WO2024100596A1 - Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten ausgangssignal sowie verfahren für die temperaturgangskompensation eines ausgangssignals eines magnetfeldsensorsystems - Google Patents

Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten ausgangssignal sowie verfahren für die temperaturgangskompensation eines ausgangssignals eines magnetfeldsensorsystems Download PDF

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WO2024100596A1
WO2024100596A1 PCT/IB2023/061331 IB2023061331W WO2024100596A1 WO 2024100596 A1 WO2024100596 A1 WO 2024100596A1 IB 2023061331 W IB2023061331 W IB 2023061331W WO 2024100596 A1 WO2024100596 A1 WO 2024100596A1
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WO
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magnetic field
field sensor
sensor system
subsystem
clock signal
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PCT/IB2023/061331
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Radivoje Popovic
Sasa Spasic
Thomas Kaltenbacher
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Senis Ag
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    • G01R33/091—Constructional adaptation of the sensor to specific applications

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic field sensor system with a temperature response compensated output signal according to claim 1 and to a method for the temperature response compensation of an output signal of a magnetic field sensor system according to claim 11 or claim 12.
  • Sensors for measuring a magnetic field in particular Hall magnetic field sensors, are known from the state of the art in a sufficiently wide variety and high number.
  • the measuring principle and the sensor structure itself, as well as the arrangement of the sensor within a measuring circuit are accompanied by undesirable side effects.
  • the input measurement signal is relatively limited in its bandwidth, for example an output measurement signal superimposed by noise.
  • a well-known method for reducing offset and low frequency noise from Hall effect devices is the use of a switch-based three-phase current technique known as spinning current technique in combination with the so-called chopper stabilization technique.
  • the use of this combination in sensor systems that include a Hall effect sensor leads to a reduction in the offset and low frequency noise of the Hall effect device and an amplifier that amplifies the Hall voltage.
  • magnetic field sensor systems with one or more magnetic field sensors are also known from DE 10 2008 061 067 A1 or DE 10 2021 102 051 A1.
  • the aspect that the temperature response of the one or more is neither known from the prior art in the given context, nor is it suggested to the person skilled in the art.
  • the object of the invention is to stabilize the operation of a magnetic field sensor system comprising a magnetic field sensor and an inductive element, connectable in series or combined with an explicit summing element, under a wide variety of environmental influences.
  • a magnetic field sensor system with the features according to claim 1 and a method according to claim 11 or claim 12 are provided. Further advantageous configurations and embodiments of a magnetic field sensor system and the method according to claim 12 result in combination with further features according to the subclaims 2 to 10.
  • a magnetic field sensor system with a temperature response compensated output signal Vout comprises a magnetic field sensor subsystem for the temperature response compensation of the output signal Vout, which preferably comprises two interconnected subsystems.
  • a first subsystem of the magnetic field sensor subsystem comprises one or more magnetic field sensors selected from the group consisting of Hall effect sensors or other galvano-magnetic sensors such as a tunneling magnetoresistance (TMR), a giant magnetoresistance (GMR), a sensor based on the colossal magnetoresistance effect (CMR) or a sensor based on the anisotropic magnetoresistance effect (AMR).
  • TMR tunneling magnetoresistance
  • GMR giant magnetoresistance
  • CMR colossal magnetoresistance effect
  • AMR anisotropic magnetoresistance effect
  • a second subsystem of the magnetic field sensor subsystem includes a power source for powering the one or more magnetic field sensors.
  • the magnetic field sensor system also comprises a low-pass filter, as well as one or more inductive elements that are electrically connected to this or these magnetic field sensors of the first subsystem, either directly or via a summing element,
  • the current source supplies the one or more magnetic field sensors with a supply current lh such that the temperature response of the one or more magnetic field sensors can be compensated by means of the supply current l as a function of a current source clock signal derived from an oscillator.
  • the low-pass filter is designed to change its cutoff frequency fco as a function of a filter clock signal such that the temperature dependence of at least one magnetic field sensor can be additionally compensated.
  • the frequency of the filter clock signal and/or the current source clock signal can be changed in the event of a deviation from a nominal frequency such that the magnetic sensitivity of the one or more magnetic field sensors and the cutoff frequency fco of the low-pass filter are proportional to the frequency of a common clock signal.
  • the power source for the magnetic field sensor and/or the low-pass filter each comprise one or more switched capacitor circuits.
  • the capacitance of one or more capacitors of the one or more switched capacitor circuits is programmable.
  • the oscillator is a voltage controlled oscillator.
  • the common clock signal is formed by synchronizing the filter clock signal and the current source clock signal.
  • the magnetic field sensor system further comprises a compensation control unit configured to provide the filter clock signal, the current source clock signal, or any combination thereof.
  • the magnetic field sensor subsystem comprises a further subsystem as a third subsystem with an amplifier for amplifying an output voltage Vh output by at least one magnetic field sensor as a magnetic field sensor signal modulated by switchable contacts.
  • the magnetic field sensor system and/or the magnetic field sensor subsystem for spinning current operation of a magnetic field sensor and/or chopper stabilization of the amplifier has, in addition to the switchable contacts, switchable contacts, both of which refer to the same clock signal.
  • the invention thus represents an essential optimization of a magnetic field sensor system comprising one or more magnetic field sensors, one or more inductive elements, such as an induction coil and/or one or more induction loops, as well as a low-pass filter, since those signals which are generated by a magnetic field in at least one magnetic field sensor and in at least one inductive element are combined with one another and are passed together through the low-pass filter.
  • inductive elements such as an induction coil and/or one or more induction loops
  • the magnetic field sensor system produces a signal that is almost independent of the frequency.
  • the signal of at least one inductive element is proportional to the frequency of the magnetic field. If these two signals are combined and passed through a low-pass filter, the sensor produces an output signal that is independent of the frequency from direct current or direct voltage up to very high frequencies.
  • the low-pass filter to be used is a 1st order low-pass filter with a cutoff frequency equal to the frequency at which the amplitude characteristics of the magnetic field sensor subsystem for the magnetic field sensor and the inductive element are so equal that they intersect at a common point as shown in Fig. 1.
  • Gh and Gc are the gain factors of the signal coming from the magnetic field sensor and from the inductive element.
  • A is the area of the induction coil or the effective area of the induction coil, which is determined by
  • Nc Nc x A a .
  • Aa the average area of one turn of the induction coil.
  • Embodiments of such a magnetic field sensor system may also comprise an integrator instead of a low-pass filter, since an integrator has the same technical effect as a low-pass filter if their time constants are the same.
  • Equation (1) shows the relationship between the parameters of the magnetic field sensor subsystem, preferably the induction coil as an inductive element and the low-pass filter, which are optimally chosen.
  • the present invention shows how to stabilize the parameters of the components of the magnetic field sensor system so that they maintain their optimal values regardless of external influences.
  • the equation (1 ) is always fulfilled as soon as the magnetic sensitivity of the magnetic field sensor and the cutoff frequency of the low-pass filter are proportional to a common clock signal as a reference clock signal.
  • the absolute magnetic sensitivity of the magnetic field sensor is given by
  • Sh K * fei (3)
  • Kh describes a proportionality coefficient and fei the frequency of the reference clock
  • the cutoff frequency of the low-pass filter i.e. the frequency at which the filter has attenuated the signal amplitude by -3 dB
  • fco K f * fei (4) with Kf as a further proportionality coefficient.
  • equations (3) and (4) can be fulfilled by implementing the current source that supplies the magnetic field sensor with power and/or the low-pass filter as switched capacitors.
  • Suitable circuits are shown in the book “Switched Capacitor Circuits”, Phillip E Allen, Springer Netherlands, 1984.
