CN103997307B - 传感器电路 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够不增大消耗电流、高速且高放大率地放大传感器信号的传感器电路。该传感器电路包括将作为传感器元件的电流信号的差动输出信号预先放大的一级放大器、将放大的差动输出信号放大的二级放大器、用于将传感器元件驱动电流保持为恒定的恒压产生电路、和返回反馈信号来调整放大率的反馈电路。该传感器电路中流过一级放大器的电流的大部分作为传感器元件的偏置电流。
Description
技术领域
本发明涉及传感器电路，更具体涉及具有桥式传感器元件的传感器电路。
背景技术
因为传感器元件的输出信号（传感器信号）一般很微小，所以为了适用于使用传感器元件的电子电路，需要通过传感器电路来进行放大。
近年，电子设备的小型化得到进展，内含的传感器电路也进行小型化，传感器电路的小型化导致传感器信号的微小信号化。为了使作为微小信号的传感器信号能由一般的电子设备使用，在传感器电路的放大器中需要更加高的放大率。一方面，传感器电路不断要求高速工作化。高放大率和高速工作一般是对立的，为了满足这些的要求，现有的放大器的消耗电流变多（例如，参照专利文献1）。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2010-181211号公报。
发明内容
发明要解决的问题
但是，在电子设备中，尤其是在电池驱动的移动设备中，消耗电流的增大存在难以被市场接受的问题。
本发明鉴于这些问题点而成，提供能够不增大消耗电流、高速且高放大率地放大传感器信号的传感器电路。
解决问题的方案
本发明为了解决上述问题，提供一种传感器电路，其包括：将作为传感器元件的电流信号的差动输出信号预先放大的一级放大器、将放大的差动输出信号放大的二级放大器、用于将传感器元件驱动电流保持为恒定的恒压产生电路、和返回反馈信号来调整放大率的反馈电路。该传感器电路中流过一级放大器的电流的大部分作为传感器元件的偏置电流。
发明的效果
通过本发明的传感器电路，因为通过一级放大器被放大的传感器信号输入到二级放大器，所以传感器电路能够高速且高放大率地放大传感器信号。
此外，即使传感器电路附加一级放大器，一级放大器的消耗电流的大部分也作为传感器元件驱动电流来利用，所以传感器电路的消耗电流几乎不增加。
附图说明
图1是示出第1实施方式的传感器电路的电路图。
图2是示出第2实施方式的传感器电路的电路图。
图3是示出第3实施方式的传感器电路的电路图。
图4是示出第4实施方式的传感器电路的电路图。
图5是示出第5实施方式的传感器电路的电路图。
具体实施方式
第1实施方式
图1是示出第1实施方式的传感器电路的电路图。
第1实施方式的传感器电路包括：传感器元件S1、将作为传感器元件S1的电流信号的差动输出信号（传感器信号）预先放大的一级放大器C1、将放大的传感器信号放大的二级放大器A1、用于将传感器元件驱动电流保持为恒定的恒压产生电路C2、返回反馈信号来调整放大率的反馈电路C3。这里，流过一级放大器C1的电流的大部分作为传感器元件S1的偏置电流而流过传感器元件S1。
传感器元件S1由电阻值相同的四个电阻R33~R36构成桥式。此外，传感器元件S1是表现为四个桥式的等效电阻的元件。
在一级放大器C1中，NMOS晶体管M11的栅极以及漏极连接到节点N13，源极通过串联连接的电阻R11~R12连接到接地端子。恒流源I1设在电源端子和节点N13之间。NMOS晶体管M21的栅极以及漏极连接到节点N23，源极通过串联连接的电阻R21~R22连接到接地端子。恒流源I2设在电源端子和节点N23之间。NMOS晶体管M12的栅极连接到节点N13，源极连接到节点N31，漏极通过电阻R31连接到电源端子。NMOS晶体管M22的栅极连接到节点N23，源极连接到节点N31，漏极通过电阻R32连接到电源端子。节点N331是与NMOS晶体管M12的漏极的连接点。节点N332是与NMOS晶体管M22的漏极的连接点。节点N11是NMOS晶体管M11的源极。节点N21是NMOS晶体管M21的源极。
