JP2017040658A - 磁界センサを自己較正または自己テストするための回路および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】外部磁界の大きさに拘らず、磁界センサを有するすべての回路を自己テストできる磁界センサを提供する。【解決手段】磁界センサ200において、2つの基準磁界導体206a、206bは、反対方向の磁界を生成するように、他方とは反対方向に巻かれ、直列に接続され、スイッチング回路204によって電流202を受け取るように接続される。制御信号204aに応答してスイッチング回路204は、電流202の方向を周期的に反転するように動作可能である。2つの磁界検出素子206、208は、スイッチング回路212内に接続される。磁界信号Aは、被測定磁界検出構成で接続されたときに被測定磁界に応答する(基準磁界には応答しない)被測定磁界応答信号部分と、基準磁界検出構成で接続されたときに基準磁界に応答する(被測定磁界には応答しない)基準磁界応答信号部分との両方を含むことができ、周期的に交互に生じる。【選択図】図12
Description
本発明は、一般に、磁界センサに関し、より詳細には、磁界検出素子を被測定磁界検出構成および基準磁界検出構成において交互に接続させた磁界センサに関する。
知られているように、ホール効果素子、磁気抵抗素子、および磁気トランジスタを含むが、これらに限定されない多様なタイプの磁界検出素子が存在する。さらに知られているように、互いに異なるタイプのホール効果素子、例えば平面ホール素子、垂直ホール素子、および環状ホール素子(circular Hall element)が存在する。さらに知られているよ
うに、互いに異なるタイプの磁気抵抗素子、例えば異方性磁気抵抗(AMR)素子、巨大磁気抵抗(GMR)素子、トンネル磁気抵抗(TMR)素子、アンチモン化インジウム(InSb)素子、および磁気トンネル接合(MTJ)素子が存在する。
うに、互いに異なるタイプの磁気抵抗素子、例えば異方性磁気抵抗(AMR)素子、巨大磁気抵抗(GMR)素子、トンネル磁気抵抗(TMR)素子、アンチモン化インジウム(InSb)素子、および磁気トンネル接合(MTJ)素子が存在する。
ホール効果素子は磁界に比例した出力電圧を生成する。これと対照的に磁気抵抗素子は、磁界に比例して抵抗を変化させる。回路では、電流を磁気抵抗素子を通して導くことができ、それによって磁界に比例した電圧出力信号を生成する。
磁界検出素子を用いた磁界センサは、電流伝達導体によって伝達される電流によって生成される磁界を検出する電流センサ、強磁性または磁性物体の近接を検出する磁気スイッチ(本明細書では近接検出器とも呼ばれる)、通過する強磁性物を検出する回転検出器例えば歯車の歯、および磁界の磁界密度を検出する磁界センサを含むが、これらに限定されない多様な用途に用いられる。本明細書では、特定の磁界センサ構成が例として用いられる。しかし、本明細書で述べられる回路および技術は任意の磁界センサにも当てはまる。
知られているように一部の集積回路は、組込み自己テスト(BIST)能力を有する。組込み自己テストは、集積回路の内部機能のすべてまたは一部分を検証することができる機能である。いくつかのタイプの集積回路は、集積回路ダイ上に直接構築された組込み自己テスト回路を有する。通常、組込み自己テストは、外部手段、例えば集積回路の外部から集積回路上のピンまたはポートに通信される信号によって活動化される。例えばメモリ部分を有する集積回路は、集積回路の外部から通信される自己テスト信号によって活動化することができる組込み自己テスト回路を含むことができる。組込み自己テスト回路は、自己テスト信号に応答して集積回路のメモリ部分をテストすることができる。
磁界センサに用いられる従来型の組込み自己テスト回路は、磁界センサ内に用いられる磁界検出素子をテストしない傾向がある。また、従来型の組込み自己テスト回路は、磁界センサを有するすべての回路をテストしない傾向がある。
一部の磁界センサは、例えば、コイルなどを用いて較正磁界を局所的に生成し、較正磁界から結果として生じる信号を測定し、結果としての信号に関係する信号をフィードバックして磁界センサのゲインを制御することによって自己較正技術を使用する。いくつかの自己較正構成が、2008年2月26日に出願され本発明の譲受人に譲渡された、「自動感度調整を有する磁界センサ」という名称の米国特許出願第12/037,393号に示され述べられている。また2010年7月21日に出願され本発明の譲受人に譲渡された、「磁界センサにおける診断動作モードを生成するための回路および方法」という名称の米国特許出願第12/840,324号は、磁界検出素子に近接して配置され、自己テスト磁界を生成するために用いられるコイルおよび導体の様々な構成を教示している。上記の出願はまた、様々な多重化構成を教示している。これらの出願、および本明細書で述べ
られるすべての他の特許および特許出願は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれている。
られるすべての他の特許および特許出願は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれている。
通常、磁界センサの較正は、磁界センサが検出磁界を検出していないとき、すなわち磁界センサが通常の検出モードで動作していないときに行われなければならない。
磁界センサ内で用いられる磁界検出素子をテストするための自己テスト機能を可能にする、磁界センサにおける組込み自己テスト回路および技術を提供することが望ましい。また、磁界センサ内のすべての回路の自己テストを可能にする、磁界センサにおける組込み自己テスト回路および技術を提供することが望ましい。また、外部磁界の大きさに拘らず、自己テストを行えることが望ましい。
自己テスト機能に加えて、磁界センサが通常動作において動作しているときに生じ得る、磁界センサの利得調整(較正)を提供することが望ましい。
本発明は、磁界センサが通常動作において動作しているときに生じ得る、磁界センサの利得調整(較正)を提供することができる。
本発明はまた、磁界センサ内で用いられる磁界検出素子をテストするための自己テスト(self-test)機能を可能にする、磁界センサにおける組込み自己テスト回路および技術
をもたらすことができる。本発明はまた、磁界センサ内のすべての回路の自己テストを可能にする、磁界センサにおける組込み自己テスト回路および技術を提供することができる。本発明はまた、外部磁界の大きさに拘らず、自己テストを行う能力を提供することができる。
をもたらすことができる。本発明はまた、磁界センサ内のすべての回路の自己テストを可能にする、磁界センサにおける組込み自己テスト回路および技術を提供することができる。本発明はまた、外部磁界の大きさに拘らず、自己テストを行う能力を提供することができる。
本発明の一態様によれば、磁界センサは少なくとも2つの磁界検出素子を含む。磁界センサはまた、少なくとも2つの磁界検出素子に接続された第1のスイッチング回路を含む。第1のスイッチング回路は、少なくとも2つの磁界検出素子を被測定磁界検出構成および基準磁界検出構成に接続するように構成されている。第1のスイッチング回路は、磁界信号を生じるように第1のスイッチング速度で被測定磁界検出構成と基準磁界検出構成との間で交互に往復して切り替えるように動作可能である。第1のスイッチング回路は、磁界信号を生成するように構成されている。磁界信号は、被測定磁界検出構成で接続されたときに被測定磁界に応答する被測定磁界応答信号部分、および基準磁界検出構成で接続されたときに基準磁界に応答する基準磁界応答信号部分を含む。
磁界センサの一部の実施形態では、基準磁界は、少なくとも2つの磁界検出素子のうちの選択されたものの場所で反対方向に向いた第1および第2の基準磁界を備え、磁界センサはさらに、第1および第2の基準磁界を生成するように動作可能な磁界生成器を備える。
磁界センサの一部の実施形態では、磁界生成器は、それぞれ少なくとも2つの磁界検出素子に近接した、少なくとも2つの基準磁界導体部分を備え、少なくとも2つの基準磁界導体部分は、基準磁界を生成するための基準電流を伝達するように構成され、基準磁界は、反対方向に向けられたそれぞれの磁界方向を有する少なくとも2つの基準磁界部分を備える。
一部の実施形態では、磁界センサはさらに、基準電流を供給するように接続された第2
のスイッチング回路であって、第1のスイッチング速度に同期して、第1の基準電流方向と第2の反対の基準電流方向との間で基準電流を交互に切り替えるように動作可能な、第2のスイッチング回路を含む。
のスイッチング回路であって、第1のスイッチング速度に同期して、第1の基準電流方向と第2の反対の基準電流方向との間で基準電流を交互に切り替えるように動作可能な、第2のスイッチング回路を含む。
一部の実施形態では、磁界センサはさらに、第1のスイッチング回路から磁界信号を受け取るように接続された処理回路を含み、磁界信号は、第1の期間の間は被測定磁界応答信号部分を表し、第1のスイッチング速度に同期した速度で第1の期間とインターリーブされた第2の異なる期間の間は基準磁界応答信号部分を表す。処理回路は、第1の期間の間に被測定磁界応答信号部分を表す信号を選択し処理して、被測定磁界応答信号部分を表す第1のセンサ出力信号を生成するように時間多重化された(time multiplexed)、第1の処理チャネルと、第2の異なる期間の間に基準磁界応答信号部分を表す信号を選択し処理して、基準磁界応答信号部分を表す第2の異なるセンサ出力信号を生成するように時間多重化された、第2の異なる処理チャネルとを含む。
磁界センサの一部の実施形態では、第1のスイッチング回路は、基準磁界検出構成で接続されたときは、磁界に対するそれぞれ反対の応答方向を有するように、少なくとも2つの磁界検出素子を接続するように構成されている。
