具有四个阻性感测元件的全桥配置的传感器系统

摘要

描述了一种传感器系统(100，200，300)，包括：(a)第一传感器路径(110)，包括：串联在第一供电端子(st1)和第二供电端子(st2)之间的第一感测元件(111)和第二感测元件(112)，以及设置在第一供电端子(st1)和第二供电端子(st2)之间的中间节点(in，in1)，(b)第二传感器路径(120)，包括：(b1)串联在第一供电端子(st1)和第二供电端子(st2)之间的第三感测元件(123)和第四感测元件(124)，其中第三感测元件(123)被细分为第一第三子组件(R3a)和第二第三子组件(R3b)以及第四感测元件(124)被细分为第一第四子组件(R4a)和第二第四子组件(R4b)，(b2)在第一供电端子(st1)和第二供电端子(st2)之间提供第一参考节点(rn1)，以及(b3)在第一供电端子(st1)和第二供电端子(st2)之间提供与第一参考节点(rn1)不同的第二参考节点(rn2)，以及(c)处理单元(150，250，350)：从中间节点(in，in1)接收输入信号(vinp)，从第一参考节点(rn1)接收第一参考信号(vrefp)，以及从第二参考节点(rn2)接收第二参考信号(vrefn)，以及被配置为：基于输入信号(vinp)、第一参考信号(vrefp)和第二参考信号(vrefn)来提供传感器输出信号(dout)。

权利要求

1.一种传感器系统(100，200，300)，包括：

第一传感器路径(110)，包括：

第一感测元件(111)和第二感测元件(112)，串联在第一供电端子(st1)和第二供电端子(st2)之间；以及第一中间节点(in，in1)，设置在第一供电端子(st1)和第二供电端子(st2)之间，其中所述第一中间节点配置为提供由所述第一传感器路径而得的第一输入信号；

第二传感器路径(120)，包括：

第三感测元件(123)和第四感测元件(124)，串联在第一供电端子(st1)和第二供电端子(st2)之间，其中第三感测元件(123)被细分为第三感测元件(123)的第一子组件(R3a)和第三感测元件(123)的第二子组件(R3b)，以及第四感测元件(124)被细分为第四感测元件(124)的第一子组件(R4a)和第四感测元件(124)的第二子组件(R4b)；

第一参考节点(rn1)，设置在第三感测元件(123)的第一子组件和第二子组件之间；以及第二参考节点(rn2)，设置在第四感测元件(124)的第一子组件和第二子组件之间，且所述第二参考节点(rn2)与第一参考节点(rn1)不同；以及处理单元(150)，被配置为：

从第一中间节点(in，in1)接收第一输入信号(vinp)，从第一参考节点(rn1)接收第一参考信号(vrefp)，以及从第二参考节点(rn2)接收第二参考信号(vrefn)，以及基于第一输入信号(vinp)、第一参考信号(vrefp)和第二参考信号(vrefn)来提供传感器输出信号(dout)。

2.根据权利要求1所述的传感器系统(100，200，300)，其中处理单元(150，250，350)包括模数转换器。

3.根据权利要求1所述的传感器系统(100，200，300)，还包括：供电电源(Vs)，连接到第一供电端子(st1)和第二供电端子(st2)。

4.根据权利要求1所述的传感器系统(100，200，300)，其中，感测元件(111，112，123，124)中的至少一个是磁性感测元件。

5.根据权利要求1所述的传感器系统(100，200，300)，其中所述四个感测元件(111，112，123，124)中的每一个都是磁性感测元件。

6.根据权利要求1所述的传感器系统(100，200，300)，其中在单个衬底管芯上形成感测元件(111，112，123，124)。

7.根据权利要求1所述的传感器系统(100，200，300)，其中第一感测元件(111)被细分为第一感测元件的第一子组件(R1a)和第二子组件(R1b)；

以及

第二感测元件(112)被细分为第二感测元件(112)的第一子组件(R2a)和第二子组件(R2b)。

8.根据权利要求7所述的传感器系统(100，200，300)，其中：所有子组件(R1a，R1b，R2a，R2b，R3a，R3b，R4a，R4b)呈现特定欧姆电阻，并且其中-以下子组件对的欧姆电阻相等，或者-针对所有以下子组件对，被指派到第一传感器路径(110)的子组件的欧姆电阻与被指派到第二传感器路径(120)的子组件的欧姆电阻具有固定的比值：(a)第一感测元件的第一子组件(R1a)和第四感测元件的第二子组件(R4b)，(b)第二感测元件的第二子组件(R2b)和第三感测元件的第一子组件(R3a)，(c)第一感测元件的第二子组件(R1b)和第四感测元件的第一子组件(R4a)，(d)第二感测元件的第一子组件(R2a)和第三感测元件的第二子组件(R3b)。

9.根据权利要求7所述的传感器系统(100，200，300)，其中：选择所有子组件(R1a，R1b，R2a，R2b，R3a，R3b，R4a，R4b)的欧姆电阻性能，使得当传感器系统(100，200，300)的操作状态改变时以下子组件对的欧姆电阻之和保持恒定：(a)第一感测元件的第一子组件(R1a)和第二感测元件的第二子组件(R2b)，(b)第一感测元件的第二子组件(R1b)和第二感测元件的第一子组件(R2a)，(c)第三感测元件的第一子组件(R3a)和第四感测元件的第二子组件(R4b)，(d)第三感测元件的第二子组件(R3b)和第四感测元件的第一子组件(R4a)。

10.根据权利要求7所述的传感器系统(200，300)，其中：-第一中间节点(in1)位于第一感测元件(111)的第一子组件(R1a)和第二子组件(R1b)之间；以及第一传感器路径(110)进一步包括第二中间节点(in2)，位于第二感测元件(112)的第一子组件(R2a)和第二子组件(R2b)之间；

