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Magnetoresistive
Sensoren ändern
ihren Widerstand in Bezug auf ein Magnetfeld. Bei GMR-Sensoren (giant
magnetoresistive sensors; magnetoresistive Giant-Sensoren), die
auf einem Chip gebildet sind, beträgt die Widerstandsspanne ungefähr 10%. Anders
ausgedrückt,
wenn das Magnetfeld senkrecht zu dem GMR-Widerstandsweg in der Ebene des Chips
gerichtet ist, steigt der Widerstandswert um 5% im Vergleich zu
dem Widerstand in dem Nullfeld. Wenn das Magnetfeld seine Polarität ändert, fällt der Widerstandswert
um 5% im Vergleich zu dem Referenzwert in dem Nullfeld. Für Magnetfelder,
die nicht zu groß sind,
kann die Widerstandsänderung
ungefähr
linear proportional zu dem Magnetfeld sein, das auf den Chip wirkt.
Die Konstante oder Steigung der Proportionalität wird als die Magnetempfindlichkeit bezeichnet.
Die Magnetempfindlichkeit kann von der Temperatur abhängig sein.
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Andererseits
steigt der Widerstandswert auch einfach durch Erhöhen der
Temperatur: ungefähr
0,1%/°C.
Einige Differenz-GMR-Sensor-ICs (ICs;
integrated circuits = integrierte Schaltungen) enthalten zumindest
zwei GMR-Widerstände
in einer Distanz von ungefähr
2,5 mm auf einem Chip. Die IC bewertet die Differenz der Felder
an beiden Positionen. Als Ergebnis kann der Sensor unempfindlich
für ein
homogenes Hintergrundfeld werden, wenn sich die Geräuschimmunität des Sensors
erhöht.
Typische Anwendungen dieser Art von Sensoren umfassen so genannte
Geschwindigkeits-GMR-Sensoren, um die Winkelgeschwindigkeit eines
Rades für
ABS (Antiblockiersystem) oder eine Kurbelwelle oder Noppenwelle
zur Motorsteuerung zu erfassen.
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Aufgrund
der großen
Trennung zwischen den zwei GMR-Widerständen, die
als Widerstandsstreifen bezeichnet werden, ist es möglich, dass
die zwei Streifen bei etwas unterschied lichen Temperaturen vorliegen.
Der Grund dafür
kann eine nichthomogene Temperaturverteilung außerhalb des Sensors sein. Ein
Temperaturgradient kann durch den Sensor selbst erzeugt werden.
Dissipative Verluste einer Ausgangsstufe erzeugen Wärmewellen,
die die zwei GMRs mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen und unterschiedlichen
Intensitäten
beeinflussen können.
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Aufgrund
eines solchen Temperaturgradienten entsteht ein Versatzfehler, d.
h. die zwei Widerstandsstreifen weisen aufgrund der Temperaturdifferenz
unterschiedliche Widerstände
auf, sogar wenn kein Magnetfeld vorhanden ist. Wenn die Temperaturdifferenz
z. B. 0,1°C
beträgt,
unterscheiden sich die GMR-Widerstände um 0,01%. Da die magnetische
Empfindlichkeit ungefähr
1%/mT ist, wird das Magnetfeld um 10 μT geändert. Während dies wenig klingen kann,
ist die Differenz zu groß,
wenn berücksichtigt
wird, dass ein solcher Sensor üblicherweise eine
Jitter-Anforderung von 1 μT
aufweist.
