CN101568847A

CN101568847A - 磁场传感器电路

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Publication number: CN101568847A
Application number: CNA2007800439356A
Authority: CN
Inventors: 哈里斯·迪里克; 特尼斯·让·伊金克; 汉斯·马克·贝尔·贝维
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Titan Automotive Solutions; Titan Zhixing Technology Co ltd
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: EP2089732A2; WO2008065574A2; US20100053789A1; WO2008065574A3; CN101568847B; US7818890B2

Abstract

一种磁场传感器电路，包括第一磁阻传感器(Rx)，其在第一方向上感测第一磁场分量以提供第一感测信号(Vx)。第一翻转线圈(FC1)将极性周期性改变的第一翻转磁场施加到第一磁阻传感器(Rx)，以使第一感测信号(Vx)具有与第一翻转磁场同步的交变的不同电平。第二磁阻传感器(Ry)在不同于第一方向的第二方向上感测第二磁场分量，以提供第二感测信号(Vy)。第二翻转线圈(FC2)将极性周期性改变的第二翻转磁场施加到第二磁阻传感器(Ry)，以使第二感测信号(Vy)具有与第二翻转磁场同步的交变的不同电平。第一翻转磁场与第二翻转磁场具有相移。差动放大器(AMP1)接收第一感测信号(Vx)和第二感测信号(Vy)，以获得差信号(Vd)。第一同步解调器(DEM1)接收差信号(Vd)和第一切换信号(Q1)以提供表示第一磁场分量的第一输出信号(Vox)，其中第一切换信号(Q1)被相位锁定于第一感测信号(Vx)的交变的不同电平。第二同步解调器(DEM2)接收差信号(Vd)和第二切换信号(Q2)来提供表示第二磁场分量的第二输出信号(Voy)，其中第二切换信号(Q2)被相位锁定于第二感测信号(Vy)的交变的不同电平。

Description

磁场传感器电路

技术领域

本发明涉及一种磁场传感器电路、一种包括该磁场传感器电路的电子罗盘、一种包括该磁场传感器电路的手提式设备和一种包括该磁场传感器电路的车辆。

背景技术

1998年6月12日的题目为“通用磁场传感器”(还由“分立半导体下的文件，SC17”来表示)的针对分立半导体的飞利浦半导体数据表公开了一种磁场传感器，其包括四个以惠斯登电桥(Wheatstone bridge)方式排列的磁阻传感器。

磁阻传感器由一条称为坡莫合金的铁磁性材料组成。磁阻传感器的电阻取决于通过铁磁性材料条的电流与内部磁化矢量之间的夹角。内部磁化矢量取决于所施加的外部磁场分量的强度，该外部磁场垂直于传感器中的电流方向。

这种磁阻传感器本性是双稳态的。增加了翻转(flipping)线圈，该翻转线圈产生具有交替的相反方向的极短持续时间(几微秒)的短暂、强烈的非永久磁场脉冲。这些交变磁场用于消除偏移效应，可容易地通过简单将线圈绕于传感器周围来产生。根据通过翻转线圈的电流脉冲的电流方向，在与电流方向平行的方向上产生正的或负的翻转场。翻转引起传感器输出信号极性的改变。实质上，在感测周期的一半中感测正常磁化方向加上偏移的未知场，而在周期的另一半期间感测反向磁化方向加上偏移的未知场。这导致对称地置于偏移值附近的两个不同输出。在高通滤波、整流和低通滤波信号之后，得到针对未知场的没有偏移的连续值。

磁阻传感器包括四个以惠斯登电桥结构排列的磁阻元件。差动放大器感测电桥两个连接点之间的电压，来提供表示被测量磁场的输出信号。必须注意，需要两个这样的电桥，在两个不同方向上以其各自的差动放大器来感测磁场。

数据表还公开一种使用电磁反馈来补偿温度相关的灵敏度差异的最佳方法。这种方法考虑到，如果没有施加外部磁场，磁阻传感器的输出是独立于温度的。增加补偿线圈来产生补偿外部场的磁场。因此，补偿线圈产生的磁场垂直于翻转线圈产生的磁场。如果外部磁场改变，则传感器的输出电压也改变。这个电压变化转化成通过补偿线圈的电流。补偿线圈产生与输出电压变化成比例的磁场。该场具有与感测的外部场分量方向相反的方向。因此，补偿线圈的场恰好补偿外部场。通过补偿线圈的电流是对感测的外部磁场的度量。

