CN104007400B - 磁性传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够高精度且高速进行信号处理的磁性传感器装置。该磁性传感器装置具备：多个霍尔元件；与多个霍尔元件的各个连接的多个差动放大器；输出基准电压的检测电压设定电路；以及具有与多个差动放大器分别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的比较器。

Description

磁性传感器装置
技术领域
本发明涉及将磁场强度转换为电信号的磁性传感器装置，例如涉及用于折叠式便携电话机、笔记本电脑等中的开闭状态探测用传感器、或电机的旋转位置探测传感器等的磁性传感器装置。
背景技术
作为折叠式便携电话机、笔记本电脑等中的开闭状态探测用传感器，此外作为电机的旋转位置探测传感器使用磁性传感器装置。
磁性传感器装置通过磁电转换元件（例如霍尔元件）输出与磁场强度或磁通密度成比例的电压，用放大器放大其输出电压，利用比较器进行判定，以H信号或L信号这二个值输出。由于磁电转换元件的输出电压微小，所以磁电转换元件具有的偏置电压（元件偏置电压）或放大器、比较器具有的偏置电压（输入偏置电压）、或磁性传感器装置内的噪声成为问题。元件偏置电压主要因为磁电转换元件从封装件受到应力等而产生。输入偏置电压主要因为构成放大器的输入电路的元件特性偏差等而产生。噪声主要因为构成电路的单个晶体管具有的闪变噪声、单个晶体管或电阻元件具有的热噪声而产生。
已设计出降低上述的磁电转换元件或放大器具有的偏置电压的影响的磁性传感器装置（例如，参照专利文献1）。图4所示的现有的磁性传感器装置，具备：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；以及第一开关S51和第二开关S52。
差动放大器53为如图5所示的仪表放大器结构，具备差动放大器61、62和电阻R61、R62、R63。差动放大器61和62分别作为非反相放大器进行工作。差动放大器53的第一输入端子与差动放大器61的非反相输入端子E61连接，第二输入端子与差动放大器62的非反相输入端子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。通过使差动放大器53为这样的仪表放大器结构，能够抑制差动输入中的同相噪声的影响。这里，差动放大器61和62的放大率被设定为相等。
图6中示出现有的磁性传感器装置的动作的时序图。检测动作的一个周期T被分为：根据上述开关切换电路52的动作，将电源电压输入霍尔元件51的第一端子对A－C，并从第二端子对B－D输出检测电压的第一检测状态T1；和将电源电压输入第二端子对B－D，并从第一端子对A－C输出检测电压的第二检测状态T2。此外，根据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。然后，在比较阶段F3中除去各偏置分量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010－281801号公报。
但是，现有的磁性传感器装置中，为了抵消偏置分量，需要进行设置如采样阶段和比较阶段那样多个信号处理期间的分时动作，不适合高速信号处理。此外，为了进行分时动作需要开关电路、电容元件的连接，电路结构变得复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁性传感器装置，以有效利用多个霍尔元件和具有多个差动输入对的比较器，通过抵消霍尔元件的偏置分量来实现高精度的磁场强度检测，且高速进行信号处理。
为了解决现有的这样的问题点，本发明的磁性传感器装置为如下结构。
一种磁性传感器装置，其中包括：多个霍尔元件；与多个霍尔元件的各个连接的多个可变电阻；连接多个霍尔元件的各个的多个差动放大器；以及具有与多个差动放大器分别连接的多个差动输入对的比较器。
依据本发明的磁性传感器装置，能以小规模电路任意设定磁场强度的检测电压电平，因此能够消除霍尔元件偏置，且，能够高速进行信号处理。
附图说明
图1是示出本实施方式的磁性传感器装置的电路图；
图2是示出本实施方式的霍尔元件和可变电阻的电路图；
图3是一例本实施方式中使用的比较器的电路图；
图4是现有的磁性传感器装置的电路图；
图5是一例现有的磁性传感器装置的差动放大器的电路图；
图6是现有的磁性传感器装置的时序图。
具体实施方式
以下，根据附图详细说明本发明的实施的方式。本发明的磁性传感器装置作为折叠式便携电话机、笔记本电脑等中的开闭状态探测传感器或电机的旋转位置探测传感器等、探测磁场强度的状态的传感器而被广泛利用。以下的实施方式中，虽然对于利用霍尔元件的磁性传感器装置进行说明，但是本发明的磁性传感器装置也能取代响应磁场强度进行电压输出的霍尔元件，而采用根据加速度、压力等的各物理量进行同样的电压输出的转换元件。
