JP2009218796A - 線形補正回路及び線形補正方法、並びにセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置において、電圧信号の出力特性が線形になるように補正して測定精度を向上することが可能な線形補正回路及び線形補正方法、並びにセンサ装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係る線形補正回路は、センサ素子の出力信号が電圧変換されて得られる電圧を電流に変換する電圧電流変換手段と、電圧電流変換手段の出力電流に基づき補正電流を合成する補正電流合成手段と、補正電流合成手段が出力する補正電流から補正量を決定する電流を調整する電流量調整手段と、電流量調整手段で得られる補正量決定電流により電圧信号の出力特性が線形になるように補正する補正電圧を生成する補正電圧生成手段とを備える。これにより、センサ素子の出力信号に基づいて合成された補正電流から補正量を決定する電流を調整し、補正電圧を生成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力が入力に対して線形であることが要求されるセンサ装置に用いられる線形補正回路及び線形補正方法に関する。特に、加速度や圧力、温度といった物理量を検出するセンサ素子の出力信号に基づき、物理量に比例した電圧信号を出力するセンサ装置に適用されると有用な技術に関する。

図１０は従来のセンサ装置の一例を示す。センサ素子１は、検出した物理量に応じて、例えば、抵抗値や静電容量が変化する。センサ信号電圧変換回路２は、抵抗値や静電容量といったセンサ素子１の出力信号を電圧に変換する。アンプ３は、センサ信号電圧変換回路２で得られる電圧を増幅する。アンプ３は通常、ゲイン調整やオフセット調整の機能を有する。出力バッファアンプ８は、アンプ３の出力電圧を入力されて、電圧信号ＶＯＵＴを出力する。このような構成により、センサ素子１が検出した物理量に応じた電圧信号ＶＯＵＴが出力される。

図１１は、図１０に示される従来のセンサ装置の出力特性の一例を示す。横軸はセンサ素子１に入力される物理量であり、例えば、加速度や圧力、温度などである。縦軸は出力電圧信号ＶＯＵＴ［Ｖ］である。入力が０、すなわち、基準となるニュートラルな物理量であるときの電圧信号ＶＯＵＴが、出力範囲の中心電圧Ｖ_０となるように調整される。入力が０を中心に増減するのに応じて、電圧信号ＶＯＵＴも中心電圧Ｖ_０を中心に出力範囲０〜５［Ｖ］の間で増減する。

一般にこの種のセンサ装置では、入力される物理量に対して出力が線形であることが要求される。しかし、図１０に示される従来のセンサ装置においては、センサ素子１自体の特性やばらつきなどにより、入力される物理量と出力される電圧信号ＶＯＵＴとが図１１のように線形でない場合がある。

理想特性のように線形な出力が要求されるセンサ装置において、電圧信号ＶＯＵＴが示す電圧出力の理想特性からのずれが大きいと、センサ装置の測定精度が悪くなり問題である。

本発明は上記の課題に鑑み提案されたものである。本発明は、センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置において、電圧信号の出力特性が線形になるように補正して測定精度を向上することが可能な線形補正回路及び線形補正方法、並びにセンサ装置を提供することを目的とする。

上述された課題を解決し目的を達成するべく、本発明に係る線形補正回路は、センサ素子の出力信号が電圧変換されて得られる電圧を電流に変換する電圧電流変換手段と、電圧電流変換手段の出力電流に基づき補正電流を合成する補正電流合成手段と、補正電流合成手段が出力する補正電流から補正量を決定する電流を調整する電流量調整手段と、電流量調整手段で得られる補正量決定電流により電圧信号の出力特性が線形になるように補正する補正電圧を生成する補正電圧生成手段とを備える。

また、本発明に係る線形補正方法は、センサ素子に基準となる物理量を加えたときの電圧信号の出力電圧が出力範囲の中心電圧となるようにオフセット調整するステップと、センサ素子に所定の物理量を加えたときの電圧信号の出力電圧が所定の物理量に相当する電圧となるようにゲイン調整するステップと、電圧信号の出力特性が線形になるように補正電圧の特性を選択するステップと、補正量を調整するステップとを備える。

また、本発明に係るセンサ装置は、センサ素子の出力信号を電圧変換するセンサ信号電圧変換手段と、センサ信号電圧変換手段で得られる電圧を増幅する電圧増幅手段と、電圧増幅手段の出力電圧を電流に変換する電圧電流変換手段と、電圧電流変換手段の出力電流に基づき補正電流を合成する補正電流合成手段と、補正電流合成手段が出力する補正電流から補正量を決定する電流を調整する電流量調整手段と、電流量調整手段で得られる補正量決定電流により電圧信号の出力特性が線形になるように補正する補正電圧を生成する補正電圧生成手段と、補正電圧により電圧増幅手段の出力電圧が補正された電圧を電圧信号として出力する出力バッファアンプとを備える。

これにより、センサ素子の出力信号に基づいて合成された補正電流から補正量を決定する電流を調整し、補正電圧を生成することができる。センサ素子の種類や特徴に応じて、補正電圧の特性を選択することができる。

