数字传感器系统
阅读：5发布：2022-04-21
专利汇可以提供数字传感器系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种数字 传感器 系统包括传感器元件，耦合到所述传感器元件的 模数转换 器 ，和被配置为响应于预定义事件激活所述传感器元件和所述模数转换器的唤醒 电路 。，下面是数字传感器系统专利的具体信息内容。
1.一种数字传感器系统，包括：
传感器元件；
耦合到所述传感器元件的模数转换器；和
唤醒电路，所述唤醒电路被配置为：
检测预定义事件；
基于检测预定义事件引起给所述传感器元件提供第一信号，其中所述第一信号引起所述传感器元件被激活，使得所述传感器元件执行感测行动并且提供与所述感测行动相关联的模拟信号；以及
基于检测预定义事件引起给所述模数转换器提供第二信号，其中所述第二信号引起所述模数转换器被激活，使得所述模数转换器对所述模拟信号进行转换，以生成数字信号。
2.如权利要求1所述的数字传感器系统，其中所述预定义事件包括从以下组选择的至少一个事件：预定义时间、预定义时间间隔的流逝，来自另外传感器元件的具有预定义值的信号、重置信号和诊断信号。
3.如权利要求1或2所述的数字传感器系统，还包括耦合到所述模数转换器的数字信号处理器。
4.如权利要求3所述的数字传感器系统，其中所述数字传感器系统配置为在由所述模数转换器生成的数字信号满足预定义标准的情况下，响应于所述传感器元件和所述模数转换器的激活，或响应于所述预定义事件，激活所述数字信号处理器。
5.如权利要求4所述的数字传感器系统，其中在制造或初始化所述数字传感器系统时设置所述预定义标准，并且其中，在操作期间，所述预定义标准是固定的或响应于设置信号是可变的。
6.如权利要求4所述的数字传感器系统，其中所述数字信号处理器配置为响应于由所述模数转换器生成的数字信号，修改所述预定义标准来获得新的预定义标准，并且由所述新的预定义标准来取代所述预定义标准。
7.如权利要求6所述的数字传感器系统，其中所述数字信号处理器配置为确定由所述模数转换器生成的所述数字信号是否在预定义范围内，
在所述模数转换器生成的所述数字信号在所述预定义范围之外的情况下，确定潜在的干扰或故障的存在，以及
引起所述预定义事件或所述预定义标准的改变，使得所述唤醒电路更频繁地激活所述传感器元件和所述模数转换器，或使得所述传感器元件和所述模数转换器被连续操作预定义时间段。
8.如权利要求4所述的数字传感器系统，还包括耦合到所述模数转换器的存储器，其中所述存储器被配置为存储所述预定义标准。
9.如权利要求3所述的数字传感器系统，其中所述数字信号处理器被配置为当未被激活时在睡眠模式中。
10.如权利要求9所述的数字传感器系统，其中所述数字信号处理器被配置为在处于所述睡眠模式中的同时向所述唤醒电路提供指示所述预定义事件的信号，并且保持在或返回到所述睡眠模式，直到激活为止。
11.如权利要求3所述的数字传感器系统，其中所述数字信号处理器包括耦合到所述模数转换器的数字比较器和耦合到所述数字比较器的信号处理电路。
12.如权利要求1或2所述的数字传感器系统，
包括配置为生成包括至少所述预定义事件的第一时钟信号的第一振荡器。
13.如权利要求12所述的数字传感器系统，包括配置为由所述第一时钟信号激活并且生成用于操作所述模数转换器的具有比所述第一时钟信号更高的时钟频率的第二时钟信号的第二振荡器，其中所述第二振荡器配置为当由所述模数转换器对来自所述传感器元件的所述模拟信号的处理完成时被解激活。
14.如权利要求12所述的数字传感器系统，其中所述数字信号处理器被配置为由第一时钟信号激活并且生成用于操作所述模数转换器的具有比所述第一时钟信号更高的时钟频率的第二时钟信号。
15.如权利要求1或2所述的数字传感器系统，其中至少所述传感器元件、所述模数转换器和所述唤醒电路被形成为集成电路芯片，所述集成电路芯片包括其上或其中形成所述传感器元件、所述模数转换器和所述唤醒电路的电路板，和耦合到所述传感器元件、所述模数转换器和所述唤醒电路的一个或多个外部触点。
16.如权利要求15所述的数字传感器系统，其中所述集成电路芯片还包括所述数字信号处理器的至少一部分。
17.如权利要求15所述的数字传感器系统，其中所述集成电路芯片还包括用于与外部数字信号处理器耦合的接口。
18.如权利要求1或2所述的数字传感器系统，包括控制器，其中所述控制器被配置为引起所述唤醒电路被激活或解激活，其中所述数字传感器系统配置为当所述唤醒电路被解激活时，响应于外部触发信号，连续地或间歇地操作。
19.如权利要求1或2所述的数字传感器系统，其中所述传感器元件包括一个或多个磁传感器或用于微调或诊断目的的测量物理量的传感器。
20.如权利要求19所述的数字传感器系统，其中所述一个或多个磁传感器包括xMR传感器、霍尔传感器或自旋电流霍尔传感器，并且所述物理量包括电压、温度或电流。
21.如权利要求1或2所述的数字传感器系统，其中所述唤醒电路配置为输出唤醒信号。
22.如权利要求21所述的数字传感器系统，其中所述唤醒信号包括脉冲或脉冲码。
数字传感器系统
技术领域
背景技术
[0002] 传感器在多种领域中使用，其中一些要求低功率传感器。传感器可用作用于用户交互的检测器，例如用于检测移动电话/小平板的打开/关闭，用于车辆中的控制，用于操纵杆等。传感器还可用作防篡改检测器，例如在静电计量等的领域中。传感器可进一步用在位置和动作检测器中，例如在如洗衣机等的家庭电器中。
[0003] 多个解决方案由于它们的耐久性而可使用非接触、磁性解决方案。上面提到的领域中的要求可包含单维传感器（1D传感器）的使用以及多维传感器（2D传感器或3D传感器）的使用。在磁性解决方案中，单维或多维传感器可使用霍尔传感器来实现。常规地，这样的传感器仅提供有限的功能，例如仅单个开关功能。然而，现在需要传感器提供附加的特征，并且仅提供单个开关功能是不再足够的。例如，期望线性感测来应付传感器系统的设置中的不精确，如磁设置中的不精确。这样的不精确可例如源自于传感器系统中使用的低成本部件的使用。这样的不精确通过使用微控制器并且通过实施特别功能，例如测量静电计中的磁背景场中的某个信号行为（如50Hz嗡嗡声）的功能，而不是仅检测具有某个强度的场是否存在来处理。在相同表征下，传感器系统可实施多样性以便实现在安全关键应用内中的较高的安全水平或诊断覆盖，诸如例如对于机动车辆的功能安全要求。
发明内容
[0005] 为了更完整理解本发明和其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，其中：
[0006] 图1示出实施低成本和低功率开关解决方案的示例性模拟传感器系统的框图；
[0007] 图2示出根据本发明的实施例的数字传感器系统的示意性框图；
[0010] 图5示出本发明的数字传感器系统的另一实施例，其中微控制器不具有与其关联的振荡器；
[0011] 图6示出在数字数据模式和开关模式中操作的根据本发明的数字传感器系统的另外实施例；
[0012] 图7示出使用多个传感器并且经由单个输出提供多维开关（判定的逻辑组合）以及一维PWM输出和一维线性输出的本发明的数字传感器系统的实施例；
[0013] 图8示出基于图3的传感器系统的多维数字传感器系统；
[0014] 图9示出再另一实施例，根据其，本发明的数字传感器系统包括片上数字信号处理器；
[0016] 图11示出如可根据本发明的实施例来使用的模拟/数字转换器的示例性实施方式；
[0017] 图12示出用于实施根据实施例的数字传感器系统的集成电路管芯的简化框图；
[0018] 图13示出发明的数字传感器系统的应用电路的实施例，其中图13（a）示出其中传感器芯片和微控制器接收不同供应电压的实施例，并且图13（b）示出其中传感器芯片和微控制器接收不同供应电压的实施例；
[0019] 图14示出实施3D传感器芯片的发明的数字传感器系统的另外实施例；
[0020] 图15示出可用于如图14描述的IC传感器芯片的应用电路的实施例，其中图15（a）示出使用六个管脚的实施方式，并且图15（b）示出使用八个管脚的实施方式；
[0021] 图16示出在关于图14描述的传感器IC的“低功率模式”中的转换方案；
[0022] 图17示出当图14中示出的IC传感器被在快速模式中操作时的转换方案；
