JP2013533480A - 自律校正磁界センサ - Google Patents
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Abstract
Description
上記信号復調回路は、上記測定信号と上記基準信号を同時に分離するように構成された少なくとも二つの復調器を並列に備えてもよく、又は、例えば、時分割多重化によって、上記測定信号と上記基準信号を別々に処理するように構成された少なくとも二つの連続する復調モードで動作可能な単一の復調器を備えてもよい。
・外部磁界Bextの測定
・ゲインを校正するために用いられる基準磁界Brefの測定
・センサ及び前置増幅器のオフセット
Bref=EcoilIref (1)
Ecoilは、コイル効率である。電流基準Irefの方向を変えることによって、基準磁界Brefは、正又は負になり得る。従って、例えばホールセンサ等の磁界センサ6の入力に存在する全磁界(B)は、外部(Bext)磁界及び基準(Bref)磁界の合計又は差である。磁界センサは、以下の電圧を生成する。
VH=SIBIbias (2)
SIは、ホールセンサの感度であり、Ibiasは、当該センサのバイアス電流である。次いで、増幅器の出力での信号xは、
x=f(A,SI,B,Ibias) (3)
となる。Aは、増幅器のゲインである。
第一復調器D1の出力では、信号youtは、
yout=f(GS,Bext) (4)
となり、一方、第二復調器D2の出力は、
yout_ref=f(GR,Bref)(5)
となる。GS及びGRは、それぞれ、外部磁界及び基準磁界のゲインである。
i)yout_ref>f(Iref)の場合、比較器の出力Comp=−Δ
ii)f(Iref)>yout_refの場合、Comp=+Δ
この出力は、バイアス電流Ibiasを増減させることによって、磁界センサのセル(例えば、ホールセル)6のゲイン修正バイアス電流を制御し、ゲイン修正を行う。復調器D1、D2が、完全に整合する場合、
ΔGR=ΔGS
となる。ΔGi(i=S,R)は、ゲイン誤差を示す。従って、ゲイン修正は、復調器の出力yout、yout_refに同等に働き、出力youtを、最小誤差を有する外部磁界Bextのイメージとすることができる。
i)Irefは電圧に変換される必要があるか、又は
ii)yout_refは、電流に変換される必要がある。
ゲイン誤差を最小化するために、基準磁界及び外部磁界のゲインの変動が、ΔGR=ΔGSに、又はこれに近くなるようにすることも有用である。
Iref=VBG/RBG (1)
しかしながら、基準電流は、他の手段によって生成されてもよく、例えば、他の既知の安定又は一定電圧源から得られてもよい。基準電流Irefは、電流ミラー回路36aによってコピーされて、第二基準電流Iref,coilを生成する。
Iref,coil=α1Iref (2)
α1は、Iref,coilとIrefとの公称比である。
また、第三基準電流が、さらなる電流ミラー回路36bによって生成される。
Iref,r=α2Iref (3)
α2は、Iref,rとIrefとの公称比である。
第二基準電流Iref,coilは、基準磁界Brefを生成するために、基準コイル14にバイアスをかける。
Bref=EcoilIref,coil (4)
Ecoilは、コイル効率である。
第三基準電流Iref,rは、基準電圧Vrefを生成するために、内部抵抗器Rvrefにバイアスをかける。
Vref=RrefIref,r (5)
VA,ext=SIIbiasApreampBext (6)
SIは、ホールセンサの電流に対する感度であり、Ibiasは、センサにバイアスをかける電流であり、Apreampは、前置増幅器系のゲインである。
また、基準磁界Brefを、同じ回路によって測定し、基準磁界を表す増幅電圧信号VA,refを以下のように生成できる。
VA,ref=SIIbiasApreampBref (7)
二つの増幅電圧信号VA,ext、VA,refは、変調技術を(例えば、WO2006/056829のように)用いる場合、システムによって同時に処理でき、又は、Bext及びBrefを交互に消去して一度に一つの信号のみを処理することによって、順次処理できる。
VA,ref=Vref (8)
これによって、式(8)中の全ての項を前述の式を用いて展開すると、以下のようになる。
SIIbiasApreampEcoilα1Iref=Rvrefα2Iref (9)
磁界センサのバイアス電流は、よって、以下のように調整される。
Ibias=(Rvref/SIApreampEcoil)・(α2/α1) (10)
システムの信号出力26は、直接、増幅電圧信号VA,extであってもよく、又は、電圧−電流V/I変換回路又は抵抗器によって電流Ioutに変換したものであってもよい。
Iout=VA,ext/RVI=SIIbiasApreampBext/RVI (11)
校正ループが動作していれば、式(10)で算出されたバイアス電流Ibiasを、式(11)に代入することができる。
Iout=VA,ext/RVI=(SIApreampBext/RVI)・(Rvref/SIApreampEcoil)・(α2/α1)
=Bext(1/Ecoil)・(Rvref/RVI)・(α2/α1) (12)
a)コイルの効率は、温度又はエージングによる変化をほとんど受けない幾何学的寸法にのみに依存する。
b)また、抵抗器の比Rvref/RVIは、両コンポーネントが内部で整合する場合、すなわち、素子が類似し、シリコン上に互いに近接して配置される場合、確実に安定させることができる。
c)また、電流比α2/α1も安定化させることができる。なぜならば、電流ミラーを形成し、抵抗器のように整合させることができる二つのトランジスタによって、それが生成されてもよいからである。このことは、校正ループは、システムの感度を効率よく調整し、出力電流を、以下のようにできることを意味する。
