CN107526387B - 半导体物理量传感器装置 - Google Patents

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    • H03K5/2481—Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being amplitude using field effect transistors with at least one differential stage

Abstract

本发明提供一种半导体物理量传感器装置，其能够维持正常工作时的电流能力，且能够抑制端子间短路时流动的电流。将以互补的方式连接第一、二输出元件(1、2)而成的输出电路(5)的连接点(6)与输出端子(103)连接。在第一输出元件(1)与输出电路(5)的连接点(6)之间连接有第一开关元件(3)。在第二输出元件(2)与输出电路(5)的连接点(6)之间连接有第二开关元件(4)。在输出端子(103)的电压Vout为比下限的钳位电压(电压Vref1)低的电压Vref0时，第一开关元件(3)截止。在输出端子(103)的电压Vout为比上限的钳位电压(电压Vref2)高的电压Vref3时，第二开关元件(4)截止。

Description

半导体物理量传感器装置
技术领域
本发明涉及一种半导体物理量传感器装置。
背景技术
以往，公知有将压力或加速度等物理量转换为电压而输出的传感器IC(IC：Integrated Circuit：集成电路)装置。图5是表示以往的传感器IC装置的输出特性的特性图。如图5所示，传感器IC装置的输出特性在物理量的预定的检测范围X1内，具有伴随着物理量的大小的增加而电压值以预定的倾斜度增加的线性。将示出该线性的范围设定为传感器IC装置的正常工作时的物理量的检测范围(以下，作为正常检测范围)X1，将与正常检测范围X1对应的电压范围(以下，作为正常输出电压范围)X2的电压作为模拟信号输出。
通常，传感器IC装置与用于对从传感器IC装置输出的电压等模拟信号进行数字处理的传感器系统连接。图6是表示传感器IC装置与传感器系统的连接结构的框图。如图6所示，传感器系统110具有A/D(Analog-to-Digital：模拟到数字)转换器111、运算电路112及电压源113。传感器IC装置100具有作为输出电路而省略图示的CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor：互补型MOS)电路。
传感器IC装置100内的输出电路的高电位侧、低电位侧及输出点分别与传感器IC装置100的电源电压(Vcc)端子101、接地电压(GND)端子102及输出(Vout)端子103连接。另外，传感器IC装置100的电源电压端子101及接地电压端子102分别经由传感器系统110的省略图示的电源电压端子及接地电压端子与电压源113的正极及负极连接。传感器IC装置100的输出端子103经由传感器系统110的省略图示的输入端子与A/D转换器111连接。从传感器IC装置100输出的电压等模拟信号被A/D转换器111转换为数字信号，并被运算电路112进行运算处理。
在这样的连接结构的传感器IC装置100及传感器系统110中，例如，发生传感器IC装置100的电源电压端子101与传感器系统110的电源输出端子(未图示)之间的连接断开(电路断路、即断线)的连接异常。在该情况下，以与根据物理量的大小的电压值不同的电压值从传感器IC装置100的输出端子103输出电压。但是，在传感器系统110侧不能判断传感器IC装置100的输出是根据物理量的大小的正常输出，还是其与传感器IC装置100之间产生连接异常时的异常输出。
因此，近年来，在传感器IC装置100还谋求用于检测其与传感器系统110之间的连接异常的自我诊断功能。图7是表示传感器IC装置的连接结构的另一例的框图。图8、9是表示以往的传感器IC装置的电压范围的说明图。如图7所示，对于自我诊断功能来说，列举了将各电阻121～124与传感器IC装置100的电源电压端子101、接地电压端子102及输出端子103连接的方式等。电阻121～123是配置于传感器IC装置100的内部的内部诊断(自我诊断)电阻，电阻124是配置在传感器IC装置100的外部的外置电阻。需要说明的是，在该图中，将电阻124连接在电源电压端子101与输出端子103之间并作为上拉电阻，但是即使是连接在输出端子103与接地电压端子102之间并作为下拉电阻的情况下也能够进行连接异常的自我诊断。
例如，连接传感器IC装置100的电源端子与传感器系统110的电源端子的布线断开。在该情况下，从传感器IC装置100的输出端子103向传感器系统110输出的电压被固定为由连接到传感器IC装置100的各外部连接端子的内部诊断电阻121～123及外置电阻124产生的分压电阻而确定的电压值。因此，在传感器IC装置100的正常输出电压范围X2的范围外，设定用于检测传感器IC装置100与传感器系统110之间的连接异常的电压范围(以下，作为异常检测电压范围)X3、X4。
并且，确定内部诊断电阻及外置电阻的电阻值，以使得在发生了传感器IC装置100与传感器系统110之间的连接异常时，将从传感器IC装置100向外部输出的电压(即输出端子103的电压)Vout固定为异常检测电压范围X3、X4内的电压值。在传感器系统110中设置有判定电路114，所述判定电路114判定传感器IC装置100的输出是否为与物理量的大小对应地确定的正常输出。在输出端子103的电压Vout为异常检测电压范围X3、X4内的电压值的情况下，利用判定电路114，判定为传感器IC装置100的输出是传感器系统110与传感器IC装置100之间产生连接异常时的异常输出。
