JP2005265751A - Magnetic detection circuit - Google Patents

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Hirohiko Hayakawa
博彦 早川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a circuit constitution technique capable of compensating effectively temperature dependency of a magnetic-electric conversion characteristic of a Hall element, irrespective of dispersion in manufacturing, in a magnetic sensor formed into a monolithic IC having the Hall element and a peripheral circuit thereof on one semiconductor chip. <P>SOLUTION: The Hall element is driven by a voltage, a circuit is provided to generate a voltage having the temperature dependency expressed by the expression Y=aT<SP>2</SP>+b or Y=aT<SP>2</SP>+bT (a, b are constants, T is absolute temperature), and the voltage generated in the circuit is impressed to the Hall element as the driving voltage, so as to compensate the temperature dependency of the magnetic-electric conversion characteristic of the Hall element. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ホール素子を用いた磁気センサの駆動回路及び信号検出回路の温度補償および製造ばらつき補償に適用して有効な技術に関し、例えばホール素子とその周辺回路が1つのシリコンチップ上に形成されてなるモノリシックIC磁気センサに利用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a technology effective when applied to temperature compensation and manufacturing variation compensation of a magnetic sensor driving circuit and a signal detection circuit using a Hall element. For example, the Hall element and its peripheral circuit are formed on one silicon chip. The present invention relates to a technology that is effective when used in a monolithic IC magnetic sensor.

従来、各種測定器や制御系におけるセンサとして磁気−電気変換特性を有するホール素子が利用されている。ホール素子の磁気−電気変換特性は温度依存性を有することが知られており、ホール素子を用いた磁気センサは比較的温度変化の大きな環境にて使用されることがあるので、温度変動に対して安定した出力が得られるようにするため種々の温度補償回路が従来より提案されており、例えば特許文献1や特許文献2に記載の発明などがある。   Conventionally, Hall elements having magnetic-electrical conversion characteristics have been used as sensors in various measuring instruments and control systems. It is known that the magnetic-electrical conversion characteristics of Hall elements are temperature-dependent, and magnetic sensors using Hall elements are sometimes used in environments with relatively large temperature changes. In order to obtain a stable and stable output, various temperature compensation circuits have been conventionally proposed. For example, there are inventions described in Patent Document 1 and Patent Document 2.

特許文献1の発明は、集積回路内においてホール素子を定電圧で駆動し、磁気−電気変換された電気信号を増幅するトランスコンダクタンス型増幅器の負荷にホール素子と同種の構造の抵抗を用いることで温度補償をしている。特許文献2の発明は、ホール素子を-1000ppm/℃程度の負の温度係数を持った電流で駆動することで磁気−電気変換特性の温度補償をしている。   The invention of Patent Document 1 uses a resistor having the same type of structure as a Hall element for a load of a transconductance amplifier that drives a Hall element at a constant voltage in an integrated circuit and amplifies a magnetic-electrically converted electric signal. Temperature compensation is performed. The invention of Patent Document 2 performs temperature compensation of the magneto-electric conversion characteristics by driving the Hall element with a current having a negative temperature coefficient of about −1000 ppm / ° C.

また、ホール素子の磁気−電気変換特性は温度依存性が駆動電流の温度依存性とほぼ一致することに着目し、ホール素子の駆動電流を検出する監視手段と、検出された電流に比例した電圧を発生する回路とを設け、ホール素子の出力を弁別するコンパレータに対して安定したスレッシュホールド電圧を与えることにより温度補償するようにしたものがある。さらに、ホール素子を適当な温度依存性を持った定電圧源で駆動することにより、磁気−電気変換特性の温度依存性を補償するようにしたものもある。
米国特許4,760,285号 特開平10−253728号公報
Also, paying attention to the fact that the temperature dependence of the Hall element magnetic-electrical conversion characteristics substantially coincides with the temperature dependence of the drive current, the monitoring means for detecting the drive current of the Hall element, and the voltage proportional to the detected current And a circuit for generating temperature, and a temperature compensation is performed by applying a stable threshold voltage to a comparator for discriminating the output of the Hall element. In addition, there is a device in which the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics is compensated by driving the Hall element with a constant voltage source having an appropriate temperature dependence.
US Pat. No. 4,760,285 Japanese Patent Laid-Open No. 10-253728

上記従来技術にあっては温度補償の点ではそれほど問題はないものの、特許文献1の発明やホール素子の駆動電流を監視する方式にあっては、製造プロセスにおけるパラメータの変動(以下、単に製造ばらつきと称する)で抵抗値がばらつき、それによって増幅器のゲインやコンパレータのスレッシュホールド電圧がばらついてシステム全体としての磁気−電気変換特性がばらついてしまうという不具合がある。   Although there is not much problem in terms of temperature compensation in the above prior art, in the invention of Patent Document 1 and the method of monitoring the drive current of the Hall element, the variation in parameters in the manufacturing process (hereinafter simply referred to as manufacturing variation). In other words, the resistance value varies, and the gain of the amplifier and the threshold voltage of the comparator vary, thereby varying the magnetic-electrical conversion characteristics of the entire system.

また、現在、ホール素子を用いた磁気センサの駆動回路の多くはモノリシックIC化されているが、半導体チップ上におけるホール素子は一般にエピタキシャル層を用いて形成されることが多く、その場合、エピタキシャル層のキャリア濃度や厚みのばらつきが比較的大きいため素子自身の入力インピーダンスにばらつきが生じる。ホール素子の磁気−電気変換特性はホール移動度と印加電圧の積に比例しているため、ホール素子を特許文献2のように電流で駆動する方式にあっては、素子の製造ばらつきで入力インピーダンスにばらつきが生じると印加電圧が変化して、磁気−電気変換特性がばらついてしまう。そして、抵抗値やホール素子の特性ばらつきが大きいとICの歩留まりが低下するという課題がある。   At present, most of the drive circuits for magnetic sensors using Hall elements are monolithic ICs, but the Hall elements on a semiconductor chip are generally formed using an epitaxial layer, in which case the epitaxial layer Because of the relatively large variation in carrier concentration and thickness, the input impedance of the element itself varies. Since the magnetic-electrical conversion characteristics of the Hall element are proportional to the product of the Hall mobility and the applied voltage, in the method in which the Hall element is driven by current as in Patent Document 2, the input impedance varies depending on the manufacturing variation of the element. When variations occur, the applied voltage changes and the magnetic-electric conversion characteristics vary. In addition, there is a problem that the yield of the IC decreases when the resistance value or the characteristic variation of the Hall element is large.

ところで、従来より定電圧回路に関しては、温度変動や素子の製造ばらつきにかかわらず比較的安定した定電圧を生成可能な回路や温度に比例し素子の製造ばらつきに依存しない定電圧を生成可能な回路として、種々の回路形式のものが提案されている。従って、製造ばらつきに伴うホール素子の磁気−電気変換特性のばらつきを小さくするためには、ホール素子を電流で駆動する方式よりも電圧で駆動する方式の方が有利であるが、エピタキシャル層からなるホール素子は、キャリヤ濃度およびホール移動度の製造ばらつきは比較的小さいもののホール移動度が温度変化で変動し易いため、温度変化によって素子の磁気−電気変換特性が変動してしまう。   By the way, with regard to the constant voltage circuit, a circuit that can generate a relatively stable constant voltage regardless of temperature fluctuations and device manufacturing variations, or a circuit that can generate a constant voltage proportional to temperature and independent of device manufacturing variations. Various circuit types have been proposed. Therefore, in order to reduce the variation in the magnetic-electrical conversion characteristics of the Hall element due to the manufacturing variation, the method of driving the Hall element by voltage is more advantageous than the method of driving the Hall element by current, but it is made of an epitaxial layer. Although the Hall element is relatively small in manufacturing variation in carrier concentration and hole mobility, the hole mobility is likely to fluctuate due to a temperature change. Therefore, the magneto-electric conversion characteristics of the element fluctuate due to the temperature change.

