电桥传感器偏置和读出制造技术

本发明专利技术涉及用于偏置和读出电桥传感器结构(2)的电路(1)。该电路包括至少两对连接端子(3)，每对适用于连接到电桥的互补端子。该电路包括激励信号生成器(4)，用于生成用于偏置和/或激励电桥的激励信号，其中该激励信号被提供为非恒定的周期性连续时间函数。该电路还包括检测电路(5)，用于通过将检测电路电连接到连接端子(3)中的任一对同时将激励信号施加到另一对来从电桥传感器结构(2)获得传感器信号。该电路包括开关单元(6)，用于将电激励信号从被供应到连接端子的第一对切换到连接端子的另一对，并且用于将检测电路从被连接到连接端子的第二对切换到连接端子的另一对；以及控制器(7)，用于控制开关单元(6)以在当所生成的激励信号处于预定信号范围内的时间从被连接到激励信号生成器(4)切换第一对，在该预定信号范围中激励信号值大体上等于零。

【技术实现步骤摘要】
电桥传感器偏置和读出
本专利技术涉及传感器的领域。更具体而言，它涉及用于电桥传感器结构的偏置和从该电桥传感器结构读出信号的电路和方法，诸如用于偏置和读出惠斯通电桥或霍尔传感器元件的电路和方法。
技术介绍
在传感器
中已知使用诸如霍尔板或惠斯通电桥之类的电阻结构用于检测物理量。例如，惠斯通电桥可以用在(例如使用压阻元件)压力传感器中。类似地，霍尔元件可以用于测量电流传感器或角位置传感器中的磁场。在这种传感器中使用的无源电阻结构可能需要例如以电压或电流的形式的激励信号的应用，以便检测输出信号。术语“偏置(biasing)”是指其中施加例如电压或电流的这种激励信号的过程，而术语“读出”是指从电阻结构取回传感器信号，该传感器信号指示待由传感器检测的物理量或指示用于确定待检测的物理量的中间物理量。自旋(spinning)是用于最先进的传感器偏置和读出方法中的技术，例如用于抑制或补偿电阻电桥结构的偏移(例如霍尔板的偏移)。在这种自旋技术中，结合从不同节点读出传感器信号，首先用于偏置的电阻结构的节点随后可被用于感测，结合使不同的节点偏置。例如，激励信号可以在被施加到第一组节点和第二组节点之间交替，同时在另一组节点上检测输出信号，例如霍尔信号。本领域已知通过突然地将恒定的偏置电压或电流从第一组节点切换到第二组节点而同时地使用另一组用于读出来实现霍尔自旋。例如，这种自旋技术可以被应用用于霍尔板的偏移补偿。此外，可以使用电桥的自旋用于实施连续的自测试程序，例如对于压力传感器，诸如在英国专利申请号GB2489941中公开的。由于元件的相对较大的尺寸，电阻结构(诸如霍尔板)可能具有显著的寄生电容。因此，电阻元件可以表现为RC电路，其可以限制设备的动态响应，因此也限制了可实现的自旋速度。此外，由于先前用于偏置的节点可以在应用自旋技术的下面步骤中被用于感测，所以可能需要显著大于RC时间常数的时间以使得偏置电压能够稳定到显著低于偏置电压的值，例如从2V的偏置电压到1μV以下。此外，本领域已知的低噪声放大方法可能需要在一段时间上的连续操作以防止由采样效应引起的噪声混叠。因此，在稳定到低电压之后，必须在足够大的时间跨度上感测输出信号，因此进一步限制可实现的最大自旋速度，同时将噪声维持在可接受的水平。在特定的应用中，可能需要作为时间的函数的检测到的信号的大带宽。例如，在电流传感器中，可以通过使用霍尔传感器检测相关联的磁场来监测快速变化的电流。期望的信号带宽可以例如与用于补偿传感器偏移的自旋频率具有相同的数量级。此外，灵活的数字处理(例如传感器前端信号的后处理)可能是有利的。对于特定的应用，也可能期望对每个单独的自旋阶段的读出进行采样。通过对每个自旋阶段的输出进行采样，可以提供高度灵活和良好控制的基于采样的处理电路以用于进一步的传感器信号的后端处理。
技术实现思路
