CN104007399A - 磁传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供磁传感器装置，其能够高精度且高速地进行信号处理。磁传感器装置具有：多个霍尔元件；与多个霍尔元件分别连接的多个差动放大器；检测电压设定电路，其输出基准电压；以及比较器，其具有分别与多个差动放大器连接的多个差动输入对和与检测电压设定电路连接的差动输入对。

Description

磁传感器装置
技术领域
本发明涉及将磁场强度转换成电信号的磁传感器装置，涉及例如在折叠式便携电话或笔记本电脑等中的开闭状态检测用传感器、或者电机的旋转位置检测传感器等中利用的磁传感器装置。
背景技术
作为折叠式便携电话或笔记本电脑等中的开闭状态检测用传感器、或者作为电机的旋转位置检测传感器，使用了磁传感器装置。
磁传感器装置通过磁电转换元件（例如霍尔元件）来输出与磁场强度或者磁通密度呈比例的电压，通过放大器对其输出电压进行放大，并利用比较器进行判定，以H信号或L信号这二值来进行输出。由于磁电转换元件的输出电压微小，因此磁电转换元件具有的偏移电压（元件偏移电压）、放大器或比较器具有的偏移电压（输入偏移电压）、或者转换元件内的噪声成为问题。元件偏移电压主要是由于磁电转换元件从封装受到的应力等而产生的。输入偏移电压主要是由于构成放大器的输入电路的元件的特性偏差等而产生的。噪声主要是由于构成电路的单体晶体管具有的闪变噪声、单体晶体管或电阻元件具有的热噪声而产生的。
已经设计出降低上述的磁电转换元件、放大器具有的偏移电压的影响的磁传感器装置（例如，参照专利文献1）。图4所示的以往的磁传感器装置包括：作为磁电转换元件的霍尔元件51、开关切换电路52、差动放大器53、比较器54、检测电压设定电路55、第一电容C51和第二电容C52、第一开关S51和第二开关S52。
差动放大器53形成图5所示的仪表放大结构，具有差动放大器61、62和电阻R61、R62、R63。差动放大器61和62分别作为同相放大器而工作。差动放大器53的第一输入端子与差动放大器61的同相输入端子E61连接，第二输入端子与差动放大器62的同相输入端子E62连接，第一输出端子与差动放大器61的输出端子E63连接，第二输出端子与差动放大器62的输出端子E64连接。由于差动放大器53形成如上所述的仪表放大结构，从而能够抑制差动输入中的共模噪声的影响。在此，假设差动放大器61和62的放大率被设定为相同。
图6示出以往的磁传感器装置的动作的时序图。检测动作的一个周期T通过上述的开关切换电路52的动作而分为第一检测状态T1和第二检测状态T2，在所述第一检测状态T1中，向霍尔元件51的第一端子对A-C输入电源电压，从第二端子对B-D输出检测电压，在所述第二检测状态T2中，向第二端子对B-D输入电源电压，从第一端子对A-C输出检测电压。另外，通过各开关的开闭，分为第1采样阶段F1、第2采样阶段F2、比较阶段F3。并且，在比较阶段F3中，去除各偏移成分。
专利文献1：日本特开2010-281801号公报
但是，在以往的磁传感器装置中，为了抵消偏移成分，需要进行用于设置如采样阶段和比较阶段那样的多个信号处理期间的时分动作，不适合进行高速信号处理。另外，为了进行时分动作，需要进行开关电路和电容元件的连接，电路结构变复杂。
发明内容
本发明的目的在于，提供如下的磁传感器装置：活用具有多个霍尔元件和多个差动输入对的比较器，通过抵消霍尔元件的偏移成分而实现高精度的磁场强度检测，并且高速地进行信号处理。
为了解决以往这样的问题，本发明的磁传感器装置如下构成。
一种磁传感器装置，具有：多个霍尔元件；与多个霍尔元件分别连接的多个差动放大器；检测电压设定电路，其输出基准电压；以及比较器，其具有分别与多个差动放大器连接的多个差动输入对和与检测电压设定电路连接的差动输入对。
根据本发明的磁传感器装置，能够用小规模的电路结构任意地设定磁场强度的检测电压电平，因此能够消除霍尔元件偏移，且能够高速地进行信号处理。
附图说明
图1是示出本实施方式的磁传感器装置的电路图。
图2是示出本实施方式的磁传感器装置的另一例的电路图。
图3是在本实施方式的磁传感器装置中使用的比较器的电路图的一例。