  • a suitable switched-capacitor current source is disclosed in US Patent US 4374357A.
  • V r is the reference voltage
  • Ci is the capacitance of the capacitor in this circuit
  • fd stands for the frequency of the corresponding clock signal, the current source clock signal.
  • equation (7) can be rewritten in the same form as equation (3).
  • the coefficient K is practically temperature independent if the reference voltage Vr is designed to have an opposite temperature dependence compared to the current-related sensitivity of the magnetic field sensor Shi.
  • the source of the reference voltage Vr is designed to have a positive temperature coefficient if the current-related sensitivity has a negative temperature coefficient, and thus the combination of the two signals is temperature-independent. This can be expressed with the following inequality:
  • Equation (9) The condition in equation (9) is common for Hall effect based magnetic field sensors. Typically, Shi has a linear temperature dependence of about -0.1%/°C. Thus, to satisfy equation (9), V r must have a linear temperature coefficient of about +0.1%/°C.
  • Equation (10) can be rewritten so that it takes the same form as in equation (4).
  • Ci / C 2 (Shi * Vr * Ci * Gh) / (A * Gc) (12)
  • equation (12) can be considered to be practically independent of environmental factors if:
  • Ci are designed as integrated capacitors. If these capacitors are designed as polysilicon or MOS capacitors (English abbreviation for Metal Oxide Semiconductor), then they are practically temperature independent; and/or
  • - A is the area of the induction coil or induction loop or effective area of the coil, which is practically independent of temperature;
  • - Gh / Gc is the ratio of the voltage gain factors of integrated amplifiers, which can be made largely independent of environmental influences by careful design and matching, as well as placement on the same chip substrate; and/or
  • the magnetic field sensor system under consideration is set up once, i.e. the parameters are adjusted so that equations (1) and (13) are satisfied and the settings are retained for any operating temperature.
  • Embodiments of a magnetic field sensor system have the advantage that by designing at least one of the capacitances Ci, C2 to Ci according to equation (12) as a digitally programmable capacitance, the initial setting can be advantageously designed.
  • the clock generator which serves as a common clock source (reference clock) can be designed as a voltage controlled oscillator.
  • the magnetic field sensor is a Hall effect sensor with a Hall element as a sensor element or another galvano-magnetic sensor with a magnetoresistive resistance element as a sensor element.
  • a method for temperature response compensation of an output signal of a magnetic field sensor system which comprises a magnetic field sensor subsystem comprising interconnected subsystems, wherein a first subsystem comprises one or more magnetic field sensors selected from the group consisting of Hall effect sensors or other galvano-magnetic sensors, and a second subsystem of the magnetic field sensor subsystem with a power source for supplying power to the one or more magnetic field sensors, wherein the magnetic field sensor system also comprises a low-pass filter and one or more inductive elements that are electrically connected to this or these magnetic field sensors of the subsystem directly or via a summer, comprises the following steps:
  • a method for the temperature response compensation of an output signal of a magnetic field sensor system with the features of one of the previously described embodiments of a magnetic field sensor system according to one of claims 1 to 10, comprises the steps:
  • Fig. 1 is a frequency-voltage diagram of the frequency response of partial voltages of a magnetic field sensor system connected to an induction coil as an inductive element as a function of the frequency of a magnetic field;
  • Fig. 2 is a block diagram of a magnetic field sensor subsystem
  • Fig. 3 is a block diagram of an embodiment of a magnetic field sensor subsystem connected in series with an induction coil as an inductive element;
  • Fig. 4 is a block diagram of an embodiment of a magnetic field sensor subsystem that is connected in parallel with an induction coil as an inductive element, wherein the respective signal paths each have a separate low-pass filter 1.
  • Fig. 5 is a block diagram of another embodiment of a magnetic field sensor subsystem connected in parallel with an induction coil as an inductive element, wherein the two respective signal paths have a common 1st order low-pass filter.
  • Fig. 1 shows a frequency-voltage diagram in which the respective frequency response of partial voltages of a magnetic field sensor system connected to an induction coil as an inductive element is plotted as a function of the frequency of a magnetic field B.
  • the curve Vhaii shows the frequency response of an unfiltered output voltage of a magnetic field sensor subsystem.
  • the curve Vhaii_F shows the frequency response of an output voltage of a magnetic field sensor subsystem filtered with a 1st order low-pass filter.
  • the curve Vind shows the frequency response of an unfiltered output voltage of an inductive element.
  • the curve Vind F shows the frequency response of an output voltage of an inductive element filtered with a 1st order low-pass filter.
  • the curve Vout shows the frequency response of the summed low-pass filtered partial voltages Vhaii and Vind.
  • the cutoff frequency f co of the 1st order low-pass filter is also shown on the x-axis.
  • the low-pass filtered partial voltages Vhaii and Vind. are matched to one another in such a way that the respective amplitude responses of the output signals of a magnetic field sensor subsystem and the output signal of an inductive element are congruent.
  • Fig. 2 shows a block diagram of an embodiment of a magnetic field sensor subsystem 500 comprising three interconnected subsystems 400, 450 and 1061, as well as supply terminals V+ and V- and electrical contact terminals 501, 502 for outputting an unfiltered output signal Vhaii.
  • the subsystem 400 of an embodiment of a magnetic field sensor subsystem 500 comprises a magnetic field sensor 100, to which the switchable contacts 110, 111, 112 are assigned and which can be switched via the contact terminal 503 with control signals indicated by dashed lines.
  • the magnetic field sensor 100 comprises the magnetic field sensor element 10, which can be selectively coupled via the switchable contacts 110, 111, 112. These switchable contacts thus enable the well-known spinning current technology, wherein the circuit is preferably designed such that the unamplified sensor signal is modulated by the switchable contacts 110 and 111 and the switchable contact 112 serves to contact the sensor with the amplifier during the measuring process.
  • the magnetic field sensor 100 can comprise one or more such magnetic field sensor elements 10 and these can be designed, for example, as planar or vertical Hall sensor elements.
  • the one or more magnetic field sensor elements 10 are connected using their connections 1, 2, 3 and 4.
  • such magnetic field sensor elements 10 can be connected to one another in parallel or in series or can be connected to one another in a combination of series and/or parallel connection.
  • xMR sensors galvano-magnetic or magnetoresistive effect
  • xMR sensors for example a tunneling magnetoresistance (TMR), a giant magnetoresistance (GMR), a colossal magnetoresistance effect (CMR) or an anisotropic magnetoresistance effect (AMR).
  • TMR tunneling magnetoresistance
  • GMR giant magnetoresistance
  • CMR colossal magnetoresistance effect
  • AMR anisotropic magnetoresistance effect
  • the subsystem 450 of an embodiment of a magnetic field sensor subsystem 500 preferably comprises an amplifier 40 for amplifying the modulated magnetic field sensor signal Vh and switchable contacts 113 connected thereto for signal demodulation in order to provide the output signal Vhaii between the contact terminals 502 and 503.
  • the control signals indicated by dashed lines for the switchable contacts 113 are fed in via the contact terminal 503.
  • the subsystem 1061 of an embodiment of a magnetic field sensor subsystem 500 further includes a power source 61 for supplying power to the magnetic field sensor 100.
  • the current I of the current source 61 of the subsystem 1061 is preferably variable by means of one or more switched capacitor circuits 62 as a function of the current source clock signal 1702a indicated by dashed lines, which is fed in via the contact terminal 504.
  • Fig. 3 shows an embodiment of a magnetic field sensor system comprising a magnetic field sensor subsystem 500, wherein the magnetic field sensor subsystem 500 is connected to an inductive element 150, for example in the form of an induction loop or an induction coil, connected in series.
