JP2024503359A - 高次電圧出力成分の連続補正に基づく磁気センサ出力の線形化 - Google Patents
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Abstract
Description
前記出力信号の高次成分信号の振幅による線形応答からの前記出力信号の偏差を決定することと、
100mTまでの磁場範囲について、補正出力信号が2%より小さい、好ましくは1%より小さい、より好ましくは0.5%より小さい線形性誤差を持つように、高次成分信号に対する出力信号を補償することによって補正出力信号を決定することと
を備える。
係数a1、a3、a5は、それぞれ線形成分、3次成分、5次成分の係数である。完全な線形応答からのVoutの偏差(いわゆる「線形性誤差」又は「非線形性」)は、与えられた磁場とともに急速に増加するVhoの振幅によって決定され、その結果、線形性誤差が増加する(図1を参照)。
Vout<V1には、出力電圧区分I(Vout,1)
Vout>V2には、出力電圧区分II(Vout,2)
V1≦Vout≦V2には、出力電圧区分III(Vout,3)
ここでは、V1<V2において、各区分遷移しきい値V1及びV2は、出力電圧区分Vout,1とVout,2とVout,3を区分化する。
式100から、Hは次のように記述できる。
この例では、
図3cは、VoutとVcorrの線形性誤差の比較を示す。図3dは、式102a、式102bに基づく線形性補正用の代替ASIC回路を示す。
補正機能(Ai+Bi*Vout)は、オペアンプや受動部品などの一般的なアナログ回路で簡単に実装できる。図3dの例は、比較器を使用して、動作の出力電圧区分Vout,iに基づいてAi、Bi係数の対を選択する代替実装である。この概念は、3区分シナリオで例示されていて、当然、より多くの出力電圧区分Vout,iに拡張できて、センサの非線形性をより正確に補正できる。図3aに示す回路は、1つの比較器10のみを備えられることに留意されたい(例えば、ユニポーラー用途など、センサ出力の半分のみが利用される場合)。
Voutの値が小さい場合、補正は不要であり、
A3=0及びB3=1、それゆえ
Vcorr,3=Vout,3
である。図4の回路は、1つの比較器10のみ備えてよい。
区分遷移しきい値電圧V1及びV2、ならびにR1及びR2は、非線形性補正を最適化するためセンサの特性に基づいて変更できるプログラム可能な変数として好ましくは実装される。出力信号区分Vout,iが区分遷移しきい値Viより大きい場合に出力信号区分Vout,iを出力し、出力信号区分Vout,iが区分遷移しきい値Viより大きい場合に出力信号区分Vout,iに加算された補正出力信号区分Vcorr,iを出力するように構成されている。
補正抵抗R0は、補正抵抗R0に第2電流i2が供給されると、補正出力信号区分Vcorr,iを生成する。この回路は、出力信号区分Vout,iが区分遷移しきい値Viより小さい場合に出力し、後者が区分遷移しきい値Viより大きい場合に出力信号区分Vout,iに加算された補正出力信号区分Vcorr,iを出力するように構成されている。第1電流i1は、出力信号区分Vout,iと区分遷移しきい値Viとの差の一次関数として生成できる。図5の回路は、ユニポーラー適用用の電圧電流変換回路(15bなど)を1つだけ備えてよい。
図13aと図13bは、次の回路変数を使用して実際の磁気抵抗センサに適用された3区分の簡略化された区分線形補正を示す。
図15では、レシオメトリックシステムでの(マイナス)-50°Cから150°Cの温度及び4.5Vから5.5Vの電源電圧範囲にわたる3区分の単純な非線形性補正安定性は、次の変数セットを使用した。
1より十分小さいaxについて近似
灰色の線はVoutの線形適合(LinFit)を示す。図16bは、磁場の関数としての線形性誤差
