WO2018184771A1 - Drehratensensor und verfahren zum betrieb eines drehratensensors - Google Patents

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WO2018184771A1
WO2018184771A1 PCT/EP2018/055121 EP2018055121W WO2018184771A1 WO 2018184771 A1 WO2018184771 A1 WO 2018184771A1 EP 2018055121 W EP2018055121 W EP 2018055121W WO 2018184771 A1 WO2018184771 A1 WO 2018184771A1
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amplifier circuit
rate sensor
effect transistor
detector
rotation rate
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Guangzhao Zhang
Francesco Diazzi
Ruslan KHALILYULIN
Andrea Visconti
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a rotation rate sensor according to the preamble of claim 1 and a method for operating a rotation rate sensor according to the preamble of claim 8.
  • Such rotation rate sensors typically include a drive for exciting a vibration of an oscillatable mass, which has at least one drive amplifier circuit. Via a detector, the deflection of the oscillatory mass can be detected.
  • the detector usually has at least one detector amplifier circuit.
  • a reference current generator is generally provided for generating a reference current for the drive amplifier circuit and / or the detector amplifier circuit in the rotation rate sensor.
  • the rotation rate sensors can be designed, for example, as a microelectromechanical system (MEMS).
  • MEMS microelectromechanical system
  • Such yaw rate sensors are typically used in mobile terminals that are battery operated and therefore can only provide limited power reserves for operating such yaw rate sensors.
  • the invention has the object to enable the operation of a rotation rate sensor in a mobile terminal with a reduced startup time.
  • the yaw rate sensor according to the invention and the inventive method for operating a yaw rate sensor according to the independent claims have the advantage over the prior art that either a low quiescent current for operating the drive amplifier circuit and / or the detector amplifier circuit in a power-saving mode or a higher quiescent current Operation of the drive amplifier circuit and / or the detector amplifier circuit in a normal mode is adjustable. Due to the lower quiescent current, the drive amplifier circuit and / or the detector amplifier circuit in power-saving mode, a lower bandwidth and higher noise. Since the currents in the individual branches of the amplifier circuits are reduced in the same way via the quiescent current, the poles and zeros of the respective amplifier circuit change only insignificantly in the power-saving mode.
  • the transition from the power-saving mode to the normal mode has little effect on the stability of the amplifier circuit.
  • the drive amplifier circuit and / or the detector amplifier circuit are active in power-saving mode with lower performance.
  • the amplifier circuits can be put into their normal operating state comparatively quickly. It is therefore not necessary to wait for a long start-up time of the rotation rate sensor.
  • the rotation rate sensor comprises a reference current generator for generating a reference current for the drive amplifier circuit and / or the detector amplifier circuit, which has a first field effect transistor, wherein the first field effect transistor has a first channel width, which for setting the quiescent current is variable.
  • the first channel width (English channel width) is understood to mean the extent of the current-carrying channel of the first field-effect transistor perpendicular to the current direction.
  • the channel width of the first field effect transistor is proportional to the reference current conducted by the first field effect transistor.
  • the quiescent current of the respective amplifier circuit can be derived from the reference current.
  • the quiescent current can be adjusted via the reference current provided by the reference current generator.
  • the first field effect transistor is preferably designed as a MOSFET (English metal oxide semiconductor field effect transistor) or as a FinFET (English fin field effect transistor).
  • the first field effect transistor can be designed as a JFET (English junction field effect transistor).
  • the first field effect transistor may be an n-channel field effect transistor or a p-channel field effect transistor.
  • the first field effect transistor has a plurality of first gate fingers, wherein at least one first gate finger can optionally be switched on or off to set the quiescent current.
  • the first channel width of the first field effect transistor is dependent on the width of the first gate electrode of the first field effect transistor.
  • at least one first gate finger is provided switchable or turn-off, so that by the connection or disconnection of the first gate finger, the effective width of first gate electrode can be adjusted.
  • the switchable or switchable first gate finger is preferably connected to a switching element, for example a field effect transistor.
  • a switching element for example a field effect transistor.
  • the reference current generator has a plurality of first transistors connected in parallel, wherein at least one of the first transistors for setting the reference current is optionally switchable or can be switched off. Due to the parallel connection of a first transistor, the reference current can be increased and switched off by switching off the first transistor
  • Transistors can be reduced. With an increased reference current, an increased quiescent current results in the drive amplifier circuit and / or in the detector amplifier circuit, with a reduced reference current a reduced quiescent current results in the drive amplifier circuit and / or in the detector amplifier circuit.
  • the first transistors may be bipolar transistors or field-effect transistors.
  • the drive amplifier circuit and / or the detector amplifier circuit comprises a second field effect transistor, wherein the second field effect transistor has a channel width which is variable for adjusting the quiescent current.
  • the second channel width (English channel width) is understood to mean the extent of the current-carrying channel of the second field-effect transistor perpendicular to the current direction.
  • the second channel width of the second field effect transistor is proportional to the reference current conducted by the second field effect transistor.