数据表在图26示出了一种积分器IC2B，其对磁阻传感器两端的电压进行滤波，并向运算放大器反馈滤波后的电压，该运算放大器放大磁阻传感器两端的电压来获得偏移补偿。

已有技术的磁场传感器电路具有缺点，当存在干扰EM(电磁)辐射时不能最佳地完成任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁场传感器电路，在存在干扰EM辐射的情况下具有改进的性能。

本发明的第一方面提供一种磁场传感器电路。本发明的第二方面提供一种电子罗盘。本发明的第三方面提供一种手提式设备。本发明的第四方面提供一种车辆。在从属权利要求中定义有利的实施例。

根据本发明的第一方面的磁场传感器电路，包括第一磁阻传感器，其感测在第一方向上的第一磁场分量来提供第一感测信号。这个第一方向是实质垂直于磁阻元件中电流方向的方向。第一翻转线圈与第一磁阻传感器相关联以将周期性改变极性的第一翻转磁场供给第一磁阻传感器。通常，用极性交替的相对短的脉冲来驱动翻转线圈。外部磁场的实际感测在脉冲中间完成。

磁场传感器电路还包括第二磁阻传感器，其感测在不同于第一方向的第二方向上的第二磁场分量。第二翻转线圈与第二磁阻传感器相关联以将周期性改变极性的磁场供给第二磁阻传感器。

差动放大器接收第一感测信号和第二感测信号，以提供作为第一和第二感测信号的差的差信号。第一同步解调器接收差信号和第一切换信号，以提供表示第一磁场分量的第一输出信号，第一切换信号被相位锁定于第一感测信号的交变的不同电平。第二同步解调器接收差信号和第二切换信号，以提供表示第二磁场分量的第二输出信号，第二切换信号被相位锁定于第二感测信号的交变的不同电平。由于第一和第二翻转线圈分别产生的场的交变的极性，因此在同一外部磁场处产生了第一和第二感测信号的不同电平。

与已有技术相比，此时差动放大器提供差信号，该差信号为两个磁阻传感器获得的感测信号的差。因此，在差动放大器的输出信号中，很大程度上抑制了共模EM辐射对第一和第二感测信号两者的影响。

已存在的翻转线圈用于获得具有交变的不同电平和不同相位的感测信号。同步解调器使用锁定于感测信号不同相位处的切换信号来分离存在于相同差信号中的第一和第二感测信号。同步解调器以熟知的方式操作，并不再详细地解释。

实施例中，第一磁阻传感器是第一磁阻元件，且第二磁阻传感器是第二磁阻元件。第一电流源向第一磁阻元件提供第一电流，以获得通过第一磁阻元件的第一感测信号。第二电流源向第二磁阻元件提供第二电流，以获得通过第二磁阻元件的第二感测信号。因此，代替每个都具有四个磁阻元件的两个惠斯登电桥(Wheatstone bridge)，现在仅需要两个磁阻元件。在传感器需要明显较少的空间的情况下(尤其涉及移动应用)这是有利的。必须注意，在具有特殊传感器面积的惠斯登电桥全桥结构中，感测电压约为具有四分之一特殊面积的单磁阻元件两端电压的两倍高。

在实施例中，磁场传感器电路还包括第一驱动器和第二驱动器，第一驱动器向第一翻转线圈提供具有交变极性的第一序列脉冲的电流，第二驱动器向第二翻转线圈提供具有交变极性的第二序列脉冲的电流。在恒定的外部磁场，第一驱动器脉冲的交变极性使得第一感测信号具有两个交变的不同电平。一个电平同步于具有正电平的第一驱动器脉冲而发生，另一电平同步于具有负电平的第一驱动器脉冲而发生。因此，第一感测信号的电平在驱动器提供每个脉冲之后改变。以同样的方式，在恒定的外部磁场，第二驱动器脉冲的交变极性使得第二感测信号具有两个不同的电平。第一序列脉冲和第二序列脉冲具有非零相位偏移，以使能通过同步解调重新得到结合在差信号中的第一和第二感测信号。

在实施例中，用于从差信号重新获得第一感测信号的第一切换信号的电平针对每一个第一序列脉冲都发生改变，以实现同步解调。第二切换信号的电平针对每一个第二序列脉冲都发生改变，以实现第二感测信号的同步解调。