图4是以往的磁传感器装置的电路图。
图5是以往的磁传感器装置的差动放大器的电路图的一例。
图6是以往的磁传感器装置的时序图。
标号说明：
1a、1b、51      霍尔元件
2a、2b、2c、53  差动放大器
3、54           比较器
4、55           检测电压设定电路
52              开关切换电路
具体实施方式
以下，根据附图，对本发明的实施方式进行详细说明。本发明的磁传感器装置被广泛用作折叠式便携电话或笔记本电脑等中的开闭状态检测传感器、电机的旋转位置检测传感器等对磁场强度的状态进行检测的传感器。在以下的实施方式中，对于使用了霍尔元件的磁传感器装置进行说明，但是对于本发明的转换元件，也可以代替根据磁场强度进行电压输出的霍尔元件，而使用根据加速度、或压力等各物理量进行相同的电压输出的转换元件。
图1是示出本实施方式的磁传感器装置的电路图。
本实施方式的磁传感器装置由如下部分构成：根据磁场强度而输出信号电压的霍尔元件1a、1b；对信号电压进行放大的差动放大器2a、2b；具有三个差动输入对的比较器3；以及输出基准电压的检测电压设定电路4。
霍尔元件1a、1b在半导体基板上配置在彼此靠近的位置，且被配置成，连结霍尔元件1a的第一端子对A-C的直线与连结霍尔元件1b的第一端子对E-G的直线成为彼此平行的关系。其结果，连结霍尔元件1a的第二端子对B-D的直线与连结霍尔元件1b的第二端子对F-H的直线也成为彼此平行的关系。差动放大器2a、2b成为在以往例的说明中图5所示的仪表放大结构。关于比较器3，将在后面进行详细说明，该比较器3形成图3所示的电路结构，输出端子OUT的电压VO由式（1）表示。
VO=A1×（V6-V5）+A2×（V8-V7）+A3×（V10-V9）…（1）
在此，A1、A2、A3是构成比较器3的三个差动放大器的各个放大率。检测电压设定电路4由基准电压电路ref1、ref2构成，对比较器3的第三差动输入对的第一、第二输入端子分别施加任意的基准电压Vref1、Vref2。例如由电阻构成的分压电路是基准电压电路ref1、ref2的一例。
接着，对本实施例的磁传感器装置的动作进行说明。设霍尔元件1a、1b的输出端子对中的差动输出电压为Vh、元件偏移电压为Voh、共模电压为Vcm（≒VDD/2）、差动放大器2a、2b的各放大率为G，对信号成分的传递进行说明。在霍尔元件1a和1b中，将电流的流动方向旋转了90度，因此霍尔元件1a的输出端子对中的偏移成分与霍尔元件1b的输出端子对中的偏移成分成为反相。根据以上内容，计算各连接点的信号电压如下。
V1=Vcm-Vh/2+Voh/2…（2）
V2=Vcm+Vh/2-Voh/2…（3）
V3=Vcm-Vh/2-Voh/2…（4）
V4=Vcm+Vh/2+Voh/2…（5）
V5=Vcm-G（Vh/2-Voh/2）…（6）
V6=Vcm+G（Vh/2-Voh/2）…（7）
V7=Vcm-G（Vh/2+Voh/2）…（8）
V8=Vcm+G（Vh/2+Voh/2）…（9）
V9=Vref1…（10）
V10=Vref2…（11）
在将上述的V5～V10代入到式（1）时，电压VO由式（12）表示。在此，在比较器3中，通常各差动放大器构成为具有同一性，A1=A2=A3=A。
VO=2AGVh+A（Vref2-Vref1）…（12）
由此可知，霍尔元件1a、1b的偏移成分被抵消，能够对磁场强度的放大信号成分与任意设定的基准电压成分进行比较。在本实施例中，电压VO是比较器的输出电压（A的值非常大），因此根据Vh的值而成为VDD电位或者GND电位。另外还可知，这些一系列的信号处理无需以往例那样的时分信号处理，可进行高速信号处理。也不需要在进行时分信号处理时所需的开关电路和电容元件，还能够对缩小芯片尺寸、即减少成本做出贡献。