  • the reference current conducted by the second transistor is preferably the input current of a current mirror, and the quiescent current is the output current of the current mirror, so that the quiescent current can be lowered by increasing the channel width of the second field effect transistor. By contrast, the quiescent current can be increased by reducing the channel width of the second field effect transistor.
  • the second field-effect transistor is preferably designed as a MOSFET (English metal-oxide-semiconductor field effect transistor) or as a FinFET (English fin field-effect transistc- ⁇ .) Alternatively, the second field effect transistor can be used as JFET (junction field-effect transistor)
  • the second field-effect transistor may be an n-channel field-effect transistor or a p-channel field-effect transistor In this context, it is advantageous if the second field-effect transistor has a plurality of second gate fingers, wherein for adjusting the quiescent current at least one second gate finger can be optionally switched on or switched off.
  • the second channel width of the second field effect transistor is dependent on the width of the gate electrode of the second field effect transistor.
  • a second field effect transistor having a second gate electrode having a plurality of second gate fingers therefore, at least one second gate finger is provided switchable or turn-off, so that by turning on or off the second gate finger, the effective width of the second gate Electrode can be adjusted.
  • the switchable or switchable second gate finger is preferably connected to a switching element, for example a field effect transistor. If the reference current conducted by the second transistor is the input current of a current mirror and the quiescent current is the output current of the current mirror, then by connecting a gate finger of the second field effect transistor, the quiescent current can be lowered. By contrast, by turning off a gate finger of the second field effect transistor, the quiescent current can be increased.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the drive amplifier circuit and / or the detector amplifier circuit comprises a plurality of second transistors connected in parallel, wherein at least one of the second transistors for setting the quiescent current is optionally switchable or can be switched off. If the reference current conducted by the second transistor is the input current of a current mirror and the quiescent current is the output current of the current mirror, the quiescent current can be reduced by the parallel connection of a second transistor and increased by switching off a second transistor.
  • the first transistors may be bipolar transistors or field-effect transistors.
  • the yaw rate sensor according to the invention is preferably used in a mobile terminal which has an energy store, in particular a battery, for supplying the yaw rate sensor with electrical energy.
  • switching between the power-saving mode and the normal mode can take place via a control command.
  • the control command can be forwarded to the rotation rate sensor by a control unit of a mobile terminal.
  • the control command can be triggered via an input of a user of the mobile terminal.
  • the control unit generates the control command in response to a state variable of the mobile terminal, in particular automatically, for example, depending on a state of charge of the energy storage or of an operating state of a functional unit of the terminal.
  • Figure 1 shows the main electrical load of a rotation rate sensor according to an embodiment of the invention in a block diagram.
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of a reference current generator and a drive amplifier circuit and / or detector amplifier circuit of a yaw rate sensor according to one exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the main electrical consumers of a gyroscope rotation rate sensor 1 according to one exemplary embodiment of the invention.
  • the rotation rate sensor 1 is a MEMS rotation rate sensor.
  • the rotation rate sensor 1 has an oscillatory mass (not shown in the block diagram), which is set in oscillation by a drive of the rotation rate sensor and held in oscillation. To determine the rotation rate, the deflection of the oscillatory mass is measured with a detector of the rotation rate sensor. The detector provides an output signal which is dependent on the rate of rotation to which the yaw rate sensor is exposed.
  • the essential electrical consumers of the rotation rate sensor 1 are drive amplifier circuits 3 provided in the drive as well as detector amplifier circuits 4 provided in the detector.
  • the drive amplifier circuits 3 and the detector amplifier circuits 4 may be formed, for example, as a differential amplifier.
  • differential amplifiers require a substantially constant quiescent current 101, 101, 103 (English bias current), which is accompanied by a substantially constant energy consumption.
  • this quiescent current 101, 102, 103 can be provided via one or more reference current generators 2 and via current mirrors arranged in the drive amplifier circuits 3 and / or the detector amplifier circuits 4.
  • a higher quiescent current 101, 102, 103 an improved performance of the drive amplifier circuit 3 and / or the detector amplifier circuit 4 can be achieved, in particular a higher bandwidth and / or lower noise.
  • this performance comes at a constant, not insignificant energy consumption.
  • the rotation rate sensor 1 In the rotation rate sensor 1 according to the exemplary embodiment, special measures have been taken to reduce the energy consumption and still allow the operation of the rotation rate sensor 1 with sufficient performance in a mobile terminal.
  • Such mobile terminals often have exclusively designed as a battery energy storage for supplying the rotation rate sensor 1.
  • According to the invention is optionally a low quiescent current 101, 102, 103 for operating the drive amplifier circuits 3 and / or the detector amplifier circuits 4 in a power saving mode or a higher quiescent current 101, 102, 103 for operating the drive amplifier circuits 3 and / or the detector Amplifier circuits 4 adjustable in a normal mode.
  • the drive amplifier circuit 3 and / or the detector amplifier circuit 4 in the power-saving mode have a lower bandwidth and a higher noise.
  • the transition from the power-saving mode to the normal mode has little effect on the stability of the drive amplifier circuit 3 and / or detector-amplifier circuit 4.