  • the magnetic field sensor subsystem 500 based on the spinning current technology with the switches 110, 111, 112, 113 (not shown), is used to implement this and includes the subsystem 1061 for the electrical supply of the subsystem 400.
  • the output signal Vhaii of the subsystem 450, or of the magnetic field sensor subsystem 500 is present as an input signal of the series-connected inductive element 150.
  • the resulting, summed signal of the magnetic field sensor subsystem 500 and the inductive element 150 can preferably be amplified with a downstream amplifier 41 with a gain factor Gc and the signal fed to a 1st order low-pass filter 1200.
  • the sum of the signals from the magnetic field sensor subsystem 500 and the signal from the inductive element 150 is thus filtered.
  • the clock signals indicated by dashed lines namely the current source clock signal 1702a for controlling the current source 1061, the spinning current clock signal 1702b for controlling the switches 110, 111, 112, 113 for the spinning current technique, i.e. the signal modulation and signal demodulation, and the filter clock signal 1702c for controlling the switched capacitor low-pass filter are formed by coordination with the common clock signal 1700.
  • the subsystem 1061 and the first order low-pass filter 1200 can be controlled with a common clock signal as a reference clock signal.
  • the respective clock signals namely the current source clock signal 1702a and the filter clock signal 1702c, are coordinated with the common clock signal.
  • the clock signals 1702a, 1702b, 1702c are coordinated and provided by the compensation control unit 1701.
  • the compensation control unit 1701 is designed such that the clock signals 1702a, 1702b, 1702c are derived from the reference clock signal 1700.
  • the reference clock signal 1700 is provided by the oscillator 1703 as a clock generator.
  • the clock signals 1702a and 1702c are also provided by the compensation control unit 1701 such that the clock signals are proportional to the reference clock signal 1700.
  • the output signal Vout of the magnetic field sensor system is ultimately located between the two contact terminals 501 and 502 (not shown).
  • Fig. 4 shows a block diagram of an embodiment of a magnetic field sensor system with a magnetic field sensor subsystem 500 comprising the subsystems 400, 450 and 1061.
  • the magnetic field sensor subsystem 500 is connected in parallel with an inductive element 150, for example in the form of an induction loop or an induction coil.
  • the output signal of the inductive element 150 can preferably be amplified with a downstream amplifier 41 with a gain factor Gc before it is fed as an optionally amplified output signal Vind to the 1st order low-pass filter 1202 as an input signal Vind.
  • the 1st order low-pass filter 1202 outputs the low-pass filtered and optionally amplified output voltage of the induction coil as an output signal Vind F.
  • the output signal Vhaii of the subsystem 450, or of the magnetic field sensor subsystem 500 is present in the parallel branch of the circuit as the input signal of the 1st order low-pass filter 1201.
  • the 1st order low-pass filter 1201 outputs V aii_F as the output signal, the low-pass filtered output voltage of the subsystem 450, or of the magnetic field sensor subsystem 500.
  • the two output signals Vind_F and Vhaii_F are summed and are ultimately present as the summed output signal Vout of the sensor system between the two contact terminals 501 and 502 (not shown).
  • the first order low pass filters 1201 and 1202 arranged along the signal paths of the embodiment of the magnetic field sensor system shown before the summation are controllable by the respective filter clock signals 1702d and 1702e.
  • the clock signals 1702a, 1702b, 1702d, 1702e are coordinated and provided by the compensation control unit 1701.
  • the Compensation control unit 1701 is designed such that the clock signals 1702a, 1702b, 1702d, 1702e are derived from the reference clock signal 1700.
  • the reference clock signal 1700 is provided by the oscillator 1703 as a clock generator.
  • the clock signals 1702a, 1702d, 1702e are also provided by the compensation control unit 1701 such that the clock signals are proportional to the reference clock signal 1700.
  • Fig. 5 shows a block diagram of an embodiment of a magnetic field sensor system with a magnetic field sensor subsystem 500 comprising the subsystems 400, 450 and 1061.
  • the magnetic field sensor subsystem 500 is connected in parallel with an inductive element 150, for example in the form of an induction loop or an induction coil.
  • the output signal of the induction coil 150 can preferably be amplified with a downstream amplifier 41 with a gain factor Gc before it is output as a possibly amplified output signal Vind for summing.
  • the output signal Vhaii of the subsystem 450, or of the magnetic field sensor subsystem 500, is output in the parallel branch from output signal Vhaii for summation.
  • the two output signals Vind and Vhaii are summed and are applied as a summed signal as an input signal to the 1st order low-pass filter 1200.
  • the 1st order low-pass filter 1200 outputs Vout as the output signal, the low-pass filtered summed signal from the possibly amplified output voltage of the inductive element 150 and the output voltage of the magnetic field sensor subsystem 500.
  • the output signal Vout of the magnetic field sensor system is ultimately located between the two contact terminals 501 and 502 (not shown).
  • Fig. 5 it can also be seen that the subsystem 1061 and the first order low-pass filter 1200 can be controlled with a common clock signal as reference clock signal 1700.
  • the respective clock signals namely the Current source clock signal 1702a and filter clock signal 1702c are coordinated with the common clock signal.
  • the clock signals 1702a, 1702b, 1702c are provided by the clock signals 1702a, 1702b, 1702c.
  • Compensation control unit 1701 is coordinated and provided.
  • the compensation control unit 1701 is designed such that the clock signals 1702a, 1702b, 1702c are derived from the reference clock signal 1700.
  • the reference clock signal 1700 is provided by the oscillator 1703 as a clock generator.
  • the clock signals 1702a and 1702c are also provided by the compensation control unit 1701 such that the clock signals are proportional to the reference clock signal 1700.

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Abstract

Ein Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal umfasst für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals ein Magnetfeldsensor-Subsystem, das vorzugsweise zwei, miteinander verschaltete Subsysteme umfasst sowie ein Verfahren zur Temperaturgangs.

Description

Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal sowie Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Sensoren zur Messung eines Magnetfeldes, insbesondere auch Hall-Magnetfeldsensoren, in einer hinreichend breiten Vielfalt und hohen Vielzahl bekannt.
Sehr ausführlich werden die Grundlagen von Hall-Magnetfeldsensoren beispielsweise in R. S. Popovic: „Hall-effect devices“, Journal for Sensors and Actuators, Volume 17, Issues 1-2, 3 May 1989, Pages 39-53 oder in R. S. Popovic "Hall Effect Devices", 2nd Edition CRC Press Taylor & Francis Group, LLC 2003, ISBN: 978-1-4200-3422-6 beschrieben.
Ferner knüpft die vorliegende Erfindung an die Offenbarung der US 6366076 B1 an. Darin wird ein Stromsensor beschrieben, der die Signale von einem niederfrequenten Magnetfeldsensor, wie z.B. einen Hall-Effekt Sensor, und einer induktiven Spule, wie z.B. eine Rogowski-Spule, in einer Summiervorrichtung kombiniert, und diese aufsummierten Signale in einen Tiefpassfilter führt. Aus der DE 102018128469 B4 ist ein magnetisches Sensorsystem mit einem Magnetsensor, wie z.B. einem Hall-Magnetsensor, einer Induktionsschleife oder einer Spule, bekannt, welche mit dem Hall-Magnetsensor in Reihe geschaltet ist, und das Ausgangssignal einem Tiefpassfilter zugeführt wird.
