DE102004009267B3 - Selection arrangement for magneto-resistive component, has regulated voltage source to generate offset voltage in output branch for adjusting signal hub of magneto-resistive component - Google Patents

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Abstract

The arrangement has a selection circuit with an input side branch having regulated current and voltage sources (Q0s) and input lead resistors. An output branch circuit is provided with outgoing feeder resistors, and a processing unit for processing of a diminishable signal at a magneto-resistive component. The regulated voltage source generates an offset voltage in an output branch for adjusting a signal hub of the component.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ausleseeinrichtung wenigstens eines magnetoresistiven Elementes, dessen Signal sich in Abhängigkeit von einer äußeren Messgröße ändert, wobei die Einrichtung eine Ausleseschaltung aufweist, welche einen eingangsseitigen Stromzweig des magnetoresistiven Elementes mit einer Konstantstromquelle oder einer Konstantspannungsquelle sowie Zuleitungswiderständen und einen ausgangsseitigen Stromzweig mit Ableitungswiderständen umfasst, und mit Mitteln zur Weiterverarbeitung des an dem magnetoresistiven Element abnehmbaren Signals versehen ist. Eine entsprechende Ausleseeinrichtung ist z.B. in der DE 39 33 311 C2 als Stand der Technik offenbart.The invention relates to a read-out device of at least one magnetoresistive element whose signal changes in response to an external measurement, the device having a readout circuit having an input side current branch of the magnetoresistive element with a constant current source or a constant voltage source and supply resistors and an output side current branch Abführungswiderständen comprises, and provided with means for further processing of the removable element on the magnetoresistive signal. A corresponding readout device is eg in the DE 39 33 311 C2 disclosed as prior art.

Bei vielen Sensoren sind ihre Signalgrößen, die insbesondere Widerstandsgrößen sein können, durch verschiedene Effekte in ihrem Signalhub limitiert. Es werden deshalb große Anstrengungen zu einer Steigerung des Signalhubs unternommen.at Many sensors are their signal sizes, which are in particular resistance values can, through different effects limited in their signal stroke. It will therefore size Made efforts to increase the signal swing.

Im Folgenden wird explizit auf ein magnetoresistives Sensorelement vom sogenannten Tunnel-Magneto-Widerstands (TMR oder JMR)-Typ eingegangen (vgl. z.B. „Appl. Phys. Lett.", Vol.69, No.5, 29.Juli 1996, Seiten 708 bis 710), obwohl die angesprochenen Überlegungen auch für andere magnetoresistive Elemente, deren Signal sich in Abhängigkeit von einer äußeren Messgröße ändert, in Ansatz zu bringen sind.in the The following explicitly refers to a magnetoresistive sensor element received from the so-called tunnel magneto-resistance (TMR or JMR) type (See, e.g., "Appl. Phys. Lett. ", Vol.69, No.5, July 29, 1996, pages 708 to 710), although the considerations mentioned also for other magnetoresistive elements whose signal varies depending on an external measurand changes, in To bring approach.

Der TMR-Effekt wird durch die elektronische Polarisation der beteiligten magnetischen Materialien, das Barrierenmaterial und die Defektdichte an den Grenzflächen und in der Barriere bestimmt. Ideal wäre eine 100%ige Spinpolarisation.Of the TMR effect is involved by the electronic polarization of the magnetic materials, the barrier material and the defect density at the interfaces and determined in the barrier. Ideal would be a 100% spin polarization.

Die Definition des TMR-Signalhubes T eines TMR-Elementes ist folgendermaßen gegeben: T: = ΔR/Rmin = (Rmax – Rmin)/Rmin (1) The definition of the TMR signal swing T of a TMR element is given as follows: T: = ΔR / R min = (R Max - R min ) / R min (1)

Ein TMR-Sensor mit 100%iger Spinpolarisation würde einen Effekt von einem unendlichen Wert aufweisen. Bisher ist es nicht gelungen, bei Raumtemperatur eine derart hohe Spinpolarisation in einem entsprechenden Element zu erreichen. Realistische Werte des TMR-Effektes betragen einige 10 % bis maximal etwa 60 %. Dies entspricht einer Spinpolarisation von etwa 50 %.One TMR sensor with 100% spin polarization would have an effect of one have infinite value. So far, it has not succeeded at room temperature such a high spin polarization in a corresponding element to reach. Realistic values of the TMR effect are some 10% to a maximum of about 60%. This corresponds to a spin polarization of about 50%.