-传感器系统(200，300)进一步包括：

第一电阻器链(215)，包括串联在第一中间节点(in1)和第二中间节点(in2)之间的至少两个第一电阻器(Rs1，Rs2，...，Rsn)，以及第二电阻器链(225)，包括串联在第一参考节点(rn1)和第二参考节点(rn2)之间的至少两个第二电阻器(Rr1，Rr2，...，Rrn)，-处理单元(250，350)是数字处理单元，

其接收(i)来自第一电阻器链(215)的至少一个第一内部节点(tn)的至少一个输入抽头信号，以及(ii)来自第二电阻器链(225)的至少一个第二内部节点(tn’)的至少一个参考抽头信号(tn’)；以及-处理单元(250，350)被配置为基于以下内容将传感器输出信号(dout)作为数字信号提供：(i)作为输入信号的第一输入信号，(ii)来自第二中间节点(in2)的第二输入信号，(iii)至少一个输入抽头信号，(iv)来自第一参考节点(rn1)的第一参考信号，(v)来自第二参考节点(rn2)的第二参考信号，和(vi)至少一个参考抽头信号。

11.根据权利要求10所述的传感器系统(200，300)，其中：第一感测元件(111)的第二子组件和第二感测元件(112)的第一子组件代表第一电阻器链(215)的至少一部分；和/或第三感测元件(123)的第二子组件和第四感测元件(124)的第一第四子组件代表第二电阻器链(225)的至少一部分。

12.根据权利要求10或11中所述的传感器系统(200)，其中-处理单元(250)包括比较器单元(252)和解码单元(254)，-比较器单元(252)包括至少一个比较器元件(b0，b1，bn-1，bn)，其中至少一个比较器单元(b0，b1，bn-1，bn)中的每一个接收：(i)第一输入信号、至少一个输入抽头信号和第二输入信号之一，作为第一输入信号，以及(ii)第一参考信号、至少一个参考抽头信号和第二参考信号之一，作为第二输入信号，以及-解码单元(254)被配置为：响应于至少一个比较器元件(b0，b1，bn-1，bn)的输出信号，来提供传感器输出信号(dout)。

13.根据权利要求10或11所述的传感器系统(300)，其中-处理单元(350)包括Σ-Δ转换器(356)和编码单元(358)；

-传感器系统(300)还包括：至少一个第一开关(S)，与第一电阻器链(215)连接，使得中央信号节点(csn)可选择性地与第一中间节点(in1)、第二中间节点(in2)和至少一个第一内部节点(tn)耦合；

-传感器系统(300)还包括：至少一个第二开关(S’)，与第二电阻器链(225)连接，使得中央参考节点(crn)可选择性地与第一参考节点(rn1)、第二参考节点(rn2)和至少一个第二内部节点(tn’)耦合；

-中央信号节点(csn)和中央参考节点(crn)与Σ-Δ转换器(356)的输入侧连接，-Σ-Δ转换器(356)被配置为：提供传感器输出信号(dout)，以及-编码单元(358)被配置为：接收传感器输出信号(dout)，以及响应于接收到的传感器输出信号(dout)来控制至少一个第一开关(S)和至少一个第二开关(S’)。

14.根据权利要求1-9中任一项所述的传感器系统(100)，其中-第二传感器路径(120)包括另一中间节点(in’)；

-第二传感器路径(120)被设计为使得：

所述另一中间节点(in')位于第三感测元件(123)的第二子组件(R3b)和第四感测元件(124)的第一子组件(R4a)之间，以及-处理单元(150)还(i)从另一中间节点(in’)接收另一输入信号(vinn)，以及(ii)基于所述另一输入信号(vinn)提供传感器输出信号(dout)。

说明书

具有四个阻性感测元件的全桥配置的传感器系统

技术领域

[0001] 本发明涉及在全桥配置中布置的具有阻性感测元件的传感器系统。

背景技术

[0002] 在许多传感器应用中，感测元件是受到要测量的物理量影响的电阻器。为了产生可靠和灵敏的传感器输出，感测元件可以用全桥配置或所谓的惠斯通桥配置来连接。这种配置在两个中间节点之间产生平衡的差分输出电压。该差分输出电压正比于应用于整个全桥配置的布置的电源电压或偏压。

[0003] 为了执行数字信号处理，在两个中间节点处存在的模拟桥信号可以与差分高精确度模数转换器(ADC)的输入连接，模数转换器(ADC)将由两个模拟桥信号之间的差异给出的差分输出电压转换到数字域。ADC的性能在很大程度上由两个参考电压电平的精确度确定。可以由参考电压源来提供每个参考电压电平。

[0004] 已知通过合适的电路(其可以包括(例如)分压器)来间接地从电源电压导出ADC的两个参考电压电平。然而，用于实现提供两个参考电压电平的参考电压源的该解决方案具有以下缺点：生成低噪声且精确的参考电压电平非常困难。此外，由ADC消耗的功率的相当一部分将用于参考电压电平的生成。此外，尤其在电源电压处存在高频噪声的情况下，参考电压电平的频宽将与桥信号的频宽不同。这意味着，电源电压处存在的高频噪声将由于信号和参考之间的相位和/或幅度的差异而不被抑制，而是将被转换到数字域中。这甚至将导致不想要的混叠(aliasing)。高频噪声还可以折回ADC的关注频段(BOI)。此外，具体地，在电源电压上呈现较为强烈的噪声的情况下，必须由ADC处理差分输出电压的大的全信号摆幅，导致了对ADC的高线性度需要。

