KR101890619B1

KR101890619B1 - 검출된 자기장 신호와 노이즈 신호 사이의 개선된 구별을 갖는 자기장 센서

Info

Publication number: KR101890619B1
Application number: KR1020137002131A
Authority: KR
Inventors: 에르난 디. 로메로; 헤라르도 몬레알
Original assignee: 알레그로 마이크로시스템스, 엘엘씨
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2018-08-22
Also published as: US20120025817A1; KR20130042559A; CN103038658B; DE112011102509T5; DE112011102509B4; CN103038658A; US8564285B2; JP2013537626A; JP5864573B2; WO2012015533A1

Abstract

자기장 센서는 자기장에 응답하여 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 신호 컴포넌트를 포함하는 홀 요소 출력 신호를 생성하는 홀 요소를 포함한다. 또한, 자기장 센서는 홀 요소 출력 신호를 수신하여 변조 회로 출력 신호를 생성하는 홀 요소 변조 회로를 포함한다. 이 때, 홀 요소 변조 회로는 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 변화하는 변동 변조 주파수를 갖는 변조 신호로 변조된다.

Description

검출된 자기장 신호와 노이즈 신호 사이의 개선된 구별을 갖는 자기장 센서 {MAGNETIC FIELD SENSOR WITH IMPROVED DIFFERENTIATION BETWEEN A SENSED MAGNETIC FIELD SIGNAL AND A NOISE SIGNAL}

본 발명은 자기장 센서 장치들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 노이즈의 영향을 감소시키는 자기장 센서에 관한 것이다.

자기장들을 검출하기 위한 자기장 센서는 알려져 있다. 자기장 센서에 있어서, 자기장은 홀 요소(Hall element) 또는 자기저항 요소(magnetoresistance element)와 같은 자기장 검출 요소에 의해 검출된다. 이러한 자기장 검출 요소는 검출된 자기장에 비례하는 신호(즉, 자기장 신호)를 제공한다. 몇몇 방식들에서, 자기장 신호는 전기적인 신호일 수 있다.

자기장 센서는 다양한 응용 장치(application)들에서 사용된다. 이러한 자기장 센서는 자기장의 자기장 밀도를 검출하는 선형 자기장 센서, 전류 운반 전도체(current carrying conductor)에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자기장을 검출하는 전류 센서, 강자성(ferromagnetic) 물체의 접근을 검출하는 자기 스위치, 및 강자성 물체들이 지나가는 것을 검출하는 회전 검출기를 포함할 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.

선형 자기장 센서에서, 출력 신호는 검출된 자기장에 정비례로 변화한다. 자기 스위치에서, 출력 신호는 검출된 자기장에 응답하여 상태(state)를 변경한다.

자기장 센서들은 자기장 센서들의 정확도를 저하시키는 경향이 있는 노이즈에 영향을 받기 쉽다. 노이즈는 다양한 노이즈 소스(noise source)들로부터 야기될 수 있다. 이러한 노이즈는 외부 자기 잡음(external magnetic noise field)들의 소스들과 외부 전기 잡음(external electric noise field)들의 소스들을 포함할 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.

노이즈를 원하는 자기장 신호로부터 구별(구분)할 수 있는 자기장 센서를 구현하는 것은 바람직할 것이다.

본 발명의 일 목적은 노이즈를 원하는 자기장 신호로부터 구별(구분)할 수 있는 자기장 센서를 제공하는 것이다.

본 발명은 시간에 따라 주파수가 변하는 변조 클럭 신호들을 가진 자기장 센서를 제공한다. 이러한 자기장 센서는 자기장 신호로부터 노이즈 신호를 보다 정확하게 구별하는 능력을 제공하는 자기장 센서 출력 신호를 만든다.

본 발명의 실시예들에 따른 자기장 센서는 자기장에 응답하여 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 신호 컴포넌트를 포함하는 홀 요소 출력 신호를 생성하는 홀 요소(Hall element)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 자기장 센서는 상기 홀 요소 출력 신호를 수신하여 변조 회로 출력 신호를 생성하는 홀 요소 변조 회로를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 홀 요소 변조 회로는 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 변화하는 변동 변조 주파수를 갖는 변조 신호로 상기 자기장 신호 컴포넌트 또는 상기 오프셋 신호 컴포넌트를 변조할 수 있다.

상기 자기장 센서는 또한 하나 이상의 후술할 특징들을 가질 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 상기 제 1 최소 주파수에서 상기 제 1 최대 주파수까지 선형 스위프(linear sweep) 형태로 변화할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 상기 제 1 최소 주파수에서 상기 제 1 최대 주파수까지 비선형 스위프 형태로 변화할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 상기 제 1 최소 주파수에서 상기 제 1 최대 주파수까지 복수의 이산 주파수 스텝(discrete frequency step)들 형태로 변화할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 변화할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 변조 회로 출력 신호를 수신하여 증폭기 회로 출력 신호를 생성하는 증폭기 회로를 더 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 증폭기 회로는 상기 변조 회로 출력 신호를 나타내는 신호를 제 2 최소 주파수와 제 2 최대 주파수 사이에서 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호로 변조하는 스위칭 회로를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기될(synchronous) 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 다르고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기될 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 증폭기 회로는 제 2 최소 주파수와 제 2 최대 주파수 사이에서 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호에 상응하는 비율로(at a rate) 상기 변조 회로 출력 신호를 나타내는 신호를 샘플링하는 샘플-홀드(sample and hold) 회로를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기될 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 증폭기 회로 출력 신호를 수신하여 자기장 센서 출력 신호를 생성하는 필터 회로를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 필터 회로는 안티-에일리어스(anti-alias)된 신호를 생성하는 안티-에일리어스 필터, 및 상기 안티-에일리어스 필터에 연결되고, 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 샘플링 주파수를 갖는 샘플링 신호에 따라 상기 안티-에일리어스된 신호를 나타내는 신호를 샘플링하는 이산 시간 선택 필터(discrete time selective filter)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 이산 시간 선택 필터는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 노치 주파수(changing notch frequency)를 가질 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 안티-에일리어스 필터는 상기 변동 샘플링 주파수와 관련된 최대 샘플링 주파수의 절반 이상의 주파수 컴포넌트들을 감소시키기 위해 선택된 코너(corner) 주파수를 가질 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수의 정수 배(integer times)와 같을 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같을 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수의 두 배와 같을 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 변동 노치 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같을 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터(voltage controlled oscillator) 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 수신하여 상기 제 1 변조 신호, 상기 제 2 변조 신호 또는 상기 샘플링 신호 중에서 적어도 하나 이상을 생성하는 클럭 생성(clock generation) 회로를 더 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 출력 신호를 생성하여 상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호의 상기 변동 주파수를 제어하는 신호 생성 회로를 더 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 선형-변화(ramp)하는 선형 전압 신호를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 변화하는 비선형 전압 신호를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 복수의 이산 전압 스텝들 형태로 변화하는 스텝 전압(stepped voltage) 신호를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 복수의 이산 전압 스텝들 형태로 변화하는 스텝 전압 신호를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예들에 의하면, 상기 자기장 센서는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 그 자체뿐 만 아니라 본 발명의 상술한 특징들이 아래 도면들에 대한 상세한 설명으로부터 보다 충분하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 홀 요소, 변조 회로, 초퍼 안정화 증폭기(chopper-stabilized amplifier)를 가진 증폭기 회로, 안티-에일리어스(anti-alias) 필터와 이산 시간(discrete-time) 선택 필터를 가진 필터 회로를 구비하는 종래의 자기장 센서(여기서, 클럭된 부분들(clocked portions)은 고정된 클럭들(즉, 고정된 주파수들을 가진 클럭 신호들)로 클럭됨)를 나타내는 블록도이다.
도 1a는 홀 요소, 변조 회로, 샘플-홀드 회로를 가진 증폭기 회로, 로우 패스 필터(low pass filter)를 가진 필터 회로를 구비하는 다른 종래의 자기장 센서(여기서, 클럭된 부분들은 고정된 클럭들로 클럭됨)를 나타내는 블록도이다.
도 2는 오프셋 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조하기 위하여 도 1 및 도 1a의 자기장 센서 내의 홀 요소와 변조 회로로서 사용될 수 있는 홀 요소 및 변조 회로를 구비하는 스위치 홀 요소(switched Hall element)를 나타내는 블록도이다.
도 2a는 도 2의 스위치 홀 요소를 위한 클록 신호들을 나타내는 그래프이다.
도 2b는 도 2의 스위치 홀 요소에 의해 제공되는 변조 오프셋 컴포넌트를 나타내는 그래프이다.
도 2c는 도 2의 스위치 홀 요소에 의해 제공되는 비변조(un-modulated) 자기장 신호 컴포넌트를 나타내는 그래프이다.
도 3은 자기장 신호 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조하기 위하여 도 1 및 도 1a의 자기장 센서 내의 홀 요소와 변조 회로로서 사용될 수 있는 홀 요소 및 변조 회로를 구비하는 스위치 홀 요소를 나타내는 블록도이다.
도 3a는 도 3의 스위치 홀 요소를 위한 클럭 신호들을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 도 3의 스위치 홀 요소에 의해 제공되는 비변조 오프셋 컴포넌트를 나타내는 그래프이다.
도 3c는 도 3의 스위칭 홀 요소에 의해 제공되는 변조 자기장 신호 컴포넌트를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1 및 도 1a의 A지점에서 나타나는 싱글-엔디드 신호(single-ended signal)들인 네 개의 신호들을 나타내는 그래프이다.
도 4a는 도 1의 B지점에서 나타나는 비변조 신호 컴포넌트와 변조 오프셋 컴포넌트를 가진 차동 신호(differential signal)를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 도 1의 C지점에서 나타나는 변조 오프셋 컴포넌트와 복조(demodulated) 자기장 신호 컴포넌트를 가진 차동 신호를 나타내는 그래프이다.
도 4c는 도 1 및 도 1a의 D지점에서 나타나는 필터링된 변조 오프셋 컴포넌트와 복조 신호 컴포넌트를 가진 필터링된 차동 신호를 나타내는 그래프이다.
도 5는 홀 요소, 변조 회로, 초퍼 안정화 증폭기를 가진 증폭기 회로 및 안티-에일리어스 필터와 이산 시간 선택 필터를 가진 필터 회로를 구비하는 자기장 센서(여기서, 클럭된 부분들은 변조 클럭 신호(modulating clock signal)에 비례하여 주파수가 변하는 클럭들로 클럭됨)를 나타내는 블록도이다.
도 5a는 홀 요소, 변조 회로, 샘플-홀드 회로를 가진 증폭기 회로 및 로우 패스 필터를 가진 필터 회로를 구비하는 다른 자기장 센서(여기서, 클럭된 부분들은 변조 클럭 신호에 비례하여 주파수가 변하는 클럭들로 클럭됨)를 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5 또는 5a의 전압 제어 오실레이터(VCO)에 제어 신호로서 제공될 수 있는 전압 램프(voltage ramp)를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 도 6의 전압 램프에 응답하여 도 5 또는 도 5a의 변조 클럭 신호로서 생성될 수 있는 변화 주파수(varying frequency)를 나타내는 주파수 영역 그래프(frequency domain graph)이다.
도 7은 변조된 신호(여기서, 변조된 신호는 도 5의 증폭기 회로 내부에 있는 제 1 스위칭 회로 이후 또는 도 5a의 변조 회로의 출력에서 생성될 수 있는 변화 주파수 및 그의 고조파들을 가짐) 및 베이스밴드(baseband) 신호(여기서, 베이스밴드(즉, 복조된) 신호는 도 5 또는 도 5a의 증폭기 회로의 출력 또는 도 5나 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있음)를 나타내는 주파수 영역 그래프이다.
도 8은 변조된 신호(여기서, 변조된 신호는 도 5의 증폭기 회로 내부에 있는 제 1 스위칭 회로 이후 또는 도 5a의 변조 회로의 출력에서 생성될 수 있는 변화 주파수(그러나, 그의 고조파들은 생략됨)를 가짐), 노이즈 신호(여기서, 노이즈 신호는 변조된 신호의 밴드(band) 내에서 발생할 수 있음), 베이스밴드 신호(여기서, 베이스밴드 신호(즉, 복조된)는 도 5나 도 5a의 증폭기 회로의 출력 또는 도 5나 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있음), 및 베이스밴드로 복조된 노이즈 신호(여기서, 베이스밴드로 복조된 노이즈 신호는 도 5나 도 5a의 증폭기 회로의 출력 또는 도 5 또는 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있음)를 나타내는 주파수 영역 그래프이다.
도 9는 선형 변화 주파수(linearly varying frequency)를 가진 도 5 및 도 5a의 예시적인 변조 클럭 신호를 나타내는 시간 영역 그래프(time domain graph)이다.
도 9a는 노이즈 신호가 존재하는 상태에서 도 9의 선형 변화 주파수를 가진 변조 클럭 신호에 응답하여, 도 5의 C지점에서 생성될 수 있는 출력 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.
도 9b는 노이즈 신호가 존재하는 상태에서 도 9의 선형 변화 주파수를 가진 변조 클럭 신호에 응답하여, 도 5 및 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있는 출력 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.
도 10은 주파수 스텝(frequency step)들을 가진 도 5 및 도 5a의 예시적인 변조 클럭 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.
도 10a는 노이즈 신호가 존재하는 상태에서 도 10의 이산 주파수 스텝들을 가진 변조 클럭 신호에 응답하여, 도 5의 C지점에서 생성될 수 있는 출력 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.
도 10b는 노이즈 신호가 존재하는 상태에서 도 10의 이산 주파수 스텝들을 가진 변조 클럭 신호에 응답하여, 도 5 및 도 5a의 필터 회로의 출력에서 생성될 수 있는 출력 신호를 나타내는 시간 영역 그래프이다.