另一方面，传感器IC装置100的输出通常是从电源电压Vcc满摆幅(fullswing)至接地电压GND的轨到轨(Rail-to-Rail)输出。但是，即使将传感器IC装置100的输出设为轨到轨输出，实际上，如果传感器IC装置100的输出处于电源电压Vcc及接地电压GND附近，则还是导致用于输出电路的输出元件的电流能力下降。另外，由于给内部诊断电阻121～123及外置电阻124等带来漏电流的不良影响，传感器IC装置100的输出未达到电源电压Vcc或接地电压GND，以比电源电压Vcc低的电压或比接地电压GND高的电压饱和。
该饱和电压因用于输出电路的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor：绝缘栅型电场效应晶体管)等输出元件的特性、内部诊断电阻121～123的电阻值的制造偏差及外置电阻124的电阻值偏差等而变化很大。因此，考虑到传感器IC装置100的饱和电压的偏差，如图8所示，将接地电压GND侧的下限饱和电压Vsat1以上且电源电压Vcc侧的上限饱和电压Vsat2以下的范围用作传感器IC装置100的正常输出电压范围X2。
另外，在向传感器IC装置100输入有正常检测范围X1的范围外的物理量的情况下，传感器IC装置100的输出变化至饱和电压。此时，在传感器IC装置100的饱和电压处于正常输出电压范围X2的范围外、且处于异常检测电压范围X3、X4的范围外的情况下，没有特别产生问题。但是，如上所述，传感器IC装置100的饱和电压(下限饱和电压Vsat1及上限饱和电压Vsat2)因制造偏差而变动从而达到异常检测电压范围X3、X4(图9)。在该情况下，不能判定传感器IC装置100的输出是否为与物理量的大小对应的正常输出。
因此，谋求用于如下判定的功能，即判定传感器IC装置100的饱和电压达到异常检测电压范围X3、X4是因物理量的大小而导致的，还是因配置自我诊断功能所带来的不良影响而导致的。具体而言，谋求一种功能，即，在输出端子103的电压Vout处于夹在正常输出电压范围X2与异常检测电压范围X3、X4之间的范围(以下，作为饱和电压范围)内的情况下，无论物理量的大小如何，都使从传感器IC装置100输出的电压在预定的电压值饱和。
作为具有这样的功能的传感器IC装置，提出了具有钳位(限制)电路的装置(例如，参照下述专利文献1)，所述钳位(限制)电路反馈从输出电路输出的电压，在从输出电路输出的电压为饱和电压范围的范围外的电压值的情况下，使传感器IC装置的输出降低及输出上升停止。
具有这样的钳位电路的传感器IC装置的一例表示在图10中。图10是表示以往的传感器IC装置的电路结构的电路图。图10相当于下述专利文献1的图1。图11是表示以往的传感器IC装置的电压范围的另一例的说明图。图10所示的以往的传感器IC装置130具有：传感器元件(未图示)；第一输出元件131、第二输出元件132；第一开关元件133、第二开关元件134；以及第一运算放大器141、第二运算放大器142。第一输出元件131、第二输出元件132分别是n沟道型MOSFET及p沟道型MOSFET，构成以互补的方式经由第一开关元件133、第二开关元件134连接并成为输出电路135的CMOS电路。
第一输出元件131、第二输出元件132的连接点与输出端子103连接。第一开关元件133是n沟道型MOSFET，配置在第一输出元件131与输出端子103之间，与第一输出元件131串联连接。第二开关元件134是p沟道型MOSFET，配置在第二输出元件132与输出端子103之间，与第二输出元件132串联连接。第一运算放大器141的同相输入(+)端子与输出端子103连接，反相输入(－)端子被固定为预定的基准电压(第一电压)Vref1的电位。第一运算放大器141的输出端子与第一开关元件133的栅极连接。
第二运算放大器142的同相输入(+)端子与输出端子103连接，反相输入(－)端子被固定为预定的基准电压(第二电压)Vref2的电位。第二运算放大器142的输出端子与第二开关元件134的栅极连接。第一运算放大器141具有将输出端子103的电压Vout钳位为第一运算放大器141的基准电压Vref1的功能。第二运算放大器142具有将输出端子103的电压Vout钳位为第二运算放大器142的基准电压Vref2的功能。
如果输出端子103的电压Vout小于第一运算放大器141的基准电压Vref1，则第一运算放大器141的输出反相而成为低(L)的电压电平(以下，作为L电平)，第一开关元件133被截止，因此传感器IC装置130的输出降低停止。如果输出端子103的电压Vout超过第二运算放大器142的基准电压Vref2，则第二运算放大器142的输出反相而成为高(H)的电压电平(以下，作为H电平)，第二开关元件134被截止，因此传感器IC装置130的输出上升停止。
因此，如图11所示，将第一运算放大器141的基准电压Vref1设定为，接地电压GND侧的异常检测电压范围X3的上限值以上、且正常输出电压范围X2的下限值以下。将第二运算放大器142的基准电压Vref2设定为，电源电压Vcc侧的异常检测电压范围X4的下限值以下、且正常输出电压范围X2的上限值以上。由此，在传感器IC装置130的正常工作时，能够使输出端子103的电压Vout达不到到异常检测电压范围X3、X4。符号Vdd是以电源电压Vcc为基准的内部电源电压。
另外，作为具有输出电路的保护功能的其他装置，提出了具有在外部负载短路时等、使输出部的驱动电压降低的反馈控制单元的装置(例如，参照下述专利文献2)。
另外，作为其他装置，提出了功率因数改善电路(例如，参照下述专利文献3)，所述功率因数改善电路在检测到负载的短路状态时，使配置于电力传送路径的路径开关为打开状态而断开电力传送路径。
