用于霍尔传感器的信号处理电路以及信号处理方法

技术领域

本申请涉及用于霍尔传感器的信号处理电路和信号处理方法、以及具有这样的霍尔传感器和信号处理电路的磁场传感器装置。

背景技术

用于测量磁场的磁场传感器装置用于多种应用中，例如用于探测运动。在这样的应用中，元件的运动引起磁场的变化，磁场的变化然后由磁场传感器装置检测。

用于这样的磁场传感器装置中的磁场传感器的类型是霍尔传感器。霍尔传感器在一些实施方案中具有四个连接端，其中在两个连接端上施加偏置电流，并且在另外两个连接端上量取霍尔电压，该霍尔电压的大小与垂直于霍尔传感器的平面的磁场分量有关。

为了减小偏移，这样的霍尔传感器在一些实施方案中以所谓的旋转电流技术运行。在该技术中，用于施加偏置电流和用于量取霍尔电压的连接端在不同的运行相中变换，并且然后通过在不同运行相中量取的电压的组合可以计算出偏移，从而减小偏移。在此，使用两相旋转方案和四相旋转方案，其中四相旋转方案通常提供对偏移的较好的减小。在对应于相变换的频率下，这样的技术经常与斩波(Choppen)组合。

在此滤波是必要的，以便消除或至少减小输出信号中的具有旋转电流的频率(即，运行相变换的频率)的纹波。

对此的常规技术是使用两相反馈回路，然而在例如超过250kHz的高频率下，这可能是不足的。

在对于这样高频率的常规解决方案中，在与霍尔传感器耦合的信号路径中使用并联的陷波滤波器级。在该解决方案中，如果磁场快速变化并且因此信号路径的输入信号具有阶跃(Stufe)，则可能会在输出信号中出现采样效应。

发明内容

提供了根据本发明的信号处理电路以及根据本发明的方法。从属权利要求限定另外的实施形式。

根据一个实施例，提供了一种信号处理电路，该信号处理电路包括：

组合器，用于接收四相旋转电流霍尔传感器的输出信号和校正信号，并且该组合器用于将输出信号和校正信号组合为经校正的信号；

主信号路径，被设置为接收经校正的信号并且输出输出信号；

第二信号路径，从主信号路径内的节点分支出来，并且该第二信号路径被设置为提供第一反馈信号，其中第二信号路径具有比主信号路径小的信号传播时间；以及

处理设备，被设置为：基于第一反馈信号和作为第二反馈信号的输出信号，来产生用于降低输出信号中的纹波的校正信号。

根据另一实施例，提供了一种用于信号处理的方法，该方法包括：

提供来自主信号路径的输出端的第二反馈信号，该主信号路径与四相旋转电流霍尔传感器耦合；

提供第一反馈信号，该第一反馈信号从主信号路径内的节点导出，其中与第二反馈信号相比，以较小的信号传播时间提供第一反馈信号；以及

基于第一反馈信号和第二反馈信号来产生用于霍尔传感器的输出信号的校正信号。

以上发明内容仅用作对于一些实施形式的简短概览并且不应当解读为限制性的。

附图说明

图1示出了根据一个实施例的磁场传感器装置的框图。

图2A和图2B示出了用于说明旋转电流技术的简图。

图3示出了根据一个实施例的磁场传感器装置的框图。

图4示出了图3的磁场传感器装置中的示例信号。

图5示出了根据一个实施例的磁场传感器装置的电路图。

图6示出了用于说明根据一些实施例的方法的流程图。

图7示出了用于说明如在一些实施例中采用的多路复用的简图。

具体实施方式

在下文中，参照附图详细地说明不同的实施例。这些实施例仅用于说明，而不应当解读为限制性的。因此，可以在其他实施例中删除所示出的特征(部件、元件、过程等)中的一些特征，和/或通过备选的特征或部件来代替所示出的特征中的一些特征。除了明确示出和描述的特征之外，还可以提供另外的特征，例如，常规地在磁场传感器装置中使用的特征。

除非另有说明，否则不同实施例的特征可以相互组合。例如，一些变型、改型和备选方案仅关于一个实施例进行描述，以避免重复，但是还可以用于其他实施例。

除非另有说明，否则在下文中描述的连接或耦合涉及电气连接或耦合。这样的电气连接或耦合可以被修改，例如通过提供附加的元件或通过删除元件，只要电气连接或耦合的基本功能(例如，传输信号、传输信息、提供电压或提供电流)未被显著改变。