[0005] 作为上述缺点的结果，包括全桥配置中布置的感测元件和用于提供数字输出的ADC的已知传感器系统的性能恶化。

发明内容

[0006] 可以存在提供包括(a)在全桥配置中布置的感测元件和(b)模数转换器的高性能传感器系统的需要。

[0007] 根据发明的第一方面，提供了一种传感器系统。所提供的传感器系统包括：(a)第一传感器路径、(b)第二传感器路径和(c)处理单元。第一传感器路径包括(a1)串联在第一供电端子和第二供电端子之间的第一感测元件和第二感测元件，以及(a2)设置在第一供电端子和第二供电端子之间的中间节点。第二传感器路径包括：(b1)串联在第一供电端子和第二供电端子之间的第三感测元件和第四感测元件，其中第三感测元件被细分为第一第三子组件和第二第三子组件，以及第四感测元件被细分为第一第四子组件和第二第四子组件，(b2)设置在第一供电端子和第二供电端子之间的第一参考节点，以及(b3)设置在第一供电端子和第二供电端子之间的第二参考节点，并且第二参考节点与第一参考节点不同。处理单元(c1)：从中间节点接收输入信号，从第一参考节点接收第一参考信号，以及从第二参考节点接收第二参考信号，以及(c2)被配置为：基于输入信号、第一参考信号和第二参考信号提供传感器输出信号。

[0008] 所描述的传感器系统基于以下想法：可以通过向处理单元提供参考信号来有效降低向第一供电端子和/或第二供电端子施加的(功率)电源电压上存在的电压纹波的作用，所示参考信号跟踪或遵循这些电压纹波。这意味着，当电源电压增加时，参考信号成比例增加。相应地，当电源电压降低时，参考信号成比例降低。

[0009] 可以看出所描述的传感器系统的另一个基本想法是：处理单元使用的参考信号是从感测元件的全桥配置的第二传感器路径导出的。这导致了处理单元的参考将跟踪电源电压，并且与从全桥配置的第一传感器路径导出的输入信号具有相同共模电平。

[0010] 换言之：当参考信号分别遵循(功率)电源电压在处理单元的输入范围的波动以及处理单元的输入信号时，处理单元的参考信号随着(功率)电源电压进行缩放。这可以导致由处理单元(和由整个传感器系统)提供输出信号，所述输出信号至少在很大程度上独立于(功率)电源电压。

[0011] 具体地，电压纹波可以是由噪声造成的，其在实际中从不被完全消除。因此，在所描述的传感器系统的情况下，基于感测元件的全桥配置，将提高所有类型的传感器应用的传感器输出信号的精度。

[0012] 模拟信号可以具体地是电压信号。输出信号可以是任意类型的信号。甚至还可以是光信号。

[0013] 根据所描述的传感器系统，第一传感器路径用于生成输入信号。因此，第一传感器路径还可以被命名为信号路径。此外，第二传感器路径用于生成两个参考信号。因此，第二传感器路径还可以被命名为参考路径。当然，由于对称性，第一传感器路径可以是参考路径，并且第二传感器路径可以是信号路径。

[0014] 根据实施例，处理单元包括模数转换器。这可以提供以下优点：传感器输出信号可以是数字输出信号，其还可以通过附加的数字电路用可靠地方式进一步处理。

[0015] 由于以上阐明的对输入信号和至少两个参考信号的电源电压跟踪，将针对所有类型的传感器应用提高由模数转换器(ADC)的模数转换所提供的数字输出信号的精度。

[0016] 根据附加实施例，传感器系统还包括与第一供电端子和第二供电端子连接的供电电源。

[0017] 使用(集成的)供电电源可以提供以下优点：传感器系统可以被实现为自给自足或自我维持系统，其对于各种传感器应用可以用简单的方式使用。

[0018] 根据另一个实施例，至少一个感测元件是磁性感测元件。这可以意味着：(全桥)感测元件配置代表(全桥)磁性传感器布置，并且所描述的传感器系统是磁性传感器系统。可以在多种传感器应用中使用这种磁性传感器系统，例如在汽车工业中，例如用于高精度ABS传感器和用于以较高可靠度的方式来测量(例如燃烧引擎的机轴的旋转位置)。

[0019] 优选地，磁性感测元件是磁阻式感测元件。这可以允许用高度精确的方式来获得磁场测量。具体地，磁阻式感测元件可以是AMR感测元件，其操作可以依赖于已知的各向异性磁阻(AMR)。所提及的是，还可以使用依赖于(例如)巨磁阻(GMR)、庞磁阻(CMR)和/或穿隧磁阻(TMR)的已知效应的其他感测元件。

[0020] 应注意的是，对于其他类型的传感器系统(例如用于以可靠和精确的方式测量温度的传感器系统)，可以用有益的方式来在一方面使用所描述的两个传感器路径之间的电布线，以及在另一方面使用处理单元。

[0021] 根据另一个实施例，四个感测元件的每一个是磁性感测元件。这可以提供以下优点：传感器系统可以用对称的方式来布置，并且可以使用感测元件的已知的全桥配置。

[0022] 根据另一实施例，在单个衬底管芯上或上方，以及具体地在单个半导体管芯的上或上方形成感测元件。这可以提供以下优点：可以通过常用的半导体制造过程来生产传感器系统的传感器布置或甚至是尤其是包括所描述的处理单元的整个传感器系统。这允许用在生产成本方面高效的方式来实现所描述的传感器系统。

[0023] 通过与至少部分地在基底上或上方形成的已知传感器系统对比，所描述的传感器系统不需要参考电压源，原因在于，间接地经由第二传感器路径内的合适的节点从供电电源获得所需的参考信号。这可以提供以下优点：不再需要正常情况下形成至少一个参考电压源所需的基底上的区域。结果，可以用空间紧致的方式来形成所描述的传感器系统。这在半导体基底上一体化形成所描述的传感器系统时可以特别有利。

