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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 andert, 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 unterschiedlichen 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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Aus der
US 5 818 225 A ist eine Sensorvorrichtung bekannt, die eine Temperaturkompensationsschaltung zum Kompensieren von Temperaturänderungen, die die Empfindlichkeit des Sensors beeinträchtigen, aufweist.
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Aus der
DE 10 2006 045 141 B3 ist eine Magnetfeldsensorvorrichtung bekannt, die zwei Magnetfeldsensoren und zwei Temperatursensoren aufweist, wobei eine aufgrund eines Temperaturunterschieds auftretende Störgröße auf in einer Auswertungseinrichtung basierend auf den erfassten Temperaturen rechnerisch kompensiert wird.
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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 Anspruche 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 binar 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 GMR-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 Strome I1, I2, I3. Ein Widerstand kann abgeglichen 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 beschrankt: 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.