본 발명을 설명하기 이전에 몇몇 서두 개념들과 전문 용어가 설명된다. 본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, "자기장 검출 요소(magnetic field sensing element)"는 자기장을 검출할 수 있는 다양한 유형의 전기적 요소들(electronic elements)을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 상기 자기장 검출 요소들은 홀 요소(Hall element)들, 자기저항 요소(magnetoresistance element)들 또는 자기 트랜지스터들(magnetotransistor)들일 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다. 알려진 바와 같이, 다른 유형의 홀 요소들(예를 들면, 평면 홀 요소들(planar Hall elements), 수직 홀 요소들(vertical Hall elements), 및 원형 홀 요소들(circular Hall elements))이 있다. 또한, 알려진 바와 같이, 다른 유형의 자기저항 요소들(예를 들면, 비등방성 자기저항(anisotropic magnetoresistance; AMR) 요소들, 거대 자기저항 (giant magnetoresistance; GMR) 요소들, 터널링 자기저항(tunneling magnetoresistance; TMR) 요소들, 안티몬화 인듐(Indium antimonide; InSb) 요소들, 및 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 요소들)이 있다.

본 명세서에서, 예들로서 홀 효과(Hall effect) 요소들이 사용될 수 있다.

알려진 바와 같이, 상술된 자기장 검출 요소들의 일부는 상기 자기장 검출 요소를 지지(support)하는 기판에 평행한 최대 감도 축(an axis of maximum sensitivity)을 갖는 경향이 있고, 상술된 자기장 검출 요소들의 그 밖에 다른 것들은 상기 자기장 검출 요소를 지지하는 기판에 수직인 최대 감도 축을 갖는 경향이 있다. 구체적으로, 전부는 아니지만 자기저항 요소들의 대부분의 유형은 기판에 평행한 최대 감도 축들을 가지는 경향이 있고, 전부는 아니지만 홀 요소들의 대부분의 유형은 기판에 수직인 감도 축을 가지는 경향이 있다.

본 명세서에서 사용되고 있는 바와 같이, "자기장 센서"라는 용어는 자기장 검출 요소를 포함한 회로를 설명하기 위해 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 자기장 센서는 다양한 응용 장치(application)들에서 사용된다. 이러한 자기장 센서는 자기장의 자기장 밀도를 검출하는 선형 자기장 센서, 전류 운반 전도체(current carrying conductor)에 흐르는 전류에 의해 생성되는 자기장을 검출하는 전류 센서, 강자성(ferromagnetic) 물체의 접근을 검출하는 자기 스위치, 및 강자성 물체들이 지나가는 것을 검출하는 회전 검출기를 포함할 수 있으나 그에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에서 설명된 회로들 및 기술들은 홀 효과 요소들을 사용하는 상기 식별된 유형들의 자기장 센서들에 모두 적합할 수 있다. 다만, 단순화를 위하여, 본 명세서에서는 자기장의 자기장 밀도를 검출하는 선형 자기장 센서들을 보여주는 예들만이 설명된다.

도 1을 참조하면, 종래의 자기장 센서(10)는 2008년 9월 16일자로 등록된 미국 특허 제7,425,821호에 설명된 유형이고, 본 발명의 양수인에게 양도되었으며, 이들은 전체로서 여기에 참조된다. 상기 자기장 센서(10)는 변조 회로(14)와 신호들(12a, ..., 12d)과 관련된 4개의 연결들(couplings)을 제공하는 홀 요소를 포함한다. 신호들(12a, ..., 12d)은 여기서 자기장 신호로 명명되는 차동 출력 신호(differential output signal)를 형성하기 위해 변조 회로(14)에 의하여 쌍으로 적절히 선택될 수 있다. 후술될 바와 같이, 상기 자기장 신호는 적어도 두 개 이상의 컴포넌트들(즉, 자기장에 응답하는 자기장 신호 컴포넌트 및 자기장에 일반적으로 응답하지 않는 오프셋 컴포넌트(일반적으로 DC에서 응답함))을 갖는다.

변조 회로(14)는 도 2 내지 도 2c 또는 도 3 내지 도 3c와 함께 보다 상세하게 후술될 유형일 수 있다. 바람직하게는, 변조 회로(14)는 제 1 스위칭 회로(20)가 존재하는 실시예들을 위하여 도 2 내지 도 2c와 함께 후술될 유형일 수도 있고, 제 1 스위칭 회로(20)가 사용되지 않는 실시예들을 위하여 도 3 내지 도 3c와 함께 후술될 유형일 수도 있다.

변조 회로(14)는 보다 자세하게 후술될 초퍼 안정화 증폭기(chopper-stabilized amplifier)를 갖는 증폭기 회로(16)에 차동 출력 신호(14a, 14b)를 제공한다. 또한, 상기 증폭기 회로(16)는 보다 자세하게 후술될 필터 회로(26)에 차동 증폭 신호(differential amplified signal)(24a, 24b)를 제공한다. 필터 회로(26)는 이산 시간(시간 샘플링) 선택 필터에 앞서는 로우 패스 필터(low pass filter)(28)를 포함할 수 있다. 필터 회로(26)는 차동 출력 신호(30a, 30b)를 제공할 수 있다. 몇몇 대체하는 방식들에서, 차동 신호들(24a, 24b, 30a, 30b)은 싱글-엔디드(single ended) 신호들로 대신할 수 있다.

차동 출력 신호(30a, 30b)는 홀 요소(12)에 의해 검출된 자기장에 비례하는 값을 가진 선형 출력 신호일 수 있다. 다른 방식들에서, 비교기(comparator)(미도시)는 차동 출력 신호(30a, 30b)를 수신할 수 있고, 이러한 경우, 비교기에 의해 생성된 출력 신호는 2개의 상태(state)들을 가진 비선형 신호일 수 있다. 이 때, 홀 요소(12)에 의해 검출된 자기장 신호를 나타내는 2개의 상태들은 쓰레시홀드(threshold)의 위거나 아래일 수 있다.