本专利技术的实施例的目的是提供诸如电阻桥之类的电桥传感器结构(例如惠斯通电桥或霍尔板)的良好、有效和/或快速的偏置和读出。上述目标通过根据本专利技术的方法和设备来实现。本专利技术的实施例的优点是，电阻式电桥传感器结构的自旋操作中的节点切换可以在激励信号(例如偏置电压)的零交点附近发生，使得例如由于传感器结构的寄生电容导致的在此切换之后的读出信号的稳定时间可以被减少或避免。例如，当自旋操作被施加到传感器结构时，当在激励信号的零交点附近执行切换时，可以避免或减少在不同自旋阶段之间的瞬态信号。因此，在将一组节点从激励功能切换到感测功能之后可以更快速地读出电阻式电桥传感器结构，因为需要较少的稳定时间来避免在不受控制的瞬态时段(例如其中读出信号可能由不可预测和/或随机行为表征的切换之后的时间帧)期间的被监测的读出信号的积分或求平均操作。本专利技术的实施例的优点是可以实现电阻式电桥传感器结构的自旋操作中的快速节点切换，例如以在100kHz至50MHz范围内的切换频率，例如以在500kHz至10MHz的范围内的切换频率，例如以在1MHz至5MHz的范围内的切换频率，例如以约3MHz的切换频率。本专利技术的实施例的优点是即使在电阻式电桥传感器结构的高速节点自旋操作中也可以实现低水平的读出噪声。本专利技术的实施例的优点是可以使用连续时间读出前端(例如使用诸如电荷积分之类的基于积分的低噪声读出)来实现低水平的读出噪声。本专利技术的实施例的优点是可以实现可再现的和/或可预测的传感器灵敏度，例如通过防止、补偿和/或控制偏置源不确定性，诸如电压或电流偏置信号的随机变化，来自动态响应限制的误差和/或读出间隔中的漂移。本专利技术的实施例的优点是可以减少或避免供应到电阻式电桥传感器结构的激励信号中的瞬态尖峰和从电阻式电桥传感器结构获得的读出信号中的瞬态尖峰。本专利技术的实施例的优点是可以在传感器结构的高速自旋操作中控制、避免和/或补偿电阻式电桥传感器结构的读出偏移。本专利技术实施例的优点是可以实现在监测从电阻式电桥传感器结构获得的读出信号时的高时间分辨率同时将噪声维持在可接受的水平。在第一方面，本专利技术涉及用于使电桥传感器结构(例如电阻式电桥传感器结构)偏置且用于从该电桥传感器结构读出传感器信号的电路。该电路包括至少两对连接端子，其中每对连接端子适用于连接到所述电桥传感器结构的互补端子。例如，互补端子可以指电桥传感器的相对触点，例如关于电桥(例如十字形或星形电桥)的中心相对。该电路进一步包括激励信号生成器，用于生成用于偏置(例如用于激励)电桥传感器结构的电激励信号，其中激励信号是基于非恒定的周期性连续时间函数来生成，例如被提供为非恒定的周期性连续时间函数。“非恒定”可以指排除大体上恒定的信号，例如排除不具有实质性时间依赖性的信号。“连续”可以指该术语的数学意义，例如使得在时间上足够小的变化可导致信号值相对于每个时间点的任意小的变化。因此，该电路进一步包括激励信号生成器，用于生成用于偏置(例如用于激励)电桥传感器结构的电激励信号，其中该激励信号不会突然(例如阶梯式)地改变。例如，该电激励信号可以在具有小于周期函数的周期的25％的持续时间的任何时间窗中改变小于其信号范围的50％，例如在具有小于周期的15％的持续时间的任何时间窗口中改变小于25％，例如在具有小于周期的5％的持续时间的任何时间窗口中改变小于20％。该电路还包括检测电路，用于通过将所述检测电路电连接到所述至少两对连接端子中的任一对连接端子同时将所述激励信号施加到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子来从所述电桥传感器结构获得所述传感器信号。该电路包括开关单元，用于将由所述激励信号生成器生成的电激励信号从被供应到所述至少两对连接端子中的第一对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子，且用于将所述检测电路从被连接到所述至少两对连接端子中的第二对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子。该电路此外包括控制器，用于控制所述开关单元在当所述激励信号生成器以预定信号范围生成所述激励信号时的瞬时时刻(aninstantintime)从被连接到所述激励信号生成器切换第一对，在所述范围中所述激励信号值大致上等于零参考值。在根据本专利技术实施例的电路中，该控制器可以包括比较器和/或模数转换器，以检测激励信号何时处于该预定信号范围中。