また、シリコンやGaAsのICの場合には、ホール素子の磁気−電気変換特性は負の温度依存性を有するため、この負の温度依存性を補償するには印加電圧に正の温度依存性を持たせる必要があるが、正の温度依存性を持つ駆動回路や増幅回路を実現するのが比較的困難であるとともに、仮に実現できたとしてもホール素子や回路を構成する素子の特性が製造ばらつきでばらついたのではホール素子の磁気−電気変換特性がばらついてしまい、結果としてシステム全体の磁気−電気変換特性のばらつきが大きくなる。さらに、この温度依存性を補償するための従来の技術は、ホール素子の製造プロセスや駆動回路・増幅回路等の周辺回路の製造プロセスのばらつきに大きく依存しており、既存のプロセスでは磁気−電気変換特性のばらつきを充分に低減することができず、プロセスを改善するとコストアップを招くおそれがある。   In the case of silicon or GaAs ICs, the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element have a negative temperature dependency. To compensate for this negative temperature dependency, the applied voltage must have a positive temperature dependency. Although it is relatively difficult to realize a drive circuit and an amplifier circuit having a positive temperature dependency, even if it can be realized, the characteristics of the elements constituting the Hall element and the circuit are manufacturing variations. If it varies, the magnetic-electrical conversion characteristics of the Hall elements will vary, and as a result, the variation in the magnetic-electrical conversion characteristics of the entire system will increase. Furthermore, the conventional technique for compensating for this temperature dependence largely depends on the manufacturing process of the Hall element and the manufacturing process of the peripheral circuit such as the drive circuit / amplifier circuit. Variations in conversion characteristics cannot be reduced sufficiently, and improving the process may increase costs.

また、ホール素子を適当な温度依存性を持った定電圧源で駆動することで温度補償を行なう従来方式にあっても、温度補償回路を構成する素子のばらつきによって特性がばらついてしまうとともに、定電圧源に所望の温度依存性を持たせるには抵抗値の温度依存性が低くかつ製造ばらつきの小さな抵抗が必要となるが、シリコンチップ上でそのような抵抗を形成することは困難であるため、精度を高めるには外付けの抵抗素子が必要になったり、抵抗値のトリミングが必要になるという課題がある。   Even in the conventional method in which temperature compensation is performed by driving the Hall element with a constant voltage source having an appropriate temperature dependency, the characteristics vary due to variations in the elements constituting the temperature compensation circuit, and the constants are constant. In order to make a voltage source have a desired temperature dependency, a resistance having a low temperature dependency and a small manufacturing variation is required, but it is difficult to form such a resistor on a silicon chip. However, there is a problem that an external resistance element is required to improve accuracy, or trimming of the resistance value is required.

この発明の目的は、ホール素子とその周辺回路を一つの半導体チップ上に有するモノリシックIC化された磁気センサにおいて、周辺回路の製造ばらつきにかかわらずホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を有効に補償することが可能な回路構成技術を提供することにある。
この発明の他の目的は、ホール素子とその温度補償を行なう機能を有する周辺回路を一つの半導体チップ上にモノリシックIC化するのに好適な回路構成技術を提供することにある。
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a monolithic IC magnetic sensor having a Hall element and its peripheral circuit on a single semiconductor chip, and the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element regardless of manufacturing variations of the peripheral circuit. It is an object of the present invention to provide a circuit configuration technique capable of effectively compensating.
Another object of the present invention is to provide a circuit configuration technique suitable for making a Hall element and a peripheral circuit having a function of performing temperature compensation thereof into a monolithic IC on one semiconductor chip.
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、ホール素子を電圧で駆動するとともに、Y=aT2+bまたはY=aT2+bT(a、bは定数、Tは絶対温度)で表わされる温度依存性を持つ電圧を発生する回路を設け、該回路で発生された電圧をホール素子に駆動電圧として印加してホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を補償するようにしたものである。
Outlines of representative ones of the inventions disclosed in the present application will be described as follows.
In other words, the Hall element is driven with a voltage, and a circuit is provided that generates a voltage having a temperature dependency represented by Y = aT 2 + b or Y = aT 2 + bT (a and b are constants, T is an absolute temperature), The voltage generated in the circuit is applied as a driving voltage to the Hall element to compensate for the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element.

ここで、上記式で表わされる温度依存性を持つ電圧をホール素子に駆動電圧として印加する代わりに、ホール素子の出力を増幅する増幅回路をそのゲインが上記式で表わされる温度依存性を有するように制御しても良い。また、ホール素子の出力を弁別するコンパレータを設けて磁気入力に対して2値化した信号を出力するセンサにおいては、コンパレータのスレッシュホールドレベルを、上記式で表わされる温度依存性に基づいて1/Yとなるように制御することで、ホール素子の磁気−電気変換特性が温度に依存して変化したとしても温度に影響されない正確な検出出力を補償させるようにしても良い。   Here, instead of applying a voltage having a temperature dependency represented by the above formula as a drive voltage to the Hall element, an amplifier circuit that amplifies the output of the Hall element has a gain that has a temperature dependency represented by the above formula. You may control to. In addition, in a sensor that provides a comparator that discriminates the output of the Hall element and outputs a signal that is binarized with respect to the magnetic input, the threshold level of the comparator is set to 1 / based on the temperature dependence expressed by the above equation. By controlling to be Y, accurate detection output that is not affected by temperature may be compensated even if the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element change depending on temperature.

ホール素子をシリコンチップ上に形成する場合、使用されるのはエピタキシャル層あるいは拡散層からなるn形半導体層であり、その場合ホール素子の磁気−電気変換特性はキャリヤ濃度に左右されるため製造ばらつきでばらつくおそれがあるが、上記式で表わされる温度依存性を持つ電圧がホール素子に駆動電圧として印加または増幅回路のゲインが上記式で表わされる温度依存性を有するように制御されると、製造ばらつきでホール素子の磁気−電気変換特性がばらついたとしても、温度依存性の少ない検出出力が得られるようになる。また、磁気入力に対して2値化した信号を出力するセンサにおいては、コンパレータのスレッシュホールドレベルを上記式で表わされる温度依存性に基づいて1/Yとなるように制御することで、ホール素子の磁気−電気変換特性が温度に依存して変化したとしても温度に影響されない正確な2値化出力が得られるようになる。   When a Hall element is formed on a silicon chip, an n-type semiconductor layer consisting of an epitaxial layer or a diffusion layer is used. In this case, the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element depend on the carrier concentration, resulting in manufacturing variations. If a voltage having a temperature dependency represented by the above formula is applied as a drive voltage to the Hall element or the gain of the amplifier circuit is controlled to have the temperature dependency represented by the above formula, Even if the magnetic element-electric conversion characteristics of the Hall element vary due to variations, a detection output with little temperature dependence can be obtained. Further, in a sensor that outputs a binarized signal with respect to a magnetic input, the Hall element is controlled by controlling the threshold level of the comparator to be 1 / Y based on the temperature dependency represented by the above formula. Even if the magnetic-electrical conversion characteristics of this change depending on the temperature, an accurate binarized output that is not affected by the temperature can be obtained.

なお、本発明の上記した手段は、ホール素子を有する磁気センサがモノリシックICとして形成される場合に適用すると最も有効であるが、ホール素子と周辺回路が別の半導体チップ上に形成される場合にも有効である。また、ホール素子が形成される半導体チップは、シリコンまたはGaAsに限定されるものでないが、シリコンまたはGaAsである場合に適用すると有効である。   The above-described means of the present invention is most effective when applied to a case where a magnetic sensor having a Hall element is formed as a monolithic IC. However, when the Hall element and the peripheral circuit are formed on different semiconductor chips. Is also effective. The semiconductor chip on which the Hall element is formed is not limited to silicon or GaAs, but is effective when applied to silicon or GaAs.

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
すなわち、ホール素子とその周辺回路を一つのシリコンチップ上に有するモノリシックIC化された磁気センサにおいて、製造ばらつきにかかわらずホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を有効に補償し、温度が変化しても安定した検出出力を得ることができるようになる。また、ホール素子とその温度補償を行なう機能を有する周辺回路を一つのシリコンチップ上にモノリシックIC化することが容易になり、歩留まりが向上するという効果がある。
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
That is, in a monolithic IC magnetic sensor having a Hall element and its peripheral circuit on one silicon chip, the temperature dependence of the Hall element's magnetic-electrical conversion characteristics is effectively compensated regardless of manufacturing variations, and the temperature is reduced. Even if it changes, a stable detection output can be obtained. In addition, it becomes easy to make a Hall element and a peripheral circuit having a function of performing temperature compensation on a single silicon chip as a monolithic IC, thereby improving the yield.