本発明に係る線形補正回路及び線形補正方法、並びにセンサ装置によれば、センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置において、電圧信号の出力特性が線形になるように補正して測定精度を向上することが可能となる。

図１は本発明に係る線形補正回路の全体構成について、第１実施形態を示すブロック図である。なお、上述された図１０と対応する構成要素については、同じ符号が付されている。図１に示される第１実施形態では、アンプ３と出力バッファアンプ８との間に線形補正回路９が配置される。

線形補正回路９は、電圧電流変換アンプであるｇｍ４、ｇｍ調整回路１０、２乗電流合成回路５、電流量調整回路６、補正電圧生成手段７を備える。センサ素子１の出力信号がセンサ信号電圧変換回路２により電圧変換され、アンプ３により電圧増幅された電圧ＶＢがｇｍ４に入力される。ｇｍ４はｇｍ調整回路１０により調整され、入力された電圧ＶＢを電流に変換して２乗電流合成回路５に出力する。２乗電流合成回路５はｇｍ４の出力電流に基づき、補正電流ＩＡを合成し、電流量調整回路６へ出力する。電流量調整回路６では、補正電流ＩＡがＮ倍に調整された補正量決定電流ＩＢが得られる。補正電圧生成手段７は、電流ＩＣを流す定電流源と、電流ＩＣとは逆向きの電流−ＩＣを流す定電流源と、抵抗ＲＡとを備え、補正電圧を生成する。電流ＩＣは、補正量決定電流ＩＢと大きさが等しく、その向きを切り替えられるようにした電流である。出力バッファアンプ８は、補正電圧により電圧ＶＢが補正された電圧ＶＡを入力されて、電圧信号ＶＯＵＴを出力する。

また、外部からの入力により、センサ信号電圧変換回路２は変換利得を調整され、アンプ３はゲイン、オフセットを調整され、２乗電流合成回路５は補正特性を選択され、電流量調整回路６は調整量Ｎを与えられる。

このような構成により第１実施形態では、電圧電流変換アンプであるｇｍ４によって電圧ＶＢと基準電圧との電位差に比例した電流が得られる。２乗電流合成回路５によって補正電流ＩＡが合成され、電流量調整回路６によって補正量決定電流ＩＢが調整される。補正量決定電流ＩＢと大きさの等しい電流が抵抗ＲＡを流れることで生成される補正電圧ＩＢ・ＲＡにより、アンプ３の出力電圧ＶＢが出力バッファアンプ８の入力電圧ＶＡに補正される。

このように、センサ素子１の出力信号に基づいて合成された補正電流ＩＡから補正量決定電流ＩＢを調整し、補正電圧ＩＢ・ＲＡを生成することができる。外部からの入力によって、補正電圧の特性を選択することができる。電圧信号ＶＯＵＴの出力特性が線形になるように補正して測定精度の向上を図ることができる。また、図１に示されるように、電流ＩＣと逆向きの電流−ＩＣとを流すようにしたことで、補正量決定電流ＩＢと大きさの等しい電流が抵抗ＲＡにのみ流れる。その結果、入力側の電圧ＶＢの変動を抑制する効果が得られる。

図２は電圧電流変換アンプであるｇｍ４の具体的な構成について、一例を示す回路図である。ＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＱ１、Ｑ２は差動入力のトランジスタである。トランジスタＱ１、Ｑ２には、電圧ＶＢと基準電圧Ｖｒｅｆとの差動入力電圧が入力される。トランジスタ群Ｑ１ｎ、Ｑ２ｎは、直列に接続された複数のＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成される。トランジスタＱ１、Ｑ２のソースはそれぞれ、電流ＩＳを流す２つの定電流源の一方と接続されるとともに、他方とはトランジスタ群Ｑ１ｎ、Ｑ２ｎを介して接続される。つまり、トランジスタ群Ｑ１ｎ、Ｑ２ｎは、トランジスタＱ１、Ｑ２のソースに接続される抵抗に相当する。また、トランジスタＱ１とトランジスタ群Ｑ１ｎの各トランジスタとのバックゲートはトランジスタＱ１のソースに、トランジスタＱ２とトランジスタ群Ｑ２ｎの各トランジスタとのバックゲートはトランジスタＱ２のソースに、それぞれ接続される。

このような差動対で構成されることで、ｇｍ４では、電圧ＶＢと基準電圧Ｖｒｅｆとの電位差に比例した変化分を持つ差動出力電流Ｉ１、Ｉ２が出力される。トランジスタＱ１、Ｑ２及びトランジスタ群Ｑ１ｎ、Ｑ２ｎの各トランジスタが同一のサイズで構成されることにより、ゲート変調が同一になり、レイアウト上のペア性を向上することができる。従来のこの種の回路のように高抵抗を用いなくても、入力範囲が広く線形性のよい電圧電流変換アンプが実現できる。また、バックゲートを上述のように接続することで、ＭＯＳトランジスタのバックゲート依存によるしきい値電圧の上昇を抑えることができる。したがって、電源電圧ＶＤＤの低電圧化、回路の低消費電流化に対応できる。