二级放大器A1的非反相输入端子连接到节点N332，反相输入端子连接到节点N331，非反相输出端子连接到传感器电路的非反相输出端子N02，反相输出端子连接到传感器电路的反相输出端子N01。此外，二级放大器A1的输出公共电压反馈端子连接到作为传感器元件驱动电流的供给节点的节点N31。二级放大器A1的输出公共电压输入端子连接到作为二级放大器A1的输出公共电压的供给节点的节点N41。
在恒压产生电路C2中，NMOS晶体管M41的栅极以及漏极连接到节点N43，源极通过串联连接的电阻R41~R42连接到接地端子。恒流源I4设在电源端子和节点N43之间。节点N41是NMOS晶体管M41的源极。
在反馈电路C3中，电阻13设在传感器电路的反相输出端子N01和节点N12之间，电阻23设在传感器电路的非反相输出端子N02和节点N22之间。
这里，恒流源I1~I2流过相同的恒流。NMOS晶体管M11和NMOS晶体管M21是相同尺寸。NMOS晶体管M12和NMOS晶体管M22是相同尺寸。电阻R11~R13和电阻R21~R23以及电阻R41~R42与传感器元件S1为相同材料。电阻R11~R12以及电阻R21~R22的电阻值相同。电阻R41~R42的电阻值相同。
此外，电阻R11~R13的电阻值分别为R11~R13，电阻R21~R23的电阻值分别为R21~R23，电阻R31~R36的电阻值分别为R31~R36，电阻R41~R42的电阻值分别为R41~R42。恒流源I1~I2的电流值分别为I1~I2，恒流源I4的电流值为I4。于是，NMOS晶体管M11和NMOS晶体管M12的尺寸比表示为：
1/（R11+R12）：1/（R33+R34）
NMOS晶体管M21和NMOS晶体管M22的尺寸比表示为：
1/（R21+R22）：1/（R35+R36）
NMOS晶体管M11和NMOS晶体管M41的尺寸比表示为：
1/（R11+R12）：1/（R41+R42）
此外，表示为：
I1：I4。
接着关于第1实施方式的传感器电路的工作进行说明。
这里，传感器元件S1基于节点N31与接地端子之间流过的偏置电流以及施加的磁力等物理量，对节点N12以及节点N22输出作为传感器元件S1的电流信号的差动输出信号（传感器信号）。此外，恒压产生电路C2基于恒流源I4的恒流以及电阻R41~R42的电阻值，对节点N41产生恒压。该恒压输入二级放大器A1的输出公共电压输入端子，成为二级放大器A1的输出公共电压。二级放大器A1以输出公共电压输入端子和输出公共电压反馈端子的电压相等的方式来控制非反相输出端子和反相输出端子的电压。二级放大器A1的输出公共电压反馈端子连接有节点N31，所以节点N31和节点N41的电压相等。
当不存在施加到传感器元件S1的磁力等物理量时，因为电阻R11~R12的电阻值根据温度而变动，所以节点N11的电压也变动。同样地因为电阻R33~R36的电阻值变动，所以节点N31的电压也变动。但是，因为电阻R11~R12和传感器元件S1的电阻R33~R36为相同的材料，所以具有相同的电阻值的温度特性。因此，电阻R11~R12以及电阻R33~R36根据温度的电阻值的变动量相等。于是，节点N11和节点N31的电压也相等，为I1×（R11+R12）。同样地，节点N11和节点N21和节点N31和节点N41的电压也全部相等。这里，因为电阻R33与电阻R34的连接点和电阻R11与电阻R12的连接点为相同电压，所以电流不流过这些连接点之间。同样地，因为电阻R35与电阻R36的连接点和电阻R21与电阻R22的连接点为相同电压，所以电流不流过这些连接点之间。
再者，当电阻R12以及电阻R22的电阻值根据温度分别变动时，节点NO1~NO2的二级放大器A1的输出公共电压也相应于该电阻变动的程度进行变动。