以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
本発明の第1の実施形態は、ホール素子を電圧で駆動するとともに、Y=aT2+b(a、bは定数、Tは絶対温度)で表わされる温度依存性を持つ電圧を発生する回路を設け、該回路で発生された電圧をホール素子に駆動電圧として印加してホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を補償するようにしたものである。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The first embodiment of the present invention includes a circuit that drives a Hall element with a voltage and generates a voltage having a temperature dependency represented by Y = aT 2 + b (a and b are constants, T is an absolute temperature). The voltage generated by the circuit is applied as a drive voltage to the Hall element to compensate for the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element.

一般にモノリシック集積回路において、絶対温度Tに比例し製造ばらつきにほとんど依存しない電圧を得るのは容易である。また、温度や製造ばらつきにほぼ依存しない定電圧源を得るのも比較的簡単である。このような定電圧生成回路の一つとしてバンドギャップ基準電圧回路が良く知られている。また、上記定数a、bの調整は同種類の抵抗など2つ素子のサイズ比を適宜設定することで実現可能である。モノリシックICプロセスで形成される抵抗素子は、個々の素子の抵抗値のばらつきが大きく温度係数も決して小さくないが、抵抗比はばらつきが小さく温度依存性も非常に小さい。従って、抵抗比を利用して定電圧を発生させてホール素子を駆動するように構成すると、製造プロセスにほぼ依存しない温度補償された磁気−電気変換特性が得られる。   In general, in a monolithic integrated circuit, it is easy to obtain a voltage proportional to the absolute temperature T and almost independent of manufacturing variations. It is also relatively easy to obtain a constant voltage source that is substantially independent of temperature and manufacturing variations. A band gap reference voltage circuit is well known as one of such constant voltage generation circuits. The adjustment of the constants a and b can be realized by appropriately setting the size ratio of two elements such as the same type of resistor. A resistance element formed by a monolithic IC process has a large variation in resistance value of each element and a small temperature coefficient, but the resistance ratio has a small variation and temperature dependency is very small. Therefore, when the Hall element is driven by generating a constant voltage using the resistance ratio, a temperature-compensated magneto-electric conversion characteristic almost independent of the manufacturing process can be obtained.

なお、ホール素子の製造ばらつきによってホール素子の入力抵抗や出力抵抗は大きくばらつくが、ホール移動度はあまり変化しない。例えば、キャリヤ濃度が1×1015cm-3のn型シリコンの場合、キャリヤ濃度が一桁ずれてもホール移動度の変化は高々10%程度である。通常のシリコンICプロセスではキャリヤ濃度のバラツキを10%程度に押さえるのは比較的容易であので、エピタキシャル層やn型拡散層からなるホール素子とその周辺回路が1つの半導体チップに形成されたモノリシックICにおいて、ホール素子のホール移動度のばらつきはないとみなすことができる。 In addition, although the input resistance and output resistance of the Hall element vary greatly due to manufacturing variations of the Hall element, the Hall mobility does not change much. For example, in the case of n-type silicon having a carrier concentration of 1 × 10 15 cm −3 , the change in hole mobility is about 10% at most even if the carrier concentration is shifted by one digit. In a normal silicon IC process, it is relatively easy to suppress the carrier concentration variation to about 10%. Therefore, a monolithic structure in which a Hall element composed of an epitaxial layer or an n-type diffusion layer and its peripheral circuit are formed on one semiconductor chip. In the IC, it can be considered that there is no variation in the Hall mobility of the Hall element.

ところで、通常、ホール素子の磁気−電気変換特性は、以下の様に記述することができる。
VH=k・μH・Vi・B ……(1)
By the way, normally, the magnetic-electrical conversion characteristics of the Hall element can be described as follows.
VH = k ・ μH ・ Vi ・ B (1)

ここで、VHはホール電圧(ホール素子の出力電圧)、kはホール素子の形状等による定数、μHはホール移動度、Viはホール素子への印加電圧(入力電圧)、Bは印加磁束密度である。式(1)より、磁気−電気変換率は、
VH/B=k・μH・Vi ……(2)
となり、μHとViの積に比例することが分かる。シリコンの場合μHはn型の方がp型よりも大きく、低濃度の方が高濃度の場合よりも大きい為、もっぱら低濃度(1×1014cm-3〜1×1016cm-3程度)のn型半導体が用いられる。この場合μHの温度依存性は−4000〜−8000ppm/℃程度となるが、この濃度領域では濃度のバラツキによるμHのばらつきは小さく無視できる。従って、印加電圧Viを製造プロセスに依存しない値にすることができれば、VH/Bを製造プロセスに依存しない値にすることができる。以下、n型シリコンについて記述するが、他の場合も数値が異なるだけで原理は同じである。
Here, VH is the Hall voltage (the output voltage of the Hall element), k is a constant depending on the shape of the Hall element, μH is the Hall mobility, Vi is the applied voltage (input voltage) to the Hall element, and B is the applied magnetic flux density. is there. From equation (1), the magnetic-electrical conversion rate is
VH / B = k · μH · Vi (2)
And is proportional to the product of μH and Vi. For silicon μH is larger than p-type towards the n-type, for better low concentration is greater than in the case of high concentration, exclusively low concentration (1 × 10 14 cm -3 ~1 × 10 16 cm -3 approximately ) N-type semiconductor is used. In this case, the temperature dependency of μH is about −4000 to −8000 ppm / ° C., but in this concentration region, the variation in μH due to variation in concentration is small and can be ignored. Therefore, if the applied voltage Vi can be made a value independent of the manufacturing process, VH / B can be made a value independent of the manufacturing process. Hereinafter, n-type silicon will be described, but the principle is the same except that the numerical values are different.

しかし、μHの温度依存性も同時に補償するには、式(2)を温度で微分した次式
{(VH/B)/dT}(VH/B)=(dμH /dT)/μH+(dVi/dT)/Vi ……(3)
の左辺が≒0となる必要がある。一方、μHは以下のように表わせる。
μH=μH0・exp(αT) ……(4)
ここで、μHOは基準温度T0でのμH、αは−0.004〜−0.008/℃即ち−4000〜−8000ppm/℃である。
However, to compensate for the temperature dependence of μH at the same time, the following equation obtained by differentiating equation (2) with temperature:
{(VH / B) / dT} (VH / B) = (dμH / dT) / μH + (dVi / dT) / Vi (3)
Needs to be ≈0. On the other hand, μH can be expressed as follows.
μH = μH0 · exp (αT) (4)
Here, μHO is μH at the reference temperature T0, and α is −0.004 to −0.0008 / ° C., that is, −4000 to −8000 ppm / ° C.

従って、式(3)と式(4)とから、
(dVi/dT)/Vi=−(dμH /dT)/μH0・exp(αT)
が得られる。ここで、dμH /dT=αμH0・exp(αT)であるので、
(dVi/dT)/Vi=−α ……(5)
が温度補償条件となる。
Therefore, from Equation (3) and Equation (4),
(dVi / dT) / Vi =-(dμH / dT) / μH0 · exp (αT)
Is obtained. Here, since dμH / dT = αμH0 · exp (αT),
(dVi / dT) / Vi = -α (5)
Is the temperature compensation condition.