在实施例中，当同步解调器DEM1和DEM2持续地保持(意思是差信号乘以1)时，两个磁场传感器都翻转。在每一个低通滤波器之后，获得偏移的DC值。滤掉两个磁场传感器所测量的由地磁信号差产生的交变部分。

在实施例中，磁场传感器电路还包括模数转换器，用于将差信号转换为数字差信号。DC电平控制器包括数模转换器，以便当同步解调器持续地保持时响应于至少一个输出信号来控制第二电流源。

在实施体中，磁场传感器电路还包括用于对第一输出信号进行低通滤波的第一低通滤波器或第一积分器，和用于对第二输出信号进行低通滤波的第二低通滤波器或第二积分器。第一低通滤波器和第二低通滤波器可具有从500Hz到1000Hz的范围的带宽，以使其可检测磁场传感器的自由下落。

磁场传感器可在电子罗盘中实现。可选地使用加速器来确定设备相对水平面的倾斜。以这种方式可实现一种倾斜补偿的E罗盘。作为另一种选择，可仅使用2D或3D磁力计来构造E-罗盘，但是设备随即需要保持水平(如机械罗盘)或者通过应用某种软件补偿而仅允许有限的倾斜范围。由于其小尺寸，磁场传感器在手提式设备(例如PDA和移动电话)中实现是有利的。高共模抑制尤其关注于其中产生高EM场的设备，例如移动电话或车辆。

磁场传感器电路的输出信号连同加速器可用于检测手提式设备是否正在下落。如果检测到手提式设备确实在下落，可采取适当行动来使装置击中表面时的损坏最小化。例如，如果手提式设备包括硬盘，可将硬盘磁头移入停止区。

从此后描述的实施例将会清楚本发明的这些及其他方面，并且将通过参考此后描述的实施例来进行说明。

附图说明

在图示中：

图1示出了已有技术的使用翻转线圈的磁场传感器电路的电路图，

图2示出了磁阻传感器元件已知的两个稳定操作模式，

图3示出了用于说明图1所示电路操作的信号，

图4示出了已有技术的使用翻转线圈和补偿线圈的磁场传感器电路图，

图5示出了根据本发明的磁场传感器电路实施例的电路图，

图6示出了说明图5中电路操作的信号，

图7示出了磁场传感器电路的另一个实施例的电路图，

图8示出了说明模拟偏移补偿的电路图，

图9示出了电子罗盘的方框图，

图10示出了具有磁场传感器电路的手提式设备的方框图，和

图11示出了一种包括磁场传感器电路的车辆。

需要注意，在不同图中具有相同参考数字的项具有相同结构特

征和相同功能，或者是相同信号。在已经说明了这样的项的功能和/或结构的情况下，在详细描述中没有必要重复说明。

具体实施方式

图1示出了已有技术的使用翻转线圈的磁场传感器电路的电路图。磁场传感器电路包括感测单元1、预放大器2、偏移滤波器3、相位敏感解调器4、翻转驱动器5和时钟电路6，其中感测单元1包括磁场传感器10和翻转线圈11。

翻转驱动器提供通过翻转线圈11的电流IF。电流IF的极性周期地交变，以在两个稳定操作模式间改变传感器操作，在两个稳定操作模式中，传感器材料条在相反方向上磁化。一旦传感器10处于一种稳定操作状态，它将保持在这种模式，直到施加的场足够强来朝反方向改变传感器材料条的磁化。因此，短时间内提供电流脉冲IF给翻转线圈，以使传感器材料条在两个方向中的一个方向上磁化。接着，移除这个脉冲，并且在第一操作模式中电阻随着施加的外部场的增强而增加的传感器10准备感测外部磁场。然后，电流脉冲IF再次在短时间内提供给翻转线圈，以使传感器材料条在相反方向磁化。这个脉冲终止后，此时处于第二操作模式中其电阻随外部场的增强而减小的传感器10准备第二次外部场的感测。因此，翻转引起传感器输出信号VS电平的改变。第一和第二操作模式期间，传感器的输出信号VS对称地处在偏移值附近。预放大器2放大两个输出信号VS。偏移滤波器3对放大的输出信号AVS进行高通滤波。相位敏感解调器4将滤波后的输出信号FS进行整流，以获得输出电压VO的电平，输出电压VO是在与通过传感器10的电流方向垂直的方向上所感测的磁场分量强度的度量。