증폭기 회로(16)는 차동 신호(14a, 14b)와 차동 피드백 신호(differential feedback signal)(36a, 36b)를 수신하는 서밍 노드(summing node)(18)를 포함할 수 있다. 서밍 노드(18)는 차동 신호(18a, 18b)를 생성할 수 있다. 제 1 스위칭 회로(20)는 차동 신호(18a, 18b)를 수신할 수 있고, 제 1 차동 스위치 신호(20a, 20b)를 생성할 수 있다. 차동 증폭기(22)는 제 1 차동 스위치 신호(20a, 20b)를 수신할 수 있고, 차동 증폭 신호(22a, 22b)를 생성할 수 있다. 제 2 스위칭 회로(24)는 차동 증폭 신호(22a, 22b)를 수신할 수 있고, 제 2 차동 스위치 신호(24a, 24b)를 생성할 수 있다. 서밍 노드(18), 제 1 스위칭 회로(20), 차동 증폭기(22) 및 제 2 스위칭 회로(24)는 초퍼 안정화 증폭기를 구성할 수 있다. 몇몇 방식들에서, 서밍 노드(18)는 생략될 수 있고, 차동 피드백 신호(36a, 36b)는 사용되지 않을 수 있다.

또한, 자기장 센서(10)는 오실레이터(oscillator)(34)로부터 클럭 신호(34a)를 수신하고, 클럭 신호들(32a, 32b, 32c)을 변조 회로(14), 증폭기 회로(16) 및 필터 회로(26)에 각각 제공하는 클럭 생성 회로(clock generation circuit)(32)를 포함할 수 있다. 그러므로, 선호되는 실시예들에서, 변조 회로(14)의 스위칭 기능(switching function), 증폭기 회로(16)의 스위칭 기능 및 필터 회로(26)의 스위칭 기능은 동기(synchronous)될 수 있다.

변조 회로(14)는 주파수(Φ)를 갖는 클럭 신호(32a)로 클럭될 수 있다. 제 1 및 제 2 스위칭 회로들(20, 24)은 주파수(KΦ)(단, K는 1/2의 정수 배임)를 갖는 클럭 신호(32b)로 클럭될 수 있다. 이산 시간 선택 필터(30)는 주파수(NΦ)(단, N은 정수)를 갖는 클럭 신호(32c)로 클럭될 수 있다. 몇몇 방식들에서는, KΦ=

Φ 및 NΦ=

Φ일 수 있다. 클럭 신호들(32a, 32b, 32c)은 정적인 주파수(static frequency)를 가질 수 있다.

상술한 바와 같이, 차동 출력 신호(즉, 차동 신호는 변조 회로(14)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택됨)는 검출된 자기장에 비례하는 원하는(desired) 자기장 신호 컴포넌트와 원하지 않는(undesired) 오프셋 신호 컴포넌트(즉, DC) 모두를 포함할 수 있다. 홀 요소(12)가 자기장 신호 컴포넌트와 오프셋 컴포넌트 모두를 갖는 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)를 생성할 지라도, 자기장 센서(10)로부터의 출력 신호(30a, 30b)가 우세(predominant) 자기장 신호 컴포넌트와 비교적 감소된 오프셋 컴포넌트를 가진다는 것은 도 2 내지 도 3a에 대한 아래의 설명으로부터 명백해질 것이다.

베이스밴드(baseband)에서 자기장 신호 컴포넌트가 남겨지는 동안에, 변조 회로(14)가 홀 요소 차동 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)의 오프셋 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조(즉, 주파수 편이(frequency shift))한다는 것은 도 2 내지 도 2c에 대한 아래의 설명으로부터 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트는 변조 회로(14)의 동작 이후에 주파수 상에서 분리될 수 있다.

동작에 있어서, 초퍼 안정화 증폭기를 가진 증폭기 회로(16)는 (제 1 스위칭 회로(20)로) 변조 및 (제 2 스위칭 회로(24)로) 복조(즉, 주파수 편이)할 수 있고, 베이스밴드(예를 들면, DC 또는 상대적으로 낮은 주파수)에 남는 자기장 신호 컴포넌트를 만들 수 있다. 또한, 증폭기 회로는 (제 1 스위칭 회로(20)로) 복조 및 (제 2 스위칭 회로(24)로) 재변조(re-modulate)(즉, 주파수 편이)할 수 있고, 더 높은 주파수에 남는 오프셋 컴포넌트를 만들 수 있다. 따라서, 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트는 증폭기 회로(16)의 동작 이후에 주파수 상에서 분리된 상태로 남을 수 있다.

필터 회로(26)는 더 높은 주파수에서 나타나는 오프셋 컴포넌트의 크기(magnitude)를 감소시킬 수 있다. 따라서, 차동 출력 신호(30a, 30b)는 베이스밴드(즉, DC 또는 상대적으로 낮은 주파수)에 있는 자기장 신호 컴포넌트 및 더 높은 주파수로 이전에(previously) 편이된 크게 감소된 오프셋 컴포넌트를 포함할 수 있다.

자기장 센서(10)에 대한 그 이상의 설명은 상술한 미국 특허 제7,425,821호에서 참조될 수 있다.

도 1a를 참조하면, 도 1의 요소들과 같은 요소들은 같은 참조 번호들로 지정되어 있다. 다른 종래의 자기장 센서(40)는 1997년 4월 15일자 등록된 미국 특허 제5,621,319호에서 설명된 유형일 수 있다. 상기 미국 특허는 본 발명의 양수인에게 양도되었고, 그 전체로서 참조로 여기에 병합된다. 자기장 센서(40)는 변조 회로(15)와 신호들(12a, ..., 12d)과 관련된 4개의 연결들을 제공하는 홀 요소(12)를 포함할 수 있다. 변조 회로(15)는 도 3 내지 도 3c와 함께 보다 자세하게 후술될 유형일 수 있다.

변조 회로(15)는 보다 자세하게 후술될 두 개의 샘플-홀드(sample and hold) 회로들(43, 44)을 갖는 증폭 회로(41)에 차동 출력 신호(15a, 15b)를 제공할 수 있다. 증폭 회로(41)는 보다 자세하게 후술될 필터 회로(48)에 차동 증폭 신호(46a, 46b)를 제공할 수 있다. 필터 회로(48)는 차동 출력 신호(47a, 47b)를 제공할 수 있다. 몇몇 대체하는 방식들에서, 차동 신호들(46a, 46b, 47a, 47b)은 싱글-엔디드 신호들(single ended signals)일 수 있다.

증폭 회로(41)는 차동 신호(15a, 15b)를 수신하여 차동 증폭 신호(42a, 42b)를 생성하는 차동 증폭기(42)를 포함할 수 있다. 제 1 샘플-홀드 회로(43)는 싱글-엔디드 신호로서 신호(42a)를 수신할 수 있다. 제 2 샘플-홀드 회로(44)는 싱글-엔디드 신호로서 신호(42b)를 수신할 수 있다. 샘플-홀드 회로(43)는 신호(43a)를 생성할 수 있고, 샘플-홀드 회로(44)는 신호(44a)를 생성할 수 있다. 서밍 노드(45)는 신호들(43a, 44a)을 수신할 수 있고, 감산 신호(subtracted signal)(45a)를 생성할 수 있다. 증폭기(46)는 감산 신호(45a)를 수신할 수 있고, 차동 신호(46a, 46b)를 생성할 수 있다.

필터 회로(48)는 차동 신호(46a, 46b)를 수신하여 차동 필터 신호(differential filtered signal)(47a, 47b)를 생성하는 로우 패스 필터(47)를 포함할 수 있다.

또한, 자기장 센서(40)는 오실레이터(34)로부터 클럭 신호(34a)를 수신하고, 변조 회로(12) 및 증폭기 회로(41)에 클럭 신호(49a)를 제공하는 클럭 생성 회로(clock generation circuit)(49)를 포함할 수 있다. 선호되는 실시예들에서, 변조 회로(15)의 스위칭 기능은 증폭기 회로(41)의 스위칭 기능과 동기될 수 있다.

변조 회로(15)는 주파수(Φ)를 갖는 클럭 신호(49a)로 클럭될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 샘플-홀드 회로(43, 44)는 클럭 신호(49a)로 클럭될 수 있다. 클럭 신호(49a)는 정적인 주파수를 가진다. 몇몇 실시예들에서, 필터 회로(48)는 클럭되지 않을 수 있다. 다른 실시예들에서, 필터 회로(48)는 이산 시간 선택 필터를 포함할 수 있다. 이 때, 이산 시간 선택 필터는 도 1의 이산 시간 선택 필터(30)와 동일하거나 유사할 수 있다.

상술한 바와 같이, 홀 요소(12)로부터의 출력 신호(즉, 변조 회로(15)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)는 검출된 자기장에 비례하는 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 신호 컴포넌트를 모두 포함한다는 것이 이해될 것이다. 홀 요소(12)가 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트를 갖는 신호(즉, 변조 회로(15)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택한 차동 신호)를 생성할 지라도, 자기장 센서(40)로부터의 출력 신호(47a, 47b)는 우세 자기장 신호 컴포넌트 및 크게 감소된 오프셋 컴포넌트를 가진다는 것이 도 3 내지 도 3c에 대한 아래의 설명으로부터 명백해 질 것이다.

또한, 상술한 바와 같이, 베이스밴드(예를 들면, DC)에서 오프셋 컴포넌트가 남겨지는 동안, 변조 회로(15)가 홀 요소 차동 신호(즉, 변조 회로(15)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)의 자기장 신호 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조(즉, 주파수 편이)한다는 것이 도 3 내지 도 3a에 대한 설명으로부터 이해될 것이다. 따라서, 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트는 변조 회로(15)의 동작에 의하여 주파수 상에서 분리될 수 있다.

