JP2006003246A - 磁気センサ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 ホール素子とその周辺回路の特性の変動の補償や特性のばらつきの抑制を行い、もって精度の高い検出結果が得られる磁気センサ回路を提供する。
【解決手段】 ホール素子と同じ特性を持つ抵抗Ｒｍ１を設け、その抵抗Ｒｍ１に制御トランジスタＱ２を直列に接続し、各構成要素が定電流回路の構成に接続された抵抗Ｒｍ１、制御トランジスタＱ２、誤差増幅器ＡＭＰ１によりモニタ回路７ｂを構成する。ホール素子３に接続される増幅器４ｂとして、ギルバートセルＣＥＬＬと第１と第２の電流源ＩＲ１、ＩＲ２がＧｍアンプの構成に接続された増幅器を使用する。ギルバートセルＣＥＬＬの第２の電流源ＩＲ２から電流の供給を受ける回路位置にモニタ回路７ｂからモニタ信号を供給する。これにより増幅器４ｂの増幅率（ゲイン）を変化させ、電圧信号中に含まれるホール素子の特性変化に基づく変動分を補償する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ホール素子やその周辺回路が持つ特性の温度依存性や製品毎の特性のばらつきを補償あるいは抑制し、ホール素子を使用した磁気センサ回路の検出精度を高めるための技術に関する。

図５は基本的な磁気センサ回路の構成を示す回路図である。図５において、１は電源供給端子であり、２は磁気センサ回路の信号出力端子である。３はホール素子であり、ホール素子３には励磁電流供給用の端子と信号検出用の端子がそれぞれ一対づつ形成されている。ホール素子３の一方の励磁電流供給用の端子は電源供給端子１に接続され、他方の励磁電流供給用の端子はグランドに接続されている。

ホール素子３の一方の信号検出用の端子は増幅器４ａの非反転入力端子（＋）に接続され、他方の信号検出用の端子は増幅器４ａの反転入力端子（−）に接続されている。増幅器４ａの出力端子は比較器５ａの一方の入力端子に接続され、比較器５ａの出力端子は信号出力端子２に接続されている。なお、比較器５ａの他方の入力端子は、低電位側の端子がグランドに接続された基準電圧源６の高電位側の端子に接続されている。

このような構造を持つ図５の回路では以下のような動作が行われる。
電源供給端子１からホール素子に所定の大きさの励磁電流が供給される。ここで、ホール素子３を貫通するような磁束が存在すると、その磁束と励磁電流に応じた大きさの電圧信号がホール素子３の信号検出用の端子の間に生じる。増幅器４ａは、このホール素子３に生じた電圧信号を増幅して比較器５ａに供給する。すると比較器５ａは、増幅器４ａの出力信号が基準電圧源６によって設定されるしきい値よりも大きい場合、出力信号を磁束の存在を暗示する状態にする。（ここでは、磁束の存在を暗示する出力信号の状態とは、ハイレベルとローレベルのうちのローレベルである。）
このような構造と動作を持つ磁気センサ回路は、例えば特許文献１の図７および従来の技術の項目で紹介されている。
特開平０８−１９４０４０号

ホール素子の特性が温度依存性を持つ（温度変化に伴って変動する）ことと、半導体チップの製造プロセスのばらつきに起因してホール素子の特性が製品毎にばらつくこと（以下、変動とばらつきと省略する）は良く知られている。ホール素子の特性の変動とばらつきを抑えるための対策としては、一例として次のような方法があった。
すなわち、ホール素子とほぼ同じ特性を持つ抵抗を形成し、その抵抗をホール素子の出力側に設けられた増幅器の二本のフィードバック抵抗のうちの一つとして使用する。ホール素子とほぼ同じ抵抗の特性の変動に応じて増幅器のゲインを変化させ、電圧信号中に含まれるホール素子の特性変化に基づく変動分を補償する、という対策である。