小さな磁場(20mT未満)でも、Voutは1%より大きな(>)線形性誤差を示すことに留意されたい(図16bを参照)。
図16c及び図16dは、式105及び式107に基づく補正方式の性能を示す。図16cは、変数kの2つの異なる値(暗い灰色の曲線と明るい灰色の曲線)に対するVout(黒い曲線)と補正後のVout(Vcorr)の比較を示す。このような考え方により、線形性誤差を0.5%<値に減らせる(それゆえ、x10の削減)。両方のVcorr信号の感度は約1.5mV/V/mTであり、これはVoutの線形係数(a-,)と同じであることに留意されたい。
これらの結果は、感度の低下が得られないというこのような補正方式の可能性を裏付けている。図16dは、両方のVcorrの線形性誤差を示す(変数kの2つの異なる値の場合)。
この回路はまた、ゲインG=k/c1 3を持つオペアンプ13を備える。
比較器、反転増幅器、MUXとDMUXとの少なくとも一方の役割は、電圧乗算器12が出力電圧Voutの両方の極性で動作し、Voutのいずれかの極性に対するVsubの決定を確実に可能にすることである。出力信号Voutによって入力された比較器10は、両方のMUX11を起動するため、比較器の出力値に応じて、MUXは2つの入力信号のうちの1つを選択する。
それゆえ、第1マルチプレクサをその出力信号が常に正になるように構成してよく、少なくとも2つのカスケード乗算器の動作を可能にして信号~Vout 3を計算する。この信号をオペアンプ13で増幅した後、信号
この線形化補正の考え方をフルアナログMTJセンサとASCIシステム(外部磁場に依存する出力電圧Voutを示すMTJベースの磁気センサ(式103)と、
出力電圧Vout,AMUがVout 3に比例するように構成されたAMU(式113で記述)と、
出力電圧が
に実装する可能性を示す。
MTJベースの磁場センサと、
比較器(センサの出力電圧Voutの極性を決定するため)と、
2つの逆変換器(1つはVoutの極性を反転し、もう1つはVout,AMUの極性を反転させる)と、
Vout,AMU~Vout 3の計算を可能にするAMUと、
Vsubを決定するのに適切なVout及びVAMU信号を選択するため、MUXとDMUXとの少なくとも一方のいくつかと、
出力電圧が
磁気抵抗センサと、
全ての磁場に対して
Vin 3を計算できる第1AMU14a
Vin 2を計算できる第2AMU14b(又は別のアナログIC回路)と、
Vinを係数x3G(ここでG=k/c1 3)で増幅可能にする第1電圧増幅器13aと、
V0を係数x(-G)で増幅可能にする第2電圧増幅器13bと、
Vcorrを式111で決定可能にする電圧加算アンプ。
本実施形態では、オフセット信号Voと出力信号Voutとの和が、AMU14a,14bの少なくとも一方及び前記第1電圧増幅器13aに入力される。補正出力信号Vcorrは、AMU14a,14bの出力電圧に第1及び第2電圧増幅器13a,13bの出力電圧を加えた和である。なお、本実施形態の特殊なケースは、図27に示すように、V0=1V(それゆえV0=V0 2=V0 3)のときであることに留意されたい。
1)アナログ-デジタル変換器(ADC)と、
2)Vsubを決定するデジタルシステム(DS)と、
3)デジタル-アナログ変換器(DAC)
に基づく。このようなDSは、マイクロコントローラ(MCU)、ルックアップテーブル(LUT)、又はマイクロプロセッサ、メモリユニット、及びMCUの他の種類の組み合わせで構成できることに留意されたい。
複数の磁気抵抗センサを設け、各磁気抵抗センサの出力信号Voutを測定することと、
測定された出力信号Voutを
測定された出力信号Voutを
決定されたオフセット係数a0、1次係数a1、少なくとも3次係数a3、近似オフセット係数c0及び近似1次係数c1についての中央値を決定すること
を備える。
マイクロコントローラ、ADC、DACを必要としないリアルタイムの連続補正と、
装置間の変数の変動に対するロバスト性と、
