DE2009972B2 - Einrichtung zur Multiplikation zweier elektrischer Größen - Google Patents
Einrichtung zur Multiplikation zweier elektrischer GrößenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Multiplikationseinrichuing
für zwei elektrische Größen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei bekannten Einrichtungen, die zur Multiplikation zweier elektrischer Größen, am häufigsten von Spannungen
oder Strömen bzw. anderen in Spannung oder Strom umgewandelter, physikalischer Größen dienen,
werden Elemente mit niehtlinearer Strom- und Spannungskennlinie, beispielsweise entsprechend geschaltete
Dioden bzw. Elemente, angewendet, in denen physikalische Effekte auftreten, die einen dem Produkt
zweier Eingangswerte proportionalen Ausgangswert liefern. Zu den letzteren zählen beispielsweise die zur
Multiplikation zweier elektrischer Größen dienenden Hall-Elemente, in denen der Hall-Effekt in Halbleitern
ausgenutzt wird. In Multiplikationseinrichtungen mit Hall-Elementen oder auch mit Hall-Generatoren wird
eine der Multiplikationsgrößen in Steuerstrom und die
andere in magnetische Induktion umgewandelt.
Zur Erzeugung der magnetischen Induktion werden
am häufigsten Spulen mii ferromagnetischen oder Ferritkernen, sehener kernlose Spulen. \erw endet.
Ferromagnetische Kerne müssen verwendet werden. weil die Multiplikationseinrichtung mit einem Hall-Element
oder mit einem Hall-Generator bei hohen Induklionswerten (von über 10 Gs) arbeitet. Die
ίο Verwendung von ferromagnetischen oder Ferritkernen
führt zu einer Fehlerhäufung im Endergebnis, die unter anderem durch nichtlineare Abhängigkeit /wischen der
Feldstärke und der Induktion. Verluste infolge um Wirbelströmen. Hystereseverluste u. dgl. verursach!
werden. Wenn eine kernlose Spule verwendet wird. ?>ind
zwar diese Abweichungen geringer, dafür können abei keine kleinen Ströme oder Spannungen muhipli/ien
werden. Außerdem weisen die Multiplikationseinrich tungen mit Hall-Elementen oder mit Hall-Generatoren
Abweichungen auf, die mit einem verhältnisniiißi«:
großen Temperaturkoeffizienten verbunden sind. Infolge der vorerwähnten Faktoren dürfen die /.u multiplizierenden
Größen als Strom etwa 15 niA und als Spannung
einige Volt nicht unterschreiten.
Ferner ist eine Einrichtung bekannt, bei welcher der
Magnetoresistanzeffekt in dünnen, ferromagnetische!!
Schichten mit einer einachsigen Anisotropie in Speicherelementen ausgenutzt wird und bei welcher die
dünne magnetische Schicht induktiv an eine Magnetspu-Ie angekoppelt ist. Auf Grund ihres Aufbaus kann
jedoch mit dieser Einrichtung kein Ausgangssignal erhallen werden, welches proportional dem Produkt der
Größe des durch die Schicht fließenden Stroms und der Größe des Magnetisierungsstroms ist. welcher ein zur
leichten Magnetisierungsachse senkrechtes feld erzeugt.
Das Ausgangssignal des Speicherelements ist vielmehr ein Impuls mit konstanter Amplitude, und
seine Polarisation bzw. sein Vorzeichen bestimmt den Magnetisierungszustand der Schicht, d. h. einer einge
schrieberen Binärzahl »0« oder »1«. Eine Multiplikationseinrichtung
muß dagegen ein Ausgangssignal liefern, dessen Wert dem Produkt der Stromstärken der
durch die Schicht und die Magnetisierungsspule fließenden Ströme proportional ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine mit geringem
technischen Aufwand realisierbare Multiplikationseinrichtung zu schaffen, an welcher ein Ausgangssignal
entnommen werden kann, welches zwei miteinander zu multiplizierenden elektrischen Größen proportional ist.
welche auch kleine Werte aufweisen können, nämlich beispielsweise Spannungen von etwa 15 mV und Ströme
ab einigen niA. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung bei einer Multiplikationseinrichtung für zwei elektrische
Größen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Gemäß der Erfindung ist somit eine Multiplikationseinrichtung geschaffen, welche im Vergleich mit
bekannten Multiplikationseinrichlungen eine sehr hohe Empfindlichkeit aufweist, d. h„ sie arbeitet bereits bei
sehr kleinen Steuerströmen und Magnetfeldern, so daß Einrichtungen zur Konzentrierung des Feldes nicht
erforderlich sind! Es können somit kleinere Magnetfelder angelegt werden, und obendrein ist der praktische
Anwendungsbereich der Einrichtung in Meß-, Automatik- und Steuerschaltungen wesentlich erweitert.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von
Ausführungsbeispielen und unter lic/.ug .iul die
/eichnungen naher erläutert.