[0024] 图19示出事件检测器电路的实施例，其可在图2的唤醒电路中被实施；
[0025] 图20图示用于固定限度值的面积优化比较器电路的实施例，其可在图19的电路中使用；以及
[0026] 图21图示使用图20的面积优化比较器电路的图19的电路的行为。
具体实施方式
[0027] 下文详细讨论本发明的实施例，然而应当认识到，本发明提供可被体现在各种各样的具体上下文中的很多可应用发明的概念。所讨论的具体实施例仅仅是说明做出和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。在实施例的以下描述中，具有相同功能的相同或相似元件具有与其关联的相同参考符号，并且对于每个实施例将不重复这样的元件的描述。
[0028] 将关于在磁传感器（例如霍尔传感器）的上下文中的实施例来描述本发明，然而本发明还可应用于其它传感器，如机械传感器（例如MEMS压力传感器、加速度计和致动器），或环境传感器（例如温度传感器、湿度传感器等）。
[0029] 图1是实施低成本和低功率开关解决方案的示例性模拟传感器系统的框图。传感器系统可包括霍尔传感器元件100，其响应于磁场，在线102上输出表示磁场的强度的传感器信号。模拟传感器信号被施加到模拟比较器/锁存电路104，其将经由线102接收的传感器信号与参考值比较。比较的结果被锁存在比较器/锁存电路104中并且比较器/锁存电路104的输出信号经由线106输出到输出驱动器108。输出驱动器108提供在输出线110上提供的传感器系统的输出信号。图1中示出的传感器系统还包括振荡器电路112，例如低成本和低功率振荡器电路，其在线114上向计数器116提供时钟信号，计数器116经由线118向偏置使能电路120提供计数信号，偏置使能电路120转而在线122上提供使能信号给比较器/锁存电路104，用于控制其操作。驱动器电路108还可包括DfT块124（DfT=“可测试设计”），其提供如由线126指示的例如在芯片的生产期间测试可在普通芯片中形成的传感器系统的一个或多个元件的可能性。
[0030] 关于图1描述的传感器系统在模拟领域中实施。在操作期间，传感器系统感测磁场，借助于比较器/锁存电路104将磁场强度与切换点进行比较，并且在每个操作阶段的末尾切换输出。偏置使能电路120提供用于操作霍尔传感器元件100（参见图1中的虚线123）和其它活动元件（如比较器/锁存电路104）的电流。驱动器108可被实现为从在比较器/锁存电路104中的输出锁存接收输出信号的开漏（open drain）输出晶体管。
[0031] 使用传感器元件和模拟比较器在模拟域中实施图1的传感器系统。这样的模拟方法通常作为“线性”函数来按比例缩放，并且不允许使用更新技术的优点，如作为“两个指数的幂”函数来按比例缩放的数字方法的使用。此外，可被使用的模拟补偿原理是较不确定性的，因为它们依赖于模拟不精确性。而且，基于模拟的DfT比起基于数字的DfT是更加成本创新的。模拟实施方式的另外缺点是不可能提供混合的开关/线性功能。此外，当被实施用于性能，例如用于提供数字输出时，模拟解决方案使用连续操作的若干ADC设计（不存在占空比操作）。而且，模拟方法实施在分开的块中的不同功能，并且这样的模块化概念具有增大的功率需求并且不能够提供更复杂功能的功率高效实现。另外缺陷是，模拟方法不是非常面积高效的，即占地面积高，例如其在4-6mm2的范围中。此外，不存在在超低功率应用上的焦点。
[0032] 因此，需要改进和更高效的传感器系统，其例如更加面积高效并且更加能量高效，并且可提供更多功能。
[0033] 本发明提供一种数字传感器系统，其包括传感器元件、耦合到传感器元件的模数转换器和被配置为响应于预定义事件激活传感器元件和模数转换器的唤醒电路。
[0034] 根据实施例，预定义事件包括从以下组选择的至少一个事件：预定义事件，预定义时间间隔的流逝，来自另外传感器元件的具有预定义值的信号，重置信号和诊断信号。
[0035] 根据实施例，数字传感器系统还包括耦合到模数转换器的数字信号处理器。
[0036] 根据实施例，数字传感器系统配置为在由模数转换器生成的数字信号满足预定义标准的情况下 ，响应于传感器元件和模数转换器的激活，或响应于预定义事件，激活数字信号处理器。
[0037] 根据实施例，在制造或初始化数字传感器系统时设置预定义标准，并且其中，在操作期间，预定义标准是固定的或响应于设置信号是可变的。
[0039] 根据实施例，数字信号处理器配置为确定由模数转换器生成的数字信号是否在预定义范围内，在模数转换器生成的数字信号在预定义范围之外的情况下，确定潜在的干扰或故障的存在，并且引起预定义事件和/或预定义标准的改变，使得唤醒电路更频繁地激活传感器元件和模数转换器，或使得传感器元件和模数转换器被连续操作预定义的时间段。
[0040] 根据实施例，数字传感器系统还包括耦合到模数转换器的存储器，其中存储器被配置为存储预定义标准。
[0041] 根据实施例，数字信号处理器被配置为当未被激活时在睡眠模式中。
[0042] 根据实施例，数字信号处理器被配置为在处于睡眠模式中的同时向唤醒电路提供指示预定义事件的信号，并且保持在或返回到睡眠模式，直到激活为止。
[0043] 根据实施例，数字信号处理器包括耦合到模数转换器的数字比较器和耦合到数字比较器的信号处理电路。
[0044] 根据实施例，数字传感器系统包括配置为生成包括至少预定义事件的第一时钟信号的第一振荡器。
[0045] 根据实施例，数字传感器系统包括配置为通过第一时钟信号激活并且生成用于操作模数转换器的具有比第一时钟信号更高的时钟频率的第二时钟信号的第二振荡器，其中第二振荡器配置为当由模数转换器对来自传感器元件的传感器信号的处理完成时被解激活。
[0046] 根据实施例，数字信号处理器被配置为由第一时钟信号激活并且生成用于操作模数转换器的具有比第一时钟信号更高的时钟频率的第二时钟信号。
[0047] 根据实施例，至少传感器元件、模数转换器和唤醒电路被形成为集成电路芯片，集成电路芯片包括其上或其中形成传感器元件、模数转换器和唤醒电路的电路板，和耦合到传感器元件、模数转换器和唤醒电路的一个或多个外部触点。
[0048] 根据实施例，集成电路芯片还包括数字信号处理器的至少一部分。
[0049] 根据实施例，集成电路芯片还包括用于与外部数字信号处理器耦合的接口。
[0050] 根据实施例，数字传感器系统包括控制器，其中控制器被配置为引起唤醒电路被激活或解激活，其中数字传感器系统配置为当唤醒电路被解激活时，响应于外部触发信号，连续或间歇地操作。
[0051] 根据实施例，传感器元件包括一个或多个磁传感器，如xMR传感器，霍尔传感器或自旋电流霍尔传感器，或用于微调或诊断目的的测量如电压、温度、电流的物理量的传感器。
[0052] 根据实施例，唤醒电路配置为输出唤醒信号。在涉及开关功能的实施例中，开关输出信号也可被用作唤醒信号。
[0053] 根据实施例，唤醒信号可包括脉冲或脉冲码。
[0054] 本发明的实施例是有利的，因为它们提供比已知传感器系统小得多的新数字传感器系统，例如是上述模拟传感器系统（参见图1）（其具有例如4-6mm2的面积消耗）的十分之一，同时实施例允许在0.35μm低成本技术中的小得多的实施方式，例如具有大约0.6 mm2的最大目标大小。本发明的实施例提供在传感器领域中的解决方案，其在聚焦于一个设计中的开关和线性功能的组合、资源共享上由此覆盖新兴应用的更宽目标，聚焦于更好的按比例缩放数字功能上的情况下允许低功率设计、成本高效实施方式，并且引入提供数字微控制器输入和数字值功能（线性传感器数据）的概念。另外，实施例是有利的，因为它们提供在不具有用于生产测试的开销的情况下的高效率实施方式，以及用于成本估计的设计块相对于产品特征的高资源共享。例如，数字传感器系统的上述性质允许还使用作为功能安全设计的冗余传感器，而不对全体系统添加很多或相当大的成本。
[0055] 图2示出根据本发明的实施例的数字传感器系统的示意性框图。数字传感器系统包括霍尔传感器元件200。根据其他实施例，还可使用其他传感器，例如其他种类的磁传感器，如xMR传感器，或感测其他物理性质的传感器。由霍尔传感器元件200提供的传感器信号经由线202输出到模数转换器（ADC）204，其将模拟传感器信号转换为传感器信号的数字表示，该数字表示经由线206输出到接口电路208，以提供在数字传感器系统的输出210处的数字信号。
