CN105455809A - 半导体装置以及包括半导体装置的ac电阻测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体装置以及包括半导体装置的AC电阻测量系统。提供了一种半导体装置，其包括：AC电压生成单元，其根据控制信号生成具有振幅的AC电压；与测量对象串联地提供的电阻元件，AC电压被施加到该电阻元件；电压检测单元，其检测电阻元件两端之间的差电压是否已达到规定电压；以及控制单元，其基于电压检测单元的检测结果向AC电压生成单元输出控制信号以使AC电压生成单元生成AC电压，使得差电压达到规定电压。

Description

半导体装置以及包括半导体装置的AC电阻测量系统

技术领域

本发明涉及一种半导体装置，以及包括该半导体装置的AC电阻测量系统。例如，本发明涉及一种适用于防止电路尺寸增大的半导体装置，以及包括该半导体装置的AC电阻测量系统。

背景技术

一种用于测量身体脂肪等的身体组成的测量装置，测量当使AC基准电流流过测量对象诸如一只脚时而获得的电压，并基于该测量结果计算测量对象的AC电阻。基于如此得到的AC电阻估计身体脂肪等的身体组成。

例如，在日本未经审查的专利申请公开No.H11-113872中，公开了一种用于测量身体脂肪的技术。在日本未经审查的专利申请公开No.H11-113872中所公开的结构中，通过使用AD转换器测量测量对象的AC电压(放大器电路的输出电压)。

发明内容

在日本未经审查的专利申请公开No.H11-113872中公开的结构中，测量对象的AC电压的范围是宽的，这需要使用高分辨率AD转换器以测量AC电压。ΔΣ型AD转换器被认为是典型的高分辨率AD转换器。

ΔΣ型AD转换器的采样频率低于常规AD转换器的采样频率。因此，ΔΣ型AD转换器的采样频率更可能低于测量对象的AC电压的频率。在这种情况下，该ΔΣ型AD转换器不能直接测量测量对象的AC电压。因此，需要检测测量对象的AC电压，将AC电压平滑并转换为DC电压，然后测量DC电压。

换句话说，日本未经审查的专利申请公开No.H11-113872所公开的结构，不仅需要包括高分辨率AD转换器，而且还需要检测测量对象的AC电压的检测器和执行平滑的平滑电路。这会导致电路尺寸增大的问题。从下面的描述和附图，本发明需要解决的其他问题和新的特征将变得明显。

本发明的第一方面是一种半导体装置，包括：AC电压生成单元，其根据控制信号生成具有振幅的AC电压；与测量对象串联地提供的电阻元件，AC电压被施加到该电阻元件；电压检测单元，其检测电阻元件两端之间的差电压是否已达到规定电压；以及控制单元，其基于电压检测单元的检测结果向AC电压生成单元输出控制信号以使AC电压生成单元生成AC电压，使得差电压达到规定电压。

根据本发明的第一方面，能够提供一种能防止电路尺寸增大的半导体装置，以及包括该半导体装置的AC电阻测量系统。

附图说明

结合附图，从下面的某些实施例的描述，本发明的上述和其他方面的优势和特征将变得更加明显，其中：

图1是示出根据第一实施例的半导体装置的配置的框图；

图2是示出在图1示出的半导体装置中提供的AC电压生成单元的配置示例的框图；

图3是示出在图1示出的半导体装置的操作的流程图；

图4是示出包括图1示出的半导体装置的AC电阻测量系统的配置示例的图；

图5是示出根据第二实施例的AC电阻测量系统的配置示例的图；以及

图6是示出根据第三实施例的AC电阻测量系统的配置示例的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述实施例。附图以简化的方式做出，因此本发明的实施例的技术范围不应根据附图进行狭义的解释。相同的部件用相同的参考数字表示，并省略其重复描述。

在下面的实施例中，在必要时，本发明通过使用单独的部分或单独的实施例来解释说明。然而，那些实施例是彼此无关的，除非另有说明。也就是说，它们以这种方式相关，其中一个实施例是另一个实施例的一部分或全部的更改示例、应用示例、详细说明或补充说明。而且，在下面的实施例中，当提到元件等的数字时(包括件数、数值、数量、范围等)，其数字不限定于特定数字且其可以大于或小于或等于该特定数字，除非特别指明并且在原则上明确限制于该特定数字。也就是说，也可使用比特定数字更大的数字或更小的数字。