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Bei
einigen Sensoren kann eine H-Brücke, die
mit Leistung von einer Leistungsquelle versorgt wird, verwendet
werden. Es werden Versuche durchgeführt, die dominanten Wärmequellen
auf dem Chip derart anzuordnen, dass die GMR-Widerstandsstreifen
an denselben Isothermen angeordnet sind. Dies kann jedoch nur mit
einer moderaten Menge an Präzision
ausgeführt
werden, da umfassende Simulationen erforderlich wären, und
sogar dann wäre
nicht in genug Raum auf dem Chip vorhanden, um alle Komponenten
an idealen Orten zu platzieren. Sogar bei einem symmetrischen Layout
und einer symmetrischen Verteilung von Wärmequellen auf dem Chip tritt
eine asymmetrische Temperaturverteilung auf dem Chip auf, da der
Leitungsrahmen häufig
asymmetrisch ist und der Massestift beispielsweise möglicherweise
nicht in der Symmetrielinie für
4-Stift-Pakete liegt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, einen
Sensor und ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 17 und 21, einen
Sensor gemäß Anspruch
9 und 15 und ein Verfahren gemäß Anspruch
16 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Schaltungsdiagramm einer Temperaturkompensationsschaltung gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
und
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2 ein
Schaltungsdiagramm einer alternativen Temperaturkompensationsschaltung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
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In
der nachfolgenden Beschreibung wird Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
genommen, die einen Teil derselben bilden und in denen auf darstellende
Weise spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt
sind, die ausgeführt
werden können.
Diese Ausführungsbeispiele
sind ausreichend detailliert beschrieben, um es Fachleuten auf dem
Gebiet zu ermöglichen,
die Erfindung auszuführen,
und es wird darauf hingewiesen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden
können,
und dass strukturelle, logische und elektrische Änderungen ausgeführt werden
können,
ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen soll daher
nicht in einem einschränkenden
Sinn verstanden werden, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
ist durch die anhängigen
Ansprüche
definiert.
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Ein
Differenztemperatursensor kann bei einem Dual-Widerstand-Streifen-GMR verwendet
werden. Der Temperatursensor erfasst eine Temperaturdifferenz zwischen
den zwei GMR-Widerstandsstreifen.
Eine Vorspannungsschaltung macht die Leistungsversorgung der zwei
GMR-Widerstandsstreifen geeignet asymmetrisch als eine Funktion
einer Temperaturdifferenz, was eine einfache Korrekturberechnung
des GMR-Differenzsignals ermöglicht.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
weist eine Vorrichtung oder Schaltung 100 in 1 die
folgenden Komponenten und Funktionen auf. Zwei GMR-Widerstände, R1
bei 105 und R2 bei 110, sind an Positionen vorgesehen,
die bei 115 und 120 angezeigt sind, wo Temperaturen
T1 und T2 und Magnetfelder B1 und B2 vorhanden sind. Temperatursensoren 125 und 130 sind
thermisch in der Nähe
der GMR-Widerstände
R1 105 und R2 110 angeordnet, so dass die Sensoren 125 und 130 im
Wesentlichen dieselbe Temperatur aufweisen wie die entsprechenden
GMR-Widerstände.
Dem Widerstand R1 105 wird ein Anregungssignal zugeführt, wie
z. B. ein Strom I1 bei 135, und dem Widerstand R2 110 wird ein
Strom I2 bei 140 zugeführt.
Bei einem Ausführungsbeispiel
wird der Strom I2 im Hinblick auf Temperaturdifferenzen kompensiert,
wie sie durch Temperatursensoren 125 und 130 erfasst
werden. Eine bessere Kompensation wird erreicht, wenn die Temperatursensoren 125 und 130 annähernd gleich
oder gleich derselben Temperatur sind wie die entsprechenden GMR-Widerstände 105 und 110.
Es kann trotzdem eine gewisse Kompensation bei Temperaturdifferenzen
zwischen den Temperatursensoren 125 und 130 und
entsprechenden GMR-Widerständen 105 und 110 auftreten,
vorausgesetzt die Temperaturen sind gewissermaßen mit den GMR-Widerstandstemperaturen
korreliert.
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Spannungen
U1 bei 132 und U2 bei 133 resultieren über die
entsprechenden GMR-Widerstände 105 und 110.