図３は２乗電流合成回路５の具体的な構成について、一例を示す回路図である。図３において、上述された図１、２と対応する構成要素については、同じ符号が付されている。図２で説明されたように、ｇｍ４では、電圧ＶＢと基準電圧Ｖｒｅｆとの差動入力電圧ΔＶＢが入力されて、差動出力電流Ｉ１、Ｉ２が出力される。抵抗値の等しい抵抗Ｒ１、Ｒ２が、差動出力線間に直列に接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ１のゲートは抵抗Ｒ１とＲ２との間に接続され、ドレインは電流Ｉ１の流れる差動出力線に接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ２のゲートは抵抗Ｒ１とＲ２との間に接続され、ドレインは電流Ｉ２の流れる差動出力線に接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ３のゲートはトランジスタＭ１のドレインに接続され、トランジスタＭ３には電流Ｉ３が流れる。ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ４のゲートはトランジスタＭ２のドレインに接続され、トランジスタＭ４には電流Ｉ４が流れる。ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ５のゲートとソースとがそれぞれトランジスタＭ１、Ｍ２と共通に接続され、トランジスタＭ５には電流Ｉ５が流れる。電流合成回路５１は、電流Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５から補正電流ＩＡを合成する。

このように構成された２乗電流合成回路５の作用を簡単に説明する。抵抗値の等しい抵抗Ｒ１、Ｒ２は、トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ５のゲート電圧を差動出力電流Ｉ１、Ｉ２の変化によらず一定に保つ働きをする。そのため、トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ５を流れる電流は常に一定である。差動出力電流Ｉ１、Ｉ２の変化分は抵抗Ｒ１、Ｒ２を流れる。その結果、電圧ＶＢ＞基準電圧Ｖｒｅｆのときは、電流Ｉ３は差動入力電圧ΔＶＢの２次関数で記述され、電流Ｉ４は電流Ｉ５にほぼ等しくなる。電圧ＶＢ＜基準電圧Ｖｒｅｆのときは、電流Ｉ３は電流Ｉ５にほぼ等しくなり、電流Ｉ４は差動入力電圧ΔＶＢの２次関数で記述される。電圧ＶＢ＝基準電圧Ｖｒｅｆ、すなわち、差動入力電圧ΔＶＢ＝０のときは差動出力電流Ｉ１、Ｉ２が等しく、抵抗Ｒ１、Ｒ２に電流は流れず、電流Ｉ３、Ｉ４は電流Ｉ５に等しくなる。

トランジスタＭ１、Ｍ２が、また、トランジスタＭ３、Ｍ４、Ｍ５がそれぞれ同じサイズとされることで、より良い特性が得られる。例えば、トランジスタＭ１、Ｍ２はｇｍ４の差動出力電流Ｉ１、Ｉ２を十分に流すことができるものを用い、トランジスタＭ３、Ｍ４、Ｍ５はトランジスタＭ１、Ｍ２よりサイズの小さいものを用いる。これにより、回路全体の低消費電流化を図ることができる。

図４は電流合成回路５１の具体的な構成について、一例を示す回路図である。図３で説明されたように、ｇｍ４の差動出力電流Ｉ１、Ｉ２に基づき、電流Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５が流れる。ＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＱ３、Ｑ４、Ｑ５はカレントミラー回路である。このカレントミラー回路の入力部は、図３のトランジスタＭ５と接続される。出力部は、図３のトランジスタＭ３、Ｍ４とそれぞれスイッチＳ３、Ｓ４を介して接続される。また、トランジスタＱ４の出力にはスイッチＳ５が挿入される。

このような構成により、スイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５のオンオフが切り替えられることで、電流合成回路５１が合成する補正電流ＩＡの特性を変えることができる。例えば、スイッチＳ３がオンとされると補正電流ＩＡ＝Ｉ３−Ｉ５となり、スイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５が全てオンとされると補正電流ＩＡ＝Ｉ３＋Ｉ４−２・Ｉ５となる。電圧電流変換アンプであるｇｍ４の差動出力電流Ｉ１、Ｉ２に基づき、特性が可変の補正電流ＩＡを合成することが可能となる。

図５はｇｍ調整回路１０の具体的な構成について、一例を示す回路図である。電圧Ｖｆは、図１において、設定された出力範囲のなかで電圧信号ＶＯＵＴがフルスケール値をとるときの中心電圧Ｖ_０との差（中心電圧Ｖ_０からの最大振れ幅）を出力バッファアンプ８のゲインで割った値である。例えば、電圧信号ＶＯＵＴの設定された出力範囲が０〜５［Ｖ］であれば、中心電圧Ｖ_０は２．５［Ｖ］であり、電圧信号ＶＯＵＴのフルスケール値は０［Ｖ］、５［Ｖ］である。したがって、中心電圧Ｖ_０からの最大振れ幅は２．５［Ｖ］なので、ゲインが５倍の出力バッファアンプ８であれば、電圧Ｖｆは０．５［Ｖ］ということになる。