  • the drive amplifier circuits 3 and / or detector amplifier circuits 4 can rapidly be put into their normal operating state. It is therefore not necessary to wait for a long starting time of the rotation rate sensor 1.
  • 2 shows a simplified circuit diagram of a portion of a rotation rate sensor 1 according to an embodiment of the invention. Shown is a reference current generator 2 and an amplifier circuit 3, 4 which may be formed as a drive amplifier circuit and / or detector-amplifier circuit. About the reference current generator, a reference current 100 is generated, which is the
  • Amplifier circuit 3, 4 is provided.
  • the reference power generator 2 has a current mirror.
  • the current mirror comprises a current source 20 and a plurality o connected to the power source transistors 21, 22, 23, which are designed as field effect transistors.
  • a first field effect transistor is represented by the symbols 22 and 23 and a second field effect transistor is represented by the symbol 21.
  • the first field effect transistor 22, 23 has a plurality of gate fingers, wherein the symbol 22 denotes a first gate finger and the symbol 23 denotes a second gate finger. Deviating from this, the first field effect transistor 22, 23 may have further gate fingers. Further alternatively, instead of a first field effect transistor 22, 23, a plurality of transistors connected in parallel can be provided.
  • the first field effect transistor 22, 23 has a first channel width, which can be changed to set the quiescent current 101, 102, 103.
  • This adjustability of the channel width is made possible in accordance with the exemplary embodiment in that the first gate finger 22 of the first field effect transistor can optionally be switched on or off.
  • a switch 24 is provided in the connection path between the current source 20 and 5 of the gate electrode of the first gate finger 22.
  • Switch 24 can be controlled via a control unit of the mobile terminal.
  • the switch 24 may be formed as a transistor, for example as a field effect transistor.
  • the effective width of the first gate electrode is adjusted.
  • the switch 24 is closed, the first gate finger 22 is switched on.
  • the channel width of the first field effect transistor 22, 23 is increased.
  • the field effect transistor may provide an increased reference current 100.
  • Via the current mirror of the amplifier circuit 3, 4 this increased reference current 100 is mirrored onto the quiescent currents 101, 102, 13 of the amplifier circuit.
  • This state 5 represents the normal mode of rotation rate sensor 1.
  • switch 24 is opened, net, so the gate finger 22 is turned off.
  • the channel width of the first field effect transistor 22, 23 is reduced.
  • the reference current 100 is reduced.
  • the reduced reference current 100 is mirrored onto the quiescent currents 101, 102, 103 via the current mirror of the amplifier circuit 3, 4.
  • This state represents the power saving mode of the rotation rate sensor 1.
  • the quiescent currents 101, 102, 103 can be influenced in the rotation rate sensor 1 according to the embodiment alternatively or additionally by a second switch 36, which is arranged in the amplifier circuit 3, 4.
  • the amplifier circuit 3, 4 has a current mirror, in which the reference current 100 is fed.
  • the current mirror has multiple mirror transistors, which provide the individual quiescent currents 101, 102, 103.
  • a second field effect transistor 31, 32 is provided, which has a plurality of gate fingers. In the illustration in FIG. 2, a first gate finger 31 and a second gate finger 32 are shown. Deviating from this, the second field effect transistor may have further gate fingers.
  • a parallel connection of a plurality of transistors, in particular field effect transistors may be provided instead of the field effect transistor 31, 32.
  • the first gate finger 32 can be selectively switched off or switched on via the switch 36.
  • the effective width of the second gate electrode of the second field effect transistor is set.
  • switch 36 When switch 36 is closed, the first gate finger 32 is switched on.
  • the channel width of the second field effect transistor 31, 32 is increased.
  • the mirrored bias currents 101, 102, 103 reduce.
  • This state represents the power-saving mode of the rotation rate sensor 1.
  • Wrd the second switch 36 is opened, the second gate finger 32 is turned off.
  • the channel width of the second field effect transistor 31, 32 is reduced.
  • the mirrored bias currents 101, 102, 103 increase. This state represents the normal mode of the rotation rate sensor 1.
  • the rotation rate sensors 1 described above have a drive for
  • Excitation of a vibration of a vibratory mass which comprises at least one drive amplifier circuit 3.
  • these yaw rate sensors 1 have a detector for detecting a deflection of the oscillatable mass, which comprises at least one detector amplifier circuit 4.

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Abstract

Es wird ein Drehratensensor beschrieben, mit einem Antrieb zur Anregung einer Schwingung einer schwingfähigen Masse, welcher mindestens eine Antrieb-Verstärkerschaltung aufweist, und mit einem Detektor zur Detektion einer Auslenkung der schwingfähigen Masse, welcher mindestens eine Detektor-Verstärkerschaltung aufweist, wobei wahlweise ein geringer Ruhestrom zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder der Detektor- Verstärkerschaltung in einem Stromsparmodus oder ein höherer Ruhestrom zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung in einem Normalmodus einstellbar ist.