在根据本专利技术的实施例的电路中，该控制器可以适用于预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于使电桥传感器结构(2)偏置且用于从所述电桥传感器结构(2)读出传感器信号的电路(1)，所述电路包括：‑至少两对连接端子(3)，每对连接端子适用于连接到所述电桥传感器结构的互补端子；‑激励信号生成器(4)，用于生成用于偏置和/或激励所述电桥传感器结构的电激励信号，其中所述激励信号被提供为非恒定的周期性连续时间函数；‑检测电路(5)，用于通过将所述检测电路电连接到所述至少两对连接端子(3)中的任一对连接端子同时将所述激励信号施加到所述至少两对连接端子(3)中的另一对连接端子来从所述电桥传感器结构(2)获得所述传感器信号；‑开关单元(6)，用于将由所述激励信号生成器生成的电激励信号从被供应到所述至少两对连接端子中的第一对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子，且用于将所述检测电路从被连接到所述至少两对连接端子中的第二对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子；以及‑控制器(7)，用于控制所述开关单元(6)在当所述激励信号生成器(4)以预定信号范围生成所述激励信号时的瞬时时刻从被连接到所述激励信号生成器(4)切换所述第一对，在所述范围中所述激励信号值大致上等于零参考值。...

【技术特征摘要】
2017.04.28 EP 17168592.81.一种用于使电桥传感器结构(2)偏置且用于从所述电桥传感器结构(2)读出传感器信号的电路(1)，所述电路包括：-至少两对连接端子(3)，每对连接端子适用于连接到所述电桥传感器结构的互补端子；-激励信号生成器(4)，用于生成用于偏置和/或激励所述电桥传感器结构的电激励信号，其中所述激励信号被提供为非恒定的周期性连续时间函数；-检测电路(5)，用于通过将所述检测电路电连接到所述至少两对连接端子(3)中的任一对连接端子同时将所述激励信号施加到所述至少两对连接端子(3)中的另一对连接端子来从所述电桥传感器结构(2)获得所述传感器信号；-开关单元(6)，用于将由所述激励信号生成器生成的电激励信号从被供应到所述至少两对连接端子中的第一对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子，且用于将所述检测电路从被连接到所述至少两对连接端子中的第二对连接端子切换到所述至少两对连接端子中的另一对连接端子；以及-控制器(7)，用于控制所述开关单元(6)在当所述激励信号生成器(4)以预定信号范围生成所述激励信号时的瞬时时刻从被连接到所述激励信号生成器(4)切换所述第一对，在所述范围中所述激励信号值大致上等于零参考值。2.如权利要求1所述的电路(1)，其中所述激励信号生成器(4)适用于生成正弦电流波形和/或正弦电压波形。3.如权利要求1所述的电路(1)，其中所述激励信号生成器(4)适用于以两个互补电压(Vex+,Vex-)的形式生成所述电激励信号并且其中所述控制器(7)适用于检测差分电压信号的每个零交点(33)，在所述零交点处所述两个互补电压之间的差的绝对值为零，或替代地小于预定的容差阈值。4.如权利要求3所述的电路(1)，其中所述开关单元(6)和所述控制器(7)适用于将所述两个互补电压施加到所述至少两对连接端子的选定对，其中用于施加所述激励信号的所述选定对在所述检测到的零交点的预定零交点处被改变，因此在由所述检测到的零交点或所述检测到的零交点的子集在时间上界定的多个自旋阶段上迭代。5.如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中所述至少两对连接端子(3)由用于分别连接到所述电桥传感器结构的两个节点对的两对连接端子组成，所述开关单元(6)和所述控制器(7)适用于交换连接端子对到所述激励信号生成器和所述检测电路的连接，使得所述激励信号交替地被施加到每个节点对同时经由另一对感测所述传感器信号。6.如权利要求1至4中任一项所述的电路(1)，其中所述检测电路(5)适用于从以霍尔元件形式的所述电阻式电桥传感器结构(2)获得以霍尔板读出信号形式的所述传感器信号，并且其中当所述控制器(7)控制所述开关单元的所述切换时的所述瞬时时刻对应于当在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·拉曼，P·龙包茨，
申请(专利权)人：迈来芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH