JP2011117909A - 物理量センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】物理量検出精度を高くできる物理量センサを提供する。
【解決手段】バイアス電流及び物理量に基づき電圧を発生するブリッジ抵抗型の物理量検出素子と、物理量検出素子にバイアス電流を供給する電流供給回路と、電流供給回路のスイッチがオフしているときに流すリーク電流を接地端子に流すリーク電流対策回路と、を備えた物理量センサとした。
【選択図】図1

Description

本発明は、物理量センサに関する。
物理量センサの例として従来の磁気センサについて説明する。図6は、従来の磁気センサを示す回路図である。
先ず、信号S1がハイレベルに制御され、信号S2がローレベルに制御される。信号S1Xは、信号S1の反転信号であり、信号S2Xは、信号S2の反転信号である。PMOSトランジスタ90及びNMOSトランジスタ93がオンし、これらのトランジスタを介してバイアス電流が磁気検出素子98に流れる。すると、磁気検出素子98の第四端子と第一端子との間に、このバイアス電流及び磁気検出素子98に対する磁気に基づいたホール電圧Vhと、磁気検出素子98のオフセット電圧Vohと、の合計の電圧Vaが発生する。電圧Vaは、次式(11)によって表される。
Va=+Vh+Voh・・・(11)
このとき、スイッチ94及び95をオンしているので、電圧Vaはアンプ99に入力される。
次に、信号S1がローレベルに制御され、信号S1Xがハイレベルに制御され、信号S2がハイレベルに制御され、信号S2Xがローレベルに制御される。第三端子と第二端子との間に流れる磁気検出素子98のバイアス電流は、第四端子と第一端子との間に流れるよう切り替わる。第四端子と第一端子との間に発生する磁気検出素子98のホール電圧Vhは、第三端子と第二端子との間に発生するよう切り替わる。このときの電圧Vbは、次式(12)によって表される。
Vb=−Vh+Voh・・・(12)
このとき、スイッチ96及び97をオンしているので、電圧Vbはアンプ99に入力される。
その後、アンプ99によって増幅された電圧Vaと電圧Vbは、図示しない演算回路によって減算処理され、オフセット電圧Vohは相殺される(例えば、特許文献1参照)。
特開2009−002851号公報
しかしながら、上述のような磁気センサでは、電圧Vaを発生する時、オフしているPMOSトランジスタ91及びNMOSトランジスタ92はリーク電流が流れる。また、電圧Vbを発生する時、オフしているPMOSトランジスタ90及びNMOSトランジスタ93はリーク電流が流れる。
ここで、PMOSトランジスタ90と91、及びNMOSトランジスタ92と93が同一サイズで製造されても、半導体製造ばらつきによりリーク電流が異なってしまう。すると、オフセット電圧Vohがうまく相殺されなくなってしまい、磁気センサの磁気検出精度が低くなってしまう。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、物理量検出精度を高くできる物理量センサを提供する。
本発明は、上記課題を解決するため、第一〜第四スイッチを有し、物理量検出素子にバイアス電流を供給する電流供給回路と、ブリッジ抵抗型であり、第一〜第四端子を有し、バイアス電流及び物理量に基づき、電圧を発生する物理量検出素子と、電流供給回路におけるオフ時のスイッチが流すリーク電流を、電源端子または接地端子に流し込むリーク電流対策回路と、を備えることを特徴とする物理量センサを提供する。
本発明では、電流供給回路のオフ時のスイッチがリーク電流を流しても、電流供給回路に対してリーク電流対策回路が設けられるので、オフ時のリーク電流は物理量検出素子に流れ込みにくくなる。すると、オフ時のリーク電流が、物理量検出素子に対する物理量に基づいた電圧に影響しにくくなる。よって、物理量センサの物理量検出精度が高くなる。
本実施形態の磁気センサを示す回路図である。 本実施形態の磁気センサのアンプの一例を示す回路図である。 本実施形態の磁気センサの動作を示すタイムチャートである。 磁気センサを示す回路図である。 磁気センサを示す回路図である。 従来の磁気センサを示す回路図である。
以下に、本発明の物理量センサを、磁気センサを例に図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態の磁気センサを示す回路図である。
