CN106796437A - 传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抑制由负电涌引起的误动作的传感器装置。该传感器装置具备：根据物理量产生电气特性的变化的传感器元件；处理传感器元件的输出信号的信号处理电路；向传感器元件和信号处理电路提供电流的晶体管元件；控制第一晶体管元件的基极电流的控制电路；电源端子；以及接地端子，该传感器装置的特征在于，在控制电路中具备限制部，该限制部限制从接地端子流向第一晶体管元件的基极端子的电流。

Description

传感器装置
技术领域
本发明涉及一种具备稳定电压的调节器的传感器装置，特别是涉及对于施加到电源线的负电涌有抗误动作性的传感器装置。
背景技术
为了应对伴随提供给传感器元件、信号处理电路的电源电压的稳定化、工艺的细微化的电路动作电压的下降而使用调节器。调节器吸收电源线的电压变动，把被稳定化后的预定的电压提供给传感器元件、信号处理电路，但是当负电涌被施加到电源线时，存在电流在调节器的负载驱动晶体管中逆流，调节器的输出电压下降的情况。由此，有时传感器元件、信号处理电路等负载电路被复位，发生异常值的输出、重启动作等误动作。为了抑制这样的误动作，需要在施加负电涌时使电流不逆流。专利文献1中公开的技术在电源线与负载驱动用的NPN双极型晶体管(以下称为NPN晶体管)的集电极端子之间具备二极管。该二极管阻止施加负电涌时从负载侧流向电源线的逆流电流，因此能够抑制所述那样的误动作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2007-156641号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而在现有技术中，二极管存在于向负载电路的供电路径上，因此，存在发生二极管的正向电压降的量的电压下降，调节器的输出电压范围变窄的问题。例如，如果设输入电压为Vin，则调节器最大只能输出Vin-1.2V左右。这是由于二极管的正向电压降约为0.6V，晶体管的基极、发射极间的电压降约为0.6V。尽管存在如肖特基势垒二极管那样正向电压降较小的二极管，但是由于逆向的漏电流较大，因此不适于阻止施加负电涌时的逆流电流的目的。
另外，根据负载电路的消耗电流，供电路径上的二极管需要是足够的尺寸。当负载电路消耗较大电流时，必须增大二极管的尺寸从而确保充分的电流容量，也不能忽视占据芯片面积的二极管的尺寸。从以上观点看来，优选的是供电路径上不插入二极管。
本发明是鉴于上述情况而做出的发明，其目的是提供一种即使在电源线中发生负电涌时也会抑制负载电路中的电压下降且抗误动作性高的传感器装置。
用于解决课题的手段
达到上述目的的本发明的传感器装置，其特征在于，控制电路中具备控制从接地端子向第一晶体管元件的基极端子流动的电流的限制部。
发明效果
根据本发明，能够提供一种即使在电源线中发生负电涌时也能够抑制负载电路中的电压下降且抗误动作性高的传感器装置。
附图说明
图1表示形成第1实施例的传感器装置的结构。
图2表示形成第2实施例的传感器装置的结构。
图3表示形成第3实施例的传感器装置的结构。
图4表示形成第4实施例的传感器装置的结构。
图5表示形成第5实施例的传感器装置的结构。
图6表示形成第6实施例的传感器装置的结构。
图7表示形成第7实施例的传感器装置的结构。
图8表示现有传感器装置的结构。
图9是NPN晶体管的示意图。
图10表示第1实施例的变形例。
图11表示第1实施例的变形例。
图12是寄生晶体管的说明图。
图13表示形成第8实施例的传感器装置的结构。
图14是隔离区域长度与电流放大率的关系的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。通过图1、8、9说明形成本发明的第1实施例的传感器装置。图1表示形成第1实施例的传感器装置的结构。图8表示现有传感器装置的结构。图9表示NPN晶体管106的示意性的结构。
通过图1说明本实施例的传感器装置的结构。本实施例的传感器装置101具备：提供输入电压Vi的电源端子103；接地端子104；产生对应于物理量的电信号的传感器元件115；处理来自传感器元件115的输出信号的信号处理电路114；以及从电源电压Vi生成向传感器元件115和信号处理电路114(以下把传感器元件115和信号处理电路114组合称为负载电路)的供给电压Vo的调节器102。调节器102具备：驱动负载电路的NPN晶体管106；控制基极电流的误差检测电路116；以及去耦电容113。误差检测电路116具备：对调节器102的输出电压Vo进行分压的电阻111、112；基准电压源110、误差放大器109、控制基极电流的N型场效应晶体管(以下称为NMOS)108；提供基极电流的电阻105；以及逆流防止二极管107。此外，逆流防止二极管107的阳极被构成为连接到NPN晶体管106的基极，阻止经由NMOS108的寄生二极管从接地流入NPN晶体管106的基极的逆流电流。