[0024] 根据另一个实施例，第一感测元件被细分为第一第一子组件和第二第一子组件，以及第二感测元件被细分为第一第二子组件和第二第二子组件。这可以意味着：可以用对称的方式来实现感测元件的全桥配置。这种对称配置当在半导体层面上实现感测元件时可以特别有利。这意味着可以在半导体基底上或上方直接或间接地形成感测元件。

[0025] 关于这一点，所提及的是，感测元件在半导体基底上或上方形成可以提供以下可能性：每个感测元件可以用简单和可靠的方式与附加信号线或者与附加的参考线相接触。这种附加的线可以用于向处理单元馈入附加输入和参考信号，以便用精确和可靠的方式形成输出信号。对附加输入和参考信号的使用还可以提供使用特定类型的数字处理单元的机会，例如Σ-Δ调制器或所谓的差分闪存ADC，其可以用并行的方式来转换不同的输入和参考信号，以用特别快速的方式来提供数字输出信号。以下将呈现关于这些类型的数字处理单元的附加信息。

[0026] 根据另一实施例，所有子组件呈现出特定欧姆电阻，并且-以下子组件对的欧姆电阻相等或者-对于以下子组件对，被指派到第一传感器路径的子组件的欧姆电阻与被指派到第二传感器路径的子组件的欧姆电阻具有固定的比值：(a)第一第一子组件和第二第四子组件，(b)第二第二子组件和第一第三子组件，(c)第二第一子组件和第一第四子组件，(d)第一第二子组件和第二第三子组件。

[0027] 用所述方式来选择多个子组件的电阻值不仅从结构角度上看是对称的，并且关于均被馈入处理单元的至少一个输入信号和至少两个参考信号的电压(电平)也是对称的。这使得两个传感器路径的子组件的设计和具体地合适的电阻值的选择非常简单。

[0028] 可依赖于对于操作所描述的传感器系统适用的电流来选择的固定的比值可以主要地具有零(不含零)和无穷大之间的任意值。优选地，固定比值可以在0.01和100之间，以及优选地在0.1和10之间。

[0029] 根据另一实施例，选择所有子组件的欧姆电阻性能，使得当传感器系统的操作状态改变时以下子组件对的欧姆电阻之和保持恒定：(a)第一第一子组件和第二第二子组件，(b)第二第一子组件和第一第二子组件，(c)第一第三子组件和第二第四子组件，以及(d)第二第三子组件和第一第四子组件。

[0030] 作为用所描述的方式来选择子组件的欧姆电阻性能和欧姆电阻值的结果，可以进一步简化传感器系统的设计。

[0031] 为此，术语“传感器系统的操作状态”可以具体意味着要由所描述的传感器系统测量的物理量具有特定值或等级。这意味着，当要测量的物理量改变它的值时，所描述的传感器系统从第一操作状态转变到第二操作状态。如以上所描述的，物理量可以是例如特定空间区域的磁场强度或温度，所述特定空间区域中放置了包括四个感测元件的至少一个传感器布置。

[0032] 此外，术语“欧姆电阻性能”可将相应子组件的欧姆电阻值的相关性表示为要由所描述的传感器系统测量的物理量的函数。

[0033] 根据另一实施例，(a)在第一传感器路径(110)内提供了：(a1)与第一第一子组件和第二第一子组件之间的中间节点一致(coinciding)的第一中间节点；以及(a2)第一第二子组件和第二第二子组件之间的第二中间节点以及(b)在第二传感器路径内：(b1)第一参考节点位于第一第三子组件和第二第三子组件之间，以及(b2)第二参考节点位于第一第四子组件和第二第四子组件之间。此外，(c)传感器系统包括：(c1)包括串联在第一中间节点和第二中间节点之间的至少两个第一电阻器的第一电阻器链，以及(c2)包括串联在第一参考节点和第二参考节点之间的至少两个第二电阻器的第二电阻器链。此外，(d)处理单元是数字处理单元，其接收(d1)来自第一电阻器链的至少一个第一内部节点的至少一个输入抽头信号，以及(d2)来自第二电阻器链的至少一个第二内部节点的至少一个参考抽头信号。此外，(e)处理单元被配置为基于以下内容来将传感器输出信号作为数字信号提供：(e1)作为输入信号的第一输入信号，(e2)来自第二中间节点的第二输入信号，(e3)至少一个输入抽头信号，(e4)来自第一参考节点的第一参考信号，(e5)来自第二参考节点的第二参考信号，和(e6)至少一个参考抽头信号。

[0034] 参照该实施例描述的传感器系统包括其中所有输入信号和参考信号可以彼此配对组合的电路布置。结果，输入信号和参考信号具有相等的带宽。这可以导致对由向第一供电端子和/或第二供电端子提供电源电压的功率源所生成的噪声或干扰的最大抑制。

[0035] 根据又一个实施例，第二第一子组件和第一第二子组件代表第一电阻器链的至少一部分。备选地或优选地，结合来看，第二第三子组件和第一第四子组件代表第二电阻器链的至少一部分。

[0036] 关于传感器系统的输入信号生成部分，这可以意味着仅第一第一子组件和第二第二子组件是感测子组件。关于传感器系统的参考信号生成部分，这可以意味着仅第一第三子组和第二第四子组件是感测子组件。关于这一点，感测子组件可以是根据要由传感器系统测量的物理量(例如，磁场)而改变它的电阻的元件。

[0037] 通过将第二第一子组件和第一第二子组件集成为第一电阻器链，和/或通过将第二第三子组件和第一第四子组件集成为第二电阻器链，整个传感器系统的电子组件的数量可以保持较小。结果，传感器系统本身的复杂度和传感器系统的生产过程的复杂度可以保持简单。