電圧電流変換アンプであるｇｍ１１には、基準電圧Ｖｒｅｆ−電圧Ｖｆと基準電圧Ｖｒｅｆとの差動入力電圧が入力される。ｇｍ１１の出力電流が抵抗Ｒ３を流れることで生じる電圧が、ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ６のゲートに入力される。トランジスタＭ６のドレインは抵抗Ｒ４を介して基準電圧Ｖｒｅｆに接続される。バッファアンプ１２には、基準電圧ＶｒｅｆからトランジスタＭ６のドレイン電流Ｉ６が抵抗Ｒ４を流れることで生じる電圧Ｉ６・Ｒ４を引いたＶｒｅｆ−Ｉ６・Ｒ４と基準電圧Ｖｒｅｆ−電圧Ｖｆとの差動入力電圧が入力される。バッファアンプ１２の出力は、ｇｍ１１及びｇｍ４にフィードバックされる。

図５に示されるｇｍ調整回路１０と、図３に示される２乗電流合成回路５とを比較すると、ｇｍ１１はｇｍ４に、抵抗Ｒ３は抵抗Ｒ１、Ｒ２に、トランジスタＭ６はトランジスタＭ３、Ｍ４に、抵抗Ｒ４は抵抗ＲＡに、電流Ｉ６は補正電流ＩＡに、それぞれ相当する。すなわち、ｇｍ調整回路１０は、２乗電流合成回路５のいわばダミー回路と言えるものである。バッファアンプ１２は差動入力電圧に対して、Ｖｒｅｆ−Ｉ６・Ｒ４＝Ｖｒｅｆ−Ｖｆ、すなわち、Ｉ６・Ｒ４＝Ｖｆとなるように出力を制御する。Ｉ６・Ｒ４はＩＡ・ＲＡ、すなわち補正量調整前の補正電圧に相当する量である。したがって、ｇｍ調整回路１０と２乗電流合成回路５との間で、例えばＲＡ／Ｒ４などの対応する要素同士の比を調整することで、補正量の最大値を調整することができる。このようなフィードバックを用いることにより、温度やプロセス条件などの影響による電流Ｉ３、Ｉ４のばらつきを小さく抑えることが可能となる。

図６は電流量調整回路６の具体的構成について、一例を示す回路図である。ＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＱ６〜Ｑ１０、スイッチＳ７〜Ｓ１０は重み付けカレントミラーＤ／Ａコンバータである。倍率は各トランジスタの縦横比Ｗ／Ｌで決定される電流供給能力である。この重み付けカレントミラーＤ／Ａコンバータは、図３の２乗電流合成回路５の出力部である電流合成回路５１と接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ７、Ｍ８からなるカレントミラー回路は、補正電流ＩＡが重み付けカレントミラーＤ／ＡコンバータによってＮ倍に調整された補正量決定電流ＩＢを出力する。

このような構成により、スイッチＳ７〜Ｓ１０の接続が切り替えられることで、電流量調整回路６は補正量決定電流ＩＢを調整することができる。例えば、図６のような４ビットの重み付けカレントミラーＤ／Ａコンバータの場合は、補正電流ＩＡを１／８倍から１５／８倍まで可変にした補正量決定電流ＩＢを調整することが可能となる。

図７を参照して、図１の第１実施形態に備えられる補正電圧生成手段７においてそれぞれ電流ＩＣ、−ＩＣを流す２つの定電流源の具体的な構成について説明する。定電流源は、例えば、図７に示されるような電流反転回路で構成される。ＰチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＱ１１〜Ｑ１３、また、ＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成されるトランジスタＭ９、Ｍ１０はそれぞれカレントミラー回路である。トランジスタＱ１１〜Ｑ１３からなるカレントミラー回路の入力部は、図６のトランジスタＭ８と接続される。トランジスタＱ１１〜Ｑ１３からなるカレントミラー回路の出力部は、連動するスイッチＳ１、Ｓ２と直接に、あるいは、トランジスタＭ９、Ｍ１０からなるカレントミラー回路を介して、接続される。

このような構成により、スイッチＳ１、Ｓ２の接続が切り替えられることで、補正量決定電流ＩＢと大きさが等しく、その向きを切り替えられるようにした電流ＩＣ、−ＩＣが得られる。電流ＩＣ、−ＩＣを図１で述べたように供給すれば、補正量決定電流ＩＢと大きさの等しい電流が抵抗ＲＡにのみ流れる。その結果、入力側の電圧ＶＢの変動を抑制する効果が得られる。

図８は、図１に示される第１実施形態を適用してセンサ装置を構成した例である。図８において、図１と対応する構成要素については、同じ符号が付されている。図１で説明された構成要素については説明を省略する。センサ装置２０は、補正情報を記憶するレジスタ２１と、補正情報の授受を外部とレジスタ２１との間で仲介するシリアルＩ／Ｆ２２とを備える。

このような構成により、補正情報としてビット情報を与えることで、電圧信号ＶＯＵＴの出力特性を補正することができる。図８に示されるセンサ装置においては、まず、オフセット調整（ゼロ点調整）が行われる。オフセット調整では、センサ素子１への入力が０、すなわち、基準となるニュートラルな物理量であるときのセンサ装置２０の出力電圧信号ＶＯＵＴが、出力範囲の中心電圧Ｖ_０となるように調整される。この調整は、例えば、アンプ３のオフセット調整機能を用いて実行される。

