CN101908820A - 偏移消除电路 - Google Patents

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Abstract

一种偏移消除电路，施加来自外部的电压以切换流过霍尔元件(10)的电流时，在其各种状态下以霍尔元件(10)的输出电压分别对多个电容器(C1、C2)充电。对与多个电容器(C1、C2)并联的开关元件(S11、S12)，连接着被与开关元件(S11、S12)互斥地控制导通/关断的虚拟开关元件(D1、D2)。由此，可减低霍尔元件的偏移消除电路的基准电压差和由偏移消除电路的电容元件中所带寄生电容所产生的输出偏移。

Description

偏移消除电路
技术领域
本发明涉及用于调整霍尔(Hall)元件的输出等的偏移(offset)消除电路。
背景技术
近年来，数码相机和数码摄像机等拍摄装置中，通过使其具有的拍摄元件的像素数目增加，来实现图像质量提高。另一方面，作为实现拍摄装置的图像质量提高的其它的方法，为了防止由持有拍摄装置的手的抖动所产生的被摄体的抖动，希望拍摄装置搭载具有防手抖功能的防振控制电路。
防手抖的防振控制电路，接收来自检测由拍摄装置的振动所产生的角速度分量的陀螺仪传感器的信号，根据该信号，驱动镜头或拍摄元件等光学部件，以防止被摄体的抖动。由此，即使拍摄装置振动了，也可以使所获取的影像信号中不反映振动的分量，可获取无图像抖动的高图像质量的影像信号。
此时，为了检测被驱动的镜头等的光学部件的位置，使用霍尔元件。霍尔元件的等效电路如图11所示，可表示为电阻R1～R4的桥接电路。由此，根据施加电源电压Vcc的端子和取出输出信号的端子的组合，霍尔元件的输出信号受到各电阻的偏差的影响，而变为含有偏移分量。
由此，如图12所示，使用包括霍尔元件10、放大电路12和平均电路14的偏移消除电路100。偏移消除电路100中，控制开关元件S1～S19的导通/关断，对霍尔元件10施加电压，使流过的电流相差90°；各种状态下对电容器C1和C2充电，将电容器C1和C2的充电电压相加并平均。因为使流过霍尔元件10的电流改变90°时，霍尔元件10的输出电压的偏移是逆向产生的，所以霍尔元件10的输出电压的偏移值被消除。
通过设置偏移消除电路，可以消除霍尔元件的输出电压的偏移值。
而开关元件S1～S19中使用MOS晶体管。利用了MOS晶体管中，栅-源之间的电压如果小于阈值电压则截止、如果在阈值电压以上则导通的特性。MOS晶体管截止时，栅极电压由电源电压而成为小于阈值电压。栅极与源极和漏极之间有重叠(overlap)电容，MOS晶体管的沟道内的电荷也在截止时被源极和漏极所吸收。由此，在MOS晶体管截止时，通过栅极的电压变化量与重叠电容的积所求得的电荷量、与沟道中存储的电荷量的一部分发生变化。这被称为开关元件的电荷注入(噪声)(ChargeInjection(noise))。
偏移消除电路100中，也由于开关元件S1～S19的电荷注入噪声，有可能产生在来自霍尔元件的输出电压上叠加噪声的问题。
发明内容
因此，希望有在偏移消除电路中使电荷注入噪声变小的技术。
本发明的一个方式是，霍尔元件的偏移消除电路，其特征在于，包括：多个电容器；第1开关元件群，进行导通/关断控制，使按照改变流过所述霍尔元件的电流的方式从外部施加电压，并按其状态，使所述霍尔元件的输出电压施加给所述多个电容器的其中之一；和第2开关元件群，进行导通/关断控制，使输出与所述多个电容器并联连接的状态下对所述多个电容器所充电的电荷相对应的输出电压；对所述第2开关元件群的至少一部分连接与该开关元件互斥地进行导通/关断控制的虚拟开关元件。