图1示出根据一个实施例的磁场传感器装置，该磁场传感器装置包含根据一个实施例的信号处理电路。

作为磁场传感器，图1的磁场传感器装置具有霍尔传感器10。如已经在说明书的开始简短提及的并且如还将在下文中参照图2A和图2B进一步说明的，在具有四相旋转电流技术的实施方案中，霍尔传感器10以旋转电流技术运行。为此使用的电路部件(诸如用于可选择地施加偏置电流到不同连接端的开关、相应的电流源或电压源、以及用于在不同连接端上可选择地量取霍尔电压的开关)可以通过任何常规方式实现，并且因此不再明确示出。

霍尔传感器10的输出信号so(即，所量取的霍尔电压或由此导出的信号)被提供到加法器11的第一输入端。在加法器11的第二输入端上供给校正信号c，该校正信号c的产生在下文中进一步描述，并且该校正信号c用于滤除(即，用于消除或至少减小)纹波(也经常称为“Ripples”)。术语“加法器”在此应当理解为如下的元件，该元件组合两个信号，并且(取决于所使用的符号约定)例如还可以将信号相减，并且通常还可以称为组合器。

加法器11的以这种方式校正的输出信号k被提供到主信号路径，该主信号路径具有第一放大器级12，紧接着是第二放大器级13。在第二放大器级13的输出端上可以量取输出信号o。应当注意的是，如通过在放大器12与13之间的虚线所标明的，主信号路径也还可以具有另外的位于其间的元件。而且，放大器级12和13仅用作在信号路径中可能的元件的示例，如将在下文中根据示例所说明的，其他部件也是可能的。

为了形成校正信号c，在放大器12与放大器13之间量取主信号路径内的第一反馈信号fb1，并且在主信号路径的输出端上量取对应于输出信号o的第二反馈信号fb2。第一反馈信号fb1和第二反馈信号fb2被提供到处理部14。处理部14可以包括数字处理部，针对该数字处理部将反馈信号fb1、fb2数字化。数字化可以借助于跟随和保持电路(Track-and-Hold)或者采样保持电路(Sample-and-Hold)——其后是模数转换器——来实现，其中在此借助于多路复用器还可以将单个这样的电路用于两个反馈信号fb1、fb2。对此的示例随后进一步说明。作为数模转换器可以使用1比特数模转换器。这样的数字处理可以借助于任何如下的部件实现，这样的部件实现信号fb1、fb2的模数转换、对以这种方式转换的信号的数字处理以及对结果的数模转换，以便形成校正信号c。例如，可以使用1比特或多比特模数转换器和数模转换器、信号处理器、逻辑电路、计数器、通用处理器等。

在四相旋转电流技术中，第一反馈信号fb1可以由两个连续的相组合，而第二反馈信号fb2通过所有四个相组合，以便形成校正信号c。

因为反馈信号fb1在主信号路径内被量取，所以在此，与对于信号fb2而言相比较快速的反馈是可能的，在一些实施例中、特别是在高频下，与在来自主信号路径的输出的简单反馈的情况相比，这可以较好地减小纹波。通过数字处理可以实现简单的实施方案。因此，可以根据借助于1比特转换数字化的反馈信号fb1、fb2通过对校正信号的简单的增加和减小来进行数字处理。对此的示例同样在之后进一步说明。然后，可以通过数模转换在处理部14的输出端上产生校正信号c。

在根据图3至图5进一步说明具有两个反馈信号和数字处理的、参照图1所说明的方法之前，现在参照图2A和图2B进一步说明旋转电流技术，如其在不同的实施例中被使用的。

在此，图2A示出两相旋转电流技术，而图2B示出四相旋转电流技术。

应当注意的是，在图2中示出的信号以及在另外的附图中示出的信号仅用于说明，并且实际的信号曲线可以与具体的实施方案和由霍尔传感器测量的、所施加磁场有关。

在图2A中示意地示出处于两相的霍尔传感器20并且以附图标记20A或20B表示，其中各相也以PH1和PH2表示。霍尔传感器在此示出为正方形，其中在对置的正方形的两个角上施加第一电流，并且在另外两个对置的角上量取霍尔电压。针对霍尔传感器20A、20B的虚线箭头示出在两个相PH1、PH2中偏置电流的方向。