次に、ゲイン調整（感度調整）が行われる。ゲイン調整では、センサ素子１に所定の物理量が加えられたときのセンサ装置２０の出力電圧信号ＶＯＵＴが、所定の物理量に相当する電圧となるように調整される。この調整は、例えば、アンプ３のゲイン調整機能を用いて実行される。

ゲイン調整においてセンサ素子１に加えられる所定の物理量や、合わせ込まれる電圧値については、調整の対象となるセンサ素子１の特性に応じて、設定を変えることができる。例えば、センサ素子１への入力がニュートラルな物理量０から＋１されたときのセンサ装置２０の出力電圧信号ＶＯＵＴが、中心電圧Ｖ_０＋１［Ｖ］となるように調整される。例えば、センサ素子１への入力がニュートラルな物理量０から−１されたときのセンサ装置２０の出力電圧信号ＶＯＵＴが、中心電圧Ｖ_０−１［Ｖ］となるように調整される。

オフセット調整、ゲイン調整に続いて、補正特性の選択、補正量の調整が行われる。図９を参照して、具体的に説明する。図９は補正電圧の特性を示す。外部から補正特性選択情報として３ビットの情報が与えられることで、図４で説明された電流合成回路５１のスイッチＳ３〜Ｓ５のオンオフが切り替えられる。これにより、補正電流ＩＡの特性が決定される。外部から調整量Ｎとして４ビットの情報が与えられることで、図６で説明された電流量調整回路６のスイッチＳ７〜Ｓ１０の接続が切り替えられる。これにより、補正量決定電流ＩＢを調整することができる。さらに、外部から１ビットの情報が与えられることで、図７で説明された電流反転回路のスイッチＳ１、Ｓ２の接続が切り替えられる。これにより、電流ＩＣ、−ＩＣが得られ、補正量決定電流ＩＢと大きさの等しい電流が抵抗ＲＡに流れる向きを変えることができる。

このようにして、図９に示されるような補正電圧の特性が得られる。例えば、図４のスイッチＳ３をオンし、図７のスイッチＳ１、Ｓ２をＩＣ＝＋ＩＢとなるように接続するビット情報が与えられることで、図９（ｄ）に示される特性ＲＤが得られる。また、図４のスイッチＳ３をオンし、図７のスイッチＳ１、Ｓ２をＩＣ＝−ＩＢとなるように接続するビット情報が与えられると、正負が変わり、図９（ａ）に示される特性ＲＵが得られる。同様に、図４のスイッチＳ４をオンするビット情報と、図７のスイッチＳ１、Ｓ２に対するビット情報との組み合わせで、図９（ｂ）、（ｃ）に示される特性ＬＵ、ＬＤが得られる。図４のスイッチＳ３〜Ｓ５をオンするビット情報と、図７のスイッチＳ１、Ｓ２に対するビット情報との組み合わせで、図９（ｅ）〜（ｈ）に示される特性ＣＤ、ＣＵ、ＬＤＲＵ、ＬＵＲＤが得られる。さらに、図６のスイッチＳ７〜Ｓ１０に対するビット情報により、補正量を調整することができる。

前述の通り、補正電流は差動入力電圧ΔＶＢの２次関数で記述されるため、図９に示される補正電圧の特性の曲線部分はΔＶＢを変数とする２次曲線を描く。したがって、補正特性の選択では、補正前のセンサ装置２０の出力電圧信号ＶＯＵＴの出力特性を２次関数で近似することで、最適な特性を持つ補正電圧を選択することができる。具体的には、補正前のセンサ装置２０の出力電圧信号ＶＯＵＴと凹凸が逆な特性を持つ補正電圧を選択すればよい。そのような補正電圧が線形補正回路９において足し合わされることで、線形な出力特性が得られる。補正情報としてビット情報が与えられることで補正特性の選択と補正量の調整ができ、電圧信号ＶＯＵＴの出力特性を容易に補正することが可能である。

