit 19.
In una fase iniziale dell’algoritmo, fase 20, si avviano le operazioni di calibrazione e compensazione delle variazioni di sensibilità del sensore di campo magnetico 2; l’avvio di tali operazioni può ad esempio avvenire: al termine del processo di fabbricazione del sensore e della relativa elettronica di lettura; in seguito ad un comando impartito da un utente; in seguito ad un comando ricevuto da un’unità elettronica esterna; oppure in seguito all’accensione dell’apparecchio elettronico incorporante il dispositivo sensore 1 (a seconda della specifica applicazione e/o dei desideri dell’utente). In an initial phase of the algorithm, phase 20, the calibration and compensation operations of the sensitivity variations of the magnetic field sensor 2 are started; the start of these operations can take place, for example: at the end of the manufacturing process of the sensor and of the relative reading electronics; following a command given by a user; following a command received from an external electronic unit; or after switching on the electronic device incorporating the sensor device 1 (depending on the specific application and / or the user's wishes).
Successivamente, fase 21, l’unità di elaborazione 19 controlla l’esecuzione di una prima misura del segnale di uscita Vout fornito dall’amplificatore 8 accoppiato al sensore di campo magnetico 2, in presenza del solo campo magnetico esterno He(dovuto ad esempio al campo magnetico terrestre, ed il cui valore non à ̈ noto a priori), ovvero senza che sia applicata alcuna eccitazione alla bobina di offset 4 (il campo magnetico interno Hià ̈ dunque pari a zero). Subsequently, phase 21, the processing unit 19 checks the execution of a first measurement of the output signal Vout supplied by the amplifier 8 coupled to the magnetic field sensor 2, in the presence of only the external magnetic field He (due to for example to the earth's magnetic field, and whose value is not known a priori), or without any excitation being applied to the offset coil 4 (the internal magnetic field Hià is therefore equal to zero).
Viene in tal modo acquisito un primo campione Vout1del segnale di uscita Vout, il cui valore à ̈ dato dalla seguente espressione: In this way, a first sample Vout1 of the output signal Vout is acquired, whose value is given by the following expression:
Vout1= He·S·G Vout1 = He · S · G
dove S indica il valore di sensibilità del sensore di campo magnetico 2, che può eventualmente differire rispetto ad un valore nominale a causa di spread di processo, e G à ̈ il guadagno dello stadio di amplificazione 6, dato dalla suddetta espressione G=-(C1+Cx)/C2. where S indicates the sensitivity value of the magnetic field sensor 2, which may possibly differ from a nominal value due to process spread, and G is the gain of the amplification stage 6, given by the aforementioned expression G = - ( C1 + Cx) / C2.
Successivamente, fase 22, viene generato nel sensore di campo magnetico 2 il campo magnetico interno Hidi valore noto e controllato, mediante la fornitura della corrente di eccitazione Ieccalla bobina di offset 4 integrata nel sensore stesso. Subsequently, step 22, the internal magnetic field Hidi is generated in the magnetic field sensor 2, known and controlled value, by supplying the excitation current Iecc to the offset coil 4 integrated in the sensor itself.
Viene dunque eseguita, fase 23, una seconda misura del segnale di uscita Vout ed acquisito un secondo campione Vout2dello stesso segnale di uscita Vout. Dato che gli elementi magnetoresistivi 2a-2d del sensore di campo magnetico 2 sentono in questo caso sia il campo magnetico esterno Hesia il campo magnetico interno Hi, il secondo campione Vout2Ã ̈ dato dalla seguente espressione: A second measurement of the output signal Vout is then carried out in step 23 and a second sample Vout2 of the same output signal Vout is acquired. Since the magnetoresistive elements 2a-2d of the magnetic field sensor 2 sense in this case both the external magnetic field Hesia and the internal magnetic field Hi, the second sample Vout2 is given by the following expression:
Vout2= (He+ Hi)·S·G Vout2 = (He + Hi) S G
Viene dunque eseguita, da parte dell’unità di elaborazione 19, fase 24, una differenza Diff tra il primo ed il secondo campione Vout1, Vout2precedentemente acquisiti (tale differenza viene convenientemente eseguita in digitale): A difference Diff between the first and second samples Vout1, Vout2 previously acquired is therefore performed by the processing unit 19, phase 24 (this difference is conveniently performed digitally):
Diff = Vout2– Vout1= (He+Hi)·S·G - He·S·G = Hi·S·G La differenza Diff risulta dunque funzione del solo campo magnetico interno Hied indipendente dal valore del campo magnetico esterno He. Essendo il valore dello stesso campo magnetico interno Hinoto, risulta possibile agire sul valore di guadagno G dello stadio di amplificazione 6 per compensare eventuali variazioni della sensibilità S del sensore di campo magnetico 2, ottenendo un valore atteso della differenza Diff (ovvero un valore che si otterrebbe con il valore nominale della stessa sensibilità S). Diff = Vout2â € “Vout1 = (He + Hi) · S · G - He · S · G = Hi · S · G The difference Diff is therefore a function of only the internal magnetic field Hied independent of the value of the external magnetic field He. Since the value of the same internal magnetic field is Hinoto, it is possible to act on the gain value G of the amplification stage 6 to compensate for any variations in the sensitivity S of the magnetic field sensor 2, obtaining an expected value of the difference Diff (i.e. a value that can be would obtain with the nominal value of the same sensitivity S).