通过图1以及图9说明本实施例的传感器装置的动作。当电源电压Vi正常时，本实施例的传感器装置101通过误差检测电路116的反馈控制向负载电路提供稳定的输出电压Vo。一般地，双极型晶体管的直流电流放大率hFE为几十～几百左右，因此流过NPN晶体管106的基极的电流是负载电路的消耗电流的几十分之一～几百分之一即可。负载电路的消耗电流减少时，经由NMOS108向接地端子104逸出基极电流。此时，逆流防止二极管107中流过的电流至多只是负载电路的消耗电流的几十分之一～几百分之一。因此，如日本特开2007-156641号公报所公开的那样，与在电源端子103与NPN晶体管106的集电极之间插入二极管时相比，二极管107的电流容量可以少1位～2位左右。其结果，能够缩小二极管107的面积。另外，日本特开2007-156641号公报所公开的调节器得最大输出电压被限制为Vi-1.2V、即从输入电压Vi减去二极管的正向电压降约0.6V和NPN晶体管的基极-发射极间电压降约0.6V。另一方面，本实施例的调节器的最大输出电压是从Vi减去NPN晶体管106的基极-发射极间电压约0.6V的Vi-0.6V，能够输出更大范围的电压。
接下来，对由负电涌所引起的输入电压Vi异常下降并变为负电位-Vs时的动作进行说明。如果输入端子103变为负电位-Vs，则如后述，通过NMOS108的寄生二极管从接地端子104向基极将会流过逆流电流。但是，通过逆流防止二极管107不流过逆流电流，因此NPN晶体管106的集电极端子903和基极端子902的电位都会变为-Vs。此时，发射极端子901是原始的输出电压+Vo，因此如图9所示，基极-发射极间的PN结变为反向偏置状态。因此，不从发射极流出电荷，维持发射极电压+Vo。
反之，使用图8对没有逆流防止二极管107时的针对负电涌的动作进行说明。如果由于负电涌使输入端子103变为负电位-Vs，则经由NMOS108的寄生二极管801从接地端子向基极流入逆电流Ibc。于是，从发射极端子901向集电极端子903流过电流Iec，因此去耦电容113进行放电，输出电压+Vo下降。
对本实施例的传感器装置的效果进行说明。第1效果是，当输入负电涌时，防止去耦电容113中存储的电荷从NPN晶体管106的发射极端子901向集电极端子903流出，能够在更长时间向负载电路提供稳定的电压。第2效果是，通过不在NPN晶体管106的集电极端子903而在基极端子902增加逆流防止二极管107，能够较大地确保正常时的调节器的输出电压范围。换言之，提供了即使输入电压更低也能够进行负载电路的动作的调节器。第3效果是，通过不在NPN晶体管106的集电极端子903而在基极端子902增加逆流防止二极管107，能够减少逆流防止二极管107所需的电流容量，并使元件面积缩小。
通过图2说明形成本发明的第2实施例的传感器装置。图2表示形成第2实施例的传感器装置的结构。本实施例的传感器装置101的特征在于，具备把阱和栅极连接到漏极侧的P型场效应晶体管(以下称为PMOS)201，来代替形成第1实施例的传感器装置101中的逆流防止二极管107。根据这样的结构，不仅有与第1实施例所示的传感器装置101同等的效果，还能够通过在正常时成为PMOS201的寄生二极管202和导通状态的PMOS201的并联连接，把基极端子202和NMOS108连接到更低电阻，能够进一步提高调节器102的响应性。当负电涌被施加到电源端子103时，PMOS201变为截止状态，另一方面，PMOS201的寄生二极管202起到作为逆流防止二极管的作用，因此逆流电流被完全阻止。
通过图3说明形成本发明的第3实施例的传感器装置。图3表示形成第3实施例的传感器装置的结构。本实施例的传感器装置101的特征在于，具备把阱和栅极连接到漏极侧的NMOS301，来代替形成第1实施例的传感器装置101中的逆流防止二极管107。根据这样的结构，不仅有与第1实施例所示的传感器装置101同等的效果，还能够在正常时通过成为NMOS301的寄生二极管302和导通状态的NMOS301的并联连接，把基极和NMOS108连接到更低电阻，能够进一步提高调节器102的响应性。当负电涌被施加到电源端子103时，NMOS301变为截止状态，另一方面，NMOS301的寄生二极管302起到作为逆流防止二极管的作用，因此逆流电流被完全阻止。
通过图4说明形成本发明的第4实施例的传感器装置。图4表示形成第4实施例的传感器装置的结构。本实施例的传感器装置101的特征在于，具备把基极连接到集电极侧的NPN晶体管401，来代替形成第1实施例的传感器装置101中的逆流防止二极管107。根据这样的结构，不仅有与第1实施例所示的传感器装置101同等的效果，还能够在正常时NPN晶体管401变为导通状态，把基极和NMOS108连接到低电阻，能够进一步提高调节器102的响应性。当负电涌被施加到电源端子103时，NPN晶体管401变为截止状态，另一方面，NPN晶体管401的基极-发射极间的二极管起到逆流防止二极管的作用，因此逆流电流被完全阻止。