Das Auslesen des Signalhubes eines entsprechenden TMR-Sensorelementes geschieht beispielsweise mit Hilfe einer an sich bekannten Standardschaltung( vgl. z.B. die DE 39 33 311 C2 ), wie sie in 1 der Zeichnung angedeutet ist. Mit dieser für Einzelsensoren besonders günstigen Schaltung kann eine sogenannte Vier-Punkt oder Draht/Leiter)-Messung erfolgen, die einen Eliminierung aller Zuleitungs- und Ableitungswiderstände ermöglicht. In der Figur sind bezeichnet mit
Ze ein eingangsseitiger, durch eine gestrichelte Schleife dargestellter Stromzweig,
R1, R3 Zuleitungswiderstände bzw. deren Widerstandswerte,
Qi eine Konstantstromquelle,
i1 ein eingangsseitiger Strom der Quelle,
Za ein ausgangsseitiger Stromzweig in zu Ze entsprechender Darstellung,
R2, R4 Ableitungswiderstände bzw. deren Widerstandswerte,
u2 eine ausgangsseitige Spannung,
MS diese Spannung verarbeitende und auswertende, in der Figur nicht näher ausgeführte, da an sich bekannte Mittel
sowie mit
RT ein TMR-Sensorelement bzw. dessen Widerstandswert.The readout of the signal swing of a corresponding TMR sensor element occurs, for example, with the aid of a standard circuit known per se (cf., for example, US Pat DE 39 33 311 C2 ), as in 1 the drawing is indicated. With this circuit, which is particularly favorable for individual sensors, a so-called four-point or wire / conductor) measurement can be carried out, which makes it possible to eliminate all supply and discharge resistances. In the figure are designated with
E e an input side, represented by a dashed loop branch current,
R1, R3 lead resistances or their resistance values,
Q i is a constant current source,
i1 an input-side current of the source,
Z a is an output-side current branch in a representation corresponding to Z e ,
R2, R4 lead resistances or their resistance values,
u2 an output voltage,
MS this voltage processing and evaluating, not detailed in the figure, as known per se means
as well as with
RT is a TMR sensor element or its resistance value.

Dieses Sensorelement ist an seinen beiden Anschlusspunkten A1 und A2 eingangsseitig in den eingangsseitigen Stromzweig Ze und ausgangsseitig in den ausgangsseitigen Stromzweig Za integriert.This sensor element is integrated at its two connection points A 1 and A 2 on the input side into the input-side current branch Z e and on the output side into the output-side current branch Z a .

Bei dieser bekannten Standardschaltung zur Vier-Punkt-Messung läuft der Strom i1 durch das Sensorelement RT und erzeugt einen exakt messbaren Spannungsabfall u2, falls der Strom i2 = 0 ist. Der Widerstandswert RT des TMR-Widerstandes kann in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld die beiden Werte Rmin und Rmax annehmen. Dabei kann sein Signalhub T für einen konstanten Messstrom i1 folgendermaßen beschrieben werden: T: = (u2max – u2min)/u2min (2a) T: = (i2 * Rmax – i2 * Rmin)/i2 * Rmin (2b)(Dabei bedeuten „*" das Multiplikationszeichen und „/" das Divisionszeichen.).In this known standard circuit for four-point measurement, the current i1 passes through the sensor element RT and generates an exactly measurable voltage drop u2, if the current i2 = 0. The resistance value RT of the TMR resistor can assume the two values R min and R max depending on an external magnetic field. In this case, its signal stroke T for a constant measuring current i1 can be described as follows: T: = (u2 Max - u2 min ) / U2 min (2a) T: = (i2 * R Max - i2 * R min ) / i2 * R min (2 B) (Where "*" is the multiplication sign and "/" is the division sign).

Für eine konstante Messspannung u1 von einer Konstantspannungsquelle ergäben sich entsprechende Gleichungen.For a constant Measuring voltage u1 from a constant voltage source would result corresponding equations.

Will man zu einer Steigerung des Signalhubes T gelangen, so ist an Gleichung (2) anzusetzen. Unter Bezugnahme auf Gleichung (2b) eröffneten sich insbesondere folgende Möglichkeiten:

  • – Rmax→ unendlich; wie vorstehend angesprochen, ist eine entsprechende Erhöhung der Spinpolarisation nicht bekannt.
  • – i2 → null; hierbei würde sich kein Effekt ergeben, da sowohl der Nenner als auch der Zähler von Gleichung (2b) nach null gingen.
  • – Rmin → null; Rmin ist insbesondere aus technologischen und geometrischen Gründen eine vorgegebene Größe, die nur in beschränktem Umfang variiert werden kann.
If you want to get to an increase of the signal swing T, so is to be attached to equation (2). With reference to equation (2b), in particular the following possibilities opened up:
  • - R max → infinity; As mentioned above, a corresponding increase in spin polarization is not known.
  • - i2 → zero; no effect would result because both the denominator and the numerator of equation (2b) went to zero.
  • - R min → zero; R min is in particular from technology and geometrical reasons a given size, which can be varied only to a limited extent.