두 개의 샘플-홀드 회로들(43, 44)을 가진 증폭기 회로(41)는 베이스밴드(예를 들면, DC 또는 낮은 주파수)로 돌아오는 자기장 신호 컴포넌트를 복조(즉, 주파수 편이)할 수 있고, 오프셋 컴포넌트를 더 높은 주파수로 변조(즉, 주파수 편이)할 수 있다. 따라서, 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 컴포넌트는 증폭기 회로(41)의 동작 이후에는 주파수 상에서 분리된 상태로 남을 수 있다. 또한, 두 개의 샘플-홀드 회로들(43, 44)은 도 1의 이산 시간 선택 필터(30)에 의해 제공되는 것과 유사한 결과 신호의 필터링(filtering)을 제공할 수 있다. 그러므로, 이산 시간 선택 필터(30)는 자기장 센서(40)에서 필요하지 않을 수 있다.

필터 회로(48)는 로우 패스 회로(47)를 포함할 수 있다. 동작에 있어서, 필터 회로(48)는 더 높은 주파수에서 나타나는 오프셋 컴포넌트의 크기를 더 감소시킬 수 있다. 또한, 필터 회로(48)는 샘플링 동작에 기인하는 어떠한 2차 컴포넌트들(second order components)도 감소시킬 수 있다. 따라서, 차동 출력 신호(47a, 47b)는 베이스밴드(예를 들면, DC 또는 낮은 주파수)에 있는 자기장 신호 컴포넌트 및 더 높은 주파수로 이전에 편이된 크게 감소된 오프셋 컴포넌트를 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 홀 오프셋 컴포넌트를 변조하는 유형의 스위치 홀 요소(50)가 홀 요소(52)(또는, 홀 플레이트(Hall plate)) 및 변조 회로(54)를 포함할 수 있다. 변조 회로(54)는 도 1의 변조 회로(14)와 유사하거나 동일할 수 있다. 홀 요소(52)는 4개의 접합들(contacts)(52a, 52b, 52c, 52d)을 포함할 수 있고, 도시된 바와 같이, 4개의 접합들(52a, 52b, 52c, 52d) 각각은 스위치(56a, 56b, 56c, 56d)의 제 1 단자(terminal)에 각각 연결될 수 있다. 스위치들(56b, 56c)의 제 2 단자들은 스위치 홀 출력 신호(switched Hall output signal)의 양의 노드(positive node)(여기서,

+로 표시)를 제공할 수 있고, 스위치들(56a, 56d)의 제 2 단자들은 스위치 홀 출력 신호의 음의 노드(negative node)(여기서,

-로 표시)를 제공할 수 있다.

추가적인 스위치들(60a, 60b, 60c, 60d)은 홀 접합들(Hall contacts)을 공급 전압(supply voltage)(

, ground)에 선택적으로 연결하기 위하여 배치될 수 있다. 보다 상세하게는, 스위치들(56b, 56d, 60a, 60c)은 클럭 신호(CLK)에 의해 제어될 수 있고, 스위치들(56a, 56c, 60b, 60d)은 상보적인 클럭 신호(complementary clock signal)(CLK/)에 의해 제어될 수 있다. 클럭 신호들(CLK, CLK/)은 도 2a에 도시된 바와 같이, 두 가지 상태들 또는 위상들(즉,

상태 및

상태)을 가질 수 있다.

동작에 있어서, 위상(

)에서, 전류는 단자(52a)에서부터 단자(52c)까지 흐르고, 스위치 홀 출력 신호(

)는

(단,

는 홀 요소 오프셋 전압 또는 홀 오프셋 컴포넌트이고,

는 자기장 신호 컴포넌트임)와 같다. 위상(

)에서, 전류는 단자(52b)부터 단자(52d)까지 흐르고, 스위치 홀 출력 신호(

)는

와 같다. 따라서, 변조 회로(54)는 홀 오프셋 컴포넌트(

)를 변조한다. 이 때, 도 2b에는 0이 아닌 자기장인 경우가 도시되어 있다. 자기장 신호 컴포넌트(

)는 도 2c에서 도시된 바와 같이, 실질적으로 불변 상태(invariant)로 남는다.

도 3을 참조하면, 자기 신호 컴포넌트를 변조하는 유형의 대체 스위치 홀 요소(alternative switched Hall element)(70)가 홀 요소(72) 및 변조 회로(74)를 포함할 수 있고, 변조 회로(74)는 도 1a의 변조 회로(15)와 동일하거나 유사할 수 있다. 홀 요소(72)는 도 2의 홀 요소(52)와 동일할 수 있고, 4개의 접합들(72a, 72b, 72c, 72d)을 포함할 수 있다. 이 때, 4개의 접합들(72a, 72b, 72c, 72d) 각각은 각 스위치(76a, 76b, 76c, 76d)의 제 1 단자에 각각 연결될 수 있다. 스위치들(76a, 76b)의 제 2 단자들은 스위치 홀 출력 신호의 양의 노드(여기서,

+로 표시)를 제공할 수 있다. 스위치들(56c, 56d)의 제 2 단자들은 스위치 홀 출력 신호의 음의 노드(여기서,

-로 표시)를 제공할 수 있다. 따라서, 도 2 및 도 3의 비교는 위상(

)에서 홀 요소의 출력 접합들이 교환된다는(interchanged) 것을 보여주고 있다.

추가적인 스위치들(80a, 80b, 80c, 80d)은 홀 접합들(72a, 72b, 72c, 72d)을 공급 전압(

, ground)에 선택적으로 연결하기 위하여 배치될 수 있다. 스위치들(76b, 76d, 80a, 80c)은 클럭 신호(CLK)에 의해 제어될 수 있고, 스위치들(76a, 76c, 80b, 80d)은 상보적인 클럭 신호(CLK/)에 의해 제어될 수 있다. 도시된 바와 같이, 클럭 신호들(CLK, CLK/)은 도 2의 신호들과 동일할 수 있고, 그에 따라 두 가지 상태들 또는 위상들(

,

)을 가질 수 있다.

동작에 있어서, 위상(

)에서, 전류는 단자(72a)에서부터 단자(72c)까지 흐르고, 스위치 홀 출력 신호(

)는

와 동일하다. 위상(

)에서, 전류는 단자(72b)에서부터 단자(72d)까지 흐르고, 스위치 홀 출력 신호(

)는

와 동일하다. 따라서, 변조 회로(74)는 자기 신호 컴포넌트를 변조하여 변조 자기 신호 컴포넌트(

)를 제공할 수 있다. 이 때, 도 3c에는 0이 아닌 자기장의 경우가 도시되어 있다. 오프셋 컴포넌트(

)는 도 3b에서 도시된 바와 같이 실질적으로 불변 상태로 남는다.

선호되는 실시예에서, 도 5의 상기 변조 회로(14)는 도 2 내지 도 2c와 함께 설명된 유형이고, 도 5a의 변조 회로(15)는 도 3 내지 도 3c와 함께 설명된 유형이라는 것이 도 5 내지 도 5a에 대한 아래의 설명으로부터 이해될 것이다. 다시 말하면, 선호되는 실시예에서, 도 5의 상기 증폭기 회로(16)는 변조 오프셋 컴포넌트 및 비변조(un-modulated) 자기장 신호 컴포넌트를 갖는 차동 신호(14a, 14b)를 수신할 수 있다. 반대로, 선호되는 실시예에서, 도 5a의 증폭기 회로(41)는 변조 자기장 신호 컴포넌트 및 비변조 오프셋 컴포넌트를 갖는 차동 신호(15a, 15b)를 수신할 수 있다.

도 4 내지 도 4c를 참조하면, 그래프들(100, 120, 140, 160)이 도 1의 지점들(A, B, C, D)에서 나타나는 신호들을 나타내고 있다. 이러한 그래프들(100, 120, 140, 160) 각각은 임의의 시간 단위인 수평축과 임의의 전압 단위인 수직축을 갖는다.

도 1a의 방식에서, 도 1a의 신호들(A', B', D')은 도 1과 도 4 내지 도4c의 신호들(A, B, D)과 유사할 수 있다. 도 1a의 자기장 센서(40)의 동작은 상기 언급된 미국 특허 제5,621,319호에서 설명되고 있으므로, 본 명세서에서는 그 이상 설명하지 않는다.

그래프(100)는 4가지 신호들(102, 104, 106, 108)을 포함할 수 있고, 도 1에 도시된 바와 같이, 4가지 신호들(102, 104, 106, 108) 각각은 신호들(12a, 12b, 12c, 12d)을 각각(즉, 상기 신호(A))을 나타낸다. 또한, 4가지 신호들(102, 104, 106, 108) 각각은 도 2의 상기 스위치들(56a, 56b, 56c, 56d)에 의해 수신된 4개의 신호들을 나타낸다. 도 1의 클럭 신호(

)와 도 2의 신호(CLK)의 어떠한 반주기(half cycle)에서, 신호들(102, 108 또는 104, 106) 중에서 2개가 도 2의 신호들(

+,

-)로서 변조 회로의 출력에서 나타날 수 있다. 이 때, 도 2의 신호들(

+,

-)은 도 1의 차동 신호(14a, 14b)(즉, 도 1의 신호(B))일 수 있다. 도 2의 신호들(

+,

-) 사이의 차이와 도 1의 신호들(14a, 14b) 사이의 차이는 차동 신호들이다.

위상(Ph 0)에서, 신호들(104, 106)은 양(110)만큼 다르다. 위상(Ph 90)에서, 신호들(108, 102)은 양(112)만큼 다르고, 신호들(104, 106)의 차이와는 극성이 반대이다. 도 4a의 신호(122)는 신호들의 상술한 차이를 나타내고, 도 2b 및 2c의 신호들(

,

)의 합(sum)을 나타내며, 도 1의 차동 신호(B)를 나타낸다. 신호(122)의 AC 부분은 신호(122)의 변조 오프셋 컴포넌트를 나타낸다. 라인(line)(124)은 신호(122)(즉, 변조되지 않는 자기장 신호 컴포넌트인 신호(122)의 자기장 신호 컴포넌트)의 DC 부분(또는 낮은 주파수 부분)을 나타낸다.

