CN111089609A - 具有偏移补偿的传感器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器电路(1)，包括：‑传感器(3)，适于感测物理量并产生传感器输出信号，‑传感器‑偏移校正块(5)，布置成用于接收指示施加到所述传感器电路的供应电压(Vsup)的信号，并且基于指示所述供应电压的所述信号和指示所述传感器电路的状态的量来生成补偿信号(8)，‑组合器(7)，适于将所述传感器输出信号与所述补偿信号组合，从而获得经补偿的信号。

Description

具有偏移补偿的传感器电路
技术领域
本发明总体上涉及布置成用于感测某个物理量的传感器的领域。
背景技术
传感器会受到许多不同的内部和外部特性的影响，这些特性会使传感器输出信号更不精确。在各种物理量传感器中，观察到温度梯度相关的偏移。通常此类传感器被集成在集成电路中。此偏移可能很大，尤其是在大量芯片上功耗(例如，在二线式传感器中)的情况下和/或在具有IMC(磁集极)的磁传感器中。如果此类偏移使传感器精确度变差，则传感器的应用领域会被限制。
温度梯度相关的偏移补偿已在现有技术中被广泛描述，在科学文献和专利文献两者中被广泛描述。一种可能的方法涉及使用附加的传感器元件，该传感器元件被布置成热临近衬底上的主传感器元件并且被配置用于感测温度的空间梯度。来自此附加传感器的信号可以被放大并且用于补偿主传感器的温度梯度相关的偏移。在US2014/369380中找到了一个示例，其中提出了对热EMF效应的补偿，该热EMF效应可能导致传感器***中的残余偏移(residual offset)和其他误差。
热电磁力(EMF)是温度梯度相关的偏移的可能原因之一。热EMF与温度可能对材料中的电荷运动的影响有关。例如，通过在特定方向上推动电荷，材料中的温度梯度会像施加的电场一样影响材料中的电荷流动。这在存在电场或磁场或浓度梯度的情况下可能被放大。热EMF还会在两种主要情况下引起与温度相关的电荷：第一，均匀材料中的不均匀温度(即，温度梯度)，或者反之亦然，不均匀材料中的均匀温度。第二种情况例如可能发生在设备触点处，其中电压被称为热触点电压。就传感器操作和输出信号精确度而言，两者都是不希望的。
温度梯度相关的偏移的另一个可能原因是塞贝克效应。塞贝克效应是在不同类型的导线的结点处直接将热量转换为电。
在某些实施例中，通过在传感器***中提供至少一个布置成临近主传感器元件(例如，在传感器***包括霍尔效应磁场感测***的情况下的霍尔板)的温度传感器来实现已经提到的申请US2014/369380中提出的对热EMF效应的补偿。在其他实施例中，可以使用多个温度传感器，每个温度传感器被布置成临近不同的传感器触点或元件。如果根据旋转操作方案操作霍尔板，则至少一个温度传感器可以被配置用于感测每个操作阶段中的温度。各个所感测的温度可以被组合并且用于提供温度相关的补偿信号。
因此，需要一种传感器电路，其中避免使用附加传感器。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种无需额外的传感器就能够处理温度梯度相关的偏移的传感器电路。
上述目的通过根据本发明的解决方案来完成。
在第一方面中，本发明涉及传感器电路，包括：
-传感器，适于感测物理量并产生传感器输出信号，
-传感器-偏移校正块，布置成用于接收指示施加到传感器电路的供应电压的信号，并且基于指示供应电压的信号和指示传感器电路的状态的量来生成补偿信号，
-组合器，适于将传感器输出信号与补偿信号组合，从而获得经补偿的信号。
所提出的解决方案确实适合于偏移补偿。校正块被布置成用于基于指示施加到传感器电路的供应电压的信号和指示传感器电路的状态的量来确定补偿信号。
在优选实施例中，补偿信号与供应电压和/或与指示状态的所述量成比例。然后，比例因子通常取决于指示状态的所述量。
有利地，传感器电路被布置成用于经由所感测的物理量或经由传感器输出信号来确定传感器电路的哪个状态是活跃的。