D.h., es sind keine Ansätze bekannt, den tatsächlichen TMR-Effekt zu erhöhen. Durch einen parasitären geometrischen Effekt (vgl. die eingangs genannte Literaturstelle aus „Appl. Phys. Lett."), insbesondere auf Grund von inhomogenen Stromverteilungen, konnte zwar der gemessene TMR-Effekt verbessert werden. Dies ist jedoch nur für Sensorelemente mit großen Flächen und hohen Zuleitungswiderständen realisierbar; solche Sensorelemente sind jedoch für einen konkreten Einsatz uninteressant.that is, they are not approaches known the actual Increase TMR effect. By a parasitic geometric effect (see the cited reference from "Appl. Phys. Lett. "), In particular due to inhomogeneous current distributions, although the measured TMR effect can be improved. However, this is only for sensor elements with big surfaces and high lead resistances realizable; however, such sensor elements are for one concrete use uninteresting.

Klassische Verstärkerschaltungen in Silizium-Technologie können zwar auch schwache TMR-Signalhübe derart verstärken, dass eine Weiterverarbeitung z.B, als digitaler Signallevel möglich ist. Nachteilig ist jedoch dabei, dass bei linearen Verstärkern auch Rmin mit verstärkt wird. D.h., die relative Änderung des Signals bleibt auch hier praktisch unverändert.Although classical amplifier circuits in silicon technology can also amplify weak TMR signal strokes in such a way that further processing, for example, as a digital signal level is possible. The disadvantage, however, is that in linear amplifiers and R min is reinforced with. That is, the relative change of the signal remains practically unchanged.

Aus der DE 100 08 987 C2 geht ein Verfahren zum Anpassen von magnetoresistiven Positionssensoren an Kurbelwellen und Nockenwellen eines Motors hervor. Hierbei wird das Signal einer Brückenschaltung mit zwei magnetoresistiven Elementen mittels eines Gleichstrom-Offset-Gliedes dahingehend eingestellt, dass Fehlanpassungen der magnetoresistiven Elemente beseitigt werden. Das Offset-Glied stellt folglich von seiner Funktion her ein Abgleichmittel dar, das einen angeschlossenen Komparator-Operationsverstärker auf den Kennlinienbereich der magnetoresistiven Elemente einstellt. Eine Verstärkung des Signalhubs der magnetoresistiven Elemente ist damit nicht verbunden.From the DE 100 08 987 C2 discloses a method of adjusting magnetoresistive position sensors to crankshafts and camshafts of an engine. Here, the signal of a bridge circuit with two magnetoresistive elements is adjusted by means of a DC offset element to the effect that mismatches of the magnetoresistive elements are eliminated. The offset element thus constitutes in terms of its function a balancing means which adjusts a connected comparator operational amplifier to the characteristic range of the magnetoresistive elements. An amplification of the signal swing of the magnetoresistive elements is not connected to this.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Ausleseeinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass mit ihr eine Signalerhöhung ermöglicht wird, ohne dass die vorstehend angesprochenen Probleme bedeutsam sind.task The present invention is the Ausleseeinrichtung with the to design the aforementioned features such that with her a signal increase allows becomes significant without the problems discussed above are.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß soll die Ausleseeinrichtung das Merkmal aufweisen, dass in ihrem ausgangsseitigen Stromzweig eine Konstantspannungsquelle zur Erzeugung einer Offset-Spannung vorgesehen ist, die ein Mittel zur Einstellung eines Signalhubs des wenigstens einen magnetoresistiven Elementes ist.These The object is achieved by the measures specified in claim 1 solved. Accordingly, the Reading device having the feature that in its output side Stromzweig a constant voltage source for generating an offset voltage is provided, which is a means for setting a signal lift of the at least one magnetoresistive element.

Mit dieser erfindungsgemäßen Maßnahme wird die Gleichheit von der Beziehung u2 = i2 * RT (3)gezielt aufgehoben. Damit ändert sich die Gleichung (2) folgendermaßen: Teff = [Rmax + u0/i1 – (Rmin + u0/i1)/(Rmin + u0/i1) = T * Rmin * i1/(Rmin * i1 + u0), (4) wobei Teff der tatsächliche Signalhub und u0 die als eine Offset-Spannung ansehbare Spannung der Konstantspannungsquelle sind.With this inventive measure, the equality of the relationship u2 = i2 * RT (3) deliberately reserved. Thus, equation (2) changes as follows: T eff = [R Max + u0 / i1 - (R min + u0 / i1) / (R min + u0 / i1) = T * R min * i1 / (R min * i1 + u0), (4) where T eff is the actual signal swing and u 0 is the constant voltage source voltage seen as an offset voltage.