而且，在下面的实施例中，部件(包括操作步骤，等)并不一定是必不可少的，除了部件被明确指定或基于其原理部件显然是不可缺少的情况以外。类似地，在下面的实施例中，当提到一个或多个部件等的形状、位置关系等时，基本上类似或相像于那个形状的形状等，也包括在那个形状等中，除了那个形状等被明确指定或者基于那个形状的原理这种形状等被排除的情况以外。这也适用于上述数字等(包括件数、数值、数量、范围等)。

<第一实施例>

图1是示出根据第一实施例的半导体装置1的框图。

根据第一实施例的半导体装置1被应用于例如测量身体脂肪等的身体组成的测量装置。根据第一实施例的半导体装置1包括与测量对象诸如一只脚串联地提供的电阻元件。AC电压被施加到电阻元件。该半导体装置1测量当电阻元件两端之间所生成的电压达到规定电压时所获得的AC电压。可基于所测量的AC电压的振幅值、电阻元件的预定电阻值和流过电阻元件的交流电流的值，计算测量对象的电阻值。而且，可由计算的测量对象的电阻值估计身体组成。因此，根据第一实施例的半导体装置1不需要通过使用高分辨率AD转换器诸如ΔΣ型AD转换器测量测量对象的AC电压。这排除了对提供检测器和平滑电路的需要。因此，能够防止电路尺寸的增加。将在下面详细描述该配置。

如图1所示，半导体装置1包括AC电压生成单元11、电压检测单元12、控制单元13、电压电路(基准电压生成电路)14和电阻元件Rr。图1还示出了提供的与电极T1和T2接触的测量对象Rm。

AC电压生成单元11生成具有可调振幅的AC电压Vg。具体来说，AC电压生成单元11根据控制信号S1生成具有振幅的AC电压Vg。

(AC电压生成单元11的配置示例)

图2是示出AC电压生成单元11的配置示例的框图。

如图2所示，AC电压生成单元11包括AC电压源111，其生成具有预定振幅的AC电压，以及可变电压装置112，其根据控制信号S1放大从AC电压源111输出的具有振幅的AC电压，并输出放大的AC电压作为AC电压Vg。

AC电压源111由例如其上安装有DA转换器的波形发生器、PWM装置或PEM装置，以及低通滤波器组成，该低通滤波器使波形发生器、PWM装置和PFM装置中的任何一个的输出波形成形为正弦波交流电。可变电压装置112由可变放大器电路或衰减器组成。第一实施例示出了其中可变电压装置112由衰减器113组成的示例。

回到图1，提供与测量对象Rm串联地连接的电阻元件Rr。换句话说，电阻元件Rr和测量对象Rm串联地提供在AC电压生成单元11和电压电路14之间。电压电路14是一种生成基准电压的电路。第一实施例示出了其中基准电压是电源电压和接地电压GND之间的中间电压(＝(电源电压+接地电压)/2)的示例。

具体来说，电阻元件Rr提供在AC电压生成单元11和电极T1之间，电极T1是与测量对象Rm接触的电极中的一个电极。电极T2，其是与测量对象Rm接触的电极中的另一个电极，其被连接到电压电路14。

来自AC电压生成单元11的AC电压Vg被施加到经过电阻元件Rr和测量对象Rm的电流通路的一端(即，在这种情况下，电阻元件Rr的一端)。来自电压电路14的基准电压被施加到电流通路的另一端(即，在这种情况下，测量对象Rm的电极T2侧)。因此，交流电流Im流过电阻元件Rr和测量对象Rm。

电压检测单元12检测电阻元件Rr两端之间的差电压Vr是否达到规定电压Vref。例如，当差电压Vr没有达到规定电压Vref时，电压检测单元12将检测结果D1设置为不活跃(例如，L电平)，当差电压Vr达到规定电压Vref时，电压检测单元12将检测结果D1设置为活跃(例如，H电平)。

控制单元13是例如一种微型计算机，并根据电压检测单元12的检测结果输出控制信号S1。具体来说，控制单元13向AC电压生成单元11输出控制信号S1以生成具有振幅的AC电压Vg，在该振幅处检测结果D1变得活跃(即，差电压Vr达到了规定电压Vref)。