在某些实施例中，传感器是桥式传感器或磁传感器或霍尔传感器。霍尔传感器可包括磁集极。可选地，霍尔传感器是具有旋转电流的霍尔传感器。
在优选实施例中，传感器电路包括放大器，该放大器用于在将传感器输出信号施加到组合器之前放大传感器输出信号。在某些实施例中，放大器是斩波放大器和/或差分放大器和/或仪表放大器。
在一些实施例中，供应电流可在多个预定值之间切换。
在有利的实施例中，传感器电路被实现为二线式传感器电路。在其他实施例中，传感器电路被实现为三线式传感器电路。
在优选实施例中，物理量是磁场、压力或温度。
在另一实施例中，传感器电路被布置成用于基于经补偿的信号确定状态。
本发明还涉及包括如先前所描述的传感器电路的集成电路。
在优选实施例中，补偿信号是集成电路中的功耗和/或集成电路的所述供应电压和/或温度和/或集成电路的输出电压和/或输出电流的函数。
在一个实施例中，状态代表集成电路中的功耗。
出于对本发明以及相对现有技术所实现的优势加以总结的目的，上文已描述了本发明的某些目的和优势。当然，应理解，不一定所有此类目的或优势都可根据本发明的任何特定实施例来实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本发明可按实现或优化如本文中所教导的一个优势或一组优势的方式来具体化或执行，而不一定要实现如本文可能教导或建议的其他目的或优势。
参考本文以下描述的(多个)实施例，本发明的上述和其他方面将是显而易见的和可阐明的。
附图说明
作为示例，现在将参考附图进一步描述本发明，附图中相同的附图标记指代各附图中的相同的要素。
图1示出了根据本发明的传感器电路的实施例的框图。
具体实施方式
将就特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求书来限定。
此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所描述的本发明实施例能够以与本文中所描述或图示的顺序不同的顺序操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中对本领域普通技术人员将是显而易见的，特定的特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，各发明方面存在比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外，如将由本领域技术人员所理解的，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
应当注意的是，在描述本发明的某些特征或方面时，特定术语的使用不应当被视作暗示该术语在本文中被重新定义为受限于包括该术语所关联的本发明的诸特征或诸方面的任何特定特性。
在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应当理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。
本发明提出了不需要额外的传感器用于补偿温度梯度相关的偏移的传感器电路。
图1描述了根据本发明的传感器电路(1)的概括视图。传感器电路通常是集成电路的一部分。电路包括感测物理量(例如磁场、温度或压力)的传感器(3)。传感器可以是霍尔传感器或其他磁传感器、压力传感器或任何其他物理量传感器。
根据本发明的传感器电路的重要组件是传感器偏移补偿块(5)，其具有至少两个输入并且产生补偿信号作为输出。为了补偿集成电路中的温度梯度相关的偏移，通常需要计算与传感器电路形成其一部分的集成电路中的功耗有关的量。为了实现这一点，有若干选择。一种直接的方法是通过测量供应电压和供应电流来确定功耗。然而，可以设想许多等效方法。例如，在三线式传感器电路的情况下，假定供应电流是恒定的，与传感器输出级无关。因此，可以通过供应电压乘以代表供应电流的常数确定耗散功率。