次に、モノリシックICプロセスにおいてプロセス変動に対して安定な電圧源を検討する。
詳細は後述の具体例において説明するが、温度依存電圧源はVT電圧源として広く知られており、その発生電圧Vthermalは以下の通りになる。
Vthermal=(lnN)・(kB・T/q)=(lnN)・VT ……(6)
Next, a voltage source that is stable against process variations in the monolithic IC process will be considered.
Although details will be described in a specific example described later, the temperature dependent voltage source is widely known as a VT voltage source, and the generated voltage Vthermal is as follows.
Vthermal = (lnN) · (kB · T / q) = (lnN) · VT (6)

ここで、lnは対数関数、Nはエミッタ面積比、kBはボルツマン定数、qは電気素量、VT=kB・T/qである。従って、Vthermalは温度Tに比例する電圧で、その係数はすべて定数でプロセスのバラツキには全く依存しない。一方で、プロセスのバラツキに対して安定で温度に対して独立な電圧源としてはバンドギャップ基準電圧回路のような電圧源が良く知られており、この電圧をVBGとする。 Here, ln is a logarithmic function, N is an emitter area ratio, kB is a Boltzmann constant, q is an elementary charge, and VT = kB · T / q. Therefore, Vthermal is a voltage proportional to the temperature T, and its coefficients are all constants and are completely independent of process variations. On the other hand, a voltage source such as a band gap reference voltage circuit is well known as a voltage source that is stable with respect to process variations and independent of temperature, and this voltage is VBG.

上記Vthermal、VBGを元に、モノリシックICプロセスにおいて可能な手段で印加電圧Viを発生させ、式(5)を満たせば目的は達成される。モノリシックICプロセスでは、プロセスばらつきに対して安定で簡単な演算回路として定数倍、加算(または、減算)、乗除算の各回路があり、これらを利用して以下の電圧が発生可能である。そのブロックを図1に示す。   Based on the above Vthermal and VBG, the object can be achieved if the applied voltage Vi is generated by means possible in the monolithic IC process and the equation (5) is satisfied. In the monolithic IC process, there are constant multiplication, addition (or subtraction), and multiplication / division circuits as stable and simple arithmetic circuits against process variations, and the following voltages can be generated using these circuits. The block is shown in FIG.

図1において、10は温度依存性のある電圧を発生するVT電圧発生回路、20は温度依存性のない電圧を発生するVBG電圧発生回路、30はY=aT2+bにおけるaT2に相当する成分を得るための乗除算器、40はY=aT2+bにおけるbに相当する成分を得るための定数倍回路、50はaT2+bの演算を行なう加算器(もしくは減算器でも可)である。図1の回路により生成される電圧Viは、次式
Vi=a1・(Vthermal)2/VBG+b1・VBG ‥‥(7)
で表わすことができる。ここで、a1、b1は定数である。式(6)を用いて式(7)を変形すると、
Vi={a1・(lnN)2/VBG)・VT2+b1・VBG ……(8)
となる。この式は、さらに、VT=kB・T/qより、
Vi={a1・(lnN)2・kB2/q2・VBG)}T2+b1・VBG ……(9)
と変形される。ここで、{a1・(lnN)2・kB2/q2・VBG)}は定数であるので“a”とおき、b1・VBGを“b”とおくと、a,bはプロセスに依存しない独立の定数とみなすことができる。
In FIG. 1, 10 is a VT voltage generating circuit for generating a voltage having a temperature dependency, 20 is a VBG voltage generating circuit for generating a voltage having no temperature dependency, and 30 is a component corresponding to aT 2 in Y = aT 2 + b. , 40 is a constant multiplier for obtaining a component corresponding to b in Y = aT 2 + b, and 50 is an adder (or a subtractor may be used) for calculating aT 2 + b. The voltage Vi generated by the circuit of FIG. 1 is expressed as follows: Vi = a1 · (Vthermal) 2 / VBG + b1 · VBG (7)
It can be expressed as Here, a1 and b1 are constants. When equation (7) is transformed using equation (6),
Vi = {a1 · (lnN) 2 / VBG) · VT 2 + b1 · VBG (8)
It becomes. This equation is further obtained from VT = kB · T / q.
Vi = {a1 · (lnN) 2 · kB 2 / q 2 · VBG)} T 2 + b1 · VBG (9)
And transformed. Here, {a1 · (lnN) 2 · kB 2 / q 2 · VBG)} is a constant, so it is set as “a”, and when b1 · VBG is set as “b”, a and b do not depend on the process. It can be regarded as an independent constant.

上記式(8)又は(9)を、温度Tで微分すると以下の式が得られる。
(dVi/dT)/Vi=(2・T)/{T2+(b/a)} ……(10)
基準温度T0で(5)式を満たすとき、(5)、(10)式より、
(b/a)=−(2/α)・T0−T02 ……(11)
この条件とき(11)式を(10)式に代入すると、
(dVi/dT)/Vi=−α[1+{(T-T0)/T0}]/[1−αTo{(T−T0)/To}
+(αT0/2){(T-T0)/T0}2] ……(12)
が得られる。(12)式より、T=T0の近傍で近似的に(dVi/dT)/Vi=−αが成り立つ。
When the above formula (8) or (9) is differentiated by the temperature T, the following formula is obtained.
(dVi / dT) / Vi = (2 · T) / {T 2 + (b / a)} ...... (10)
When the formula (5) is satisfied at the reference temperature T0, from the formulas (5) and (10),
(b / a) = − (2 / α) · T0−T0 2 (11)
Under this condition, substituting equation (11) into equation (10),
(dVi / dT) / Vi = −α [1 + {(T−T0) / T0}] / [1−αTo {(T−T0) / To}
+ (ΑT0 / 2) {(T-T0) / T0} 2 ] (12)
Is obtained. From equation (12), (dVi / dT) / Vi = −α is established approximately in the vicinity of T = T0.

ここで、−25℃から100℃までの使用温度範囲を想定して、基準温度をT0=310K(約37℃)とし、ホール移動度μH0の温度係数αを−0.0055/℃即ち−5500ppm/℃とすると、(b/a)=1.66×104となり、この時の(2)式で表される磁気−電気変換率を実際に計算すると、図2の様になり、充分な温度補償がなされていることが分かる。 Here, assuming a use temperature range from −25 ° C. to 100 ° C., the reference temperature is T 0 = 310 K (about 37 ° C.), and the temperature coefficient α of the hole mobility μH 0 is −0.0053 / ° C., ie −5500 ppm. / B, (b / a) = 1.66 × 10 4 , and when the magnetic-electric conversion rate represented by the equation (2) at this time is actually calculated, it is as shown in FIG. It can be seen that the temperature is compensated.

図3には、Vi=a1・(Vthermal)2/VBG+b1・VBGすなわちY=aT2+bで表わされる温度依存性を持つ電圧を発生する回路の具体例を示す。なお、図3において、バイポーラトランジスタを示す記号の近傍に付記されている“1”,“2”,“4”,“9”なる数字はトランジスタ特にエミッタのサイズを比で表わしたものである。 FIG. 3 shows a specific example of a circuit that generates a voltage having a temperature dependency represented by Vi = a1 · (Vthermal) 2 / VBG + b1 · VBG, that is, Y = aT 2 + b. In FIG. 3, the numbers “1”, “2”, “4”, and “9” added in the vicinity of the symbol indicating the bipolar transistor represent the size of the transistor, particularly the emitter, as a ratio.

図3において、トランジスタQ6,Q8,Q9および抵抗R3,R4,R5からなる回路は温度依存性のない電圧を発生するバンドギャップ基準電圧回路であり、トランジスタQ8,Q9のコレクタが抵抗R4,R5を介して結合されたノードAに、バンドギャップ電圧VBG(概ね1.26V程度)に相当する電位が発生する。そして、このノードAに抵抗R8を介して直列にトランジスタQ5が接続されことにより、Q5のエミッタが接続されたノードBにはバンドギャップ電圧VBGの2倍の電位VBが発生するように設計されている。トランジスタQ1〜Q4および抵抗R1,R2からなる回路60は、バンドギャップ基準電圧回路にバイアスを与えるバイアス回路である。   In FIG. 3, a circuit composed of transistors Q6, Q8, and Q9 and resistors R3, R4, and R5 is a bandgap reference voltage circuit that generates a voltage having no temperature dependency. The collectors of the transistors Q8 and Q9 A potential corresponding to the bandgap voltage VBG (approximately 1.26 V) is generated at the node A coupled through the via. The transistor Q5 is connected in series to the node A via the resistor R8, so that a potential VB that is twice the band gap voltage VBG is generated at the node B to which the emitter of Q5 is connected. Yes. A circuit 60 including transistors Q1 to Q4 and resistors R1 and R2 is a bias circuit that applies a bias to the band gap reference voltage circuit.