传感器10包括四个以惠斯登电桥排列的磁阻传感器元件。这不是指必须根据元件通常在惠斯登电桥中的表现机械地决定传感器元件的位置。所有四个传感器元件的主体可以平行地排列并且电互连来形成惠斯登电桥。电流不需要以与传感器元件中主体延伸方向相同的方向在传感器元件中流动。例如，可使用barber pole结构(在主体上的与主体延伸方向具有夹角的导电带)来获得磁阻效应(见先前提到的飞利浦数据表的例图12)的线性化。

图2示出了磁阻传感器元件的已知的两个稳定操作模式。沿水平轴示出在与磁传感器10材料中电流方向相垂直的方向上的所施加的磁场分量Hy。沿垂直轴示出传感器10的电阻RS。在第一操作模式中，作为具有特定极性的翻转脉冲的结果，传感器10的内部磁化被定向来使电阻与施加的磁场分量之间的关系按照实曲线表现。在第二操作模式中，作为反向极性的翻转脉冲的结果，传感器的内部磁化具有相反的方向，并且电阻与施加的磁场分量之间的关系按照虚曲线表现。两个曲线均有偏移RO。

如果外部磁场分量值为HE，则在两种操作模式期间的这个场分量的连续测量值提供关于偏移RO对称的不同电阻值L2和L1。

图3的A到D示出了用于说明图1所示电路的操作的信号。

图3的A示出了通过翻转线圈11的翻转电流脉冲IF和传感器10材料的内部磁化IM(见虚线)的结果。

图3的B示出了传感器10两端的感测电压VS。通过传感器10在第一操作模式期间的电阻确定电平HL，并且通过传感器10在第二操作模式期间的电阻确定电平LL。针对图3说明的实施例中，感测的磁场大于图2所示的场HE。此时，感测电压VS的极性不同。偏移电压VO与图2中偏移电阻RO相对应。

图3的C示出了移除偏移之后关于零对称的高通滤波信号FA。

图3的D示出了作为整流后的高通滤波信号FA的输出信号VO。图3所示的实施例中，磁化IM为正的时间t1到t2和t3到t4的时间段与磁化IM为负的时间t2到t3的时间段具有相同的持续时间T。

图4示出了已有技术的使用翻转线圈和补偿线圈的磁场传感器的电路图。磁场传感器电路包括感测单元1、预放大器和偏移抑制电路的组合12、相位敏感解调器4、翻转驱动器5、时钟电路6和电流调整器13，其中感测单元1包括磁场传感器10、翻转线圈11和补偿线圈14。

包括了翻转驱动器、翻转线圈11、预放大器和偏移抑制电路以及相位敏感解调器4的电路部分与图1所示电路相同并从而以相同方式操作。预放大器与偏移抑制电路的组合12是图1所示的预放大器2和偏移滤波器3的组合。

此时，相位敏感解调器4的输出信号VO用于控制电流调整器13来提供通过补偿线圈14的电流，以使通过补偿线圈14产生的磁场对将要感测到的外部磁场进行补偿。电流调整器13提供输出信号VR，该输出信号VR表示通过补偿线圈14所需的电流，并且是与传感器10的传感器元件中的电流方向垂直的外部磁场分量强度的度量。这个电磁反馈提供随温度灵敏度漂移的补偿，因为这个漂移对传感器10的零总场是最小的。

必须注意，关于图1和4所示的两个电路，如果必须感测二维磁场，需要两个这样的电路。因此，需要两个传感器10的惠斯登电桥，将它们定位来使其对具有不同方向的磁场分量产生响应。如果将传感器10的惠斯登电桥定位来使其对垂直的磁场分量产生响应，则达到最佳灵敏度。

图5示出了根据本发明的磁场传感器电路实施例的电路图。

第一磁阻传感器Rx被定位以获得第一方向上的最大灵敏度。因此，如果传感器Rx是单独的磁阻元件，则第一方向垂直于通过传感器材料的电流方向。如果传感器Rx包括四个以惠斯登电桥方式排列的磁阻元件，则安排该电桥以获得第一方向上的最大灵敏度。第二磁阻传感器Ry被定位以获得不同于第一方向的第二方向上最大的灵敏度。而且，传感器Ry可以是单磁阻元件或磁阻元件的惠斯登电桥。在实施例中，第一与第二方向垂直，以获得用于要感测的二维外部场的传感器电路的最大灵敏度。