本実施形態の磁気センサは、PMOSトランジスタ11〜16、NMOSトランジスタ21〜26、磁気検出素子31、アンプ32、スイッチ36〜39、スイッチ41〜44、及び、容量46〜47を備える。PMOSトランジスタ11及びNMOSトランジスタ25と、PMOSトランジスタ14及びNMOSトランジスタ22は電流供給回路を構成する。PMOSトランジスタ15及びNMOSトランジスタ26は、PMOSトランジスタ14に対するリーク電流対策回路である。PMOSトランジスタ13及びNMOSトランジスタ21は、NMOSトランジスタ22に対するリーク電流対策回路である。PMOSトランジスタ12及びNMOSトランジスタ23は、PMOSトランジスタ11に対するリーク電流対策回路である。PMOSトランジスタ16及びNMOSトランジスタ24は、NMOSトランジスタ25に対するリーク電流対策回路である。
図2は、本実施形態の磁気センサのアンプの一例を示す回路図である。アンプ32は、例えば、一段目アンプ71、一段目アンプ72、チョッパ回路73、及び、二段目アンプ74を備える。
PMOSトランジスタ11〜13のゲート電圧は、信号S1または信号S1Xによって制御され、PMOSトランジスタ14〜16のゲート電圧は、信号S2または信号S2Xによって制御される。NMOSトランジスタ21〜23のゲート電圧は、信号S2または信号S2Xによって制御され、NMOSトランジスタ24〜26のゲート電圧は、信号S1または信号S1Xによって制御される。また、スイッチ36〜37及びスイッチ41は、信号S1または信号S1Xによって制御され、スイッチ38〜39及びスイッチ42は、信号S2または信号S2Xによって制御され、スイッチ43〜44は、信号S3によって制御される。
PMOSトランジスタ13のソースは、電源端子に接続され、ドレインは、NMOSトランジスタ21のソースとNMOSトランジスタ22のドレインとの接続点に接続される。PMOSトランジスタ16のソースは、電源端子に接続され、ドレインは、NMOSトランジスタ24のソースとNMOSトランジスタ25のドレインとの接続点に接続される。NMOSトランジスタ21のドレインは、磁気検出素子31の第一端子に接続される。NMOSトランジスタ24のドレインは、磁気検出素子31の第二端子に接続される。NMOSトランジスタ22及びNMOSトランジスタ25のソースは、接地端子に接続される。
NMOSトランジスタ23のソースは、接地端子に接続され、ドレインは、PMOSトランジスタ11のドレインとPMOSトランジスタ12のソースとの接続点に接続される。NMOSトランジスタ26のソースは、接地端子に接続され、ドレインは、PMOSトランジスタ14のドレインとPMOSトランジスタ15のソースとの接続点に接続される。PMOSトランジスタ12のドレインは、磁気検出素子31の第三端子に接続される。PMOSトランジスタ15のドレインは、磁気検出素子31の第四端子に接続される。PMOSトランジスタ11及びPMOSトランジスタ14のソースは、電源端子に接続される。
アンプ32の非反転入力端子は、磁気検出素子31の第三端子にスイッチ38を介して接続され、且つ、磁気検出素子31の第四端子にスイッチ36を介して接続される。アンプ32の反転入力端子は、磁気検出素子31の第一端子にスイッチ37を介して接続され、且つ、磁気検出素子31の第二端子にスイッチ39を介して接続される。
スイッチ41及びスイッチ43は、アンプ32の出力端子と磁気センサの出力端子との間に順番に設けられる。スイッチ42及びスイッチ44は、アンプ32の出力端子と磁気センサの出力端子との間に順番に設けられる。容量46は、スイッチ41とスイッチ43との接続点と、接地端子と、の間に設けられる。容量47は、スイッチ42とスイッチ44との接続点と、接地端子と、の間に設けられる。
また、アンプ32では、図2に示すように、一段目アンプ71及び一段目アンプ72による一段目増幅段の出力電圧は、チョッパ回路73を介し、二段目アンプ74による二段目増幅段に入力する。
電流供給回路は、磁気検出素子31にバイアス電流を供給する。ブリッジ抵抗型である磁気検出素子31は、バイアス電流及び磁気に基づき、ホール電圧Vhを発生する。リーク電流対策回路は、電流供給回路におけるオフ時のMOSトランジスタが流すリーク電流を、電源端子または接地端子に流し込む。