本実施例のバンドギャップ基準電圧回路は、トランジスタQ8とQ9のエミッタ面積比をN(本実施例ではN=9)とすると、抵抗R3に発生する電圧VR3は、VR3=VT(lnN)である。これが図1の温度Tに依存する電圧発生回路10に相当するものとなる。従って、トランジスタQ8のコレクタ電流IcQ8は、
IcQ8=VT(lnN)/R3 ……(18)
で表わされる温度依存性のある電流となる。図3の回路においては、R4=R5とされており、これによりIcQ8=IcQ9となる。さらに、トランジスタQ5とQ7はそのエミッタ面積比が2:1されているため、
IcQ8=IcQ9=IcQ5/2=IcQ7=IcQlO=IcQ12=VT(lnN)/R3 ……(19)
であり、IcQ7は温度依存性のある電流となる。R3≒R4/10である。
In the bandgap reference voltage circuit of this embodiment, when the emitter area ratio of the transistors Q8 and Q9 is N (N = 9 in this embodiment), the voltage VR3 generated in the resistor R3 is VR3 = VT (lnN). . This corresponds to the voltage generation circuit 10 depending on the temperature T in FIG. Therefore, the collector current IcQ8 of the transistor Q8 is
IcQ8 = VT (lnN) / R3 (18)
The temperature-dependent current represented by In the circuit of FIG. 3, R4 = R5 is set, so that IcQ8 = IcQ9. Furthermore, transistors Q5 and Q7 have an emitter area ratio of 2: 1.
IcQ8 = IcQ9 = IcQ5 / 2 = IcQ7 = IcQlO = IcQ12 = VT (lnN) / R3 (19)
And IcQ7 is a temperature-dependent current. R3≈R4 / 10.

図3の回路では、直列のトランジスタQ10とQ12が2乗回路を構成しており、これに前記トランジスタQ7のコレクタ電流が流されることで、温度に依存した電圧VTが2乗された電流IVT2が生成され、カレントミラー回路でトランジスタQ11に転写される。 In the circuit of FIG. 3, the transistors Q10 and Q12 in series form a square circuit, and the collector current of the transistor Q7 is passed through this, so that the current IVT 2 squared by the temperature-dependent voltage VT. Is generated and transferred to the transistor Q11 by the current mirror circuit.

上記ノードBから温度依存性のない電圧VBが引き出されて印加されたノードFと接地点との間に接続されたトランジスタQ20〜Q23と抵抗R9,R10は、図1における電圧VBGを発生する回路20に相当する回路を構成している。この回路内の抵抗R9,R10は抵抗比が2:1すなわちR9=2・R10とされており、Q20,Q21,Q22のベース・エミッタ間電圧VBEはほぼ等しいすなわちVBEQ20=VBEQ22とみなすことができる。そのため、トランジスタQ23に流れる電流IcQ23は、次式
IcQ23=IcQ21+IcQ22=IcQ20+IcQ22
=(2・VBG−VBEQ20−VBEQ22)/R9+VBEQ20/R10
=2・VBG/R9−2・VBEQ20/R9+2・VBEQ20/R9
=2・VBG/R9 ……(20)
で表わされる。
Transistors Q20 to Q23 and resistors R9 and R10 connected between a node F to which a voltage VB having no temperature dependency is drawn from the node B and applied and a ground point are circuits for generating the voltage VBG in FIG. A circuit corresponding to 20 is configured. The resistors R9 and R10 in this circuit have a resistance ratio of 2: 1, that is, R9 = 2 · R10, and the base-emitter voltages VBE of Q20, Q21, and Q22 are almost equal, that is, VBEQ20 = VBEQ22. . Therefore, the current IcQ23 flowing through the transistor Q23 is expressed by the following equation: IcQ23 = IcQ21 + IcQ22 = IcQ20 + IcQ22
= (2.VBG-VBEQ20-VBEQ22) / R9 + VBEQ20 / R10
= 2 ・ VBG / R9−2 ・ VBEQ20 / R9 + 2 ・ VBEQ20 / R9
= 2 VBG / R9 (20)
It is represented by

そして、この回路で生成された電流IcQ23(以下、IVBGと記す)が、上記トランジスタQ23とカレントミラーをなすトランジスタQ24に転写され、Q24のコレクタ電流が上記トランジスタQ11から引き抜かれることにより、トランジスタQ15には上記2乗電流IVT2を電流IVBGで除算した値に相当する電流IVT2/IVBGが流れる。つまり、Q10,Q11,Q12,Q15は乗除算器を構成しており、IcQ23=IcQ24=IcQ11であることから
IcQ15=IcQ10・IcQ12/IcQ11={VT2・(lnN)2・R9}(2・VBG・R32) ……(21)
となる。この電流がトランジスタQ13とQ14とからなるカレントミラーでQ14に転写される。
The current IcQ23 (hereinafter referred to as IVBG) generated by this circuit is transferred to the transistor Q24 that forms a current mirror with the transistor Q23, and the collector current of Q24 is drawn from the transistor Q11, so that the transistor Q15 The current IVT 2 / IVBG corresponding to the value obtained by dividing the square current IVT 2 by the current IVBG flows. That is, Q10, Q11, Q12, and Q15 constitute a multiplier / divider, and since IcQ23 = IcQ24 = IcQ11, IcQ15 = IcQ10 · IcQ12 / IcQ11 = {VT 2 · (lnN) 2 · R9} (2 · VBG ・ R3 2 ) (21)
It becomes. This current is transferred to Q14 by a current mirror composed of transistors Q13 and Q14.

トランジスタQ18,Q19および抵抗R11,R12は図1における定数倍回路40に相当する回路を構成しており、Q17のコレクタ電流IcQ17は該定数倍回路により抵抗R11,R12の抵抗比に応じて定数倍されIcQ19として出力される。この電流IcQ19は次式
IcQ19=R11/R12・IcQ17=R11/R12・IcQ23
=2・(R11/R12)(VBG/R9) ……(22)
で表わされる。
Transistors Q18, Q19 and resistors R11, R12 constitute a circuit corresponding to the constant multiplier circuit 40 in FIG. 1, and the collector current IcQ17 of Q17 is a constant multiplier according to the resistance ratio of the resistors R11, R12 by the constant multiplier circuit. And output as IcQ19. This current IcQ19 is expressed by the following equation: IcQ19 = R11 / R12 · IcQ17 = R11 / R12 · IcQ23
= 2 ・ (R11 / R12) (VBG / R9) (22)
It is represented by

そして、上記電流IcQ14とIcQ19が流されるトランジスタQ14とQ19はコレクタ同士が結合されて電流加算回路を構成しているため、電流IcQ14とIcQ19は共通コレクタで電流加算され、さらに抵抗R7で電流から電圧に変換される為、ノードDの電位VDは次式
VD=R7・(IcQ14十IcQ19)
=R7・[{VT2・(lnN)2・R9}/(2・VBG・R32
+2・(R11/R12)(VBG/R9)}]
={(R7/R3)(R9/R3)(lnN)2/(2・VBG)}・VT2
+2・(R11/R12)(R7/R9)・VBG
=(R7/R3)(R9/R3)(lnN)2/(2・VBG)・(kB/q)2・T2
+2・(R11/R12)(R7/R9)・VBG ……(23)
Since the transistors Q14 and Q19 through which the currents IcQ14 and IcQ19 flow are coupled to each other to form a current adding circuit, the currents IcQ14 and IcQ19 are added together by the common collector, and further, the resistance R7 generates a voltage from the current. Therefore, the potential VD of the node D is expressed by the following equation: VD = R7 · (IcQ14 + IcQ19)
= R7 ・ [{VT 2・ (lnN) 2・ R9} / (2 ・ VBG ・ R3 2 )
+2 ・ (R11 / R12) (VBG / R9)}]
= {(R7 / R3) (R9 / R3) (lnN) 2 / (2 · VBG)} · VT 2
+2 ・ (R11 / R12) (R7 / R9) ・ VBG
= (R7 / R3) (R9 / R3) (lnN) 2 / (2 · VBG) · (kB / q) 2 · T 2
+2 ・ (R11 / R12) (R7 / R9) ・ VBG ...... (23)