另外，作为其他装置，提出了如下装置(例如，参照下述专利文献4(第0021～0022段))，即，在布线线路之间连接电阻单元，降低断线时的下拉电阻或上拉电阻的表观电阻值。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-119091号公报
专利文献2：日本特许第5549159号公报
专利文献3：日本特开2011-097789号公报
专利文献4：日本特开2003-304633号公报
发明内容
技术问题
但是，在上述图10的传感器IC装置130中，在发生电源电压端子101与输出端子103之间的短路、或者接地电压端子102与输出端子103之间的短路中的任一方的情况下，在通过短路点的路径中流动大电流。因此，在传感器IC装置130中，除了要求像上述那样地使输出端子103的电压Vout处于异常检测电压范围X3、X4的范围外之外，还要求在端子间短路时抑制电流的功能。图12、图13是表示以往的传感器IC装置的端子间短路时的电流路径的说明图。
具体而言，在传感器IC装置130的电源电压端子101与输出端子103短路的情况下，施加于输出端子103的电压成为施加于电源电压端子101的电源电压Vcc附近的电压，超过第二运算放大器142的基准电压Vref2。因此，第二开关元件134截止(OFF)，但是由于施加于输出端子103的电压为第一运算放大器141的基准电压Vref1以上，所以第一开关元件133导通(ON)。因此，如图12所示，主要在电源电压端子101、输出端子103、输出电路135的低端侧(低电位侧)的第一输出元件131及接地电压端子102的路径流动大电流151。符号152、153是在传感器IC装置130的电源电压端子101与输出端子103短路时在其他路径流动的电流。
另一方面，在传感器IC装置130的接地电压端子102与输出端子103短路的情况下，施加于输出端子103的电压成为施加于接地电压端子102的接地电压GND附近的电压，小于第一运算放大器141的基准电压Vref1。因此，第一开关元件133截止(OFF)，但是由于施加于输出端子103的电压小于第二运算放大器142的基准电压Vref2，所以第二开关元件134导通(ON)。因此，如图13所示，主要在电源电压端子101、输出电路135的高端侧(高电位侧)的第二输出元件132、输出端子103及接地电压端子102的路径流动大电流154。符号155、156是在传感器IC装置130的接地电压端子102与输出端子103短路时在其他路径流动的电流。
作为在该端子间短路时抑制在传感器IC装置130流动的电流151、154的方法，列举提高作为第一输出元件131、第二输出元件132的MOSFET的通态电阻值的方法。或者，作为其他方法，列举提高配置在输出电路135与输出端子103之间并且去除输出电路的输出的高频成分的低通滤波器125的电阻值。但是，在提高了第一输出元件131、第二输出元件132的通态电阻值或低通滤波器125的电阻值的情况下，存在输出传感器IC装置130的正常输出电压范围内的电压时的输出阻抗也变高，并且无法得到足够的电流能力的问题。
该发明为了解决上述现有技术的问题点，其目的在于，提供一种能够维持正常工作时的电流能力并且抑制端子间短路时流动的电流的半导体物理量传感器装置。
技术方案
为了解决上述课题并达到本发明的目的，本发明的半导体物理量传感器装置是输出与检测到的物理量的大小对应的电压的电信号的半导体物理量传感器装置，并且具有以下特征。第二输出元件以互补的方式与第一输出元件的高电位侧连接。第一开关元件在所述第一输出元件与所述第二输出元件之间与所述第一输出元件的高电位侧连接。第二开关元件连接在所述第一开关元件与所述第二输出元件之间。输出端子与所述第一开关元件和所述第二开关元件之间的连接点连接。所述输出端子将所述连接点的电位的所述电信号向外部输出。在所述输出端子的电压小于第一电压时，所述第一开关元件截止。在所述输出端子的电压为比所述第一电压高的第二电压以上时，所述第二开关元件截止。在所述输出端子的电压为比所述第一电压低的第三电压以下时，所述第二开关元件截止。在所述输出端子的电压高于比所述第二电压高的第四电压时，所述第一开关元件截止。
另外，本发明的半导体物理量传感器装置在上述发明的基础上，在所述输出端子的电压为所述第一电压以上且为所述第四电压以下时，所述第一开关元件导通。
另外，本发明的半导体物理量传感器装置在上述发明的基础上，在所述输出端子的电压比所述第三电压高且比所述第二电压低时，所述第二开关元件导通。
另外，本发明的半导体物理量传感器装置在上述发明的基础上，所述第一开关元件为n沟道型绝缘栅型电场效应晶体管。所述第二开关元件为p沟道型绝缘栅型电场效应晶体管。
另外，本发明的半导体物理量传感器装置在上述发明的基础上，所述第一输出元件为n沟道型绝缘栅型电场效应晶体管。所述第二输出元件为p沟道型绝缘栅型电场效应晶体管。
另外，本发明的半导体物理量传感器装置在上述发明的基础上，所述第二输出元件的高电位侧与最高电位的第一端子连接。所述第一输出元件的低电位侧与最低电位的第二端子连接。在所述第一端子与所述第二端子之间连接有第一电阻。在所述第一端子与所述输出端子之间连接有第二电阻。在所述输出端子与所述第二端子之间连接有第三电阻。
另外，本发明的半导体物理量传感器装置在上述发明的基础上，所述物理量为压力。
根据上述发明，在端子间短路时，能够使第一、二开关元件都截止，不形成通过第一、二输出元件的电流路径。因此，不用提高第一、二输出元件的通态电阻值、或者提高低通滤波器的电阻值，而能够通过调整内部诊断电阻和/或外置电阻的电阻值来抑制短路时电流。另外，由于不需要提高第一、二输出元件的通态电阻值、或者提高低通滤波器的电阻值，所以能够防止在正常工作时输出阻抗变高。