Diese beiden Erfindungen der US 6366076 B1 und der DE 102018128469 offenbaren ein Messprinzip wie man mit durch Kombination eines niederfrequenten Magnetfeldsensors, wie z.B. einem Hall-Effekt Sensor, und einer induktiven Spule, einen breitbandigen (Strom-) Sensor erhält, wobei die Signale der jeweiligen Signalpfade explizit (US 6366076 B1 ) und implizit (DE 102018128469) aufsummiert werden.
Bei diesen in der US 6366076 B1 und der DE 102018128469 beschriebenen Erfindungen geht mit dem Messprinzip und dem Sensoraufbau selbst, sowie mit einer Anordnung des Sensors innerhalb einer Messschaltung gehen unerwünschte Nebeneffekte einher. Beispielwiese ist das Eingangsmesssignal in seiner Bandbreite relativ stark begrenzt, beispielwiese ein von Rauschen überlagertes Ausgangsmesssignal.
Eine bekannte Methode zur Reduzierung von Offset- und Niederfrequenzrauschen von Hall-Effekt-Bauelementen ist die Verwendung einer als Spinning-Strom-Technik bekannten schalterbasierten Drehstromtechnik (sog. Spinning-Current) in Kombination mit der sogenannten Chopper-Stabilisierungstechnik. Die Verwendung dieser Kombination in Sensorsystemen, die einen Hall-Effekt Sensor umfassen, führt zu einer Reduktion des Offset- und Niederfrequenzrauschen des Hall-Effekt- Bauelementes und eines Verstärkers, der die Hall-Spannung verstärkt.
Diese und weitere aus dem oben genannten Stand der Technik beschriebenen Ansätze stellen zwar neue Methoden und Schaltungsanordnungen zur Verfügung, sie stellen jedoch nicht im entferntesten einen Lösungsansatz zur Stabilisierung und Nachführung der optimalen Parameter für einen glatten Frequenzverlauf des Ausgangssignales eines solchen Sensorsystems zur Verfügung.
Zudem sind auch Magnetfeldsensorsysteme mit einem oder mehreren Magnetfeldsensoren aus der DE 10 2008 061 067 A1 oder der DE 10 2021 102 051 A1 bekannt. Der Aspekt, dass der Temperaturgang des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit eines von einem Oszillator abgeleiteten Stromquellentaktsignals mittels dessen Versorgungsstrom kompensierbar ist, ist im gegebenen Zusammenhang aus dem Stand der Technik weder bekannt, noch dem Fachmann daraus nahegelegt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines Magnetfeldsensorsystems umfassend einen Magnetfeldsensor und ein induktives Element, in Reihe schaltbar oder mit explizitem Summier-Element kombiniert, unter verschiedensten Umgebungseinflüssen zu stabilisieren.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Magnetfeldsensorsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12 zur Verfügung gestellt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 12 ergeben sich in Kombination weiterer Merkmalen gemäß der Unteransprüche 2 bis 10.
Beschreibung der Erfindung
Ein Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal Vout umfasst für die Temperaturgangskompensation des Ausgangssignal Vout ein Magnetfeldsensor-Subsystem, das, vorzugsweise zwei, miteinander verschaltete Subsysteme umfasst.
Ein erstes Subsystem des Magnetfeldsensor-Subsystems umfasst einen oder mehrere Magnetfeldsensoren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren oder anderen galvano-magnetischen Sensoren wie beispielsweise einen magnetischen Tunnelwiderstand (TMR), einen Riesenmagnetowiderstand (GMR), einen Sensor basierend auf dem kolossalen magnetoresistiven Effekt (CMR) oder einen Sensor basierend auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR).
Ein zweites Subsystem des Magnetfeldsensor-Subsystems umfasst eine Stromquelle zur Stromversorgung von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren. Das Magnetfeldsensorsystem umfasst zudem einen Tiefpassfilter, sowie ein oder mehrere mit diesem oder mit diesen Magnetfeldsensoren des ersten Subsystems in direkter oder über einen Summierer gebildeten, elektrischen Verbindung stehenden induktiven Elements,
Für die Temperaturgangskompensation des Magnetfeldsensorsystems versorgt die Stromquelle den einen oder die mehreren Magnetfeldsensoren mit einem Versorgungsstrom lh derart, daß der Temperaturgang des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren in Abhängigkeit eines von einem Oszillator abgeleiteten Stromquellentaktsignals mittels des Versorgungsstrom l kompensierbar ist.
Vorzugsweise ist der Tiefpassfilter, so ausgebildet, um seine Grenzfrequenz fco in Abhängigkeit von einem Filtertaktsignal derart zu ändern, sodass die Temperaturabhängigkeit mindestens eines Magnetfeldsensors zusätzlich kompensierbar ist.
Vorzugsweise ist die Frequenz des Filtertaktsignals und/oder des Stromquellentaktsignals im Falle einer Abweichung von einer Nennfrequenz so veränderbar, daß die magnetische Empfindlichkeit des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren und die Grenzfrequenz fco des Tiefpassfilters proportional zur Frequenz eines gemeinsamen Taktsignals sind.
Vorzugsweise umfasst die Stromquelle für den Magnetfeldsensor und/oder der Tiefpassfilter jeweils einen oder mehrere Switched-Capacitor-Schaltkreise umfassen.
Vorzugsweise ist dabei die Kapazität eines oder mehrerer Kondensatoren des einen oder der mehreren Switched-Capacitor-Schaltkreise programmierbar.
Vorzugsweise ist der Oszillator ein spannungsgesteuerter Oszillator.
Bei Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems ist das gemeinsame Taktsignal durch Synchronisation des Filtertaktsignals und des Stromquellentaktsignals ausgebildet.
Bei Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems umfasst das Magnetfeldsensorsystem ferner eine Kompensationssteuerungseinheit, die so ausgebildet ist, daß sie das Filtertaktsignal, das Stromquellentaktsignal oder eine beliebige Kombination davon bereitstellt. Bei Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems umfasst das Magnetfeldsensor-Subsystem ein weiteres Subsystem als drittes Subsystem mit einem Verstärker zur Verstärkung einer von mindestens einem Magnetfeldsensor als von schaltbaren Kontakten moduliertes Magnetfeldsensorsignals ausgegebenen Ausgangsspannung Vh.
Bei Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems ist weist das Magnetfeldsensorsystem und/oder das Magnetfeldsensor-Subsystem für einen Spinning-Current Betrieb eines Magnetfeldsensors und/oder einer Chopper- Stabilisierung des Verstärkers zusätzlich zu den schaltbaren Kontakten schaltbare Kontakte aufweist, welche sich beide auf dasselbe Taktsignal beziehen.
Die Erfindung stellt damit eine essentielle Optimierung eines Magnetfeldsensorsystems umfassend einen oder mehrere Magnetfeldsensoren, eine oder mehrere induktive Elemente, wie beispielsweise einer Induktionsspule und/oder eine oder mehrere Induktionsschleifen, als auch einen Tiefpassfilter dar, da diejenigen Signale, welche von einem Magnetfeld in wenigstens einem Magnetfeldsensor und in wenigstens einem induktiven Element erzeugt werden, miteinander kombiniert werden und zusammen durch den Tiefpassfilter geführt werden.
Das hat den Vorteil, daß bei relativ niedrigen Frequenzen des Magnetfeldes, ein nahezu frequenzunabhängiges Signal des Magnetfeldsensorsystems vorliegt. Das Signal des wenigstens eines induktiven Elements ist proportional zur Frequenz des Magnetfeldes. Wenn diese beiden Signale nun kombiniert und durch einen Tiefpassfilter geführt werden, ergibt sich ein Ausgangssignal des Sensors, welches von Gleichstrom oder Gleichspannung bis hin zu sehr hohen Frequenzen frequenzunabhängig ist.