电流源CSx向传感器Rx提供电流Ix，以获得传感器电压Vx，并且电流源CSy向传感器Ry提供电流Iy，以获得传感器电压Vy。两个电流源CSx、CSy或其中之一可以是可控制的，来补偿系统中的偏移。偏移可通过集总的偏移电压源Voff表示。在所示实施例中，电流源CSy是可调的。

驱动器FD1接收定时信号Q1，来控制通过与传感器Rx相关联的翻转线圈FC1的电流IF1。驱动器FD2接收定时信号Q2，来控制通过与传感器Ry相关联的翻转线圈FC2的电流IF2。

差动放大器AMP1具有正向输入端来接收传感器电压Vx，并且具有反向输入端来接收传感器电压Vy。差动放大器AMP1的输入极性可在不改变电路基本操作的情况下互换。以Voff表示的电压源不是实际存在的，而是表示系统中的偏移电压。放大器AMP1提供实施例中示为差分信号的差信号Vd。

同步解调器DEM1接收差信号Vd和定时信号Q1，以通过同步解调从差信号Vd重新获得传感器信号Vx。解调信号Vox通过低通滤波器LP1的低通滤波，以获得表示第一方向上所感测的磁场分量强度的输出信号Voxf。同步解调器DEM2通过逆变器或180度移相器PS接收差信号Vd和定时信号Q2，以通过同步解调从差信号Vd重新获得传感器信号Vy。解调信号Voy通过低通滤波器LP2的低通滤波，以获得表示第二方向上所感测的磁场分量强度的输出信号Voyf。如果省略移相器PS，必须反转解调信号Voy或输出信号Voyf。

定时信号Q1和Q2必须具有相位差，以使能将传感器电压Vx和Vy从差信号Vd解调。优选地但非必须地，定时信号Q1和Q2的相位差为90度。另外一种选择是，定时信号Q1和Q1可具有相互不应为奇数倍的不同频率来使得能够同步解调。分别提供给驱动器FD1和FD2的定时信号Q1和Q2应产生短脉冲，以连续地使传感器Rx、Ry的内部磁化交变，从而分别获得外部磁场的两个测量值。分别提供给解调器DEM1和DEM2的定时信号Q1和反向的Q2，应与分别由交变的内部磁化产生的传感器信号Vx、Vy的电平切换同步，以允许恰当的同步解调。

差动放大器AMP1的使用具有显著抑制了传感器信号Vx和Vy中的共模干扰的优点。例如，这种共模干扰可能由包含传感器Rx、Ry的设备产生，例如移动电话。共模干扰可能由外部场或电磁源产生。但是，由于存在差动放大器AMP1，因此两个传感器信号Vx、Vy是混合的。通过使用已存在的翻转线圈将混合信号分离来产生移相磁场，并且使用与翻转线圈FC1、FC2所产生的翻转磁场同步的信号用以将差信号Vd同步解调。

如果传感器Rx和Ry是单磁阻元件，传感器Rx和Ry及电子电路需要的总面积比已有解决方案小很多，其中已有解决方案必须使用传感器元件的两个惠斯登电桥。由于存在移除共模干扰的差动放大器AMP1，因此单传感器元件的灵敏度低于惠斯登电桥的灵敏度就不那么重要了。

对于本发明，不是必须既向驱动电路FD1、FD2又向解调器DEM1、DEM2提供相同的定时信号Q1和Q2。重要的是正确地连接它们，以使同步解调有效地分离差分信号Vd中的两个感测信号Vx和Vy。

图6的A到I示出了说明图5电路操作的信号。

图6的A示出了定时信号Q1，并且图6的B示出了定时信号Q2。在所示实施例中，定时信号Q1和Q2具有相同频率、90度相移和可选的标准化电平1和-1。定时信号Q1在t10和t14时刻改变到电平1，并且在t12时刻改变到电平-1。定时信号Q2在t11和t15时刻改变到电平1，并且在t13时刻改变到电平-1。

图6的C示出了通过翻转线圈FC1的电流IF1，翻转线圈FC1产生足够强的磁场来使传感器Rx的内部磁化翻转，而对传感器Ry的磁化方向没有影响。图6的D示出了通过翻转线圈FC2的电流IF2，翻转线圈FC2产生足够强的磁场来使传感器Ry的内部磁化翻转，而对传感器Rx的磁化方向没有影响。翻转电流IF1和IF2可包括具有电平和持续时间的相对短的脉冲，例如微秒的量级，分别足够改变传感器Rx、Ry的内部磁化。翻转电流IF1和IF2的脉冲发生时刻分别与定时信号Q1和Q2同步。