此处优选的是，含有多个与所述虚拟开关元件连接的所述开关元件；该多个开关元件在所述多个电容器并联连接的状态下，共同连接于并联连接的所述多个电容器的一个输出端。
另外，优选的是，在所述多个电容器并联连接的状态下，对并联连接的所述多个电容器的一个输出端施加基准电压，而只对并联连接的所述多个电容器的另一个输出端连接连接了所述虚拟开关元件的所述开关元件。
另外优选的是，所述第1开关元件群不与虚拟开关元件连接。
发明效果
根据本发明，可以降低偏移消除电路中的电荷注入噪声的影响。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的偏移消除电路的结构的图。
图2是表示本发明的实施方式的偏移消除电路的作用的图。
图3是表示本发明的实施方式的偏移消除电路的作用的图。
图4是表示本发明的实施方式的偏移消除电路的作用的图。
图5是说明本发明的实施方式的偏移消除电路的虚拟开关元件的作用的图。
图6是说明本发明的实施方式的偏移消除电路的虚拟开关元件的作用的图。
图7是表示偏移消除电路的虚拟开关元件的作用的图。
图8是表示本发明的实施方式的偏移消除电路的中使用的电容器的结构的图。
图9是表示本发明的实施方式的偏移消除电路的中使用的电容器的等效电路的图。
图10是表示本发明的实施方式的偏移消除电路的中使用的电容器的作用的图。
图11是表示霍尔元件的等效电路的图。
图12是表示现有的偏移消除电路的结构的图。
符号说明
10 霍尔元件
12 放大电路
12a、12b 运算放大器
14 平均电路
14a 运算放大器
14b 基准电压生成电路
20 平均电路
20a 运算放大器
20b 基准电压生成电路
30 半导体基板
32 多晶硅层
34 绝缘层
36 多晶硅层
38 电极
40 电极
100、200 偏移消除电路
具体实施方式
图1表示霍尔元件的偏移消除电路200的基本结构。霍尔元件的偏移消除电路200包括霍尔元件10、放大电路12和平均电路20而构成。
霍尔元件10可以以电阻R1～R4的桥接电路来表示。对电阻R1～R4，连接将电阻R1～R4的连接点A～D向电源电压Vcc、接地或输出进行切换的开关元件S1～S8。
放大电路12包括运算放大器12a和12b而构成。运算放大器12a将向同相输入端(+)输入的电压放大之后输出。运算放大器12b将向同相输入端(+)输入的电压放大之后输出。
平均电路20包括开关元件S9～S19、虚拟(dummy)开关元件D1～D3、电容器C1～C4、运算放大器20a和基准电压生成电路20b而构成。
开关元件S9～S19与运算放大器12a、12b的输出端、电容器C1～C4的端子、运算放大器20a的输入端的其中之一相互连接。开关元件S9～S12和S19在电容器C1和C2并联状态下，控制导通/关断，使与电容器C1和C2充电的电荷相对应的输出电压被输出。也就是说，开关元件S9～S12和S19与电容器C1和C2并联，并且还与输出用的电容器C3连接，控制导通/关断，使电容器C3的端子电压输入运算放大器20a。开关元件S13～S16，进行导通/关断控制，使按照切换流过霍尔元件10的电流的方式从外部施加了电压的情况下，按其状态使霍尔元件10的输出电压施加给电容器C1和C2的其中之一。也就是说，通过导通/关断控制开关元件S13～16，由霍尔元件10的输出电压，电容器C1和C2的其中之一被充电。开关元件S17用于对电容器C3的充电电荷进行放电。开关元件S18用于连接运算放大器14a的输入端和输出端。开关元件S9～S19优选为不论为P型还是N型，都具有近似的寄生电容。
虚拟开关元件，是指与作为其连接对象的开关元件被互斥地控制导通/关断的开关元件。虚拟开关元件可以是连接开关元件的输入端和输出端的结构。虚拟开关元件的相互连接的输入端和输出端，与成为连接对象的开关元件的输入端或输出端连接。虚拟开关元件优选为具有成为连接对象的开关元件的1/2左右的寄生电容。