技术效果
根据本发明的半导体物理量传感器装置，起到能够维持正常工作时的电流能力，并且能够抑制端子间短路时流动的电流这样的效果。
附图说明
图1是表示实施方式1的半导体物理量传感器装置的电路结构的电路图。
图2A是表示实施方式1的半导体物理量传感器装置的电压范围的说明图。
图2B是表示实施方式1的半导体物理量传感器装置的工作时的各部分的工作的图表。
图3是表示实施方式的半导体物理量传感器装置的端子间短路时的电流路径的说明图。
图4是表示实施方式的半导体物理量传感器装置的端子间短路时的电流路径的说明图。
图5是表示以往的传感器IC装置的输出特性的特性图。
图6是表示传感器IC装置与传感器系统之间的连接结构的框图。
图7是表示传感器IC装置的连接结构的另一例的框图。
图8是表示以往的传感器IC装置的电压范围的说明图。
图9是说明以往的传感器IC装置的电压范围的说明图。
图10是表示以往的传感器IC装置的电路结构的电路图。
图11是表示以往的传感器IC装置的电压范围的另一例的说明图。
图12是表示以往的传感器IC装置的端子间短路时的电流路径的说明图。
图13是表示以往的传感器IC装置的端子间短路时的电流路径的说明图。
符号说明
1 第一输出元件
2 第二输出元件
3 第一开关元件
4 第二开关元件
5 输出电路
6 输出电路的输出点
7 相位补偿用电容器
8、9、11、12 p沟道型MOSFET
10 传感器IC装置
13～16 n沟道型MOSFET
17 放大电路用运算放大器
21 第一运算放大器
22 第二运算放大器
23 第三运算放大器
24 第四运算放大器
25 AND电路
26 OR电路
31～36 电流路径
101 电源电压端子
102 接地电压端子
103 输出端子
110 传感器系统
121～125 电阻
GND 接地电压
Iref 恒流源
Vcc 电源电压
Vdd 内部电源电压
Vout 输出元件的电压
Vref0 第三运算放大器的基准电压
Vref1 第一运算放大器的基准电压
Vref2 第二运算放大器的基准电压
Vref3 第四运算放大器的基准电压
X1 正常检测范围
X2 正常输出电压范围
X3、X4 异常检测电压范围
X5 第三运算放大器的基准电压范围
X6 第四运算放大器的基准电压范围
具体实施方式
以下，参照附图，对该发明的半导体物理量传感器装置的优选实施方式进行详细说明。需要说明的是，在以下的实施方式的说明及附图中，对相同的结构标注相同的符号，省略重复的说明。
(实施方式)
参照图1、图2A、图7，对实施方式的半导体物理量传感器装置的结构进行说明。图1是表示实施方式1的半导体物理量传感器装置的电路结构的电路图。图2A是表示实施方式1的半导体物理量传感器装置的电压范围的说明图。图1所示的实施方式的半导体物理量传感器装置是将压力或加速度等物理量转换为电压、并且将与物理量的大小对应的电压值的电压作为模拟信号输出的传感器IC装置10。
传感器IC装置10的输出特性在物理量的预定的检测范围X1具有伴随着物理量的大小的增加而电压值以预定的倾斜度增加的线性。示出该线性的范围被设定为传感器IC装置10的正常工作时的物理量的检测范围(正常检测范围)X1。传感器IC装置10将与正常检测范围X1对应的电压范围(正常输出电压范围)X2的电压作为模拟信号输出。传感器IC装置10与用于对从传感器IC装置10输出的电压等模拟信号进行数字处理的传感器系统110连接(参照图7)。
传感器系统110的结构、以及传感器IC装置10与传感器系统110之间的连接结构与将图7的符号100换成符号10而得的结构相同，因此省略说明。另外，与图7所示的传感器IC装置相同地，电阻121～125与传感器IC装置10连接。电阻121～123是内部诊断电阻，电阻124是外置电阻。电阻121～124具有用于检测传感器IC装置10与传感器系统110之间的连接异常的自我诊断功能。电阻125是去除输出电路5的输出的高频成分的低通滤波器。
电阻121～124的电阻值被确定为，在传感器IC装置10与传感器系统110之间的电源输出端子彼此的连接断开等连接异常时，将从传感器IC装置10输出的电压(输出端子103的电压)Vout固定为异常检测电压范围X3、X4内的电压值。异常检测电压范围X3、X4被设定在传感器IC装置10的正常输出电压范围X2的范围外。电阻125的电阻值低到不降低传感器IC装置10的正常工作时的电流能力的程度，例如数十Ω程度。
上述传感器IC装置10具有：传感器元件(未图示)；第一输出元件1、第二输出元件2；第一开关元件3、第二开关元件4；第一～四运算放大器21～24；AND(逻辑积)电路25、OR(逻辑和)电路26；以及放大电路用运算放大器17。传感器元件生成与检测到的物理量对应的电信号。由传感器元件生成的电信号经由输出电路5从输出端子103向外部输出。
输出电路5由第一输出元件1、第二输出元件2及第一开关元件3、第二开关元件4构成。第一输出元件1及第一开关元件3分别是n沟道型MOSFET。第二输出元件2及第二开关元件4是p沟道型MOSFET。配置于高电位侧的p沟道型MOSFET与配置于低电位侧的n沟道型MOSFET以互补的方式连接并构成CMOS电路。第一输出元件1经由第一开关元件3与输出电路5的输出点6连接，第二输出元件2经由第二开关元件4与输出电路5的输出点6连接。输出电路5的输出点6与输出端子103连接。
利用放大电路用运算放大器17及省略图示的分压电阻构成负反馈放大电路。放大电路用运算放大器17由第一输出元件1、第二输出元件2、第一开关元件3、第二开关元件4、恒流源Iref、相位补偿用电容器7、p沟道型MOSFET8、9、11、12、n沟道型MOSFET13～16构成。恒流源Iref、p沟道型MOSFET8、9及第二输出元件2与作为负反馈放大电路的电源的高电位侧的内部电源电压Vdd的电位的布线线路连接。