施加到传感器元件S1的磁力等物理量存在的情况下，传感器信号输出到节点N12，流过电阻R12。此外，传感器信号输出到节点N22，流过电阻R22。因此，节点N12和节点N22之间产生电压差ΔV12。该电压差ΔV12分别电平移动而传播到节点N13以及节点N23，分别输入NMOS晶体管M12以及NMOS晶体管M22的栅极。
由于该差电压ΔV12，流过电阻R31和电阻R32的电流基于NMOS晶体管M12以及NMOS晶体管M22的跨导gm3而分别变化。因此，节点N331和节点N332之间产生电压差ΔV331。该电压差ΔV331为电压差ΔV12的（gm3×R31）倍。一般容易确保（gm3×R31）≈10，对二级放大器A1的输入信号振幅由于一级放大器C1的存在而大约变大为10×（R12）/（R12+R34）倍。
电压差ΔV331通过二级放大器A1进行放大，通过电阻R13以及电阻R23分别反馈到节点N12以及节点N22。此时，电阻13以及电阻23返回反馈信号而调整放大率，一级放大器C1以及二级放大器A1以抵消传感器信号的变动的方式进行工作。反馈之后，如果传感器信号静止，则一级放大器C1的工作状态与没有传感器信号的情况相同。
此外，因为作为传感器元件S1的电流信号的差动输出信号（传感器信号）依赖于电阻R33~R36的电阻值，所以这些电阻值根据温度而变动时，传感器信号也变动。但是，因为电阻R13和电阻R23以及电阻R33~R36为相同的材料，所以具有相同的电阻值的温度特性。因此，电阻R13和电阻R23以及电阻R33~R36根据温度的电阻值的变动量相等。即，这些电阻的电阻值的比不变动。此外，由于这些电阻的电阻值的温度依赖性，传感器元件S1的电流信号变动。因此，节点NO1~NO2的电压不变动，不具有温度依赖性。于是，不需要修正温度依赖性的温度补偿电路。在传感器电路中，电路规模变小，消耗电流变少。
第2实施方式
图2是示出第2实施方式的传感器电路的电路图。
第2实施方式的传感器电路对第1实施方式的传感器电路追加输出公共电压调整电路C4。产生希望的基准电压的基准电压产生电路V41通过电阻R43连接到节点N42。该电阻R43的电阻值例如为R13×（1+R12/R34）。第1实施方式的传感器电路中，节点NO1~NO2的二级放大器A1的输出公共电压为（I1×R12）。但是，第2实施方式的传感器电路中输出公共电压也可以为希望的电压。
第3实施方式
图3是示出第3实施方式的传感器电路的电路图。
第3实施方式的传感器电路中，反馈电路C3的电阻R13以及电阻R23的连接位置被变更。第1实施方式的传感器电路中，电阻R13以及电阻R23分别连接到节点N12以及节点N22。但是，第3实施方式的传感器电路中，电阻R13以及电阻R23也可以分别连接到节点N11以及节点N21。当不存在施加到传感器元件S1的磁力等物理量的情况下，第1实施方式的传感器电路中，节点NO1~NO2的二级放大器A1的输出公共电压为节点N12以及节点N22的电压，为与电源电压相比较低的电压。但是，第3实施方式的传感器电路中，输出公共电压为节点N11以及节点N21的电压，比图1的情况更高。于是，能够扩大节点NO1~NO2的传感器信号的振幅，传感器信号的放大率能够升高与其相应的程度。
第4实施方式
图4是示出第4实施方式的传感器电路的电路图。
第4实施方式的传感器电路中，一级放大器C1的电阻R31~R32分别置换为二极管连接的PMOS晶体管M31~M32。
第1实施方式的传感器电路中，传感器元件S1的电阻值由于温度而升高时，节点N31的电压也升高，NMOS晶体管M12以及NMOS晶体管M22的漏极－源极之间的电压分别降低。此时，由于施加到传感器元件S1的磁力等物理量，节点N12或者节点N22的电压降低，节点N331或者节点N332的电压降低时，NMOS晶体管M12或者NMOS晶体管M22的漏极－源极之间的电压进一步降低。于是，NMOS晶体管M12或者NMOS晶体管M22不能够正常工作。
第4实施方式的传感器电路中，节点N331~N332的电压难以因施加到传感器元件S1的磁力等物理量而变动。因此，NMOS晶体管M12以及NMOS晶体管M22的漏极－源极之间的电压难以降低。