Voutの高次成分の計算用にこのアプローチをデジタルで実装する可能性(図29を参照)
を可能にする。
非線形性補正方式は、「線形適合」補正法の2つの主要変数のウェーハレベルで高速決定する方法を使えるようにする(図30のフローチャート)。
新しいMTJスタックを開発する必要なしに、現在の線形磁気センサの性能(線形性誤差又は磁場範囲)の改善と、
線形性誤差の補正方式に基づく新しい線形磁気センサ製品の開発
を可能にする。
11 マルチプレクサ、デマルチプレクサ
12 乗算器、電圧乗算器
13 オペアンプ、電圧増幅器
13a 第1電圧増幅器、差動増幅器
13b 第2電圧増幅器、非反転加算増幅器
14,14a,14b アナログ多目的ユニット(AMU)
15a 第1電圧電流変換回路
15b 第2電圧電流変換回路
16 トランジスタ
2 磁気抵抗素子
20 磁気抵抗センサ
a0 オフセット係数
a1 1次係数
a3 3次成分
c0 近似オフセット係数
c1 近似1次係数
H 外部磁場
H2 最大動作磁場範囲
i1 第1電流
i2 第2電流
R0 補正抵抗器
R1 第1抵抗器
R2 第2抵抗器
Vcorr 補正出力電圧
Vho 高次成分信号
Vin 、Vin,i 入力信号
V0 信号オフセット
Vout 出力信号
Vout,i 出力信号セグメント
Vi 遷移しきい値信号
Vsub 追加信号
Claims (40)
- 外部磁場(H)の存在下で磁気抵抗センサによって提供される出力信号(Vout)を補正する補正方法であって、
前記出力信号(Vout)の高次成分信号(Vho)の振幅による線形応答からの前記出力信号の偏差を決定することと、
前記高次成分信号(Vho)に対する前記出力信号(Vout)を補償することによって、補正出力信号(Vcorr)が、前記出力信号(Vout)の線形誤差より小さな線形誤差を持つように、補正出力信号(Vcorr)を決定することと
を備える、補正方法。 - 前記出力信号(Vout)を複数の重ならない出力信号区分(Vout,i)に区分することであって、各出力信号区分(Vout,i)が区分遷移しきい値(Vi)によって区分けされている、前記区分することを備え、
各出力信号区分(Vout,i)が、相当する補正出力信号区分(Vout,i)を得る線形方程式によって近似されている、請求項1又は2に記載の補正方法。 - 前記高次成分信号(Vho)の負値に近いか等しい追加信号(Vsub)を決定することを備え、
補正出力信号(Vcorr)を前記決定することが、前記追加信号(Vsub)を前記出力信号(Vout)に加算することによって前記高次成分信号(Vho)用に前記出力信号(Vout)を補うことを備える、請求項1に記載の補正方法。 - 前記追加信号(Vsub)がVout 3に比例する、請求項6に記載の補正方法。
- 追加信号(Vsub)を決定するとき、信号オフセット(V0)が前記出力信号(Vout)に加算される、請求項8から11のいずれか一項に記載の補正方法。
- 請求項1から12に記載の方法をコンピュータに実行させるプログラムを記憶している、非一過性のコンピュータ可読媒体。
- 請求項3から13のいずれか一項に記載された方法を実施するように構成されている集積回路(IC)。
- 前記出力信号区分(Vout,i)と、前記補正出力信号区分(Vout,i)と、前記区分遷移しきい値(Vi)が電圧を備え、前記ICが少なくとも1つの比較器(10)を備え、前記比較器(10)に前記出力信号(Vout)と前記区分遷移しきい値(Vi)の1つが入力される、請求項14に記載のIC。
- 前記複数の補正出力信号区分(Vcorr,i)の1つを少なくとも1つの前記比較器(10)の出力に基づいて選択するように構成されたマルチプレクサ(11)を備える、請求項15に記載のIC。
- 少なくとも1つの前記比較器(10)の前記出力が、補正電圧()を生成する補正電圧生成器に接続され、