신호(144)는 도 1의 차동 신호(28a, 28b)(즉, 도 1의 신호(C))를 나타낸다. 신호(144)는 도 1의 클럭 신호(32b)의 주파수에 의존하면서, 도 1의 로우 패스 필터(28)의 대역 제한 효과(band limiting effects)에 기인하는 둥근 에지(rounded edge)들을 가질 수 있다. 신호(144)는 도 1의 상기 증폭기 회로(16)에 의해 제공되는 증폭에 의하여 신호(122)보다 클 수 있다. 신호(144)는 도 4a의 오프셋 컴포넌트(124)를 나타내는 AC 부분을 가질 수 있고, 도 1의 증폭기 회로(16)(즉, 초퍼 안정화 증폭기)를 거쳐 생성되는 변조 오프셋 컴포넌트일 수 있다. 라인(142)은 신호(144)의 DC 부분을 나타낼 수 있고, 변조된 자기장 신호(122)(즉, 자기장 신호 컴포넌트)의 AC 부분의 복조 버전(demodulated version)일 수 있다.

원하는 신호(자기장 신호 컴포넌트)는 신호(144)의 DC 부분(또는, 저 주파수 부분)이고(이 때, DC 부분은 라인(142)으로 나타나 있음), 원하지 않는 신호(오프셋 컴포넌트)는 신호(144)의 AC 부분임을 알아야 할 것이다. 또한, 도 1의 자기장 센서(10)가 정적인 자기장을 검출(experience)할 때, 라인(142)에 의해 나타내어지는 신호(144)의 DC 부분은 오직 DC 신호임을 이해하여야 할 것이다. 다시 말하면, 도 1의 자기장 센서(10)가 변화하는 자기장을 검출한다면, 라인(142)으로 나타내어지는 신호(144)의 DC 부분은 변화하는 (AC) 부분을 가질 것이다.

곡선(164)은 도 1의 차동 신호(30a, 30b)(즉, 도 1의 신호(D))를 나타낸다. 곡선(164)은 곡선(144)의 필터링된 버전(filtered version)일 수 있다. 신호(164)를 얻기 위하여 신호(144)를 필터링하는 것은 신호(144)의 원하는 DC 부분(자기장 신호 컴포넌트)을 보다 근접하게 나타내는 신호를 남기면서 신호(144)의 많은 AC 부분을 제거할 수 있다. 이 때, 라인들(142, 162)은 신호(144)의 원하는 DC 부분을 나타낸다. 그러나, 상술한 바와 같이, 도 1의 자기장 센서(10)가 정적인 자기장을 검출할 때, 라인(162)에 의해 나타내어지는 신호(164)의 DC 부분은 오직 DC 신호이다.

도 4, 도 4a 및 도 4c의 신호들이 도 1a의 신호들(A', B', D')과 유사하다는 것을 이해하여야 할 것이다. 그러나, 도 1a과 관련하여, 도 4a의 신호(122)는 도 3b 및 도 3c의 신호들(

,

)의 합을 나타내고, 도 1a의 차동 신호(B')를 나타낸다. 신호(122)의 AC 부분은 신호(122)의 변조 자기장 신호 컴포넌트를 나타낸다. 라인(124)은 신호(122)의 DC 부분(또는 저 주파수 부분) 즉, 신호(122)의 오프셋 컴포넌트를 나타낸다. 그러므로, 도 4a를 참조하면, 도 1의 신호(B)와 다른 도 1a의 신호(B')를 위하여 자기장 신호는 변조될 수 있고, 오프셋 컴포넌트는 변조되지 않을 수 있다.

도 5를 참조하면, 도 1의 요소들과 같은 요소들은 같은 참조 번호들로 지정되어 있다. 자기장 센서(200)는 도 1의 자기장 센서(10)와 유사할 수 있다. 그러나, 자기장 센서(200)는 VCO 제어 신호 생성기(VCO control signal generator)(220)에 의해 생성된 VCO 제어 신호(220a)를 수신하는 전압 제어 오실레이터(VCO)(218)를 포함할 수 있다. VCO(218)는 VCO 제어 신호(220a)에 응답하여 주파수가 변하는 VCO 출력 신호(218a)를 생성할 수 있다. 클럭 생성 회로(216)는 VCO 출력 신호(218)를 수신할 수 있고, 주파수가 변하는 클럭 신호들(216a, 216b, 216c)을 생성할 수 있다.

도 1의 클럭 생성 회로(32)와 유사하게, 클럭 생성 회로(216)는 변조 회로(14), 증폭기 회로(16) 및 필터 회로(26) 각각에 클럭 신호들(216a, 216b, 216c)을 제공할 수 있다. 그러므로, 선호되는 실시예에서, 변조 회로(14)의 스위칭 기능, 증폭기 회로(16)의 스위칭 기능 및 필터 회로(26)의 스위칭 기능은 동기될 수 있다.

도 1의 자기장 센서(10)처럼, 변조 회로(14)는 주파수(

)를 갖는 클럭 신호(216a)로 클럭될 수 있다. 제 1 및 제 2 스위칭 회로(20, 24)는 주파수(

)(단,

는 1/2의 정수 배)를 갖는 클럭 신호(216b)로 클럭될 수 있다. 이산 시간 선택 필터(30)는 주파수(

)를 갖는 클럭 신호(216c)로 클럭될 수 있다. 몇몇 방식들에서,

이고,

이다. 그러나, 도 1의 자기장 센서(10)와는 달리, 클럭 신호들(216a, 216b, 216c)은 비정적인(non-static)(즉, 변화하는) 주파수들을 가질 수 있다.

특히, 클럭 신호(216a)는 제 1 최소 주파수와 제 1 최대 주파수 사이에서 변화하는 제 1 변동 변조 주파수를 갖는 제 1 변조 신호일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 1 변동 변조 주파수는 선형 스위프(linear sweep) 형태로 제 1 최소 주파수에서부터 제 1 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제 1 변동 변조 주파수는 비선형 스위프(non-linear sweep) 형태로 제 1 최소 주파수에서부터 제 1 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제 1 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 제 1 최소 주파수에서부터 제 1 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제 1 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 변화할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이산 주파수 스텝들은 의사난수 노이즈 패턴(pseudorandom noise pattern) 형태의 스텝들일 수 있다.

유사하게, 클럭 신호(216b)는 제 2 최소 주파수와 제 2 최대 주파수 사이에서 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 2 변동 변조 주파수는 제 1 클럭 신호(216a)의 제 1 변동 변조 주파수와 동일하고 동기될 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제 2 변동 변조 주파수는 제 1 클럭 신호(216a)의 제 1 변동 변조 주파수와 상이하나 동기될 수 있다.

유사하게, 클럭 신호(216c)는 제 1 클럭 신호(216a) 또는 제 2 클럭 신호(217b)의 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 샘플링 주파수를 가진 샘플링 신호일 수 있다. 이 때, 이산 시간 선택 필터(30)는 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 노치 주파수를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 샘플링 주파수는 제 1 클럭 신호의 제 1 변동 변조 주파수의 정수배(integer times)와 같을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 샘플링 주파수는 제 1 변동 변조 주파수와 같을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 샘플링 주파수는 제 1 변동 변조 주파수의 두 배와 같을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 노치 주파수는 제 1 변동 변조 주파수와 같을 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 안티-에일리어스 필터(28)(anti-aliasing filter)는 변동 샘플링 주파수와 관련된 최대 샘플링 주파수의 절반 이상의 주파수 컴포넌트들을 감소시키기 위해 선택된 코너 주파수를 가질 수 있다.

차동 신호들(204a-204b, 215a-215b, 206a-206b, 207a-207b, 208a-208b, 210a-210b, 212a-212b, 214a-214b)은 도 1의 신호들(14a-14b, 36a-36b, 18a-18b, 20a-20b, 22a-22b, 24a-24b, 28a-28b, 30a-30b)에 일반적으로 상응하지만, 다른 클럭 신호들(216a, ..., 216c)의 사용으로 인하여 상이할 수 있다. 차동 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(204a, ..., 204d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)는 도 1의 차동 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(12a, ..., 12d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)와 동일하거나 유사할 수 있다.

도 5a를 참조하면, 도 1a 및 도 5의 요소들과 같은 요소들은 같은 참조 번호들로 지정되어 있다. 자기장 센서(230)는 도 1a의 자기장 센서(40)와 유사하다. 그러나, 자기장 센서(230)는 VCO 제어 신호 생성기(220)에 의해 생성되는 VCO 제어 신호(220a)를 수신하는 전압 제어 오실레이터(VCO)(218)를 포함할 수 있다. VCO(218)는 VCO 제어 신호(220a)에 응답하여 주파수가 변하는 VCO 출력 신호(218a)를 생성할 수 있다. 클럭 생성 회로(217)는 VCO 출력 신호(218a)를 수신할 수 있고, 클럭 신호(217a)를 생성할 수 있다.

도 1a의 클럭 생성 회로(49)와 유사하게, 클럭 생성 회로(217)는 변조 회로(15) 및 증폭기 회로(41)에 클럭 신호(217)를 제공할 수 있다. 그러므로, 선호되는 실시예들에서, 변조 회로(15)의 스위칭 기능은 증폭기 회로(41)의 스위칭 기능과 동기될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 필터 회로(48)는 클럭되지 않을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 필터 회로(48)는 이산 시간 선택 필터를 포함할 수 있다. 이산 시간 선택 필터는 도 5의 이산 시간 선택 필터(30)와 동일하거나 유사할 수 있으며, 이 경우에 다른 클럭 신호가 이산 시간 선택 필터를 클럭하기 위해 제공될 수 있다.