最近のホール素子を使用した磁気センサはＩＣ化が進んでおり、ホール素子、増幅器、および比較器、が一つのチップの上に一緒に形成されているものも存在する。ここで、ホール素子が半導体チップのＮ−ｗｅｌｌ領域を利用して形成されていた場合、同じチップ上の同じＮ−ｗｅｌｌ領域を利用して抵抗を形成すれば、ホール素子とほぼ同じ特性を持つ抵抗が容易に得られる。製造プロセスに起因して領域の形成深さや不純物濃度が製品毎にばらつくことがあっても、同じチップ上の同じＮ−ｗｅｌｌ領域を利用して形成されたホール素子と抵抗の特性はほぼ同じにすることができる。このため、以上のようにして形成した抵抗を使用すれば、ホール素子の特性変化に基づく変動分を補償するのと同時にホール素子のばらつきの影響も抑えることができた。

しかし、増幅器の二本のフィードバック抵抗は、元来、高利得に設定された増幅器の出力信号の温度変化に伴う変動や製造プロセスに起因するばらつきを抑えるため、互いにほぼ同じ特性を持つものが使用される。二本のフィードバック抵抗のうちの一本に異なる特性を持つ抵抗を使用すると、フィードバック抵抗が関係する様々な部分でバランスが崩れ、ホール素子の代わりに増幅器の部分において特性の変動やばらつきが生じるといった問題があった。
そこで本発明は、ホール素子とその周辺回路の特性の変動の補償や特性のばらつきの抑制を行い、もって精度の高い検出結果が得られる磁気センサ回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、ホール素子と増幅器を備え、ホール素子に生じた外部磁界に応じた電圧信号を増幅器で増幅する磁気センサ回路において、ホール素子とほぼ同一の特性を持つ抵抗を備え、抵抗の特性変化に応じて変化するモニタ信号を出力するモニタ回路と、モニタ信号の供給を受け、モニタ信号に応じて出力信号の大きさを補正する前記増幅器とを具備する。あるいは、ホール素子と増幅器と比較器を備え、ホール素子に生じた外部磁界に応じた電圧信号を増幅器で増幅し、増幅器の出力信号を比較器において所定のしきい値と比較し、検出結果としての出力信号を生成する磁気センサ回路において、ホール素子とほぼ同一の特性を持つ抵抗を備え、抵抗の特性変化に伴ってその大きさが変化するモニタ信号を出力するモニタ回路と、モニタ信号の供給を受け、モニタ信号に応じてしきい値を補正する前記比較器とを具備することを特徴とする。

ホール素子と同じ特性を持つ抵抗を使用することで、ホール素子の特性変動に連動するように変化するモニタ信号が得られる。このモニタ信号に応じて増幅器の増幅率、あるいは比較器のしきい値を変化させることにより、電圧信号中に含まれるホール素子の特性変動に基づく変動分の補償を行う。ホール素子と同じ特性を持つ抵抗はモニタ信号を生成する回路部分に設けられるため、増幅器のフィードバック抵抗などには互いに特性がほぼ同じ素子が使用でき、ホール素子以外の部分における特性の変動やばらつきが抑制できる。これにより精度の高い検出結果が得られる磁気センサ回路の提供が可能になる。

ホール素子と同じ特性を持つ抵抗を設け、その抵抗に制御トランジスタを直列に接続する。制御トランジスタの制御端子に誤差増幅器の出力端子を接続し、誤差増幅器の一方の入力端子には前記抵抗の一端に生じた電圧信号を入力し、他方の入力端子には電源電圧に応じた電圧信号を入力するように接続構成する。実質的に定電流回路の構成に接続された抵抗、制御トランジスタ、誤差増幅器によりモニタ回路を構成する。
このモニタ回路の制御トランジスタを流れる電流をモニタ信号として、ホール素子に接続される増幅器、あるいは当該増幅器の出力信号を処理する比較器に供給する。