次に、磁気センサの動作について説明する。図3は、本実施形態の磁気センサの動作を示すタイムチャートである。
先ず、期間t0<t<t1において、信号S1がハイレベルに制御され、信号S2がローレベルに制御され、号S3がローレベルに制御される。信号S1Xは、信号S1の反転信号であり、信号S2Xは、信号S2の反転信号である。PMOSトランジスタ11〜12及びNMOSトランジスタ24〜25がオンしていて、これらのトランジスタを介してバイアス電流が磁気検出素子31に流れる。すると、磁気検出素子31の第四端子と第一端子との間に、このバイアス電流及び磁気検出素子31に対する磁気に基づいたホール電圧Vhと、磁気検出素子31のオフセット電圧Vohと、の合計の電圧V0が発生する。電圧V0は、次式(1)によって表される。
V0=+Vh+Voh・・・(1)
スイッチ36〜37がオンしているので、電圧V0はアンプ32に入力する。電圧V0及び一段目アンプ71及び一段目アンプ72による一段目増幅段のオフセット電圧Voa1は、利得G1の一段目増幅段によって増幅され、電圧V1になる。電圧V1は、次式(2)によって表される。
V1=G1・(+Vh+Voh+Voa1)・・・(2)
チョッパ回路73は経路の切り替えを行わず、電圧V1はそのまま電圧V2になる。電圧V2は、次式(3)によって表される。
V2=G1・(+Vh+Voh+Voa1)・・・(3)
電圧V2は、二段目アンプ74による二段目増幅段に入力する。電圧V2及び二段目アンプ74による二段目増幅段のオフセット電圧Voa2は、利得G2の二段目増幅段によって増幅され、電圧V3になる。電圧V3は、次式(4)によって表される。
V3=G1・G2(+Vh+Voh+Voa1)+G2・Voa2・・・(4)
スイッチ41がオンしているので、電圧V3は容量46に充電される。
ここで、電流供給回路のPMOSトランジスタ14は、オフしているが、リーク電流が流れてしまう。しかし、リーク電流対策回路において、NMOSトランジスタ26はオンしているので、PMOSトランジスタ14のリーク電流はNMOSトランジスタ26を介して接地端子に流れ込む。更に、PMOSトランジスタ15は、ソース電圧は接地電圧VSSになるので、基板バイアス効果によって閾値電圧が高くなり、リーク電流が流れにくくなる。つまり、PMOSトランジスタ14のリーク電流が磁気検出素子31の第四端子に流れ込みにくくなる。
また、電流供給回路のNMOSトランジスタ22においても同様にリーク電流が流れてしまうが、PMOSトランジスタ13及びNMOSトランジスタ22によって、リーク電流が流れにくくなる。つまり、PMOSトランジスタ22のリーク電流が磁気検出素子31の第一端子から流れ出しにくくなる。
従って、これらのリーク電流は、リーク電流対策回路により、式(1)の電圧V0にほとんど影響しないので、出力電圧VOUTにもほとんど影響しない。
次に、期間t1<t<t2において、信号S1がローレベルに制御され、信号S2がハイレベルに制御され、信号S3がローレベルに制御される。第三端子と第二端子との間に流れる磁気検出素子31のバイアス電流は、第四端子と第一端子との間に流れるよう切り替わる。第四端子と第一端子との間に発生する磁気検出素子31のホール電圧Vhは、第三端子と第二端子との間に発生するよう切り替わる。よって、電圧V0〜V1は、次式(5)〜(6)によって表される。
V0=−Vh+Voh・・・(5)
V1=G1・(−Vh+Voh+Voa1)・・・(6)
チョッパ回路73は経路の切り替えを行う。つまり、電圧V1は、チョッパ回路73によってチョッピングされ、電圧V2になる。よって、電圧V2〜V3は、次式(7)〜(8)によって表される。
V2=G1・(+Vh−Voh−Voa1)・・・(7)
V3=G1・G2(+Vh−Voh−Voa1)+G2・Voa2・・・(8)
電圧V3を充電する容量46は、容量47に切り替わる。
ここで、前述と同様に、PMOSトランジスタ11のリーク電流は、NMOSトランジスタ23とPMOSトランジスタ12によって流れにくくなる。また、NMOSトランジスタ25のリーク電流は、NMOSトランジスタ25とPMOSトランジスタ16によって流れにくくなる。
従って、これらのリーク電流は、リーク電流対策回路により、式(5)の電圧V0にほとんど影響しないので、出力電圧VOUTにもほとんど影響しない。