在二线式传感器电路的情况下，输出电流具有两个分量，即用于操作集成电路所需的电流(2-3mA)和在专用电流源中生成的状态相关电流。电流源取决于传感器状态改变输出电流。因此，供应电流是传感器状态的函数。因此，可以通过确定供应电压和传感器电路状态的指示来计算耗散功率。
在某些实施例中，(例如，源自测量的)供应电流的模拟值用于偏移校正块。然而，为了简化电路设计，可以使用诸如确定供应电流状态之类的等效测量。此类等效测量可以已经是数字的(量化的)。等效量化信号可以从一组可能的值(例如两个或三个或更多的值)中选取一个值。例如，可以存在具有相应的电流值I_on和I_off的开/关状态，电流值I_on和I_off是众所周知的，因为它们是由集成电路产生和调节的。在又一些实施例中，供应电流是传感器状态和供应电压两者的函数，而系数K_on例如不再是常数而是供应电压Vdd的函数。
在补偿块(5)中，确定补偿信号。在一些实施例中，补偿块可以简单地通过将供应电压除以每个状态的固定系数(例如，VDD/K_on和VDD/K_off)来计算补偿信号，其中在校准期间确定K_on和K_off。在另一些实施例中，K_on和K_off不是恒定的，而是温度和/或供应电压的函数(例如，K_on(VDD,温度…))。
在其他实施例中，补偿信号不取决于离散值，而是供应电压、温度、供应电流和/或状态和/或输出电流的函数。在补偿信号由一组离散值中的一个离散值表示的情况下，应该提供给偏移补偿块至少一个值，但取决于输入电流的状态和/或温度，可以提供多于一个值。
可选地，传感器输出信号首先被馈送到信号放大器。在各种实施例中，此放大器可以是斩波放大器、差分放大器和/或仪表放大器。
组合器(7)是求和块。在某些实施例中，组合器在模拟域中将传感器输出信号和补偿信号相加。在其他实施例中，如果在传感器与组合器之间存在ADC，则其也可以数字地完成。在旋转的情况下，将二相或四相平均(标准霍尔板旋转)，并且然后将此二相或四相旋转的输出输入到组合器以补偿残余偏移。此类残余偏移来自霍尔传感器中的不对称性。
在本发明的实施例中，传感器电路的状态是从补偿后获得的信号得出的。确定状态的最常见方法是使用比较器将组合器块输出与参考值进行比较。例如，在二线式传感器电路中，比较器将偏移校正的传感器输出信号与阈值进行比较并且根据此比较确定状态。取决于状态，输出供应电流并因此可以如以上解释的确定功率。在某些实施例中，可以预见多状态电流值。在三线式传感器电路的情况下，假定供应电流与传感器电路状态无关，偏移校正块的输入例如为常数(与状态无关)或考虑例如输出状态、输出电压降等的更复杂的可能非线性的函数。它可以是多项式(例如二次)函数、指数函数或任何其他非线性函数。替代地，可以通过将组合器输出与多个参考值进行比较(如在全极传感器中)来得出状态信息。在其他实施例中，组合器输出被数字化并且在数字部分中与一个或多个参考值进行比较。
尽管过程变化导致残余偏移，但是这些贡献会在所有温度下出现并且因此还可以考虑用于补偿，不再有更多的V/k而是V/k+b，其中b是代表偏移的常数。显然“b”可以与温度相关并且在此情况下为b(t)。由于在本发明中不需要温度传感器，因此与现有技术的解决方案相反，梯度引起的偏移由功耗确定，在现有技术的解决方案中，在技术上在板中对偏移进行测量。由于缺少温度传感器，b(t)将更难实现。在高温度梯度(操作)下，梯度最高可以达到0.5度/毫米或者至少1度/毫米。对于此类梯度，残余偏移通常约为1μv或10-50μv。残余偏移与测量的B场无关。
当计算集成电路中的功耗时，补偿显然相对于输入电压是线性的。不幸的是，残余偏移不是直接由功耗驱动，而是由温度梯度驱动。此温度梯度具有管芯设计产生的非线性效应、与塑料的热交换耗散和失控效应。因此，在一些实施例中，此类效应使得k因子相对于V不是恒定的，而是V的函数。在简单的实施例中，对于所有V值，k因子是恒定的，并且对于不同状态仅有两个k值。由于观察到的非线性效应，此类补偿可能是非线性的(大多数情况下，如果实施的话)。