Description

Beschreibung Titel
Drehratensensor und Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Derartige Drehratensensoren umfassen typischerweise einen Antrieb zur Anregung einer Schwingung einer schwingfähigen Masse, welcher mindestens eine Antrieb-Verstärkerschaltung aufweist. Über einen Detektor kann die Auslenkung der schwingfähigen Masse detektiert werden. Der Detektor weist üblicherweise mindestens eine Detektor-Verstärkerschaltung auf. Ferner ist in der Regel ein Referenzstromerzeuger zur Erzeugung eines Referenzstroms für die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung in dem Drehratensensor vorgesehen. Die Drehratensensoren können beispielsweise als mikro- elektromechanisches System (MEMS) ausgestaltet sein.
Solche Drehratensensoren werden typischerweise in mobilen Endgeräten eingesetzt, welche batteriebetrieben sind und daher nur begrenzte Energiereserven zum Betrieb solcher Drehratensensoren bereitstellen können. Um den Energieverbrauch solcher Drehratensensoren zu reduzieren, ist es bekannt, die Drehratensensoren periodisch ein- und auszuschalten. In dem eingeschalteten Zustand des Drehratensensors kann eine Messung durchgeführt werden. Danach wird der Drehratensensor in seinen ausgeschalteten Zustand versetzet. Auf diese Weise kann ein niedriger Energieverbrauch eingestellt werden, der den Betrieb eines solchen Drehratensensors in einem mobilen Endgerät ermöglicht. Allerdings hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass beim Einschalten des Drehratensensors, d.h. beim Umschalten von dem ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand, zunächst eine gewisse Anlaufzeit vergehen werden muss, bis eine ausreichend genaue Messung möglich ist. Diese Anlaufzeit ist z. B. dadurch bedingt, dass die schwingfähige Masse nicht beliebig schnell in die gewünschte Schwingung versetzt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Erfindung die Aufgabe, den Betrieb eines Drehratensensors in einem mobilen Endgerät mit einer reduzierten Anlaufzeit zu ermöglichen.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass wahlweise ein geringer Ruhestrom zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung in einem Stromsparmodus oder ein höherer Ruhestrom zum Betrieb der Antrieb- Verstärkerschaltung und/oder der Detektor- Verstärkerschaltung in einem Normalmodus einstellbar ist. Aufgrund des geringeren Ruhestroms weisen die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung im Stromsparmodus eine geringere Bandbreite und ein höheres Rauschen auf. Da über den Ruhestrom die Ströme in den einzelnen Zweigen der Verstärkerschaltungen in gleicher Weise reduziert werden, verändern sich im Stromsparmodus die Polstellen und Nullstellen der jeweiligen Verstärkerschaltung nur unwesentlich. Somit hat der Übergang von dem Stromsparmodus in den Normalmodus nur geringen Einfluss auf die Stabilität der Verstärkerschaltung. Insofern sind die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung im Stromsparmodus mit geringerer Performance aktiv. Es findet ein Abtausch zwischen dem Stromverbrauch und der Performance des Drehratensensors statt. Beim Umschalten in den Normalmodus können die Verstärkerschaltungen vergleichsweise schnell in ihren normalen Betriebszustand versetzt werden. Es ist daher nicht erforderlich, eine lange Anlaufzeit des Drehratensensors abzuwarten. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehratensensor einen Referenzstromerzeuger zur Erzeugung eines Referenzstroms für die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung umfasst, welcher einen ersten Feldeffekttransistor aufweist, wobei der erste Feldeffekttransistor eine erste Kanalweite aufweist, die zur Einstellung des Ruhestroms veränderbar ist. Unter der ersten Kanalweite (englisch Channel width) wird die Ausdehnung des stromführenden Kanals des ersten Feldeffekttransistors senkrecht zur Stromrichtung verstanden. Die Kanalweite des ersten Feldeffekttransistors ist proportional zu dem vom dem ersten Feldeffekttransistor geführten Referenzstrom. Über die Einstellung der ersten Kanalweite kann der von dem ersten Feldeffekttransistor geführte Referenzstrom eingestellt werden. In der Antrieb- Verstärkerschaltung und/oder der Detektor- Verstärkerschaltung kann aus dem Referenzstrom der Ruhestrom der jeweiligen Verstärkerschaltung abgeleitet werden. Somit kann der Ruhestrom über den von dem Referenzstromerzeuger bereitgestellten Referenzstrom eingestellt werden. Der erste Feldeffekttransistor ist bevorzugt als MOSFET (englisch metal-oxide-semiconductor field- effect-transistor) oder als FinFET (englisch fin field-effect-transistor) ausgebildet.
Alternativ kann der erste Feldeffekttransistor als JFET (englisch junction field- effect-transistor) ausgebildet sein. Der erste Feldeffekttransistor kann ein n-Ka- nal-Feldeffekttransistor oder ein p-Kanal-Feldeffekttransistor sein. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der erste Feldeffekttransistor mehrere erste Gate-Finger aufweist, wobei zur Einstellung des Ruhestroms mindestens ein erster Gate-Finger wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Die erste Kanalweite des ersten Feldeffekttransistors ist abhängig von der Breite der ersten Gate-Elektrode des ersten Feldeffekttransistors. Bei einem ersten Feldef- fekttransistor mit einer ersten Gate-Elektrode, die mehrere erste Gate-Finger aufweist, wird daher mindestens ein erster Gate-Finger zuschaltbar oder abschaltbar vorgesehen, so dass durch das Zuschalten oder Abschalten des ersten Gate- Fingers die effektive Breite der ersten Gate-Elektrode eingestellt werden kann. Bevorzugt ist der zuschaltbare oder abschaltbare erste Gate-Finger mit einem Schaltelement, beispielsweise einem Feldeffekttransistor, verbunden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Referenzstromerzeuger mehrere parallel geschaltete erste Transistoren aufweist, wobei mindestens einer der ersten Transistoren zur Einstellung des Referenzstroms wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Durch das parallele Zuschalten eines ersten Tran- sistors kann der Referenzstrom erhöht und durch das Abschalten des ersten
Transistors verringert werden. Bei einem erhöhten Referenzstrom ergibt sich in der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder in der Detektor-Verstärkerschaltung ein erhöhter Ruhestrom, bei einem verringerten Referenzstrom ergibt sich in der Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder in der Detektor-Verstärkerschaltung ein ver- ringerter Ruhestrom. Bei den ersten Transistoren kann es sich um Bipolar-Tran- sistoren oder Feldeffekttransistoren handeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung einen zweiten Feldeffekttransistor aufweist, wobei der zweite Feldeffekttransistor eine Kanalweite aufweist, die zur Einstellung des Ruhestroms veränderbar ist. Unter der zweiten Kanalweite (englisch Channel width) wird die Ausdehnung des stromführenden Kanals des zweiten Feldeffekttransistors senkrecht zur Stromrichtung verstanden. Die zweite Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors ist proportional zu dem vom dem zweiten Feldeffekttransistor geführten Referenzstrom. Über die Einstellung der zweiten Kanalweite kann der von dem zweiten Feldeffekttransistor geführte Referenzstrom daher eingestellt werden. Bevorzugt ist der von dem zweiten Transistor geführte Referenzstrom der Eingangsstrom eines Stromspiegels und der Ruhestrom ist der Ausgangsstrom des Stromspiegels, so dass durch eine Vergrößerung der Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors der Ruhestrom abgesenkt werden kann. Hingegen kann durch eine Verkleinerung der Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors der Ruhestrom erhöht werden. Der zweite Feldeffekttransistor ist bevorzugt als MOSFET (englisch metal-oxide- semiconductor field-effect-transistor) oder als FinFET (englisch fin field-effect- transistc-ή ausgebildet. Alternativ kann der zweite Feldeffekttransistor als JFET (englisch junction field-effect-transistor) ausgebildet sein. Der zweite Feldeffekttransistor kann ein n-Kanal-Feldeffekttransistor oder ein p-Kanal-Feldeffekttran- sistor sein. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der zweite Feldeffekttransistor mehrere zweite Gate-Finger aufweist, wobei zur Einstellung des Ruhestroms mindestens ein zweiter Gate-Finger wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Die zweite Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors ist abhängig von der Breite der Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors. Bei einem zweiten Feldeffekttransistor mit einer zweiten Gate- Elektrode, die mehrere zweite Gate- Finger aufweist, wird daher mindestens ein zweiter Gate-Finger zuschaltbar oder abschaltbar vorgesehen, so dass durch das Zuschalten oder Abschalten des zweiten Gate-Fingers die effektive Breite der zweiten Gate-Elektrode eingestellt werden kann. Bevorzugt ist der zuschaltbare oder abschaltbare zweite Gate-Finger mit einem Schaltelement, beispielsweise einem Feldeffekttransistor, verbunden. Wenn der von dem zweiten Transistor geführte Referenzstrom der Eingangsstrom eines Stromspiegels und der Ruhestrom ist der Ausgangsstrom des Stromspiegels ist, kann durch das Zuschalten eines Gate-Fingers des zweiten Feldeffekttransistors der Ruhestrom abgesenkt werden. Hingegen kann durch das Abschalten eines Gate-Fingers des zweiten Feldeffekttransistors der Ruhestrom erhöht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Antrieb- Verstärkerschaltung und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung mehrere parallel geschaltete zweite Transistoren aufweist, wobei mindestens einer der zweiten Transistoren zur Einstellung des Ruhestroms wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Wenn der von dem zweiten Transistor geführte Referenzstrom der Eingangsstrom eines Stromspiegels und der Ruhestrom ist der Ausgangsstrom des Stromspiegels ist, kann durch das parallele Zuschalten eines zweiten Transistors kann der Ruhestrom verringert und durch das Abschalten eines zweiten Transistors erhöht werden. Bei den ersten Transistoren kann es sich um Bipolar- Transistoren oder Feldeffekttransistoren handeln.
Der erfindungsgemäße Drehratensensor findet bevorzugt Anwendung in einem mobilen Endgerät, welches einen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, zur Versorgung des Drehratensensors mit elektrischer Energie aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Umschalten zwischen dem Stromsparmodus und dem Normalmodus über ein Steuerkommando erfolgen. Das Steuerkommando kann dem Drehratensensor von einer Steuereinheit eines mobilen Endgeräts zugeleitet werden. Das Steuerkommando kann über eine Eingabe eines Nutzers des mobilen Endgeräts ausgelöst werden. Alternativ ist es möglich, dass die Steuereinheit das Steuerkommando in Abhängigkeit von einer Zustandsvariablen des mobilen Endgeräts, insbesondere automatisch, erzeugt, beispielsweise in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers o- der von einem Betriebszustand einer funktionalen Einheit des Endgeräts.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die im Zusammenhang mit dem Drehratensensor erläuterten vorteilhaften Merkmale ebenfalls Anwendung finden
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungseispiele näher erläutert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt die hauptsächlichen elektrischen Verbraucher eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Blockdiagramm.
Figur 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Referenzstromerzeugers und einer Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder Detektor-Verstärkerschaltung eines Drehratensensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur 1 zeigt in einem Blockdiagramm die hauptsächlichen elektrischen Verbraucher eines als Gyroskop ausgebildeten Drehratensensors 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Drehratensensor 1 ist ein MEMS- Drehratensensor. Der Drehratensensor 1 weist eine in dem Blockschaltbild nicht gezeigte schwingfähige Masse auf, welche durch einen Antrieb des Drehratensensors in Schwingung versetzt und im Schwingen gehalten wird. Zur Ermittlung der Drehrate wird die Auslenkung der schwingfähigen Masse mit einem Detektor des Drehratensensors gemessen. Der Detektor liefert ein Ausgangssignal, das abhängig von der Drehrate ist, welcher der Drehratensensor ausgesetzt ist. Die Wesentlichen elektrischen Verbraucher des Drehratensensors 1 sind in dem Antrieb vorgesehene Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 sowie in dem Detektor vorgesehene Detektor-Verstärkerschaltungen 4. Die Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 und die Detektor-Verstärkerschaltungen 4 können beispielsweise als Differenzverstärker ausgebildet sein. Solche Differenzverstärker erfordern zum Betrieb einen im Wesentlichen konstanten Ruhestrom 101 , 101 , 103 (englisch bias cur- rent), welcher mit einem im Wesentlichen konstanten Energieverbrauch einher- geht.
Dieser Ruhestrom 101 , 102, 103 kann - wie nachfolgend noch erläutert werden wird - über einen oder mehrere Referenzstromerzeuger 2 sowie über in den Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 und/oder den Detektor-Verstärkerschaltungen 4 angeordnete Stromspiegel bereitgestellt werden. Generell kann mit einem höheren Ruhestrom 101 , 102, 103 eine verbesserte Performance der Antrieb- Verstärkerschaltung 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung 4 erreicht werden, insbesondere eine höhere Bandbreite und/oder geringeres Rauschen. Diese Performance wird jedoch mit einem konstanten, nicht unwesentlichen Energiever- brauch erkauft.
Bei dem Drehratensensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel sind besondere Maßnahmen ergriffen worden, um den Energieverbrauch zu reduzieren und trotzdem den Betrieb des Drehratensensors 1 mit ausreichender Performance in ei- nem mobilen Endgerät zu ermöglichen. Solche mobilen Endgeräte weisen oftmals ausschließlich einen als Batterie ausgebildeten Energiespeicher zur Versorgung des Drehratensensors 1 auf. Erfindungsgemäß ist wahlweise ein geringer Ruhestrom 101 , 102, 103 zum Betrieb der Antrieb- Verstärkerschaltungen 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltungen 4 in einem Stromsparmodus oder ein höherer Ruhestrom 101 , 102, 103 zum Betrieb der Antrieb- Verstärkerschaltungen 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltungen 4 in einem Normalmodus einstellbar. Aufgrund des geringeren Ruhestroms 101 , 102, 103 weisen die Antrieb-Verstärkerschaltung 3 und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung 4 im Stromsparmodus eine geringere Bandbreite und ein höheres Rauschen auf. Al- lerdings hat der Übergang von dem Stromsparmodus in den Normalmodus nur geringen Einfluss auf die Stabilität der Antrieb- Verstärkerschaltung 3 und/oder Detektor-Verstärkerschaltung 4. Beim Umschalten in den Normalmodus können die Antrieb-Verstärkerschaltungen 3 und/oder Detektor-Verstärkerschaltungen 4 schnell in ihren normalen Betriebszustand versetzt werden. Es ist daher nicht er- forderlich, eine lange Anlaufzeit des Drehratensensors 1 abzuwarten. Die Figur 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Teils eines Drehratensensors 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Referenzstromerzeuger 2 und eine Verstärkerschaltung 3, 4 welche als Antrieb-Verstärkerschaltung und/oder Detektor-Verstärkerschaltung ausgebildet sein kann. Über 5 den Referenzstromerzeuger wird ein Referenzstrom 100 erzeugt, welcher der
Verstärkerschaltung 3, 4 bereitgestellt wird.