Der dabei einzusetzende Tiefpassfilter ist ein Tiefpassfilter 1 . Ordnung, mit einer Grenzfrequenz, gleich jener Frequenz, bei welcher die Amplitudenkennlinien des Magnetfeldsensor-Subsystems für den Magnetfeldsensor und dem induktiven Element derart gleich sind, daß sie sich wie in Fig. 1 gezeigt, in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Das heißt, die Grenzfrequenz fco des Tiefpassfilters muss folgende Bedingung erfüllen: fco = (Sh * Gh) / (2 * TT * A * Gc) (1 )
S beschreibt die absolute magnetische Sensitivität des Magnetfeldsensors des Magnetfeldsensor-Subsystems, Gh und Gc sind die Verstärkungsfaktoren des Signales kommend von dem Magnetfeldsensor und von dem induktiven Element. Im Falle einer Induktionsspule als induktives Element, ist A ist die Fläche der Induktionsspule oder die effektive Fläche der Induktionsspule, welche durch
A = Nc x Aa. (2) berechnet werden kann. Nc ist die Anzahl der Windungen der Induktionsspule und Aa die mittlere Fläche einer Windung der Induktionsspule.
Der Vorteil eines solchen Magnetfeldsensorsystems, basierend auf der Kombination eines Magnetfeldsensors, vorzugsweise einer Induktionsspule als induktives Element und einem Tiefpassfilter, ist damit auch eine daraus resultierende große Bandbreite und ein niedriges Rauschen.
Ausführungsformen eines solchen Magnetfeldsensorsystems können anstelle eines Tiefpassfilters auch einen Integrator umfassen, da ein Integrator die gleiche technische Wirkung wie ein Tiefpassfilter aufweist, wenn deren Zeitkonstanten jeweils gleich sind.
Gleichung (1) zeigt den Zusammenhang zwischen den Parametern des Magnetfeldsensor-Subsystems, vorzugsweise der Induktionsspule als induktives Element und des Tiefpassfilters, die optimal gewählt werden.
Die vorliegende Erfindung zeigt, wie man die Parameter der Komponenten des Magnetfeldsensorsystems stabilisiert, sodass sie ihre optimalen Werte unabhängig von äußeren Einflüssen behalten.
Die Erfüllung der Gleichung (1 ) wird stets dadurch erfüllt, sobald die magnetische Sensitivität des Magnetfeldsensors und die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters proportional zu einem gemeinsamen Taktsignal als Referenztaktsignal sind.
Beispielsweise ist die absolute magnetische Sensitivität des Magnetfeldsensors gegeben durch
Sh = K * fei (3) wobei Kh einen Proportionalitätskoeffizienten beschreibt und fei die Frequenz des Referenz-Taktes, und die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters, also diejenige Frequenz, bei welcher der Filter die Signalamplitude um -3 dB gedämpft hat, ist gegeben durch fco = Kf * fei (4) mit Kf als weiteren Proportionalitätskoeffizient.
Die Verhältnisse in Gleichung (3) und (4) können dadurch erfüllbar sein, indem man die Stromquelle, welche den Magnetfeldsensor mit Strom versorgt, und/oder den Tiefpassfilter jeweils als geschaltete Kapazitäten (auf Englisch: switched capacitor) implementiert werden.
Passende Schaltungen werden in dem Buch “Switched Capacitor Circuits”, Phillip E Allen, Springer Netherlands, 1984 gezeigt. Eine passende Switched-Capacitor Stromquelle ist in dem US Patent US 4374357A offenbart.
Die absolute magnetische Sensitivität des Magnetfeldsensors ist proportional zum Versorgungsstrom lh:
Sh = Shi * lh (5) wobei Shi die strombezogene Sensitivität des Magnetfeldsensors ist.
Ist diese Stromquelle für den Versorgungsstrom des Magnetfeldsensors nun als Switched-Capacitor-Schaltkreis implementiert, so kann der mittlere Strom dieser Quelle folgend ausgedrückt werden: lh = Vr * Ci* fei (6)
Vr ist die Referenz-Spannung, Ci ist die Kapazität des Kondensators in diesem Schaltkreis, und fd steht für die Frequenz des zugehörigen Taktsignales, das Stromquellentaktsignal.
Ersetzt man nun in Gleichung (5) den Versorgungsstrom lh mit dem Ausdruck aus Gleichung (6), so erhält man:
Sh = Shi * Vr * Ci * fei. (7) Führt man nun die folgende Schreibweise ein:
Kh = Shi * Vr * Ch, (8)
So lässt sich Gleichung (7) umschreiben in die gleiche Form von Gleichung (3).
Der Koeffizient K ist praktisch temperaturunabhängig, wenn die Referenz-Spannung Vr so ausgeführt wird, daß eine gegenteilige Temperaturabhängigkeit aufweist, verglichen mit der ström bezogenen Sensitivität des Magnetfeldsensors Shi.
Das heisst, daß die Quelle der Referenz-Spannung Vr so ausgeführt wird, daß sie einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, wenn die strombezogene Sensitivität einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, und somit die Kombination der beiden Signale temperaturunabhängig ist. Dies lässt sich mit folgender Ungleichung ausdrücken:
Shi * Vr + f (T) (9)
Die Bedingung in Gleichung (9) ist gewöhnlich für auf den Hall-Effekt basierenden Magnetfeldsensoren. Typischerweise weist Shi eine lineare Temperaturabhängigkeit von ca. -0.1 %/°C auf. Somit, um Gleichung (9) zu erfüllen, muss Vr einen linearen Temperaturkoeffizienten von ca. +0.1 %/°C aufweisen.
Die Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters 1 . Ordnung, welcher als Switched-Capacitor- Schaltkreis implementiert ist, kann mit folgender Gleichung berechnet werden: fco = (Ci / C2) * fcl / (2 * TT ) (10)
Dieser Ausdruck ist bestens bekannt aus diversen Fachbüchern. Wenn man folgende Schreibweise einführt:
Kf = (Ci / C2) / (2 * TT ) (11 ) dann lässt sich Gleichung (10) so umschreiben, daß sie die gleiche Form wie in Gleichung (4) annimmt.
Ersetzt man in Gleichung (1 ) fco durch Gleichung (10), und Shi durch Gleichung (7), so erhält man folgende Beziehungen:
Ci / C2 = (Shi * Vr * Ci * Gh) / (A * Gc) (12) Somit zeigt sich die Bedingung für den optimalen Betrieb des Magnetfeldsensorsystems, ausgeführt gemäß der offenbarten Erfindung, durch die Gültigkeit von Gleichung (12), welche nun Gleichung (1 ) ersetzt.
Die Gültigkeit von Gleichung (12) kann als praktisch unabhängig von Umgebungsfaktoren erachtet werden, wenn:
- Ci , C2, und Ci als integrierte Kapazitäten ausgeführt sind. Werden diese Kapazitäten als Poly-Silizium oder MOS-Kapazitäten (Englische Abkürzung für Metal Oxide Semiconductor) ausgeführt, dann sind diese praktisch temperaturunabhängig; und/oder
- A ist die Fläche der Induktionsspule bzw. Induktionsschleife oder effektive Fläche der Spule, welche praktisch auch temperaturunabhängig ist; und/oder
- Gh / Gc ist das Verhältnis der Spannungsverstärkungsfaktoren von integrierten Verstärkern, welche durch sorgfältiges Design und Abgleich, sowie Platzierung am selben Chip-Substrat, weitgehend unabhängig von Umgebungseinflüssen gemacht werden können; und/oder
- das Produkt S hi * Vr kann durch die Gültigkeit von Gleichung (10) temperaturunabhängig gemacht werden.