Fig. I zeigt die dünne ferromagnetische Schicht mit
Elektroden;
I" i g. 2 zeigt das Grundsehallbild der Muliiplikaiionseinrichtung
für zwei elektrische Größen;
Fig. 3 zeigt eine Einrichtung g-inüb" der Erfindung
mit einer Zusaiz-Magnetisierungsspule;
K ig. 4 zeigt eine Einrichtung gemäß der Erfindung
mit einem Dauermagneten;
Fig. 5 zeigt eine Einrichtung gemäß Erfindung mit einer zusätzlichen leitenden Schicht, durch die das
Ummagnetisierungifeld erzeugt wird.
In der F i g. 1 ist eine am vorteilhaftesten einachsige
Anisotropie aufweisende dünne ferromagnetische Schicht 2 dargestellt, die samt den Stromelektroden 4
und den Spannungselektroden 3 auf den Isolierkörper I
aufgetragen ist. Die ferromagnetische Schicht 2 kann einfach oder mehrfach sein, d. h., sie kann aus mehreren
durch nichtferromagnetische Zwischenlagen, beispielsweise
aus Siliziumoxyd SiO, getrennten ferromagnetischen Schichten bestehen, wobei die Dicke jeder
Schicht im Bereich von 5 bis 2000 Nanometer liegen kann; als Isolierkörper kann eine Glasplatte und als
lerromagneiischer Stoff verschiedene Permallovarten verwendet werden. Infolge der Einwirkung der Energie
der inneren oder induzierten magnetischen Anisotropie kann man in einer solchen Schicht zwei Richtungen,
nämlich eine mit einer leichten L und eine mit einer schweren Magnetisierung T! unterscheiden, lit kein
fremdes Magnetfeld vorhanden, so ist der Magnetisicrungsvektor
/längsder Achse Lgerichtet. Die Lage des
Magnetisierungsvektors / ändert sich unter der Einwirkung des fremden Magnetfeldes //. und damit
wird auch die Anisotropieachse des elektrischen Widerstandes der Schicht geändert. Zwischen den
Spannungselektruden 3 tritt eine Spannung auf. Die Änderung der Anisotropieachse des Widerslandes unter
der Einwirkung der Magneiisierungsanderung wird als magnetische Widerstandsänderung bezeichnet. Wird an
die Stromelektroden 4 der dünnen ferromagnetische!! Schicht 2 die Spannung Us angelegt, die einen
Steuerstrom h fließen läßt, so tritt an den Spannungselektroden
3 eine Ausgangsspannung auf, die von der Lage des Magnctisicrungsvcktors / abhängig ist. Die
Lageänderung dieses Vektors wird durch ein äußeres Magnetfeld hervorgerufen.
Eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung ist aus F i g. 2 ersichtlich. Den Klemmen der
Magnetisierungsspule 5 wird die Spannung Um oder der Strom Im zugeführt, die der Multiplikation durch die
Spannung Us oder den Strom Λ unter'iegen, welch
letztere den Slromelekiroden 4 zugeführt werden. Der
durch die Spule 5 fließende Strom Im erzeugt das Magnetfeld H, das eine Lageänderung des Magnetisierungsvektors
/ in der ferromagnetische!! Schicht bewirkt, wodurch an den Spannungselektroden 3 die
Spannung L/?auftrilt,dicdcm Produkt der Spannung Um
oder des Stroms Im und der Spannung Us oder des Stroms /s proportional ist. Das Ausgangssignal in Form
der Spannung Ug oder des Stroms Ig wird direkt dem
Meßgerät 6 zugeführt bzw. mit Hilfe des Verstärkers 7 verstärkt.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Einrichtung
gemäß der Erfindung mit einer Zusatz-Magnetisie rungsspule 8 angegeben, die durch einen Gleichstrom
"on bestimmter Stärke durchflossen wird, durch den das zum Feld H der Spule 5 senkrecht gerichtete konstante
Magnetfeld /7- erzeugt wird, infolge dieser Anordnung
der Spule 8 in bezug auf tiie ferromagnetische Schicht
wird die in der Ebene der ferromagnetischen Schicht liegende Magnetfeldkoniponente erzielt. Die in der
Schichtebene liegende Feldkomponenie H wirkt auf
den Magnetisierungsvektor / ein, wodurch eine Änderung der Charakteristik des Ausgangssignals der
Multiplikationseinrichtung sowie ihrer Empfindlichkeit ermöglicht und damit eine Erweiterung des Meßbereichserzielt
wird.