本発明の第１の局面では、ホール素子に接続される増幅器として、ギルバートセルと第１と第２の電流源で構成されるＧｍアンプを使用する。ギルバートセルの第２の電流源からの電流の供給を受ける回路位置にモニタ信号を供給することにより、モニタ信号に応じてＧｍアンプの増幅率（ゲイン）を変化させる。
モニタ回路の制御トランジスタを流れる電流は、抵抗の特性変動に応じて変化する。抵抗はホール素子とほぼ同じ特性を持つため、モニタ信号はホール素子の特性変動に連動するように変化する。したがって、モニタ信号に応じてＧｍアンプの増幅率（ゲイン）を変化させることにより、電圧信号中に含まれるホール素子の特性変化に基づく変動分が補償される。

本発明の第２の局面では、増幅器の出力信号を処理する比較器として、差動対を形成するように接続された第１と第２のトランジスタと、第１と第２のトランジスタの共通接続点に接続された電流源と、第１と第２のトランジスタに接続された能動負荷回路と、を具備し、第２のトランジスタと能動負荷回路の接続点から出力信号を取り出す構造の比較器を使用する。第１のトランジスタと能動負荷回路の接続点にモニタ信号を供給することにより比較器のしきい値を変化させる。
モニタ信号はホール素子の特性変動に連動するように変化する。モニタ信号に応じて比較器のしきい値を変化させることにより、電圧信号中に含まれるホール素子の特性変化に基づく変動分が補償される。

図１には本発明による磁気センサ回路の第１の実施例の回路示した。
図１の磁気センサ回路は、ゲイン固定型に代えてゲイン可変型の増幅器４ｂを使用し、増幅器４ｂにモニタ信号を供給するモニタ回路７ａを追加設置したことを除けば、図５の従来の磁気センサ回路と同じ構成となっている。ここで、本発明による磁気センサ回路の要所である増幅器４ｂとモニタ回路７ａの回路部分は、具体的に図２に示すような構成になっている。

図２に示すゲイン可変型の増幅器４ｂは、ギルバートセルＣＥＬＬ、第１の電流源ＩＲ１、第２の電流源ＩＲ２および出力回路ＯＵＴを有し、それら各構成要素がＧｍアンプを構成するように相互に接続されている。具体的には、ギルバートセルＣＥＬＬの入力側はホール素子からの電圧信号を受信するために第１と第２の入力端子ＩＮ１とＩＮ２に接続されており、ギルバートセルＣＥＬＬの出力側は出力回路ＯＣの入力側に接続されている。ギルバートセルＣＥＬＬの２つの電流供給を受けるための回路位置は、それぞれ第１と第２の電流源ＩＲ１、ＩＲ２を介してグランドに接続されている。出力回路ＯＣの出力側は比較器５ｂに増幅した電圧信号を供給するための出力端子ＯＵＴ１に接続されている。ギルバートセルＣＥＬＬと出力回路ＯＣの駆動電圧の供給を受けるための回路位置は、それぞれ電源供給端子１に接続される電源端子１ａに接続されている。

一方、図２に示すモニタ回路７ａは、抵抗Ｒｍ１、制御トランジスタＱ１、誤差増幅器ＡＭＰ１、および抵抗Ｒ１とＲ２を有し、それら構成要素が電流源回路を構成するように相互に接続されている。具体的には、ホール素子３とほぼ同じ特性を持つ抵抗Ｒｍ１の一端は制御トランジスタＱ１のソースに接続され、他端はグランドに接続されている。制御トランジスタＱ１のドレインは増幅４ｂ、更に具体的にはギルバートセルＣＥＬＬの第２の電流源ＩＲ２から電流供給を受ける回路位置に接続されている。制御トランジスタＱ１のゲートは誤差増幅器ＡＭＰ１の出力端子に接続され、誤差増幅器ＡＭＰ１の反転入力端子（−）は抵抗Ｒｍ１の一端に接続されている。電源供給端子１に接続される電源端子１ｂとグランドの間に抵抗Ｒ１とＲ２が直列に接続され、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の共通接続点は誤差増幅器ＡＭＰ１の非反転入力端子（＋）に接続されている。