Die Wirksamkeit dieser Maßnahme kann an Hand der Gleichung (4) folgendermaßen abgeschätzt werden:

  • • Bei Rmin * i1 = –u0 (5)tritt eine Polstelle auf.
  • • Folgende Stabilität ist gegeben: Der Stromnullpunkt von i1 verschiebt sich gegenüber dem Spannungsnullpunkt von u2; d.h., geht der Strom i1 → null, geht Teff ebenfalls → null.
  • • Da die erfindungsgemäße Ausleseeinrichtung nunmehr nicht linear auf eine [u2 = i2 * RT]-Änderung reagiert, können die einzelnen Parameter der Teile der Schaltung ohne weiteres so eingestellt werden, dass die gewünschte Steigerung des Signalhubes erreicht wird.
The effectiveness of this measure can be estimated by means of equation (4) as follows:
  • • at R min * i1 = -u0 (5) occurs a pole.
  • • The following stability is given: The current zero point of i1 shifts with respect to the voltage zero point of u2; ie, if the current i1 → zero, T eff also goes to → zero.
  • Since the read-out device according to the invention does not react linearly to a [u2 = i2 * RT] change, the individual parameters of the parts of the circuit can easily be adjusted so that the desired increase in the signal swing is achieved.

Magnetoresistive Elemente mit entsprechend erhöhtem Signalhub sind deshalb insbesondere zu einer Ausbildung von Elementen der Sensorik, der magnetischen Logik oder von Speicherzellen oder vor Teilen dieser Elemente geeignet.magnetoresistive Elements with correspondingly increased Signaling are therefore in particular to a formation of elements sensors, magnetic logic or memory cells or suitable before sharing these elements.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ausleseeinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die erfindungsgemäße Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden.advantageous Embodiments of the readout device according to the invention go from the dependent ones claims out. In this case, the embodiment according to the invention according to claim 1 with the features of one of the dependent claims or preferably also with which are combined from several subclaims.

Demgemäß können für die Ausleseeinrichtung vorteilhaft noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden

  • • So kann der eingangsseitige Stromzweig die Konstantstromquelle enthalten und kann auch dem ausgangsseitigen Stromzweig das magnetoresistive Element zugeordnet sein. Es ergibt sich so eine einfache Ausleseschaltung analog zu dem bekannten Vier-Punkt-Messaufbau.
  • • Stattdessen ist es aber auch möglich, dass der eingangsseitige Stromzweig die Konstantspannungsquelle und einen Messwiderstand enthält, der auch dem ausgangsseitigen Stromzweig zugeordnet ist.
  • • Bei der letztgenannten Ausführungsform kann der Spannungsabfall an dem Messwiderstand mittels der Konstantspannungsquelle zur Erzeugung der zusätzlichen Offset-Spannung eingestellt werden.
  • • Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn das wenigstens eine magnetoresistive Element vom AMR- oder GMR- oder CMR- oder insbesondere vom TMR-Typ ist.
  • • Vorteilhaft wird die Offset-Spannung zwischen 0 und 1,5 Volt liegend gewählt.
Accordingly, the following features can advantageously be additionally provided for the readout device
  • Thus, the input-side current branch may contain the constant current source and may also be assigned to the output-side current branch of the magnetoresistive element. This results in a simple readout circuit analogous to the known four-point measurement setup.
  • Instead, however, it is also possible that the input-side current branch contains the constant-voltage source and a measuring resistor, which is also assigned to the output-side current branch.
  • In the latter embodiment may the voltage drop across the sensing resistor can be adjusted by means of the constant voltage source to generate the additional offset voltage.
  • Furthermore, it is particularly advantageous if the at least one magnetoresistive element is of the AMR or GMR or CMR or in particular of the TMR type.
  • Advantageously, the offset voltage is selected lying between 0 and 1.5 volts.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen derenThe invention will be described below with reference to FIGS 2 to 5 further explained. In the drawing show their

1 die eingangs bereits beschriebene Ausleseeinrichtung nach dem Stand der Technik für eine Vier-Punkt-Messung, 1 the already described prior art readout device for a four-point measurement,

2 eine erste Ausführungsform einer Ausleseeinrichtung nach der Erfindung mit einer eingangsseitigen Konstantstromquelle, 2 a first embodiment of a readout device according to the invention with an input-side constant current source,

3 in einem Diagramm den relativen effektiven Signalhub Teff/T in Abhängigkeit von einem Eingangsstrom i1 für eine Ausführungsform nach 2, 3 in a diagram, the relative effective signal swing T eff / T in response to an input current i1 for an embodiment after 2 .

4 für eine entsprechende Ausführungsform in einem weiteren Diagramm den TMR-Effekt in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld Hext
und 4 for a corresponding embodiment in another diagram, the TMR effect in response to an external magnetic field H ext
and

5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ausleseeinrichtung mit einer eingangsseitigen Konstantspannungsquelle. 5 a further embodiment of a readout device according to the invention with an input side constant voltage source.

Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen sei explizit nur ein Sensorelement vom TMR-Typ angenommen. Sinngemäß gilt jedoch das Gleiche auch für andere magnetoresistive Elemente wie insbesondere vom AMR- oder GMR- oder CMR-Typ (vgl. z.B. den Band „XMR-Technologien" – Technologieanalyse: Magnetismus; Bd. 2, VDI-Technologiezentrum „Physikalische Technologien", Düsseldorf (DE), 1997, Seiten 11 bis 46). Gleichfalls wird hier als Anwendung nur ein einzelnes Element zugrunde gelegt. Jedoch sind andere Anwendungen mit mehreren Elementen, beispielsweise der MRAM-Technologie oder magnetischen Logik möglich. Auch andere Sensorprinzipien, die als Signalgröße einen Strom oder eine Spannung aufweisen, wie z.B. von Hall-Sensorelementen, Temperatursensoren oder Druckdosen, können in eine entsprechende Ausleseeinrichtung integriert sein, um an ihnen einen höheren Signalhub zu gewinnen.at the following embodiments explicitly assume only one sensor element of the TMR type. Analogously, however, applies the same for other magnetoresistive elements such as in particular from the AMR or GMR or CMR type (see, for example, the volume "XMR Technologies" - Technology Analysis: Magnetism; Vol. 2, VDI Technology Center "Physical Technologies ", Düsseldorf (DE), 1997, pages 11 to 46). Likewise, here as an application only based on a single element. However, there are other applications with several elements, for example the MRAM technology or magnetic logic possible. Other sensor principles that use a current or voltage as signal size such as e.g. Hall sensor elements, temperature sensors or pressurized cans be integrated into a corresponding read-out device to give them a higher one Signal swing to win.

Die Ausführungsform der Ausleseschaltung nach 2 einer erfindungsgemäßen Einrichtung unterscheidet sich von der bekannten Ausführungsform nach 1 lediglich dadurch, dass in ihren ausgangsseitigen Stromzweig Za zusätzlich eine Spannungsquelle Qos mit der Konstantspannung u0 als sogenannter Offset eingefügt ist.The embodiment of the readout circuit according to 2 A device according to the invention differs from the known embodiment 1 merely in that in its output-side current branch Z a in addition a voltage source Q os is inserted with the constant voltage u0 as a so-called offset.

Die Steigerung des Signalhubs auf Grund dieser Maßnahme kann durch Simulation leicht abgeschätzt werden: Für Rmin = 100 Ω ergeben sich mit u0 als Parameter die Kurvenverläufe des Diagramms der 3. Dabei sind in Abszissenrichtung der Strom i1 (in Ampere) und in Ordinatenrichtung der davon abhängige relative effektive Signalhub Teff/T (in %) aufgetragen. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, bewirkt ein positiver Strom i1 für die einzelnen angegebenen Parameter von u0 eine Verstärkung. So kann z.B. für eine konstante Offset-Spannung u0 = –0,1 V bei einem Strom i1 = 0,7 mA eine Steigerung des Signalhubs um den Faktor 4 (= 400 %) abgelesen werden. Diese Steigerung ist in dem Diagramm durch eine gepfeilte Linie S veranschaulicht.The increase of the signal stroke due to this measure can be easily estimated by simulation: For R min = 100 Ω, the curve characteristics of the diagram of the graph are given by u0 as a parameter 3 , In the abscissa direction, the current i1 (in amperes) and in the ordinate direction are plotted against the relative effective signal swing T eff / T (in%) dependent thereon. As can be seen from the diagram, a positive current i1 causes a gain for the individual given parameters of u0. For example, for a constant offset voltage u0 = -0.1 V with a current i1 = 0.7 mA, an increase in the signal swing by a factor of 4 (= 400%) can be read off. This increase is illustrated in the diagram by a swept line S.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel einer Ausleseschaltung nach 2 ergibt sich dann das aus 4 ersichtliche Messdiagramm des magnetoresistiven Effektes TMR (in %) in Abhängigkeit von einem externen Magnetfeld Hext (in A/m), wobei hier als konkrete Parameter gewählt wurden:
i1 = 100 μA; RT = 75 Ω; Kurve K1: u0 = 0 V;
Kurve K2: u0 = –10 mV. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass sich ein Signalhub von ca. 12 % (Kurve K1) auf ca. 350 % (Kurve K2) verstärken lässt. Selbstverständlich sind noch größere Verstärkungen zu erreichen. D.h., durch Addition einer Offset-Spannung u0 in dem ausgangsseitigen Stromzweig der erfindungsgemäßen Ausleseeinrichtung ist auf einfache Weise eine Verstärkung des Signalhubs von Sensorelementen möglich.According to a concrete embodiment of a readout circuit according to 2 then it turns out 4 apparent measurement diagram of the magnetoresistive effect TMR (in%) as a function of an external magnetic field H ext (in A / m), with concrete parameters chosen here:
i1 = 100 μA; RT = 75 Ω; Curve K1: u0 = 0 V;
Curve K2: u0 = -10 mV. It can be seen from the diagram that a signal swing of approx. 12% (curve K1) can be increased to approx. 350% (curve K2). Of course, even larger reinforcements can be achieved. That is, by adding an offset voltage u0 in the output-side current branch of the read-out device according to the invention a gain of the signal swing of sensor elements is possible in a simple manner.