第5实施方式
图5是示出第5实施方式的传感器电路的电路图。
如第5实施方式的传感器电路，即使将各构成元件对于电源端子以及接地端子反向连接，将NMOS晶体管变更为PMOS晶体管来进行构成也能得到与其它实施方式同样的效果。第5实施方式的传感器电路虽然将第1实施方式的传感器电路的各构成元件对于电源端子以及接地端子反向连接来进行构成，但是关于其它实施方式也是同样可以这么做的。
附图标记
S1 传感器元件；C1 一级放大器；C2 恒压产生电路；C3 反馈电路；A1 二级放大器；I1~I2、I4 恒流源。
Claims (4)
1.一种传感器电路，包括第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子、第二输出端子，放大四个桥式等效电阻构成的传感器元件（S1）产生的电压并输出，所述传感器电路的特征在于，包括：
一级放大器（C1），其包括：在电源端子和接地端子之间串联连接的第一恒流源（I1）和第一MOS晶体管（M11）以及第一电阻（R11）与第二电阻（R12）、在所述电源端子和所述接地端子之间串联连接的第二恒流源（I2）和第二MOS晶体管（M21）以及第三电阻（R21）与第四电阻（R22）、在所述电源端子和所述传感器元件（S1）的第一输入端子之间串联连接的第一电阻成分（R31）和与所述第一MOS晶体管（M11）以构成电流镜电路的方式连接的第三MOS晶体管（M12）、以及在所述电源端子和所述传感器元件的第一输入端子之间串联连接的第二电阻成分（R32）和与所述第二MOS晶体管以构成电流镜电路的方式连接的第四MOS晶体管（M22），所述第一电阻（R11）与第二电阻（R12）的连接点（N12）连接到所述传感器元件（S1）的第一输出端子，所述第三电阻（R21）与第四电阻（R22）的连接点（N22）连接到所述传感器元件（S1）的第二输出端子；
恒压产生电路（C2），其包括在电源端子和接地端子之间串联连接的第三恒流源（I4）和第五MOS晶体管（M41）以及第五电阻（R41）与第六电阻（R42），所述恒压产生电路（C2）产生恒压；
二级放大器（A1），其反相输入端子连接到所述第三MOS晶体管（M12）的漏极，非反相输入端子连接到所述第四MOS晶体管（M22）的漏极，反相输出端子连接到所述传感器电路的反相输出端子（N01），非反相输出端子连接到所述传感器电路的非反相输出端子（N02），输出公共电压输入端子中输入所述恒压，输出公共电压反馈端子中输入所述传感器元件的第一输入端子的电压；以及
反馈电路（C3），其包括设在所述二级放大器（A1）的反相输出端子和所述传感器元件（S1）的第一输出端子之间的第七电阻（R13）、和设在所述二级放大器（A1）的非反相输出端子和所述传感器元件的第二输出端子之间的第八电阻（R23）。
2.根据权利要求1所述的传感器电路，其特征在于：
所述第七电阻（R13）一端连接到所述二级放大器（A1）的反相输出端子，另一端连接到所述传感器元件（S1）的第一输出端子，
所述第八电阻（R23）一端连接到所述二级放大器（A1）的非反相输出端子，另一端连接到所述传感器元件（S1）的第二输出端子。
3.根据权利要求1所述的传感器电路，其特征在于：
所述第七电阻（R13）一端连接到所述二级放大器（A1）的反相输出端子，另一端通过所述第一电阻（R11）连接到所述传感器元件（S1）的第一输出端子，
所述第八电阻（R23）一端连接到所述二级放大器（A1）的非反相输出端子，另一端通过所述第三电阻（R21）连接到所述传感器元件（S1）的第二输出端子。
4.根据权利要求1所述的传感器电路，其特征在于：
在所述第五电阻（R41）与第六电阻（R42）的连接点（N42）和接地端子之间进一步包括串联连接的第九电阻（R43）和基准电压产生电路（V41）。
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