ギルバートセルと２つの電流源を備えた一般的なＧｍアンプの増幅率は、２つの電流源からギルバートセルに供給される２つの電流の比によって決まる。図２の回路中の増幅器４ｂは、ギルバートセルＣＥＬＬの一方の電流供給位置に第１の電流源ＩＲ１から電流が供給され、ギルバートセルＣＥＬＬの他方の電流供給位置に第２の電流源ＩＲ２およびモニタ回路７ａから電流が供給される構成となっている。モニタ回路７ａから供給される電流とはモニタ信号のことであり、モニタ信号の大きさが変化すると増幅器４ｂの増幅率も変化することになる。

ところでモニタ回路７ａの制御トランジスタＱ１を流れる電流（すなわちモニタ信号）は、電源供給端子１ｂの位置の電源電圧Ｖ_DDが一定の場合、抵抗Ｒｍ１の一端に現れる電圧に応じた値となる。例えば、周囲温度が変化した時、抵抗Ｒｍ１の電気抵抗値はホール素子３と同様に変動する。このためモニタ信号は、ホール素子３の特性の変動に連動して変化することになる。勿論、ホール素子３の特性の変動量とモニタ信号の変化量はほぼ相関した関係を持つ。先に説明したように増幅器４ｂの増幅率はモニタ信号に応じて変化するため、ホール素子３から増幅器４ａを介して比較器５ａに供給される電圧信号は、増幅器４ａにおいて、その中に含まれるホール素子３の特性変化に基づく変動分が増幅率の変化によって補償されることになる。

なお、図１のようにホール素子３に電源供給端子１から直接、励磁電流を供給すると、電源電圧Ｖ_DDが変動した時にホール素子３で生じる電圧信号の大きさも変化してしまう。そこで本発明による磁気センサ回路は、図２に示すように、誤差増幅器ＡＭＰ１の非反転入力端子（＋）に抵抗Ｒ１とＲ２の直列回路（＝分圧回路）から電源電圧Ｖ_DDに応じた電圧を参照電圧として供給するようにした。このような構成とすることで、電圧信号中の電源電圧Ｖ_DDの変動に基づく変動分の補償も可能にしている。

図３には本発明による磁気センサ回路の第２の実施例の回路示した。
図３の磁気センサ回路は、実質的には比較器５ｂにモニタ信号を供給するモニタ回路７ａを追加設置したことを除けば、図５の従来の磁気センサ回路と同じ回路構成となっている。ここで、本発明による磁気センサ回路の要所である比較器５ｂとモニタ回路７ｂの回路部分は、具体的に図４に示すような構成になっている。

図４の比較器５ｂは、４つのトランジスタＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６と電流源ＩＲ３を有し、それが差動アンプを構成するように相互に接続されている。具体的に、第１のトランジスタＱ３と第２のトランジスタＱ４の各ソースは差動回路を構成するように共通接続され、そのソースの共通接続点は電流源ＩＲ３を介して電源端子１ｃに接続されている。なお、電源端子１ｃは電源供給端子１に接続される。第１のトランジスタＱ３のゲートは基準電圧源６と接続される入力端子ＩＮ３に接続され、第２のトランジスタＱ４のゲートは増幅器４ａの出力端子と接続される入力端子ＩＮ３に接続されている。

第１のトランジスタＱ３のドレインはトランジスタＱ５の主電流路を介してグランドに接続され、第２のトランジスタＱ４のドレインはトランジスタＱ６の主電流路を介してグランドに接続されている。トランジスタＱ５のドレイン、ゲート間は短絡され、トランジスタＱ５とＱ６のゲートはカレントミラー方式の能動負荷回路を構成するように共通接続されている。そして、トランジスタＱ４とＱ６の各ドレインの共通接続点は磁気センサ回路の信号出力端子２に接続される出力端子ＯＵＴ２に接続されている。