[0038] 根据另一个实施例，处理单元包括比较器单元和解码单元。由此，比较器单元包括至少一个比较器元件，其中至少一个比较器单元的每一个接收：(i)第一输入信号、至少一个输入抽头信号和第二输入信号之一作为第一输入信号，以及(ii)第一参考信号、至少一个参考抽头信号和第二参考信号之一作为第二输入信号。此外，解码单元被配置为：响应于至少一个比较器元件，来提供传感器输出信号。

[0039] 当比较器单元包括至少两个比较器元件时，两个电阻器链和至少两个比较器元件之间的电路使得另一个比较器元件接收：(i)第一输入信号、至少一个输入抽头信号和第二输入信号中的另一个作为第一输入信号，以及(ii)第一参考信号、至少一个参考抽头信号和第二参考信号中的另一个作为第二输入信号。描述性地说，来自第一电阻器链的各种输入信号和来自第二电阻器链的参考信号被交叉馈入至比较器单元。

[0040] 所提及的是，比较器元件的数量比每个电阻器链中的电阻器的数量多一个。

[0041] 进一步提及的是，比较器元件的数量与所描述的处理单元的分辨率相对应。具体地，当比较器元件的数量是n时，处理单元包括log2(n)比特的分辨率，相应地整个传感器系统包括log2(n)比特的分辨率。这意味着，4比较器元件产生2比特分辨率，8比较器元件产生3比特分辨率，16比较器元件产生4比特分辨率等。

[0042] 参照该实施例描述的传感器系统依赖于差分闪存ADC的设计。本领域技术人员知晓这种类型的ADC。因此，在本文中，为了简明，将不详细描述这种差分闪存ADC的设计和基本原理。

[0043] 由于在这种用于将传感器信号转换为数字输出信号的设计中，可以并行执行对被供应给数字处理单元的各种信号的处理，依赖于差分闪存ADC的所描述的传感器系统非常快，并且可以特别应用于高频应用。

[0044] 根据另一实施例，(a)处理单元包括Σ-Δ转换器和编码单元，(b)传感器系统还包括：至少一个第一开关，与第一电阻器链连接，使得中央信号节点可以选择性地与第一中间节点、第二中间节点和至少一个第一内部节点耦合，(c)传感器系统还包括：至少一个第二开关与第二电阻器链连接，使得中央参考节点可以选择性地与第一参考节点、第二参考节点和至少一个第二内部节点耦合，(d)中央信号节点和中央参考节点与Σ-Δ转换器的输入侧连接，(e)Σ-Δ转换器被配置为提供传感器输出信号，以及(f)编码单元被配置为：接收传感器输出信号以及响应于接收到的传感器输出信号来控制至少一个第一开关和至少一个第二开关。

[0045] 用该实施例描述的传感器系统依赖于Σ-Δ转换器的已知设计。根据Σ-Δ转换器的工作原理和用于所描述的传感器系统的基本电路，Σ-Δ转换器试图具体地通过迭代反复试验的过程，来向编码单元提供合适的传感器输出信号。通过使用该合适的传感器输出信号，编码单元用使得在中央信号节点处和在中央参考节点处的电压电平至少大致相等的方式，来控制所有第一开关和所有第二开关。为了实现这种操作状态，Σ-Δ转换器与编码单元一起，通过在不同的切换图案组合之间反复，来持续搜索所有开关的合适的切换图案。

[0046] Σ-Δ转换器可以包括放大器或电压到电流转换器，其在它的输入侧与中央信号节点以及与中央参考节点连接。Σ-Δ转换器还可以包括单比特或多比特ADC，其与放大器或电压到电流转换器的下游连接，并提供(数字)传感器输出信号。此外，Σ-Δ转换器可以包括(a)放大器或电压到电流转换器和(b)单比特或多比特ADC之间的积分器。

[0047] 当使用在本文档中描述的传感器系统的Σ-Δ转换器时，用迭代的方式来执行模数转换的数字处理。因此，尽管不像以上描述的差分闪存ADC一样快，但是依赖于Σ-Δ转换器的所描述的传感器系统非常精确，并且可以具体用于需要高精度的应用中。这可以意味着，替代于能够用高速进行操作，“Σ-Δ转换器传感器系统”可以提供高线性度。

[0048] 所提及的是，本领域技术人员知晓Σ-Δ转换器本身。因此，在该文档中，为了清楚，将不会更详细地描述这种Σ-Δ转换器的设计和基本原理。

[0049] 进一步提及的是，第一开关的数量以及第二开关的(相同的)数量比每个电阻器链中的电阻器的数量大1。

[0050] 具体地，当每种类型的开关的数量是n时，Σ-Δ转换器表现出n比特分辨率，相应地整个传感器系统表现出n比特分辨率。

[0051] 根据另一实施例,(a)第二传感器路径包括附加中间节点，(b)设计第二传感器路径，使得：(b1)第二参考节点位于第一第三子组件和第二第三子组件之间，(b2)另一中间节点位于第二第三子组件和第一第四子组件之间，以及(b3)第一参考节点位于第一第四子组件和第二第四子组件之间，以及(c)处理单元还(c1)从另一中间节点接收另一输入信号，以及(c2)进一步基于另一输入信号来提供传感器输出信号。

[0052] 在传感器系统的该实施例中，输入信号可以代表从第一传感器路径生成的桥信号，并且另一输入信号可以代表从第二传感器路径生成的另一桥信号。优选地，该桥信号和另一桥信号由处理单元处理为差分信号输入，其根据惠斯通桥的基本原理可以代表非常精确的测量信号。

[0053] 在这方面，所提及的是，对于该传感器配置，不必须但可能的是，第一感测元件被细分为两个子组件，并且第二感测元件被细分为两个第二子组件，原因在于，不需要从第一发送元件的“内部”和/或从第二感测元件的“内部”获得任何信号。然而，如以上已经提及的，当用合适的半导体制造过程来实现感测元件时，对第一感测元件和第二感测元件进行细分可能是有益的。