n沟道型MOSFET13～16及第一输出元件1与作为负反馈放大电路的电源的低电位侧的接地电压GND的电位的布线线路连接。内部电源电压(Vdd)端子经由过电压保护元件(未图示)与传感器IC装置10的电源电压端子101连接。内部电源电压Vdd被设定为电源电压Vcc以下的电压值。相位补偿用电容器7连接在输出电路5的输出点6与差动输入部(p沟道型MOSFET11、12及n沟道型MOSFET13、14)的输出点之间。
利用第一开关元件3、第二开关元件4、第一～四运算放大器21～24、AND电路25及OR电路26构成对输出端子103的电压Vout进行钳位(限制)的钳位电路。第一开关元件3是n沟道型MOSFET，配置在第一输出元件1与输出端子103之间，与第一输出元件1串联连接。即，第一开关元件3的源极与第一输出元件1的漏极连接，第一开关元件3的漏极与输出电路5的输出点6连接。AND电路25的输出端子与第一开关元件3的栅极连接。
第二开关元件4是p沟道型MOSFET，配置在第二输出元件2与输出端子103之间，与第二输出元件2串联连接。具体而言，第二开关元件4的源极与第二输出元件2的漏极连接，第二开关元件4的漏极与输出电路5的输出点6连接。OR电路26的输出端子与第二开关元件4的栅极连接。
第一运算放大器21的同相输入(+)端子与输出端子103连接，反相输入(－)端子被固定为预定的基准电压Vref1的电位。第一运算放大器21的输出端子与AND电路25的一个输入端子连接。第一运算放大器21的基准电压Vref1是输出端子103的电压Vout的范围的下限值。第一运算放大器21的基准电压Vref1被设定为，比下限侧(接地电压GND侧)的异常检测电压范围X3的上限值高，并且在正常输出电压范围X2的下限值以下。
即，第一运算放大器21被设定为，在输出端子103的电压Vout比基准电压Vref1低的情况下(Vout＜Vref1)，向AND电路25输出低(L)的电压电平(L电平)的电压。第一运算放大器21具有将输出端子103的电压Vout钳位为基准电压Vref1的功能。
第二运算放大器22的同相输入(+)端子与输出端子103连接，反相输入(－)端子被固定为预定的基准电压Vref2的电位。第二运算放大器22的输出端子与OR电路26的一个输入端子连接。第二运算放大器22的基准电压Vref2是输出端子103的电压Vout的范围的上限值。第二运算放大器22的基准电压Vref2被设定为，小于上限侧(电源电压Vcc侧)的异常检测电压范围X4的下限值，并且在正常输出电压范围X2的上限值以上。
即，第二运算放大器22被设定为，在输出端子103的电压Vout为基准电压Vref2以上的情况下(Vout≧Vref2)，向OR电路26输出高(H)的电压电平(以下，作为H电平)的电压。第二运算放大器22具有将输出端子103的电压Vout钳位为基准电压Vref2的功能。
第三运算放大器23的同相输入(+)端子被固定为预定的基准电压(第三电压)Vref0的电位，反相输入(－)端子与输出端子103连接。第三运算放大器23的输出端子与OR电路26的另一输入端子连接。第三运算放大器23的基准电压Vref0被设定为比下限侧的异常检测电压范围X3的上限值高，并且被设定为比第一运算放大器21的基准电压Vref1小的电压范围X5内的电压值。需要说明的是，在确定短路时的输出电压(电压Vout)比下限侧的异常检测电压范围X3的上限值低的情况下，也可以将第一运算放大器21的基准电压Vref1设定在下限侧的异常检测电压范围X3的范围内。
即，第三运算放大器23被设定为，在输出端子103的电压Vout为基准电压Vref0以下的情况下(Vout≦Vref0)，向OR电路26输出H电平的电压。第三运算放大器23、OR电路26及第二开关元件4具有在接地电压端子102与输出端子103短路时截止第二开关元件4，抑制向传感器IC装置10流动的电流(以下，作为短路电流)的功能。
第四运算放大器24的同相输入(+)端子被固定为预定的基准电压(第四电压)Vref3的电位，反相输入(－)端子与输出端子103连接。第四运算放大器24的输出端子与AND电路25的另一输入端子连接。第四运算放大器24的基准电压Vref3被设定为比第二运算放大器22的基准电压Vref2高，并且被设定为比上限侧的异常检测电压范围X4的下限值小的电压范围X6内的电压值。需要说明的是，在确定短路时的输出电压(电压Vout)比上限侧的异常检测电压范围X4的下限值高的情况下，也可以将第二运算放大器22的基准电压Vref2设定在上限侧的异常检测电压范围X4的范围内。
即，第四运算放大器24被设定为，在输出端子103的电压Vout比基准电压Vref3高的情况下(Vout＞Vref3)，向AND电路25输出L电平的电压。第四运算放大器24、AND电路25及第一开关元件3具有在电源电压端子101与输出端子103短路时截止第一开关元件3，抑制短路电流的功能。
接着，参照图1、图2A、图2B，对传感器IC装置10的第一开关元件3、第二开关元件4的工作进行说明。图2B是表示实施方式1的半导体物理量传感器装置的工作时的各部分的工作的图表。