一方、図４に示すモニタ回路７ｂは、抵抗Ｒｍ２、制御トランジスタＱ２、誤差増幅器ＡＭＰ２、および抵抗Ｒ３とＲ４を有し、それら構成要素が電流源回路を構成するように相互に接続されている。具体的に、ホール素子３とほぼ同じ特性を持つ抵抗Ｒｍ２の一端は制御トランジスタＱ２のソースに接続され、他端はグランドに接続されている。制御トランジスタＱ２のドレインは比較器５ｂ、更に具体的には第１のトランジスタＱ３とトランジスタＱ５の各ドレインの共通接続点に接続されている。制御トランジスタＱ２のゲートは誤差増幅器ＡＭＰ２の出力端子に接続され、誤差増幅器ＡＭＰ２の反転入力端子（−）は抵抗Ｒｍ２の一端に接続されている。電源供給端子１に接続される電源端子１ｄとグランドの間に抵抗Ｒ３とＲ４が直列に接続され、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の共通接続点は誤差増幅器ＡＭＰ２の非反転入力端子（＋）に接続されている。

いま、図４の回路において、モニタ回路７ｂが存在せず、比較器５ｂだけが存在すると仮定する。
トランジスタＱ４のゲートに供給される電圧信号が非常に小さい時、電流源ＩＲ３を通過する電流のほとんどはトランジスタＱ４に流入する。この時、トランジスタＱ３、Ｑ５、Ｑ６にはほとんど電流が流れないため、出力端子ＯＵＴ２の位置に現れる信号（電圧）はハイレベルになる。トランジスタＱ４のゲートに供給される電圧信号を徐々に大きくしていくと、いずれは出力端子ＯＵＴ２の信号の状態がハイレベルからローレベルに反転する。この、出力端子ＯＵＴ２の信号の状態がハイレベルからローレベルに反転する境界に位置する電圧信号の値（以下、しきい値と呼ぶ）は、トランジスタＱ３のゲートに供給される基準電圧に等しい値となる。

ここで、トランジスタＱ４のゲートに供給される電圧信号がしきい値に等しい時、各トランジスタを通過する電流に注目すると、トランジスタＱ４を通過する電流とトランジスタＱ６を通過する電流はほぼ等しくなっている。このため、電圧信号がしきい値に等しい時、すなわち出力端子ＯＵＴ２の信号の状態がハイレベルからローレベルに反転する境界に位置する時とは、トランジスタＱ４を通過する電流とトランジスタＱ６を通過する電流がほぼ等しい時だとも言える。

以上のことを念頭において、改めて比較器５ｂとモニタ回路７ｂが併設された図４の回路の場合を考える。
例えば、比較器５ｂを構成する各トランジスタの特性やサイズを適切に設定することにより、モニタ回路７ｂに電流が流入しても、｛しきい値｝＝｛トランジスタＱ４のゲートに供給される基準電圧｝とすることは可能である。理解が容易なように、そうなっているものと仮定する。

温度変化などでモニタ回路７ｂ内の抵抗Ｒｍ２の抵抗値が変化すると、制御トランジスタＱ２を通過する電流、換言すると、モニタ回路７ｂから比較器５ｂに供給されるモニタ信号、更に換言すると、比較器５ｂからモニタ回路７ｂに流入する電流の大きさ、が変化する。すると比較器５ｂ内のトランジスタＱ５を通過する電流の大きさが変化し、トランジスタＱ５と共にカレントミラーの能動負荷を形成するトランジスタＱ６の通過電流も変化する。このため、比較器路５ｂのしきい値はモニタ回路７ｂに流入する電流の変化分に応じてシフトすることになる。

具体的に、その他の条件は同じで、温度だけが高くなった場合を想定する。
温度が高くなるとホール素子３の入力抵抗は大きくなる。すると、ホール素子３において発生し、増幅器４ａにおいて増幅され、その後に入力端子ＩＮ４を介してトランジスタＱ４のゲートに供給される電圧信号は小さくなる。この時、比較器５ｂ内のトランジスタＱ４を通過する電流は大きくなる。

一方、温度が高くなるとモニタ回路７ｂ内の抵抗Ｒｍ２の抵抗値は大きくなり、制御トランジスタＱ２を通過する電流は小さくなる。すると、モニタ回路７ｂに流入する電流が小さくなった分だけ比較器５ｂ内のトランジスタＱ５を通過する電流が大きくなり、これに伴ってトランジスタＱ６の通過電流も大きくなる。従って、温度変化によってトランジスタＱ４の通過電流が変化しても、トランジスタＱ６の通過電流がこれを補償するような大きさになる。これを比較器５ｂの内部ではなく外部で見ると、温度変化によって電圧信号が変化しても、電圧信号中の温度変化に基づく変動分を補償するように比較器５ｂのしきい値が変化すると言うことができる。