图6的E示出了用于第一方向上将要感测的磁场分量特定值的传感器Rx两端的电压Vx。由于传感器Rx的内部磁化的翻转，感测电平与定时信号Q1同步变化。如图2所示，由于翻转，感测电平关于图2中由RO表示的并在图6的E中由平均电平AV1表示的偏移电平对称出现。必须注意，幅度AM1是对第一方向上所感测的磁场分量强度的度量。图6的E示出了用于第二方向上将要感测的磁场分量特定值的传感器Ry两端的电压Vy，第二方向通常垂直于第一方向延伸。由于传感器Ry的内部磁化的翻转，感测电平与定时信号Q2同步变化。同样，感测电平关于图6的F中由平均电平AV2表示的偏移电平RO对称出现。幅度AM2是第二方向上所感测的磁场分量强度的度量。在所示实施例中，偏移电平AV1与AV2不同，且幅度AM1是幅度AM2的三倍。

图6的G示出了通过从传感器信号Vx减去传感器信号Vy获得的差信号Vd。

图6的H示出了通过将图6的E中的传感器信号Vx与定时信号Q1相乘获得的解调信号Vox。通过低通滤波器LP1的低通滤波后，获得具有幅度AM1一半的平均电平AV3的输出信号Voxf。图6的I示出了通过将图6的F中的传感器信号Vy与反向定时信号Q2相乘获得的解调信号Voy。通过低通滤波器LP2的低通滤波后，获得具有幅度AM2一半的平均电平AV4的输出信号Voyf。翻转电流IF1和IF2与传感器信号Vx和Vy的同步解调(其解调信号与翻转电流IF1和IF2同步)之间的相移允许从差信号Vd中恢复出两个感测的磁场分量的强度。另一方面，通过增加差动放大器AMP1，极大地改进了共模抑制。

可使用传感器电压Vx和Vy的DC电平来偏置差动放大器AMP1的输入级。

图7示出了磁场传感器电路另一个实施例的电路图。电流源CSx提供预定恒定电流Ix给传感器Rx，以获得取决于第一方向(例如直角坐标系x、y中的x方向)上磁场分量强度的传感器两端感测电压Vx。电流源CSy提供可控电流Iy给传感器Ry，以获得取决于第二方向(例如直角坐标系x、y中的y方向)上磁场分量强度的传感器两端感测电压Vy。响应于定时信号Q1，驱动器FD1提供电流给与传感器Rx相关联的翻转线圈FC1。响应于定时信号Q2，驱动器FD2提供电流给与传感器Ry相关联的翻转线圈FC2。而且，使用定时信号Q1和Q2获得传感器Rx和Ry中内部磁化的翻转，其中选择定时信号Q1和Q2的频率和相位来使得能进行差信号Vd的同步解调。通过在差动放大器AMP1中从传感器电压Vx减去传感器电压Vy来获得差信号Vd。

代替图5所示的模拟电路，现在使用数字信号处理器SP来重新获得x和y方向上的感测的磁场分量。在防混叠滤波器AAF中将差信号Vd滤波，以获得低通滤波后的差信号Vdf。模数转换器将模拟的低通滤波后的差信号转换为数字差信号。数字信号处理器SP接收数字差信号和时钟信号CLK。使用时钟信号CLK来产生提供给驱动器FD1和FD2的定时信号Q1和Q2。还使用时钟信号CLK来完成同步解调和低通滤波，以获得分别代表x和y方向外部磁场分量的数字输出信号Voxf和Voyf。

数字信号处理器SP也完成数字域的偏移补偿。计算DC偏移并通过调整电流源CSy的电流来消除该DC偏移。可以使用单独的数模转换器DAC来将信号处理器SP提供的偏移消除控制信号转换为用于电流源CSy的模拟控制信号。另一种选择是，电流源CSy可为数模转换器DAC。偏移消除改进了数模转换器DAC的动态范围的利用。DC偏移的确定可通过翻转传感器而省略信号处理器SP中的数字解调并计算差信号Vd的平均值来实现。