曲线21示出所产生的信号的示例，并且曲线22示出偏移。如在曲线23中所示，通过处理信号C可以实现信号的平滑化，以便消除纹波，而如通过曲线24表示的偏移保持很小。

图2B示出四相旋转电流技术。在此，利用附图标记25A至25D表示处于四相PH1至PH4的霍尔传感器，其中虚线箭头再次指示偏置电流的方向。在图2A中沿两个相互垂直的方向施加偏置电流，而在图2B中还针对每个方向(在图2A和图2B中垂直和水平地示出)以两个不同的极性施加偏置电流，这总体上产生四个相。

所产生的信号示出在曲线26中，其中在此，如通过曲线27所示的偏移相比于图2A的曲线22大幅减小。在此，如通过曲线28所示，通过校正信号c可以实现信号的平滑化(即，消除或至少减小纹波)，而如通过曲线29所示的偏移保持很小。

如果相25A、25B、25C或25D中的霍尔电压以V1、V2、V3以及V4表示，通过磁场引起的霍尔电压V

VHall＝V1-Vos1-Vos3 (1)

VHall＝V2+Vos1-Vos3 (2)

VHall＝V3-Vos2+Vos3 (3)

VHall＝V4+Vos2+Vos3 (4)

在此，Vos1、Vos2是在相应的两个连续的相的两个相反方向上由不同的电阻引起的偏移，而Vos3是由传感器的各向异性(在相25A、25C中的不同特性或在相25B、25D中的不同特性)引起的部分。

偏移Vos1至Vos3可以由如下等式计算：

Vos1＝(V1-V2)/2 (5)

Vos2＝(V3-V4)/2 (6)

Vos3＝(V1+V2-V3-V4)/4 (7)

可以看出，然后可以借助于等式1至4从电压V1至V4中的每个电压中确定真实的霍尔电压VHall以及所测量的磁场，而不受偏移Vos1至Vos3的影响。

在实施例中，较缓慢的反馈信号fb2用于计算偏移Vos3，而反馈信号fb1用于计算偏移Vos1和Vos2。

通过根据等式1至4在每个相中组合偏移，然后可以确定校正信号c。

图3示出根据另一实施例的具有信号处理电路的磁场传感器装置的框图。

图3的实施例包括具有连接在下游的信号处理电路的霍尔传感器30。如已经针对图1的霍尔传感器10所描述的，霍尔传感器30以旋转电流方案运行，在图3的实施例中以四相旋转电流方案运行。

霍尔传感器30输出霍尔电压so到加法器314，该加法器314对应于图1的加法器11。

加法器314还接收校正信号c，并且将该校正信号c与信号so组合为经校正的信号k。在图3的示例中，信号so、c和k分别是电压信号。虽然各个信号以单个箭头表示，但是这些信号还可以是差分信号。因此，信号so可以是如参照图2说明的那样在霍尔传感器30的两个对置的点(例如，角)上量取的差分霍尔信号。

信号被提供到主信号路径31，该主信号路径31然后输出对应于图1的信号o的输出信号o。主信号路径o包括：电压/电流(V/I)转换器32；一个或多个处理设备33，这些处理设备33工作在电流域中，即，利用由电流/电压转换器32使用的电流信号；以及电流/电压转换器34，该电流/电压转换器34将由处理设备33输出的电流信号转换为电压信号o。

在一个实施例中，电压/电流转换器32可以包括例如一个或多个跨导放大器。电压/电流转换器32具有信号传播时间(Signallaufzeit)t

但是，部件32、33和34仅是一个示例，并且在其他实施例中还可以使用其他部件，例如在电压域中工作的部件。

信号在电压/电流转换器32与处理设备33之间被量取，并且被提供到电流/电压转换器35，该电流/电压转换器35提供第二信号路径311以便提供具有较小的信号传播时间的第一反馈信号fb1。电流/电压转换器35同样可以被设置为跨阻放大器，并且具有信号传播时间t