通过图5说明形成本发明的第5实施例的传感器装置。图5表示形成第5实施例的传感器装置的结构。本实施例的传感器装置101的特征在于，具备把基极连接到集电极侧的PNP双极型晶体管(以下称为PNP晶体管)501，来代替形成第1实施例的传感器装置101中的逆流防止二极管107。根据这样的结构，不仅有与第1实施例所示的传感器装置101同等的效果，还能够在正常时PNP晶体管501变为导通状态，把基极和NMOS108连接到低电阻，能够进一步提高调节器102的响应性。当负电涌被施加到电源端子103时，PNP晶体管501变为截止状态，另一方面，PNP晶体管501的基极-发射极间的二极管起到逆流防止二极管的作用，因此逆流电流被完全阻止。
通过图6说明形成本发明的第6实施例的传感器装置。图6表示形成第6实施例的传感器装置的结构。本实施例的传感器装置101的特征在于，代替形成第1实施例的传感器装置101中的逆流防止二极管107，在NMOS108的阱处增加了串联电阻元件601。根据这样的结构，由电阻元件601限制在施加负电涌时流入基极的逆流电流，因此，不增加有源元件也能够抑制从发射极流出到集电极的电荷量，防止输出电压的下降。
通过图7说明形成本发明的第7实施例的传感器装置。图7表示形成第7实施例的传感器装置的结构。本实施例的传感器装置101在形成第1实施例的传感器装置101的分压电阻112的接地端子侧增加了NMOS701。NMOS的栅极端子连接到电源端子103。在正常时NMOS701为导通状态。另一方面，施加负电涌时NMOS701的栅极电位变为负，因此NMOS701变为截止状态，能够阻止流向分压电阻111、112的电流。根据这样的结构，不仅与第1实施例所示的传感器装置101有同等效果，还能够减少流向分压电阻111、112的电流，因此能够更长时间地稳定维持输出电压Vo。
通过图12、图13、图14说明形成本发明的第8实施例的传感器装置。图12是说明寄生双极型晶体管1201的图，图13表示形成第8实施例的传感器装置的截面。本实施例的传感器装置101在形成第1实施例的传感器装置101中增加了隔离区域1303。首先，使用图12和图13对于施加负电涌时的寄生双极型晶体管的动作进行说明。寄生双极型晶体管1201是由包含在信号处理电路114中的PMOS的N型阱1302、调节器102中的NPN晶体管106的N型阱1301、以及存在于其间的P衬底或P阱所形成的寄生NPN晶体管。如果负电涌被施加在电源端子103，则基极电流从接地电位的P衬底流向寄生NPN晶体管1201的发射极。其结果，寄生NPN晶体管1201导通，集电极电流Inw从N型阱1302流向N型阱1301，去耦电容113进行放电，输出电压+Vo下降。因此，在本实施例中，在NPN晶体管106的N型阱1301与信号处理电路114中的PMOS的N型阱1302之间设置隔离区域1303。此时，通过下式表示隔离区域1303的长度W与寄生NPN晶体管1201的电流放大率α的关系。
[数学式1]
在这里，γ是在发射极结的少数载流子的注入效率、β*是发射极接地的直流电流放大率、σB、σE分别是基极、发射极的传导率、LN、LP分别是发射极、基极的少数载流子的扩散长度。由于寄生NPN晶体管作为晶体管不进行放大动作，因此理想的是至少把电流放大率α设为0.5以下。图14表示从上式计算出的隔离区域1303的长度W与电流放大率α的关系的一个例子。隔离区域1303的长度W与电流放大率α的关系根据杂质浓度、载流子迁移率而发生变化，但是为了把电流放大率α设为0.5以下，理想的是确保隔离区域1303的长度W大概在100μm以上。根据这样的结构，不仅与第1实施例所示的传感器装置101有同等效果，还能够减小经由寄生双极型晶体管流出到电源端子的电流，因此能够更长时间地稳定维持输出电压Vo。
另外，到目前为止所述的技术并不限定于实施例1到8的调节器的结构。例如，如图10所示，也可以构成为通过PMOS1001和NMOS108驱动NPN晶体管的基极电流。在这种情况下，施加负电涌时能够通过逆流防止二极管107阻止从接地端子流入基极的电流，因此能够得到与实施例1同等的效果。另外，如图11所示，通过别的NPN晶体管1101控制NPN晶体管106的基极电流时，也能够通过逆流防止二极管107阻止经由NPN晶体管1101的寄生二极管1102从接地端子104逆流的电流。
符号说明