信号处理器SP中数字低通滤波器的重要带宽在于从约500Hz到1000Hz的范围。下限值必须选择为可以检测快速事件如传感器系统的自由下落，这个范围的频率上限选择为尽可能低以最小化功耗并保持信号处理器SP尽可能简单。必须注意，将要感测的信号为地磁场，地磁场是静磁场。用户用手自由地移动设备并且通过这样做，用高达几十赫兹(如高达50Hz)的频率调制感测的DC磁场。因此，对于正常使用，重要带宽从零扩展到50Hz。但是，如果设备的自由下落应是可检测的，那么高于50Hz的频率应是可检测的且需要从零到500Hz的带宽。

用于定时信号Q1和Q2的翻转频率可选择为与数字滤波器的截止频率相同。防混叠滤波器AAF的截止频率应该足够高，以至少通过差信号Vd的前三谐波。通常，防混叠滤波器AAF的5kHz的截止频率是足够的，并且模数转换器ADC的采样率可设为10kHz。

图8示出了用于说明模拟偏移补偿的电路图。电流源CSx提供通过传感器Rx的电流Ix，并且电流源CSy(如FET)提供通过传感器Ry的电流Iy。尽管存在翻转线圈及其驱动器，但没有将它们示出。差动放大器AMP1提供差分信号Vd，差分信号Vd为传感器Rx两端的电压减去传感器Ry两端的电压所得。而且，系统中的偏移电压通过偏移电压源Voff表示。互导放大器TA接收其反向输入端和非反向输入端之间的差分电压Vd。互导放大器TA的输出通过电容C被平均并提供给FET CSy的栅极。

接通电源电压Vcc后，FET CSy不向传感器Ry提供电流。因此，Ry上的电压为零伏特而传感器Rx两端的电压等于Ix*Rx。由放大器TA提供的电流引起电容C两端电压的增加。电容C两端所得的电压一直增加到FET CSy向传感器Ry提供电流Iy，以使电压Iy*Ry达到一个在差动放大器AMP1的反向输入端和非反向输入端获得相等电压的值。因此，直到偏移电压Voff得到补偿。将包括放大器TA和电容C的反馈回路的带宽选择来使具有翻转频率的信号不影响偏移补偿。

图9示出了电子罗盘的方框图。电子罗盘包括根据本发明的磁场传感器电路MFSC，例如如图5或7所示。磁场传感器电路MFSC可构造为感测地磁场的二维部分或完整的三维地磁场。加速器ACM提供表示地球重力场方向的信号。方向确定电路PD接收磁场传感器电路MFSC和加速器ACM的输出信号，以确定电子罗盘相对于地球的方向，如在欧洲专利申请(ID691963)(还未公布？)中公开的例子。

图10示出了具有磁场传感器电路的手提式设备的方框图。手提式设备MM包括传感器块SBL，传感器块SBL包括磁场传感器电路MFSC和加速器。手提式设备MM还包括自由下落检测器FFD和显示器DP。自由下落检测器FFD耦接到传感器块SBL，以从感测的磁场和感测的重力场的变化来检测手提式设备是否正在下降，并且如果是在下降就关闭手提式设备(没有示出)。还可将感测的磁场和/或重力场处理为要在显示DP上显示的数据DS。手提式设备例如是移动电话、PDA、导航装置、游戏控制台。

如果手提式设备包括硬盘HD，则自由下落检测器FFD还可以在检测到该设备下降时用于使硬盘HD的磁头停到安全停止区中。

图11示出了包括磁场传感器电路MFSC的车辆。在车辆中，磁场传感器电路例如可用于导航目的来判定地磁北极。

应该注意，以上提到的实施例说明而不限制本发明，并且所属领域技术人员将可在不脱离所附权利要求范围的情况下设计许多替代实施例。例如，尽管所有实施例都使用两个传感器来感测二维磁场，但如果要感测三维磁场也可再增加另外的传感器。三个翻转线圈中的电流应具有不同相位和/或频率，以使可以从差信号中重新获得单独的传感器信号。

在权利要求中，任何括号中的参考符号将不解释为限制权力要求。词语“包括”及类似词语的使用不排除权利要求陈述之外的其他元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一”或“一个”不排除这些元件复数的存在。本发明可通过包括几个不同元件的硬件和通过合适的程序计算机来实现。装置权利要求列举的一些装置中，其中的几个可通过同一硬件实施。在相互不同的从属权利要求中记载了特定手段这一事实并不表示这些手段的结合不能用来获益。