(半导体装置1的操作)

接下来，将描述半导体装置1的操作。

图3是示出半导体装置1的操作的流程图。

如图3所示，AC电压生成单元11的设定值N，在初始状态设置为0(步骤S101)。设定值N表示AC电压Vg的振幅的幅度。该设定值N越大，AC电压Vg的振幅越大。因此，在初始状态，AC电压Vg的振幅小。

这时，如果差电压Vr没有达到规定电压Vref(在步骤S102中为否)，则电压检测单元12的检测结果D1指示不活跃。因此，控制单元13将AC电压生成单元11的设定值N增加一(步骤S103)。结果，AC电压Vg的幅度有所增加。

之后，如果差电压Vr没有达到规定电压Vref(在步骤S102中为否)，则电压检测单元12的检测结果D1保持为不活跃。因此，控制单元13将AC电压生成单元11的设定值N进一步增加一(步骤S103)。结果，AC电压Vg的振幅进一步有所增加。

控制单元13重复从步骤S102的“否”到步骤S103的操作，直到差电压Vr达到规定电压Vref和电压检测单元12的检测结果D1从不活跃转换成活跃。具体来说，控制单元13连续输出控制信号S1，以便逐步增加AC电压Vg的振幅，直至差电压Vr达到规定电压Vref。

在差电压Vr达到规定电压Vref时(在步骤S102中为是)，则电压检测单元12的检测结果D1从不活跃转换成活跃。因此，控制单元13输出控制信号S1，例如，以免再次改变AC电压Vg的振幅。而且，控制单元13向AC电压生成单元11输出在这时得到的关于设定值N的信息(步骤S104)。

具体来说，当电压检测单元12检测到差电压Vr达到规定电压Vref时，控制单元13向AC电压生成单元11输出，在这时得到的关于设定值N的信息，即，在这时得到的关于AC电压Vg的振幅值的信息。代替AC电压生成单元11，控制单元13可直接输出关于设定值N的信息(关于AC电压Vg的振幅值的信息)。

因此，完成该测量(步骤S105)。

在这种情况下，基于在差电压Vr达到规定电压Vref时测量的AC电压Vg的振幅值、电阻元件Rr的电阻值和流过电阻元件Rr的交流电流Im的值，可计算测量对象Rm的电阻值。下面将使用表达式详细地进行描述。

首先，AC电压Vg、电阻元件Rr两端之间的差电压Vr和测量对象Rm两端之间(电极T1和T2之间)的差电压Vm三者之间的关系用下面的表达式(1)表示。

Vg＝Vr+Vm…(1)

注意，差电压Vr已达到规定电压Vref并固定不变(Vr≈Vref)。因此，这时流过电阻元件Rr的交流电流Im也是固定的(Im≈Vr/Rr)。

由于流过测量对象Rm的交流电流Im与流过电阻元件Rr的交流电流Im是以相同的方式，所以测量对象Rm的电阻值(Rm)、交流电流Im和差电压Vm三者之间的关系用下面的表达式(2)表示。

Vm＝Rm×Im…(2)

然后将表达式(2)代入表达式(1)，得到表达式(3)。

Vg＝Vr+(Rm×Im)…(3)

基于表达式(3)，测量对象Rm的电阻值(Rm)可用下面的表达式(4)表示。

Rm＝(Vg-Vr)/Im…(4)

从表达式(4)看出，当电压检测单元12检测到差电压Vr达到规定电压Vref时，差电压Vr指示规定电压Vref且交流电流Im指示由Vr/Rr确定的值。因此，只通过在那时测量AC电压Vg，就能够计算出测量对象Rm的电阻值(Rm)。而且，由计算出的电阻值Rm能估计出身体组成。

例如，假设电阻元件Rr的电阻值为100Ω，交流电流Im的值为500μA(1.414mApp)，以及AC电压Vg的值为500mVpp，基于表达式(4)，测量对象Rm的电阻值(Rm)表示为如下。

Rm＝{500[mVpp]-(100[Ω]×1.414[mApp])}/1.414[mApp]＝253.6[Ω]