[0056] 数字传感器系统包括经由线214和216分别耦合到传感器元件200以及ADC 204的唤醒电路212。唤醒电路212被提供以供应唤醒信号214、216，用于响应于预定义事件激活霍尔传感器元件200和ADC 204。唤醒电路212例如可提供时钟信号给ADC 204，并且引起提供电流给霍尔传感器元件200以允许对磁场的测量。
[0057] 使唤醒电路212提供信号214、216的预先确定事件例如可以是预先确定或预定义时间、预定义时间间隔的流逝、来自另外传感器元件的信号（传感器元件是图2的数字传感器系统内部的还是外部传感器元件）、外部重置信号或外部诊断信号中的一个或多个。另外，对于多维传感器（例如2D或3D磁场传感器），传感器200可以是复制出的，并且可使用多路复用或并行的ADC 204和接口208，其可由唤醒电路212控制。唤醒电路还可使用其自己的接口（图2中未示出）或接口208之一来参数化。以下实施例说明可能的组合中的一些。
[0058] 根据实施例，数字传感器系统形成为集成电路芯片或管芯218，其包括电路板（如适当的基板）和用于定义外部触点的一个或多个焊盘或管脚。在图2中，输出210示意性表示这样的焊盘/管脚之一。霍尔传感器元件、ADC转换器和唤醒电路被实现为在电路板中/上的集成电路，并且整个结构可以被封装。
[0059] 图3示出根据本发明的数字传感器系统的实施例，其中唤醒电路212包括第一振荡器220，其可以是在低频率下操作并且在输出线222上提供低频率时钟信号给计数器电路224的低功率振荡器。来自计数器电路224的输出信号经由线226提供给ADC触发器/配置电路228，其在线230上提供配置信号，用于操作在线216上提供具有比第一时钟信号更高的频率的第二时钟信号的第二振荡器232。时钟信号可以用于操作ADC 204。另外，外部微控制器
234被示出为经由输出210耦合到数字传感器芯片218，并且其具有与其关联的第三振荡器
236。外部微控制器234可包括微处理器。
234被示出为经由输出210耦合到数字传感器芯片218，并且其具有与其关联的第三振荡器
236。外部微控制器234可包括微处理器。
[0060] 传感器系统还可包括DfT（“可测试设计”）电路238，其耦合到接口208并且经由线240和242分别耦合到ADC触发器/配置电路228和ADC 204。DfT电路238允许例如在生产期间测试芯片218。测试可包括在生产期间或在为了诊断目的的领域中传感器管芯218的元件的功能的模拟和/或数字测试。
[0061] 在图3的实施例中，数字传感器系统包括提供唤醒功能的第一振荡器220，例如由第一（慢）振荡器220提供的时钟信号的任何上升沿可通过计数器224来计数，并且一旦已到达预定义计数器值，则在线226上输出触发信号，其经由电路228引起用于执行感测行动的第二振荡器232的唤醒。感测行动可包括单次测量或多次测量，例如在预定义间隔或时间段上的多次测量。在间隔内的多次测量可周期性进行。感测行动可包括使用ADC对来自传感器元件的一个或多个测量值的转换。可提供附加测量信号处理电路来允许阈值的识别，以确定传感器信号的平均值，或允许传感器输出信号的微调。一旦感测行动已经完成，第二振荡器232可以被再次切断，并且可以使用第三振荡器236激活外部微控制器或数字信号处理单元234（例如从睡眠模式唤醒）。
[0062] 根据实施例，可以根据由ADC执行的感测行动的结果，例如根据由传感器系统在线206上输出的信号的值，来触发外部微控制器234的唤醒，使得仅被认为表示期望测量值的信号在微控制器234中被进一步处理。数据可经由接口传递到微控制器234。根据实施例，微控制器234在完成处理接收的信号后，可以被关断/解激活。
[0063] 尽管图3示出微控制器234和第三振荡器236是外部元件，但根据实施例，微控制器234还可以在传感器芯片218上实施作为传感器芯片或传感器管芯218的另外集成元件，用于提供由ADC电路204提供的测量的数字表示的“片上”数据处理。
[0064] 图4示出类似于图3的实施例的本发明的数字传感器系统的另外实施例。结构略微不同在于，唤醒电路212包括第一振荡器220和计数器224并且经由接口208输出触发或激活信号。与在图3中不同，触发信号是从芯片218经由管芯218的焊盘/管脚244输出到外部处理单元246，外部处理单元246包括第二振荡器232和微控制器234。外部处理电路246耦合到管芯218的时钟焊盘/管脚247以在线216上提供激活信号经由数字接口208到ADC 204。图4的传感器系统的功能基本上与图3的功能相同，因为第一振荡器220和计数器224提供唤醒功能，其不同于图3中，唤醒/激活外部微控制器234。外部处理电路246包括用于执行上文提到的感测行动的外部时钟。外部处理电路246可通过经由外部控制管脚248、控制线248a和数字接口208提供控制信号来控制传感器管芯218。根据实施例，控制可以是双向的，使得还可从传感器管芯218输出信号到外部处理电路246。根据实施例，唤醒信号和/或数字测量值可以经由这样的双向接口输出，而不是提供专用管脚210和244。控制可引起转换来自传感器的一个或多个测量值和/或如上所述的测量值的附加处理。
[0065] 在感测行动期间或在完成它之后，例如在测量结果满足一个或多个预定义标准的情况下，得到的数字数据可以被传输到微控制器234。一旦微控制器234接收该数据，则其可独立于芯片218的操作来操作，芯片218可被解激活，并且当信号处理已经被完成时，微控制器234也可再次被解激活/关断，例如通过使微控制器234或外部电路246进入睡眠模式。和在图3的实施例中一样，还在图4的实施例中，外部处理单元246根据实施例可以被实施为传感器芯片218的集成部分。
[0066] 图4的实施例是有利的，因为其相比于图3的实施例要求较少的硬件，然而，其可能消耗稍微更多的电路，并且还要求附加焊盘/管脚（外部触点），如激活信号管脚244和时钟管脚247。
[0067] 图5示出本发明的数字传感器系统的另一实施例，其中微控制器234不具有与其关联的振荡器。微控制器234响应于由第二振荡器232经由线249并且经由管芯218的焊盘/管脚250提供到微控制器234的时钟信号被唤醒/激活。唤醒电路212具有提供唤醒功能的第一振荡器220，连同启动第二振荡器232的计数器224。第二振荡器232可以用于执行上文提到的感测行动，并且同时其可用于唤醒微控制器234。根据实施例，一旦微控制器234完成数据的处理，第二振荡器232可被关断，并且其可经由线249用信号通知第二振荡器232：振荡器可被再次关断以返回到睡眠模式。
[0068] 图5示出微控制器234相对于传感器管芯218为外部元件，然而在其他实施例中，微控制器234可以被集成到与图5中示出的传感器系统的其他元件相同的管芯中。图5的实施例仅要求两个振荡器并且由此消耗与在图3中示出的系统中的电流同样少的电流，同时要求附加的输出触点或管脚，还被称为“附加时钟管脚”250，其被需要用于在微控制器234和第二振荡器232之间的通信。
[0069] 图3和5示出包括第一和第二振荡器220和232的数字传感器系统的实施例。根据其他实施例，替代使用分开的振荡器220和223（其中之一是慢（低时钟频率）低功率振荡器并且另一个是具有较高电流消耗的快振荡器），其他实施例可使用可在不同模式中工作的振荡器。在第一模式中，输出低频率时钟信号，并且例如借助于计数器一旦预先确定时间段已流逝，则振荡器被切换到第二模式中，提供具有比第一时钟信号更高的频率的时钟信号，用于操作用于执行感测行动的ADC。
[0070] 关于上文描述的振荡器，注意，由振荡器电路提供的时钟信号可以是直接从振荡器获得的时钟信号，或其可以是通过根据预定义乘法器或除法器乘或除来自振荡器的输出信号而获得的时钟信号。
[0071] 在上文关于图3、4和5描述的实施例中，已指出了，微控制器234被激活用于执行对由传感器芯片218提供的数字数据信号的数据处理。在图4和5的实施例中，一旦唤醒电路212在线226上提供触发信号（见图4）或一旦第二振荡器232已被激活（见图5），则微控制器