第二信号路径311的输出信号被作为第一反馈信号fb1提供到多路复用器36，该多路复用器36具有连接在下游的跟随和保持设备37(T&H，来自英语“track and hold”)。跟随和保持设备37以与旋转电流技术相同的频率工作，并且多路复用器36在信号fb1与信号fb2之间切换，例如在每次遍历(Durchlauf)所有四个相之后。在此，信号fb1用于补偿最终的两相纹波(由电流的相反的方向引起，参见图2A和图2B)，而反馈信号fb2用于补偿附加地由偏置电流的相互垂直的方向引起的纹波。

跟随和保持设备37的输出信号由模数转换器38(在图3的示例中是1比特量化器)数字化，并且由数字信号处理器再处理。1比特量化器可以主要作为比较器工作，该比较器将其输入信号与阈值比较，并且根据比较指示0或者1。在使用差分输入信号的情况下，对于比较器，阈值可以被选择为差分的0V(即，在差分输入信号之间的电压差0)。在相对于参考电位的单极信号的情况下，可以选择与在差分信号的情况下的0V相对应的阈值。数字信号处理器39在此从采样值中计算比较信号c的数字版本。如随后参照图5所说明的，数字信号处理器39在此可以包含计数器。然而，较复杂的计算也是可能的。这基于上文参照图2B说明的等式(1)至(4)，从中可以计算有用信号和偏移，并且因此从中可以补偿偏移。

数字信号处理器39的输出信号随后由数模转换器310进行数模转换，以便形成校正信号c。

为了进一步说明，图4示出图3的信号so、c和k的示例。在此，曲线40示出由霍尔传感器30输出的信号so的示例。

曲线41示出对应的校正信号c的变化的示例，其变化基本上与曲线40的纹波相反。曲线42示出经校正的信号k的对应的示例，其中纹波被抑制。

图5示出根据另一实施例的具有信号处理电路的磁场传感器装置的电路图。图5的磁场传感器装置包括霍尔传感器50，该霍尔传感器50以四相旋转电流技术运行，并且输出霍尔电压so。霍尔电压so被提供到加法器51，该加法器51的功能对应于图1的加法器11以及图3的加法器311。加法器51将信号so与校正信号c组合，以便输出经校正的信号k。

经校正的信号k被提供到跨导放大器52，该跨导放大器52将经校正的信号k转换为电流信号。该电流信号被提供到一系列第一电流镜53的第一晶体管55，在图5中是n个电流镜，这些电流镜表示用于电流域中的处理设备的示例。

n个第一电流镜53的输出端与跨阻放大器54的输入端连接，该跨阻放大器54产生作为电压信号的输出信号o，并且还输出与输出信号o相对应的第二反馈信号fb2。

此外，晶体管55用作一系列第二电流镜56的第一晶体管，其中在此提供m个第二电流镜56。在此，在一些实施例中，m小于n，以便提供具有较小的信号传播时间的第二信号路径。第二电流镜56的输出被提供到电流/电压转换器57，该电流/电压转换器57在图5的示例中主要通过与共模电压Vcm连接的电阻形成。第二电流镜56的输出电流在电阻上引起电压降，并且因此实现电流电压转换。该电流/电压转换器57可以具有比跨阻放大器54小的信号传播时间。总体上，在图5的实施例中，通过第一电流镜53和输出第二反馈信号fb2的跨阻放大器54的主信号路径具有比如下的信号路径大的信号传播时间，该信号路径通过第二电流镜56和输出第一反馈信号fb1的电流/电压转换器57。

反馈信号fb1和fb2被提供到多路复用-跟随和保持设备59，其功能对应于图3的多路复用器56和跟随和保持设备。由设备59输出的信号由模数转换器510(例如，1比特量化器)数字化，并且被提供到数字处理设备，该数字处理设备例如可以借助于数字信号处理器(诸如图3的数字信号处理器39)来实现。

数字信号通过多路复用器功能511被多路复用，并且在此被分为对应于经数字化的反馈信号fb1的采样值和对应于数字反馈信号fb2的采样值。对应于第二反馈信号fb2的采样值控制四相计数器513，该四相计数器513根据采样值与阈值的比较来向上或向下计数，该阈值可以对应于平均值。向上或向下计数的方向可以根据采样相来选择，从而基本上实现根据等式(7)的对Vos3的计算。通过相似的方式，对应于第一反馈信号fb1的采样值被提供到两相计数器512，该两相计数器512通过向上和向下计数来执行根据等式(5)和(6)的主要对Vos1和/或Vos2的计算。计数器512、513的输出利用加法功能514相加，并且借助于数模转换器515转换为模拟校正信号c。在此，在在反馈信号fb1、fb2的调控范围(Aussteuerbereich)的中间位置(Mittenstellung)实现的情况下，计数器512、513产生差分的0信号，使得中间位置对校正信号c没有任何贡献。此外，计数器512、513产生+/-差分信号以便补偿纹波，该+/-差分信号然后由数模转换器515转换为校正信号c的对应部分。