[0054] 为了实现用该实施例描述的传感器系统的高性能，可以使用两个缓冲器元件。由此，第一缓冲器元件可以被布置在第一参考节点和处理单元之间的第一参考线内，以及第二缓冲器元件可连接在第二参考节点和处理单元之间延伸的第二参考线内。所描述的缓冲器的每一个(对于所描述的传感器系统是可选的)可以包括具有等于1的增益的放大器，或可以由具有等于1的增益的放大器组成。这意味着，相应的缓冲器用作阻抗转换器。

[0055] 根据以下要描述的和参照实施例的示例解释的实施例的示例，上述定义的方面和本发明的附加方面显而易见。以下将参照实施例的示例更详细地描述发明的实施例，但是其不作为对发明的限制。

附图说明

[0056] 图1示出了根据发明的第一实施例的传感器系统，其中将作为两个桥信号之差的差分信号从模拟域转换到数字域。

[0057] 图2示出了根据发明的第二实施例的传感器系统，其中模数转换依赖于差分闪存ADC的概念。

[0058] 图3示出了根据发明的第三实施例的传感器系统，其中模数转换依赖于Σ-Δ转换器的概念。

具体实施方式

[0059] 附图中的说明是示意性的。应该注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件或特征具备相同的参考标记，或仅第一数位与相应的参考标记不同的参考标记。为了避免不必要的重复，在说明书的后面的位置将不再次阐述已经参照先前描述的实施例阐明的元件或特征。

[0060] 应当注意的是，术语“包括”不排除其他单元或步骤，并且“一个”不排除多个。此外，可以组合关于不同实施例描述的元件。应当注意的是，权利要求中的参考标记将不被理解为对权利要求范围的限制。

[0061] 图1示出了根据发明的第一实施例的传感器系统100。传感器系统100包括供电电源105，其根据这里描述的实施例是相对于地电压电平GND提供电源电压Vs的电源电压源105。电源电压Vs经由第一供电端子st1供应给传感器系统100，并且地电压电平GND经由第二供电端子st2供应给传感器系统100。

[0062] 传感器系统100还包括具有两个传感器路径(第一传感器路径110和第二传感器路径120)的传感器布置。传感器布置是四个阻性感测元件的全桥配置或所谓的惠斯通桥配置。第一感测元件111和第二感测元件112被指派到第一传感器路径110。第三感测元件123和第四感测元件124被指派到第二传感器路径120。

[0063] 第一传感器路径110包括在第一感测元件111和第二感测元件112之间布置的中间节点in。相应地，第二传感器路径120包括在第三感测元件123和第四感测元件124之间布置的另一中间节点in’。根据已知的全桥传感器配置，感测系统100的处理单元150接收由输入信号vinp和另一输入信号vinn组成的差分输入信号。当考虑到感测元件111、112、123和124的全桥布置时，输入信号vinp可以被视为第一桥信号，并且另外输入信号vinn可以被视为第二桥信号。这两个桥信号之间的低电压信号的差异可以通过处理单元150的模数转换器ADC用已知的方式转换为数字传感器输出信号dout。

[0064] 为了实现精确的模数转换，除了电源电压Vs和地电压电平GND以外，还必须提供模数转换器ADC具有合适的参考信号(即第一参考信号verfp和第二参考信号vrefn)。在包括感测元件的全桥配置的已知传感器系统中，通过合适的电压源来获得或生成这种参考信号。

[0065] 根据这里所描述的实施例，从第一传感器路径110或者从第二传感器路径120导出第一参考信号vrefp和第二参考信号vrefn两者。如可以从图1中看出，为了该目的，第三感测元件123被细分为第一第三子组件R3a和第二第三子组件R3b。此外，第四感测元件124被细分为第一第四子组件R4a和第二第四子组件R4b。具体地，从位于第一第三子组件R3a和第二第三子组件R3b之间的第一参考节点rn1导出第一参考信号vrefp。相应地，从位于第一第四子组件R4a和第二第四子组件R4b之间的第二参考节点rn2导出第二参考信号vrefn。

[0066] 此外，对于根据这里描述的实施例来实现传感器系统100不必要的，第一感测元件111和第二感测元件112还分别被细分为两个子组件。具体地，第一感测元件111被细分为第一第一子组件R1a和第二第一子组件R1b。此外，第二感测元件112被细分为第一第二子组件R2a和第二第二子组件R2b。对感测元件111和112的细分可能是有利的，特别是如果包括两个感测路径110和120的传感器布置在半导体基底上或上方一体化形成。在这方面，与其中仅一条传感器路径的感测元件被细分为两个子组件的非对称传感器布置相比，可能更容易产生对称的传感器布置。

[0067] 参照图1描述的传感器系统100还包括两个可选的放大器或缓冲器B1和B2，其连接或插入到承载第一参考信号vrefp和第二参考信号vrefn的信号路径中。可以具有等于1的增益的这些放大器B1和B2提供阻抗转换。因此，仅当处理单元150的参考输入的输入阻抗和模数转换器ADC的参考输入的输入阻抗与两个传感器路径110和120的阻抗相比较低时，才需要放大器B1和B2。

[0068] 根据这里描述的实施例，所有感测元件111、112、123和124被细分为两个分离的阻性感测子元件或子组件R1x、R2x、R3x和R4x，其中x为1或2。Rxa和Rxb之间的比值应当被选择为，使得R3b和R4a两端的电压降大于或等于差分电压信号vinp-vinn。