图1是示出本发明所涉及的磁性传感器装置的实施方式的电路图。本实施方式的磁性传感器装置包括：响应磁场强度而输出信号电压的霍尔元件1a、1b；放大信号电压的差动放大器2a、2b；具有2个差动输入对的比较器3；以及与霍尔元件连接的可变电阻Ra、Rb。
在半导体衬底上霍尔元件1a、1b配置在各自靠近的位置，并且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的直线成为互相平行的关系。结果，连结霍尔元件1a的第二端子对B－D的直线和连结霍尔元件1b的第二端子对F－H的直线也成为互相平行的关系。差动放大器2a、2b成为现有例的说明中图5所示的仪表放大器的结构。比较器3的详细内容后面进行说明，但成为如图3所示的电路结构，输出端子OUT的电压VO由式（1）所示。
VO＝A1（V6－V5）＋A2（V8－V7） （1）
这里，A1、A2是构成比较器3的2个差动放大器的各放大率。可变电阻Ra、Rb分别在霍尔元件1a的与差动放大器2a连接的一个端子与接地之间、霍尔元件1b的与差动放大器2b连接的一个端子与接地之间连接。
接着，说明本实施方式的磁性传感器装置的动作。设霍尔元件1a、1b的输出端子对中的对于磁场分量的差动输出电压为Vh、元件偏置电压为Voh、同相电压为Vcm（≈VDD/2）、差动放大器2a、2b的各放大率为G、由可变电阻Ra、Rb确定的向霍尔元件1a、1b的各输出端子对输出的检测电压分量分别为Vrefa、Vrefb，说明信号分量的传递。霍尔元件1a和1b中电流流过的方向旋转90度，因此霍尔元件1a的输出端子对中的偏置分量和霍尔元件1b的输出端子对中的偏置分量为反相。根据以上内容，计算各连接点的信号电压，则如下。
V1＝Vcm－Vh/2＋Voh/2 （2）
V2＝Vcm＋Vh/2－Vrefa－Voh/2 （3）
V3＝Vcm－Vh/2－Voh/2 （4）
V4＝Vcm＋Vh/2－Vrefb＋Voh/2 （5）
V5＝Vcm－G（Vh/2－Voh/2） （6）
V6＝Vcm＋G（Vh/2－Vrefa－Voh/2） （7）
V7＝Vcm－G（Vh/2＋Voh/2） （8）
V8＝Vcm＋G（Vh/2－Vrefb＋Voh/2） （9）
将上述的V5～V8代入式（1），则电压VO由式（10）所示。这里比较器3一般构成为使各差动放大器具有同一性能，设A1＝A2＝A。
VO＝AG（2Vh－Vrefa－Vrefb） （10）
这样霍尔元件1a、1b的偏置分量被抵消，可知能够比较磁场强度的放大信号分量和任意设定的检测电压分量。在上述计算中，以在霍尔元件1a的端子B与接地之间连接可变电阻Ra、在霍尔元件1b的端子G与接地之间连接可变电阻Rb为前提，但是各个可变电阻的一端的连接处从端子B切换到端子D、从端子G切换到端子E的情况下也能得到同样的结果。在该情况下，检测到的磁场强度的极性反相。此外，各个可变电阻的另一端的连接处从接地端子GND切换为电源电压端子VDD的情况下也能得到同样的结果。
在本实施方式中电压VO因为比较器（A的值非常大）而响应Vh的值成为H信号（VDD电位）、或L信号（GND电位）。此外，这些一连串的信号处理，不需要现有例那样的分时信号处理，可知能够进行高速信号处理。也不用分时信号处理时必需的开关电路、电容元件，能够有助于芯片尺寸的缩小即成本削减。
这里，先对上述的检测电压分量即Vrefa、或Vrefb进行说明。如图2所示，霍尔元件1a、1b以分别由电阻R1～R4、R5～R8构成的等效电桥电路表示。可变电阻Ra一端与霍尔元件1a的端子B连接，另一端与接地连接。同样地，可变电阻Rb一端与霍尔元件1b的端子G连接，另一端与接地连接。接着，对动作进行说明。若考虑霍尔元件1a中端子B的电位和端子D的电位相等的情况，即后级的比较器中的第一差动输入对的各电位相等的情况，则式（11）的关系成立。
Ra＝R1×R2×R3/（R2×R4－R1×R3） （11）
这里，若设无磁场的状态下R1＝R2＝R3＝R4＝R、施加了某一大小磁场的状态下的各电阻值的变动量为ΔR，则在上述的式（11）的状态下可以认为R1＝R－ΔR；R2＝R＋ΔR；R3＝R－ΔR；R4＝R＋ΔR。将这些代入式（11），则能导出式（12）。
Ra＝R2（1－ΔR/R－（ΔR/R）2＋（ΔR/R）3）/（4ΔR） （12）
与R相比，ΔR充分小，因此在忽略（ΔR/R）的2次方、3次方的项的情况下，式（13）成立。
ΔR/R≈1/（1＋4Ra/R） （13）
因而，本实施方式中，不依赖于电源电压或制造偏差，而能够仅由电阻比Ra/R决定检测电压。作为结果，能够实现高精度的检测电压电平设定。同样地，霍尔元件1b中也能通过可变电阻Rb同样地决定检测电压。由此，检测电压分量Vrefa、Vrefb能如下导出。
Vrefa≈1/（1＋4Ra/R）VDD （14）
Vrefb≈1/（1＋4Rb/R）VDD （15）