なお、電源電圧Ｖ_DDが変化し、これに伴って電圧信号が変動したとしても、温度変化の時と同様に比較器５ｂのしきい値が変化して変動分を補償する。当然、増幅器４ａのフィードバック抵抗などには特性の揃った素子を使用できるため、製品毎の特性のばらつきを抑えることが可能である。

本発明の第１の実施例による磁気センサ回路の回路図。 図１の回路の要部の詳細な回路図。 本発明の第２の実施例による磁気センサ回路の回路図。 図２の回路の要部の詳細な回路図。 従来の最も基本的な磁気センサ回路の回路図。

符号の説明

１：電源供給端子
２：信号出力端子
３：ホール素子
４ａ：増幅器
４ｂ：Ｇｍアンプの構成を有する増幅器
５ａ、５ｂ：比較器
７ａ、７ｂ：モニタ回路
Ｒｍ１、Ｒｍ２：ホール素子３とほぼ同じ特性を持つ抵抗

Claims (6)

1. ホール素子と増幅器を備え、該ホール素子に生じた外部磁界に応じた電圧信号を該増幅器で増幅する磁気センサ回路において、
   該ホール素子とほぼ同一の特性を持つ抵抗を備え、該抵抗の特性変化に応じて変化するモニタ信号を出力するモニタ回路と、
   該モニタ信号の供給を受け、該モニタ信号に応じて出力信号の大きさを補正する該増幅器と、
   を具備することを特徴とする磁気センサ回路。
2. 前記モニタ回路が、前記ホール素子とほぼ同一の特性を持つ抵抗と、該抵抗に直列接続された制御トランジスタと、該抵抗の一端に生じた電圧に応じて該制御トランジスタの導通量を制御する誤差増幅器と、を具備し、該制御トランジスタを通過する電流が前記モニタ信号として前記増幅器に供給される
   ことを特徴とする、請求項１に記載した磁気センサ回路。
3. 前記増幅器が、ギルバートセルと、該ギルバートセルに電流を供給する第１と第２の電流源とを有するＧｍアンプであり、その増幅率は、該第２の電流源から電流の供給を受けるギルバートセルの所定位置に前記モニタ信号の供給を受けることにより前記モニタ信号に応じて変化することを特徴とする、請求項２に記載した磁気センサ回路。
4. ホール素子と増幅器と比較器を備え、該ホール素子に生じた外部磁界に応じた電圧信号を該増幅器で増幅し、該増幅器の出力信号を該比較器において所定のしきい値と比較し、検出結果としての出力信号を生成する磁気センサ回路において、
   該ホール素子とほぼ同一の特性を持つ抵抗を備え、該抵抗の特性変化に伴ってその大きさが変化するモニタ信号を出力するモニタ回路と、
   該モニタ信号の供給を受け、該モニタ信号に応じてしきい値を補正する該比較器と、
   を具備することを特徴とする磁気センサ回路。
5. 前記モニタ回路が、前記ホール素子とほぼ同一の特性を持つ抵抗と、該抵抗に直列接続された制御トランジスタと、該抵抗の一端に生じた電圧に応じて該制御トランジスタの導通量を制御する誤差増幅器と、を具備し、該制御トランジスタを通過する電流が前記モニタ信号として前記比較器に供給される
   ことを特徴とする、請求項４に記載した磁気センサ回路。
6. 前記比較器が、差動対を形成するように接続された第１と第２のトランジスタと、該第１と第２のトランジスタの共通接続点に接続された電流源と、該第１と第２のトランジスタに接続された能動負荷回路と、を具備し、該第１のトランジスタの主電流路に供給される前記モニタ信号によりしきい値が変化する
   ことを特徴とする請求項５に記載した磁気センサ回路。

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