Die Differenzspannung U1 – U2
sollte darstellend für
die Differenz bei der Magnetfeldstärke B1–B2 sein, unabhängig von
T1–T2
und (B1 + B2)/2.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel ändern sich die
Werte der GMR-Widerstände R1 105 und
R2 110 (Sensoren) mit der Magnetfeldstärke: R1
= R0·(1
+ TCR1·(T1 – T0))·(1 + S0·(1 + TCS1·(T1 – T0))·B1) R2 = R0·(1
+ TCR1·(T2 – T0))·(1 + S0·(1 + TCS1·(T2 – T0))·B2)wobei
angenommen sei, dass keine Fehlübereinstimmung
zwischen den zwei Sensoren R1 105 und R2 110 vorliegt,
so dass beide denselben Widerstand bei einer Referenztemperatur
R0 und in dem Nullfeld (= R0) aufweisen und denselben Temperaturkoeffizienten
für Widerstand
(TCR; temperature coefficient for resistance) und Temperaturkoeffizienten
der Magnetempfindlichkeit (TCS; temperature coefficient of magnetic
sensitivity).
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Wenn
eine Fehlübereinstimmung
des Widerstands vorliegt, kann dieser einmal bei einem Anfangstest
ausgeglichen werden. Wenn eine Fehlübereinstimmung bei dem TCR
oder TCS vorliegt, führt
dies leider zu einem Fehler höherer
Ordnung. Trotz dieser Einschränkung
sollte eine Jitterverbesserung von ungefähr einer Größenordnung unter Verwendung
verschiedener beschriebener Ausführungsbeispiele
erreichbar sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel, TCR1 = ca. 0,1%/°C,S0 = ungefähr 1%/mT
(Magnetempfindlichkeit des GMR-Widerstands
bei einer Referenztemperatur T0), und TCS1 =
ca. –0,01%/°C
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Für die Spannungen: U1 = I1·R1 U2 = I2·R2
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Es
sei angenommen, dass B1 = B2 = 0. Dann, U1 = U2, d. h. I2/I1 = R1/R2
= (1 + TCR·(T1 – T0))/(1
+ TCR·(T2 – T0)) =
1 + TCR·(T1 – T2) für kleine
Temperaturdifferenzen T1 – T2.
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In
Betrieb prägt
die Schaltung 100 einen Strom I1 135 auf den ersten
GMR-Widerstand 105 und einen Strom I2 140 auf
den zweiten GMR-Widerstand 110 auf, wobei I2 um TCR1·(T1 – T2)·100% größer ist
als I1. Der Strom I2 wird geliefert durch Subtrahieren der Temperaturen
an dem Summierer 145 und Multiplizieren des Ergebnisses
mit TCR1 bei 150, dann Addieren des resultierenden Stroms
mit I1 135 an dem Übergang 155.
Der Strom I1 135 wird durch eine Stromquelle 160 und
Stromspiegel bei 165, 170 und 175 geliefert.
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Wenn
angenommen wird, dass B1 = B2 = B, folgt gemäß der beschriebenen Leistungszuführung, dass U1 = I1·R0(1
+ TCR1·(T1 – T0))·(1 + S0·(1 + TCS1·(T1 – T0))·B) U2 = I1·(1
+ TCR1·(T1 – T2))·R0·(1 + TCR1·(T2 – T0))·(1 + S0·(1 + TCS1·(T2 – T0))·B)
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Somit,
wenn Störungen
höherer
Ordnung vernachlässigt
werden, folgt daraus, dass (U2 – U1)/(I1·R0) =
=
TCR1·(T1 – T2) +
TCR1(T2 – T0)
+ S0·(1
+ TCS1·(T2 – T0))·B – TCR1·(T1 – T0) – S0·(1 + TCS1·(T1 – T0))·B =
=
S0·TCS1·(T2 – T1)·B
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Somit
tritt eine Durchführung
(Einstreuung) des homogenen Hintergrundfeldes in das Differenzsignal
auf. Diese Durchführung
ist jedoch von höherer (zweiter)
Ordnung: TCS1·(T2 – T1).