234被自动激活。在图3的传感器系统中，微控制器234具有与其关联的其自己的振荡器236，其允许独立于传感器芯片218的操作来操作微控制器234。根据实施例，为了减小总体系统的功耗，微控制器234可以仅一旦已经由传感器管芯218处理的信号在预定义范围内，例如一旦信号超过阈值或落入阈值下方或位于值的预定义窗内，则被接通或激活。否则，微控制器234可保持被解激活，例如其保持在睡眠模式中。
234被自动激活。在图3的传感器系统中，微控制器234具有与其关联的其自己的振荡器236，其允许独立于传感器芯片218的操作来操作微控制器234。根据实施例，为了减小总体系统的功耗，微控制器234可以仅一旦已经由传感器管芯218处理的信号在预定义范围内，例如一旦信号超过阈值或落入阈值下方或位于值的预定义窗内，则被接通或激活。否则，微控制器234可保持被解激活，例如其保持在睡眠模式中。
[0072] 在数字传感器系统的实施例的上文描述中，已指出了，通过提供内部振荡器220来执行唤醒功能（见图3到5）。然而，本发明的其他实施例可以替换地或附加地使用其他（例如外部）触发信号，其引起传感器和芯片218的ADC的唤醒。例如，传感器可响应于来自另一内部（在管芯218内部）或外部传感器（例如温度传感器或调查传感器芯片218被布置于的环境的其他传感器）的信号而被激活。例如，仅在满足关于环境的预定义条件的情况下（对此确定了要求使用数字传感器系统的测量），系统将被激活。作为替换或另外的外部触发信号，可向电路管芯218提供来自总体控制器的激活/解激活信号。例如，当使用在汽车环境中的电路管芯218时，可通过车辆的中央控制单元，如ECU管理传感器系统的激活/解激活。外部唤醒或触发信号的再另一可能性可以是由微控制器234对唤醒信号的提供。根据其他实施例，当期望对传感器系统的诊断时，总体控制器或微控制器234可触发对传感器管芯218的唤醒，以看其是否反应，即是否工作，和/或是否执行某一预定义测量功能，基于此，传感器管芯218的功能可被评估。
[0073] 将现在关于图6来描述根据本发明的数字传感器系统的另外实施例。图6的实施例允许同时在数字数据模式和开关模式中操作数字传感器系统，并且开关模式可以用于唤醒外部微控制器（或替换地与其他传感器元件一起集成的微控制器），其然后将传感器设置在数字输出模式中或在PWM模式中（PWM=脉宽调制），以执行更详细的测量。详细测量可包括确定传感器信号的平均值，或传感器输出信号的微调。随后描述的数字传感器系统是有利的，因为其提供三个输出，即开关、PWM和数字值。集成的解决方案具有与纯粹的基于模拟的开关解决方案（然而，其仅提供单个功能，即开关功能）大约相同的大小和类似的性能。因此，将传感器系统数字化的发明的概念当与纯粹模拟解决方案相比时允许使用先进的技术并且允许使设计更加高效和通用。作为本发明的实施例的基础的发明的概念因此在用于在具有霍尔开关的芯片大小的单个设计中形成具有开关、PWM和数字值输出功能的通用霍尔传感器的低功率振荡器、计数器、低功率ADC、数字比较器和低复杂度数字接口的组合中看到。
[0074] 图6的实施例示出进一步包括耦合到ADC 204并且经由线206接收传感器信号的数字版本（即数字表示）的数字比较器252的数字传感器系统。在更早实施例中描述的接口可以被实施为数字比较器252的部分。唤醒电路212类似于图3中的唤醒电路。然而，振荡器232被示为可选元件。在它被提供的情况下，唤醒电路212具有与图3中相同的结构，然而，如上文提到的，第一和第二振荡器220和232的功能可通过能够在第一慢运行模式和第二快运行模式之间切换的单个振荡器来提供。在该情况下，第二振荡器232将不存在并且电路块228将直接连接到ADC 204。在这样的场景中，用于操作ADC 204的时钟信号将直接从振荡器220经由线254提供。振荡器220将被设置到第二模式中，用于向ADC 204提供较高频率时钟信号。根据其他实施例，当使用提供具有低时钟频率的低功率振荡器信号的单个振荡器时，例如当仅经由时钟管脚提供振荡器220或对应外部时钟信号时，将使用“较慢”时钟信号来控制ADC，其将在稍微较高处理时间的开销下减小电流消耗。
[0075] 数字传感器系统可还包括经由线262耦合到数字比较器252的输出的磁滞阈值设置电路260。另外，提供开关264用于选择性将计数器224的输出经由线266耦合到数字比较器252的另外输入，或将磁滞阈值设置电路260的输出经由线266耦合到数字比较器252的第二输入。可通过用于允许在PWM模式和开关模式之间的选择的外部选择信号来控制开关264，该信号经由管芯218的另外控制管脚来接收，其被示意性表示在参考符号268处。
[0076] 根据图6的实施例的数字传感器系统使用低功率振荡器220和低功率计数器224，然而，注意，根据其他实施例，振荡器可被省略并且时钟信号可通过外部源经由由芯片218的附加时钟管脚形成的数字接口提供。根据实施例，传感器200可以是霍尔传感器，并且ADC 204可以是由较快第二振荡器232操作的SAT（逐次逼近跟踪器）ADC。根据实施例，还可应用其他ADC概念。
[0077] 数字比较器252被提供以针对常数或针对由计数器224输出的LP计数器值来比较ADC结果。当针对常数比较ADC结果时，传感器系统被切换到开关模式（“导通/断开输出”）中，并且常数值可以被存储在存储器270中。存储器可以是如在图6中示出的电路260的部分。可替换地，可以在传感器管芯218中/上形成附加传感器元件。在该模式中，开关264响应于在外部触点268处的开关信号来激活，从而允许电路260的输出到数字比较器252的第二输入的连接，用于提供常数值以与ADC 204的输出比较。当针对LP计数器值来比较在线206上的ADC结果时，提供PWM功能“线性输出”，并且在该模式中，开关264被切换，使得计数器的输出连接到数字比较器252的第二输入。
[0078] 作为替换或平行于数字比较器252，还可提供低功率、低成本、低管脚数字接口，如i2c、SICI等，用于直接将ADC数据传递到外部微控制器。在数字传感器系统包括DfT块的情况下，这样的接口可以一般是已经存在的并且可以被再使用，还用于将数据传递到实施数字比较器的功能的外部微控制器。换言之，在图6的实施例中，被示为传感器系统的集成部分的数字比较器还可以以与关于图3、4和5描述的微控制器类似的方式被实现为外部元件。
[0079] 在操作期间，ADC 204由具有相比于用于唤醒功能的时钟信号更高的频率的第二时钟信号来触发。第二更高频率的时钟信号可由第二振荡器232提供或通过在第二模式中的第一振荡器220来提供。可替换地，如稍早描述的，该信号还可以由外部源（参见图4）提供。ADC 204以低功率计数器224提供的给定占空比触发，以提供上文所述的开关功能。为了执行PWM功能，ADC一般利用由低功率振荡器220提供的斜率来触发。可替换地，如关于图4描述的，ADC还可通过从外部微控制器接收的外部信号来触发。
[0080] 尽管稍早描述的实施例使用单个传感器，注意，还在可集成电路芯片218上提供多于一个的传感器。多个传感器可以在ADC输入上多路复用，并且可经由数字接口顺序地输出数字化信号。数字化信号可共享数字比较器并且在分开的输出管脚上提供结果，例如一个管脚用于PWM，而一个管脚用于开关。可替换地，信号可被提供作为比较器结果的逻辑组合。
[0081] 图7示出使用多个传感器并且经由单个输出提供多维开关（判定的逻辑组合）以及一维PWM输出和一维线性输出的本发明的数字传感器系统的实施例。当与图6比较时，图7的实施例包括耦合在数字比较器252和数字传感器系统的输出210之间的多路分解/输出锁存电路272。此外，提供多个传感器2001到200N，其输出借助于开关274选择性耦合到ADC 204的输入。多路分解/输出锁存电路272经由线276控制开关274和电路228。提供多路分解/输出锁存电路272允许顺序执行来自多个传感器的测量。来自相应传感器的个别测量与稍早描述的相同。在图7中，外部微控制器234和外部第三振荡器236也被示出，其根据其他实施例还可以被集成作为传感器芯片216的部分。尽管已关于图7描述了关于图6描述的数字传感器概念可以被扩展到多个传感器以致提供多维传感器系统，但是注意，稍早描述的其他实施例也可用于实施多维线性传感器，例如关于图3描述的数字传感器系统。