上記式(23)の第1項のT2の項の係数はプロセスに依存しない定数と抵抗比のみであり、第2項も同様である。このため、抵抗R2〜R10をモノリシックIC内に同一種類の抵抗として形成すれば、ノードDの電位VDはプロセスのバラツキに対して極めて安定で所望の温度依存性を有する電圧となる。ノードDの電位VD を受けるトランジスタQ29〜Q34および抵抗R13,R14からなる回路70は、出力電圧を抵抗R13,R14で分割した電圧が反転入力端子(Q30のベースにフィードバックされることで入力電圧(VD)に比例した電圧を出力するインピーダンス変換用のアンプである。 Factor of the first term of T 2 of the term of the equation (23) is only constant and the resistance ratio that is independent of the process, the same applies to the second term. For this reason, if the resistors R2 to R10 are formed as the same type of resistor in the monolithic IC, the potential VD of the node D becomes a voltage that is extremely stable against process variations and has a desired temperature dependency. The circuit 70 comprising the transistors Q29 to Q34 and the resistors R13 and R14 receiving the potential VD of the node D has a voltage obtained by dividing the output voltage by the resistors R13 and R14 fed back to the inverting input terminal (the input voltage ( This is an impedance conversion amplifier that outputs a voltage proportional to VD).

ホール素子に十分な電力を供給できるようにするため、本実施例ではトランジスタ25のエミッタ側のノードEとグランドとの間にホール素子の電源端子を接続した。この場合も抵抗R13とR14を同一種類の抵抗とすればノードEとグランドとの間の電圧は、ノードDの電位と全く同じ温度依存性を有するようになる。図4に温度に対するノードEの電位すなわちホール素子の印加電圧を、また図5に本実施例の駆動回路を用いた場合のホール素子の磁気−電気変換特性を示す。図5より十分な温度補償効果が得られていることが分かる。   In this embodiment, the power source terminal of the Hall element is connected between the node E on the emitter side of the transistor 25 and the ground so that sufficient power can be supplied to the Hall element. Also in this case, if the resistors R13 and R14 are of the same type, the voltage between the node E and the ground has exactly the same temperature dependency as the potential of the node D. FIG. 4 shows the potential of the node E with respect to temperature, that is, the applied voltage of the Hall element, and FIG. 5 shows the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element when the driving circuit of this embodiment is used. It can be seen from FIG. 5 that a sufficient temperature compensation effect is obtained.

以上、ホール素子の駆動電圧をY=aT2+bとした場合を説明したが、ホール素子の駆動電圧をY=aT2すなわちb=0としたり、bを負とすることも可能である。Y=aT2とした場合やbが負の場合には、Y=aT2+bでbが正の場合よりも大きい温度係数を得られる。したがって、ホール素子自体の温度依存性が大きい場合(低濃度の場合)に対応できるばかりでなく、多くの場合にアプリケーションに用いられる磁石の発生する磁場の温度依存性が通常では負であることを考慮すると、Y=aT2またはbを負とした方が、システムの温度依存性を安定にできる場合があるので、かかる方式も有効である。 The case where the Hall element drive voltage is Y = aT 2 + b has been described above. However, the Hall element drive voltage may be Y = aT 2, that is, b = 0, or b may be negative. When Y = aT 2 or when b is negative, a higher temperature coefficient can be obtained than when Y = aT 2 + b and b is positive. Therefore, not only can the temperature dependence of the Hall element itself be large (in the case of low concentration), but also the temperature dependence of the magnetic field generated by the magnet used in the application is usually negative in many cases. Considering this, such a method is also effective because Y = aT 2 or b may be negative because the temperature dependence of the system may be stabilized.

また、本実施例は回路構成を簡単かつ分かり易くすることを念頭において考えたため、図3の様な回路になったが、図3の回路では、各トランジスタのベース電流が誤差を発生することがある。したがって、乗除算器、加算(減算)器としてオペアンプ回路を用いた乗除算器、加算(減算)器などを用いればもっと高精度な回路を実現することができる。さらに、本実施例では、アナログ乗除算器を用いているが、アナログ乗算器を用いても良いし、デジタル乗除算回路もしくはデジタル乗算回路あるいはDSP(デジタル・シグナル・プロセッサ)などを用いても良い。   In addition, since the present embodiment has been made in consideration of making the circuit configuration simple and easy to understand, the circuit is as shown in FIG. 3, but in the circuit of FIG. 3, the base current of each transistor may cause an error. is there. Therefore, if a multiplier / divider using an operational amplifier circuit, an adder (subtractor), or the like is used as a multiplier / divider / adder (subtractor), a circuit with higher accuracy can be realized. Furthermore, in this embodiment, an analog multiplier / divider is used, but an analog multiplier may be used, or a digital multiplier / divider circuit, a digital multiplier circuit, a DSP (digital signal processor), or the like may be used. .

次に、本発明の第2の実施形態を説明する。第2の実施形態は、ホール素子を電圧で駆動するとともに、Y=aT2+bT(a、bは定数、Tは絶対温度)で表わされる温度依存性を持つ電圧を発生する回路を設け、該回路で発生された電圧をホール素子に駆動電圧として印加してホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を補償するものである。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, a Hall element is driven with a voltage, and a circuit for generating a voltage having a temperature dependency represented by Y = aT 2 + bT (a and b are constants, T is an absolute temperature) is provided. The voltage generated in the circuit is applied as a drive voltage to the Hall element to compensate for the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element.

具体的には、温度依存のあるVT電圧源を用いて、次式
Vi=a1・(Vthermal)2/VBG+b1・Vthermal ……(13)
で表わされる電圧を発生してホール素子に駆動電圧として印加する。
Specifically, by using a temperature-dependent VT voltage source, the following expression Vi = a1 · (Vthermal) 2 / VBG + b1 · Vthermal (13)
Is generated and applied to the Hall element as a drive voltage.

ここで、a1、b1は定数である。(13)式を変形して
Vi={a1・(lnN)2/VBG}・VT2+b1・(lnN)VT ……(14)
さらに、
Vi={a1・(lnN)2・kB2/(q2・VBG)}・T2+b1(kB/q)T……(15)
となる。ここで、{a1・(lnN)2・kB2/q2・VBG)}は定数であるのでaとおき、同様にb1(kB/q)をbとおくと、a,bはプロセスに依存しない独立の定数とみなすことができる。
Here, a1 and b1 are constants. Equation (13) is modified and Vi = {a1 · (lnN) 2 / VBG} · VT 2 + b1 · (lnN) VT (14)
further,
Vi = {a1 · (lnN) 2 · kB 2 / (q 2 · VBG)} · T 2 + b1 (kB / q) T (15)
It becomes. Here, {a1 · (lnN) 2 · kB 2 / q 2 · VBG)} is a constant, so it is set to a. Similarly, if b1 (kB / q) is set to b, a and b depend on the process. Can be regarded as independent constants.

