JP2014158095A

JP2014158095A - センサ回路

Info

Publication number: JP2014158095A
Application number: JP2013026905A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yoshikawa; 清至吉川
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2033-02-14
Also published as: KR102158666B1; US8901966B2; CN103997307A; JP6049488B2; US20140225649A1; CN103997307B; KR20140102603A; TWI591958B; TW201444276A

Abstract

【課題】消費電流を増大することなく、センサ信号を高速かつ高い増幅率で増幅できるセンサ回路を提供する。
【解決手段】センサ素子の電流信号である差動出力信号を予め増幅する一次アンプＣ１と、増幅された差動出力信号を増幅する二次アンプと、センサ素子駆動電流を一定に保つための定電圧発生回路と、フィードバック信号を帰還して増幅率を調整するフィードバック回路と、で構成し、一次アンプを流れる電流の大部分をセンサ素子のバイアス電流とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ回路に関し、より詳しくは、ブリッジ型センサ素子を有するセンサ回路に関する。

センサ素子の出力信号（センサ信号）は、一般に微小であるため、センサ素子を使った電子回路に適用されるには、センサ回路で増幅される必要がある。
近年、電子機器は小型化が進み、内蔵されるセンサ回路も小型化しており、センサ回路の小型化はセンサ信号の微小信号化を招く。微小信号であるセンサ信号が一般的な電子機器で使用されるために、センサ回路のアンプにおいて、さらに高い増幅率が必要になる。一方、センサ回路は高速動作化を要求されつつある。高い増幅率と高速動作とは一般に相反し、これらの要求が満足されるために、従来では、アンプの消費電流が多くなっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１８１２１１号公報

しかし、電子機器において、特に電池駆動のモバイル機器において、消費電流の増大は市場から受け入れられ難いという問題がある。
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされ、消費電流を増大することなく、センサ信号を高速かつ高い増幅率で増幅できるセンサ回路を提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、センサ素子の電流信号である差動出力信号を予め増幅する一次アンプＣ１と、増幅された差動出力信号を増幅する二次アンプと、センサ素子駆動電流を一定に保つための定電圧発生回路と、フィードバック信号を帰還して増幅率を調整するフィードバック回路と、で構成し、一次アンプを流れる電流の大部分をセンサ素子のバイアス電流とするセンサ回路とする。

本発明のセンサ回路によれば、一次アンプによって増幅されたセンサ信号が二次アンプに入力するため、センサ回路はセンサ信号を高速かつ高い増幅率で増幅できる。
また、センサ回路に一次アンプが付加されても、一次アンプの消費電流の大部分はセンサ素子駆動電流として利用されるので、センサ回路の消費電流はほとんど増加しない。

第１実施形態のセンサ回路を示す回路図である。第２実施形態のセンサ回路を示す回路図である。第３実施形態のセンサ回路を示す回路図である。第４実施形態のセンサ回路を示す回路図である。第５実施形態のセンサ回路を示す回路図である。

＜第１実施形態＞図１は、第１実施形態のセンサ回路を示す回路図である。
第１実施形態のセンサ回路は、センサ素子Ｓ１、センサ素子Ｓ１の電流信号である差動出力信号（センサ信号）を予め増幅する一次アンプＣ１、増幅されたセンサ信号を増幅する二次アンプＡ１、センサ素子駆動電流を一定に保つための定電圧発生回路Ｃ２、フィードバック信号を帰還して増幅率を調整するフィードバック回路Ｃ３、で構成される。ここで、一次アンプＣ１を流れる電流の大部分は、センサ素子Ｓ１のバイアス電流として、センサ素子Ｓ１に流れている。