Nachfolgend wird noch auf fünf verschiedene konkrete Ausführungsmöglichkeiten a) bis e) von erfindungsgemäßen Ausleseeinrichtungen näher eingegangen:following will be on five various concrete execution options a) to e) of readout devices according to the invention more detail:

a) Konstantstromquelle Qi für i0a) Constant current source Q i for i0

Es wird eine Standardstromquelle mit einer Ausgangsspannung vorgesehen, die durch Gleichung (3) vorgegeben ist. Der Messstrom steht für die Signalhub-Auswertung durch Stromspiegel oder ähnliche zur Verfügung. Dabei wird die Spannung uT (bei einem Signalhub T) zweckmäßig nicht zu groß gewählt, um eine Zerstörung des Sensorelementes zu vermeiden. Es gilt die folgende Beziehung: uTmin = i1 * Rmin = u0 * Teff/T/(1 – Teff/T), (6)wobei uTmin die Spannung bei minimalem Signalhub bedeutet.There is provided a standard current source with an output voltage given by equation (3). The measuring current is available for the signal swing evaluation by current mirror or similar. In this case, the voltage μT (in the case of a signal swing T) is expediently not selected too large in order to avoid destruction of the sensor element. The following relationship applies: bDC min = i1 * R min = u0 * t eff / T / (1 - T eff / T), (6) where uT min means the voltage at minimum signal swing.

b) Offset-Spannungsquelle Qos für u0b) Offset voltage source Q os for u0

  • – Vorteilhaft wird eine Spannung um 0 V gewählt, die kleiner als die Betriebsspannung ist, um so eine einfache Generierung zu ermöglichen. Der Spannungsbereich von u0 wird vorzugsweise zwischen 0 Volt und 1,5 Volt liegend gewählt.- Advantageous is chosen a voltage around 0 V, the less than the operating voltage is, so easy generation to enable. The voltage range of u0 is preferably between 0 volts and Chosen 1.5 volts lying.
  • – Die Spannung u0 sollte größer als das Grundrauschen der Schaltung sein, z.B. bei 0,1 V liegen.- The Voltage u0 should be greater than the noise floor of the circuit, e.g. at 0.1V.
  • – Eine Potenzialfreiheit sollte gewährleistet sein, falls die Offset-Spannungsquelle sich in dem ausgangsseitigen Zweig Za gemäß 2 in dessen oberen Ast des Zweiges befindet.- A potential freedom should be ensured if the offset voltage source is in the output side branch Z a in accordance with 2 located in the upper branch of the branch.
  • – Demgegenüber kann ein Potenzialbezug vorhanden sein, falls die Spannungsquelle in dem unteren Ast dieses Zweiges sich befindet und die Spannungsmessung potenzialfrei ist.- In contrast, can there must be a potential reference if the voltage source is in the lower branch of this branch is located and the voltage measurement is potential-free.
  • – Für die Spannungsquelle kann vorteilhaft eine Bandgap-Referenz-Quelle z.B. mit 1,24 V, eine Schottky-Diode z.B. von 0,3 V in Siliziumtechnologie oder ein pn-Übergang eines Si-Halbleiterbauelementes mit etwa 0,65 V vorgesehen werden.- For the voltage source may advantageously be a bandgap reference source e.g. at 1.24V, a Schottky diode e.g. of 0.3 V in silicon technology or a pn junction a Si semiconductor device may be provided at about 0.65V.
  • – Sollten niedrige Spannungen erforderlich sein, so kann dies über einen Spannungsteiler sehr einfach realisiert werden.- Should low voltages may be required, this can be done over one Voltage dividers are very easy to realize.
  • – Eine weitere TMR-Zelle kann vorgesehen werden, die in einfacher Weise, insbesondere mittels eines Resetstromes oder einer magnetischen Schirmung, auf Rmin eingestellt wird und an der ein entsprechender Spannungsabfall hervorgerufen wird.A further TMR cell can be provided, which is set in a simple manner, in particular by means of a reset current or a magnetic shield, to R min and at which a corresponding voltage drop is caused.