这样，当与诸如一只脚的测量对象Rm串联地连接的电阻元件Rr两端之间生成的电压Vr达到规定电压Vref时，根据第一实施例的半导体装置1测量AC电压Vg。基于在这时测量的AC电压Vg的振幅值、电阻元件Rr的预定电阻值和流过电阻元件Rr的交流电流Im的值，能够计算测量对象Rm的电阻值。而且，由计算出的测量对象Rm的电阻值能估计身体组成。这排除了根据第一实施例的半导体装置1通过使用高分辨率AD转换器诸如ΔΣ系统测量测量对象的AC电压的需要。因此，根据第一实施例的半导体装置1不需要包括检测器和平滑电路。因此，能够防止电路尺寸的增加和功耗的增加两者。

(包括半导体装置1的AC电阻测量系统)

图4是示出包括半导体装置1的AC电阻测量系统SYS1的配置示例的图。图4示出了作为半导体装置1的具体配置示例的半导体装置1a。

如图4所示，AC电阻测量系统SYS1包括半导体装置1a、算术单元(算术处理单元)2、输入装置3、显示装置4以及存储装置5。

输入装置3是一种输入用于估计身体脂肪等的身体组成所需的信息的装置。算术单元2是一种由半导体装置1a获得的测量结果(例如，关于设定值N的信息)计算测量对象Rm的电阻值，并由计算出的测量对象Rm的电阻值估计身体组成的单元。显示装置4是一种显示由算术装置2估计的身体脂肪等的身体组成的装置。存储装置5是一种存储先前数据并存储算术单元2的操作程序的装置。

半导体装置1a包括作为电压检测单元12的放大器电路121和比较器122。放大器电路121放大电阻元件Rr两端之间的差电压Vr。比较器122比较放大的差电压Vr与规定电压Vref，并输出比较结果作为检测结果D1。

例如，当放大的差电压Vr低于规定电压Vref时，比较器122输出指示L电平的检测结果D1，当放大的差电压Vr等于或高于规定电压Vref时，比较器122输出指示H电平的检测结果D1。半导体装置1a的其他部件和操作与半导体装置1的部件和操作类似，因此省略其描述。

虽然第一实施例示出了其中电压检测单元12包括放大器电路121和比较器122的示例，但本发明不限于该示例。如果电阻元件Rr两端之间的差电压Vr大到某种程度，则电压检测单元12不一定需要包括放大器电路121。

电压检测单元12可包括AD转换器123而不是比较器122。AD转换器123将差电压Vr或放大的差电压Vr转换为数字值，并输出该数字值作为检测结果D1。在这种情况下，基于检测结果D1，控制单元13可将AC电压生成单元11的设定值N快速设置为最佳值，从而能将差电压Vr有效地调整到规定电压Vref。AD转换器123可具有比测量对象Rm中生成的AC电压Vm的频率更高的采样频率。例如，当AC电压Vm的频率为50kHz时，AD转换器123可具有等于或高于50ksps的采样频率。也就是说，不需要使用高分辨率AD转换器作为AD转换器123。取而代之，例如，可以使用合并有通用MCU的SAR型AD转换器。在这种情况下，没有必要提供检测器和平滑电路。

<第二实施例>

图5是示出根据第二实施例的AC电阻测量系统SYS2的配置示例的图。图5示出了作为半导体装置1的具体配置示例的半导体装置1b。

如图5所示，AC电阻测量系统SYS2包括半导体装置1b、算术单元2、输入装置3、显示装置4以及存储装置5。

半导体装置1b包括作为电压检测单元12的放大器电路121和比较器122，进一步包括放大器电路(前向放大器电路)A1和反相放大器电路A2。注意，在半导体装置1b中没有提供电压电路14。

虽然第二实施例示出了其中放大器电路A1和反相放大器电路A2都具有放大系数为1的示例，但本发明不限制于该示例。放大器电路A1和反相放大器电路A2的放大系数，可在比较器122的允许输入电压的范围内，被调整为例如为了抑制电阻元件Rr两端之间生成的差电压Vr所需的值。