ここで、特許請求の範囲との対応は以下の通りである。
センサ素子１は、センサ素子の一例である。
センサ信号電圧変換回路２は、センサ信号電圧変換手段の一例である。
アンプ３は、電圧増幅手段の一例である。
ｇｍ４は、電圧電流変換手段の一例である。
２乗電流合成回路５は、補正電流合成手段の一例である。
電流量調整回路６は、電流量調整手段の一例である。
補正電圧生成手段７は、補正電圧生成手段の一例である。
出力バッファアンプ８は、出力バッファアンプの一例である。
線形補正回路９は、線形補正回路の一例である。
ｇｍ調整回路１０は、補正電流合成手段のダミー回路の一例である。
センサ装置２０は、センサ装置の一例である。
レジスタ２１は、補正情報を記憶するメモリの一例である。
電流合成回路５１は、電流合成回路の一例である。
電圧信号ＶＯＵＴは、電圧信号の一例である。
電圧ＶＡは、補正された電圧の一例である。
電圧ＶＢは、センサ素子の出力信号が電圧変換されて得られる電圧の一例である。
電流ＩＡは、補正電流の一例である。
電流ＩＢは、補正量決定電流の一例である。
電圧ＩＢ・ＲＡは、補正電圧の一例である。
電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧の一例である。
電圧Ｖ_０は、出力範囲の中心電圧の一例である。
差動入力電圧ΔＶＢは、センサ素子の出力信号が電圧変換されて得られる電圧と基準電圧との差動入力電圧の一例である。
電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６は、それぞれ第１、第２、第３、第４、第５、第６電流の一例である。
抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、それぞれ第１、第２、第３、第４抵抗の一例である。
トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６は、それぞれ第１、第２、第３、第４、第５、第６トランジスタの一例である。
トランジスタＱ３、Ｑ４、Ｑ５は、請求項３に記載のカレントミラー回路の一例である。
スイッチＳ３、Ｓ４、Ｓ５は、請求項３に記載のスイッチの一例である。
トランジスタＱ６〜Ｑ１０、スイッチＳ７〜Ｓ１０は、重み付けカレントミラーＤ／Ａコンバータの一例である。
図７に示される電流反転回路は、請求項６に記載の電流反転回路の一例である。
トランジスタＱ１１〜Ｑ１３は、請求項６に記載のカレントミラー回路の一例である。
スイッチＳ１、Ｓ２は、補正量決定電流の向きを切り替えるスイッチの一例である。
抵抗ＲＡは、電流電圧変換手段の一例である。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置において、電圧信号の出力特性が線形になるように補正して測定精度を向上することが可能となる。

線形補正については、電圧信号をＡ／Ｄ変換してマイクロコンピュータなどで補正量を計算する方法も考えられる。その場合は出力バッファアンプの後段で最終的な出力電圧信号に対して補正することになるため、入出力許容範囲が制限されるなどの問題がある。しかし、本発明のように出力バッファアンプの前段でアナログ的に処理することで、入出力許容範囲を広くとることができ、比較的小規模な回路で補正することができる。本発明では、補正情報としてビット情報が与えられることで補正特性の選択と補正量の調整ができ、電圧信号ＶＯＵＴの出力特性を容易に補正することが可能である。また、補正前のセンサ装置の出力電圧信号ＶＯＵＴの出力特性を２次関数で近似することで、最適な特性を持つ補正電圧を選択することができる。複数の１次関数で近似する場合に比べて変化が滑らかでありノイズに強く、３次以上の関数で近似する場合に比べて簡便である。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、補正電流ＩＡなどの電流の向きは図に示された向きに限られるものではない。逆向きの電流が流れるように構成されても、同様の作用、効果が得られることは言うまでもない。

図５に示されるｇｍ調整回路１０の具体例において、ｇｍ調整回路１０と２乗電流合成回路５との間で、例えばＲＡ／Ｒ４などの対応する要素同士の比を調整することで、補正量の最大値を調整することができるとして説明された。しかし、これに限られるものではない。例えば、基準電圧Ｖｒｅｆ−電圧Ｖｆを可変にしても、同様のことが実現できる。

図６に示される電流量調整回路６の具体例において、重み付けカレントミラーＤ／Ａコンバータの各トランジスタＱ６〜Ｑ１０について、縦横比Ｗ／Ｌで決定される電流供給能力を持つものとして説明された。しかし、これに限られるものではない。トランジスタＱ６〜Ｑ１０について、同じサイズの単位トランジスタを用いて、その個数により電流供給能力が異なるようにされてもよい。

図８に示されるセンサ装置２０において、センサ素子１もセンサ装置２０に含めて１つのシリコン基板上に集積化し、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を構成してもよい。