도 5의 클럭 신호(216a)와 유사하게, 클럭 신호(217a)는 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 변화하는 변동 변조 주파수를 갖는 변조 신호일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 변조 주파수는 선형 스위프 형태로 최소 주파수에서부터 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 변동 변조 주파수는 비선형 스위프 형태로 최소 주파수에서부터 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 최소 주파수에서부터 최대 주파수까지 변화할 수 있다. 몇몇 다른 실시예들에서, 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 변화할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이산 주파수 스텝들은 의사난수 노이즈 패턴 형태의 스텝들일 수 있다.

신호들(205a-205b, 232a-232b, 234a, 235a, 236, 238a-238b, 240a-240b)은 도 1a의 신호들(14a-14b, 42a-42b, 43a, 44a, 45a, 46a-46b, 47a-47b)에 일반적으로 상응하지만, 다른 클럭 신호(217a)의 사용으로 인하여 상이할 수 있다. 차동 신호(202b, 202c)는 도 1a의 차동 신호(12b, 12c)와 유사하거나 동일할 수 있다.

도 6 내지 도 10은 도 5의 자기장 센서(200)의 동작 중에 발생하는 신호들의 예들을 나타낸다. 도 5a의 자기장 센서(230)의 동작 중에 발생하는 유사한 신호들로 이해될 것이나 명백하게 도시되지는 않았다.

도 6을 참조하면, 그래프(250)는 임의의 시간 단위인 수평축과 임의의 전압 단위인 수직축을 갖는다. 최소 전압(254)에서부터 최대 전압(256)까지 스위프하는 곡선(252)은 도 5의 VCO 제어 신호(220a)의 하나의 특정한 실시예를 나타내고, 클럭 신호들(216a, 216b, 216c)의 주파수의 선형 스위프에 상응한다.

곡선(252)이 시간의 위쪽 방향으로 선형-변화(ramp)하는 반면에, 다른 시간 구간 동안에는 곡선(252)이 아래쪽 방향으로 선형-변화할 수 있다. 이 때, 위쪽 방향 및 아래쪽 방향으로의 선형-변화는 주기적으로 반복될 수 있다.

도 6a를 참조하면, 그래프(260)는 임의의 주파수 단위인 수평축과 임의의 파워(power) 단위인 수직축을 갖는다. 그래프(260)는 주파수 영역을 나타낼 수 있다. VCO 제어 신호(220a)가 도 6에 도시된 바와 같이 주파수의 위쪽 방향 스위프인 경우에, 라인들(262a, ..., 262e)은 도 5의 클럭 신호(216a)에 대한 복수의 순간적인 스냅샷(instantaneous snapshot)들을 나타낸다. 그러나, 그것은 주파수의 아래쪽 방향 스위프로 아래쪽을 향하여(미도시) 선형-변화한다. 클럭 신호(216a)의 주파수를 나타내는 화살표(264a, 264b)가 최소 주파수인

와

사이에서 주파수가 위쪽으로 스위프한 후 아래쪽으로 스위프할 수 있다. 여기서, 주파수(

) 즉, 클럭 신호(216a)의 초핑 주파수(chopping frequency)(변조 주파수)가 스위프 범위(sweep range)의 중심인 중심 주파수(center frequency)일 수 있다. 다른 실시예들에서, 클럭 신호(216a)의 주파수는 주파수가 오직 위쪽 또는 아래쪽으로만 주기적으로 스위프한 후, 다른 극값(extreme value)으로 빠르게 리셋(reset)될 수 있다.

도 7을 참조하면, 그래프(300)는 임의의 주파수 단위인 수평축과 임의의 파워 단위인 수직축을 갖는다. 그래프(300)는 주파수 영역을 나타낼 수 있다. 클럭 신호(216a)가 도 6a에 도시된 바와 같이 주파수의 위쪽 방향 스위프인 경우, 라인들(302a, ..., 302c)은 도 5의 차동 신호(207a, 207b)의 자기장 신호 컴포넌트의 기본 주파수(fundamental frequency)에 대한 복수의 순간적인 스냅샷들을 나타낸다. 그러나, 그것은 주파수의 아래쪽 방향 스위프로 아래쪽을 향하여(미도시) 선형-변화한다. 라인들(302a, ..., 302c)의 유한한(finite) 폭은 DC에서 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 주파수들에서도 신호 컨텐츠(signal content)를 갖는 자기장 신호 컴포넌트(즉, 도 5의 홀 요소(12)에 의해 검출된 자기장)를 나타낼 수 있다. 화살표(306a, 306b)는 차동 신호(207a, 207b)의 주파수가 주기적인 방식(periodic fashion)으로 주파수 상에서 위쪽으로 스위프한 후 아래쪽으로 스위프할 수 있음을 나타낸다.

라인들(304a, ..., 304c)은 도 5의 차동 신호(207a, 207b)의 자기장 신호 컴포넌트의 3차 고조파(third harmonic)에 대한 복수의 순간적인 스냅샷들을 나타낼 수 있다. 도 5의 변조 회로(14)(예를 들어, 도 2의 회로와 같은)는 도 5의 차동 신호 (202b, 202c)를 구형파(square wave)(클럭 신호(216a))로 곱(multiply)하는 회로로 이해될 것이다. 따라서, 라인들(302a, ..., 302c)에 의해 표현되는 스위핑 주파수의 3차 고조파(그리고, 다른 홀수 고조파들(odd harmonics))가 생성될 수 있다. 라인들(304a, ..., 304c)은 3차 고조파를 나타낼 수 있고, 다른 홀수 고조파들은 변조 회로(14)에 의해 생성될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 중심 주파수(

)는 대략 300Khz일 수 있다.

라인들(304a, ..., 304c)이 라인들(302a, ..., 302c)에 적절한 상대적인 비율로 보이지는 않지만, 라인들(302a, ..., 302c)의 파워의

과 동일한 파워를 가질 수 있다.

파선(dashed line)(307)(좁은 스펙트럼(narrow spectrum))은 증폭기 회로(16)의 출력에서의 차동 신호(210a, 210b)(도 5)의 자기장 신호 컴포넌트를 나타낼 수 있다. 즉, 스위핑 클럭 신호(216b)에 의해 클럭될 때, 증폭기 회로(16)의 동작에 의해(제 2 스위칭 회로(24)에 의해) 베이스밴드로 다시 복조된 이후, 파선(307)은 도 7의 스위핑 신호(302a, ..., 302c)(즉, 자기장 신호 컴포넌트를 나타내는 차동 신호(207a, 207b))를 나타낼 수 있다. 이러한 복조는 라인(협대역(narrowband)) 스펙트럼(307)을 낳는다. 파선(307)으로 나타내어지는 차동 신호(210a, 210b)는 DC에서 또는 DC 근처에서 나타나고, 본 실시예에서는 스위프하지 않는다.

곡선(308)은 필터 회로(26)의 패스 밴드(pass band)를 나타낼 수 있다.

도 8을 참조하면, 도 7의 요소들과 같은 요소들은 같은 참조 번호들로 지정되어 있다. 그래프(320)는 임의의 주파수 단위인 수평축과 임의의 파워 단위인 수직축을 갖는다. 그래프(320)는 주파수 영역을 나타낼 수 있다. 클럭 신호(216a)가 도 6a에 도시된 바와 같이 주파수의 위쪽 방향 스위프인 경우에, 라인들(302a, ..., 302c)은 도 5의 차동 신호(207a, 207b)의 자기장 신호 컴포넌트의 기본 주파수에 대한 복수의 순간적인 스냅샷을 나타낼 수 있다. 그러나, 그것은 주파수의 아래쪽 방향 스위프로 아래쪽을 향하여(미도시) 선형-변화한다. 도 7의 3차 고조파들(304a, ..., 304c)은 도시되지 않았다.

라인(주파수)(322)은 노이즈를 나타낸다. 이러한 노이즈는 라인(322)이 도 5의 홀 요소(12)에 의해 검출될 수 있는 예를 들어, 자기장 노이즈일 수 있다. 또는, 이러한 노이즈는 라인(322)이 스위칭 회로(24) 이전의 도 5의 홀 요소(12), 변조 회로(14) 또는 증폭 회로(16)에 연결될 수 있는 예를 들어, 전기적인 노이즈일 수 있다(주: 만약 스위칭 회로(24) 이후에 주입되면, 노이즈는 베이스밴드로 다시 변조되지 않음). 이러한 전형적인 노이즈 신호(322)는 주파수가 변동되지 않는다(stationary).

몇몇 방식들에서, 중심 주파수(

)는 대략 300Khz일 수 있고, 노이즈(322)는 정적이거나 또는 대략 300Khz의 거의 정적인 주파수를 가질 수 있다. 그러나, 도 9b에 대한 아래의 설명으로부터, 도 5의 자기장 센서(200)(및 도 5a의 자기장 센서(230))는 중심 주파수(

)가 아닌 주파수들에서 노이즈 신호들 및 주파수가 변동되지 않는 노이즈 신호들을 위하여 이점(advantage)들을 제공할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 도 8에 도시된 예에서는, 명확화를 위하여, 중심 주파수(

)와 동일한 주파수에서의 노이즈 신호(322)가 도시되어 있다.

라인들(324)의 그룹은, 클럭 신호들(216a, ..., 216c)의 주파수가 도 6a를 따라 스위프하는 경우, 도 5의 증폭기 회로(16)의 동작에 의하여 복조될 때(즉, 도 5의 차동 신호(210a, 210b 또는 212a, 212b) 내)의 스펙트럼 라인(spectral line)(322)을 나타낸다.