In Fig.4 ist eine Ausführungsform der Einrichtung
gemäß der Erfindung dargestellt, bei der die auf dem isolierkörper 1 angebrachte ferromagneiischeSchich! 2
mit Elektroden und die Magnetisierungsspule 5 sich im Wirkungsbereich des mit Hilfe des Dauermagneten 9
erzeugten Magnetfelds befinden. Der Magnet 9 ist so in bezug auf die ferromagnetische Schicht 2 angeordnet,
daß die Magnetfeldkomponente in der Ebene der Schien· 2 liegt. Diese Ausführungsform erfordert keine
zusatzliche Gleichstromquelle zur Speisung der Spule 8 gemäß Fig. 3, und eine Änderung der Charakteristik
wird durch eine Änderung der Lage des Magneten 9 in bezug auf die dünne Schicht 2 erzielt.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung
gemäß der Erfindung, in der zwischen der isolierenden 1 und der ferromagnetischen Schicht 2 eine dünne
!eilende Schicht 10 angeordnet ist. die die Einwirkung der Magnetisierungspule 5 ersetzt. Bei dieser Ausführung
wird der durch den Steuerstrom h multiplizierte Strom Im durch die leitende Schicht 10 durchgelassen,
und das um diese entstandene Magnetfeld ändert die Lage des Magnetisierung^ ektors / in der ferromagnetischen
Schicht 2. Durch das Ersetzen der Magnetisicrungsspule 5 durch die dünne leitende Schicht 10 können
die Abmessungen der Einrichtung beträchtlich verringert werden, und ihre Herstellung vereinfacht sich
ebenfalls. Diese Ausführungsform ist zur Korrelation ihrer Charakteristik oder Änderung des Meßbereichs
mii einer Zusatzspule 8 oder einem Dauermagneten 9 ausgestattet.
Mit Hilfe der beschriebenen E'inriehtungen können sowohl Wechselspannungen und -ströme als auch
Gleichspannungen und -ströme multipliziert werden. Der Multiplikationseffekt tritt auch dann auf, wenn eine
der Multiplikation unterliegenden Größen konstant und die andere veränderlich ist.
Die Multiplikationseinriehiung für zwei elektrische Größen gemäß der Erfindung weist gute metrologische
Eigenschaften auf. Sie ermöglicht die Multiplikation zweier elektrischer Größen mit kleinen Werten, wobei
der Einfluß von Störfaktoren auf das Multiplikationsergebnis geringfügig ist. Die Einrichtung hat sehr kleine
Abmessungen, wodurch ihr Verwendungsbereich groß ist..
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Multiplikaiionseiniichmng für zwei elektrische
Größen, die eine dünne ferromagnetische Schicht mit einer vorzugsweise einachsigen, magnetischen
Anisotropie in einer Ebene aufweist und unter Ausnutzung des Magneioresistan/elfektes in der
dünnen ferromagnetischen Schicht arbeitet, welche induktiv an eine Magnetspule gekoppelt ist.
dadurch gekennzeichnet, daß an der ein-
oder mehrfachen ferromagnetischen Schicht (2) vier Elektroden (3, 4) vorgesehen sind, von welchen ein
Elektrodenpaar der einander gegenüberliegenden Elektroden (3) in Richtung einer leichten Magnetisierungsachse
(L) und das zweite Paar der einander gegenüberliegenden Elektroden (4) senkrecht zu
dieser leichten Magnetisierungsachse (L) angeordnet ist. und daß ein Magnetfeld (H), das mittels eines
durch die Spule (5) fließenden und der Multiplikation unterliegenden Gleichstroms oder Wechselstroms
(Im)erzeugt wird, eine zur leichten Magnetisierungsachse (L) senkrechte Richtung aufweist, wobei der
durch die Spule (5) fließende Strom (Im) mit dem dem zweiten Elektrodenpaar (4) zugeführten Wechseloder
Gleichstrom multipliziert wird, und von dem ersten Elektrodenpaar (3) ein Signal entnommen
wird, das das Produkt der beiden Größen bildet.
2. Multiplikationseinrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die dünne ferromagnetische
Schicht (2) mit den Elektrodenpaaren (3 und 4), die auf einem Isolierkörper (1) angebracht sind,
sowie die Magnelisierungsspule (5) je nach Bedarf im Wirkungsbereich eines mittels einer zusätzlichen
Magnetisierungsspule (8) oder eines Dauermagneten (9) erzeugten Magnetfeldes angeordnet sind,
wobei die zusätzliche Spule (8) oder der Dauermagnet (9) bezüglich der Schicht (2) so angeordnet sind,
daß das Magnetfeld eine in der Ebene dieser Schicht (2) liegende Komponente besitzt.
3. Multiplikationseinrichlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Isolierkörper (1) und der mit zwei Elektrodenpaarcn (3 und 4) versehenen, dünnen, ferromagnetischen
Schicht (2) eine dünne leitende Schicht (10) mit einem Paar Elektroden angeordnet ist, durch die der
der Multiplikation unterliegende Magnetisierungsslrom
(Vm^zugeführt wird.
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