Iout=Bext・K (13)
Kは、一定で、以下のように等しい。
K=(1/Ecoil)・(Rvref/RvI)・(α1/α2) (14)
感度の変化は、a)、b)及びc)で論じた三つの要素のうちの一つの変化によって、生じ得る。これは、例えば、素子が占める比表面積を増加させて内蔵コンポーネントの整合量を改善することによって、有利に最小化できる。
Vin_n=vcm−Vin/2 (1)
Vin_p=vcm+Vin/2 (2)
vcmは同相モード電圧である。電圧−電流変換器の動作は、三つの段階を含む。第一段階では、スイッチT1が、閉じられる(図3b)。この段階の間、入力電圧Vinが、サンプリングされる。Qi(phase 1)が、第一段階におけるコンデンサCiの電荷を表すならば、入力コンデンサC1、C2に集められた対応するコンデンサ電荷は、以下のように記載できる。
Q1(phase 1)=C1(Vin_p−vcm)
=C1Vin(phase 1)/2 (3)
Q2(phase 1)=C2(Vin_n−vcm)
=−C2Vin(phase 1)/2 (4)
増幅器の出力、つまり、ノードB及びノードAは、コンデンサC3、C6を介して同相モード電圧vcmに接続される。C4、C5がリセット段階においてあらかじめ放電されていれば、増幅器の入力からの電流がないため、ノードA、Bでの電圧VA、VBが供給電圧vcmと等しい、つまり、VA=VB=vcmとなる。従って、電流が抵抗器Rを流れず、出力電流がゼロ、Iout=0となり得る。さもなければ、もしリセット段階がなければ、コンデンサC5は、電流がV−ノードに/から流れないため、放電することができず、よって、ノードBでの電圧VBは、前のサイクルからの値を維持し、Iout(phase 1)=Iout(phase 0)となるであろう。
ΔQ1=ΔQ4+ΔQ3 (5)
ΔQ2=ΔQ5+ΔQ6 (6)
上記の式から、増幅器の入力における電圧を以下のように算出できる。
Q1(phase 2)−Q1(phase 1)=Q3(phase 2)−Q3(phase 1)+Q4(phase 2)−Q4(phase 1) (7)
Q3(phase 1)=0且つQ4(phase 1)=0 (8)
C1(vcm−V+−Vin(1)/2)=C3(vcm−V+)+C4(vcm−V+) (9)
C3=C4且つC1=2C3については、以下のようになる。
V+=vcm−Vin/10 (10)
Iout=IR=(VB−vcm)/R=−Vin/2R (11)
Claims (12)
- 基準磁界発生器(8)と磁界検知セル(6)とを備える磁界検知回路(2)と、当該磁界検知セルの出力に接続され、磁界センサの伝達特性の変動を修正するためのゲイン修正フィードバック回路(30、28)を備える信号処理回路(4)とを、備える磁界センサであって、
前記センサは、基準電流Irefを生成するように構成された基準電流発生器(3)をさらに備え、前記基準電流発生器は、前記基準磁界Brefを生成するために構成された前記磁界検知回路(2)と、前記復調回路の出力信号が比較され得る基準信号(yref)を提供するために構成された前記ゲイン修正フィードバック回路とに接続される磁界センサ。 - 前記基準電流発生器は、前記基準磁界発生器(8)の基準コイル(14)に、前記基準電流Irefをコピーし、且つ前記コイルを駆動して前記基準磁界Brefを生成するための第二基準電流(Iref,coil)を生成するように構成された電流ミラー回路(36a)を介して、接続される請求項1記載のセンサ。
- 前記ゲイン修正フィードバック回路(30、28、47)は、前記基準電流発生器に、前記基準電流Irefをコピーし、且つ前記ゲイン修正フィードバック回路(30、28、47)に供給されるさらなる基準電流(Iref,r)を生成するように構成された電流ミラー回路(36b)を介して、接続される請求項1又は2記載のセンサ。
- 前記電流ミラー回路(36b)は、前記ゲイン修正フィードバック回路の復調器に接続される請求項1又は2記載のセンサ。
- 前記基準電流発生器は、内部抵抗器RBGに印加されて前記基準電流Irefを生成するためのバンドギャップ電圧基準VBGを生成する集積回路素子を備える前出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
- 前記信号処理回路(4)は、当該信号処理回路(4)の測定信号復調器(24)の出力(23)に接続された電圧−電流(V/I)変換回路(34)を備える前出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
- 前記電圧−電流(V/I)変換回路は、統合され、且つ測定信号をサンプルホールドするように構成された回路を備える請求項6記載のセンサ。
- 前記信号処理回路は、前記測定信号と前記基準信号を同時に分離するように構成された少なくとも二つの復調器を並列に備える復調回路を備える前出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
- 前記信号処理回路は、前記測定信号と前記基準信号を別々に処理するように構成された少なくとも二つの連続する復調モードで動作可能な復調器を備える復調回路を備える請求項1乃至7のいずれかに記載のセンサ。
- 導体に流れる電流を、測定する当該電流によって生成された外部磁界を測定することによって、測定する電流センサであって、
前出の請求項のいずれかに記載の磁界センサを備える電流センサ。 - 高透磁率を有する材料からなり、前記磁界検知セルが配置される空隙を有する磁気コアを備える請求項10記載の電流センサ。
- 前記ホールセルが、前記基準磁界を測定しながら前記外部界を消去するように接続された前出の請求項のいずれかに記載のセンサ。
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