In particolare, il prodotto S·G definisce una risposta complessiva del dispositivo sensore 1 (percepita dall’utente) tra l’ingresso, in questo caso costituito dal valore del campo magnetico interno Hi, e l’uscita, in questo caso costituita dal valore della differenza Diff. Obiettivo dell’algoritmo qui discusso à ̈ quello di far sì che tale risposta complessiva presenti un valore nominale o atteso, come da progetto (o quanto meno si discosti il meno possibile da tale valore nominale, entro una certa tolleranza da specifica); per realizzare tale obiettivo, un aspetto della presente invenzione prevede di agire sul valore di guadagno G dello stadio di amplificazione 6, al fine di compensare la presenza di spread sul valore di sensibilità S del sensore di campo magnetico 2. In particular, the product S · G defines an overall response of the sensor device 1 (perceived by the user) between the input, in this case constituted by the value of the internal magnetic field Hi, and the output, in this case constituted by the value of the difference Diff. The objective of the algorithm discussed here is to ensure that this overall response has a nominal or expected value, as per the project (or at least deviates as little as possible from this nominal value, within a certain tolerance from specification); to achieve this objective, an aspect of the present invention provides for acting on the gain value G of the amplification stage 6, in order to compensate for the presence of spread on the sensitivity value S of the magnetic field sensor 2.
Di conseguenza, in una fase 25 successiva alla fase 24, l’algoritmo prevede di verificare se il valore della differenza Diff corrisponda o meno al valore atteso, ovvero se si sia verificata la corretta compensazione della variazione del valore della sensibilità S rispetto al valore nominale. Alternativamente, tale controllo può verificare che la differenza Diff non si discosti dal valore atteso di più di un prefissato valore di soglia (il cui valore può dipendere dal tipo di applicazione e del livello di spread tollerabile sul valore di sensibilità S). Consequently, in a step 25 following step 24, the algorithm foresees to check whether the value of the difference Diff corresponds or not to the expected value, or if the correct compensation of the variation of the sensitivity value S has occurred with respect to the value nominal. Alternatively, this check can verify that the difference Diff does not deviate from the expected value by more than a predetermined threshold value (the value of which may depend on the type of application and the tolerable spread level on the sensitivity value S).
Se si verifica che la differenza Diff presenta il valore atteso (o non si discosta dal valore atteso di più della soglia prefissata), l’algoritmo procede verso la fase 26, con l’arresto delle operazioni di calibrazione. Ad esempio, può essere quindi emessa una segnalazione all’utente indicativa del fatto che il sensore di campo magnetico 2 à ̈ calibrato, e che, in una successiva operazione di misura (in cui la generazione del campo magnetico interno Hisarà nuovamente disabilitata), il valore del segnale di uscita Vout sarà effettivamente indicativo del campo magnetico esterno Heda misurare. If it is verified that the difference Diff has the expected value (or does not differ from the expected value by more than the preset threshold), the algorithm proceeds towards phase 26, stopping the calibration operations. For example, a signal can then be issued to the user indicating that the magnetic field sensor 2 is calibrated, and that, in a subsequent measurement operation (in which the generation of the His internal magnetic field will be disabled again), the value of the output signal Vout will effectively be indicative of the external magnetic field Heda measured.