Der Referenzstromerzeuger 2 gemäß dem Ausführungsbeispiel weist einen Stromspiegel auf. Der Stromspiegel umfasst eine Stromquelle 20 und mehrere o mit der Stromquelle verbundene Transistoren 21 , 22, 23, welche als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. In der Darstellung in Figur 2 ist ein erster Feldeffekttransistor durch die Symbole 22 und 23 und ein zweiter Feldeffekttransistor durch das Symbol 21 dargestellt. Der erste Feldeffekttransistor 22, 23 weist mehrere Gate-Finger auf, wobei das Symbol 22 einen ersten Gate-Finger und das5 Symbol 23 einen zweiten Gate-Finger bezeichnet. Abweichend davon kann der erste Feldeffekttransistor 22, 23 weitere Gate-Finger aufweisen. Weiter alternativ können anstelle eines ersten Feldeffekttransistors 22, 23 mehrere parallel verschaltete Transistoren vorgesehen sein. o Der erste Feldeffekttransistor 22, 23 weist eine erste Kanalweite auf, die zur Einstellung des Ruhestroms 101 , 102, 103 veränderbar ist. Diese Einstellbarkeit der Kanalweite ist gemäß dem Ausführungsbeispiel dadurch ermöglicht, dass der erste Gate-Finger 22 des ersten Feldeffekttransistors wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Hierzu ist im Verbindungspfad zwischen der Stromquelle 20 und 5 der Gate-Elektrode des ersten Gate-Fingers 22 ein Schalter 24 vorgesehen. Der
Schalter 24 kann über eine Steuereinheit des mobilen Endgeräts gesteuert werden. Der Schalter 24 kann als Transistor, beispielsweise als Feldeffekttransistor, ausgebildet sein. Durch das Zuschalten oder Abschalten des ersten Gate-Fingers 22 wird die effektive Breite der ersten Gate- Elektrode eingestellt. Bei ge- 0 schlossenem Schalter 24 ist der erste Gate-Finger 22 zugeschaltet. Die Kanalweite des ersten Feldeffekttransistors 22, 23 ist erhöht. Somit kann der Feldeffekttransistor einen erhöhten Referenzstrom 100 bereitstellen. Über den Stromspiegel der Verstärkerschaltung 3,4 wird dieser erhöhte Referenzstrom 100 auf die Ruheströme 101 , 102, 13 der Verstärkerschaltung gespiegelt. Dieser Zustand5 stellt den Normalmodus des Drehratensensors 1 dar. Wird der Schalter 24 geöff- net, so ist der Gate-Finger 22 abgeschaltet. Die Kanalweite des ersten Feldeffekttransistors 22, 23 ist reduziert. Der Referenzstrom 100 ist verringert. Über den Stromspiegel der Verstärkerschaltung 3, 4 wird der verringerte Referenzstrom 100 auf die Ruheströme 101 , 102, 103 gespiegelt. Dieser Zustand stellt den Stromsparmodus des Drehratensensors 1 dar.
Die Ruheströme 101 , 102, 103 können bei dem Drehratensensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel alternativ oder zusätzlich durch einen zweiten Schalter 36 beeinflusst werden, welcher in der Verstärkerschaltung 3, 4 angeordnet ist. Die Verstärkerschaltung 3, 4 weist einen Stromspiegel auf, in welchen der Referenzstrom 100 eingespeist wird. Der Stromspiegel weist mehrere-Spiegel-Transisto- ren auf, welche die einzelnen Ruheströme 101 , 102, 103 bereitstellen. Ferner ist ein zweiter Feldeffekttransistor 31 , 32 vorgesehen, welcher mehrere Gate-Finger aufweist. In der Darstellung in Figur 2 ist ein erster Gate-Finger 31 und ein zweiter Gate-Finger 32 gezeigt. Abweichend davon kann der zweite Feldeffekttransistor weitere Gate-Finger aufweisen. Weiter alternativ kann anstelle des Feldeffekttransistors 31 , 32 eine Parallelschaltung mehrerer Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, vorgesehen sein. Der erste Gate-Finger 32 ist über den Schalter 36 wahlweise abschaltbar oder zuschaltbar. Durch das Zuschalten oder Abschalten des zweiten Gate-Fingers 32 wird die effektive Breite der zweiten Gate-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistors eingestellt. Bei geschlossenem Schalter 36 ist der erste Gate-Finger 32 zugeschaltet. Die Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors 31 , 32 ist erhöht. Infolge reduzieren sich die gespiegelten Ruheströme 101 , 102, 103. Dieser Zustand stellt den Stromsparmodus des Drehratensensors 1 dar. Wrd der zweite Schalter 36 geöffnet, so ist der zweite Gate-Finger 32 abgeschaltet. Die Kanalweite des zweiten Feldeffekttransistors 31 , 32 ist reduziert. Die gespiegelten Ruheströme 101 , 102, 103 erhöhen sich. Dieser Zustand stellt den Normalmodus des Drehratensensors 1 dar. Die vorstehend beschriebenen Drehratensensoren 1 weisen einen Antrieb zur
Anregung einer Schwingung einer schwingfähigen Masse auf, welcher mindestens eine Antrieb-Verstärkerschaltung 3 umfasst. Ferner weisen diese Drehratensensoren 1 einen Detektor zur Detektion einer Auslenkung der schwingfähigen Masse auf, welcher mindestens eine Detektor-Verstärkerschaltung 4 umfasst. Um den Betrieb der Drehratensensoren 1 in einem mobilen Endgerät mit einer reduzierten Anlaufzeit zu ermöglichen, ist wahlweise ein geringer Ruhestrom 101 , 102, 103 zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltung 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung 4 in einem Stromsparmodus oder ein höherer Ruhestrom 101 , 102, 103 zum Betrieb der Antrieb- Verstärkerschaltung 3 und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung 4 in einem Normalmodus einstellbar.