ここで、式(14)又は(15)を温度Tで微分すると以下の式が得られる。
(dVi/dT)/Vi={2・T+(b/a)}/{T2+(b/a)T} ……(16)
Here, when the equation (14) or (15) is differentiated by the temperature T, the following equation is obtained.
(DVi / dT) / Vi = {2 · T + (b / a)} / {T 2 + (b / a) T} ...... (16)

基準温度T0で(5)式を満たすとき、(5)、(16)式より、
(b/a)=−(2T0+αT02)/(1+αT0) ……(17)
が得られる。この時の温度による微分式の計算は省略するが、−25℃から100℃までの使用温度範囲を想定して、基準温度をT0=310K(約37℃)とし、ホール移動度μH0の温度係数αを−0.0055/℃即ち−5500ppm/℃とすると、(b/a)=130となる。この時、(2)式で表される磁気−電気変換率を計算により求めると、図6のようになり、充分な温度補償がなされていることが分かる。この第2実施形態の場合、(b/a)は第1実施形態の(11)式の計算値よりかなり小さい。このことはホール素子の材料や回路方式の選択の幅を広げることを意味する。
When the equation (5) is satisfied at the reference temperature T0, from the equations (5) and (16),
(B / a) =-(2T0 + αT0 2 ) / (1 + αT0) (17)
Is obtained. Although the calculation of the differential equation based on the temperature at this time is omitted, assuming the operating temperature range from -25 ° C to 100 ° C, the reference temperature is T0 = 310K (about 37 ° C), and the temperature coefficient of the hole mobility μH0 When α is −0.0053 / ° C., that is, −5500 ppm / ° C., (b / a) = 130. At this time, when the magnetic-electric conversion rate represented by the equation (2) is obtained by calculation, it is as shown in FIG. 6 and it can be seen that sufficient temperature compensation is performed. In the case of the second embodiment, (b / a) is considerably smaller than the calculated value of the expression (11) in the first embodiment. This means that the range of selection of the Hall element material and circuit system is expanded.

第2実施形態のY=aT2+bTで表わされる温度依存性を持つ電圧を発生する回路は、図1のブロック図において、破線Aのように、VT発生回路10から加算器(減算器)50へ温度Tの一次関数で示される電流を供給することで可能であり、その具体的な回路は、図示しないが、図3の回路に若干の修正を加えることで実現することが可能である。 The circuit for generating a voltage having a temperature dependency represented by Y = aT 2 + bT according to the second embodiment is an adder (subtracter) 50 from the VT generation circuit 10 as indicated by a broken line A in the block diagram of FIG. This is possible by supplying a current represented by a linear function of temperature T to the circuit, and a specific circuit thereof is not shown, but can be realized by slightly modifying the circuit of FIG.

以上、ホール素子の印加電圧を制御する方式を説明したが、ホール素子を温度依存性のない定電圧で駆動し、ホール素子の出力電圧を増幅するアンプのゲインにノードDの電圧と同じ温度依存性を持たせてもよい。この場合、ホール素子の出力電圧は温度依存性(=α)を有したままであるが、アンプの出力では温度補償ができている。このようにゲインをコントロールする方法の具体的な一つの例として、コントロール可能な電流源を2つ有し、その電流比でゲインが決定されるようなアンプを用いる方法がある。   The method for controlling the applied voltage of the Hall element has been described above. However, the gain of an amplifier that drives the Hall element with a constant voltage that does not depend on temperature and amplifies the output voltage of the Hall element is the same as the voltage at the node D. You may have sex. In this case, the output voltage of the Hall element remains temperature dependent (= α), but temperature compensation can be performed at the output of the amplifier. As a specific example of the method for controlling the gain in this way, there is a method using an amplifier that has two controllable current sources and the gain is determined by the current ratio.

図7にそのようなゲイン調整可能なアンプの具体例を示す。
図7の利得可変アンプは、入力電圧Vinを次式
Vout=Vc+Vo=Vc+A・(I2/I1)・Ro・Vin ……(24)
で表わされる電圧に変換して出力する。ここで、VcはボルテージフォロワVFの非反転入力端子に印加される定電圧源からの電圧、Aはアンプのゲイン、I2/I1は定電流源I1,I2の電流比、RoはボルテージフォロワVFの出力端子とアンプの出力ノードとの間に接続された抵抗の抵抗値である。式(24)より、定電流源I1の電流値I1を一定にして定電流源I2の電流値I2を変化させればアンプのゲインを変化させることができることが分かる。
FIG. 7 shows a specific example of such a gain-adjustable amplifier.
In the variable gain amplifier of FIG. 7, the input voltage Vin is expressed by the following equation: Vout = Vc + Vo = Vc + A. (I2 / I1) .Ro.Vin (24)
Is converted into a voltage represented by Here, Vc is the voltage from the constant voltage source applied to the non-inverting input terminal of the voltage follower VF, A is the gain of the amplifier, I2 / I1 is the current ratio of the constant current sources I1 and I2, and Ro is the voltage follower VF. This is the resistance value of the resistor connected between the output terminal and the output node of the amplifier. From equation (24), it can be seen that the gain of the amplifier can be changed by changing the current value I2 of the constant current source I2 while keeping the current value I1 of the constant current source I1 constant.

したがって、定電流源I1,I2の電流として、図3の実施例の回路のノードBの電位VBを電圧−電流変換した電流(換言すればIcQ17と相似の電流)とノードDの電位VDを電圧−電流変換した電流(換言すればIcQ14+IcQ19と相似の電流)を用いれば、図7のアンプの入力が温度依存性を有していなくても、アンプの出力に第1の実施形態と同様なaT2+bの温度依存性を与えることが可能である。 Therefore, as the currents of the constant current sources I1 and I2, the voltage V-current converted current VB at the node B of the circuit of the embodiment of FIG. 3 (in other words, the current similar to IcQ17) and the voltage VD at the node D are set as voltage. -By using a current converted current (in other words, a current similar to IcQ14 + IcQ19), even if the input of the amplifier of FIG. 7 does not have temperature dependence, the output of the amplifier is similar to that of the first embodiment. It is possible to give a temperature dependence of 2 + b.

さらに、磁気入力に対し2値化出力をする方式の磁気センサにあっては、その磁気スレシュホールドの値の温度依存性を補償するようにしても良い。図8には、そのような2値化出力をする方式の磁気センサの概略構成を示す。   Furthermore, in the case of a magnetic sensor using a binarized output with respect to a magnetic input, the temperature dependency of the magnetic threshold value may be compensated. FIG. 8 shows a schematic configuration of a magnetic sensor using such a binarized output.

図8において、100は単結晶シリコンのような半導体チップ、110はこの半導体チップ上にn形エピタキシャル層として形成されたホール素子、120は前記ホール素子110の一方の端子に印加する駆動電圧を発生する定電圧電源回路、130は上記ホール素子2の一対の出力端子が差動入力端子に接続されホール素子の出力を増幅するアンプ、140はこのアンプ130の出力電圧と所定のスレシュホールド値VTHとを比較するコンパレータ、150はコンパレータ140に供給されるスレシュホールド値VTHを生成する回路である。   In FIG. 8, 100 is a semiconductor chip such as single crystal silicon, 110 is a Hall element formed as an n-type epitaxial layer on the semiconductor chip, and 120 generates a driving voltage to be applied to one terminal of the Hall element 110. The constant voltage power supply circuit 130 is an amplifier that amplifies the output of the Hall element by connecting a pair of output terminals of the Hall element 2 to the differential input terminal, and 140 is an output voltage of the amplifier 130 and a predetermined threshold value VTH. The comparator 150 compares the threshold values VTH, and the threshold value VTH supplied to the comparator 140 is generated.

コンパレータ140に入力された電圧が上記スレシュホールド値VTHと比較され、その出力によってオープンコレクタ形式の出力バイポーラトランジスタQ0がオン、オフ駆動されて出力電流の形で出力端子OUTより外部へ出力される。出力端子OUTに接続された外付けの抵抗および容量はノイズを低減するための素子である。この実施例においては、コンパレータ140に供給されるスレシュホールド値VTHが、図3のような回路により生成されるY=aT2+bで示されるような電圧Yに基づいて、1/Yのような温度依存性を有するように制御される。このような方式によって、前記実施例と同様に、ホール素子の磁気−電気変換特性が温度に依存して変化したとしても温度に影響されない正確な検出出力を得ることができる。 The voltage input to the comparator 140 is compared with the threshold value VTH, and the output is used to drive the open-collector output bipolar transistor Q0 on and off, and output from the output terminal OUT in the form of an output current. An external resistor and capacitor connected to the output terminal OUT are elements for reducing noise. In this embodiment, the threshold value VTH supplied to the comparator 140 is such as 1 / Y based on the voltage Y as shown by Y = aT 2 + b generated by the circuit as shown in FIG. It is controlled to have temperature dependence. According to such a system, as in the above-described embodiment, an accurate detection output that is not affected by temperature can be obtained even if the magnetic-electric conversion characteristics of the Hall element change depending on the temperature.