センサの出力電圧(Vout)が区分遷移しきい値(Vi)より小さいとき、前記ICがセンサの出力電圧(Vout)を出力して、
前記センサの出力電圧(Vout)が前記区分遷移しきい値(vi)より大きいとき、前記センサの出力電圧(Vout)と前記補正電圧との合計を出力するように構成されている、請求項14に記載のIC。 - 第1電圧電流変換回路(15b)が第1電流(icorr2)を生成するように構成されていて、ここで
前記第1電流(icorr2)は、前記センサの出力電圧信号(Vout)がしきい値信号(V2)より大きいとき、前記センサの出力電圧信号(Vout)と前記しきい値信号(V2)との差の関数であり、
前記第1電流(icorr2)は前記センサの出力電圧信号(Vout)が前記しきい値信号(V2)より小さいときゼロであり、
前記第1電流(icorr2)が補正抵抗(R0)に供給されるとき補正出力信号(Vcorr)を生成する、前記センサ出力電圧信号(Vout)と前記補正出力信号(Vcorr)の間の補正抵抗(R0)が構成されている、請求項14に記載のIC。 - 前記第1電流(icorr2)は、前記センサの出力電圧信号(Vout)が前記しきい値信号(V2)より大きいとき、前記センサの出力電圧信号(Vout)と前記しきい値信号(V2)との差の線形関数である、請求項19に記載のIC。
- 前記電圧電流変換回路(15b)が、
第1入力電圧端子がしきい値信号に接続されていて、第2入力端子がトランジスタ(16)の第1端子に接続されているオペアンプ(13)を備え、
前記オペアンプ(13)の前記出力が前記トランジスタ(16)の第2端子を直接駆動して、前記トランジスタ(16)の第3端子が前記電圧電流変換回路の電流出力端子として作動する、請求項20に記載のIC。 - 前記電圧電流変換回路(15b)がMOSトランジスタを備える、請求項20に記載のIC。
- 前記出力信号(Vout)に依存する追加信号(Vsub)を提供するように、かつ請求項6から12のいずれか一項に記載された補正する方法を実施するように構成された、集積回路(IC)。
- 前記追加信号(Vsub)が、少なくとも1個の電圧乗算器(12)によって決定される、請求項23に記載のIC。
- 前記出力信号(Vout)が入力され、比較器(10)の出力が少なくとも1個のマルチプレクサ(11)と、1個のデマルチプレクサとの少なくとも一方の起動、もしくはマルチプレクサ及びデマルチプレクサの任意の組み合わせの起動に使われる、比較器(10)と、
前記出力信号(Vout)の各極性について、少なくとも1個の電圧乗算器(12)によって決定される前記追加信号(Vsub)を決定するように構成された、少なくとも1個の反転増幅器(13)と
を少なくともさらに備える、請求項24又は25に記載のIC。 - 信号オフセット(V0)が前記出力信号(Vout)に加算されて、
前記信号オフセット(V0)と前記出力信号(Vout)との合計に相当する入力信号(Vin)が前記少なくとも1個の電圧乗算器(12)に入力される、請求項24から26のいずれか一項に記載のIC。 - 前記追加信号(Vsub)を決定するように構成された、少なくとも1個のアナログ多目的ユニット(AMU)(14a又は14b)を備える、請求項23に記載のIC。
- 前記少なくとも1個のAMU(14a又は14b)が、少なくとも対数比と、対数と、前記入力電圧(Vin)をnのべき数で計算するように構成された反対数オペアンプ(13)に基づき、nが前記AMUシステムの内部構成部品によって定義される変数である、請求項28に記載のIC。
- 比較器(10)と、
マルチプレクサ(11)とデマルチプレクサ(11)との少なくとも一方と、
少なくとも1個の反転増幅器(13)とを少なくともさらに備えて、少なくとも1個のAMU(14a,14b)が前記追加信号(Vsub)を前記出力信号(Vout)の極性とは独立に決定する、請求項28又は29に記載のIC。 - ゲインG1を持つ第1電圧増幅器(13a)と、ゲインG2を持つ第2電圧増幅器(13b)をさらに備え、