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Die
Schaltung 100 liefert eine einfache Implementierung der
obigen Schaltungsfunktionen. Schaltung 100 liefert einen
Differenztemperatursensor und dann einen Stromspiegel, der dem Strom
I2 einen geringen Korrekturfaktor als eine Funktion der Differenztemperatur
auferlegt. Jeweilige Temperatursensoren T1 125, T2 130 sind
in der Nähe
der GMR-Widerstände
R1 105, R2 110 angeordnet, so dass die Sensoren
T1 125 und T2 130 die wahre Temperatur der entsprechenden
GMR-Widerstände 105 und 110 erfassen.
In Betrieb wird die Differenz der Temperaturen T1 – T2 bei 145 berechnet,
mit I1 und TCR1 bei 150 multipliziert und zu I1 bei 155 addiert,
um I2 zu ergeben. Die Spannungen U1 und U2 können voneinander abgezogen
werden und als Ausgangssignal dienen.
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Alternativ
kann die Multiplikation rein durch Berechnung in dem digitalen Bereich
der IC ausgeführt
werden. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können die
Signale U1 und U2 separat vorverstärkt werden. Dies kann zu mehr
Rauschen führen
als bei bekannten Schaltungen, die die Differenz der zwei Signale
verstärken.
In dem letzteren Fall wird die Korrektur der Ströme in dem analogen Bereich
ausgeführt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann der Differenztemperatursensor ein System mit einem digitalen
Ausgang sein, das die Multiplikation vorteilhafter steuern kann.
Zum Beispiel können
anstelle eines PMOS-Stromspiegels 170 mehrere binär gerichtete
Stromspiegel verwendet werden und mit dem Summierknoten 155 gemäß dem digitalen
Ausgangscode des Temperatursensors verbunden sein.
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Vorausgesetzt,
dass TCR1·(T1 – T2) relativ klein
ist, kann eine unterschiedliche Selbsterwärmung der zwei GMR- Widerstände aufgrund
der unterschiedlichen Ströme
vernachlässigt
werden.
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Eine
alternative Schaltung ist bei 200 in 2 dargestellt.
GMR-Widerstände 205, 210 sind bei
Temperaturen T1 bei 212 und T2 bei 214 dargestellt
und werden durch auf Temperatur ansprechende Anregungssignale mit
Leistung versorgt, wie z. B. einen ersten Strom von einer ersten
Stromquelle 215, die bei 220 gespiegelt ist, um
einen im Wesentlichen identischen Strom I1 bei einem Ausführungsbeispiel für beide
GMRs zu liefern. Der Temperatureffekt der Schaltung 200 sollte
Idealerweise abhängig
sein von (T1 + T2)/2, d. h. die entsprechende Schaltung 200 sollte
bei dem Layout ungefähr
in der Mitte zwischen den zwei GMR-Widerstandsstreifen 205 und 210 positioniert
sein (unter Annahme, dass der Temperaturgradient zwischen den zwei
GMRs linear ist).
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Zusätzlich dazu
liefert eine zweite Anregung oder Stromquelle 225 I2 (=
Hilfsstrom) mit einem Temperatureffekt, der von T2 abhängig ist.
Die Stromquelle 225 ist thermisch in der Nähe des GMR-Widerstands 210 positioniert,
so dass die Stromquelle 225 im Wesentlichen bei derselben
Temperatur ist wie der GMR-Widerstand 210.
I2 wird bei 230 gespiegelt und zu dem Strom durch den GMR-Widerstand 205 addiert.
Auf ähnliche
Weise erzeugt eine dritte Stromquelle 235 einen Strom I3
mit einem Temperatureffekt von T1. Die Stromquelle 235 ist
thermisch in der Nähe
des GMR-Widerstands 205 positioniert, so dass die Stromquelle 235 im
Wesentlichen dieselbe Temperatur hat wie der GMR-Widerstand 205.