磁界センサの一部の実施形態では、第1のスイッチング回路は、被測定磁界検出構成で接続されたときは、磁界に対するそれぞれ同じ応答方向を有するように、少なくとも2つの磁界検出素子を接続するように構成されている。
一部の実施形態では、磁界センサはさらに、第2のセンサ出力信号を表す信号を受け取るように接続され、少なくとも2つの磁界検出素子を駆動するように印加されるバイアス信号、または第1および第2の処理チャネルの利得、のうちの少なくとも1つを制御するためにフィードバック信号を生成するように構成されたフィードバック回路を含む。
磁界センサの一部の実施形態では、被測定磁界検出構成は、少なくとも2つの磁界検出素子のチョッピングを表す、少なくとも2つの異なる交互の被測定磁界検出構成を備える。
磁界センサの一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子は、基板によって支持され、少なくとも2つの基準磁界導体部分は、基板によって支持され磁界検出素子に近接した導体を備える。
磁界センサの一部の実施形態では、少なくとも2つの基準磁界導体部分は、基板によって支持される2つ以上の金属層にわたって広がる。
磁界センサの一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子は、基板によって支持され、少なくとも2つの基準磁界導体部分は、基板から分離しているが基板に近接した導体を備える。
磁界センサの一部の実施形態では、被測定磁界は、被測定電流導体によって伝達される被測定電流によって生成される。
磁界センサの一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子は、少なくとも2つのホール効果素子を備える。
磁界センサの一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子は、少なくとも2つの磁気抵抗素子を備える。
本発明の他の態様によれば、磁界センサの較正または自己テストを生成する方法は、少なくとも2つの磁界検出素子を被測定磁界検出構成に接続するステップを含む。方法はまた、少なくとも2つの磁界検出素子を基準磁界検出構成に接続するステップを含む。方法はまた、磁界信号を生じるために、第1のスイッチング速度で被測定磁界検出構成と基準磁界検出構成とを交互に往復して切り替えるステップを含む。切り替えるステップは、磁界信号を生成するように構成されている。磁界信号は、被測定磁界検出構成で接続されたときに被測定磁界に応答する被測定磁界応答信号部分、および基準磁界検出構成で接続されたときに基準磁界に応答する基準磁界応答信号部分を含む。
方法の一部の実施形態では、基準磁界は、少なくとも2つの磁界検出素子のうちの選択されたものの場所で反対方向に向いた第1および第2の基準磁界を含む。
一部の実施形態では、方法はさらに、基準磁界を生成するために基準電流を生成するステップを含み、基準磁界は、反対方向に向けられたそれぞれの磁界方向を有する少なくとも2つの基準磁界部分を備える。
一部の実施形態では、方法はさらに、第1のスイッチング速度に同期して、第1の基準電流方向と第2の反対の基準電流方向との間で交互に切り替えるステップを含む。
一部の実施形態では、方法はさらに、第1のスイッチング回路から磁界信号を受け取るステップであって、磁界信号は、第1の期間の間は被測定磁界応答信号部分を表し、第1のスイッチング速度に同期した速度で第1の期間とインターリーブされた第2の異なる期間の間に基準磁界応答信号部分を表す、ステップと、第1の期間の間に被測定磁界応答信号部分を表す信号を選択し処理して、被測定磁界応答信号部分を表す第1のセンサ出力信号を生成するように時間多重化するステップと、第2の異なる期間の間に基準磁界応答信号部分を表す信号を選択し処理して、基準磁界応答信号部分を表す第2の異なるセンサ出力信号を生成するように時間多重化するステップとを含む。
方法の一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子を基準磁界検出構成に接続するステップは、基準磁界検出構成で接続されたときに磁界に対するそれぞれ反対の応答方向を有するように少なくとも2つの磁界検出素子を接続するステップを含む。
方法の一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子を被測定磁界検出構成に接続するステップは、被測定磁界検出構成で接続されたときに磁界に対するそれぞれ同じ応答方向を有するように少なくとも2つの磁界検出素子を接続するステップを含む。
一部の実施形態では、方法はさらに、第2のセンサ出力信号を表す信号を、少なくとも2つの磁界検出素子を駆動するように印加されるバイアス信号、または第1および第2の処理チャネルの利得、のうちの少なくとも1つを制御するためのフィードバック信号に変換するステップを含む。
方法の一部の実施形態では、被測定磁界検出構成は、少なくとも2つの磁界検出素子のチョッピングを表す少なくとも2つの異なる交互の被測定磁界検出構成を備える。
方法の一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子は基板によって支持され、少なくとも2つの基準磁界部分は、基板によって支持され少なくとも2つの磁界検出素子に近接した導体を備えた、少なくとも2つの基準磁界導体部分によって生成される。
方法の一部の実施形態では、少なくとも2つの基準磁界導体部分は、基板によって支持
された2つ以上の金属層にわたって広がる。
された2つ以上の金属層にわたって広がる。
方法の一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子は基板によって支持され、少なくとも2つの基準磁界部分は、基板から分離しているが基板に近接した導体を備えた、少なくとも2つの基準磁界導体部分によって生成される。
方法の一部の実施形態では被測定磁界は、被測定電流導体によって伝達される被測定電流によって生成される。
方法の一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子は、少なくとも2つのホール効果素子を備える。
方法の一部の実施形態では、少なくとも2つの磁界検出素子は、少なくとも2つの磁気抵抗素子を備える。
本発明の上記の特徴、および本発明自体は、以下の図面の詳細な説明からより十分に理解されよう。
本発明について述べる前に、いくつかの導入となる概念および専門用語について説明する。本明細書で用いられる「磁界検出素子」という用語は、磁界を検出することができる
多様なタイプの電子素子を表すように用いられる。磁界検出素子は、ホール効果素子、磁気抵抗素子、または磁気トランジスタとすることができるが、これらに限定されない。知られているように、互いに異なるタイプのホール効果素子、例えば平面ホール素子、垂直ホール素子、および環状ホール素子が存在する。さらに知られているように、互いに異なるタイプの磁気抵抗素子、例えば異方性磁気抵抗(AMR)素子、巨大磁気抵抗(GMR)素子、トンネル磁気抵抗(TMR)素子、アンチモン化インジウム(InSb)素子、および磁気トンネル接合(MTJ)素子が存在する。
多様なタイプの電子素子を表すように用いられる。磁界検出素子は、ホール効果素子、磁気抵抗素子、または磁気トランジスタとすることができるが、これらに限定されない。知られているように、互いに異なるタイプのホール効果素子、例えば平面ホール素子、垂直ホール素子、および環状ホール素子が存在する。さらに知られているように、互いに異なるタイプの磁気抵抗素子、例えば異方性磁気抵抗(AMR)素子、巨大磁気抵抗(GMR)素子、トンネル磁気抵抗(TMR)素子、アンチモン化インジウム(InSb)素子、および磁気トンネル接合(MTJ)素子が存在する。
知られているように上述の磁界検出素子の一部は、磁界検出素子を支持する基板に平行な最大感度の軸を有する傾向があり、上述の磁界検出素子の他は、磁界検出素子を支持する基板に垂直な最大感度の軸を有する傾向がある。具体的には、すべてではないがほとんどのタイプの磁気抵抗素子は基板に平行な最大感度の軸を有する傾向があり、すべてではないがほとんどのタイプのホール素子は基板に垂直な感度の軸を有する傾向がある。
本明細書で用いられる「磁界センサ」という用語は、磁界検出素子を含む回路を表すように用いられる。磁界センサは、電流伝達導体によって伝達される電流によって生成される磁界を検出する電流センサ、強磁性または磁性物体の近接を検出する磁気スイッチ(本明細書では近接検出器とも呼ばれる)、通過する強磁性物を検出する回転検出器例えば歯車の歯、および磁界の磁界密度を検出する磁界センサ(例えば線形磁界センサ)を含むが、これらに限定されない多様な用途に用いられる。本明細書では線形磁界センサが例として用いられる。しかし本明細書で述べられる回路および技術は、磁界を検出することができる任意の磁界センサにも当てはまる。
本明細書で用いられる「磁界信号」という用語は、磁界検出素子が受ける磁界から結果として生じる、任意の回路信号を表すように用いられる。
以下で述べられる基準磁界検出構成動作モードは、概して、磁界センサの利得または感度を調整するために用いられる。しかし、基準磁界検出構成はまた、磁界センサの自己テストをもたらすために用いることができる。すなわち基準磁界動作モード時に出力信号が生成されない(または線形磁界センサの場合に出力信号が低すぎるまたは高すぎる)場合は、磁界センサは故障したと見なされる。したがって本明細書で用いられる「基準」という用語は、感度測定(自己テスト)および較正を包含するように用いられる。
図1を参照すると、従来技術の磁界センサ10は、スイッチング回路12内に接続されたホール効果素子13を含む。スイッチング回路12は、外部磁界に応答した差動出力信号12a、12bを生成するように構成されている。以下で述べられる多くの信号は差動信号であり得るが、差動という用語はすべての場合には用いられない。他の実施形態では、一部またはすべての信号はシングルエンド信号である。