[0069] 在所描述的配置中，参考(电压)信号vrefp和vrefn确切地追踪或遵循电源电压Vs。这意味着，当电源电压Vs改变(例如，由于噪声)时，参考信号vrefp和vrefn成比例地改变。这可以支持获得高精度的模数转换。此外，由于从感测元件111，112，123和124的全桥配置的第二传感器路径120导出参考信号vrefp和vrefn，参考信号vrefp和vrefn将具有与从第一传感器路径110和从第二传感器路径120导出的输入信号vinp和vinn相同的共模(common mode)电平。

[0070] 所提及的是，当不需要放大器B1和B2时(例如，当处理单元150的输入阻抗与传感器路径110、120的阻抗相比具有相同数量级或一样高时)，输入信号vinp、vinn的频宽以及参考信号vrefp、vrefn的频宽将至少大致相等。这使得可以在宽频宽内进行高精确度的模数转换。

[0071] 一方面，所描述的两条传感器路径110和120之间的电布线，以及另一方面，处理单元150，都可以以有益的方式用于许多不同类型的传感器系统。然而，所描述概念的当前优选应用是磁性传感器系统，其可以用于磁场强度和/或方向的精确测量，例如在汽车工业中，例如在高精度ABS传感器领域。优选地，磁性感测元件是磁阻式感测元件，例如AMR感测元件，其操作依赖于已知的各向异性磁阻(AMR)。

[0072] 在磁阻传感器系统的情况下，磁阻式感测元件应被配置为和/或它们的易于磁化的方向应被定向为使得，当所检测到的磁场的强度增加时，(a)第一感测元件111(及其子组件R1a和R1b)的欧姆电阻以及第四感测元件124(及其子组件R4a和R4b)的欧姆电阻的增加量与(b)第二感测元件112(及其子组件R2a和R2b)的欧姆电阻和第三感测元件123(及其子组件R3a和R3b)的欧姆电阻的降低量相等。用在图1中用所有子组件箭头的方向示出的这种方式，在存在不同磁场的情况下，感测元件111、112、123、124的全桥配置可以分别在不同的操作状态中保持平衡。在传感器系统100的优选配置中，多个子组件的电阻值可以满足以下条件：

[0073] (1)R1a＝R4b；R2b＝R3a；R1b＝R4a和R2a＝R3b

[0074] (2)R1a+R2b＝常数；R1b+R2a＝常数；R3a+R4b＝常数；R3b+R4a＝常数；

[0075] (3)在没有磁场的情况下：R1b＝R2a＝R3b＝R4a；R1a＝R2b＝R3a＝R4b。

[0076] 传感器系统100所提供的数字信号dout通过下式给出：

[0077] dout＝(vinp-vinn)/(vrefp-vrefn)*2^n

[0078] 由此，n是所使用的模数转换器ADC的比特分辨率。

[0079] 图2示出了其中输入信号的频宽与参考信号的频宽相同的传感器系统200。这是用从感测桥提取由处理单元250执行的模数转换的所有参考信号来实现的。根据这里描述的实施例，处理单元250是所谓的差分闪存ADC，其包括(i)具有多个比较器元件b0，b1，...，bn的比较器单元252，以及(ii)与比较器单元252耦合的解码单元254。

[0080] 除了图1中给所示的电路，传感器系统200包括两个电阻器链，每个电阻器链包括欧姆电阻器的串联连接或阶梯式布置。具体地，包括第一电阻器Rs1，Rs2，...，Rsn的第一电阻器链215与第二第一子组件R1b和第一第二子组件R2a的串联连接并联。此外，包括第二电阻器Rr1，Rr2，...，Rrn的第二电阻器链225与第二第三子组件R3b和第一第四子组件R4a的串联连接并联。

[0081] 如可以从图2中看出的，由第一传感器路径110和第一电阻器链215生成多个输入信号。所有这些生成的输入信号馈入到比较器单元252，其中相应地，一个输入信号被指派给比较器元件b0，b1，...，bn之一的第一(左)输入端。从第一中间节点in1取出第一输入信号，第一中间节点in1位于第一第一子组件R1a和第二第一子组件R1b之间。从第二中间节点in2取出第二输入信号，第二中间节点in2位于第一第二子组件R2a和第二第二子组件R2b之间。从至少一个第一内部节点tn取出至少一个输入抽头信号(图2中明显示出了两个输入抽头信号)。

[0082] 如可以从图2中进一步看出的，由第二传感器路径120和第二电阻器链225生成多个输入信号。所有这些生成的参考信号被馈入给比较器单元252，其中相应地一个参考信号被指派给比较器元件b0，b1，...，bn之一的第二(右)输入端。从第一参考节点rn1取出第一参考信号，第一参考节点rn1位于第一第三子组件R3a和第二第三子组件R3b之间。从第二参考节点rn2取出第二参考信号，第二参考节点rn2位于第一第四子组件R4a和第二第四子组件R4b之间。从至少一个第二内部节点tn’取出至少一个参考抽头信号(图2中明显示出了两个参考抽头信号)。

[0083] 所提及的是，所描述的差分闪存模数转换的精度是n个第一电阻器Rs1，Rs2，...，Rsn和n个第二电阻器Rr1，Rr2，...，Rrn的直接函数。

[0084] 如以上关于传感器系统100已经提及的，当多个子组件R1a，R1b，R2a，R2b，R3a，R3b，R4a和R4b的欧姆电阻值满足以上指出的条件(1)、(2)和(3)中的至少一些时，将针对不同的操作状态使全桥配置平衡。如果传感器系统200也满足相同的条件，则传感器系统200的精度将非常高。

[0085] 所指出的是，依赖于差分闪存ADC原理的传感器系统200，当需要非常快地执行模数转换时将尤其非常有利。这意味着，传感器系统200可以具体地用于高频应用。由此，在以下各项中的至少一个具有高频时可以给出“高频”：在(i)要测量的物理量和(ii)电源电压Vs上呈现的噪声。