在此，对比较器3进行说明。该比较器3构成图3所示的电路结构，具有恒流电路I1和NMOS晶体管M43、M44A、M44B、M44C、M45A、M46A、M45B、M46B、M45C、M46C以及PMOS晶体管M41、M42，并以如下方式连接而构成。恒流电路I1的一方与电源电压端子VDD连接，另一方与NMOS晶体管M43的漏极和栅极连接。将其连接点设为VBN。VBN与NMOS晶体管M44A、M44B、M44C的各栅极连接。NMOS晶体管M43、M44A、M44B、M44C的源极与接地端子VSS连接。NMOS晶体管M45A和M46A的源极与M44A的漏极连接，NMOS晶体管M45B和M46B的源极与M44B的漏极连接，NMOS晶体管M45C和M46C的源极与M44C的漏极连接。NMOS晶体管M45A、M45B以及M45C的漏极与PMOS晶体管M41的漏极连接。将其连接点设为VA。NMOS晶体管M46A、M46B以及M46C的漏极与PMOS晶体管M42的漏极连接。其连接点与比较器3的输出端子OUT连接。PMOS晶体管M41和M42的栅极与连接点VA连接，源极与电源电压端子VDD连接。NMOS晶体管M45A、M46A的栅极分别与第一差动输入对的第二输入端子V6、第一输入端子V5连接，NMOS晶体管M45B、M46B的栅极分别与第二差动输入对的第二输入端子V8、第一输入端子V7连接，NMOS晶体管M45C、M46C的栅极分别与第三差动输入对的第二输入端子V10、第一输入端子V9连接。
接着，对比较器3的动作进行说明。恒流电路I1产生恒定电流并提供给NMOS晶体管M43。NMOS晶体管M43、M44A、M44B、M44C构成电流镜电路，在NMOS晶体管M44A、M44B、M44C的漏极-源极之间流过由在M43的漏极-源极之间流动的电流决定的电流。由NMOS晶体管M44A、M45A、M46A、PMOS晶体管M41、M42构成的五个晶体管构成差动放大器，进行如下动作：对NMOS晶体管M45A、M46A的栅极电压的差、即第一差动输入对的第二输入端子V6与第一输入端子V5的电压差进行放大而输出到输出端子OUT。将其放大率设为A1。在此，关于电流镜电路结构和差动放大器结构的动作，在CMOS模拟电路的文献等中进行了详细的记载，在此省略详细说明。另外，由NMOS晶体管M44B、M45B、M46B、PMOS晶体管M41、M42构成的五个晶体管也构成差动放大器，进行如下动作：对NMOS晶体管M45B、M46B的栅极电压的差、即第二差动输入对的第二输入端子V8与第一输入端子V7的电压差进行放大而输出到输出端子OUT。将其放大率设为A2。另外，由NMOS晶体管M44C、M45C、M46C、PMOS晶体管M41、M42构成的五个晶体管也构成差动放大器，进行如下动作：对NMOS晶体管M45C、M46C的栅极电压的差、即第三差动输入对的第二输入端子V10与第一输入端子V9的电压差进行放大而输出到输出端子OUT。将其放大率设为A3。另外，NMOS晶体管M45A、M45B、M45C的各漏极在连接点VA处与PMOS晶体管M41的漏极连接，NMOS晶体管M46A、M46B、M46C的各漏极在输出端子OUT处与PMOS晶体管M42的漏极连接，由此在该连接点VA和输出端子OUT处，进行将输入到各差动放大器并进行了放大的信号电压相加的动作。当利用式子来表示这样的动作时，如上述的式（1）所示。
另外，通过将霍尔元件例如增至四个，并且与此相应地将比较器的差动输入对增至五个（输入端子为十个），抑制霍尔元件偏移偏差的影响，从而能够进一步提高磁场强度的检测精度。这样，本发明能够应对于活用多个霍尔元件和具有多个差动输入对的比较器的结构。
另外，在本发明的实施方式所示出的磁传感器装置中，也可以成为将比较器变换为差动放大器来输出模拟信号的结构。
图2是示出本实施方式的磁传感器装置的另一例的电路图。
与图1的磁传感器装置的不同点在于，在比较器3的第三差动输入对的第一、第二输入端子与检测电压设定电路4之间设置了差动放大器2c。
差动放大器2c的第一输出端子和第二输出端子分别与比较器3的第三差动输入对的第二输入端子V10、第一输入端子V9连接。检测电压设定电路4由基准电压电路ref1、ref2构成，向差动放大器2c的两个输入端子V11、V12分别施加任意的基准电压Vref1、Vref2。另外，差动放大器2a、2b、2c在半导体基板上配置于彼此靠近的位置，并且分别构成为具有同一性。关于其他结构，与图1的磁传感器装置相同。