此外，对比较器3进行说明。比较器3为如图3所示的电路结构，具有恒流电路I1；NMOS晶体管M43、M44A、M44B、M45A、M46A、M45B、M46B；和PMOS晶体管M41、M42，如下地连接而构成。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的漏极及栅极连接。设该连接点为VBN。VBN与NMOS晶体管M44A、M44B的各栅极连接。NMOS晶体管M43、M44A、M44B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M45A和M45B的漏极与PMOS晶体管M41的漏极连接。设该连接点为VA。NMOS晶体管M46A和M46B的漏极与PMOS晶体管M42的漏极连接。该连接点与比较器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。
接着，说明比较器3的动作。恒流电路I1产生恒流并向NMOS晶体管M43供给。NMOS晶体管M43、M44A、M44B构成电流镜电路，NMOS晶体管M44A、M44B的漏极－源极间，流过基于流过M43的漏极－源极间的电流的电流。由NMOS晶体管M44A、M45A、M46A、PMOS晶体管M41、M42组成的5个晶体管，构成差动放大器，以放大NMOS晶体管M45A、M46A的栅极电压之差，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，向输出端子OUT输出的方式动作。设该放大率为A1。这里，关于电流镜电路结构及差动放大器结构的动作，在CMOS模拟电路的文献等中详细记载，这里省略详细的说明。此外，由NMOS晶体管M44B、M45B、M46B、PMOS晶体管M41、M42组成的5个晶体管，也构成差动放大器，以放大NMOS晶体管M45B、M46B的栅极电压之差，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，向输出端子OUT输出的方式动作。设该放大率为A2。此外，NMOS晶体管M45A、M45B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的各漏极在输出端子OUT处与PMOS晶体管M42的漏极连接，从而在该连接点VA及输出端子VO处，相加向各差动放大器输入并放大的信号电压的方式动作。若由式来表示这些动作，则成为如前述的式（1）那样。
再者，关于本实施方式，通过将霍尔元件以及可变电阻分别增加例如各四个，与之匹配地将比较器的差动输入对增加到四个（输入端子增加到八个），能进一步抑制霍尔元件偏置偏差的影响，进而能提高磁场强度的检测精度。如此，本发明能够与有效利用多个霍尔元件和具有多个差动输入对的比较器的结构对应。
此外，本发明的实施方式中示出的磁性传感器装置，通过将比较器改变为差动放大器，能够做成输出模拟信号的结构。
符号说明
1a、1b、51 霍尔元件；2a、2b、53 差动放大器；3、54 比较器；55 检测电压设定电路；52 开关切换电路；Ra、Rb 可变电阻。

Claims (2)

1.一种磁性传感器装置，响应施加到霍尔元件的磁场强度而进行输出，所述磁性传感器装置的特征在于，包括：
多个霍尔元件；
与所述多个霍尔元件的各个连接的多个可变电阻；
连接所述多个霍尔元件的各个的多个差动放大器；以及
具有与所述多个差动放大器分别连接的多个差动输入对的比较器，
所述多个霍尔元件中，具有电流流过的方向旋转90度的组合。
2.根据权利要求1所述的磁性传感器装置，其特征在于，
所述多个差动放大器为第一差动放大器和第二差动放大器，
所述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，将放大后的信号电压向第一输出端子和第二输出端子输出；
所述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，将放大后的信号电压向第一输出端子和第二输出端子输出，
所述可变电阻为第一可变电阻和第二可变电阻，
所述第一可变电阻在所述第一霍尔元件的所述输出端子对中的任意一个和电源端子或接地端子之间连接；
所述第二可变电阻在所述第二霍尔元件的所述输出端子对中的任意一个和电源端子或接地端子之间连接，
所述比较器构成为具备：
第一差动输入对，其第一输入端子和第二输入端子与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连接；以及
第二差动输入对，其第一输入端子和第二输入端子与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连接。
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