スイッチング回路12については、図2〜図2Cに関連して以下でより十分に述べる。ここでは、スイッチング回路12は、周波数fcのクロックを用いてホール効果素子12への駆動信号(図示せず)をスイッチングすることを述べるに留める。
磁界センサ10はまた、信号12a、12bを受け取るように接続され、チョッピングされた信号14a、14bを生成するように構成されたスイッチング回路14を含む。スイッチング回路14はまた、周波数fcのクロックでスイッチングされる。スイッチング回路12とスイッチング回路14の組合せの動作は、図3〜図3Cに関連して以下でより十分に述べる。
増幅器16は、チョッピングされた信号14a、14bを受け取るように接続され、増
幅された信号16a、16bを生成するように構成されている。スイッチング回路18は、増幅された信号16a、16bを受け取るように接続され、逆多重化された信号18a、18bを生成するように構成されている。スイッチング回路18は、周波数fcのクロックでクロックされる。ローパスフィルタ20は、逆多重化された信号18a、18bを受け取るように接続され、フィルタされた信号20a、20bを生成するように構成されている。sinx/x(sinc)フィルタ22は、フィルタされた信号20a、20bを受け取るように接続され、フィルタされた信号22a、22b、すなわち磁界センサ10からの出力信号を生成するように構成されている。
幅された信号16a、16bを生成するように構成されている。スイッチング回路18は、増幅された信号16a、16bを受け取るように接続され、逆多重化された信号18a、18bを生成するように構成されている。スイッチング回路18は、周波数fcのクロックでクロックされる。ローパスフィルタ20は、逆多重化された信号18a、18bを受け取るように接続され、フィルタされた信号20a、20bを生成するように構成されている。sinx/x(sinc)フィルタ22は、フィルタされた信号20a、20bを受け取るように接続され、フィルタされた信号22a、22b、すなわち磁界センサ10からの出力信号を生成するように構成されている。
一部の実施形態では、sincフィルタ22は、周波数fcに第1のノッチを有するスイッチトキャパシタフィルタである。しかし、他の実施形態では、sincフィルタ22は、デジタル的に生成される。他の実施形態では、sincフィルタ22は、アナログのクロックされないフィルタである。
sincフィルタ22に供給されるクロック周波数は、図に示されるように周波数fcでノッチを生じるように、周波数fcとすることができることが理解されるであろう。しかしまた、sincフィルタ22は、周波数fcにおいてノッチを有するが、様々な周波数のクロック信号を用いて設計できることが理解されるであろう。以下では図に関連して、sincフィルタ22に供給されるクロックは周波数fcであるように述べられる。しかし、目的とするのは周波数fcにおけるノッチ周波数である。
磁界センサ出力信号22a、22bは、磁界検出素子12が受ける磁界に比例した線形な信号であり、磁界センサ10は線形磁界センサであることが理解されるであろう。しかし、他の実施形態では、比較器が信号22a、22bを受け取ることができ、したがって、比較器によって生成される磁界センサ出力信号は2状態信号であり、磁界センサは磁気スイッチである。また一部の実施形態では、フィルタ20、22の一方のみが用いられることが理解されるであろう。
図1の磁界センサの動作については、図1Aに関連して以下で述べる。
次に図1Aを参照すると、グラフ26はそれぞれ、任意の単位での周波数の単位を有する横軸と、任意の単位での電力の単位を有する縦軸を含む。
グラフ28は、信号12a、12b(すなわち信号12a、12bの周波数スペクトル)を表し、外部磁界信号Bexternalに、DC外部磁界を示すゼロ周波数となり得る、ある周波数に現れる残留オフセット信号ResOffを加えたものを表す。ホール効果オフセット信号HallOffは、クロックの周波数fcに従う、様々な周波数にある。この効果については、図2〜図2Cに関連してさらに述べる。
ホール効果オフセット信号HallOffは、スイッチング回路12がスイッチングしていないとき、すなわちホール効果素子104、106を通る電流が1つの特定のそれぞれの方向に向けられているときに、ホール効果素子13の出力信号12a、12bに存在し得るDC電圧誤差に対応する。グラフ28に示されるように、ホール効果オフセット信号HallOffは、スイッチング回路12のスイッチング動作によって差動信号12a、12bにおいて、より高い周波数にシフトされる(そしてグラフ30に関連して以下で述べるように、スイッチ回路14の動作によってシフトされDCに戻される)。残留オフセット信号ResOffは、スイッチング回路12がスイッチングしているときでも差動信号12a、12b内にDCとして残る、残りのオフセット信号に対応する(そしてグラフ30に関連して以下で述べるように、スイッチング回路14の動作によってより高い周波数にシフトされる)。
グラフ30はチョッピング後の信号14a、14bを表す。ホールオフセット信号HallOffはスイッチング回路14の動作によってDCにシフトされ、信号Bexternal+ResOffは周波数fcにある。
グラフ32は信号16a、16bを表す。グラフ32では、増幅器16のDCオフセットが、DCでのホールオフセット信号に加えられ、結果としてDCでの信号HallOff+AmpOffを生じる。
グラフ34は、スイッチング回路18の後の信号18a、18bを表す。図から分かるように、信号Bexternal+ResOffはここではDCにあり、信号HallOff+AmpOffはここでは周波数fcにある。
グラフ36は、フィルタ20の後の信号20a、20bを表す。フィルタ20の折点周波数は、周波数fcより低くなるように選択される。信号HallOff+AmpOffは、必要に応じて低減される。
グラフ38は、sincフィルタ22の後の信号22a、22bを示す。sincフィルタ22のノッチは、周波数fc、すなわちsincフィルタ22のナイキスト周波数となるように選択される。グラフ38および信号22a、22bには、外部磁界信号(それに加えていくらかの残留オフセット)のみが残る。ホール効果素子オフセット(HallOff)は除去されている。
次に図2〜図2Cを参照すると、ホールオフセット成分(例えば58)を変調するタイプのスイッチング型ホール素子50は、ホール素子(またはホールプレート)52と、変調回路54とを含む。ホール素子52は、4つのコンタクト52a、52b、52c、および52dを含み、それぞれは、図のように、それぞれのスイッチ56a、56b、56c、および56dの第1の端子に接続される。スイッチ56bおよび56cの第2の端子は、図ではVo+と名付けられたスイッチングされたホール出力信号の正ノードを形成するように接続され、スイッチ56aおよび56dの第2の端子は、図ではVo−と名付けられたスイッチングされたホール出力信号の負ノードを形成するように接続される。
他のスイッチ60a、60b、60c、および60dは、ホールコンタクト52a、52b、52c、52dを電源電圧Vsおよび接地に選択的に接続するように構成されている。より具体的には、図のように、スイッチ56b、56d、60a、および60cは、クロック信号CLKによって制御され、スイッチ56a、56c、60b、および60dは、相補的なクロック信号CLK/によって制御される。クロック信号CLKおよびCLK/は、図2Aに示されるように2つの状態またはフェーズΦ0°状態およびΦ90°状態を有する。
動作時にはフェーズΦ0°の間は、電流は端子52aから端子52cに流れ、スイッチングされたホール出力信号VoはVH+Vopに等しく、ただし、Vopはホール素子オフセット電圧またはホールホールオフセット成分であり、VHは磁界信号成分である。フェーズΦ90°の間は、電流は端子52bから端子52dに流れ、スイッチングされたホール出力信号VoはVH−Vopに等しい。したがって、変調回路54は、ホールオフセット成分Vopを変調し、これは図2Bに示される。図2Cに示されるように磁界信号成分VHは、実質的に変化しないままとなる。
図3のチョッピング回路70は、図1のスイッチング回路12、14の組合せとして用いることができる。
次に図3〜図3Cを参照すると、代替の、磁界信号成分を変調するタイプのスイッチング型ホール素子70(これは図1のスイッチング回路12、14のために用いることができる)は、ホール素子72と、変調回路74とを含む。ホール効果素子72は、図2のホール効果素子52と同じであり、4つのコンタクト72a、72b、72c、および72dを含み、それぞれは、それぞれのスイッチ76a、76b、76c、および76dの第1の端子に接続される。スイッチ76aおよび76bの第2の端子は、図ではVo+と名付けられた、スイッチングされたホール出力信号の正ノードを形成するように接続され、スイッチ56cおよび56dの第2の端子は、図ではVo−と名付けられたスイッチングされたホール出力信号の負ノードを形成するように接続される。したがって、図2および図3を比較すると、Φ90°フェーズの間はホール素子の出力コンタクトは互いに交換されることが示される。
他のスイッチ80a、80b、80c、および80dは、ホールコンタクト72a、72b、72c、および72dを電源電圧Vsおよび接地に選択的に接続するように構成されている。図のように、スイッチ76b、76d、80a、および80cは、クロック信号CLKによって制御され、スイッチ76a、76c、80b、および80dは、相補的なクロック信号CLK/によって制御される。クロック信号CLKおよびCLK/は、図2の同様な信号と同一であり、したがって、図のように2つの状態またはフェーズΦ0°およびΦ90°を有する。