接着，对本实施例的磁传感器装置的动作进行说明。设霍尔元件1a、1b的输出端子对中的差动输出电压为Vh、元件偏移电压为Voh、共模电压为Vcm（≒VDD/2）、差动放大器2a、2b的各放大率为G、差动放大器2c的放大率为2G、各差动放大器的第一输入端子中的输入偏移电压为Voa1、第二输入端子中的输入偏移电压为Voa2，对信号成分的传递进行说明。关于差动放大器的输入偏移电压，主要以系统性偏移为对象。与图1的磁传感器装置同样，在霍尔元件1a和1b中，电流的流动方向旋转了90度，因此霍尔元件1a的输出端子对中的偏移成分与霍尔元件1b的输出端子对中的偏移成分成为反相。根据以上内容，计算各连接点的信号电压如下。
V1=Vcm-Vh/2+Voh/2…（13）
V2=Vcm+Vh/2-Voh/2…（14）
V3=Vcm-Vh/2-Voh/2…（15）
V4=Vcm+Vh/2+Voh/2…（16）
V11=Vref1…（17）
V12=Vref2…（18）
V5=Vcm-G（Vh/2-Voh/2-Voa1）…（19）
V6=Vcm+G（Vh/2-Voh/2+Voa2）…（20）
V7=Vcm-G（Vh/2+Voh/2-Voa1）…（21）
V8=Vcm+G（Vh/2+Voh/2+Voa2）…（22）
V9=Vcm2+2G（Vref2-Vcm2+Voa2）…（23）
V10=Vcm2+2G（Vref1-Vcm2+Voa1）…（24）
在此，Vcm2为（Vref1+Vref2）/2。在将上述的V5～V10代入式（1）时，VO由式（25）表示。在此，与第一实施方式同样，A1=A2=A3=A。
VO=2AG（Vh+Vref1-Vref2）…（25）
这样可知，霍尔元件1a、1b的偏移成分和差动放大器2a、2b、2c的输入偏移成分被抵消，能够对磁场强度的放大信号成分与任意设定的基准电压成分进行比较。电压VO是比较器的输出电压（A的值非常大），因此根据Vh的值而成为VDD电位或者GND电位。与图1的磁传感器装置同样还可知，这一系列的信号处理无需进行以往例那样的时分信号处理，能够进行高速信号处理。也不需要在进行时分信号处理时所需的开关电路和电容元件，还能够对缩小芯片尺寸、即降低成本做出贡献。
另外，与图1的磁传感器装置同样，能够应对于活用多个霍尔元件和具有多个差动输入对的比较器的结构。
另外，与图1的磁传感器装置同样，也可以成为将比较器变换为差动放大器来输出模拟信号的结构。

Claims (3)

1.一种磁传感器装置，其根据施加到霍尔元件的磁场强度而输出信号，所述磁传感器装置的特征在于，具有：
多个霍尔元件；
与所述多个霍尔元件分别连接的多个差动放大器；
检测电压设定电路，其输出基准电压；以及
比较器，其具有分别与所述多个差动放大器连接的多个差动输入对和与所述检测电压设定电路连接的差动输入对。
2.根据权利要求1所述的磁传感器装置，其特征在于，
所述多个差动放大器包括：
第一差动放大器，该第一差动放大器的第一输入端子和第二输入端子与第一霍尔元件的输出端子对连接，将所放大的信号电压输出到该第一差动放大器的第一输出端子和第二输出端子；以及
第二差动放大器，该第二差动放大器的第一输入端子和第二输入端子与第二霍尔元件的输出端子对连接，将所放大的信号电压输出到该第二差动放大器的第一输出端子和第二输出端子，
所述检测电压设定电路构成为输出第一基准电压和第二基准电压，
所述比较器构成为具有第一差动输入对、第二差动输入对和第三差动输入对，并从输出端子输出对所述第一差动输入对、所述第二差动输入对、所述第三差动输入对进行了比较的结果，其中，所述第一差动放大器的所述第一输出端子和所述第二输出端子与所述第一差动输入对的第一输入端子和第二输入端子连接，所述第二差动放大器的所述第一输出端子和所述第二输出端子与所述第二差动输入对的第一输入端子和第二输入端子连接，所述第一基准电压和所述第二基准电压与所述第三差动输入对的第一输入端子和第二输入端子连接。
3.根据权利要求1所述的磁传感器装置，其特征在于，
在所述检测电压设定电路与所述比较器的差动输入对之间具有差动放大器。
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