Somit wird das betrachtete Magnetfeldsensorsystem einmal eingestellt, das heisst die Parameter justiert, sodass Gleichung (1 ) und (13) erfüllt sind und die Einstellungen bleiben für beliebige Betriebstemperaturen erhalten.
Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems haben zum Vorteil, daß durch Ausführung wenigstens einer der Kapazitäten Ci, C2 bis Ci gemäß Gleichung (12) als digital programmierbare Kapazität, die anfängliche Einstellung vorteilhaft gestaltbar ist.
Eine vorteilhaft zu implementierende Ausführung eines sogenannten ratiometrischen Sensorsystems, welches eine magnetische Sensitivität proportional zu einer Referenzspannung aufweist, wie zum Beispiel die Spannung der Spannungsversorgung des Magnetfeldsensorsystems. Somit kann der Taktgeber, welcher als gemeinsame Taktquelle (Referenz-Takt) dient, als spannungsgesteuerter Oszillator (auf Englisch: voltage controlled oscillator) ausgeführt werden. Ausführungsformen können auch in einem Magnetfeldsensorsystem eingesetzt werden, in welchem der Magnetfeldsensor ein Hall-Effekt Sensor mit einem Hall- Element als Sensorelement oder ein anderer galvano-magnetischen Sensor mit einem magnetoresistiven Widerstandselement als Sensorelement ist.
Ein Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems, welches ein Magnetfeldsensor-Subsystem umfassend miteinander verschaltete Subsysteme umfasst, wobei ein erstes Subsystem einen oder mehrere Magnetfeldsensoren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall- Effekt Sensoren oder anderen galvano-magnetischen Sensoren umfasst, und ein zweites Subsystem des Magnetfeldsensor-Subsystems mit einer Stromquelle zur Stromversorgung von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren umfasst, wobei das Magnetfeldsensorsystem zudem einen Tiefpassfilter umfasst, sowie ein oder mehrere mit diesem oder mit diesen Magnetfeldsensoren des Subsystems in direkter oder über einen Summierer gebildeten, elektrischen Verbindung stehenden induktiven Elements umfasst, umfasst die folgenden Schritte:
- Bestimmen eines Versorgungsstroms als Funktion eines von einem Oszillator abgeleiteten Stromquellentaktsignals, wodurch das Temperaturverhalten des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren kompensiert wird; und
- Versorgen des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren mit dem bestimmten Versorgungsstrom unter Verwendung der Stromquelle.
Ein Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems mit den Merkmalen einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen eines Magnetfeldsensorsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfasst die Schritte:
- Bestimmen eines Versorgungsstroms als Funktion eines von einem Oszillator abgeleiteten Stromquellentaktsignals, wodurch das Temperaturverhalten des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren kompensiert wird; und
- Versorgen des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren mit dem bestimmten Versorgungsstrom unter Verwendung der Stromquelle. Dementsprechend vorteilhaft ist auch die Anwendung eines der zuvor beschriebenen Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals eines Magnetfeldsensorsystems gemäss den zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Figuren. Diese zeigen in
Fig. 1 ein Frequenz-Spannungsdiagramm der Frequenzgänge von Teilspannungen eines mit einer Induktionsspule als induktives Element verschalteten Magnetfeldsensorsystems als Funktion der Frequenz eines Magnetfeldes;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Magnetfeldsensor-Subsystems;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor- Subsystems, das mit einer Induktionsspule als induktives Element in Reihe geschaltet ist;
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor- Subsystems, das mit einer Induktionsspule als induktives Element parallelgeschaltet ist, wobei die jeweiligen Signalpfade jeweils einen separaten Tiefpass-Filter 1.
Ordnung aufweisen;
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Magnetfeldsensor- Subsystems, das mit einer Induktionsspule als induktives Element parallelgeschaltet ist, wobei die beiden jeweiligen Signalpfade einen gemeinsamen Tiefpass-Filter 1. Ordnung aufweisen.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt ein Frequenz-Spannungsdiagramm, in welchem der jeweilige Frequenzgang von Teilspannungen eines mit einer Induktionsspule als induktives Element verschalteten Magnetfeldsensorsystems als Funktion der Frequenz eines Magnetfeldes B eingezeichnet ist.
Die Kurve Vhaii zeigt den Frequenzgang einer ungefilterten Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensor-Subsystems.
Die Kurve Vhaii_F zeigt den Frequenzgang einer mit einem Tiefpass-Filter 1 . Ordnung gefilterten Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensor-Subsystems. Die Kurve Vind zeigt den Frequenzgang einer ungefilterten Ausgangsspannung eines induktiven Elements.
Die Kurve Vind F zeigt den Frequenzgang einer mit einem Tiefpass-Filter 1 . Ordnung gefilterten Ausgangsspannung eines induktiven Elements.
Die Kurve Vout zeigt den Frequenzgang der aufsummierten tiefpassgefilterten Teilspannung Vhaii und Vind.
Auf der x-Achse ist zudem die Grenzfrequenz fco des Tiefpass-Filters 1 . Ordnung eingezeichnet.
Die tiefpassgefilterten Teilspannungen Vhaii und Vind. sind derart aufeinander abgestimmt, daß die jeweiligen Amplitudengänge der Ausgangssignale eines Magnetfeldsensor-Subsystems und das Ausgangssignals eines induktiven Elements deckungsgleich sind.
Beide Amplitudengänge der tiefpassgefilterten Teilspannungen Vhaii und Vind schneiden sich bei der Grenzfrequenz fco des Tiefpassfilters 1. Ordnung.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor- Subsystems 500 umfassend drei miteinander verschaltete Subsysteme 400, 450 und 1061 , sowie Versorgungsklemmen V+ und V- und elektrische Kontaktklemmen 501 , 502 zur Ausgabe eines ungefilterten Ausgangssignales Vhaii.
Das Subsystem 400 einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems 500 umfasst einen Magnetfeldsensor 100, welchem die schaltbaren Kontakte 110, 111 , 112 zugeordnet sind und die über die Kontaktklemme 503 mit strichliert angedeuteten Steuersignalen schaltbar sind.
Der Magnetfeldsensor 100 umfasst in der abgebildeten Ausführungsform das Magnetfeldsensor-Element 10, welches über die schaltbaren Kontakte 110, 111 , 112 selektiv gekoppelt werden kann. Diese schaltbaren Kontakte ermöglichen somit die wohlbekannte Spinning-Current-Technik, wobei die Verschaltung vorzugsweise derart gestaltet ist, daß eine Modulierung des unverstärkten Sensorsignals durch die schaltbaren Kontakte 110 und 111 erfolgt und der schaltbare Kontakt 112 zur Kontaktierung des Sensors mit dem Verstärker während des Messvorgangs dient. Der Magnetfeldsensor 100 kann ein oder mehrere solcher Magnetfeldsensorelemente 10 umfassen und diese können beispielsweise als planare oder vertikale Hall-Sensorelemente ausgeführt sein. Die Verschaltung des einen oder der mehreren Magnetfeldsensorelemente 10 erfolgt mittels deren Anschlüssen 1 , 2, 3 und 4.
Im Fall mehrerer Magnetfeldsensorelemente 10 können derartige Magnetfeldsensorelemente 10 parallel oder in Reihe miteinander verschaltet sein oder in einer Kombination aus Reihen- und/oder Parallelschaltung miteinander verschaltet sein.