次に、期間t2<t<t3において、信号S1がローレベルに制御され、信号S2がローレベルに制御され、信号S3がハイレベルに制御される。スイッチ43〜44がオンしているので、容量46と容量47とは並列接続し、各容量にそれぞれ充電された各電圧は平均化されて出力電圧VOUTになる。出力電圧VOUTは、次式(9)によって表される。
VOUT={V3(式(4))+V3(式(8))}/2
=G1・G2・Vh+G2・Voa2・・・(9)
もし、電流供給回路に対してリーク電流対策回路が存在しない場合において、PMOSトランジスタ14とPMOSトランジスタ11とが同一サイズで製造されても、半導体製造ばらつきにより、t0<t<t1の時のPMOSトランジスタ14のオフ時のリーク電流と、t1<t<t2の時のPMOSトランジスタ11のオフ時のリーク電流と、が異なってしまう。すると、t0<t<t1の時とt1<t<t2の時とで、オフ時のリーク電流から電圧V0への影響の度合いが異なってしまう。つまり、見た目上、t0<t<t1の時とt1<t<t2の時とで、磁気検出素子31のオフセット電圧Vohが異なってしまう。すると、式(9)において、磁気検出素子31のオフセット電圧Vohに基づいた電圧が、出力電圧VOUTに反映してしまう。NMOSトランジスタ22及びNMOSトランジスタ25も同様である。
しかし、本発明では、電流供給回路に対してリーク電流対策回路が存在し、t0<t<t1の時とt1<t<t2の時とで、磁気検出素子31のオフセット電圧Vohがほぼ同一になっている。
このようにすると、電流供給回路のオフ時のMOSトランジスタがリーク電流を流しても、電流供給回路に対してリーク電流対策回路が設けられるので、オフ時のリーク電流は磁気検出素子31に流れ込みにくくなる。すると、オフ時のリーク電流が、磁気検出素子31に対する磁気に基づいた電圧に影響しにくくなる。よって、磁気センサの磁気検出精度が高くなる。
ここで、温度が高くなると、その分、オフ時のリーク電流が多くなる。よって、特に温度が高い場合、本発明の磁気センサは顕著な効果を奏することになる。
なお、電流供給回路に対してリーク電流対策回路が存在しなくても、PMOSトランジスタ11及びPMOSトランジスタ14のオフ時のリーク電流が出力電圧VOUTにほとんど影響しない場合、図4に示すように、PMOSトランジスタ12とPMOSトランジスタ15とNMOSトランジスタ23とNMOSトランジスタ26とが削除されても良い。
また、電流供給回路に対してリーク電流対策回路が存在しなくても、NMOSトランジスタ22及びNMOSトランジスタ25のオフ時のリーク電流が出力電圧VOUTにほとんど影響しない場合、図5に示すように、NMOSトランジスタ21とNMOSトランジスタ24とPMOSトランジスタ13とPMOSトランジスタ16とが削除されても良い。
また、磁気センサの出力端子に第一入力端子が接続され、基準電圧生成回路(図示せず)の出力端子に第二入力端子が接続されるコンパレータ(図示せず)が設けられても良い。コンパレータは、磁気センサの出力電圧VOUTと基準電圧とを比較し、比較結果に基づき、出力電圧を反転させる。つまり、磁気検出素子31に対する磁気に基づいた電圧が所定電圧になると、コンパレータは出力電圧を反転させる。
また、オフ時のリーク電流を接地端子に流すMOSトランジスタとして、図1では、信号S2によって制御されるNMOSトランジスタ23が設けられているが、図示しないが、信号S2Xによって制御されるPMOSトランジスタが設けられても良い。また、信号S1によって制御されるNMOSトランジスタ26が設けられているが、信号S1Xによって制御されるPMOSトランジスタが設けられても良い。また、信号S1によって制御されるPMOSトランジスタ13が設けられているが、信号S1Xによって制御されるNMOSトランジスタが設けられても良い。また、信号S2によって制御されるPMOSトランジスタ16が設けられているが、信号S2Xによって制御されるNMOSトランジスタが設けられても良い。
また、物理量センサの例として磁気センサについて説明したが、磁気センサでなくても良く、4個の端子を有し、そのうちの2個の端子にバイアス電流を流され、バイアス電流及び物理量に基づいて他の2個の端子に電圧を発生する物理量センサであれば良い。例えば、加速度や圧力などに基づき、ブリッジ抵抗のピエゾ抵抗素子の抵抗値を変化させ、その抵抗値及びバイアス電流に基づき、電圧を発生する物理量センサでも良い。
11〜16 PMOSトランジスタ
21〜26 NMOSトランジスタ