上記実施の形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（付記１）
センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置において、前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正する線形補正回路であって、
前記センサ素子の出力信号が電圧変換されて得られる電圧を電流に変換する電圧電流変換手段と、
前記電圧電流変換手段の出力電流に基づき、補正電流を合成する補正電流合成手段と、
前記補正電流合成手段が出力する補正電流から補正量を決定する電流を調整する電流量調整手段と、
前記電流量調整手段で得られる補正量決定電流により、前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正する補正電圧を生成する補正電圧生成手段とを備えることを特徴とする線形補正回路。
（付記２）
前記電圧電流変換手段は、前記センサ素子の出力信号が電圧変換されて得られる電圧と基準電圧との差動入力電圧が入力されて、第１電流と第２電流との差動出力電流を出力する差動対で構成され、
前記補正電流合成手段は、前記差動対の差動出力線間に互いに直列に接続される第１抵抗及び第２抵抗と、
ゲートが前記第１抵抗と第２抵抗との間に接続され、ドレインが前記第１電流の流れる差動出力線に接続される第１トランジスタと、
ゲートが前記第１抵抗と第２抵抗との間に接続され、ドレインが前記第２電流の流れる差動出力線に接続される第２トランジスタと、
ゲートが前記第１トランジスタのドレインに接続され、前記差動入力電圧の２次関数で記述される第３電流が流れる第３トランジスタと、
ゲートが前記第２トランジスタのドレインに接続され、前記差動入力電圧の２次関数で記述される第４電流が流れる第４トランジスタと、
ゲートとソースとがそれぞれ前記第１、第２トランジスタと共通に接続され、第５電流が流れる第５トランジスタと、
前記第３、第４、第５電流から前記補正電流を合成する電流合成回路とを備えることを特徴とする付記１に記載の線形補正回路。
（付記３）
前記電流合成回路は、入力部が前記第５トランジスタと接続され、出力部が前記第３、第４トランジスタとそれぞれスイッチを介して接続されるカレントミラー回路を備え、前記スイッチと前記カレントミラー回路との組み合わせで前記補正電流の特性を可変にしたことを特徴とする付記２に記載の線形補正回路。
（付記４）
前記電圧電流変換手段は、前記第１、第２抵抗に相当する第３抵抗と、前記第３、第４トランジスタに相当する第６トランジスタと、前記補正電流に相当する第６電流が流れる第４抵抗とを備える前記補正電流合成手段のダミー回路によって調整されることを特徴とする付記２または３に記載の線形補正回路。
（付記５）
前記電流量調整手段は、重み付けカレントミラーＤ／Ａコンバータを備えることを特徴とする付記１乃至４の少なくとも何れか１に記載の線形補正回路。
（付記６）
前記補正電圧生成手段は、入力部が前記電流量調整手段の出力部と接続されるカレントミラー回路と、前記補正量決定電流の向きを切り替えるスイッチとを備える電流反転回路と、
前記補正量決定電流を前記補正電圧に変換する電流電圧変換手段とを備えることを特徴とする付記１乃至５の少なくとも何れか１に記載の線形補正回路。
（付記７）
センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置において、前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正する線形補正方法であって、
前記センサ素子に基準となる物理量を加えたときの前記電圧信号の出力電圧が出力範囲の中心電圧となるようにオフセット調整するステップと、
前記センサ素子に所定の物理量を加えたときの前記電圧信号の出力電圧が前記所定の物理量に相当する電圧となるようにゲイン調整するステップと、
前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正電圧の特性を選択するステップと、
補正量を調整するステップとを備えることを特徴とする線形補正方法。
（付記８）
前記補正電圧の特性を選択するステップは、補正前の前記電圧信号の出力特性を２次関数で近似することで最適な特性を持つ補正電圧を選択することを特徴とする付記７に記載の線形補正方法。
（付記９）
センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置であって、
前記センサ素子の出力信号を電圧変換するセンサ信号電圧変換手段と、
前記センサ信号電圧変換手段で得られる電圧を増幅する電圧増幅手段と、
前記電圧増幅手段の出力電圧を電流に変換する電圧電流変換手段と、
前記電圧電流変換手段の出力電流に基づき、補正電流を合成する補正電流合成手段と、
前記補正電流合成手段が出力する補正電流から補正量を決定する電流を調整する電流量調整手段と、
前記電流量調整手段で得られる補正量決定電流により、前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正する補正電圧を生成する補正電圧生成手段と、
前記補正電圧により前記電圧増幅手段の出力電圧が補正された電圧を前記電圧信号として出力する出力バッファアンプとを備えることを特徴とするセンサ装置。
（付記１０）
付記９に記載のセンサ装置であって、
補正情報を記憶するメモリを備え、前記補正情報としてビット情報が与えられることで前記電圧信号の出力特性を補正することを特徴とするセンサ装置。
（付記１１）
前記差動対は、前記差動入力電圧が入力される一対のトランジスタを備え、前記一対のトランジスタのソースは直列に接続された複数のトランジスタからなるトランジスタ群に接続され、前記一対のトランジスタと前記トランジスタ群の各トランジスタとのバックゲートは前記一対のトランジスタのソースにそれぞれ接続されることを特徴とする付記２乃至６の少なくとも何れか１に記載の線形補正回路。

本発明に係る線形補正回路の全体構成について、第１実施形態を示すブロック図である。 電圧電流変換アンプであるｇｍ４の具体的な構成について、一例を示す回路図である。 図３は２乗電流合成回路５の具体的な構成について、一例を示す回路図である。 電流合成回路５１の具体的な構成について、一例を示す回路図である。 ｇｍ調整回路１０の具体的な構成について、一例を示す回路図である。 電流量調整回路６の具体的構成について、一例を示す回路図である。 電流反転回路の具体例である。 第１実施形態を適用してセンサ装置を構成した例である。 補正電圧の特性を示す図である。 従来のセンサ装置の一例を示す図である。 従来のセンサ装置の出力特性の一例を示す図である。

符号の説明

１ センサ素子
２ センサ信号電圧変換回路
３ アンプ
４、１１ 電圧電流変換アンプｇｍ
５ ２乗電流合成回路
６ 電流量調整回路
７ 補正電圧生成手段
８ 出力バッファアンプ
９ 線形補正回路
１０ ｇｍ調整回路
１２ バッファアンプ
２０ センサ装置
２１ レジスタ
２２ シリアルＩ／Ｆ
５１ 電流合成回路
Ｉ１〜Ｉ６、ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ、−ＩＣ 電流
Ｍ１〜Ｍ１０ ＮチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｑ１〜Ｑ１３ ＰチャネルＭＯＳトランジスタ
Ｑ１ｎ、Ｑ２ｎ トランジスタ群
Ｓ１〜Ｓ５、Ｓ７〜Ｓ１０ スイッチ
ＶＡ、ＶＢ、ＶＤＤ、Ｖｆ、ＶＯＵＴ、Ｖｒｅｆ、ΔＶＢ 電圧