图3的多路复用器36的功能或图5的多路复用-跟随和保持设备59的功能根据图7进一步说明。

图7在较长的时段上示出图2B的旋转霍尔传感器的运行，其中附图标记25A至25D表示图2B的处于对应的相PH1至PH4的霍尔传感器。对于每次遍历所有四个相，转发信号fb2或者信号fb1。基于信号fb2(fb2在图7中被多路复用)进行基于所有相的计算，例如根据等式(7)的对Vos3的计算，而基于信号fb1进行基于两个相的计算(PH1/PH2被多路复用，或PH3/PH4被多路复用)，例如根据等式(5)和(6)的计算。然而，其他多路复用方案也是可能的。例如可以在每个相期间改变多路复用器，从而连续地评估两个反馈信号fb1、fb2。因此，图7的方案仅用于说明。因为在全部相上共同评估fb2，这对应于利用斩波器频率的评估。

应当注意的是，借助于计数器的计算校正信号c仅是一个示例，并且基本上基于等式(5)至(7)还可以使用用于计算校正信号c的其他可行方案，例如使用累加器的方案。

图6示出根据一些实施例的用于说明方法的流程图。图6的方法例如可以利用参照图1、图3和图5讨论的磁场传感器装置来实现，但是还可以实现在其他磁场传感器装置中。为了简化描述，参照装置的上述说明来描述图6的方法。

在60处，该方法包括提供来自主信号路径的输出端的第二反馈信号，该主信号路径与霍尔传感器耦合，其中霍尔传感器以旋转电流方法运行。这对应于提供图1、图3和图5的反馈信号fb2。

在61处，该方法包括提供第一反馈信号，该第一反馈信号从主信号路径的中间节点导出(例如，从图1的部件12与13之间的节点、从图3的部件32与33之间的节点、或者从图5的晶体管55)。在实施例中，第一反馈信号(fb1)由此具有比第二反馈信号(fb2)小的信号传播时间。

在62处，该方法包括处理第一反馈信号和第二反馈信号，特别是数字地处理，以便形成校正信号(例如，图1、图3和图5的校正信号c)。在此，该处理可以如上所述基于等式(5)至(7)例如借助于如图5所示的计数器来实现。其余参照图1至图5描述的变型和改型也可以通过相应的方式应用于该方法。

应当注意的是，如在不同的磁场传感器装置中所示出的，在60处提供第一反馈信号和在61提供第二反馈信号可以基本上同时实现，因此在图6中示出的不同过程的顺序在此不应当解读为限制性的。

一些实施例通过如下示例限定：

示例1.一种信号处理电路，包括：

组合器，用于接收四相旋转电流霍尔传感器的输出信号和校正信号，并且所述组合器用于将所述输出信号和所述校正信号组合为经校正的信号；

主信号路径，被设置为接收经校正的信号并且输出输出信号；

第二信号路径，从所述主信号路径内的节点分支出来，并且所述第二信号路径被设置为提供第一反馈信号，其中所述第二信号路径具有比所述主信号路径小的信号传播时间；以及

处理设备，被设置为：基于所述第一反馈信号和作为第二反馈信号的所述输出信号，来产生用于降低所述输出信号中的纹波的校正信号。

示例2.根据示例1的信号处理电路，其中所述处理设备包括：模数转换器；数字电路，用于确定所述校正信号的数字版本；以及数模转换器，用于从所述校正信号的所述数字版本中提供所述校正信号。

示例3.根据示例2的信号处理电路，其中所述处理电路包括多路复用设备，所述多路复用设备用于接收所述第一反馈信号和所述第二反馈信号，并且用于可选择地将所述第一反馈信号或所述第二反馈信号转发到所述处理设备的下游部件。