本实施方式中，虚拟开关元件D1～D3，是被控制为分别在开关元件S11、S12和S19为导通时成为关断、而开关元件S11、S12和S19为关断时成为导通的元件。也就是说，虚拟开关元件D1～D3，与成为连接对象的开关元件S11、S12和S19连接。虚拟开关元件D1～D3，分别具有开关元件S11、S12和S19的1/2左右的寄生电容。
以下对偏移消除电路200的工作进行说明。偏移消除电路200通过切换以下所示的第1状态、第2状态和输出状态，而消除霍尔元件10的输出电压的偏移值并输出。
首先如图2所示，通过导通/关断控制开关元件S1～S19和虚拟开关元件D1～D3，使偏移消除电路200成为第1状态。通过使开关元件S1导通、并使开关元件S6关断，对电阻R1、R3的连接点A施加电源电压Vcc；通过使开关元件S2导通、并使开关元件S8关断，使电阻R2、R4的连接点B接地；通过使开关元件S7导通、并使开关元件S4关断，使电阻R1、R2的连接点C连接至运算放大器12b的同相输入端(+)；通过使开关元件S5导通、并使开关元件S3关断，使电阻R3、R4的连接点D连接至运算放大器12a的同相输入端(+)。另外，通过使开关元件S9～S19中的开关元件S14和S16导通、而其余的关断，使运算放大器12a的输出连接至电容器C1的正端子、使运算放大器12b的输出连接至电容器C1的负端子，成为由运算放大器12a、12b的输出电压对电容器C1充电的状态。该状态为第1状态。
此外，由于此时开关元件S11、S12和S19为关断，故虚拟开关元件D1～D3为导通状态。
接下来如图3所示，通过导通/关断控制开关元件S1～S19和虚拟开关元件D1～D3，使偏移消除电路200成为第2状态。通过使开关元件S6导通、并使开关元件S1关断，使电阻R1、R3的连接点A连接至运算放大器12a的同相输入端(+)；通过使开关元件S8导通、并使开关元件S2关断，使电阻R2、R4的连接点B连接至运算放大器12b的同相输入端(+)；通过使开关元件S4导通、并使开关元件S7关断，使电阻R1、R2的连接点C接地；通过使开关元件S3导通、并使开关元件S5关断，对电阻R3、R4的连接点D施加电源电压Vcc。另外，通过使开关元件S9～S19中的开关元件S15和S16导通、而其余的关断，使运算放大器12a的输出连接至电容器C2的负端子、使运算放大器12b的输出连接至电容器C2的正端子，成为由运算放大器12a、12b的输出电压对电容器C2充电的状态。该状态为第2状态。
此外，由于此时开关元件S11、S12和S19为关断，故虚拟开关元件D1～D3为导通状态。
如此施加电压使流过霍尔元件10的电流方向改变、而切换第1和第2状态，对霍尔元件10的4个端子由两个方向(90°)的霍尔电压V1和V2，分别对电容器C1和C2充电。
充电电压V1是对第1状态的霍尔电压Vhall加上了偏移电压Voff的值。也就是说，充电电压V1＝Vhall+Voff。当使流过霍尔元件10的电流变化90°时，由于霍尔元件10的偏移电压Voff逆向产生，所以充电电压V2是第2状态的霍尔电压Vhall减去偏移电压Voff所得的值。也就是说，充电电压V2＝Vhall-Voff。
输出状态如图4所示，关断开关元件S13～S16，截断运算放大器12a、12b与电容器C1和C2。另外，通过导通开关元件S11、S12和S19、并关断开关元件S18，经电容器C4，使电容器C1和C2的正端子共同连接至运算放大器20a的输入端的一端。另外，通过导通开关元件S9和S10，使电容器C1和C2的负端子共同连接至运算放大器20a的输入端的另一端。运算放大器20a的另一端设为由基准电压生成电路20b所生成的Vref。电容器C3的电荷消去所用的开关元件S17也为关断状态。