考虑输出端子103的电压Vout为第三运算放大器23的基准电压Vref0以下的范围内的电压值(Vout≦Vref0)的情况(以下，作为第一工作状态)。第一工作状态是传感器IC装置10的输出端子103与接地电压端子102短路时的工作状态。在该情况下，由于第一运算放大器21的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第一运算放大器21的输出反相而成为L电平。由于第四运算放大器24的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压低，所以第四运算放大器24的输出成为H电平。AND电路25分别从第一、四运算放大器21、24接收L电平的电压及H电平的电压的输入而输出L电平的电压，截止(OFF)第一开关元件3。另外，由于第二运算放大器22的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第二运算放大器22的输出反相而成为L电平。由于第三运算放大器23的反相输入端子侧的电压为同相输入端子侧的电压以下，所以第三运算放大器23的输出成为H电平。OR电路26分别从第二运算放大器22、第三运算放大器23接收L电平的电压及H电平的电压的输入而输出H电平的电压，截止第二开关元件4。
考虑输出端子103的电压Vout从第一运算放大器21的基准电压Vref1以上且第二运算放大器22的基准电压Vref2以下的值变化为比第三运算放大器23的基准电压Vref0高且比第一运算放大器21的基准电压Vref1小的范围内的电压值(Vref0＜Vout＜Vref1)的情况(以下，作为第二工作状态)。在该情况下，由于第一运算放大器21的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第一运算放大器21的输出反相而成为L电平。由于第四运算放大器24的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压低，所以第四运算放大器24的输出成为H电平。AND电路25分别从第一运算放大器21、第四运算放大器24接收L电平的电压及H电平的电压的输入而输出L电平的电压，截止第一开关元件3。由于第一开关元件3被截止，所以传感器IC装置10的输出的降低停止，输出端子103的电压Vout被钳位为第一运算放大器21的基准电压Vref1。由于第二运算放大器22的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第二运算放大器22的输出反相而成为L电平。由于第三运算放大器23的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第三运算放大器23的输出反相而成为L电平。OR电路26从第二运算放大器22、第三运算放大器23都接收L电平的电压的输入而输出L电平的电压，导通第二开关元件4。
考虑输出端子103的电压Vout为第一运算放大器21的基准电压Vref1以上，且为比第二运算放大器22的基准电压Vref2小的范围内的电压值(Vref1≦Vout＜Vref2)的情况(以下，作为第三工作状态)。该电压范围内包含传感器IC装置10的正常输出电压范围X2。即，第三工作状态是传感器IC装置10的正常工作时的工作状态。在该情况下，由于第一运算放大器21的反相输入端子侧的电压为同相输入端子侧的电压以下，所以第一运算放大器21的输出成为H电平。由于第四运算放大器24的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压低，所以第四运算放大器24的输出成为H电平。AND电路25从第一运算放大器21、第四运算放大器24都接收H电平的电压的输入而输出H电平的电压，导通第一开关元件3。并且，由于第二运算放大器22的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第二运算放大器22的输出反相而成为L电平。由于第三运算放大器23的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第三运算放大器23的输出反相而成为L电平。OR电路26从第二运算放大器22、第三运算放大器23都接收L电平的电压的输入而输出L电平的电压，导通第二开关元件4。
考虑输出端子103的电压Vout从第一运算放大器21的基准电压Vref1以上且第二运算放大器22的基准电压Vref2以下的值变化为第二运算放大器22的基准电压Vref2以上且第四运算放大器24的基准电压Vref3以下的范围内的电压值(Vref2≤Vout≤Vref3)的情况(以下，作为第四工作状态)。在该情况下，由于第一运算放大器21的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压低，所以第一运算放大器21的输出成为H电平。由于第四运算放大器24的反相输入端子侧的电压为同相输入端子侧的电压以下，所以第四运算放大器24的输出成为H电平。AND电路25从第一运算放大器21、第四运算放大器24都接收H电平的电压的输入而输出H电平的电压，导通第一开关元件3。另外，由于第二运算放大器22的反相输入端子侧的电压为同相输入端子侧的电压以下，所以第二运算放大器22的输出成为H电平。由于第三运算放大器23的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第三运算放大器23的输出反相而成为L电平。OR电路26分别从第二运算放大器22、第三运算放大器23接收H电平的电压及L电平的电压的输入而输出H电平的电压，截止第二开关元件4。由于第二开关元件4被截止，传感器IC装置10的输出的上升停止，输出端子103的电压Vout被钳位为第二运算放大器22的基准电压Vref2。