c) Dimensionierung weiterer Parameterc) sizing others parameter

Für u0 = 0,3 V und i1 * Rmin = 0,35 V ergibt sich eine Verstärkung von Teff/T = 7; für diese Werte kann beispielsweise
eine niederohmige Anwendung wie in einem Festplattenkopf mit: RT = 100 Ω bei 3,5 mA oder
eine hochohmige Anwendung wie bei einem Drehsensor mit: RT = 117 kΩ bei 3 μA
vorgesehen werden.For u0 = 0.3 V and i1 * R min = 0.35 V results in a gain of T eff / T = 7; For example, for these values
a low-impedance application as in a hard disk head with: RT = 100 Ω at 3.5 mA or
a high-impedance application as with a rotary sensor with: RT = 117 kΩ at 3 μA
be provided.

d) Verwendung einer eingangsseitigen Konstantspannungsquelled) use of an input side Constant voltage source

Eine entsprechende Schaltung geht aus 5 hervor. Hier wird ein Spannungsabfall an einem Messwiderstand Rmess, der in den eingangsseitigen Stromzweig Ze integriert ist, verändert. Dies geschieht mit Hilfe der Offset-Spannung u0 der erfindungsgemäß zusätzlichen Konstantspannungsquelle Qu, welche sich in dem ausgangsseitigen Stromzweig Za befindet. Der Messwiderstand Rmess ist also als sowohl dem eingangsseitigen wie auch dem ausgangsseitigen Stromzweig zugehörend zu betrachten. Für diese alternative Schaltung nach der Figur wird der Strom i1 durch RT auch durch den Widerstand Rmess geleitet, der in einer zu 2 vergleichbaren Anordnung ausgelesen wird. Dabei verändert RT den fließenden Strom i1 folgendermaßen: i1: = u1/(RT + R1 + R3 + Rmess) = u1 (RT + RS), (7)wobei RS den Gesamtwert aller eingangsseitigen Zuleitungswiderstände bedeutet. R5 und R6 sind parasitäre Ableitungswiderstände in dem ausgangsseitigen Stromzweig Za; sie werden nicht von Strömen durchflossen. u2 errechnet sich zu u2: = i1 * Rmess – u0 = u1/(RT + RS) * Rmess – u0 (8) A corresponding circuit is off 5 out. Here, a voltage drop across a measuring resistor R mess , which is integrated into the input-side current branch Z e , changed. This is done with the aid of the offset voltage u0 of the present invention additional constant voltage source Q u , which is located in the output side branch current Z a . The measuring resistor R mess is therefore to be regarded as belonging to both the input side and the output side current branch. For this alternative circuit according to the figure, the current i1 is also passed through RT through the resistor R mess , which in one too 2 comparable arrangement is read out. RT changes the flowing current i1 as follows: i1: = u1 / (RT + R1 + R3 + R mess ) = u1 (RT + RS), (7) where RS means the total value of all input line resistances. R5 and R6 are parasitic leakage resistances in the output side branch Z a ; they are not flown through by streams. u2 is calculated too u2: = i1 * R mess - u0 = u1 / (RT + RS) * R mess - u0 (8)

Für diese Schaltung ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:

  • – Es kann eine einfache Konstantspannungsquelle Qu für die eingangsseitige Spannung u1 verwendet werden.
  • – Rmess kann in weiten Grenzen an die Anforderung der Ausleseschaltung angepasst werden.
  • – Ferner besteht die Möglichkeit, die Konstantspannungsquellen für die Offsetspannung u0 und die eingangsseitige Spannung u1 derart zu koppeln, dass sich nach Gleichung (8) ein stabilisierender Effekt ergibt.
In particular, the following advantages result for this circuit:
  • It is possible to use a simple constant voltage source Qu for the input-side voltage u1.
  • - R mess can be adapted within wide limits to the requirement of the readout circuit.
  • It is also possible to couple the constant-voltage sources for the offset voltage u0 and the input-side voltage u1 in such a way that a stabilizing effect results according to equation (8).

Rmess könnte ein Präzisionswiderstand oder ein integrierter Widerstand, z.B. ein Transistor als Widerstand sein.R mess could be a precision resistor or an integrated resistor, eg a transistor as a resistor.

e) Alternative für u0:e) Alternative for u0:

  • Rmin * (1 + T) * i1 = – u0 (5b)
lässt sich ebenso wählen, um den gleichen Verstärkungseffekt zu erhalten.
  • R min * (1 + T) * i1 = - u0 (5b)
can also be chosen to get the same boost effect.

Bei den vorstehend angesprochenen Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, dass als magnetoresistives Element ein Sensorelement insbesondere vom TMR-Typ zugrunde gelegt ist. Selbstverständlich kann das magnetoresistive Element auch als ein Element der magnetischen Logik oder einer Speicherzelle ausgebildet sein, wobei es das ganze Bauelement oder aber auch nur einen Teil eines solchen Elementes bilden kann.at The above-mentioned embodiments thereof assumed that as a magnetoresistive element, a sensor element in particular based on the TMR type. Of course, the magnetoresistive Element also as an element of the magnetic logic or a memory cell be formed, where it is the whole component or even only can form part of such an element.