センサ素子Ｓ１は、抵抗値が同じ４個の抵抗Ｒ３３〜Ｒ３６でブリッジ型に構成される。または、センサ素子Ｓ１は、４個のブリッジ型の等価抵抗として表現される素子である。

一次アンプＣ１において、ＮＭＯＳトランジスタＭ１１のゲート及びドレインは、ノードＮ１３に接続され、ソースは、直列接続される抵抗Ｒ１１〜Ｒ１２を介して接地端子に接続される。定電流源Ｉ１は、電源端子とノードＮ１３との間に設けられる。ＮＭＯＳトランジスタＭ２１のゲート及びドレインは、ノードＮ２３に接続され、ソースは、直列接続される抵抗Ｒ２１〜Ｒ２２を介して接地端子に接続される。定電流源Ｉ２は、電源端子とノードＮ２３との間に設けられる。ＮＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートは、ノードＮ１３に接続され、ソースは、ノードＮ３１に接続され、ドレインは、抵抗Ｒ３１を介して電源端子に接続される。ＮＭＯＳトランジスタＭ２２のゲートは、ノードＮ２３に接続され、ソースは、ノードＮ３１に接続され、ドレインは、抵抗Ｒ３２を介して電源端子に接続される。ノードＮ３３１は、ＮＭＯＳトランジスタ１２のドレインとの接続点である。ノードＮ３３２は、ＮＭＯＳトランジスタ２２のドレインとの接続点である。ノードＮ１１は、ＮＭＯＳトランジスタＭ１１のソースである。ノードＮ２１は、ＮＭＯＳトランジスタＭ２１のソースである。

二次アンプＡ１の非反転入力端子は、ノードＮ３３２に接続され、反転入力端子は、ノードＮ３３１に接続され、非反転出力端子は、センサ回路の非反転出力端子Ｎ０２に接続され、反転出力端子は、センサ回路の反転出力端子Ｎ０１に接続される。また、二次アンプＡ１の出力コモン電圧帰還端子は、センサ素子駆動電流の供給ノードであるノードＮ３１に接続される。二次アンプＡ１の出力コモン電圧入力端子は、二次アンプＡ１の出力コモン電圧の供給ノードであるノードＮ４１に接続される。

定電圧発生回路Ｃ２において、ＮＭＯＳトランジスタＭ４１のゲート及びドレインは、ノードＮ４３に接続され、ソースは、直列接続される抵抗Ｒ４１〜Ｒ４２を介して接地端子に接続される。定電流源Ｉ４は、電源端子とノードＮ４３との間に設けられる。ノードＮ４１は、ＮＭＯＳトランジスタＭ４１のソースである。

フィードバック回路Ｃ３において、抵抗１３は、センサ回路の反転出力端子Ｎ０１とノードＮ１２との間に設けられる。抵抗２３は、センサ回路の非反転出力端子Ｎ０２とノードＮ２２との間に設けられる。

ここで、定電流源Ｉ１〜Ｉ２は、同じ定電流を流す。ＮＭＯＳトランジスタＭ１１とＮＭＯＳトランジスタＭ２１とは、同じサイズである。ＮＭＯＳトランジスタＭ１２とＮＭＯＳトランジスタＭ２２とは、同じサイズである。抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３と抵抗Ｒ２１〜２３と抵抗Ｒ４１〜Ｒ４２とは、センサ素子Ｓ１と同じ材質である。抵抗Ｒ１１〜Ｒ１２及び抵抗Ｒ２１〜Ｒ２２の抵抗値は、同じである。抵抗Ｒ４１〜Ｒ４２の抵抗値は、同じである。