In Ausführungsformen eines Magnetfeldsensor-Subsystems 500 können zudem auch andere Arten von Magnetfeldsensoren verwendet werden, beispielsweise Sensoren, die einen galvano-magnetischen oder magnetoresistiven Effekt (xMR-Sensoren), zum Beispiel einen magnetischen Tunnelwiderstand (TMR), einen Riesenmagnetowiderstand (GMR), einen kolossalen magnetoresistiven Effekt (CMR) oder einen anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR), verwenden.
Das Subsystem 450 einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems 500 umfasst vorzugsweise einen Verstärker 40 zur Verstärkung des modulierten Magnetfeldsensorsignals Vh und daran angeschlossene schaltbare Kontakte 113 zur Signaldemodulation, um zwischen den Kontaktklemmen 502 und 503 das Ausgangssignal Vhaii zur Verfügung zu stellen. Die strichliert angedeuteten Steuersignale für die schaltbaren Kontakte 113 wird über die Kontaktklemme 503 eingespeist.
Das Subsystem 1061 einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensor-Subsystems 500 umfasst ferner eine Stromquelle 61 zur Stromversorgung von dem Magnetfeldsensor 100.
Der Strom l der Stromquelle 61 des Subsystems 1061 ist vorzugsweise veränderbar mittels eines oder mehreren Switched-Capacitor-Schaltkreises 62 in Abhängigkeit des strichliert angedeuteten Stromquellentaktsignals 1702a, welches über die Kontaktklemme 504 eingespeist wird.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Magnetfeldsensorsystems umfassend ein Magnetfeldsensor-Subsystem 500, wobei das Magnetfeldsensor-Subsystem 500 mit einem induktiven Element 150, beispielsweise in Form einer Induktionsschleife oder einer Induktionsspule, in Reihe geschaltet ist. Das Magnetfeldsensor-Subsystem 500, basierend auf der Spinning-Current-Technik mit den nichtabgebildeten Schaltern 110, 111 , 112, 113 dient zur Realisierung dieser und umfasst das Subsystem 1061 zur elektrischen Versorgung des Subsystems 400.
Das Ausgangssignal Vhaii des Subsystems 450, respektive des Magnetfeldsensorsubsystems 500, liegt als Eingangssignal des in Reihe geschalteten induktiven Elements 150 an. Das resultierende, summierte Signal des Magnetfeldsensor-Subsystems 500 und des induktiven Elements 150 kann vorzugsweise mit einem nachgeschalteten Verstärker 41 mit einem Verstärkungsfaktor Gc verstärkt werden und das Signal einem Tiefpassfilter 1. Ordnung 1200 zugeführt.
Die Summe aus den Signalen des Magnetfeldsensor-Subsystem 500 und des Signals des induktiven Elements 150 wird somit gefiltert.
Die strichliert angedeuteten Taktsignale, nämlich das Stromquellentaktsignal 1702a zur Steuerung der Stromquelle 1061 , das Spinning-Current-Taktsignal 1702b zur Steuerung der Schalter 110, 111 , 112, 113 für die Spinning-Current Technik, also der Signalmodulation und Signaldemodulation und das Filtertaktsignal 1702c zur Steuerung des Switched-Capacitor Tiefpassfilters (zu Deutsch: Tiefpassfilter mit geschalteten Kondensatoren) werden durch Koordination mit dem gemeinsamen Taktsignal 1700 gebildet.
Der Fig. 3 ist zudem entnehmbar, daß das Subsystem 1061 und der Tiefpassfilter 1. Ordnung 1200 mit einem gemeinsamen Taktsignal als Referenztaktsignal steuerbar sind. Das heißt, daß die jeweiligen Taktsignale, namentlich das Stromquellentaktsignal 1702a und das Filtertaktsignal 1702c, mit dem gemeinsamen Taktsignal koordiniert werden.
Die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702c werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 koordiniert und bereitgestellt. Die Kompensationssteuerungseinheit 1701 ist derart ausgebildet, sodass die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702c von dem Referenztaktsignal 1700 abgeleitet werden. Das Referenztaktsignal 1700 wird durch den Oszillator 1703 als Taktgeber bereitgestellt. Die Taktsignale 1702a und 1702c werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 zudem derart bereitgestellt, daß die Taktsignale proportional zu dem Referenztaktsignal 1700 sind.
Das Ausgangssignal Vout des Magnetfeldsensorsystems liegt letztlich zwischen den beiden nicht abgebildeten Kontaktklemmen 501 und 502 an.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensorsystems mit einem Magnetfeldsensorsubsystem 500 umfassend die Subsysteme 400, 450 und 1061. Das Magnetfeldsensorsubsystem 500 ist parallel mit einem induktiven Element 150, beispielsweise in Form einer Induktionsschleife oder einer Induktionsspule geschaltet.
Das Ausgangssignal des induktiven Elements 150 kann vorzugsweise mit einem nachgeschalteten Verstärker 41 mit einem Verstärkungsfaktor Gc verstärkt werden, ehe es als gegebenenfalls verstärktes Ausgangsignal Vind dem Tiefpassfilter 1 . Ordnung 1202 als Eingangssignal Vind zugeführt wird. Der Tiefpassfilter 1. Ordnung 1202 gibt Vind F als Ausgangssignal die tiefpassgefilterte und gegebenenfalls verstärkte Ausgangsspannung der Induktionsspule aus.
Das Ausgangssignal Vhaii des Subsystems 450, respektive des Magnetfeldsensorsubsystems 500, liegt im Parallelzweig der Schaltung als Eingangssignal des Tiefpassfilters 1. Ordnung 1201 an. Der Tiefpassfilter 1. Ordnung 1201 gibt V aii_F als Ausgangssignal die tiefpassgefilterte Ausgangsspannung des Subsystems 450, respektive des Magnetfeldsensorsubsystems 500, aus.
Die beiden Ausgangssignale Vind_F und Vhaii_F werden aufsummiert und liegen als aufsummiertes Ausgangssignal Vout des Sensorsystems letztlich zwischen den beiden nicht abgebildeten Kontaktklemmen 501 und 502 an.
Die entlang der Signalpfade der Ausführungsform des abgebildeten Magnetfeldsensorsystems vor der Summierung angeordneten Tiefpassfilter 1. Ordnung 1201 und 1202 sind durch die jeweiligen Filtertaktsignale 1702d und 1702e steuerbar.
Die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702d, 1702e werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 koordiniert und bereitgestellt. Die Kompensationssteuerungseinheit 1701 ist derart ausgebildet, sodass die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702d, 1702e von dem Referenztaktsignal 1700 abgeleitet werden. Das Referenztaktsignal 1700 wird durch den Oszillator 1703 als Taktgeber bereitgestellt.
Die Taktsignale 1702a, 1702d, 1702e werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 zudem derart bereitgestellt, daß die Taktsignale proportional zu dem Referenztaktsignal 1700 sind.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetfeldsensorsystems mit einem Magnetfeldsensorsubsystem 500 umfassend die Subsysteme 400, 450 und 1061. Das Magnetfeldsensorsubsystem 500 ist parallel mit einem induktiven Element 150, beispielsweise in Form einer Induktionsschleife oder einer Induktionsspule geschaltet.
Das Ausgangssignal der Induktionsspule 150 kann vorzugsweise mit einem nachgeschalteten Verstärker 41 mit einem Verstärkungsfaktor Gc verstärkt werden, ehe es als gegebenenfalls verstärktes Ausgangsignal Vind zum Aufsummieren ausgegeben wird.
Das Ausgangssignal Vhaii des Subsystems 450, respektive des Magnetfeldsensorsubsystems 500, wird im Parallelzweig aus Ausgangsignal Vhaii zum Aufsummieren ausgegeben.