動作時には、フェーズΦ0°の間は、電流は端子72aから端子72cに流れ、スイッチングされたホール出力信号Voは、VH+Vopに等しい。フェーズΦ90°の間は、電流は端子72bから端子72dに流れ、スイッチングされたホール出力信号Voは、−VH+Vopに等しい。したがって、変調回路74は、磁気信号成分を変調して、変調された磁気信号成分VHを生じ、これは図3Cに示される。図3Bに示されるように、オフセット成分Vopは実質的に変化しないままとなる。
スイッチ80a〜80dは、図1のスイッチング回路12と同じまたは同様なスイッチング回路を形成できることが理解されるであろう。またスイッチ76a〜76dは、図1のスイッチング回路14と同じまたは同様なスイッチング回路を形成できることが理解されるであろう。
一部の実施形態では、図1のスイッチング回路12とスイッチング回路14の組合せは、図2〜図2Cに関連して上述したタイプのものではなく、図3〜図3Cに関連して上述したタイプのものである。
次に図4を参照すると、2つのホール効果素子は、一緒に並列に接続することができる。並列に接続された2つのホール効果素子は、図1〜図3Cに関連して上述した単一のホール効果素子のいずれの代わりに用いることができる。したがって、2つの並列のホール効果素子の出力(正および負)は、1つのホール効果素子からの正および負出力の代わりに用いることができる。駆動信号(図4には示さず)は、それらが上記の図のいずれかにおいて1つのホール効果素子を駆動するのと全く同じように、2つの並列のホール効果素子を駆動することができる。
本明細書では、ホール効果素子の並列構成は、以下でより十分に述べる基準磁界検出構成に対比して、被測定磁界検出構成と呼ばれる。
次に図5を参照すると、図4の2つのホール効果素子は、基準磁界検出構成で一緒に接続(すなわち再接続)することができる。この構成を用いて、2つのホール効果素子の組
合せは、2つのホール効果素子のそれぞれが受けるのと同じ方向において、外部磁界Bexternalに対して実質的に応答しないことが理解されるべきである。外部磁界に対する残留応答は、残留外部磁界信号を結果として生じ得る2つのホール効果素子の不整合によるものであり得る。
合せは、2つのホール効果素子のそれぞれが受けるのと同じ方向において、外部磁界Bexternalに対して実質的に応答しないことが理解されるべきである。外部磁界に対する残留応答は、残留外部磁界信号を結果として生じ得る2つのホール効果素子の不整合によるものであり得る。
しかしまた、基準磁界検出構成に構成された2つのホール効果素子のそれぞれが受ける異なる方向において、2つの基準磁界Bcoilに応答して、2つの磁界検出素子の組合せは、ゼロでない出力信号VBcoilを生成することが理解されるであろう。
図5Aを参照すると、基準磁界検出構成に構成された2つのホール効果素子がやはり示される。この図では、2つの基準磁界Bcoilのそれぞれの2つのフェーズ(方向)が示される。本質的に、AC基準磁界に応答して、出力信号VBcoilはAC信号となる。しかし、2つのホール効果素子が基準磁界検出構成に構成されたときは、出力信号は、外部磁界がDC磁界であるかAC磁界であるかに拘らず、両方のホール効果素子において同じ方向にある外部磁界からの寄与分は実質的にゼロとなる。
次に図6を参照すると、同じ2つの磁界検出素子である、2つの磁界検出素子が2つの異なるフェーズ構成で示される。2つの異なるフェーズ構成は、図12に関連して以下でより十分に述べるスイッチング回路によって交互に達成される。
本明細書で用いられる「フェーズ」という語は、多くの場合は、2つ以上の磁界検出素子の被測定磁界検出構成または基準磁界検出構成への接続構成と、基準磁界導体を通過する電流の方向との両方を表すために用いられ、基準磁界導体は、ここでは簡単な導体であるように示されるが、以下で述べる他の構成、例えば図12の構成では、2つの基準磁界コイル部分からなるものとすることができる。本明細書で用いられるフェーズという語は、以下でより十分に述べるチョッピング構成を指すものではない。
始めにフェーズ1構成を参照すると、2つの磁界検出素子は、被測定磁界検出構成で接続され、これは図4に関連して上述した接続構成と同じまたは同様である。上述のように、この接続構成では、2つの磁界検出素子は、環境から受け得る外部磁界に応答し、いわゆる「被測定磁界応答信号」を合計で生成する。
基準磁界導体は、破線として示され、破線は基準磁界導体によって電流が伝達されていないことを示す。しかし、代替実施形態では基準磁界導体は、電流IREFを伝達することができる。
基準磁界導体によって伝達される電流は、基準磁界導体の周りに磁界を生成することが認識されるであろう。また、基準磁界導体の経路により磁界は、右側の磁界検出素子では紙面に入る方向、左側の磁界検出素子では紙面から出る方向を有することが認識されるであろう。したがって、基準磁界導体によって生成される2つの磁界は、2つの磁界検出素子において反対方向となる。被測定磁界検出構成では、2つの磁界検出素子は並列に接続され、共に同じ応答方向を有するので、基準磁界導体によって伝達される電流に応答して2つの磁界検出素子によって生成される出力信号は、ゼロまたはほぼゼロとなる。
したがって、基準磁界導体を通過する電流は、被測定磁界検出構成で接続されたときは、2つの磁界検出素子によって合計で生成される出力信号への影響はないかまたはわずかである。
これと対照的に、両方のホール素子を同じ方向に通過する、環境から受け得る被測定磁界に応答する、被測定磁界応答信号はゼロではない。したがって、フェーズ1構成で接続
されたときは2つの磁界検出素子は、基準磁界導体によって生成される磁界には応答しないが、被測定(外部または通常)磁界には応答する。
されたときは2つの磁界検出素子は、基準磁界導体によって生成される磁界には応答しないが、被測定(外部または通常)磁界には応答する。
フェーズ2構成では、2つの磁界検出素子は、基準磁界検出構成で接続され、これは図5および図5Aに関連して上述した接続構成と同じまたは同様である。上記の考察から、基準磁界検出構成にあるときは、2つの磁界検出素子は、紙面に垂直な磁界の反対方向に応答することが理解されるであろう。
2つの磁界検出素子のフェーズ2構成では、このフェーズ1構成に示されるものと同じ基準磁界導体である基準磁界導体は、電流IREFを伝達する。フェーズ1構成において上述したように、電流IREFは、2つの磁界検出素子において反対方向の磁界を生成する。基準磁界検出構成での2つの磁界検出素子は、磁界に対して反対の感度を有するので、電流IREFの存在下では、本明細書では「基準磁界応答信号」と呼ばれるゼロでない出力信号が、2つの磁界検出素子によって生成される。したがって、フェーズ2構成で接続されたときは、2つの磁界検出素子は、基準磁界導体によって生成される磁界には応答するが、被測定(外部または通常)磁界には応答しない。
以下の考察から、磁界センサは、フェーズ1およびフェーズ2構成の間で往復して交替することによって動作できることが明らかとなるであろう。この交替する構成を用いることによって、被測定磁界検出構成は常に同じとなり、したがって、2つのホール素子のチョッピングはないことが明らかであろう。被測定磁界検出構成におけるチョッピングについては、図7および図10に関連して以下でより十分に述べる。
まとめて、それらは異なる時点であるが同じ2つの磁界検出素子から取得されるので、本明細書では、被測定磁界応答信号および基準磁界応答信号は単に、磁界に応答する「磁界信号」と呼ばれる。
以下の図から2つの磁界検出素子、例えば図6の2つの磁界検出素子は往復して交替されるので、磁界信号は、被測定磁界検出構成で接続されたときに被測定磁界に応答する被測定磁界応答信号部分と、基準磁界検出構成で接続されたときに基準磁界に応答する基準磁界応答信号部分の両方を有することが明らかであろう。以下でさらに述べるように、被測定磁界検出構成および基準磁界検出構成は往復して交互に生じるので、以下でより十分に述べるやり方で時分割多重化を用いることによって、被測定磁界応答信号部分は、基準磁界応答信号部分から分離することができる。
次に図7を参照すると、同じ2つの磁界検出素子である2つの磁界検出素子は、2つは被測定磁界検出構成、2つは基準磁界検出構成(各構成に関連付けられた2Xチョッピング構成)での、4つの異なるフェーズ構成において示される。4つの異なるフェーズ構成は、図12に関連して以下でより十分に述べるスイッチング回路によって順次的にかつ反復して達成される。
始めにフェーズ1構成を参照すると、2つの磁界検出素子は、被測定磁界検出構成で接続され、これは図4に関連して上述した被測定磁界検出構成接続構成と同じまたは同様である。上述のようにこの接続構成によって、2つの磁界検出素子は、環境から受け得る外部磁界に応答し、被測定(外部)磁界に応答して被測定磁界応答信号を合計で生成する。
基準磁界導体は、破線として示され、破線は、基準磁界導体によって電流が伝達されていないことを示す。しかし、代替実施形態では、基準磁界導体は、電流を伝達することができる。
フェーズ2構成では、2つの磁界検出素子は、基準磁界検出構成で接続され、これは図5および図5Aに関連して上述した基準磁界接続構成と同じまたは同様である。上記の考察から、2つの磁界検出素子は、2つの磁界検出素子が紙面に対して垂直の磁界に反対方向に応答するように接続されることが理解されるであろう。
2つの磁界検出素子のフェーズ2構成では、このフェーズ1構成で示されるものと同じ基準磁界導体である基準磁界導体は、電流IREFを伝達する。電流IREFは、2つの磁界検出素子において反対方向の磁界を生成する。基準磁界検出構成における2つの磁界検出素子は、磁界に対して反対の感度を有するので、電流IREFの存在下では、ゼロでない出力信号である基準磁界応答信号が2つの磁界検出素子によって生成される。フェーズ2構成では2つの磁界検出素子は、基準磁界導体によって生成される磁界に応答し、被測定(外部)磁界に応答しない。