Claims

1.一种磁场传感器电路，包括：

-第一磁阻传感器(Rx)，其用于在第一方向上感测第一磁场分量以提供第一感测信号(Vx)；

-第一翻转线圈(FC1)，其用于将极性周期性改变的第一翻转磁场施加到第一磁阻传感器(Rx)，以使第一感测信号(Vx)具有与第一翻转磁场同步的交变的不同电平；

-第二磁阻传感器(Ry)，其用于在不同于第一方向的第二方向上感测第二磁场分量以提供第二感测信号(Vy)；

-第二翻转线圈(FC2)，其用于将极性周期性改变的第二翻转磁场施加到第二磁阻传感器(Ry)，以使第二感测信号(Vy)具有与第二翻转磁场同步的交变的不同电平，第一翻转磁场的相位与第二翻转磁场的相位不同；

-差动放大器(AMP1)，其用于接收第一感测信号(Vx)和第二感测信号(Vy)以获得差信号(Vd)；

-第一同步解调器(DEM1)，其用于接收差信号(Vd)和第一切换信号(Q1)以提供表示第一磁场分量的第一输出信号(Vox)，其中第一切换信号(Q1)被相位锁定于第一感测信号(Vx)的交变的不同电平，和

-第二同步解调器(DEM2)，其用于接收差信号(Vd)和第二切换信号(Q2)以提供表示第二磁场分量的第二输出信号(Voy)，其中第二切换信号(Q2)被相位锁定于第二感测信号(Vy)的交变的不同电平。

2.如权利要求1所述的磁场传感器电路，其中第一磁阻传感器(Rx)是第一磁阻元件(Rx)，并且其中第二磁阻传感器(Ry)是第二磁阻元件(Ry)，磁场传感器电路还包括：

-第一电流源(CSx)，其用于向第一磁阻元件(Rx)提供第一电流(Ix)以获得第一感测信号(Vx)，和

-第二电流源(CSy)，其用于向第二磁阻元件(Ry)提供第二电流(Iy)以获得第二感测信号(Vy)。

3.如权利要求1所述的磁场传感器电路，还包括第一驱动器(FD1)和第二驱动器(FD2)，第一驱动器(FD1)用于向第一翻转线圈(FC1)提供具有交变极性的第一序列脉冲的电流，第二驱动器(FD2)用于向第二翻转线圈(FC2)提供具有交变极性的第二序列脉冲的电流，并且其中第一序列脉冲与第二序列脉冲具有非零相移。

4.如权利要求3所述的磁场传感器电路，其中第一切换信号(Q1)的电平针对第一序列脉冲的每一个发生改变，并且其中第二切换信号(Q2)的电平针对第二序列脉冲的每一个发生改变。

5.如权利要求2所述的磁场传感器电路，其中第一同步解调器(DEM1)暂时连续保持有效以获得第一输出信号(Vox)，该第一输出信号是对偏移的度量，并且DC电平控制器(DLC1，SP)用于接收第一输出信号(Vox)以控制第二电流源(CSy)的DC电平来补偿偏移。

6.如权利要求5所述的磁场传感器电路，还包括模数转换器(ADC)，用于将差信号(Vd)转换为数字差信号(Vdf)，并且其中DC电平控制器(SP)包括数模转换器(DAC)，用于响应于第一输出信号(Vox)的值来控制第二电流源(CSy)。

7.如权利要求1所述的磁场传感器电路，还包括用于将第一输出信号(Vox)低通滤波的第一低通滤波器或第一积分器(LP1)，和用于将第二输出信号(Voy)低通滤波的第二低通滤波器或第二积分器(LP2)。

8.如权利要求7所述的磁场传感器电路，其中第一低通滤波器(LP1)和第二低通滤波器(LP2)具有从500Hz到1000Hz范围的带宽。

9.一种电子罗盘，其包括权利要求1中的磁场传感器电路(MFSC)和与磁场传感器电路(MFSC)耦接的方向确定电路(PD)，方向确定电路(PD)用于确定关于地球的方向。

10.一种手提式设备，其包括权利要求9的电子罗盘。

11.如权利要求10所述的手提式设备，还包括硬盘(HD)和耦接到磁场传感器电路(MFSC)与加速器(ACM)的自由下落检测器(FFD)，自由下落检测器(FFD)用于检测手提式设备是否正在下落，并且如果是正在下落，则用于将硬盘(HD)的磁头停到停止区中。

12.一种车辆(VE)，其包括权利要求1中的磁场传感器电路(MFSC)。