Al contrario, la verifica alla fase 25 che la differenza Diff non presenta il valore atteso, comporta la modifica del valore del guadagno G dello stadio di amplificazione 6. Di conseguenza, in una fase 27 successiva alla fase 25, l’unità di elaborazione 19 implementa una variazione del valore di guadagno G, in particolare variando il segnale di controllo guadagno Sginviato alle unità di condensatore regolabile 14a, 14b (si veda la discussione precedente). In generale, la variazione del guadagno G può avvenire a passi di incremento/decremento discreti in modo da ottenere la calibrazione per approssimazioni successive; oppure, il nuovo valore del guadagno G può essere determinato (mediante funzione o relazione tabellare) in funzione dello scostamento del valore della differenza Diff rispetto al valore atteso. On the contrary, the verification in step 25 that the difference Diff does not have the expected value, involves the modification of the value of the gain G of the amplification stage 6. Consequently, in a step 27 subsequent to step 25, the processing unit 19 implements a variation of the gain value G, in particular by varying the gain control signal Deferred to the adjustable capacitor units 14a, 14b (see the preceding discussion). In general, the variation of the gain G can occur in discrete increment / decrement steps in order to obtain the calibration by successive approximations; or, the new value of the gain G can be determined (by means of a function or table relation) as a function of the deviation of the value of the difference Diff with respect to the expected value.
In particolare, il valore effettivo della sensibilità del sensore di campo magnetico 2, indicato con S, può essere determinato in funzione del valore di guadagno G corrente implementato nel circuito di lettura 3, del valore del campo magnetico interno Hie del valore della differenza Diff: In particular, the effective value of the sensitivity of the magnetic field sensor 2, indicated with S, can be determined as a function of the current gain value G implemented in the reading circuit 3, the value of the internal magnetic field Hie and the value of the difference Diff:
Diff Diff
S= S =
Hi×G Hià — G
Il nuovo valore di guadagno, G', può dunque essere determinato in funzione del suddetto valore effettivo della sensibilità S e del valore nominale della stessa sensibilità S (e, ad esempio, della tolleranza che si desidera ottenere rispetto a tale valore nominale): The new gain value, G ', can therefore be determined according to the aforementioned effective value of the sensitivity S and the nominal value of the sensitivity S itself (and, for example, the tolerance to be obtained with respect to this nominal value):
G' =f(S,S) G '= f (S, S)
Una volta determinato il nuovo valore di guadagno G' ed implementato lo stesso valore di guadagno all’interno dello stadio di amplificazione 6 (mediante un’opportuna riconfigurazione delle unità di condensatore regolabile 14a, 14b), l’algoritmo ritorna dunque alla fase iniziale, fase 21, per l’esecuzione di una nuova sessione di misura e la determinazione di un nuovo valore per la differenza Diff, con il nuovo valore di guadagno G' selezionato. Once the new gain value G 'has been determined and the same gain value has been implemented inside the amplification stage 6 (by means of an appropriate reconfiguration of the adjustable capacitor units 14a, 14b), the algorithm therefore returns to initial phase, phase 21, for the execution of a new measurement session and the determination of a new value for the difference Diff, with the new G 'gain value selected.
L’algoritmo si ripete in tal modo ciclicamente fino alla corretta compensazione dello spread sul valore di sensibilità S, ovvero fino a che la risposta complessiva del dispositivo sensore 1 non presenti il valore atteso o nominale. The algorithm thus repeats cyclically until the correct compensation of the spread on the sensitivity value S, or until the overall response of the sensor device 1 does not present the expected or nominal value.
La figura 4 mostra schematicamente un dispositivo elettronico 30 in cui il sensore di campo magnetico 2 e l’associato circuito di lettura 3 trovano applicazione, ad esempio per la realizzazione di un magnetometro. Figure 4 schematically shows an electronic device 30 in which the magnetic field sensor 2 and the associated reading circuit 3 find application, for example for the construction of a magnetometer.
Il sensore di campo magnetico 2 ed il relativo circuito di lettura 3 possono essere realizzati, con le tecniche di microfabbricazione dei semiconduttori, all’interno di rispettive piastrine (die) di materiale semiconduttore, ad esempio silicio (il circuito di lettura 3 essendo realizzato come ASIC – Application Specific Integrated Circuit), ed integrate all’interno di uno stesso package (in modo da formare il dispositivo sensore 1 in un unico chip). The magnetic field sensor 2 and the relative reading circuit 3 can be realized, with the semiconductor microfabrication techniques, inside respective plates (dies) of semiconductor material, for example silicon (the reading circuit 3 being made as ASIC - Application Specific Integrated Circuit), and integrated within the same package (so as to form the sensor device 1 in a single chip).