オフセット信号(V0)が前記出力信号(Vout)に加算されて、前記オフセット信号(V0)と前記出力信号(Vout)の合計に相当する入力信号(Vin)が、前記少なくとも2個のAMU及び前記第1電圧増幅器(13a)に入力され、
前記補正出力信号(Vcorr)が、前記AMU(14a,14b)の前記出力電圧に前記第1及び第2電圧増幅器(13a,13b)の前記出力電圧を足した合計である、請求項28又は29に記載のIC。 - 前記AMU(14a)の1個が、2のべき数で前記入力信号(Vin)を計算するように構成されていて、
別のAMU(14b)が、3のべき数で前記入力信号(Vin)を計算するように構成されている、請求項31に記載のIC。 - 前記追加信号(Vsub)を前記出力信号(Vout)からデジタルで決定するように構成されたデジタルシステム(DS)を備える、請求項23に記載のIC。
- デジタルの補正出力信号(Vcorr)が最終出力として取得されるように、前記補正する方法が前記DSによって実施される、請求項33に記載のIC。
- 補正出力信号(Vcorr)が前記出力信号(Vout)及びアナログの追加信号(Vsub)の加算によって取得されるように、デジタルで決定された追加信号(Vsub)からアナログの追加信号(Vsub)を取得するように構成されたデジタルアナログ変換器(DAC)をさらに備える、請求項33に記載のIC。
- 複数の磁気抵抗センサに共通変数を導出する特性評価方法であって、
請求項6から12のいずれか一項に記載の補正する方法を実施するとき、前記共通の変数が使われる、特性評価方法。 - 前記出力信号(Vout)が
前記補正する方法が、前記高次成分電圧信号(Vh0)の負値に相当する追加電圧信号(Vsub)を決定することを備え、
補正出力信号(Vcorr)を前記決定することが、前記高次成分信号電圧(Vh0)用に補正される前記出力電圧信号(Vout)に、前記追加電圧信号(Vsub)を前記出力信号電圧(Vout)に加算することによって補正することを備え、前記特性評価方法が、
複数の磁気抵抗センサを提供して、各磁気抵抗センサについて出力信号(Vout)を測定することと、
測定した出力信号(Vout)を
前記近似オフセット係数c0及び前記近似1次係数c1を前記測定された出力信号(Vout)を
決定された前記オフセット係数a0と、1次係数a1と、少なくとも3次係数a3と、近似オフセット係数c0と、近似1次係数c1について、中央値を決定することと、
を備える、請求項36に記載の特性評価方法。 - 前記磁気抵抗センサが、前記磁気抵抗センサの最大作動磁場範囲(H2)に相当する外部磁場(H)に出されると、前記出力信号(Vout)を前記測定することが行われる、請求項37記載の方法。
- 前記複数の磁気抵抗センサが、ウェーハ内に備わった複数の磁気抵抗センサの下位のセットを備える、請求項37又は38に記載の方法。
- 前記磁気抵抗センサが、少なくとも5個の異なる磁場の大きさに相当する外部磁場(H)に出されると、出力信号(Vout)を前記測定することが行われ、前記少なくとも5個の異なる磁場の大きさが、
前記磁気抵抗センサの最大作動磁場範囲(-H2,H2)に相当する高磁場と、
低磁場H1との間に備わっていて、前記低磁場H1では、前記出力信号(Vout)は
前記測定された出力信号
近似オフセット係数c0及び近似1次係数c1を前記測定された出力信号(Vout)を前記最大作動磁場範囲(-H2,H2)にわたって
前記決定されたオフセット係数a0と、1次係数a1と、少なくとも3次係数a3と、近似オフセット係数c0と、近似1次係数c1とに対する前記中央値を決定することと
を備える、請求項37に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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