In der vorstehenden Beschreibung soll die Verwendung eines bestimmten oder unbestimmten Artikels zusammen mit einem Substantiv auch den Plural des Substantivs einschließen, sofern nichts anderes erwähnt wird. Die Begriffe„erster" und„zweiter" in der Beschreibung und den Ansprüchen sollen das Unter- scheiden ähnlicher Elemente voneinander ermöglichen und beschreiben keine bestimmte Abfolge dieser Elemente. Ferner werden nachfolgend identische Elemente mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Claims

Ansprüche
1. Drehratensensor (1) mit einem Antrieb zur Anregung einer Schwingung einer schwingfähigen Masse, welcher mindestens eine Antrieb-Verstärkerschaltung (3) aufweist, und mit einem Detektor zur Detektion einer Auslenkung der schwingfähigen Masse, welcher mindestens eine Detektor-Verstärkerschaltung (4) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
wahlweise ein geringer Ruhestrom (101 , 102, 103) zum Betrieb der Antrieb- Verstärkerschaltung (3) und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung (4) in einem Stromsparmodus oder ein höherer Ruhestrom (101 , 102, 103) zum Betrieb der Antrieb- Verstärkerschaltung (3) und/oder der Detektor- Verstärkerschaltung (4) in einem Normalmodus einstellbar ist.
2. Drehratensensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Drehratensensor (1) einen Referenzstromerzeuger (2) zur Erzeugung eines Referenzstroms (100) für die Antrieb- Verstärkerschaltung (3) und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung (4) umfasst, welcher einen ersten Feldeffekttransistor (22, 23), insbesondere einen MOSFET, aufweist, wobei der erste Feldeffekttransistor (22, 23) eine erste Kanalweite aufweist, die zur Einstellung des Ruhestroms (101 , 102, 103) veränderbar ist.
3. Drehratensensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Feldeffekttransistor (22, 23) mehrere erste Gate-Finger aufweist, wobei zur Einstellung des Ruhestroms (101 , 102, 103) mindestens ein erster Gate-Finger (22) wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist.
4. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstromerzeuger (2) mehrere parallel geschaltete erste Transistoren aufweist, wobei mindestens einer der ersten Transistoren zur Einstellung des Ruhestroms (101 , 102, 103) wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antrieb-Verstärkerschaltung (3) und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung (4) einen zweiten Feldeffekttransistor (31 , 32), insbesondere einen MOSFET, aufweist, wobei der zweite Feldeffekttransistor (31 , 32) eine zweite Kanalweite aufweist, die zur Einstellung des Ruhestroms (101 , 102, 103) veränderbar ist.
Drehratensensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Feldeffekttransistor (31 , 32) mehrere zweite Gate-Finger aufweist, wobei zur Einstellung des Ruhestroms (101 , 102, 103) mindestens ein zweiter Gate-Finger (32) wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist.
Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antrieb-Verstärkerschaltung (3) und/oder die Detektor-Verstärkerschaltung (4) mehrere parallel geschaltete zweite Transistoren aufweist, wobei mindestens einer der zweiten Transistoren zur Einstellung des Ruhestroms (101 , 102, 103) wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist.
Mobiles Endgerät mit einem Drehratensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem Energiespeicher zu Versorgung des Drehratensensors mit elektrischer Energie.
Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors (1) mit einem Antrieb zur Anregung einer Schwingung einer schwingfähigen Masse, welcher mindestens eine Antrieb-Verstärkerschaltung (3) aufweist, und mit einem Detektor zur Detektion einer Auslenkung der schwingfähigen Masse, welcher mindestens eine Detektor-Verstärkerschaltung (4) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
wahlweise ein geringer Ruhestrom (101 , 102, 103) zum Betrieb der Antrieb- Verstärkerschaltung (2) und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung (4) in einem Stromsparmodus oder ein höherer Ruhestrom (101 , 102, 103) zum Betrieb der Antrieb-Verstärkerschaltung (2) und/oder der Detektor-Verstärkerschaltung (4) in einem Normalmodus eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen dem Stromsparmodus und dem Normalmodus über ein Steuerkommando gesteuert wird.
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