在实践中，针对每种状态(在三线实施例中针对至少一种状态)执行在电路安装之前(即，在校准阶段结束时)的最终测试期间的测量以测量和校正残余偏移。此类值存储在(模拟或数字)寄存器或查找表中。在例如随输入电压的变化需要更高粒度的校正的情况下，可以基于预定义的值或不同输入电压下(例如最大和最小输入电压规格(从3V至24V)下)的若干残余偏移点，从所测量的残余偏移进行推断。
偏移经补偿的信号在IC中进一步用于不同目的，不同目的可包括对此信号的进一步处理。经校正的信号可以在芯片内部用于主要功能，如输出级、信号生成等，也可以用于次要功能，如功能安全、信号路径验证……
这不限于霍尔传感器，而是任何具有任何温度-梯度相关的偏移的传感器。通常，补偿信号可以是电压、电流或数字信号。它可以被直接施加到(霍尔)传感器、信号放大器(如果存在)、信号比较器(如果存在此类比较器)或被数字地补偿(如果存在ADC)。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地说明并描述了本发明，但是此类说明和描述被认为是说明性或示例性的，而非限制性的。前面的描述具体说明了本发明的某些实施例。然而，应当理解，不管前述内容在文本中显得如何详细，本发明都能以许多方式实现。本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、本公开和所附权利要求，本领域技术人员可在实践要求保护的发明时理解和实施所公开的实施例的其他变体。在权利要求中，单词“包括”不排除其他要素或步骤，并且不定冠词一(“a”或“an”)不排除复数。单个处理器或其他单元可实现权利要求书中所述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可被存储/分布在合适的介质(诸如，与其他硬件一起或作为其他硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质)上，但也能以其他形式(诸如，经由因特网或者其他有线或无线电信***)来分布。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种传感器电路(1)，包括：
-传感器(3)，适于感测物理量并产生传感器输出信号，
-传感器-偏移校正块(5)，布置成用于接收指示施加到所述传感器电路的供应电压(Vsup)的信号，并且基于指示所述供应电压的所述信号和指示所述传感器电路的状态的量来生成补偿信号(8)，
-组合器(7)，适于将所述传感器输出信号与所述补偿信号组合，从而获得经补偿的信号。
2.如权利要求1所述的传感器电路，其中，所述补偿信号与所述供应电压和/或指示所述状态的所述量成比例。
3.如权利要求2所述的传感器电路，其中，所述比例因子与指示所述状态的所述量相关。
4.如权利要求1所述的传感器电路，布置成用于经由所述所感测的物理量或经由所述传感器输出信号来确定所述传感器电路的哪个状态是活跃的。
5.如权利要求1所述的传感器电路，其中，所述传感器是桥式传感器或磁传感器或霍尔传感器。
6.如权利要求5所述的传感器电路，其中，所述霍尔传感器包括磁集极。
7.如权利要求5所述的传感器电路，其中，所述霍尔传感器是具有旋转电流的霍尔传感器。
8.如权利要求1所述的传感器电路，包括用于在将所述传感器输出信号施加到所述组合器之前放大所述传感器输出信号的放大器。
9.如权利要求1所述的传感器电路，其中，所述供应电流可在多个预定值之间切换。
10.如权利要求1所述的传感器电路，实现为二线式传感器电路。
11.如权利要求1所述的传感器电路，其中，所述物理量是磁场、压力或温度。
12.如权利要求1所述的传感器电路，布置成用于基于所述经补偿的信号确定所述状态。
13.一种集成电路，包括如权利要求1所述的传感器电路。
14.如前一权利要求所述的集成电路，其中，所述补偿信号是所述集成电路中的功耗和/或所述集成电路的所述供应电压和/或温度和/或所述集成电路的输出电压和/或输出电流的函数。
15.如权利要求13所述的集成电路，其中，所述状态代表所述集成电路中的功耗。
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