フェーズ3構成では、2つの磁界検出素子は、やはり被測定磁界検出構成で接続される。しかし、2つの磁界検出素子は、フェーズ1構成で示されるものとは逆の極性を有するように接続される。逆の極性は、例えば図3〜図3Cに関連して述べた、2つの磁界検出素子の上述のチョッピングの一部を表す。
ホール素子内の矢印の異なる方向は、個々のホール素子の端子のうちの選択された2つへの駆動信号(図示せず)の異なる接続を示す。従来型のホール素子は、4端子デバイスであり、2つの端子は、駆動電流を通すように接続され、残りの2つの端子は、差動出力信号を生じる。4つの端子は、少なくとも4つの異なる構成で接続できることが認識されるであろう。個々のホール素子が2つ以上のこれらの異なる構成に接続され、2つ以上の異なる構成からの出力信号が算術的に処理(例えば、加算ないしは平均化)された場合は、算術的に処理された信号のオフセット電圧は、異なる構成のいずれか1つにおいて取得される出力信号より小さくなる。異なる構成に関連付けられた出力信号のこの加算または平均化は、上述の「チョッピング」に対応する。
図7の構成で、具体的には、フェーズ1およびフェーズ3の2つの被測定磁界検出構成は、2つのホール素子の2Xチョッピングを表す。本質的に、異なる時点で生じる被測定磁界応答信号部分は、算術的に処理することによってオフセット電圧を低減することができる。
2つの磁界検出素子のフェーズ3構成では、フェーズ1およびフェーズ2構成で示されるものと同じ基準磁界導体である基準磁界導体は、電流を伝達しない。しかし、代替実施形態では、基準磁界導体は電流を伝達することができる。フェーズ1構成と同じくフェーズ3構成では、合計での2つの磁界検出素子はやはり、基準磁界導体によって伝達される電流によって生成される磁界に応答しないが、外部磁界には応答する。
フェーズ4構成では、2つの磁界検出素子は、やはり基準磁界検出構成で接続される。
2つの磁界検出素子のフェーズ4構成では、フェーズ1、フェーズ2、およびフェーズ3構成で示される基準磁界導体とやはり同じである基準磁界導体は、電流IREFを伝達するが、フェーズ2構成で示されるものとは反対方向である。フェーズ2構成と同じくフェーズ4構成では、一緒にされた2つの磁界感応素子(magnetic field sensitive element)は、電流IREFによって生成される磁界に応答し、外部磁界に応答しない。
まとめて、同じ2つの磁界検出素子からのものであるので、本明細書では被測定磁界応答信号および基準磁界応答信号は単に、磁界に応答する「磁界信号」と呼ばれる。
以下の図から、2つの磁界検出素子、例えば図7の2つの磁界検出素子は往復して交替されるので、磁界信号は被測定磁界検出構成で接続されたときに被測定磁界に応答する被測定磁界応答信号部分と、基準磁界検出構成で接続されたときに基準磁界に応答する基準磁界応答信号部分の両方を有することが明らかであろう。被測定磁界検出構成および基準磁界検出構成は、往復して交互に生じるので、以下でより十分に述べるやり方で時分割多重化を用いることによって、被測定磁界応答信号部分は、基準磁界応答信号部分から分離することができる。
次に図8を参照すると、グラフ100は、時間の任意の単位のスケールを有する横軸および電圧の任意の単位のスケールを有する縦軸を含む。磁界信号102は、例えば、4つのフェーズの間に図7に関連して上述した2つの磁界検出素子によって生成され得る磁界信号を表す。
グラフ100は、4つの期間t0〜t1、t1〜t2、t2〜t3、t3〜t4を示す。期間t0〜t1、t1〜t2、t2〜t3、t3〜t4のそれぞれは、図7のフェーズ1、フェーズ2、フェーズ3、およびフェーズ4のそれぞれに対応する。磁界信号102は、2つの磁界検出素子が4つのフェーズ、フェーズ1、フェーズ2、フェーズ3、およびフェーズ4を通して順序付けられるのに従って、図7の2つの磁界検出素子によって生成され得る、被測定磁界応答信号部分102a、基準磁界応答信号部分102b、被測定磁界応答信号部分102c、および基準磁界応答信号部分102dを含む。
2つの被測定磁界応答信号部分102a、102cは、駆動信号の異なる接続により、始めにフェーズ1で一方の方向、次いでフェーズ3で他方の方向での大きさを有して、2つの磁界検出素子によって検出され得る外部磁界の大きさを表す大きさを有する。
2つの基準磁界応答信号部分102b、102dは、始めにフェーズ2で一方の方向、次いでフェーズ4で他方の方向の、図6の基準磁界導体を通過する電流IREFによって生成され得る、基準磁界(反対方向の2つの基準磁界部分)の大きさを表す大きさを有する。
磁界信号102はオフセット電圧104を有する。したがって、2つの被測定磁界応答信号部分102a、102cは、オフセット電圧104を中心とする大きさを有する。同様に2つの基準磁界応答信号部分102b、102dは、オフセット電圧104を中心とする大きさを有する。
オフセット電圧104は、望ましくないことが理解されるべきである。以下でより十分に述べる技術によってオフセット電圧104は除去することができる。
次に、図8と同じ要素が同じ参照記号を有して示される図9を参照すると、グラフ120は、図8に関連して示されたものと同じ横軸および縦軸を有する。しかし、この図では、時分割多重化によって図8の磁界信号102から分離され得る、2つの被測定磁界応答信号部分102a、102cのみが示される。
次に、図8と同じ要素が同じ参照記号を有して示される図10を参照すると、グラフ140は、図8に関連して示されたものと同じ横軸および縦軸を有する。しかし、この図では、時分割多重化によって図8の磁界信号102から分離され得る、2つの基準磁界応答信号部分102b、102dのみが示される。
次に図11を参照すると、2つの磁界検出素子がやはり示されるが、この図では、8つの異なるフェーズ、すなわち磁界検出素子の接続および導体を通る電流の方向を有する。
図6および図7の構成のように、フェーズ1、フェーズ2、フェーズ3、フェーズ4、フェーズ5、フェーズ6、フェーズ7、フェーズ8の諸フェーズは、被測定磁界検出構成で(すなわち測定期間の間に)、および基準磁界検出構成で(すなわち基準期間の間に)接続される磁界検出素子の間で往復して交替する(各構成に関連する4Xチョッピング構成)。この図では、電流は、2つの磁界検出素子の1つおきのフェーズで方向が交替することが示される。
図6および図7の構成のように、フェーズ1、フェーズ2、フェーズ3、フェーズ4、フェーズ5、フェーズ6、フェーズ7、フェーズ8の諸フェーズは、被測定磁界検出構成で(すなわち測定期間の間に)、および基準磁界検出構成で(すなわち基準期間の間に)接続される磁界検出素子の間で往復して交替する(各構成に関連する4Xチョッピング構成)。この図では、電流は、2つの磁界検出素子の1つおきのフェーズで方向が交替することが示される。
やはり、フェーズ1、フェーズ3、フェーズ5、およびフェーズ7の被測定磁界検出構成にあるときは、導体を通る電流はオフにすることができ、これは破線で示される。
フェーズ1、フェーズ3、フェーズ5、フェーズ7の被測定磁界検出構成のそれぞれは、2つの磁界検出素子内の矢印の異なる方向によって示されるように、駆動信号(図示せず)の異なる接続(すなわち4つの異なる接続)を有する。4つの異なる接続により、図11に示される構成は4Xチョッピング構成であり、これら4つの異なるフェーズからの出力信号は、被測定磁界検出構成にあるときにオフセット電圧の低減を達成するために、加算ないしは平均化できることが認識されるであろう。
図12を参照すると磁界センサ200は、この図では導電性基準磁界コイルの形で示される2つの基準磁界導体206a、206bを含み、それぞれの基準磁界コイルは、2つの基準磁界コイルを通って流れる電流に応答して、反対方向の磁界を生成するように、他方とは反対方向に巻かれる。2つの基準磁界導体206a、206bは、直列に接続され、スイッチング回路204によって電流202を受け取るように接続される。制御信号204aに応答してスイッチング回路204は、2つの基準磁界導体206a、206bを通過する電流202の方向を周期的に反転するように動作可能である。
磁界センサ200はまた、この図では2つのホール素子の形で示される2つの磁界検出素子208、210を含む。2つの磁界検出素子206、208は、スイッチング回路212内に接続される。2つのホール素子208、210が示されるが、他の実施形態では同様な回路および機能は2つ以上の磁気抵抗素子を用いて達成することができる。
制御信号212aに応答してスイッチング回路212は、図6、図7、および図11に関連して上記に示した被測定磁界検出構成および基準磁界検出構成に、2つの磁界検出素子208、210を往復して接続するように動作可能である。往復してスイッチングすることは、図6に表される被測定磁界検出構成のときはチョッピングなし、図7に表される被測定磁界検出構成のときは2Xチョッピング、図11に表される被測定磁界検出構成のときは4Xチョッピング、または他のチョッピング構成を有することができる。
差動磁界信号とすることができる磁界信号は、参照記号Aによって識別される。上述のように、磁界信号Aは、被測定磁界検出構成で接続されたときに被測定磁界に応答する(基準磁界には応答しない)被測定磁界応答信号部分と、基準磁界検出構成で接続されたときに基準磁界に応答する(被測定磁界には応答しない)基準磁界応答信号部分との両方を含むことができる。2つの信号部分は、例えば図6、図7、または図11に関連して上述したように、周期的に交互に生じることができる。
スイッチング回路214は、差動信号すなわち磁界信号Aを受け取るように接続され、参照記号Bによって識別され差動信号として示される、スイッチングされた信号を生成するように構成されている。スイッチング回路214は、スイッチング回路212と共に2つのホール素子208、210の完全なチョッピングをもたらし、スイッチング回路214、212は、それぞれ図3のスイッチ80a〜80dおよび76a〜76dに相当することが理解されるべきである。しかし、2Xチョッピングを示す図3〜図3Cの構成と異
なり、図12のスイッチング回路212、214は、例えば図11に示される4Xチョッピングを表す。
なり、図12のスイッチング回路212、214は、例えば図11に示される4Xチョッピングを表す。
スイッチング回路214は、制御信号214aを受け取るように接続される。増幅器216は、スイッチングされた信号Bを受け取るように接続され、参照記号Cによって識別され差動信号として示される、増幅された信号を生成するように構成されている。
第1の回路チャネルすなわち被測定磁界チャネルの一部では、スイッチング回路218は、差動信号Cを受け取るように接続され、参照記号Dによって識別され差動信号として示される、スイッチングされた信号を生成するように構成されている。
第1の回路チャネルの他の部分では、フィルタ回路220は、差動信号Dを受け取るように接続され、別のフィルタ回路222によって受け取られるフィルタされた信号を生成するように構成されている。フィルタ回路222は、参照記号Fによって識別され差動信号として示される、出力信号を生成するように構成することができる。出力信号Fは上述の被測定磁界応答信号とすることができる。
第2の回路チャネルすなわち基準磁界検出チャネルの一部では、スイッチング回路224は、差動信号Cを受け取るように接続され、参照記号Eによって識別され差動信号として示される、スイッチングされた信号を生成するように構成されている。
第2の回路チャネルの他の部分では、フィルタ回路226は、差動信号Eを受け取るように接続され、別のフィルタ回路228によって受け取られるフィルタされた信号を生成するように構成されている。フィルタ回路228は、参照記号Gによって識別され差動信号として示される、出力信号を生成するように構成することができる。出力信号Gは上述の基準磁界応答信号とすることができる。
出力信号FおよびG、すなわち被測定磁界応答信号部分および基準磁界応答信号部分は、繰り返し周期的に往復して生じることができる。
磁界センサ200はまた、出力信号Gすなわち基準磁界応答信号を受け取るように接続され、基準信号VREFを受け取るように接続され、誤差信号219aを生成するように構成された増幅器219を含むことができる。バイアス回路は、誤差信号219aを受け取るように接続され、バイアス信号230a、230bを生成するように構成され、バイアス信号230a、230bは一部の実施形態では電流信号とすることができ、スイッチング回路212によって2つのホール素子208、210のそれぞれの2つの端子を駆動および通過するように構成されている。
動作時には誤差信号219aは、バイアス信号230a、230bの大きさを制御する。出力信号Gが基準信号VREFと比べて大き過ぎる場合は、結果としてバイアス信号230a、230bの減少を生じる。したがって、磁界センサ200の実効的な利得または感度が、基準電圧VREFと比較して制御される。
一部の代替実施形態では代わりに、誤差信号219aは増幅器216の利得を制御する。
一部の他の代替実施形態では増幅器219は用いられず、代わりに出力信号Gは、出力信号Fに関係する信号の大きさを調整するように別のプロセッサ(図示せず)によって受け取られ使用される。
磁界センサ200の他の動作については、図13〜図24に関連して以下で述べる。具体的には、図13は、2つの磁界検出素子208、210が被測定磁界検出構成で繰り返し周期的に接続されたときの図12の磁界センサ200を示す。同様に図19は、2つの磁界検出素子208、210が、例えば図7の基準磁界検出構成で繰り返し周期的に接続されたときの図12の磁界センサ200を示す。
次に、図12と同じ要素が同じ参照記号を有して示される図13を参照すると、被測定磁界応答信号Fを生成する第1のチャネルのみを有する、図12磁界センサ200の一部分300が示される。
2つの磁界検出素子208、210が、繰り返し周期的に被測定磁界検出構成で接続されるときは、スイッチング回路204は、いずれの構成にも接続される。この図では、スイッチング回路204はスイッチングしないことが示され、これはスイッチング回路212によって2つの磁界検出素子208、210が被測定磁界検出構成に接続される各時点で、スイッチング回路204はパススルーとなることを意味する。
また被測定磁界検出構成にあるときは、2つの基準磁界コイル206a、206bを通る電流202はゼロに設定することができる。上記の考察から、2つの磁界検出素子208、210が被測定磁界検出構成で接続されるときは、一緒にされてそれらは同じ方向の磁界に応答するが、2つの基準磁界コイル206a、206bによって反対方向に生成される磁界には応答しないことが理解されるであろう。したがって、電流202は、電力を節約するためにゼロに設定することができる。
スイッチング回路214は、スイッチング回路214の内側のスイッチング記号によって示され、これは、スイッチング回路212により2つの磁界検出素子208、210の被測定磁界検出構成接続が生じる各時点で、スイッチング回路214は2つの磁界検出素子208、210と増幅器216との間の接続を反転することを意味する。この結果として磁界信号Aの成分の周波数シフトを生じる。
スイッチング回路218はまた、スイッチング回路218の内側のスイッチング記号によってスイッチングすることが示され、やはりスイッチング回路212により2つの磁界検出素子208、210の被測定磁界構成接続が生じる各時点で、スイッチング回路218は、増幅器216とフィルタ回路220との間の接続を反転することを意味する。これはまた結果として、以下でさらに述べるように増幅された信号Cの成分の別の周波数シフトを生じる。
図に示されるように制御信号214a、218aは、fckのスイッチング速度でそれぞれのスイッチング回路214、218を切り替える。これと対照的に、スイッチング回路212は、2fckのスイッチング速度で切り換わり、これはスイッチング回路212は、制御信号212aのクロックサイクルの1つおきに、2つの磁界検出素子208、210の被測定磁界検出構成を達成することを意味する。
図14〜図18は、繰り返し周期的に通常構成の動作モードで接続される2つの磁界検出素子208、210を有する、磁界センサ200の部分300内で生じる信号A、B、C、D、およびFの周波数領域のグラフを示す。具体的には図14〜図18は、被測定磁界検出構成動作モードの場合の図11の4Xチョッピングを表す。
次に図14を参照すると、グラフ320は周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸を有する。グラフ320は、定常なすなわち変化しない磁界の存在下にあるときは3つのスペクトル線を含む。磁界は検出また
は外部磁界である。
は外部磁界である。
グラフ320は、図13の磁界センサ部分300に関連する磁界信号A、すなわち磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に被測定磁界検出構成で接続されるときに取得される磁界信号Aを表す。
第1のスペクトル線(左)は、DCに生じ、外部または検出磁界の大きさBextに、図13の2つの磁界検出素子208、210によって生成される(チョッピング後の)望ましくない残留オフセット電圧を加えたものに対応する。
第2のスペクトル線は周波数fck/2に生じ、上述の4Xチョッピングの結果として生じる。
第3のスペクトル線は周波数fckに生じ、これもまた上述の4Xチョッピングの結果として生じる。
次に図15を参照すると、グラフ330は、周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸を有する。グラフ330は、定常なすなわち変化しない磁界の存在下にあるときは3つのスペクトル線を含む。磁界は検出または外部磁界である。
グラフ330は、磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に被測定磁界検出構成で接続されるときに取得される、図13の磁界センサ部分300に関連する磁界信号Bを表す。
図から分かるように、図12および図13のスイッチング回路214の動作によって周波数がシフトされている。
第1のスペクトル線(左)は、DCに生じ、図14の第3のスペクトル線の大きさに関係する大きさを有する。
第2のスペクトル線は、周波数fck/2に生じ、図14の第2のスペクトル線の大きさに関係する大きさを有する。
第3のスペクトル線は、周波数fckに生じ、外部または検出磁界の大きさBextに、図13の2つの磁界検出素子208、210によって生成される(チョッピング後の)望ましくない残留オフセット電圧を加えたものに対応する、図14の第1のスペクトル線の大きさに関係する大きさを有する。
次に図16を参照すると、グラフ340は周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸を有する。グラフ340は、定常なすなわち変化しない磁界の存在下にあるときは3つのスペクトル線を含む。磁界は、検出または外部磁界である。
グラフ340は、磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に被測定磁界検出構成で接続されるときに取得される、図13の磁界センサ部分300に関連する磁界信号Cを表す。
図から分かるように、増幅器216は、DCに現れる図15の第1のスペクトル線にオフセット成分AmpOffを追加する。他の点では図16の3つのスペクトル線は図15
のものと同じであるが、増幅器216の利得に従ってスケーリングされる。
のものと同じであるが、増幅器216の利得に従ってスケーリングされる。
次に図17を参照すると、グラフ350は周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸を有する。グラフ350は、定常なすなわち変化しない磁界の存在下にあるときは3つのスペクトル線を含む。磁界は、検出または外部磁界である。
グラフ350は、磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に被測定磁界検出構成で接続されるときに取得される、図13の磁界センサ部分300に関連する磁界信号Dを表す。
図から分かるように、図12および図13のスイッチング回路218の動作によって周波数がシフトされている。
第1のスペクトル線(左)は、DCに生じ、外部または検出磁界の大きさBextに、図13の2つの磁界検出素子208、210によって生成される、(チョッピング後の)望ましくない残留オフセット電圧を加えたものに対応する、図16の第3のスペクトル線の大きさに関係する大きさを有する。
第2のスペクトル線は、周波数fck/2に生じ、図16の第2のスペクトル線の大きさに関係する大きさを有する。
第3のスペクトル線は、周波数fckに生じ、図16の第1のスペクトル線の大きさに関係する大きさを有する。
次に図18を参照すると、グラフ360は周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸を有する。グラフ360は、定常なすなわち変化しない磁界の存在下にあるときは1つのスペクトル線を含む。磁界は、検出または外部磁界である。
グラフ360は、2つの磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に被測定磁界検出構成で接続されるときに取得される、図13の磁界センサ部分300に関連する磁界信号Fを表す。
図から分かるように、図12および図13のフィルタ回路220、222の動作によって図17のいくつかのスペクトル成分は除去されており、外部または検出磁界の大きさBextに、図13の2つの磁界検出素子208、210によって生成される、(チョッピング後の)望ましくない残留オフセット電圧ResOffを加えたものに対応する大きさを有するDCでのスペクトル線のみが残る。図18のスペクトル線は上述の被測定磁界応答信号を表す。
次に、図12と同じ要素が同じ参照記号を有して示される図19を参照すると、基準磁界応答信号Gを生成する第2のチャネルのみを有する、図12の磁界センサ200の一部分400は示される要素を含む。
2つの磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に基準磁界検出構成で接続されるときは、スイッチング回路204は、スイッチング回路212によって2つの磁界検出素子208、210が基準磁界検出構成に接続されるたびに、電流202の方向を反転するように切り替える。
基準磁界検出構成にあるときは、2つの基準磁界コイル206a、206bを通る電流202は値をIREFに設定することができる。上記の考察から、2つの磁界検出素子208、210は、基準磁界検出構成で接続されたときは一緒にされて、2つの基準磁界コイル206a、206bによって反対方向に生成される反対方向の磁界に応答し、外部または検出磁界による同じ方向の磁界には応答しないことが理解されるであろう。
スイッチング回路214は、スイッチングしていないように示され、これはスイッチング回路212によって2つの磁界検出素子208、210の基準磁界検出構成接続を生じるたびに、スイッチング回路214はスイッチングせずに、単に磁界信号Aを信号Bとして増幅器216に渡すことを意味する。この結果として、以下でさらに述べるように磁界信号Aの成分の周波数シフトは生じない。
これと対照的にスイッチング回路224は、スイッチング回路224の内側のスイッチング記号によってスイッチングするように示され、これはスイッチング回路212によって2つの磁界検出素子208、210の基準磁界検出構成接続を生じるたびに、スイッチング回路218は増幅器216とフィルタ回路226との間の接続を反転することを意味する。この結果として、以下でさらに述べるように増幅された信号Cの成分の周波数シフトを生じる。
図に示されるように、制御信号204a、224aは、fckのスイッチング速度でそれぞれのスイッチング回路204、224を切り替える。これと対照的に、スイッチング回路212は、2fckのスイッチング速度で切り換わり、これはスイッチング回路212は、制御信号212aのクロックサイクルの1つおきに、2つの磁界検出素子208、210の基準磁界検出構成を達成し、クロックサイクルの他のもので被測定磁界検出構成を達成することを意味する。
図20〜図24は、繰り返し周期的に基準磁界検出構成動作モードで接続される2つの磁界検出素子208、210を有する、磁界センサ200の部分400内で生じる信号A、B、C、E、およびGの周波数領域のグラフを示す。具体的には、図20〜図24は、基準磁界検出構成動作モードの場合の図11の4Xチョッピングを表す。
次に図20を参照すると、グラフ420は周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸を有する。グラフ420は、スイッチング回路204の動作による電流202の周期的反転によって生成される、周期的に反転する基準磁界の存在下にあるときは2つのスペクトル線を含む。
グラフ420は、図19の磁界センサ部分400に関連する磁界信号A、すなわち磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に基準磁界検出構成で接続されるときに取得される磁界信号Aを示す。
第1のスペクトル線(左)は、DCに生じ、外部または検出磁界に対する残留感度の大きさResBextに、図19の2つの磁界検出素子208、210によって生成される(チョッピングなしの)望ましくないオフセット電圧を加えたものに対応する大きさを有する。
第2のスペクトル線は、周波数fckに生じ、2つの基準磁界コイル206a、206bによって生成される基準磁界の大きさに対応する大きさBcalを有する。このスペクトル線はすでに、スイッチング回路204のスイッチングの動作によって周波数fckにシフトされている。
次に図21を参照すると、グラフ430は、周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸を有する。グラフ430は、スイッチング回路204の動作による電流202の周期的反転によって生成される、周期的に反転する基準磁界の存在下にあるときは2つのスペクトル線を含む。
グラフ430は、磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に基準磁界検出構成で接続されるときに取得される、図19の磁界センサ部分400に関連する磁界信号Bを表す。
2つの磁界検出素子208、210が基準磁界検出構成で接続されたときは、図12および図19のスイッチング回路214は、単にパススルーとして働くので、グラフ430は、図20のグラフ420と同じスペクトル線を有する。
次に図22を参照すると、グラフ440は、周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸を有する。グラフ440は、スイッチング回路204の動作による電流202の周期的反転によって生成される、周期的に反転する基準磁界の存在下にあるときは2つのスペクトル線を含む。
グラフ440は、磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に基準磁界検出構成で接続されるときに取得される、図19の磁界センサ部分400に関連する磁界信号Cを表す。
図から分かるように、増幅器216は、DCに現れる図21のスペクトル線にオフセット成分AmpOffを追加する。他の点では図22の2つのスペクトル線は図21のものと同じであるが、増幅器216の利得に従ってスケーリングされる。
次に図23を参照すると、グラフ450は周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸を有する。グラフ450は、スイッチング回路204の動作による電流202の周期的反転によって生成される、周期的に反転する基準磁界の存在下にあるときは2つのスペクトル線を含む。
グラフ450は、磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に基準磁界検出構成で接続されるときに取得される、図19の磁界センサ部分400に関連する磁界信号Eを表す。
図から分かるように、図12および図19のスイッチング回路224の動作によって周波数がシフトされている。
第1のスペクトル線(左)は、DCに生じ、図22の第2のスペクトル線の大きさに関係し、2つの基準磁界コイル206a、206bによって生成される基準磁界の大きさBcalに対応する大きさを有する。このスペクトル線は、スイッチング回路224の動作によってDCにシフトされる。
第2のスペクトル線は、周波数fckに生じ、図22の第1のDCのスペクトル線の大きさに関係する大きさを有する。
次に図24を参照すると、グラフ460は、周波数の任意の単位のスケールを有する横軸および大きさの任意の単位のスケールを有する縦軸と有する。グラフ460は、1つのスペクトル線を含む。
グラフ460は、磁界検出素子208、210が繰り返し周期的に基準磁界検出構成で接続されるときに取得される、図19の磁界センサ部分400に関連する磁界信号Gを表す。
図から分かるように、図12および図19のフィルタ回路226、228の動作によって図23の他のスペクトル成分は除去されており、基準磁界の大きさBcalに対応する大きさを有するDCでのスペクトル線のみが残る。図23のスペクトル線は、上述の基準磁界応答信号を表す。
本明細書では回路および技術は、磁界センサの較正によって説明され得るが、磁界センサの自己テストをもたらすために同じ技術を使用できることが理解されるべきである。すなわち図12および図19の基準磁界応答信号部分Gを、例えば信号が許容限界内であるかどうかを識別するために別のプロセッサによって検査することができる。
本明細書に記載のすべての参考文献は、その全体を参照により本明細書に組み込むものとする。
本特許の主題である様々な概念、構造、および技術を示すために役立つ、好ましい実施形態について述べてきたが、当業者にはこれらの概念、構造、および技術を組み込んだ他の実施形態を使用できることが明らかであろう。したがって本特許の範囲は、述べられた実施形態に限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定されるべきであることが提示される。
Claims (24)
- 磁界センサであって、
少なくとも2つの磁界検出素子と、
前記少なくとも2つの磁界検出素子に接続された第1のスイッチング回路であって、前記第1のスイッチング回路が、前記少なくとも2つの磁界検出素子を被測定磁界検出構成および基準磁界検出構成に接続するように構成され、前記第1のスイッチング回路が、前記少なくとも2つの磁界検出素子を、前記被測定磁界検出構成に接続されるときに外部磁界の存在下で協働して応答するように並列に接続し、前記少なくとも2つの磁界検出素子を、前記基準磁界検出構成に接続されるときに前記外部磁界に対する応答が互いに反対になるように接続するように構成され、前記第1のスイッチング回路が、磁界信号を供給するように第1のスイッチング速度で前記被測定磁界検出構成と前記基準磁界検出構成との間で、時間分割多重化を用いて、交互に往復して切り替えるように動作可能であり、前記第1のスイッチング回路が、
前記被測定磁界検出構成で接続されたときに前記外部磁界に応答する被測定磁界応答信号部分、および
前記基準磁界検出構成で接続されたときに基準磁界に応答する基準磁界応答信号部分
を含む前記磁界信号を生成するように構成され、前記磁界信号は、第1の期間の間は前記被測定磁界応答信号部分のみを表し、前記第1のスイッチング速度に同期した速度で前記第1の期間とインターリーブされた第2の異なる期間の間は前記基準磁界応答信号部分のみを表す、第1のスイッチング回路と、
前記第1のスイッチング回路から前記磁界信号を受け取るように接続された処理回路であって、
前記第1の期間の間に前記被測定磁界応答信号部分を表す前記磁界信号を選択し処理して、前記被測定磁界応答信号部分を表す第1の信号を生成するように時間分割多重化された、第1の処理チャネルであって、前記第1の信号は第1のセンサ出力信号を提供する、第1の処理チャネルと、
前記第2の異なる期間の間に前記基準磁界応答信号部分を表す前記磁界信号を選択し処理して、前記基準磁界応答信号部分を表す第2の信号を生成するように時間分割多重化された、第2の異なる処理チャネルと
を含む、処理回路と、
前記第2の信号を前記処理回路から受け取るように接続され、前記少なくとも2つの磁界検出素子を駆動するために印加されるバイアス信号、または前記処理回路の利得、のうちの少なくとも1つを制御するためにフィードバック信号を生成するように構成された、フィードバック回路と
を備える、磁界センサ。 - 前記基準磁界が、前記少なくとも2つの磁界検出素子のうちの選択されたものの場所で反対方向に向いた第1および第2の基準磁界を含み、前記磁界センサが、
前記第1および第2の基準磁界を生成するように動作可能な磁界生成器をさらに備える、請求項1に記載の磁界センサ。 - 前記磁界生成器が、
それぞれ前記少なくとも2つの磁界検出素子に近接した、少なくとも2つの基準磁界導体部分を備え、前記少なくとも2つの基準磁界導体部分が、前記基準磁界を生成するための基準電流を伝達するように構成される、請求項2に記載の磁界センサ。 - 前記基準電流を供給するように接続された第2のスイッチング回路であって、前記第1のスイッチング速度に同期して、第1の基準電流方向と第2の反対の基準電流方向との間で前記基準電流を交互に切り替えるように動作可能な、第2のスイッチング回路
をさらに備える、請求項3に記載の磁界センサ。 - 前記第2の信号は第2のセンサ出力信号を提供する、請求項3に記載の磁界センサ。
- 前記被測定磁界検出構成が、前記少なくとも2つの磁界検出素子のチョッピングを表す、少なくとも2つの異なる交互の被測定磁界検出構成からなる、請求項3に記載の磁界センサ。
- 前記少なくとも2つの磁界検出素子が、基板によって支持され、前記少なくとも2つの基準磁界導体部分が、前記基板によって支持され前記磁界検出素子に近接した導体を含む、請求項3に記載の磁界センサ。
- 前記少なくとも2つの基準磁界導体部分が、前記基板によって支持される2つ以上の金属層にわたって広がる、請求項7に記載の磁界センサ。
- 前記少なくとも2つの磁界検出素子が、基板によって支持され、前記少なくとも2つの基準磁界導体部分が、前記基板から分離しているが前記基板に近接した導体を含む、請求項3に記載の磁界センサ。
- 前記外部磁界が、被測定電流導体によって伝達される被測定電流によって生成される、請求項3に記載の磁界センサ。
- 前記少なくとも2つの磁界検出素子が、少なくとも2つのホール効果素子を含む、請求項3に記載の磁界センサ。
- 前記少なくとも2つの磁界検出素子が、少なくとも2つの磁気抵抗素子を含む、請求項3に記載の磁界センサ。
- 磁界センサの較正または自己テストを生成する方法であって、
少なくとも2つの磁界検出素子を被測定磁界検出構成に接続するステップであって、前記少なくとも2つの磁界検出素子を、外部磁界の存在下で協働して応答するように並列に接続するステップを含む、ステップと、
前記少なくとも2つの磁界検出素子を基準磁界検出構成に接続するステップであって、前記少なくとも2つの磁界検出素子を、前記外部磁界に対する応答が互いに反対になるように接続するステップを含む、ステップと、
磁界信号を供給するために、第1のスイッチング速度で前記被測定磁界検出構成と前記基準磁界検出構成とを、時間分割多重化を用いて、交互に往復して切り替えるステップであって、前記切り替えるステップが、
前記被測定磁界検出構成で接続されたときに前記外部磁界に応答する被測定磁界応答信号部分、および
前記基準磁界検出構成で接続されたときに基準磁界に応答する基準磁界応答信号部分
を含む前記磁界信号を生成するように構成され、前記磁界信号は、第1の期間の間は前記被測定磁界応答信号部分のみを表し、前記第1のスイッチング速度に同期した速度で前記第1の期間とインターリーブされた第2の異なる期間の間は前記基準磁界応答信号部分のみを表す、切り替えるステップと、
第1のスイッチング回路から前記磁界信号を受け取るステップと、
前記第1の期間の間に前記被測定磁界応答信号部分を表す前記磁界信号を選択し処理して、前記被測定磁界応答信号部分を表す第1の信号を生成するように時間分割多重化するステップであって、前記第1の信号はセンサ出力信号を提供する、ステップと、
前記第2の異なる期間の間に前記基準磁界応答信号部分を表す前記磁界信号を選択し処理して、前記基準磁界応答信号部分を表す第2の信号を生成するように時間多重化するステップと、
前記第2の信号を使用して、前記少なくとも2つの磁界検出素子を駆動するために印加されるバイアス信号、または前記少なくとも2つの磁界検出素子に接続された処理回路の利得、のうちの少なくとも1つを制御するためのフィードバック信号を生成するステップと
を含む、方法。 - 前記基準磁界が、前記少なくとも2つの磁界検出素子のうちの選択されたものの場所で反対方向に向いた第1および第2の基準磁界を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記基準磁界を生成するために基準電流を生成するステップをさらに含み、前記基準磁界は、それぞれの磁界方向が反対方向に向けられた少なくとも2つの基準磁界部分を含む、
請求項13に記載の方法。 - 前記第1のスイッチング速度に同期して、第1の基準電流方向と第2の反対の基準電流方向との間で交互に切り替えるステップ
をさらに含む、請求項15に記載の方法。 - 前記第2の信号は第2のセンサ出力信号を提供する、請求項15に記載の方法。
- 前記被測定磁界検出構成が、前記少なくとも2つの磁界検出素子のチョッピングを表す少なくとも2つの異なる交互の被測定磁界検出構成からなる、請求項15に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの磁界検出素子が、基板によって支持され、前記少なくとも2つの基準磁界部分が、前記基板によって支持され前記少なくとも2つの磁界検出素子に近接した導体を備えた、少なくとも2つの基準磁界導体部分によって生成される、請求項15に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの基準磁界導体部分が、前記基板によって支持された2つ以上の金属層にわたって広がる、請求項19に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの磁界検出素子が基板によって支持され、前記少なくとも2つの基準磁界部分が、前記基板から分離しているが前記基板に近接した導体を備えた、少なくとも2つの基準磁界導体部分によって生成される、請求項15に記載の方法。
- 前記外部磁界が、被測定電流導体によって伝達される被測定電流によって生成される、請求項15に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの磁界検出素子が、少なくとも2つのホール効果素子を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの磁界検出素子が、少なくとも2つの磁気抵抗素子を含む、請求項15に記載の方法。
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