Claims (10)

Ausleseeinrichtung wenigstens eines magnetoresistiven Elementes, dessen Signal sich in Abhängigkeit von einer äußeren Messgröße ändert, mit einer Ausleseschaltung, welche • einen eingangsseitigen Stromzweig des magnetoresistiven Elementes mit einer Konstantstromquelle oder einer Konstantspannungsquelle sowie Zuleitungswiderständen und • einen ausgangsseitigen Stromzweig mit Ableitungswiderständen umfasst, und mit Mitteln zur Weiterverarbeitung des an dem magnetoresistiven Element abnehmbaren Signals, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ausgangsseitigen Stromzweig (Za) eine Konstantspannungsquelle (Qos) zur Erzeugung einer Offset-Spannung (u0) vorgesehen ist, die ein Mittel zur Einstellung eines Signalhubs des wenigstens einen magnetoresistiven Elementes (RT) ist.Read-out device of at least one magnetoresistive element, the signal of which changes as a function of an external measured variable, with a read-out circuit, which has an input-side current branch of the magnetoresistive element with a constant current source or a constant voltage source and lead resistances and • an output-side current branch with Ableitungswiderständen includes, and means for further processing of the removable element on the magnetoresistive signal, characterized in that in the output-side current branch (Z a ) a constant voltage source (Q os ) for generating an offset voltage (u0) is provided which is a means for adjusting a signal swing of the at least one magnetoresistive element (RT). Ausleseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eingangsseitige Stromzweig (Ze) die Konstantstromquelle (Qi) enthält und dass auch dem ausgangsseitigen Stromzweig (Za) das magnetoresistive Element (RT) zugeordnet ist.Read-out device according to Claim 1, characterized in that the input-side current branch (Z e ) contains the constant-current source (Q i ) and that the magnetoresistive element (RT) is also assigned to the output-side current branch (Z a ). Ausleseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eingangsseitige Stromzweig (Ze) die Konstantspannungsquelle (Qu) und einen Messwiderstand (Rmess) enthält, der auch dem ausgangsseitigen Stromzweig (Za) zugeordnet ist.Read-out device according to Claim 1, characterized in that the input-side current branch (Z e ) contains the constant-voltage source (Qu) and a measuring resistor (R mess ) which is also assigned to the output-side current branch (Z a ). Ausleseeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall an dem Messwiderstand (Rmess) mittels der Konstantspannungsquelle (Qos) zur Erzeugung der zusätzlichen Offset-Spannung (u0) einzustellen ist.Read-out device according to Claim 3, characterized in that the voltage drop across the measuring resistor (R mess ) is to be set by means of the constant-voltage source (Q os ) for generating the additional offset voltage (u0). Ausleseeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine magnetoresistive Element (RT) vom AMR- oder GMR- oder CMR- oder insbesondere vom TMR-Typ ist.Readout device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the at least one magnetoresistive element (RT) of the AMR or GMR or CMR or in particular of the TMR type is. Ausleseeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Offset-Spannung (u0) zwischen 0 Volt und 1,5 Volt liegt.Readout device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the offset voltage (u0) is between 0 volts and 1.5 volts is. Ausleseeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Offset-Konstantspannungsquelle (Qos) eine Bandgap-Referenz-Quelle oder eine Schottky-Diode oder ein pn-Übergang eies Si-Halbleiterbauelementes vorgesehen ist.Read-out device according to one of the preceding claims, characterized in that a bandgap reference source or a Schottky diode or a pn junction of the Si semiconductor component is provided for the offset constant voltage source (Q os ). Ausleseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Offset-Konstantspannungsquelle (QoS) eine Spannungsteiler-Schaltung vorgesehen ist.Read-out device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that a voltage divider circuit is provided for the offset constant-voltage source (Q oS ). Ausleseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Offset-Konstantspannungsquelle (Qos) der Spannungsabfall an einem TMR-Element vorgesehen ist, das auf einen Minimalwiderstand (Rmin) eingestellt ist.Readout device according to one of claims 1 to 6, characterized in that for the offset constant voltage source (Q os ), the voltage drop is provided to a TMR element, which is set to a minimum resistance (R min ). Ausleseeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetoresistive Element (RT) als ein Element oder ein Teil eines Elementes der Sensorik, der magnetischen Logik oder einer Speicherzelle ausgebildet ist.Read-out device according to one of the preceding Claims, characterized in that the magnetoresistive element (RT) as an element or a part of an element of the sensor, the magnetic Logic or a memory cell is formed.
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