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば上記実施例では、ホール素子が周辺回路を構成する素子とともに1つの半導体チップ上に形成されたモノリシックIC磁気センサに適用した場合について説明したがこの発明はそれに限定されるものでなく、複数のICと電子部品からなるハイブリッドIC磁気センサに適用することができる。   The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Nor. For example, in the above embodiment, the case where the Hall element is applied to a monolithic IC magnetic sensor formed on one semiconductor chip together with the elements constituting the peripheral circuit has been described. However, the present invention is not limited thereto, It can be applied to a hybrid IC magnetic sensor composed of an IC and an electronic component.

本発明は、車速度センサ、車輪速度センサ、クランク角センサ等の温度の変化が大きい環境で使用される磁気センサに適用すると最も有効であるが、自動車以外の用途、例えば洗濯機、エアコンなどのブラシレスモターの回転子の位置検出などの家庭用電気製品における磁気センサ、その他、無接点マイクロスイッチ、流量計、車高調整やシフトレバーなどに代表されるポジションセンサなどにも利用することができる。   The present invention is most effective when applied to a magnetic sensor used in an environment with a large temperature change, such as a vehicle speed sensor, a wheel speed sensor, a crank angle sensor, etc., but for applications other than automobiles such as washing machines and air conditioners. It can also be used for magnetic sensors in household electrical products such as detecting the position of the rotor of a brushless motor, as well as position sensors represented by non-contact micro switches, flow meters, vehicle height adjustments, shift levers, and the like.

温度補償された定電圧(ホール素子駆動電圧)を発生する定電圧発生回路の第1実施形態の構成例を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a configuration example of a first embodiment of a constant voltage generation circuit that generates a temperature-compensated constant voltage (Hall element drive voltage). FIG. 図1の定電圧発生回路により生成された電圧が印加されたホール素子の磁気−電気変換特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the magnetic-electrical conversion characteristic of the Hall element to which the voltage produced | generated by the constant voltage generation circuit of FIG. 1 was applied. 図1の定電圧発生回路の具体的な回路例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a specific circuit example of the constant voltage generation circuit of FIG. 1. 図3の定電圧発生回路によりホール素子に印加される電圧の温度に対する関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship with respect to the temperature of the voltage applied to a Hall element by the constant voltage generation circuit of FIG. 図3の定電圧発生回路により生成された電圧が印加されたホール素子の磁気−電気変換特性を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing magnetic-electric conversion characteristics of a Hall element to which a voltage generated by the constant voltage generation circuit of FIG. 3 is applied. 第2実施形態の定電圧発生回路により生成された電圧が印加されたホール素子の磁気−電気変換特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the magnetic-electrical conversion characteristic of the Hall element to which the voltage produced | generated by the constant voltage generation circuit of 2nd Embodiment was applied. 第3実施形態の磁気センサに用いられるホール素子の出力を増幅する可変利得アンプの回路例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit example of the variable gain amplifier which amplifies the output of the Hall element used for the magnetic sensor of 3rd Embodiment. 第4実施形態の磁気センサの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the magnetic sensor of 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 VT電圧発生回路
20 VBG電圧発生回路
30 乗除算器
40 定数倍回路
50 加算器(減算器)
100 半導体チップ
110 ホール素子
120 定電圧電源回路
130 定電流源
140 コンパレータ
10 VT voltage generation circuit 20 VBG voltage generation circuit 30 multiplier / divider 40 constant multiplication circuit 50 adder (subtractor)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Semiconductor chip 110 Hall element 120 Constant voltage power supply circuit 130 Constant current source 140 Comparator

Claims (5)

ホール素子と、該ホール素子に印加される駆動電圧を発生する定電圧駆動回路とを備え、1つの半導体チップに形成された磁気検出回路であって、上記定電圧回路は、Y=aT2+bまたはY=aT2+bT(a、bは定数、Tは絶対温度)で表わされる温度依存性を持つ駆動電圧を発生し、該駆動電圧の温度依存性で上記ホール素子の磁気−電気変換特性を補償させるようにしたことを特徴とする磁気検出回路。 A magnetic detection circuit comprising a Hall element and a constant voltage driving circuit for generating a driving voltage applied to the Hall element, formed on one semiconductor chip, wherein the constant voltage circuit is Y = aT 2 + b Alternatively, a drive voltage having a temperature dependency represented by Y = aT 2 + bT (a and b are constants and T is an absolute temperature) is generated, and the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element are determined by the temperature dependency of the drive voltage. A magnetic detection circuit characterized by compensation. ホール素子と、該ホール素子に印加される駆動電圧を発生する定電圧駆動回路と、前記ホール素子の出力を増幅する可変利得増幅回路とを備え、1つの半導体チップに形成された磁気検出回路であって、前記定電圧駆動回路は温度依存性のない電圧を発生するように構成され、前記増幅回路はそのゲインがY=aT2+bまたはY=aT2+bT(a、bは定数、Tは絶対温度)で表わされる温度依存性を有するように制御されることを特徴とする磁気検出回路。 A magnetic detection circuit formed on a single semiconductor chip, comprising: a Hall element; a constant voltage drive circuit that generates a drive voltage applied to the Hall element; and a variable gain amplifier circuit that amplifies the output of the Hall element. The constant voltage driving circuit is configured to generate a voltage having no temperature dependence, and the gain of the amplifier circuit is Y = aT 2 + b or Y = aT 2 + bT (a and b are constants, T is A magnetic detection circuit controlled to have a temperature dependency represented by (absolute temperature). ホール素子と、該ホール素子に印加される駆動電圧を発生する定電圧駆動回路と、前記ホール素子の出力を弁別するコンパレータと、該コンパレータに供給されるスレシュホールド値を生成する定電圧回路とを備え、1つの半導体チップに形成された磁気検出回路であって、前記定電圧電源回路は温度依存性のない電圧を発生するように構成され、前記定電圧回路はY=aT2+bまたはY=aT2+bT(a、bは定数、Tは絶対温度)で表わされる温度依存性に基づいて1/Yとなるように制御されるスレシュホールド値を生成するように構成されていることを特徴とする磁気検出回路。 A Hall element, a constant voltage driving circuit that generates a driving voltage applied to the Hall element, a comparator that discriminates an output of the Hall element, and a constant voltage circuit that generates a threshold value supplied to the comparator. The constant voltage power supply circuit is configured to generate a voltage having no temperature dependence, and the constant voltage circuit is configured such that Y = aT 2 + b or Y = The threshold value is controlled to be 1 / Y based on the temperature dependence represented by aT 2 + bT (a and b are constants and T is an absolute temperature). Magnetic detection circuit. 前記定電圧駆動回路は、温度依存性を持つ電流を生成する第1電流生成回路と、温度依存性のない電流を生成する第2電流生成回路と、前記第1電流生成回路および第2電流生成回路で生成された電流を入力とする乗除算回路と、前記第2電流生成回路で生成された電流に比例した電流を出力する定数倍回路と、前記乗除算回路と前記定数倍回路から出力される電流を加算もしくは減算する電流合成回路と、合成された電流を電圧に変換する電流−電圧変換手段とから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気検出回路。   The constant voltage driving circuit includes a first current generation circuit that generates a current having temperature dependency, a second current generation circuit that generates a current having no temperature dependency, the first current generation circuit, and a second current generation Output from the multiplier / divider circuit that receives the current generated by the circuit, the constant multiplier circuit that outputs a current proportional to the current generated by the second current generator circuit, and the multiplier / divider circuit and the constant multiplier circuit. The magnetic detection circuit according to claim 1, comprising: a current synthesis circuit for adding or subtracting a current to be generated; and a current-voltage conversion means for converting the synthesized current into a voltage. 前記ホール素子は前記半導体チップに形成されたエピタキシャル層またはn型半導体層からなることを特徴とする請求項1〜4に記載の磁気検出回路。   The magnetic detection circuit according to claim 1, wherein the Hall element is formed of an epitaxial layer or an n-type semiconductor layer formed on the semiconductor chip.
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