考虑输出端子103的电压Vout为比第四运算放大器24的基准电压Vref3高的范围内的电压值(Vref3＜Vout)的情况(以下，作为第五工作状态)。第五工作状态为传感器IC装置10的输出端子103与接地电压端子102短路时的工作状态。在该情况下，由于第一运算放大器21的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压低，所以第一运算放大器21的输出成为H电平。由于第四运算放大器24的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第四运算放大器24的输出反相而成为L电平。AND电路25分别从第一运算放大器21、第四运算放大器24接收H电平的电压及L电平的电压的输入而输出L电平的电压，截止第一开关元件3。另外，由于第二运算放大器22的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压低，所以第二运算放大器22的输出成为H电平。由于第三运算放大器23的反相输入端子侧的电压比同相输入端子侧的电压高，所以第三运算放大器23的输出反相而成为L电平。OR电路26分别从第二三运算放大器22、第三运算放大器23接收H电平的电压及L电平的电压的输入而输出H电平的电压，截止第二开关元件4。
由此，在输出端子103的电压Vout被钳位时(第二、四工作状态)，第一开关元件3、第二开关元件4中任一者导通。其原因是，在输出端子103的电压Vout被钳位时，在第一开关元件3、第二开关元件4都截止的情况下，由于输出端子103为浮动电位，所以导致与输出端子103连接的各种电路部之间流动有漏电流。在本发明中，在输出端子103的电压Vout钳位时，通过导通第一开关元件3、第二开关元件4中的任一者，以某种程度的电压值来保持输出端子103的电压Vout，防止传感器IC装置10的输出不稳定。另一方面，在传感器IC装置10的端子间短路时(第一、五工作状态)，传感器IC装置10的输出为异常电压，可靠性差，因此即使传感器IC装置10的输出变得不稳定也不会产生问题。因此，均截止第一开关元件3、第二开关元件4，而使输出端子103为浮动电位，并且使传感器IC装置10的输出停止。
接着，对在传感器IC装置10的端子间发生短路的情况的工作进行说明。图3、4是表示实施方式的半导体物理量传感器装置的端子间短路时的电流路径的说明图。在传感器IC装置10的电源电压端子101与输出端子103短路的情况下，输出端子103为与电源电压端子101大致同电位的电源电压Vcc的电位，输出端子103的电压Vout为上限侧的异常检测电压范围X4的范围内的电压值。因此，输出端子103的电压Vout比第四运算放大器24的基准电压Vref3高，如上所述那样，第一开关元件3、第二开关元件4都被截止(即第五工作状态)。由此，由于输出端子103为浮动电位，所以变为高阻态(Hi-Z)，如以往那样地未形成通过低端侧的第一输出元件1的电流路径。即，如图3所示，短路时电流在电源电压端子101、输出端子103、电阻121、123的合成电阻、及接地电压端子102的路径中流动。在图3中，以符号31表示从电源电压端子101朝向输出端子103的电流路径，以符号32表示流通电阻121、123的合成电阻的电流路径，以符号33表示从电阻121、123的合成电阻朝向接地电压端子102的电流路径。
另一方面，在传感器IC装置10的接地电压端子102与输出端子103短路的情况下，输出端子103成为与接地电压端子102大致同电位的接地电压GND的电位，输出端子103的电压Vout成为下限侧的异常检测电压范围X3的范围内的电压值。因此，输出端子103的电压Vout成为第三运算放大器23的基准电压Vref0以下，如上所述地第一开关元件3、第二开关元件4都被截止(即第一工作状态)。由此，由于输出端子103为浮动电位，所以变为高阻态，如以往那样未形成通过高端侧的第二输出元件2的电流路径。即，如图4所示，短路时电流在电源电压端子101、电阻121、122的合成电阻、输出端子103及接地电压端子102的路径中流动。在图4中，以符号34表示从输出端子103朝向接地电压端子102的电流路径，以符号35表示流通电阻121、122的合成电阻的电流路径，以符号36表示从电阻121、122的合成电阻朝向接地电压端子102的电流路径。
分别与电源电压端子101、接地电压端子102及输出端子103连接且构成内部诊断的电阻121～123通常被设定为数kΩ程度以上。因此，如果在上述电流路径31～36中流动短路时电流，则即使在将电源电压Vcc设为5V左右的情况下，也能够将短路时电流抑制为数mA以下。
以上，如所说明的那样，根据实施方式，如上所述地利用第一、二开关元件、第一～四运算放大器、AND电路及OR电路构成对输出端子的电压进行钳位的钳位电路。由此，在传感器IC装置的端子间短路时，能够使第一、二开关元件都截止，并且不形成通过第一、二输出元件的电流路径。因此，没有提高第一、二输出元件的通态电阻值、或者提高低通滤波器的电阻值，而能够通过调整内部诊断电阻和/或外置电阻的电阻值等来抑制短路时电流。另外，由于不需要提高第一、二输出元件的通态电阻值，或者提高低通滤波器的电阻值，所以能够防止在传感器IC装置的正常工作时(正常输出电压范围内的电压输出时)输出阻抗变高。因此，能够维持传感器IC装置的正常工作时的电流能力，并且能够在传感器IC装置的端子间短路时抑制短路电流。
以上，本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。例如，对于能够由本发明的半导体物理量传感器装置检测的物理量而言，列举压力、速度和/或加速度等。
如以上所述，本发明的半导体物理量传感器装置在转换为与物理量的大小对应的电压值的电压并输出的传感器IC装置中有用。

Claims (19)

1.一种半导体物理量传感器装置，其特征在于，输出与检测到的物理量的大小对应的电压的电信号，具有：
第一输出元件；