此外，由于此时开关元件S11、S12和S19为导通，故虚拟开关元件D1～D3为关断状态。
通过使偏移消除电路200为输出状态，使电容器C1和C2被并联，电容器C1和C2中存储的电荷在电容器C1、C2和C3中被再分配，从而充电电压V1和V2被平均化。由此，霍尔元件10的输出电压的偏移值被消除，作为输出电压Vout而被输出。
此处参照图5和图6，对虚拟开关元件D1～D3的作用进行说明。图5和图6示意性地示出了从第1状态和第2状态的切换结束、电容器C1和C2中存储了电荷的状态，切换至输出状态的情况下电荷移动的情形。
在未设有虚拟开关元件D1～D3的结构中，如图5所示，在开关元件S11、S12和S19为关断时，电容器C1和C2分别被充电至电压V1和V2。此时，电容器C1中存储了电荷Q1＝V1/C1，电容器C2中存储了电荷Q2＝V2/C2。
通过开关元件S11、S12和S19为导通，如图5(b)所示，电容器C1和C2的正端子与电容器C3的正端子连接，电荷Q1、Q2的一部分ΔQ11、ΔQ12和ΔQ19被开关元件S11、S12和S19的沟道吸收。其结果是，电荷Q1+Q2-ΔQ11-ΔQ12-ΔQ19被电容器C1～C3再分配。该电荷ΔQ11+ΔQ12+ΔQ19部分作为将输出电压Vout下拉的电荷注入噪声而起作用。
在设置了虚拟开关元件D1～D3的结构中，如图6(a)所示，开关元件S11、S12和S19在关断时电容器C1和C2分别被充电至电压V1和V2，并且虚拟开关元件D1～D3的沟道也被充了电荷QD1、QD2和QD3。
当开关元件S11、S12和S19被导通时，虚拟开关元件D1～D3被关断，如图6(b)所示，电容器C1和C2的正端子与电容器C3的正端子连接。此时，通过预先调整开关元件S11、S12和S19的寄生电容与虚拟开关元件D1～D3的寄生电容，可由电荷QD1、QD2和QD3来补偿被开关元件S11、S12和S19的沟道所吸收的电荷部分。其结果是，电荷Q1+Q2被正确地再分配于电容器C1～C3，输出电压Vout也成为更为准确地表示霍尔电压的值。
具体而言，虚拟开关元件D1～D3的寄生电容优选为开关元件S11、S12和S19的寄生电容的0.5至1.5倍左右。
此外，图7中表示了对开关元件S13～S16设置了虚拟开关元件的情况下的与输出电压Vout的关系的仿真结果。图7表示了未设置虚拟开关元件的情况和设有虚拟开关元件的情况的对于输出电压Vout的理想值的差的比例。图7中，负号表示仿真结果是比理想值低的值。如图7所示，即使开关元件S13～S16连接虚拟开关元件，反而还进一步下拉了输出电压Vout，对输出电压Vout的电荷注入噪声的减低效果小。
这推定为如下的原因：在开关元件S13～S16与虚拟开关元件连接的情况下，在第1状态或是第2状态下电容器C1和C2充电后，在开关元件S13～S16关断和虚拟开关元件导通时，电容器C1和C2中存储的电荷的一部分被虚拟开关元件所吸收。
由此，对开关元件S13～S16，优选为不连接虚拟开关元件。也就是说，优选为在偏移消除电路200中，在施加了来自外部的电压使流过霍尔元件10的电流转换的情况下，按其状态，控制导通/关断使霍尔元件10的输出电压施加至电容器C1和C2的其中之一；在第1状态和第2状态下，用于连接运算放大器12a、12b的输出端至电容器C1和C2的开关元件，不与虚拟开关元件连接。
另外，开关元件S9和S10，由于在输出状态后成为低阻抗，所以即使对开关元件S9和S10也连接虚拟开关元件，对输出电压Vout的电荷注入噪声的减低效果也小。由此，优选对开关元件S9和S10也不连接虚拟开关元件。