노이즈(즉, 스펙트럼 라인(322))는 주파수가 스위프하는 클럭 신호(216b)로 복조될 때 주파수가 변동되지 않기 때문에, 라인들(324)의 그룹은 주파수가 스위프하는 베이스밴드 신호를 나타낼 수 있다. 만약, 변동 없는 클럭이 스위핑 클럭(216b) 대신에 증폭기 회로(16)에 의한 복조를 위하여 사용된다면(도 1과 같이), 복조된 노이즈 신호는 DC에서 또는 DC 근처에서 나타날 수 있고, 원하는 복조 신호(desired demodulated signal)(307)(자기장 신호 컴포넌트)와 결합할 수 있다. 이러한 결합은 원하는 복조 신호(307)의 정확도를 감소시킬 수 있다.

도 9 내지 도 9b는, (도 6 및 도 6a와 함께 상술된 바와 같이,) 클럭 신호(216a)가 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 위쪽과 아래쪽으로 선형적으로 변하는 주파수를 가질 때, 도 5의 자기장 센서(200)의 동작 중에 나타날 수 있는 전형적인 신호들을 보여주고 있다. 대조적으로, 도 10 내지 도 10b는, 클럭 신호(216a)가 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 최소 주파수와 최대 주파수 사이에서 위쪽과 아래쪽으로 변화하는 주파수를 가질 때, 도 5의 자기장 센서(200)의 동작 중에 나타날 수 있는 신호들을 보여주고 있다. 다른 실시예들도 도 5와 함께 상술되었지만, 다른 전형적인 신호들은 본 명세서에서는 명시적으로 도시되지 않는다.

도 9를 참조하면, 그래프(340)는 수 마이크로초(microseconds) 시간 단위인 수평축과 헤르츠(Hz) 주파수 단위인 수직축을 갖는다. 파형(waveform)(342)은 도 5의 클럭 신호(216a)의 주파수를 나타낼 수 있다. 그것은 위쪽으로 선형-변화한 후, 몇몇 실시예들에서, 아래쪽으로 선형-변화(미도시)할 수 있다. 따라서, 클럭들(216b, 216c)은 위쪽과 아래쪽으로 스위프할 수 있다.

도 9a를 참조하면, 그래프(360)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 수 밀리볼트(millivolts) 전압 단위인 수직축을 갖는다. 신호(362)는 도 5의 자기장 센서(200)에 노이즈(예를 들어, 주파수가 정적인 도 8의 노이즈(322))가 생길 때의 도 5의 차동 신호(212a, 212b)를 나타낼 수 있다. 따라서, 신호(362)는 도 8의 라인(324)의 그룹에 의해 나타내어지는 주파수가 스위프하는 신호를 나타낸다. 도 8과 함께 상술한 바와 같이, 신호(362)는 도 5의 증폭기 회로(16)(제 2 스위칭 회로(24))에 의해 복조되어 베이스밴드에 이르게 된 노이즈 신호(322)를 나타낸다. 그러나, 신호(362)는 스위핑 클럭 신호들(216a, ..., 216c)의 동작에 기인하여 주파수가 스위프한다.

신호(362)에서, 높은 주파수 컴포넌트는 더 낮은 주파수 사인 곡선(lower frequency sinusoid)을 타고 있는 것(riding upon)으로 보여질 수 있다. 높은 주파수 컴포넌트는 홀 요소에 의해 생성된 차동 신호의 오프셋 컴포넌트를 나타낼 수 있고, 주파수가 도 5의 변조 회로(14) 및 증폭기 회로(16)의 동작에 의하여 더 높은 주파수로 편이될 수 있다.

도 9b를 참조하면, 그래프(380)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 수 밀리볼트 전압 단위인 수직축을 갖는다. 신호(382)는 도 5의 자기장 센서(200)에 노이즈(예를 들어, 주파수가 정적인 도 8의 노이즈(322))가 생길 때의 도 5의 차동 신호(214a, 214b)를 나타낼 수 있다. 신호(382)는 도 9a의 신호(362)와 유사하지만, 도 5의 이산 시간 선택 필터(30)를 통과한다. 도 9a의 신호(362)의 높은 주파수 컴포넌트는 도 5의 필터 회로(26)의 동작에 의하여 제거될 수 있다. 샘플 스텝(samples steps)은 신호(382)에서 보여질 수 있고, 이산 시간 선택 필터(30)의 이산적인 샘플링 결과일 수 있으며, 원하는 경우 추가적인 필터(미도시)에 의해 제거될 수 있다.

신호들(362, 382)은 주파수가 스위프하는 신호로서 보여지는 노이즈를 포함하고, 원하는 신호(즉, 홀 요소(12)에 의해 생성된 차동 신호(202b, 202c)의 자기장 신호 컴포넌트)는 차동 신호(202b, 202c)의 자기장 신호 컴포넌트가 DC일 때, 신호들(362 및 382)의 DC 부분일 수 있다. 이러한 DC 부분은 0 볼트인 것으로 보이지만, 홀 요소(12)에 의해 검출된 자기장에 비례하는 다른 값일 수도 있다.

도 5의 클럭 신호들(216a, ..., 216c)이 도 1의 클럭 신호들(32a, ..., 32c)처럼 정적인 주파수를 가진다면, 도 8의 정적인 노이즈 신호(322)는 (도 5의 제 2 스위칭 회로(24)에 의해) 복조될 때, 도 8의 라인들(324)의 그룹에 따라 주파수가 스위프되지 않고, 하나의 주파수에 있을 것이다. 도 8의 정적인 노이즈 신호(322)는 DC에 또는 DC에 근접(느리게 변화)하고, 그에 따라 도 5의 신호(214a, 214b)의 자기장 신호 컴포넌트의 검출 결과를 부정확하게 만들 수 있다. 그러나, 스위핑 클럭 신호들(216a, ..., 216c)이 주파수가 스위프하는 노이즈 신호를 만들기 때문에, 노이즈 신호는 쉽게 식별될 수 있고, 후속 과정 또는 오직 원하는 자기장 신호 컴포넌트를 남기는 후속 필터링에 의하여 제거될 수 있다.

이러한 후속 과정 또는 후속 필터링은 도 5 및 도 5a에 도시된 프로세싱 모듈(processing module)(222)로 제공될 수 있고, 그것은 도 5 또는 도 5a의 차동 신호(214a, 214b 또는 240a, 240b)를 각각 수신할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 프로세싱 모듈(222)은 간단한 로우 패스 필터일 수 있다. 다른 실시예들에서, 프로세싱 모듈(222)은 다른 이산 시간 선택 필터를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 프로세싱 모듈(222)은 디지털 필터(digital filter)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 프로세싱 모듈(222)은 차동 신호(214a, 214b 또는 240a, 240b)의 안정된 시간 영역(stable time region)을 선택하고, 자기장 신호 컴포넌트를 식별하기 위하여 차동 신호의 DC 값(또는, 천천히 변하는 값)을 계산하는 로직(logic)을 포함할 수 있다.

노이즈 신호와 자기장 신호 컴포넌트 사이의 구별(differentiation)은, 변하는 노이즈 신호가 자기장 신호 컴포넌트의 주파수에서(DC 포함) 존재하지 않는 한, 주파수가 상대적으로 느리게 변하는 차동 신호(즉, 변조 회로(14)에 의하여 신호들(202a, ..., 202d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)의 자기장 신호 컴포넌트를 위하여 정확하게(true) 남아 있을 수 있다. 또한, 노이즈 신호와 자기장 신호 컴포넌트 사이의 구별은, 노이즈 신호의 변하는 주파수가 자기장 신호 컴포넌트의 변하는 주파수의 주파수에서 존재하지 않는 한, 주파수가 상대적으로 변하는 차동 신호(즉, 신호들(202a, ..., 202d) 중에서 쌍으로 적절히 선택된 차동 신호)의 자기장 신호 컴포넌트를 위해 정확하게 남아 있을 수 있고, 노이즈 신호는 주파수가 변할 수 있다.

도 10을 참조하면, 그래프(400)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 헤르츠(Hz) 주파수 단위인 수직축을 갖는다. 파형(402)은 도 5의 클럭 신호(216a)의 주파수를 나타낼 수 있고, 파형(402)은 이산적인 스텝 업(discrete steps up) 형태를 취할 수 있으며, 이후, 몇몇 실시예들에서, 파형(402)은 이산적인 스텝 다운(discrete steps down) 형태를 취할 수 있다. 따라서, 클럭들(216b, 216c)은 이산적인 주파수 스텝들 형태로 스텝-업과 스텝-다운을 할 수 있다.

도 10a를 참조하면, 그래프(420)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 수 밀리볼트 전압 단위인 수직축을 갖는다. 신호(422)는 도 5의 자기장 센서(200)에 노이즈(예를 들어, 주파수가 정적인 도 8의 노이즈 신호(322))가 생길 때의 도 5의 차동 신호(212a, 212b)를 나타낼 수 있다. 따라서, 신호(422)는 또한 주파수가 스텝하는(stepping) 신호를 나타낼 수 있고, 신호(422)는 도 8의 라인들(324)의 그룹에 의하여 나타내어질 수 있다. 도 8과 함께 상술한 바와 같이, 신호(422)는 도 5의 증폭기 회로(16)에 의해 복조되어 베이스밴드에 이르게 된 도 8의 노이즈 신호(322)를 나타내지만, 주파수 스텝핑 클럭 신호들(216a, ..., 216c)의 동작으로 인하여 주파수가 스텝한다.

신호(422)에서, 높은 주파수 컴포넌트는 더 낮은 주파수 스텝 신호(lower frequency stepped signal)를 타고 있는 것으로 보여질 수 있다. 상기 컴포넌트는 홀 요소(12)에 의해 생성된 차동 신호(202b, 202c)의 오프셋 컴포넌트를 나타낼 수 있고, 주파수가 도 5의 변조 회로(14) 및 증폭기 회로(16)의 동작에 의하여 더 높은 주파수로 편이될 수 있다.