31 磁気検出素子
32 アンプ
36〜39、41〜44 スイッチ
46〜47 容量

Claims (6)

  1. 物理量センサにおいて、
    第一〜第四スイッチを有し、物理量検出素子にバイアス電流を供給する電流供給回路と、
    ブリッジ抵抗型であり、第一〜第四端子を有し、前記バイアス電流及び物理量に基づき、電圧を発生する前記物理量検出素子と、
    前記電流供給回路におけるオフ時のスイッチが流すリーク電流を、電源端子または接地端子に流し込むリーク電流対策回路と、
    を備えることを特徴とする物理量センサ。
  2. 前記第一〜第四スイッチは、それぞれ第一〜第二PMOSトランジスタ及び第一〜第二NMOSトランジスタであり、
    前記リーク電流対策回路は、第三〜第四PMOSトランジスタ及び第五〜第六NMOSトランジスタを有し、
    前記第五NMOSトランジスタのドレインは、前記第一PMOSトランジスタのドレインと前記第三PMOSトランジスタのソースとの接続点に接続され、ソースは接地端子に接続され、
    前記第三PMOSトランジスタのドレインは、前記第三端子に接続され、
    前記第六NMOSトランジスタのドレインは、前記第二PMOSトランジスタのドレインと前記第四PMOSトランジスタのソースとの接続点に接続され、ソースは接地端子に接続され、
    前記第四PMOSトランジスタのドレインは、前記第四端子に接続される、
    ことを特徴とする請求項1記載の物理量センサ。
  3. 前記第一〜第四スイッチは、それぞれ第一〜第二PMOSトランジスタ及び第一〜第二NMOSトランジスタであり、
    前記リーク電流対策回路は、第三〜第四NMOSトランジスタ及び第五〜第六PMOSトランジスタを有し、
    前記第五PMOSトランジスタのドレインは、前記第一NMOSトランジスタのドレインと前記第三NMOSトランジスタのソースとの接続点に接続され、ソースは電源端子に接続され、
    前記第三NMOSトランジスタのドレインは、前記第一端子に接続され、
    前記第六PMOSトランジスタのドレインは、前記第二NMOSトランジスタのドレインと前記第四NMOSトランジスタのソースとの接続点に接続され、ソースは電源端子に接続され、
    前記第四NMOSトランジスタのドレインは、前記第二端子に接続される、
    ことを特徴とする請求項1または2記載の物理量センサ。
  4. 前記第一〜第四スイッチは、それぞれ第一〜第二PMOSトランジスタ及び第一〜第二NMOSトランジスタであり、
    前記リーク電流対策回路は、第三〜第六PMOSトランジスタを有し、
    前記第五PMOSトランジスタのソースは、前記第一PMOSトランジスタのドレインと前記第三PMOSトランジスタのソースとの接続点に接続され、ドレインは接地端子に接続され、
    前記第三PMOSトランジスタのドレインは、前記第三端子に接続され、
    前記第六PMOSトランジスタのソースは、前記第二PMOSトランジスタのドレインと前記第四PMOSトランジスタのソースとの接続点に接続され、ドレインは接地端子に接続され、
    前記第四PMOSトランジスタのドレインは、前記第四端子に接続される、
    ことを特徴とする請求項1記載の物理量センサ。
  5. 前記第一〜第四スイッチは、それぞれ第一〜第二PMOSトランジスタ及び第一〜第二NMOSトランジスタであり、
    前記リーク電流対策回路は、第三〜第六NMOSトランジスタを有し、
    前記第五NMOSトランジスタのソースは、前記第一NMOSトランジスタのドレインと前記第三NMOSトランジスタのソースとの接続点に接続され、ドレインは電源端子に接続され、
    前記第三NMOSトランジスタのドレインは、前記第一端子に接続され、
    前記第六NMOSトランジスタのソースは、前記第二NMOSトランジスタのドレインと前記第四NMOSトランジスタのソースとの接続点に接続され、ドレインは電源端子に接続され、
    前記第四NMOSトランジスタのドレインは、前記第二端子に接続される、
    ことを特徴とする請求項1または4記載の物理量センサ。
  6. 前記物理量は、磁気であることを特徴とする請求項1から5のいずれか記載の物理量センサ。
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