放大电路A1放大由AC电压生成单元11生成的AC电压Vg，并输出放大的AC电压。反相放大器电路A2反向并放大、放大电路A1的输出，并输出反相的和放大的输出。注意，当AC电压生成单元11通过使用可变放大器电路生成AC电压Vg时，反相放大器电路A2可被配置为直接反向并放大AC电压Vg。

放大电路A1的输出电压被施加到经过电阻元件Rr和测量对象Rm的电流通路的一端(即，在这种情况下，电阻元件Rr的一端)。反相放大器电路A2的输出电压被施加到电流通路的另一端(即，在这种情况下，测量对象Rm的电极T2侧)。因此，交流电流Im流过电阻元件Rr和测量对象Rm。

半导体装置1b的其他部件和操作与半导体装置1的其他部件和操作类似，因此省略其描述。

AC电压Vg、电阻元件Rr两端之间的差电压Vr和测量对象Rm两端之间(电极T1和T2之间)的差电压Vm三者之间的关系用下面的表达式(5)表示。

2Vg＝Vr+Vm···(5)

表达式(5)的左边是2Vg。这是因为具有与AC电压Vg的相位相同的AC电压施加到了经过电阻元件Rr和测量对象Rm的电流通路的一端(即，电阻元件Rr侧)，具有与AC电压Vg的相位相反的AC电压施加到了电流通路的另一端(即，测量对象Rm侧)。

注意，差电压Vr达到规定电压Vref并固定不变(Vr≈Vref)。因此，在这时流过电阻元件Rr的交流电流Im也是固定的(Im≈Vr/Rr)。

由于流过测量对象Rm的交流电流Im与流过电阻元件Rr的交流电流Im是以相同的方式，所以测量对象Rm的电阻值(Rm)、交流电流Im和差电压Vm三者之间的关系用下面的表达式(6)表示。

Vm＝Rm×Im…(6)

然后将表达式(6)代入表达式(5)，得到表达式(7)。

2Vg＝Vr+(Rm×Im)…(7)

基于表达式(7)，测量对象Rm的电阻值(Rm)可用下面的表达式(8)表示。

Rm＝(2Vg-Vr)/Im…(8)

从表达式(8)看出，当电压检测单元12检测到差电压Vr达到规定电压Vref时，差电压Vr指示规定电压Vref且交流电流Im指示由Vr/Rr确定的值。因此，只通过在那时测量AC电压Vg，就能够计算出测量对象Rm的电阻值(Rm)。而且，由计算出的电阻值Rm能估计出身体组成。

例如，假设电阻元件Rr的电阻值为100Ω，交流电流Im的值为500μArms(1.414mApp)，以及AC电压Vg的值为250mVpp，基于表达式(4)，测量对象Rm的电阻值(Rm)表示如下。

Rm＝{2×250[mVpp]-(100[Ω]×1.414[mApp])}/1.414[mApp]＝253.6[Ω]

以此方式，半导体装置1b和包括半导体装置1b的AC电阻测量系统SYS2，可提供与半导体装置1a和包括半导体装置1a的AC电阻测量系统SYS1相同的效果。而且，如果半导体装置1b和包括半导体装置1b的AC电阻测量系统SYS2与半导体装置1a和包括半导体装置1a的AC电阻测量系统SYS1具有相同的测量精度，则可抑制AC电压Vg的范围达一半左右，这使得能在低电压操作。

虽然在第二实施例中描述了其中提供放大电路A1的情况，但本发明不限制于此。当AC电压生成单元11通过使用可变放大器电路生成AC电压Vg时，不需要提供放大电路A1。在这种情况下，反相放大器电路A2直接执行AC电压Vg的反相放大并输出反相的并放大的AC电压。而且，AC电压Vg直接施加到经过电阻元件Rr和测量对象Rm的电流通路的一端(即，电阻元件Rr侧)。

<第三实施例>

图6是示出根据第三实施例的AC电阻测量系统SYS3的配置示例的图。图6示出了作为半导体装置1的具体配置示例的半导体装置1c。

AC电阻测量系统SYS3包括半导体装置1c、算术单元2、输入装置3、显示装置4和存储装置5。半导体装置1c不同于半导体装置1b之处在于其中半导体装置1c包括AD转换器123而不是比较器122。半导体装置1c的其他部件和包括半导体装置1c的AC电阻测量系统SYS3，与半导体装置1b的其他部件和包括半导体装置1b的AC电阻测量系统是类似的，因此省略其描述。AD转换器123也已经在上面描述了。