101:传感器装置、102：调节器、103：电源端子、104：接地端子、105：电阻、106：NPN双极型晶体管、107：逆流防止二极管、108：N型场效应晶体管、109：误差放大器、110：基准电压源、111：电阻、112：电阻、113：去耦电容、114：信号处理电路、115：传感器元件、116：误差检测电路、201：P型场效应晶体管、202：寄生二极管、301：N型场效应晶体管、302：寄生二极管、401：NPN双极型晶体管、501：PNP双极型晶体管、601：电阻、701：N型场效应晶体管、801：寄生二极管、901：发射极端子、902：基极端子、903：集电极端子、1001：P型场效应晶体管、1101：NPN双极型晶体管、1102：寄生二极管、1201：寄生双极型晶体管、1301：N型阱、1302：N型阱、1303：隔离区域、1304：集电极端子、1305：基极端子、1306：发射极端子、1307：P型阱、1308：漏极端子、1309：栅极端子、1310：源极端子、1311：阱集电极、Ibc：基极-集电极电流、Iec：发射极-集电极电流、Inw：寄生晶体管的集电极电流、LN、LP：扩散长度、Vb：偏置电压、-Vs：负电涌电压、+Vo：输出电压、W：隔离区域长度、α：电流放大率、β*：发射极接地的直流电流放大率、γ：少数载流子注入效率、σB、σE：传导率。

Claims (11)

1.一种传感器装置，具备：
传感器元件，其电气特性根据物理量产生变化；
信号处理电路，其处理所述传感器元件的输出信号；
第一晶体管元件，其向所述传感器元件和所述信号处理电路提供电流；
控制电路，其控制所述第一晶体管元件的基极电流；
电源端子；以及
接地端子，
该传感器装置的特征在于，所述控制电路具备：
限制部，其限制从所述接地端子流向所述第一晶体管元件的基极端子的电流。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
所述控制电路具备：第二晶体管元件，其使电流流向所述接地端子，
所述限制部具备二极管元件，所述二极管元件将阳极与所述第一晶体管元件的基极连接，并将阴极与所述第二晶体管元件连接。
3.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
所述控制电路具备：第二晶体管元件，其使电流流向所述接地端子，
所述限制部具备P型场效应晶体管，
将所述P型场效应晶体管的阱、栅极以及漏极连接到所述第二晶体管元件，将所述P型场效应晶体管的源极连接到所述第一晶体管元件的基极。
4.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
所述控制电路具备：第二晶体管元件，其使电流流向所述接地端子，
所述限制部具备N型场效应晶体管，
将所述N型场效应晶体管的源极连接到所述第二晶体管元件，
将所述N型场效应晶体管的阱、栅极以及漏极连接到所述第一晶体管元件的基极。
5.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
所述控制电路具备：第二晶体管元件，其使电流流向所述接地端子，
所述限制部具备NPN晶体管，
将所述NPN晶体管的发射极连接到所述第二晶体管元件，
将所述NPN晶体管的基极以及集电极连接到所述第一晶体管元件的基极。
6.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
所述控制电路具备：第二晶体管元件，其使电流流向所述接地端子，
所述限制部具备PNP晶体管，
将所述PNP晶体管的基极以及集电极连接到所述第二晶体管元件，
将所述PNP晶体管的发射极连接到所述第一晶体管元件的基极。
7.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
所述控制电路具备：第二晶体管元件，其使电流流向所述接地端子，
所述限制部具备：电阻元件，其连接所述第二晶体管元件的阱和接地端子。
8.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
所述控制电路具备：
第二晶体管元件，其使电流流向所述接地端子；
分压用电阻元件；以及
开关部，
在所述分压用电阻元件的一端与所述接地端子之间连接所述开关部，
检测到负电压被施加到所述电源端子后切断所述开关部。
9.根据权利要求8所述的传感器装置，其特征在于，
所述开关部是N型场效应晶体管。
10.根据权利要求1～9的任一项所述的传感器装置，其特征在于，
所述第一晶体管元件具备第一N型阱，
所述信号处理电路具备第二N型阱，
所述传感器装置具备P型衬底或P型阱，
在所述第一N型阱与所述第二N型阱之间设置隔离区域，以使由所述第一N型阱、所述第二N型阱以及所述P型衬底或所述P型阱所构成的寄生双极型晶体管的电流放大率α在0.5以下。
11.根据权利要求10所述的传感器装置，其特征在于，
所述隔离区域的长度在100微米以上。
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