示例4.根据示例3的信号处理电路，其中所述处理设备包括连接在所述多路复用设备下游的跟随和保持设备，所述跟随和保持设备的输出端与所述模数转换器的输入端耦合。

示例5.根据示例2至4中任一项的信号处理电路，其中所述数字电路包括：两相计数器，基于所述第一反馈信号确定所述校正信号的所述数字版本的第一分量；以及四相计数器，被设置为：基于所述第二反馈信号确定所述校正信号的所述数字版本的第二分量；以及加法部件，被设置为将所述第一分量和所述第二分量合并。

示例6.根据示例1至5中任一项的信号处理电路，其中所述处理设备被设置为：基于所述第一反馈信号确定第一偏移分量，并且基于所述第二反馈信号确定第二偏移分量，其中所述校正信号基于所述第一偏移分量和所述第二偏移分量。

示例7.根据示例1至6中任一项的信号处理电路，其中所述主信号路径包括：电压/电流转换器、连接在所述电压/电流转换器下游的电流域部件、以及电流/电压转换器，其中所述节点位于所述电压/电流转换器(32)与所述电流/电压转换器(34)之间，并且

其中所述第二信号路径包括另一电流/电压转换器(35)。

示例8.根据示例7的信号处理电路，其中所述电流域部件包括第一数量的电流镜。

示例9.根据示例8的信号处理电路，其中所述第二信号路径包括第二数量的电流镜。

示例10.根据示例9的信号处理电路，其中所述第一数量的电流镜和所述第二数量的电流镜具有共同的输入晶体管。

示例11.根据示例9或10的信号处理电路，其中所述第二数量小于所述第一数量。

示例12.一种磁场传感器装置，包括：

根据示例1至11中任一项的信号处理电路，以及

四相旋转电流霍尔传感器。

示例13.一种用于信号处理的方法，包括：

在主信号路径的输出端上提供第二反馈信号，所述主信号路径接收四相旋转电流霍尔信号；

提供第一反馈信号，所述第一反馈信号从所述主信号路径内的节点导出，其中与所述第二反馈信号相比，以较小的信号传播时间提供所述第一反馈信号；以及

基于所述第一反馈信号和所述第二反馈信号来产生用于所述四相旋转电流霍尔信号的校正信号。

示例14.根据示例13的方法，其中通过至少部分的数字处理来产生所述校正信号。

示例15.根据示例13或14的方法，还包括：接收所述第一反馈信号，以及多路复用，以便可选择地将所述第一反馈信号或所述第二反馈信号转发到下游的处理。

示例16.根据示例15的方法，其中可选择地转发到具有连接在下游的模数转换器的跟随和保持设备。

示例17.根据示例13至16中任一项的方法，其中产生所述校正信号包括：用于确定第一分量的、基于所述第一反馈信号的第一计数；以及用于确定第二分量的、基于所述第二反馈信号的第二计数；以及将所述第一分量和所述第二分量合并。

示例18.根据示例13至17中任一项的方法，其中产生所述校正信号包括：基于所述第一反馈信号确定第一偏移分量和基于所述第二反馈信号确定第二偏移分量，其中所述校正信号基于所述第一偏移分量和所述第二偏移分量。

示例19.根据示例13至18中任一项的方法，其中所述主信号路径包括：电压/电流转换器、连接在所述电压/电流转换器下游的电流域部件、以及电流/电压转换器，其中所述节点位于所述电压/电流转换器与所述电流/电压转换器之间，并且其中

用于提供所述第一反馈信号的第二信号路径包括另一电流/电压转换器。

示例20.根据示例13至18中任一项的方法，其中，

提供所述第二反馈信号包括：用于产生电流信号的电压/电流转换；在电流域中处理所述电流信号，以便产生经处理的电流信号；以及对所述经处理的电流信号的电流/电压转换；并且

提供所述第一反馈信号包括基于所述电流信号的另一电流/电压转换。

虽然在本说明书中图示和描述了特定的实施例，本领域普通技术人员将认识到：可以选择多个备选的和/或等同的实施方案作为用于在该说明书中示出和描述的特定实施例的替代，而不脱离本发明的保护范围。在此意指，本申请覆盖在此讨论的特定实施例的所有改型或变型。因此旨在本发明仅通过权利要求和权利要求的等同物限制。