Il dispositivo elettronico 30 comprende un’unità di controllo (a microcontrollore o microprocessore, o analogo strumento di calcolo ed elaborazione) 32, collegata al circuito di lettura 3 del dispositivo sensore 1, in particolare per controllare le operazioni dello stesso circuito di lettura (ed in particolare l’esecuzione, all’occorrenza, della procedura di calibrazione), e per acquisire ed eventualmente elaborare ulteriormente il segnale di uscita Vout (analogico o digitale) fornito in uscita dal circuito di lettura 3, una volta calibrato il guadagno G dello stadio di amplificazione 6. Il dispositivo elettronico 30 comprende inoltre una memoria 34 (opzionale) ed una sorgente di alimentazione 36, collegata al dispositivo sensore 1, al sensore di campo magnetico 2, all’unità di controllo 32, ed alla memoria 34, per fornire l’alimentazione necessaria al loro funzionamento; la sorgente di alimentazione 36 può comprendere, ad esempio, una batteria. The electronic device 30 comprises a control unit (with a microcontroller or microprocessor, or similar calculation and processing instrument) 32, connected to the reading circuit 3 of the sensor device 1, in particular to control the operations of the reading circuit itself ( and in particular the execution, if necessary, of the calibration procedure), and to acquire and possibly further process the output signal Vout (analogue or digital) supplied in output by the reading circuit 3, once the gain has been calibrated G of the amplification stage 6. The electronic device 30 further comprises a memory 34 (optional) and a power source 36, connected to the sensor device 1, to the magnetic field sensor 2, to the control unit 32, and to the memory 34, to supply the power necessary for their operation; the power source 36 may comprise, for example, a battery.
In modo non illustrato, il dispositivo elettronico 30 può comprende ulteriori sensori di campo magnetico 2 e relativi circuiti di lettura 3, al fine di realizzare un rilevamento lungo più assi di misura, ad esempio di una terna di assi cartesiani x, y, z, per realizzare un sistema di rilevamento triassiale di campi magnetici esterni. In modo noto, tre sensori di campo magnetico 2 sono sufficienti a identificare tre componenti spaziali di un campo magnetico esterno He, identificandone univocamente la direzione e l’intensità . In tal caso, il dispositivo elettronico 30 può comprendere inoltre un sistema di rilevamento posizione, ad esempio includente un accelerometro, configurato per rilevare l’orientamento del dispositivo elettronico stesso 30 rispetto alla superficie terrestre. In a way not illustrated, the electronic device 30 can comprise further magnetic field sensors 2 and related reading circuits 3, in order to realize a detection along several measurement axes, for example of a set of three Cartesian axes x, y, z, to realize a triaxial detection system of external magnetic fields. In a known way, three magnetic field sensors 2 are sufficient to identify three spatial components of an external magnetic field He, uniquely identifying their direction and intensity. In this case, the electronic device 30 can further comprise a position detection system, for example including an accelerometer, configured to detect the orientation of the electronic device 30 with respect to the earth's surface.
I vantaggi del circuito e del metodo di lettura secondo la presente invenzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente. The advantages of the circuit and of the reading method according to the present invention emerge clearly from the previous description.
In particolare, la presenza dello stadio di calibrazione 12 nel circuito di lettura 3 associato al sensore di campo magnetico 2 consente di eseguire una calibrazione automatica degli spread di sensibilità del sensore stesso, senza interventi dall’esterno. Tale calibrazione viene eseguita vantaggiosamente all’interno dello stesso dispositivo sensore 1, o in ogni caso all’interno del dispositivo elettronico 30 che incorpora il dispositivo sensore 1, senza che siano richieste complesse apparecchiature di test esterne. Le procedure di calibrazione possono essere implementate anche dall’utilizzatore finale, se richiesto dalle applicazioni. In particular, the presence of the calibration stage 12 in the reading circuit 3 associated with the magnetic field sensor 2 allows to perform an automatic calibration of the sensitivity spreads of the sensor itself, without external intervention. This calibration is advantageously performed inside the sensor device 1 itself, or in any case inside the electronic device 30 which incorporates the sensor device 1, without requiring complex external test equipment. Calibration procedures can also be implemented by the end user, if required by the applications.