[0082] 另一实施例可使用多个传感器用于基于传感器系统内的物理性质，如温度、电压或电流，获取附加诊断信息。该数量可反映传感器/ADC信号偏置的状态、内部供应条件、片上应力效应或可导致错误传感器系统的其他失真。
[0083] 图8示出基于图3的传感器系统的多维数字传感器系统。当与图3比较时，图8包括多个传感器2001到200N以及控制开关274和ADC控制电路238的多路分解/输出锁存电路272。开关274允许将相应传感器的输出选择性连接到ADC 204的输入。多路分解/输出锁存电路
272连接在ADC的输出和接口208的输入之间，并且提供连接到接口的输入的多个输出线。电路238还经由线278输出转换信号的末尾到接口，以致一旦转换已被完成，则解激活接口或使接口进入睡眠模式，以降低功耗。
272连接在ADC的输出和接口208的输入之间，并且提供连接到接口的输入的多个输出线。电路238还经由线278输出转换信号的末尾到接口，以致一旦转换已被完成，则解激活接口或使接口进入睡眠模式，以降低功耗。
[0084] 图9示出再另一实施例，根据其的本发明的数字传感器系统包括连接在多路分解/输出锁存电路272和接口208之间的片上数字信号处理器280。当与图8的实施例相比时，附加地提供固件存储器282，其操作性地耦合到DSP280，用于提供必要固件信息以操作DSP。而且，当与图8比较时，施加转换信号278的末尾到DSP而不是接口，以向DSP指示转换的末尾和其后它能够返回到解激活状态/睡眠模式的时间。附加数字信号处理电路280的提供允许在输出由ADC生成的信号到微控制器234之前进一步处理它们，例如测量结果可被微调或可应用某个种类的数据处理。此外，还可执行应用处理。尽管图9示出在多维传感器系统中使用DSP的实施例，但是注意，根据另外实施例，DSP还可用在单维传感器布置中，例如通过在ADC的输出和接口的输入之间提供在图3的实施例中的DSP。
[0085] 图10示出不具有非必要硬件开销的用于开关和PWM操作的低功率控制和数字比较器概念的实施例，因为它可被用在其中实施数字比较器的上文引用的实施例中的任何实施例中。低功率计数器224经由线224从低功率振荡器220（图10中未示出）或从集成电路的外部时钟管脚接收时钟信号。在输出线216上，计数器224经由选择器264输出相应计数器值到数字比较器252的输入。选择器264由经由管脚268施加的模式信号控制并且在线216上提供计数器值到数字比较器的输入以实施PWM功能，或当进入开关模式时，提供取决于计时的数字比较器输出信号210的开关电平输入信号到比较器252的输入以形成具有磁滞功能的开关功能。
[0086] 在示出的实施例中，可提供用于两个正ADC输入值和两个负ADC输入值的四个开关电平，其附加地通过充当该值的符号位的ADC结果206的MSB，即ADC(8)来选择。在不具有磁滞功能的另一实施例中，这些多个电平和比较器输出信号可能不需要并且可提供仅固定的开关电平，一个用于正ADC值，并且一个用于由充当符号位的MSB确定的负ADC值206。在另外实施例中，可检测仅单个电平，并且因此可将仅一个电平传递到数字比较器并且ADC(8)输入可能也不需要。在该实施例中，数字比较器252由加法器284形成，加法器284在第一输入处接收在线206上的ADC结果并且在其第二输入经由选择器264接收信号。稍后参考图20描述小面积密集比较器功能，然而还可使用其他数字比较器结构。加法器284的输出连接到双稳多谐振荡器286，其使用可以为在线254上提供的低功率振荡器时钟信号的时钟信号来计时。可替换地，当提供第二振荡器或外部振荡器信号时，可使用第二、较高频率时钟信号来对双稳多谐振荡器计时。双稳多谐振荡器286的输出被输出到传感器管芯的输出或管脚210。应当提到的是，上述原理还可用于具有多于一个ADC信号的实施例中，根据该实施例，可以并行或顺序地提供ADC信号。在这样的实施例中，ADC输入信号、切换电平和输出信号（例如当使用用于3D传感器的三个通道时）可以被多路复用。此外，再其他实施例可使用用于ADC结果和切换电平的或多或少的位。
[0087] 在上述实施例中，已大体描述ADC 204。根据实施例，使用低功率SAT（逐次逼近跟踪器）ADC来实施ADC 204。然而，还可应用用于模拟/数字转换的其他概念。图11示出模拟/数字转换器的示例性实施方式，因为它可根据本发明的实施例来使用。更具体地，图11示出低功率SAT（逐次逼近跟踪器）ADC作为用于发明的数字传感器系统中的模拟/数字转换器的可能实施方式。图11中示出的ADC例如在US申请14/319177中详细描述，其内容因此通过引用并入。图11的ADC初始可使用变得更小的大二进制阶梯来操作（逼近模式）。最后，ADC可进入跟踪模式，其中阶梯被限制到1位。在图11中描述的实施方式之外，还可以与本申请中描述的发明的概念组合使用模拟/数字转换器的其他已知实施方式。
[0088] 图12示出用于实施根据实施例的数字传感器系统的集成电路管芯218的简化框图。数字传感器系统包括霍尔传感器200，其被布置为用于感测垂直于芯片的表面的磁场，芯片被假定为布置在x/y平面中，使得在描述的实施例中，可通过传感器200感测在z方向上的磁场的检测。经由线202输出传感器信号到多路复用器203，其连接到模拟/数字转换器204。模拟/数字转换器204经由平均电路290连接到数字比较器252。数字比较器252的输出经由实施输出驱动器的接口208供应到芯片218的输出管脚210。唤醒电路212由低功率振荡器220和循环计数器224形成。循环计数器224的输出经由线216耦合到有限状态机（FSM）
292。FSM 292耦合到模拟/数字转换器204和平均电路290并且可提供这些电路的控制。传感器芯片218还包括第二振荡器232，其提供具有高于振荡器220的时钟信号的频率的时钟信号到ADC 204、平均电路290并且还到数字比较器252和FSM 292。基于时钟信号，操作刚提到的数字电路。
292。FSM 292耦合到模拟/数字转换器204和平均电路290并且可提供这些电路的控制。传感器芯片218还包括第二振荡器232，其提供具有高于振荡器220的时钟信号的频率的时钟信号到ADC 204、平均电路290并且还到数字比较器252和FSM 292。基于时钟信号，操作刚提到的数字电路。
[0089] 传感器系统芯片218还包括如在参考符号294指示的零电流上电重置功能和模式选择功能296。模式选择块296经由接口298和线300接收模式选择信号，其指示芯片218是利用开关输出、数字数据输出还是PWM输出来操作。接口可以是SICI接口（见例如US2013/0094373A1，其内容因此通过引用并入）。根据其他实施例，可使用根据数字协议的另一接口，如LIN、SPC、PSI5、I2C。接口298耦合到输出驱动器，并且如由在输出驱动器和管脚210之间的双头箭头指示的，提供I/O触点，使得经由该管脚还可提供用于接口298的选择信号。电平定义块302连接到数字比较器252，用于在开关配置中提供参考值用于与ADC结果比较。根据实施例，电路块302可包括用于存储参考值的存储器单元。参考值可以附加地取决于最后比较器输出以形成磁滞功能，使得提供到比较器252的电平将基于比较器输出的导通状态和断开状态在两个预定义电平之间改变，以允许用于避免由于噪声信号所致的切换的窗口，如图10解释的。从比较器252到电平定义302的用于磁滞功能的要求的信号线在图12中未示出。用于PWM配置的计数器224的输出连接到数字比较器并且根据选择的操作模式，将计数器值或恒定值施加到数字比较器的数字输入。此外，在其他实施例中，比较器252可被实施为用于给定切换电平的更复杂的事件检测器，如将参考图19到21稍后解释的。
[0090] 电路芯片218还包括偏置电路304、参考电路306和重置电路308。偏置电路和参考电路耦合到ADC 204，并且重置电路308耦合到FSM 292。偏置电路304经由温度传感器310耦合到传感器元件200。电路包括用于霍尔传感器元件200的霍尔偏置电路312。用于实施自旋操作的FSM 292还耦合到霍尔偏置电路312。循环计数器224的输出耦合到传感器偏置312和偏置304，以引起系统的启动/掉电。