[0086] 图3根据发明的第三实施例示出了传感器系统300，其中模数转换依赖于Σ-Δ转换器的概念。在需要良好的线性度而不是高速的情况下，该传感器系统300为应用提供最大的优势。图3中所示的传感器系统300包括多比特转换器。然而，相同的拓扑还可以用于单比特Σ-Δ转换器。

[0087] 根据Σ-Δ转换的已知基本原理，第一电阻器链215的第一节点通过相应的一个第一开关S选择性地与中央信号节点csn连接。如可以从图3中看出的，由第一中间节点in1、第二中间节点in2和至少一个第一内部节点tn给出这些第一节点。此外，第二电阻器链225的第二节点通过相应的一个第二开关S’选择性地与中央参考节点crn连接。如可以从图3中看出的，由第一参考节点rn1、第二参考节点rn2和至少一个第二内部节点tn’给出这些第二节点。所有第一开关S和所有第二开关S'的位置由编码单元358控制，编码单元358代表传感器系统300的处理单元350的一部分。

[0088] 处理单元350还包括Σ-Δ转换器356，其根据这里所描述的实施例由电压电流转换器356a、积分单元C和多比特ADC 356b组成。多比特ADC 356b的输出代表数字输出信号dout。数字输出信号dout还用作编码单元358的驱动信号。根据Σ-Δ转换的基本原理，处理单元350持续地且迭代地试图找到所有第一开关S和第二开关S’的交换模式，其交换图案使得中央信号节点csn处的电压电平在高度上与中央参考节点crn的电压电平相等。

[0089] 如以上关于传感器系统100和200已经提及的，当多个子组件R1a，R1b，R2a，R2b，R3a，R3b，R4a和R4b的欧姆电阻值满足以上指出的条件(1)(2)和(3)中的至少一些时，将针对不同的操作状态使传感器系统300的全桥配置平衡。

[0090] 所提及的是，有利地使用本文中所描述的特定布线的传感器系统300还可以基于反馈数模转换器(DAC)(例如SAR(逐次逼近寄存器)转换器)结合任意ADC来使用。在这种转换器中，输入信号与DAC的输出做比较，并且驱动DAC使得输入信号与DAC输出之间的差异最小化。可以简单地通过将DAC阶梯的输出与ADC的输入连接的方式来在这种系统中使用所提出的DAC。然后，这种系统将工作，以使得两个DAC输出信号之间的差异最小化。DAC输出的驱动将是输入信号的数字表示。

[0091] 还可以使用阶梯DAC来降低级联信号处理电路所需的输入电压范围。可以利用DAC阶梯来补偿信号的一部分，并且剩余信号可以由与阶梯连接的读出进行处理，该读出从而将必须处理较小幅度的信号。

[0092] 还可以在单端配置中使用电路，其中仅一个子范围DAC连接到电压到电流转换器(gm阶段)的一个输入并且中央节点与电压到电流转换器的另一个输出连接。

[0093] 参照以上关于图2和3呈现的传感器系统200和300，指出在相应传感器系统的左侧(即，输入信号生成部分)，可以省略第二第一子组件R1b和第一第二子组件R2a。在这种情况下，在第一中间节点in1与第二中间节点in2之间不存在连接或耦合。这意味着第一电阻器链215将是第一传感器路径110的一部分。

[0094] 相应地，参照以上关于图2和3呈现的传感器系统200和300，在相应传感器系统的右侧(即，参考信号生成部分)，可以省略第二第三子组件R3b和第一第四子组件R4a。在这种情况下，在第一参考节点rn1与第二参考节点rn2之间不存在连接或耦合。这意味着第二电阻器链225将是第二传感器路径120的一部分。

[0095] 参考标记

[0096] 100  传感器系统

[0097] 105  供电电源/电源电压源

[0098] Vs   电源电压

[0099] GND  地

[0100] st1  第一供电端子

[0101] st2  第二供电端子

[0102] 110  第一传感器路径

[0103] 111  第一感测元件

[0104] 112  第二感测元件

[0105] 120  第二传感器路径

[0106] 123  第三感测元件

[0107] 124  第四感测元件

[0108] R1a  第一第一子组件

[0109] R1b  第二第一子组件

[0110] R2a  第一第二子组件

[0111] R2b  第二第二子组件

[0112] R3a  第一第三子组件

[0113] R3b  第二第三子组件

[0114] R4a  第一第四子组件

[0115] R4b  第二第四子组件

[0116] in    中间节点

[0117] in'   另一中间节点

[0118] rn1   第一参考节点

[0119] rn2   第一参考节点

[0120] vinp  输入信号/第一桥信号

[0121] vinn  另一输入信号/第二桥信号

[0122] vrefp 第一参考信号

[0123] vrefn 第二参考信号

[0124] B1    缓冲器

[0125] B2    缓冲器

[0126] 150   处理单元

[0127] ADC   模数转换器

[0128] dout  数字传感器输出信号

[0129] 200   传感器系统

[0130] in1   第一中间节点

[0131] in2   第二中间节点

[0132] 215   具有第一电阻器Rs1，Rs2，...，Rsn的第一电阻器链

[0133] 225   具有第二电阻器Rr1，Rr2，...，Rrn的第二电阻器链

[0134] tn    第一内部节点

[0135] tn'   第二内部节点

[0136] 250   处理单元

[0137] 252   具有比较器元件b0,b1,...,bn的比较器单元

[0138] 254   解码单元

[0139] 300   传感器系统

[0140] 350   处理单元

[0141] 356   Σ-Δ转换器

[0142] 356a  电压电流转换器

[0143] 356b  多比特ADC

[0144] C    积分单元/积分电容器

[0145] 358  编码单元

[0146] S    第一开关

[0147] S'   第二开关

[0148] csn  中央信号节点

[0149] crn  中央参考节点