도 10b를 참조하면, 그래프(440)는 수 마이크로초 시간 단위인 수평축과 수 밀리볼트 전압 단위인 수직축을 갖는다. 신호(442)는 도 5의 자기장 센서(200)에 노이즈(예를 들면, 주파수가 정적인 도 8의 노이즈(322))가 생길 때의 도 5의 차동 신호(214a, 214b)를 나타낼 수 있다. 신호(422)는 도 10a의 신호(422)와 유사할 수 있지만, 도 5의 이산 시간 선택 필터(30)를 통과할 수 있다. 도 10a의 신호(422)의 높은 주파수 컴포넌트는 도 5의 필터 회로(26)의 동작에 의하여 제거될 수 있다. 샘플 스텝들은 신호(422)에서 보여질 수 있고, 원하는 경우 추가적인 필터(미도시)에 의해 제거될 수 있다.

노이즈 신호와 자기장 신호 컴포넌트 사이의 구별과 관련된 도 9b에 대한 설명은 도 10 내지 도 10b와 관련하여 실질적으로 동일하다. 그러므로, 상기 설명은 여기서 반복되지 않을 것이다.

상술한 바와 같이, 다른 클럭 신호들(216a, ..., 216c)은 다른 유형의 변조들을 제공할 수 있다. 그러나, 그것들은 오프셋 컴포넌트를 실질적으로 제거하는 동안에, 자기장 신호 컴포넌트를 노이즈 신호로부터 구별하는 데에 있어 동일한 능력을 갖는다.

여기에서 인용되는 모든 인용문헌들은 그 전체로서 참조로 여기에 병합된다.

이상, 본 특허의 내용에 해당하는 다양한 개념들, 구조들 및 기술들을 기술하기 위하여 선호되는 실시예들이 설명되었다. 그러나, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 상기 개념들, 구조들 및 기술들을 병합하는 다른 실시예들이 사용될 수 있다는 점은 자명할 것이다. 그러므로, 본 특허의 권리 범위는 개시되어 있는 실시예들로만 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서 한정되어야 한다는 것을 이해하여야 한다.

Claims

자기장에 응답하여 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 신호 컴포넌트를 포함하는 홀 요소 출력 신호를 생성하는 홀 요소(Hall element);
상기 홀 요소 출력 신호를 수신하여 변조 회로 출력 신호를 생성하고, 제 1 최소 주파수에서부터 제 1 최대 주파수까지 및 상기 제 1 최소 주파수에서부터 상기 제 1 최소 주파수와 상기 제 1 최대 주파수 사이의 적어도 하나 이상의 주파수까지 변화하는 제 1 변동 변조 주파수를 갖는 제 1 변조 신호로 상기 자기장 신호 컴포넌트 또는 상기 오프셋 신호 컴포넌트를 변조하는 홀 요소 변조 회로;
상기 변조 회로 출력 신호를 수신하여 증폭기 회로 출력 신호를 생성하는 증폭기 회로; 및
상기 증폭기 회로 출력 신호를 수신하여 자기장 센서 출력 신호를 생성하는 필터 회로를 포함하고,
상기 필터 회로는,
안티-에일리어스(anti-alias)된 신호를 생성하는 안티-에일리어스 필터; 및
상기 안티-에일리어스 필터에 연결되고, 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 샘플링 주파수를 갖는 샘플링 신호에 따라 상기 안티-에일리어스된 신호를 나타내는 신호를 샘플링하는 이산 시간 선택 필터(discrete time selective filter)를 포함하며,
상기 이산 시간 선택 필터는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 노치 주파수(changing notch frequency)를 갖는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 상기 제 1 최소 주파수에서 상기 제 1 최대 주파수까지 선형 스위프(linear sweep) 형태로 변화하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 상기 제 1 최소 주파수에서 상기 제 1 최대 주파수까지 비선형 주파수 스위프 형태로 변화하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 상기 제 1 최소 주파수에서 상기 제 1 최대 주파수까지 2개 이상의 이산 주파수 스텝(discrete frequency step)들 형태로 변화하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 변동 변조 주파수는 복수의 이산 주파수 스텝들 형태로 변화하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 증폭기 회로는 상기 변조 회로 출력 신호를 나타내는 신호를 제 2 최소 주파수에서부터 제 2 최대 주파수까지 및 상기 제 2 최소 주파수에서부터 상기 제 2 최소 주파수와 상기 제 2 최대 주파수 사이의 적어도 하나 이상의 주파수까지 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호로 변조하는 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 6 항에 있어서, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기되는(synchronous) 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 6 항에 있어서, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 다르고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 증폭기 회로는 제 2 최소 주파수에서부터 제 2 최대 주파수까지 및 상기 제 2 최소 주파수에서부터 상기 제 2 최소 주파수와 상기 제 2 최대 주파수 사이의 적어도 하나 이상의 주파수까지 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호에 상응하는 비율로(at a rate) 상기 변조 회로 출력 신호를 나타내는 신호를 샘플링하는 샘플-홀드(sample and hold) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 9 항에 있어서, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 안티-에일리어스 필터는 상기 변동 샘플링 주파수와 관련된 최대 샘플링 주파수의 절반 이상의 주파수 컴포넌트들을 감소시키기 위해 선택된 코너(corner) 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수의 정수 배(integer times)와 같은 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같은 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수의 두 배와 같은 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서, 상기 변동 노치 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같은 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터(voltage controlled oscillator) 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 16 항에 있어서,
상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 수신하여 상기 제 1 변조 신호, 상기 제 2 변조 신호 또는 상기 샘플링 신호 중에서 적어도 하나 이상을 생성하는 클럭 생성(clock generation) 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 16 항에 있어서,
출력 신호를 생성하여 상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호의 상기 변동 주파수를 제어하는 신호 생성 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 18 항에 있어서, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 선형-변화(ramp)하는 선형 전압 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 18 항에 있어서, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 변화하는 비선형 전압 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 18 항에 있어서, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 복수의 이산 전압 스텝들 형태로 변화하는 스텝 전압(stepped voltage) 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 18 항에 있어서, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 복수의 이산 전압 스텝들 형태로 변화하는 스텝 전압 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
자기장에 응답하여 자기장 신호 컴포넌트 및 오프셋 신호 컴포넌트를 포함하는 홀 요소 출력 신호를 생성하는 홀 요소(Hall element); 및
상기 홀 요소 출력 신호를 수신하여 변조 회로 출력 신호를 생성하고, 제1 선형 주파수 스위프 형태로 제 1 최소 주파수에서부터 제 1 최대 주파수까지 변화하는 제 1 변동 변조 주파수를 갖는 제 1 변조 신호로 상기 자기장 신호 컴포넌트 또는 상기 오프셋 신호 컴포넌트를 변조하는 홀 요소 변조 회로를 포함하는 자기장 센서.
제 24 항에 있어서,
상기 변조 회로 출력 신호를 수신하여 증폭기 회로 출력 신호를 생성하는 증폭기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 25 항에 있어서, 상기 증폭기 회로는 상기 변조 회로 출력 신호를 나타내는 신호를 제2 선형 주파수 스위프 형태로 제 2 최소 주파수에서부터 제 2 최대 주파수까지 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호로 변조하는 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 26 항에 있어서, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기되는(synchronous) 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 26 항에 있어서, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 다르고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 25 항에 있어서, 상기 증폭기 회로는 제2 선형 주파수 스위프 형태로 제 2 최소 주파수에서부터 제 2 최대 주파수까지 변화하는 제 2 변동 변조 주파수를 갖는 제 2 변조 신호에 상응하는 비율로(at a rate) 상기 변조 회로 출력 신호를 나타내는 신호를 샘플링하는 샘플-홀드(sample and hold) 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 29 항에 있어서, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같고, 상기 제 2 변동 변조 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수에 동기되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 26 항에 있어서,
상기 증폭기 회로 출력 신호를 수신하여 자기장 센서 출력 신호를 생성하는 필터 회로를 더 포함하고,
상기 필터 회로는
안티-에일리어스(anti-alias)된 신호를 생성하는 안티-에일리어스 필터; 및
상기 안티-에일리어스 필터에 연결되고, 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 샘플링 주파수를 갖는 샘플링 신호에 따라 상기 안티-에일리어스된 신호를 나타내는 신호를 샘플링하는 이산 시간 선택 필터(discrete time selective filter)를 포함하며,
상기 이산 시간 선택 필터는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 노치 주파수(changing notch frequency)를 갖는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 31 항에 있어서, 상기 안티-에일리어스 필터는 상기 변동 샘플링 주파수와 관련된 최대 샘플링 주파수의 절반 이상의 주파수 컴포넌트들을 감소시키기 위해 선택된 코너(corner) 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 31 항에 있어서, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수의 정수 배(integer times)와 같은 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 31 항에 있어서, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같은 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 31 항에 있어서, 상기 변동 샘플링 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수의 두 배와 같은 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 31 항에 있어서, 상기 변동 노치 주파수는 상기 제 1 변동 변조 주파수와 같은 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 31 항에 있어서,
상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터(voltage controlled oscillator) 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 37 항에 있어서,
상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 수신하여 상기 제 1 변조 신호, 상기 제 2 변조 신호 또는 상기 샘플링 신호 중에서 적어도 하나 이상을 생성하는 클럭 생성(clock generation) 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 37 항에 있어서,
출력 신호를 생성하여 상기 전압 제어 오실레이터 출력 신호의 상기 변동 주파수를 제어하는 신호 생성 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 39 항에 있어서, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 선형-변화(ramp)하는 선형 전압 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 39 항에 있어서, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 변화하는 비선형 전압 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 39 항에 있어서, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 최소 전압 값에서 최대 전압 값까지 복수의 이산 전압 스텝들 형태로 변화하는 스텝 전압(stepped voltage) 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 39 항에 있어서, 상기 신호 생성 회로의 상기 출력 신호는 복수의 이산 전압 스텝들 형태로 변화하는 스텝 전압 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 24 항에 있어서,
상기 제 1 변동 변조 주파수와 관련된 변동 주파수를 갖는 전압 제어 오실레이터 출력 신호를 생성하는 전압 제어 오실레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.