Die beiden Ausgangssignale Vind und Vhaii werden aufsummiert und liegen als aufsummiertes Signal als Eingangssignal am Tiefpassfilter 1. Ordnung 1200 an. Der Tiefpassfilter 1 . Ordnung 1200 gibt Vout als Ausgangssignal das tiefpassgefilterte aufsummierten Signal aus der gegebenenfalls verstärkten Ausgangsspannung des induktiven Elements 150 und der Ausgangsspannung des Magnetfeldsensor- Subsystems 500 aus.
Das Ausgangssignal Vout des Magnetfeldsensorsystems liegt letztlich zwischen den beiden nicht abgebildeten Kontaktklemmen 501 und 502 an.
Der Fig. 5 ist zudem entnehmbar, daß das Subsystem 1061 und der Tiefpassfilter 1. Ordnung 1200 mit einem gemeinsamen Taktsignal als Referenztaktsignal 1700 steuerbar sind. Das heisst, daß die jeweiligen Taktsignale, namentlich das Stromquellentaktsignal 1702a und das Filtertaktsignal 1702c, mit dem gemeinsamen Taktsignal koordiniert werden.
Die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702c werden von der
Kompensationssteuerungseinheit 1701 koordiniert und bereitgestellt. Die Kompensationssteuerungseinheit 1701 ist derart ausgebildet, sodass die Taktsignale 1702a, 1702b, 1702c von dem Referenztaktsignal 1700 abgeleitet werden. Das Referenztaktsignal 1700 wird durch den Oszillator 1703 als Taktgeber bereitgestellt.
Die Taktsignale 1702a und 1702c werden von der Kompensationssteuerungseinheit 1701 zudem derart bereitgestellt, daß die Taktsignale proportional zu dem Referenztaktsignal 1700 sind.
Bezuqszeichenliste
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Claims

Patentansprüche Magnetfeldsensorsystem mit einem temperaturgangskompensierten Ausgangssignal (Vout) wobei das Magnetfeldsensorsystem für die Temperaturgangskompensation des Ausgangssignals (Vout) ein Magnetfeldsensor-Subsystem (500) umfassend miteinander verschaltete Subsysteme (400, 1061 ) umfasst, wobei
- ein erstes Subsystem (400) einen oder mehrere Magnetfeldsensoren (100), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren oder anderen galvano-magnetischen Sensoren umfasst; und
- ein zweites Subsystem (1061 ) des Magnetfeldsensor-Subsystems (500) mit einer Stromquelle (61 ) zur Stromversorgung von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren (100) umfasst; wobei das Magnetfeldsensorsystem zudem einen Tiefpassfilter (1200) umfasst, sowie ein oder mehrere mit diesem oder mit diesen Magnetfeldsensoren (100) des Subsystems (400) in direkter oder über einen Summierer (1720) gebildeten, elektrischen Verbindung stehenden induktiven Elements (150) umfasst, und für die Temperaturgangskompensation die Stromquelle (61 ) den einen oder die mehreren Magnetfeldsensoren (100) mit einem Versorgungsstrom (In) derart versorgt, daß der Temperaturgang des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) in Abhängigkeit eines von einem Oszillator (1703) abgeleiteten Stromquellentaktsignals (1702a) mittels des Versorgungsstrom (lh) kompensierbar ist. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 , wobei der Tiefpassfilter (1200), so ausgebildet ist, um seine Grenzfrequenz (fco) in Abhängigkeit von einem Filtertaktsignal (1702c) derart zu ändern, sodass die Temperaturabhängigkeit mindestens eines Magnetfeldsensors (100) zusätzlich kompensierbar ist.
Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die
Frequenz des Filtertaktsignals (1702c) und/oder des Stromquellentaktsignals (1702a) im Falle einer Abweichung von einer Nennfrequenz so veränderbar sind/ist, daß die magnetische Empfindlichkeit des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) und die Grenzfrequenz (fco) des Tiefpassfilters proportional zur Frequenz eines gemeinsamen Taktsignals (1700) sind.
4. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 , wobei die Stromquelle (1061 ) für den Magnetfeldsensor (100) und/oder der Tiefpassfilter (1200) jeweils einen oder mehrere Switched-Capacitor-Schaltkreise umfassen.
5. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 4, bei dem die Kapazität eines oder mehrerer Kondensatoren des einen oder der mehreren Switched-Capacitor- Schaltkreise programmierbar ist.
6. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 3, wobei das gemeinsame Taktsignal (1700) durch Synchronisation des Filtertaktsignals (1702c) und des Stromquellentaktsignals (1702a) gebildet ist.
7. Magnetfeldsensorsystem nach einem der Ansprüche 2, 3, 5 oder 6, wobei das Magnetfeldsensorsystem ferner eine Kompensationssteuerungseinheit (1701) umfasst, die so ausgebildet ist, daß sie das Filtertaktsignal (1702c), das Stromquellentaktsignal (1702a) oder eine beliebige Kombination davon bereitstellt.
8. Magnetfeldsensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Magnetfeldsensor-Subsystem (500) ein weiteres Subsystem 450 mit einem Verstärker (40) zur Verstärkung einer von mindestens einem Magnetfeldsensor (100) als von schaltbaren Kontakten (112) moduliertes Magnetfeldsensorsignals ausgegebenen Ausgangsspannung (Vh) umfasst. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 8, wobei das Magnetfeldsensorsystem und/oder das Magnetfeldsensor-Subsystem (500) für einen Spinning-Current Betrieb eines Magnetfeldsensors (100) und/oder einer Chopper-Stabilisierung des Verstärkers (40) zusätzlich zu den schaltbaren Kontakten (112) schaltbare Kontakte (110, 111 ) aufweist, welche sich beide auf dasselbe Taktsignal (1700) beziehen. Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 1 , wobei der Oszillator (1703) ein spannungsgesteuerter Oszillator ist. Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals (Vout) eines Magnetfeldsensorsystems, welches ein Magnetfeldsensor- Subsystem (500) umfassend miteinander verschaltete Subsysteme (400, 1061 ) umfasst, wobei
- ein erstes Subsystem (400) einen oder mehrere Magnetfeldsensoren (100), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hall-Effekt Sensoren oder anderen galvano-magnetischen Sensoren umfasst; und
- ein zweites Subsystem (1061 ) des Magnetfeldsensor-Subsystems (500) mit einer Stromquelle (61) zur Stromversorgung von dem einen oder den mehreren Magnetfeldsensoren (100) umfasst; wobei das Magnetfeldsensorsystem zudem einen Tiefpassfilter (1200) umfasst, sowie ein oder mehrere mit diesem oder mit diesen Magnetfeldsensoren (100) des Subsystems (400) in direkter oder über einen Summierer (1720) gebildeten, elektrischen Verbindung stehenden induktiven Elements (150) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- Bestimmen eines Versorgungsstroms (lh) als Funktion eines von einem Oszillator (1703) abgeleiteten Stromquellentaktsignals (1702a), wodurch das Temperaturverhalten des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) kompensiert wird; und Versorgen des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) mit dem bestimmten Versorgungsstrom (lh) unter Verwendung der Stromquelle (61 ). 12. Verfahren für die Temperaturgangskompensation eines Ausgangssignals
(Vout) eines Magnetfeldsensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- Bestimmen eines Versorgungsstroms (lh) als Funktion eines von einem Oszillator (1703) abgeleiteten Stromquellentaktsignals (1702a), wodurch das Temperaturverhalten des einen oder der mehreren
Magnetfeldsensoren (100) kompensiert wird; und
- Versorgen des einen oder der mehreren Magnetfeldsensoren (100) mit dem bestimmten Versorgungsstrom (lh) unter Verwendung der Stromquelle (61 ).
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