[0091] 附加地，可提供合并诊断单元360的诊断系统，其控制多路复用器203以引导可替换的量到ADC 204。这可以是片上温度测量、电压测量或在操作期间将被检查的任何其它量。在该情况下，用于霍尔探头200的温度微调附加地输送PTAT电压（PTAT=与绝对温度成比例）以确保传感器在其工作温度条件内操作并且电阻分压器362检查传感器在其工作供应电压条件内操作。
[0092] 如关于图12描述的包括数字传感器系统的集成电路芯片允许传感器通过数字比较器252的适当控制在三个不同模式中操作。在PWM模式中，比较器比较实际ADC值与计数器值以形成PWM输出。在开关模式中，比较器252比较实际ADC值与可经由接口298设置的阈值。阈值可以是固定值或可以基于来自用来实施磁滞功能的比较器的最后判定。为了允许基于最后判定的对阈值的设置，比较器252的输出还连接到接口208，如图12中示出的。接口298还可用于提供外部唤醒信号用于激活传感器和ADC以及其它处理电路，如在由单元260诊断的故障的情况下的应急唤醒。在接口模式中，比较器252可用作唤醒，并且ADC 204可直接经由接口读出。
[0093] 现在将更详细描述在PWM模式和开关模式中的图12的电路的功能。在PWM模式中，循环计数器224的输出连接到数字比较器的输入，并且在该配置中，集成电路218具有三个主要功能单元，其具有以下构建块：
[0094] - 功率管理部分，其包括PWM有限状态机292、低功率振荡器220、零电流（上电）重置294、基本偏置304、带隙参考306、精确重置308和快速振荡器232。
[0095] - 感测部分，其包括霍尔偏置312、霍尔探头200和具有用于霍尔自旋循环的平均的求和寄存器290（其可选地通过FSM 292控制）的逐次跟踪ADC 204。
[0096] - 接口部分，其包括数字比较器252、开漏接口208和管脚210。
[0097] 功率管理系统控制图12中示出的集成电路中的功率分配，并且提供零电流上电重置功能和低功率振荡器220作为时钟源。功率管理基于处理测量循环和启动行为的循环计数器224来运行。在启动（经由零电流重置）时，功率管理部分激活偏置304和306、精确重置检测器308和快速振荡器232，并且初始化第一PWM循环的第一测量。在操作期间，低功率振荡器220控制循环计数器224，其引起偏置304、306的激活，霍尔偏置312的激活，精确重置检测器308和快速振荡器232的激活。它还控制霍尔探头电压的转换的开始，假设它在精确重置电平之上，并且在ADC测量之后，它引起存储将用于下一PWM循环的值，并且然后它进入掉电模式，其中仅低功率振荡器220在运行。
[0098] 感测部分执行磁场的测量。根据实施例，霍尔探头200连接到9位ADC，并且顺序地，利用自旋和斩波，使用专用有限状态机292来执行测量。ADC 204使用包括DAC和比较器的逐次逼近跟踪器机构（SAT转换器）。每个循环包括以下步骤：
[0099] - 它开始比较在线202上的霍尔探头输出与中间DAC设置（MSB位设置），[0100] - 比较器252判定霍尔探头值是低于还是高于DAC值，这引起下一位（MSB-1）被添加到最后值或从最后值减去，比较和添加/减去针对所有位继续下去到LSB。
[0101] - 之后，SAT转换器204在LSB上继续另一八个时钟循环的比较，以平均霍尔探头200的噪声，
[0102] - 执行四次循环，同时切换在所有四个方向通过霍尔探头的电流，以平均掉霍尔探头200的偏移。可选地，还可使能双自旋方法以为了偏移精度的目的而减小功率消耗。
[0103] 可在模拟域中执行温度补偿。可替换地，还可能修改传感器的灵敏度的温度行为以应付某些磁体类型，例如通过具有衍生设计的“金属-编程”。
[0104] 接口部分包括PWM比较器252和接口208，其根据实施例不需要快速振荡器232，由于低功率振荡器220的使用，这使其功能非常功率高效，同时少量限制速度。比较器252比较ADC结果与由低功率振荡器220驱动的循环计数器224，这导致6位PWM输出。PWM包括分别箝位以限制PWM比率到1/64和63/64。不具有磁场的PWM比率是大约32/64，并且该比率针对所施加的磁场向着刚提到的箝位限度线性改变。关于重置，注意，在ADC转换期间操作的精确重置单元的重置事件将不重置ADC值，也不重置循环计数器和比较器结果，但是仅禁止ADC转换。仅通过零电流重置块294检测的完整供应故障将重置循环计数器。
[0105] 当操作在开关模式中的图12的集成电路芯片时，到数字比较器的输入由存储在块302中的值限定，不使用来自计数器224的输出信号。在该模式中的集成电路的主要功能单元如下：
[0106] - 功率管理系统，其包括PMU有限状态机292、低功率振荡器220、零电流（上电）重置294、基本偏置和带隙参考304, 306、精确重置308和快速振荡器232。
[0107] - 感测部分，其包括霍尔偏置312、霍尔探头200和具有用于平均霍尔自旋循环的求和寄存器290的逐次跟踪ADC 204，所有通过FSM 292控制。
[0108] - 接口部分，其包括数字比较器、具有磁滞的比较电平选择、开漏接口208和焊盘210。
[0109] 功率管理系统控制IC 218中的功率分配，并且提供零电流上电重置功能以及作为时钟源的低功率振荡器220。功率管理系统在处理测量循环和启动行为的循环计数器224上运行。在启动（经由零电流重置）时，功率管理单元激活偏置304、306、精确重置检测器和快速振荡器232。而且初始化第一测量和第一比较器判定。在操作期间，低功率振荡器控制循环计数器224，其激活偏置304、306、霍尔偏置312、精确重置检测器308和快速振荡器232。另外，转换霍尔探头电压，假设它在精确重置电平之上，并且在ADC测量后，它引起输出的切换。在此之后，重新进入掉电模式，使得仅低功率振荡器220在运行。
[0110] 感测部分执行磁场的测量。霍尔探头连接到ADC 204，并且使用专用有限状态机FSM来执行测量。在多个传感器的情况下，顺序执行测量，并且在单个传感器和多个传感器的两种情况下，使用FSM 292利用自旋和斩波来执行测量。ADC可根据实施例使用包括DAC和比较器的上文关于图12描述的逐次逼近跟踪器机构，并且在循环期间，以下步骤可被执行：
[0111] -比较霍尔探头输出与中间DAC设置的比较，
[0112] - 比较器252判定霍尔探头值是低于还是高于DAC值，这引起下一位（MSB-1）被添加到最后值或从最后值减去，
[0113] - 比较和添加/减去针对所有位继续下去到LSB。
[0114] - SAT转换器在LSB上继续另一八个时钟循环的比较，以平均霍尔探头200的噪声，以及
[0115] - 执行四次循环，同时切换通过霍尔探头和所有四个方向的电流，以平均掉霍尔探头200的偏移。可选地，可使能双自旋方法以为了偏移精度的目的减小功率消耗。
[0116] 可在模拟域中基于来自温度传感器310的输出执行温度补偿。可替换地，还可能修改传感器的灵敏度的温度行为以应付某些磁体类型，例如通过具有衍生设计的“金属-编程”。
[0117] 接口部分被提供有比较器252和接口208，其可以不需要快速振荡器232，由于低功率振荡器220提供的时钟周期的限制，这使它非常功率高效，同时轻微减少速度。根据当实施磁滞功能时的数字比较器的输出状态，比较器比较ADC结果与用于开关的固定值。在图12中，比较器的输出经由接口298反馈到块302。
[0118] 在ADC转换期间操作的精确重置单元的重置事件将不重置ADC值，也不重置循环和比较器结果，而是仅禁止ADC转换。仅通过零电流重置块294检测的完整供应故障将重置循环计数器。
[0119] 图13示出发明的数字传感器系统的应用电路的实施例。在图13中，示出如关于图12描述的传感器IC的应用电路。在图13(a)中，具有传感器元件200和稍早描述的附加元件（图13中未示出）的传感器芯片218附着到具有相应触点316a、316b、316c的电路板或引线框
314。除了用于提供输入和/或输出的触点210之外，集成电路传感器芯片还包括触点211a和