I3 wird an dem Stromspiegel 240 gespiegelt und zu dem Strom
durch den GMR-Widerstand 210 addiert. Wird angenommen,
dass der Temperatureffekt des zweiten und dritten Stroms positiv
ist und dass T2 > T1,
dann ist der Strom durch den GMR-Widerstand 205 etwas größer als
der durch den GMR-Widerstand 210, da der Hilfsstrom durch den
GMR-Widerstand 205 von T2 abhängt und somit größer ist.
Da der Nullfeldwiderstand des GMR-Widerstands 205 aufgrund
seiner geringeren Temperatur kleiner ist, kann eine geeignete Abstimmung
die Nullfeldspannungen an dem GMR-Widerstand 205 und dem
GMR-Widerstand 210 im Wesentlichen identisch machen.
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Alternativ
könnte
auch verursacht werden, dass der Temperatureffekt des Hilfsstroms
negativ wird, und der Hilfsstrom, der bei T2 resultiert, müsste dann
von dem Hauptstrom subtrahiert werden, durch den GMR-Widerstand 205 (anstelle
einer Addition), auf dieselbe Weise wie der Hilfsstrom, der bei
T1 resultiert, von dem Hauptstrom durch den GMR-Widerstand 210 subtrahiert
wird. Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die erste, zweite und dritte Anregungsquelle selektiv mit den
GMR-Widerständen 205, 210 (Sensoren)
gekoppelt, um einen Korrekturfaktor für einen Temperaturgradienten über die
GMR-Widerstände 205, 210 zu
liefern.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel, wenn
die Stromquellen 225, 235 negative Temperaturkoeffizienten
aufweisen, ist es ferner möglich,
I2 zu I1 an dem GMR-Widerstand 210 zu addieren (und ferner
I3 zu I1 an dem GMR-Widerstand 205 zu addieren). Bei einem
wiederum weiteren Ausführungsbeispiel
werden Ströme
mit positiven Temperaturkoeffizienten verwendet. Bei einem Ausführungsbeispiel
werden PTAT-Stromquellen verwendet, da die Schaltung zum Erzeugen
von PTATs einfacher, kleiner und robuster sein kann (z. B. gegen
Prozessausbreitung).
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Der
erste Strom ist als I1 dargestellt und der zweite Strom als I2·(1 + TCI1·(T2 – T0)) und
der dritte Strom I2·(1
+ TCI1·(T1 – T0)) – anders
ausgedrückt sind
für T1
= T2 der zweite und dritte Storm identisch – der Versatz bei T2 < > T1 verschwindet unter
der folgenden Bedingung: (I1 + I2·(1 + TCI1·(T2 – T0)))·R0·(1 + TCR1·(T1 – T0)) =
(I1 + I2·(1·TCI1·(T1 – T0)))·R0·(1 + TCR1· (T2 – T0)))
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Woraufhin: I2/I1 = TCR1/(TCI1 – TCR1)
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Falls
ferner angenommen wird, dass TCI1 ein PTAT-Strom ist, der mit einem
Widerstand mit Temperaturkoeffizienten TCR1 erzeugt wird – d. h.: TCI1
= 0,33%/°C – TCR1 – folgt,
dass: I2/I1 = TCR1/(0,33%/°C – 2·TCR1)
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Für TCR1 =
0,001 folgt schließlich,
dass I2/I1 = 0,75.
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Anders
ausgedrückt
sollte der Hilfsstrom bei einem Ausführungsbeispiel ungefähr 75% des
ersten Stroms sein, um diese Temperaturkompensation zu erreichen.
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Da
die Kompensation am besten funktioniert, wenn das Verhältnis der
Ströme
präzise
beibehalten wird, sollte der Hauptstrom I1 denselben Temperaturkoeffizienten
aufweisen wie die Hilfsströme,
so dass eine perfekte Kompensation auftritt, ansonsten kann nur
eine gute Kompensation in der Nähe
eines beliebig gewählten
Temperaturpunkts erwartet werden. Die Temperaturkoeffizienten der
Ströme
müssen
jedoch nicht notwendigerweise einen PTAT-Charakter aufweisen.