另外，图8是表示偏移消除电路200的电容器C1和C2的元件结构的例子。
电容器C1和C2在半导体基板30上由多晶硅层32、绝缘层34和多晶硅层36层叠而构成。在将绝缘层34和多晶硅层36图形化而形成的开口部的多晶硅层32的表面，形成电极38。绝缘层34在多晶硅层32上层叠而形成，多晶硅层36在绝缘层34上层叠而形成。多晶硅层36的表面上形成电极40。从电极38和电极40引出输出端子。
具有这样的构造的电容器C1和C2在半导体基板30接地的状态下，利用电极38和电极40之间的电容量。图9中表示了电容器C1和C2的等效电路。如图9所示，电容器C1和C2上，连接了在半导体基板30上形成的寄生电容Cx。
利用这样的电容器C1和C2的情况下，如图10(a)所示，当偏移消除电路200的电容器C1和C2的正端子侧被配置了寄生电容Cx，而与运算放大器12a、12b连接时，在输出状态下，使电容器C1和C2中存储的电荷被在电容器C1、C2和C3中电荷再分配时，除了浮动(floating)状态的电容器C1、C2和C3之外，对寄生电容Cx也进行电荷再分配。其结果是，会输出比正确的霍尔电压低的输出电压Vout。
另一方面，如图10(b)所示，当偏移消除电路200的电容器C1和C2的负端子侧被配置了寄生电容Cx，而与运算放大器12a、12b连接时，在输出状态下，使电容器C1和C2中存储的电荷被在电容器C1、C2和C3中电荷再分配时，电容器C1和C2的负端子和寄生电容Cx的端子被置为基准电压Vref。对寄生电容Cx提供与来自基准电压生成电路的20b等的基准电压Vref相对应的电荷，电容器C1和C2中存储的电荷被正确地再分配到电容器C1、C2和C3。其结果是，输出电压Vout会更为接近正确的霍尔电压。
在对电容器C1和C2充电时，和对电容器C1、C2和C3再分配电荷的时候，会产生基准电压的差。该基准电压的差，是霍尔元件10的中心电压与运算放大器20a所使用的基准电压生成电路的20b的基准电压之间的差。除了该电压差，由寄生电容所带来的电荷的影响在运算放大器20a的比较时也会产生偏移。如图10(b)所示，通过配置寄生电容Cx，在运算放大器20a的比较时可以减少偏移的影响。
如上所述，根据本发明的实施方式，可以消除霍尔元件的输出电压的偏移电压，并且还可以减低对偏移消除电路的电荷注入噪声的影响。

Claims (4)

1.一种偏移消除电路，是霍尔元件的偏移消除电路，其特征在于，具备：
多个电容器；
第1开关元件群，进行导通/关断控制，以便按照切换流过所述霍尔元件的电流的方式从外部施加电压，并按其状态，使所述霍尔元件的输出电压施加给所述多个电容器的其中之一；和
第2开关元件群，进行导通/关断控制，以便在所述多个电容器并联连接的状态下输出与对所述多个电容器所充电的电荷相对应的输出电压；
对所述第2开关元件群的至少一部分连接与该开关元件互斥地进行导通/关断控制的虚拟开关元件。
2.根据权利要求1所述的偏移消除电路，其特征在于，
含有多个与所述虚拟开关元件连接的所述开关元件；
该多个开关元件在所述多个电容器并联连接的状态下，共同连接于并联连接的所述多个电容器的一个输出端。
3.根据权利要求1或2所述的偏移消除电路，其特征在于，
在所述多个电容器并联连接的状态下，对并联连接的所述多个电容器的一个输出端施加基准电压，而只对并联连接的所述多个电容器的另一个输出端连接与所述虚拟开关元件连接的所述开关元件。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的偏移消除电路，其特征在于，
所述第1开关元件群不与虚拟开关元件连接。
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