Vantaggiosamente, le operazioni di calibrazione possono essere effettuate a livello dell’ASIC (ovvero nel circuito integrato associato, nello stesso package, al sensore di campo magnetico 2), senza che siano richieste ulteriori elaborazioni da parte di un’unità elettronica esterna. Advantageously, the calibration operations can be performed at the ASIC level (ie in the integrated circuit associated, in the same package, with the magnetic field sensor 2), without requiring further processing by an external electronic unit.
Inoltre, l’utilizzo della bobina di offset 4, integrata nel sensore di campo magnetico 2, consente (mediante la generazione di una corrente controllata) la creazione di un campo di valore noto per le operazioni di calibrazione, senza richiedere un ambiente esterno controllato in cui eseguire le stesse operazioni (l’algoritmo descritto non richiede infatti la conoscenza del valore del campo magnetico esterno He). Furthermore, the use of the offset coil 4, integrated in the magnetic field sensor 2, allows (by generating a controlled current) the creation of a field of known value for the calibration operations, without requiring a controlled external environment. in which to perform the same operations (the algorithm described does not in fact require knowledge of the value of the external magnetic field He).
In generale, il circuito ed il metodo descritti consentono di annullare (o quanto meno ridurre) la deviazione del valore del segnale di uscita Vout del dispositivo sensore 1 rispetto al valore atteso, nonostante la presenza di un elevato spread (ad esempio anche del 20%) della sensibilità del sensore di campo magnetico 2. In general, the circuit and the method described allow to cancel (or at least reduce) the deviation of the value of the output signal Vout of the sensor device 1 with respect to the expected value, despite the presence of a high spread (for example even 20% ) of the sensitivity of the magnetic field sensor 2.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti, senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Finally, it is clear that modifications and variations may be made to what is described and illustrated herein, without thereby departing from the scope of protection of the present invention, as defined in the attached claims.
In particolare, à ̈ evidente che l’implementazione circuitale dello stadio di calibrazione 12 può variare rispetto a quanto descritto ed illustrato; può ad esempio essere prevista una rete resistiva di guadagno variabile, associata all’amplificatore 8; l’amplificatore 8 può inoltre avere un’uscita singolo differenziale (ovvero un’unica uscita su cui à ̈ presente il segnale di uscita Vout). Lo stesso algoritmo di calibrazione può differire da quanto descritto ed illustrato; ad esempio, l’algoritmo può prevedere l’utilizzo di una tecnica dicotomica (di tipo per sé noto) per individuare per approssimazioni successive il valore opportuno da assegnare al guadagno G dello stadio di amplificazione 6 per compensare la variazione di sensibilità del sensore di campo magnetico 2. In particular, it is evident that the circuit implementation of the calibration stage 12 can vary with respect to what has been described and illustrated; for example, a resistive network of variable gain can be provided, associated with amplifier 8; the amplifier 8 can also have a single differential output (ie a single output on which the output signal Vout is present). The calibration algorithm itself may differ from what is described and illustrated; for example, the algorithm can provide for the use of a dichotomous technique (of a per se known type) to identify by successive approximations the appropriate value to be assigned to the gain G of the amplification stage 6 to compensate for the variation in sensitivity of the magnetic field sensor 2.
Il metodo ed il circuito secondo la presente invenzione possono inoltre essere utilizzati per compensare l’offset di ulteriori sensori di campo magnetico comprendenti elementi magnetoresistivi (o in generale almeno un elemento magnetoresistivo) in una configurazione anche diversa da quella descritta ed illustrata. The method and the circuit according to the present invention can also be used to compensate the offset of further magnetic field sensors comprising magnetoresistive elements (or in general at least one magnetoresistive element) in a configuration that is also different from that described and illustrated.
Claims (15)
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| US20090224716A1 (en) * | 2008-03-06 | 2009-09-10 | Ravi Vig | Self-calibration algorithms in a small motor driver ic with an integrated position sensor |
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2010
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Patent Citations (2)
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| US20090212771A1 (en) * | 2008-02-27 | 2009-08-27 | John Cummings | Hysteresis offset cancellation for magnetic sensors |
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Also Published As
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