Claims (10)

1. センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置において、前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正する線形補正回路であって、
   前記センサ素子の出力信号が電圧変換されて得られる電圧を電流に変換する電圧電流変換手段と、
   前記電圧電流変換手段の出力電流に基づき、補正電流を合成する補正電流合成手段と、
   前記補正電流合成手段が出力する補正電流から補正量を決定する電流を調整する電流量調整手段と、
   前記電流量調整手段で得られる補正量決定電流により、前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正する補正電圧を生成する補正電圧生成手段とを備えることを特徴とする線形補正回路。
2. 前記電圧電流変換手段は、前記センサ素子の出力信号が電圧変換されて得られる電圧と基準電圧との差動入力電圧が入力されて、第１電流と第２電流との差動出力電流を出力する差動対で構成され、
   前記補正電流合成手段は、前記差動対の差動出力線間に互いに直列に接続される第１抵抗及び第２抵抗と、
   ゲートが前記第１抵抗と第２抵抗との間に接続され、ドレインが前記第１電流の流れる差動出力線に接続される第１トランジスタと、
   ゲートが前記第１抵抗と第２抵抗との間に接続され、ドレインが前記第２電流の流れる差動出力線に接続される第２トランジスタと、
   ゲートが前記第１トランジスタのドレインに接続され、前記差動入力電圧の２次関数で記述される第３電流が流れる第３トランジスタと、
   ゲートが前記第２トランジスタのドレインに接続され、前記差動入力電圧の２次関数で記述される第４電流が流れる第４トランジスタと、
   ゲートとソースとがそれぞれ前記第１、第２トランジスタと共通に接続され、第５電流が流れる第５トランジスタと、
   前記第３、第４、第５電流から前記補正電流を合成する電流合成回路とを備えることを特徴とする請求項１に記載の線形補正回路。
3. 前記電流合成回路は、入力部が前記第５トランジスタと接続され、出力部が前記第３、第４トランジスタとそれぞれスイッチを介して接続されるカレントミラー回路を備え、前記スイッチと前記カレントミラー回路との組み合わせで前記補正電流の特性を可変にしたことを特徴とする請求項２に記載の線形補正回路。
4. 前記電圧電流変換手段は、前記第１、第２抵抗に相当する第３抵抗と、前記第３、第４トランジスタに相当する第６トランジスタと、前記補正電流に相当する第６電流が流れる第４抵抗とを備える前記補正電流合成手段のダミー回路によって調整されることを特徴とする請求項２または３に記載の線形補正回路。
5. 前記電流量調整手段は、重み付けカレントミラーＤ／Ａコンバータを備えることを特徴とする請求項１乃至４の少なくとも何れか１項に記載の線形補正回路。
6. 前記補正電圧生成手段は、入力部が前記電流量調整手段の出力部と接続されるカレントミラー回路と、前記補正量決定電流の向きを切り替えるスイッチとを備える電流反転回路と、
   前記補正量決定電流を前記補正電圧に変換する電流電圧変換手段とを備えることを特徴とする請求項１乃至５の少なくとも何れか１項に記載の線形補正回路。
7. センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置において、前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正する線形補正方法であって、
   前記センサ素子に基準となる物理量を加えたときの前記電圧信号の出力電圧が出力範囲の中心電圧となるようにオフセット調整するステップと、
   前記センサ素子に所定の物理量を加えたときの前記電圧信号の出力電圧が前記所定の物理量に相当する電圧となるようにゲイン調整するステップと、
   前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正電圧の特性を選択するステップと、
   補正量を調整するステップとを備えることを特徴とする線形補正方法。
8. 前記補正電圧の特性を選択するステップは、補正前の前記電圧信号の出力特性を２次関数で近似することで最適な特性を持つ補正電圧を選択することを特徴とする請求項７に記載の線形補正方法。
9. センサ素子の出力信号を電圧変換して電圧信号を出力するセンサ装置であって、
   前記センサ素子の出力信号を電圧変換するセンサ信号電圧変換手段と、
   前記センサ信号電圧変換手段で得られる電圧を増幅する電圧増幅手段と、
   前記電圧増幅手段の出力電圧を電流に変換する電圧電流変換手段と、
   前記電圧電流変換手段の出力電流に基づき、補正電流を合成する補正電流合成手段と、
   前記補正電流合成手段が出力する補正電流から補正量を決定する電流を調整する電流量調整手段と、
   前記電流量調整手段で得られる補正量決定電流により、前記電圧信号の出力特性が線形になるように補正する補正電圧を生成する補正電圧生成手段と、
   前記補正電圧により前記電圧増幅手段の出力電圧が補正された電圧を前記電圧信号として出力する出力バッファアンプとを備えることを特徴とするセンサ装置。
10. 請求項９に記載のセンサ装置であって、
    補正情報を記憶するメモリを備え、前記補正情報としてビット情報が与えられることで前記電圧信号の出力特性を補正することを特徴とするセンサ装置。
    

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