第二输出元件，其以互补的方式与所述第一输出元件的高电位侧连接；
第一开关元件，其在所述第一输出元件与所述第二输出元件之间与所述第一输出元件的高电位侧连接；
第二开关元件，其连接在所述第一开关元件与所述第二输出元件之间；以及
输出端子，其与所述第一开关元件和所述第二开关元件之间的连接点连接，并且将所述连接点的电位的所述电信号向外部输出，
在所述输出端子的电压小于第一电压时，所述第一开关元件截止，所述输出端子的电压被钳位为所述第一电压，并且所述第二开关元件导通，
在所述输出端子的电压为比所述第一电压高的第二电压以上时，所述第二开关元件截止，所述输出端子的电压被钳位为所述第二电压，并且所述第一开关元件导通，
在所述输出端子的电压为比所述第一电压低的第三电压以下时，所述第二开关元件截止，
在所述输出端子的电压高于比所述第二电压高的第四电压时，所述第一开关元件截止。
2.如权利要求1所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
在所述输出端子的电压为所述第一电压以上且为所述第四电压以下时，所述第一开关元件导通。
3.如权利要求1所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
在所述输出端子的电压比所述第三电压高、且比所述第二电压低时，所述第二开关元件导通。
4.如权利要求2所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
在所述输出端子的电压比所述第三电压高、且比所述第二电压低时，所述第二开关元件导通。
5.如权利要求1至4中任一项所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述第一开关元件为n沟道型绝缘栅型电场效应晶体管，
所述第二开关元件为p沟道型绝缘栅型电场效应晶体管。
6.如权利要求1至4中任一项所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述第一输出元件为n沟道型绝缘栅型电场效应晶体管，
所述第二输出元件为p沟道型绝缘栅型电场效应晶体管。
7.如权利要求5所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述第一输出元件为n沟道型绝缘栅型电场效应晶体管，
所述第二输出元件为p沟道型绝缘栅型电场效应晶体管。
8.如权利要求1至4中任一项所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，还具有：
最高电位的第一端子，其与所述第二输出元件的高电位侧连接；
最低电位的第二端子，其与所述第一输出元件的低电位侧连接；
第一电阻，其连接在所述第一端子与所述第二端子之间；
第二电阻，其连接在所述第一端子与所述输出端子之间；
第三电阻，其连接在所述输出端子与所述第二端子之间。
9.如权利要求5所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，还具有：
最高电位的第一端子，其与所述第二输出元件的高电位侧连接；
最低电位的第二端子，其与所述第一输出元件的低电位侧连接；
第一电阻，其连接在所述第一端子与所述第二端子之间；
第二电阻，其连接在所述第一端子与所述输出端子之间；
第三电阻，其连接在所述输出端子与所述第二端子之间。
10.如权利要求6所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，还具有：
最高电位的第一端子，其与所述第二输出元件的高电位侧连接；
最低电位的第二端子，其与所述第一输出元件的低电位侧连接；
第一电阻，其连接在所述第一端子与所述第二端子之间；
第二电阻，其连接在所述第一端子与所述输出端子之间；
第三电阻，其连接在所述输出端子与所述第二端子之间。
11.如权利要求7所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，还具有：
最高电位的第一端子，其与所述第二输出元件的高电位侧连接；
最低电位的第二端子，其与所述第一输出元件的低电位侧连接；
第一电阻，其连接在所述第一端子与所述第二端子之间；
第二电阻，其连接在所述第一端子与所述输出端子之间；
第三电阻，其连接在所述输出端子与所述第二端子之间。
12.如权利要求1至4中任一项所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量为压力。
13.如权利要求5所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量为压力。
14.如权利要求6所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量为压力。
15.如权利要求7所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量为压力。
16.如权利要求8所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量为压力。
17.如权利要求9所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量为压力。
18.如权利要求10所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量为压力。
19.如权利要求11所述的半导体物理量传感器装置，其特征在于，
所述物理量为压力。
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