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Die
Stromquellen 235 und 225 sind bei einem Ausführungsbeispiel
in engem thermischem Kontakt mit den GMRs 205 bzw. 210,
und diese GMRs sind in einer relativ großen Distanz zueinander. Die
Distanz ist bei einem Ausführungsbeispiel ungefähr zumindest
2,5 mm, was typisch für
eine reine Geschwindigkeitserfassung ist. Für eine Richtungserfassung jedoch
kann ein dritter GR-Streifen in der Mitte eines Chips hinzugefügt werden,
und somit ist die Distanz von links zu der Mitte des GMR nur 1,25
mm. Aufgrund einer so großen
Distanz in Kombination mit Prozessgradienten über einen Halbleiterwafer stimmen
die zwei Stromquellen nicht gut überein.
Bei einem Ausführungsbeispiel
können
die Stromquellen abgeglichen werden, entweder durch Abgleichwiderstände 205, 210 oder
durch Abgleichen der Ströme
I1, I2, I3. Ein Widerstand kann abgegli chen werden durch eine Reihenverbindung
von mehreren kleinen Abgleichwiderständen und Schaltern, die den
Eingangsstrom oder das Ausgangssignal abgreifen. Die Ströme können ohne
weiteres abgeglichen werden durch Hinzufügen von kleinen PMOS-Transistoren
zu den Haupttransistoren an dem Eingang oder Ausgang des Stromspiegels,
wo die kleinen Transistoren gemäß einem
Abgleichcode ein- oder ausgeschaltet werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
können
temperaturabhängige
Stromquellen als Temperatursensoren betrachtet werden, da sie ein
Ausgangssignal (Strom) liefern, das eine eindeutige Funktion der Temperatur
ist, die auf dieselben wirkt. Ausführungsbeispiele, bei denen
das Ausgangssignal nicht eindeutig ist, wie in dem Fall von Strömen, die
ein Maximum bei einer Temperatur innerhalb des Betriebstemperaturbereichs
aufweisen und über
diese Temperatur hinaus abfallen, würde die Kompensation trotzdem
in dem Fall funktionieren, in dem die Temperaturabhängigkeit
von den GMR-Widerständen dasselbe
Verhalten bei der gleichen Temperatur zeigt.
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Dieses
Prinzip kann zusätzlich
zu GMR-Sensoren auch an Hall-Sensoren
und andere Differenzsensoren angewendet werden, wo die Differenz
von zwei Sensorsignalen berechnet wird und beide individuellen Sensoren
weit voneinander entfernt positioniert sind (und somit die Gefahr
besteht, dass die individuellen Sensoren bei unterschiedlichen Temperaturen
vorliegen). Für
einige Sensoren können
die Anregungssignale durch Spannungsquellen oder Lichtquellen im
Gegensatz zu Stromquellen geliefert werden. Andere solche Sensoren
können
Folgende umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: XMR, CMR,
Tunnel-MR, TMR, AMR und zusätzlich
zu resistiven Implementierungen solcher Sensoren können sie
ferner FET, Diode, Bipolartransistoren oder, allgemeiner, PN-Übergänge umfassen.
Auf Optik basierende Sensoren können
ebenfalls verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel können ohne weiteres
TMR-Sensoren anstelle
von GMR-Sensoren verwendet werden. Von einem Schaltungsstandpunkt
aus sind TMR- und GMR-Sensoren gleich. Sowohl TMR- als auch GMR-Sensoren
sind Widerstände,
die von dem Magnetfeld in der Ebene des Chips abhängig sind.
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Die
Zusammenfassung soll 37 C. F. R. § 1.72(b) entsprechen, um dem
Leser zu ermöglichen, schnell
das Wesen und den Bereich der technischen Offenbarung zu erfassen.
Die Zusammenfassung wird mit dem Verständnis übermittelt, dass sie nicht verwendet
wird, um den Schutzbereich oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren
oder einzuschränken.