211b，其中的触点211a用于接收在传感器芯片中的相应有源元件当中供应的供应电压VDD（为了维持图的清楚，相应布线未在图12中示出）。触点211b用于连接IC传感器芯片218的内部电路到地或参考电位（再次，为了维持图的清楚，未示出用于连接地端子211b到IC内部的相应元件的相应布线）。如从图13(a)可看出的，相应外部触点210和211a和211b通过接合连接318a到318c连接到相应触点316a到316c。在其他实施例中，IC芯片218可以以不同方式连接到相应端子316a到316c，例如通过倒装芯片接合或其他已知方法。图13(a)中示出的应用电路还包括电源320以及微控制器234。电源提供供应电压VDD，其经由触点316a到接触焊盘
211a施加到传感器芯片218。电源320还提供供应电压到微控制器234。IC芯片的输入/输出焊盘210经由接合连接718a和外部触点316b连接到微控制器234的输入/输出，并且触点
316c耦合到参考电位，如地。在图13(a)的实施例中，该应用电路被提供用于所有接口选项，并且传感器供应等于接口供应。
314。除了用于提供输入和/或输出的触点210之外，集成电路传感器芯片还包括触点211a和
211b，其中的触点211a用于接收在传感器芯片中的相应有源元件当中供应的供应电压VDD（为了维持图的清楚，相应布线未在图12中示出）。触点211b用于连接IC传感器芯片218的内部电路到地或参考电位（再次，为了维持图的清楚，未示出用于连接地端子211b到IC内部的相应元件的相应布线）。如从图13(a)可看出的，相应外部触点210和211a和211b通过接合连接318a到318c连接到相应触点316a到316c。在其他实施例中，IC芯片218可以以不同方式连接到相应端子316a到316c，例如通过倒装芯片接合或其他已知方法。图13(a)中示出的应用电路还包括电源320以及微控制器234。电源提供供应电压VDD，其经由触点316a到接触焊盘
211a施加到传感器芯片218。电源320还提供供应电压到微控制器234。IC芯片的输入/输出焊盘210经由接合连接718a和外部触点316b连接到微控制器234的输入/输出，并且触点
316c耦合到参考电位，如地。在图13(a)的实施例中，该应用电路被提供用于所有接口选项，并且传感器供应等于接口供应。
[0120] 图13(b)示出另外实施例，其中传感器芯片218和微控制器234接收由电源提供的不同供应电压VDD_1和VDD_2，其在微控制器234的供应需要被切断以节省电力的情况下是有用的。在期望这样的电力节省的情况下，外部上拉电阻器R或内部微控制器上拉电阻器需要被省略以避免当第二供应低于传感器供应时通过上拉电阻器的电流。在图13中，集成电路218提供具有内部、有源上拉的开漏输出，这消除了如图13(a)中示出的外部电阻器的需要。内部上拉还允许使用在该输出管脚上使用比使用外部上拉电阻器的传感器供应更高的电压，如在图13(b)中示出的，其中在该情况下的电流流动可以通过提供内部肖特基二极管来防止。
[0121] 根据微控制器的能力并且在要求用于市场上的多个现有微控制器实施方式（包含它们的信号）或微控制器和针对该应用要求的另外外围设备的特别唤醒配置、轮询或中断功能的情况下，如在图13(a)和图13(b)中示出的在传感器218和微控制器234之间的信号可以连接到输入管脚、输入/输出管脚或特别中断管脚。输出选项可被需要以控制传感器的参数，如唤醒功能的切换电平或发送诊断命令。可替换地，在其他实施例中，包括传感器218、电源320和微控制器234的图13(a)和图13(b)中示出的配置可以以任何组合完全或部分集成在单个硅管芯上。
[0122] 关于图14，示出实施3D传感器芯片的发明的数字传感器系统的另外实施例。传感器芯片被提供有一个横向和两个垂直霍尔传感器用于转换来自三个霍尔探头和三个轴的信号。另外，提供温度传感，并且来自相应传感器的信号被提供到微控制器。根据图14的实施例的传感器芯片当与图12的实施例相比时，不包括数字比较器，相反提供寄存器/熔丝块322，并且除了供应和地焊盘211a和211b之外，提供多个I/O焊盘210a和210d。集成电路218包括三个主要功能单元，即：
[0123] - 功率管理部分，其包括PMU有限状态机224、低功率振荡器220、零电流（上电）重置块294、基本偏置和带隙参考304、306、精确重置308和快速或第二振荡器232。
[0124] - 感测部分，其包括霍尔偏置312、具有通过“开关”274表示的多路复用器的霍尔探头200x、200y和200z，和具有用于平均霍尔自旋循环的求和寄存器290的逐次跟踪ADC 204，并且两者都通过有限状态机292控制。
[0125] - 接口部分，其包括IIC接口208、寄存器外存储器/熔丝块322和I/O焊盘210a到210d。
[0126] 功率管理系统控制集成电路218中的功率分配，提供零电流上电重置功能和作为时钟源的低功率振荡器220。功率管理部分在处理功率模式和如下的启动行为的专用有限状态机224上运行。在启动时或经由IIC软重置，功率管理单元激活偏置304、306、精确重置检测器308和振荡器232，读出熔丝设置并且锁存ADDR管脚210b，进入通过熔丝设置的功率模式。默认设置可以是所有偏置304、306、312和振荡器332被切断。根据选择的功率模式，在定期的基础上执行功率管理。当将要执行激活时，偏置304、306、精确重置检测器308和振荡器322被激活，以及霍尔偏置312。然后，利用PTAT电压（来自传感器310的温度测量）的可选转换来顺序地转换三个霍尔探头通道输出。在测量后，功率管理部分引起系统再次进入低功率模式，例如通过返回到默认设置。根据实施例，如果供应电压足够高，则上文提到的功率管理部分的功能被执行，否则精确重置电路将保持状态机，直到到达要求的供应电压的电平为止并且之后继续其操作。如果重置事件在其间发生，则还重启功能。
[0127] 感测部分执行磁场的测量。霍尔探头200x、200y和200z连接到多路复用器274，多路复用器274还连接到ADC 204。使用专用有限状态机（FSM）292顺序地执行三个通道的测量。根据图14的实施例，ADC可以使用逐次逼近跟踪器机构（SAT转换器），其包括DAC和比较器（参见图11）。每个循环可包括以下步骤：
[0128] - 比较霍尔探头输出与中间DAC设置（MSB位设置），
[0129] - 通过比较器判定霍尔探头值是低于还是高于DAC值，这引起下一位（MSB-1）被相对于最后值添加或减去，
[0130] - 针对所有位继续比较和添加/减去下去到LSB。
[0131] - 利用ASD转换器在LSB上继续比较另一八个时钟循环，以平均霍尔探头的噪声，[0132] - 执行该循环四次，同时切换在所有四个方向上通过霍尔探头的电流，以平均掉霍尔探头的偏移。以相同方式执行温度测量，然而，代替霍尔探头，第一多路复用器输入连接到来自偏置电路的PTAT（与绝对温度成比例）电压。
[0133] IIC接口要求两个管脚，即在开漏配置中的SCL输入管脚210c和DSA输入/输出管脚210a。此外，根据描绘的实施例，提供两个管脚，其可以与具体封装中的IIC管脚共享，即可以与SCL管脚共享的开漏配置中的中断输出管脚/INT 210d，和也可与SDA管脚共享的地址选择输入管脚ADDR 210b。
[0134] 接口部分不要求内部振荡器是活动的，使得它可在传感器IC 218的任何功率模式中操作。IIC接口可执行通过主机初始化的芯片重置，独立于所使用的IIC地址。来自所有三个轴的测量值被存储在分开的寄存器中，并且在上电重置之后或在使用IIC接口的软重置之后，这些寄存器将读为零。附加的温度值寄存器可存在，其也在上电或软重置之后读为零。在ADC转换期间操作的精确重置单元的重置事件将不重置所存储的值，而仅禁止它的ADC转换。仅通过零电流重置块检测的完整供应故障将重置该寄存器并且初始化将被执行的新上电循环。
[0135] 图15示出可用于如图14中描述的IC传感器芯片的应用电路的实施例。根据封装，IIC总线与附加地址选择和中断焊盘共享或不共享。现在针对可能封装变化描述具体应用电路，并且在下面描述的两个情况下，中断线的使用是可选的，然而优选的是，提供这样的中断线以确保适当和高效的传感器数据的读出。