参考实施例，上面详细描述了由本发明人做出的本发明。然而，本发明不限制于上述实施例，并且在不偏离本发明的范围的情况下可以以各种方式进行修改。

例如，在根据上述实施例的半导体装置中，可互换半导体衬底、半导体层、扩散层(扩散区)等的导电类型(p型或n型)。因此，当n型和p型的导电类型中的一种导电类型被定义为第一导电类型且另一种导电类型被定义为第二导电类型时，第一导电类型可以是p型且第二导电类型可以是n型。相反，第一导电类型可以是n型且第二导电类型可以是p型。

本领域技术人员可如所希望地组合第一至第三实施例。

虽然根据若干实施例已经描述了本发明，但本领域技术人员应该认识到，在所附权利要求的精神和范围内，本发明可进行各种修改，且本发明不限制于上述示例。

而且，权利要求的范围不被上述实施例所限制。

此外，注意，申请人的意图是包括所有权利要求要素的等价物，即使是在审查期间进行了修改。

Claims (12)

1.一种半导体装置，包括：

AC电压生成单元，所述AC电压生成单元根据控制信号来生成具有振幅的AC电压；

电阻元件，所述电阻元件被提供成与测量对象相串联，所述AC电压被施加到所述电阻元件；

电压检测单元，所述电压检测单元检测到在所述电阻元件的两端之间的差电压已达到规定电压；以及

控制单元，所述控制单元基于所述电压检测单元的检测结果来向所述AC电压生成单元输出所述控制信号，以使得所述AC电压生成单元生成致使所述差电压达到所述规定电压的所述AC电压。

2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，

所述电压检测单元包括比较器，所述比较器将所述规定电压与在所述电阻元件的两端之间的所述差电压进行比较。

3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中，

所述电压检测单元进一步包括放大器电路，所述放大器电路放大在所述电阻元件的两端之间的所述差电压，以及

所述比较器将所述规定电压与所述放大器电路的输出电压进行比较。

4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，

所述电压检测单元包括AD转换器，所述AD转换器根据在所述电阻元件的两端之间的所述差电压来输出数字值。

5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中，

所述电压检测单元进一步包括放大器电路，所述放大器电路放大在所述电阻元件的两端之间的所述差电压，以及

所述AD转换器根据所述放大器电路的输出电压来输出数字值。

6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，

所述控制单元输出所述控制信号以使得所述AC电压的所述振幅逐渐增加，直至所述电压检测单元检测到所述差电压已达到所述规定电压。

7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述AC电压生成单元包括：

AC电压源，所述AC电压源生成具有预定振幅的AC电压；以及

可变放大器电路或衰减器，所述可变放大器电路根据所述控制信号来放大具有振幅的所述AC电压，所述衰减器根据所述控制信号来衰减具有振幅的所述AC电压。

8.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，

所述AC电压被施加到经过所述电阻元件和所述测量对象的电流通路的一端，并且

基准电压被施加到所述电流通路的另一端。

9.根据权利要求8所述的半导体装置，进一步包括：

基准电压生成电路，所述基准电压生成电路将所述基准电压施加到所述电流通路的另一端。

10.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，

所述AC电压被施加到经过所述电阻元件和所述测量对象的电流通路的一端，并且

通过反相所述AC电压而得到的电压被施加到所述电流通路的另一端。

11.根据权利要求10所述的半导体装置，进一步包括：

非反相放大器电路，所述非反相放大器电路放大所述AC电压并将被放大的AC电压输出到所述电流通路的一端；以及

反相放大器电路，所述反相放大器电路反相并放大所述AC电压，以及将被反相且放大的AC电压输出到所述电流通路的另一端。

12.一种AC电阻测量系统，包括：

根据权利要求1所述的半导体装置；以及

算术处理单元，所述算术处理单元基于所述AC电压的值、所述电阻元件的电阻值、以及流过所述电阻元件的交流电流的值来计算所述测量对象的电阻值，所述测量对象的电阻值、所述电阻元件的电阻值、以及所述交流电流的值是当所述电压检测单元检测到所述差电压已达到所述规定电压时被测量出的。