[0136] 在图15中，以与图13中类似的方式，传感器IC 218被安装到电路板或引线框314，其具有在图15(a)的实施例中的六个管脚（管脚1到6），或者如在图15(b)的实施例中示出的八个管脚（管脚1到8）。IC电路218的相应接触焊盘通过接合连接或其他适当连接来连接到相应管脚，如在图15中描绘的那样。在图15(a)中，ADDR焊盘和SDA焊盘（焊盘210a和210b）连接到管脚号1，用于连接到微控制器234。中断焊盘和SCL焊盘（焊盘210c和210d）连接到管脚号6并且还连接到外部微控制器234的另外输入。在图15(b)中，SDA焊盘和ADDR焊盘可连接到不同管脚（管脚号7和号8），并且SCL焊盘和中断焊盘还可连接到不同管脚（管脚号6和5）。关于图15，注意，ADDR可连接到SDA、VDD或GND。另外，/INT线可与其他传感器的开漏/INT输出共享。
[0137] 图16示出在关于图14描述的传感器IC的“低功率模式”中的转换方案。在低功率模式中，中断信号/INT由低功率振荡器和低功率计数器生成，并且触发ADC测量且唤醒外部微控制器。
[0138] 图17示出当图14中示出的IC传感器在快速模式中操作时的转换方案。信号/INT在连续ADC采样的末尾生成并且唤醒外部微控制器。如果主机/微控制器在其唤醒后期望利用较高带宽测量某个信号，则该模式可以被使能。
[0139] 图18示出在来自主机控制器的允许主机控制采样时间点的传输之后触发的转换方案。
[0140] 本发明的实施例的上文描述关于霍尔传感器做出，然而，本发明不限于这样种类的传感器。还可使用其他磁场传感器，如xMR传感器或分流霍尔传感器。在其他实施例中，可使用测量其他性质的传感器，例如测量其他物理量，如电压、温度、电流等的传感器。还可在发明的传感器管芯中集成这样的传感器的组合。在其他实施例中，可使用附加传感器用于磁传感器的诊断或微调目的。而且，迄今为止描述的实施例仅使用单个ADC，然而代替使用用于多个传感器的多路复用的模数转换器，还可使用用于分开的测量通道或用于不同组的测量通道的分开的模数转换器。发明的方法可应用于使用有源传感器的任何种类的传感器系统，例如需要被激活以允许它们做出测量的传感器。
[0141] 如上所述，集成电路传感器芯片可包括存储器元件，例如易失性存储器，用于接收由ADC转换器或由数字比较器或由用于处理来自探头的测量信号的另一数字处理装置使用的值。例如，阈值可通过微控制器提供并且可通过IC传感器芯片的易失性存储器（如寄存器或RAM）存储。可替换地，IC传感器芯片可包括非易失性存储器，如EEPROM或闪存存储器用于保持阈值。优选地，非易失性存储器可被多次写入，使得例如可稍后修改或校正初始阈值，例如通过由来自微控制器的新值覆写它们。
[0142] 根据使用霍尔传感器利用两或四相自旋电流系统的实施例，优选的是，将阈值与两个或四个求和或平均的数字ADC结果进行数字比较。在使用xMR传感器或其他传感器的实施例中，可使用附加数字/模拟转换器，以用于将数字测量信号重新转换为模拟域，并且使用模拟比较器，以用于执行在模拟域中的阈值比较。这允许使用DAC和比较器单元两次，因为它们还用于ADC功能，例如通过后面是比较器和SAR寄存器的DAC来形成SAR-ADC（参见图11）。
[0143] 可通过磁滞值或通过覆盖的+/-信号来重叠阈值，以致满足期望功能，例如阈值1=阈值-磁滞/2并且阈值2=阈值+磁滞/2。可替换地，可使用两个阈值用于要测量的每个通道（例如用于磁场的要测量的每个轴），即下部和上部阈值可直接被存储。而且，可应用非对称磁滞或具有附加磁滞的窗比较器。
[0144] 为了节省用于在保持传感器系统的IC芯片上的寄存器的空间，可优选的是，存储用于每个通道的阈值，但是仅单个磁滞值或单个窗比较器值，并且可然后从原始阈值以及磁滞或窗值的绝对或相对重叠来计算最终有效阈值。窗值还可应用于传感器信号方向，例如正磁场信号，或替换地应用于正和负传感器信号。可在传感器中固定存储固定或相对磁滞或窗比较器阈值，使得对于3通道传感器，仅需要三个阈值寄存器。
[0145] 根据实施例，当使用高电压应用，例如使用18V或24V的VDD的应用时，可提供附加高电压耗尽晶体管用于限制操作电压，尤其是用于数字寄存器和用于低功率振荡器。这允许高电压保护的较少功率控制。
[0146] 另外实施例还可实施在系统中的看门狗功能。
[0147] 根据实施例，唤醒电路输出可以是特定脉冲或特定脉冲码的唤醒信号。在这样的实施例中，在非工作传感器系统的情况下，唤醒信号将不仅是连续低或高电平信号，相反唤醒信号具有特定脉冲或特定脉冲码，使得例如外部控制器可从由于时钟发生器的故障而导致的完全非工作传感器系统输出，例如仅低或高电平信号区分唤醒信号。
[0148] 在下文中，将详细描述用于实施事件检测器的实施例。事件检测器可被实施为ADC触发器/配置电路228的部分（参见图3到9），并且可基于来自计数器224的计数器值来操作。在其他事件，如外部事件的情况下，表示该事件的数字信号可通过事件检测器来提供和处理。在这样的场景中，图2中示出的唤醒电路212可包括事件检测器，而不需要振荡器和计数器。
[0149] 图19示出事件检测器电路400的实施例，其可基于固定或可变限度401在唤醒电路212（参见图2）中实施。表示事件的ADC值404可通过两个数字比较器406与给定限度402比较。得到的比较可被标记408，其将在另外检测过程中禁用它。事件存储410可包含之前结果
412（例如last_event1或last_event_2），其可通过使用存储元件（如由使能信号416利用给定ADC更新速率或适合用于某个应用的任何其它速率控制的双稳态多谐振荡器）延迟实际比较结果414（在图中指示为new_event1和new_event2）来完成。可然后通过解算器418来比较旧事件和新事件，来生成新唤醒事件420。对于将被用作事件源的每个ADC通道，可提供这样的电路400。
412（例如last_event1或last_event_2），其可通过使用存储元件（如由使能信号416利用给定ADC更新速率或适合用于某个应用的任何其它速率控制的双稳态多谐振荡器）延迟实际比较结果414（在图中指示为new_event1和new_event2）来完成。可然后通过解算器418来比较旧事件和新事件，来生成新唤醒事件420。对于将被用作事件源的每个ADC通道，可提供这样的电路400。
[0150] 图20图示用于固定限度值的面积优比较器电路的实施例，其可用于图19的电路400中。它基于电平的检测，电平是二进制补码二进制ADC值的正全刻度范围422之下的two-power-N或负全刻度范围424之上的two-power-N。实际实施例使用5位ADC值M和3位比较N，从而提供在上部全刻度范围（+15）之下的阈值4LSB和在下部全刻度范围（-16）上的4LSB，在其他实施例中，数字可变化，只要ADC位宽大于比较位宽（否则比较将实际总是匹配，这不再有用）。得到的逻辑426仅包括逻辑门，不要求加法器或减法电路来确定在ADC值和给定限度之间的差别。
[0151] 图21图示使用图20的电路426的图19的电路400的行为。图21图示其中ADC值404（参见图21(a)和图21(b)）跨越限度428生成新事件1信号414（参见图21(c)）的时间的点。因为最后事件1信号412仍然不同于新事件1信号414（参见图21(c)和(d)），生成唤醒事件信号420（参见图21(e)）。跟随更新速率235（参见图21(f)），最后事件1信号412将变成在下一事件430处的新事件信号，引起这两个信号相同，因此唤醒事件将被再次禁用。当然，如果要求，该唤醒事件信号可在使用可用时钟源的另一实施例中被进一步脉冲成形。
[0153] 而且，本申请的范围不限于在说明书中描述的过程、机器、制造者、物质组成、装置、方法和步骤的特别实施例。如本领域普通技术人员将容易从本申请的公开内容认识到的，可根据本发明利用与本文描述的对应实施例执行基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的目前存在或稍后将被开发的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。相应地，所附权利要求意在包括这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、和步骤的方法在其范围内。
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