また、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３の抵抗値をそれぞれＲ１１〜Ｒ１３とし、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３の抵抗値をそれぞれＲ２１〜Ｒ２３とし、抵抗Ｒ３１〜Ｒ３６の抵抗値をそれぞれＲ３１〜Ｒ３６とし、抵抗Ｒ４１〜Ｒ４２の抵抗値をそれぞれＲ４１〜Ｒ４２とする。定電流源Ｉ１〜Ｉ２の電流値をそれぞれＩ１〜Ｉ２とし、定電流源Ｉ４の電流値をＩ４とする。すると、
ＮＭＯＳトランジスタＭ１１とＮＭＯＳトランジスタＭ１２とのサイズ比は、
１／（Ｒ１１＋Ｒ１２）：１／（Ｒ３３＋Ｒ３４）
で表され、
ＮＭＯＳトランジスタＭ２１とＮＭＯＳトランジスタＭ２２とのサイズ比は、
１／（Ｒ２１＋Ｒ２２）：１／（Ｒ３５＋Ｒ３６）
で表され、
ＮＭＯＳトランジスタＭ１１とＮＭＯＳトランジスタＭ４１とのサイズ比は、
１／（Ｒ１１＋Ｒ１２）：１／（Ｒ４１＋Ｒ４２）
で表され、また、
Ｉ１：Ｉ４
で表される。

次に、第１実施形態のセンサ回路の動作について説明する。
ここで、センサ素子Ｓ１は、ノード３１と接地端子との間に流れるバイアス電流、及び、印加される磁気などの物理量に基づき、ノードＮ１２及びノードＮ２２に、センサ素子Ｓ１の電流信号である差動出力信号（センサ信号）を出力する。また、定電圧発生回路Ｃ２は、定電流源Ｉ４の定電流及び抵抗Ｒ４１〜Ｒ４２の抵抗値に基づき、ノードＮ４１に、定電圧を発生する。この定電圧は、二次アンプＡ１の出力コモン電圧入力端子に入力され、二次アンプＡ１の出力コモン電圧となる。二次アンプＡ１は、出力コモン電圧入力端子と出力コモン電圧帰還端子の電圧が等しくなるように、非反転出力端子と反転出力端子の電圧を制御する。二次アンプＡ１の出力コモン電圧帰還端子にはノードＮ３１が接続されているので、ノードＮ３１とノードＮ４１の電圧が等しくなる。

センサ素子Ｓ１に印加される磁気などの物理量が存在しない場合、温度により、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１２の抵抗値が変動するため、ノードＮ１１の電圧も変動する。同様に、抵抗Ｒ３３〜Ｒ３６の抵抗値が変動するため、ノードＮ３１の電圧も変動する。しかし、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１２は、センサ素子Ｓ１の抵抗Ｒ３３〜Ｒ３６と、同じ材質であるため、同じ抵抗値の温度特性を有する。よって、温度による抵抗Ｒ１１〜Ｒ１２及び抵抗Ｒ３３〜Ｒ３６の抵抗値の変動量は、等しい。すると、ノードＮ１１とノードＮ３１との電圧も、等しくなり、Ｉ１×（Ｒ１１＋Ｒ１２）になる。同様に、ノードＮ１１とノードＮ２１とノードＮ３１とノードＮ４１との電圧も、全て等しい。ここで、抵抗Ｒ３３と抵抗Ｒ３４との接続点と、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２との接続点と、は、同電圧であるため、電流は、これらの接続点の間に流れない。同様に、抵抗Ｒ３５と抵抗Ｒ３６との接続点と、抵抗Ｒ２１と抵抗Ｒ２２との接続点と、は、同電圧であるため、電流は、これらの接続点の間に流れない。
なお、温度により、抵抗Ｒ１２及び抵抗Ｒ２２の抵抗値がそれぞれ変動すると、その抵抗変動の分、ノードＮＯ１〜ＮＯ２の二次アンプＡ１の出力コモン電圧も変動する。

センサ素子Ｓ１に印加される磁気などの物理量が存在する場合、センサ信号は、ノードＮ１２に出力され、抵抗Ｒ１２に流れる。また、センサ信号は、ノードＮ２２に出力され、抵抗Ｒ２２に流れる。よって、ノードＮ１２とノードＮ２２との間に電圧差ΔＶ１２が発生する。この電圧差ΔＶ１２は、ノードＮ１３及びノードＮ２３にそれぞれレベルシフトして伝播し、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２及びＮＭＯＳトランジスタＭ２２のゲートにそれぞれ入力する。

この差電圧ΔＶ１２により、抵抗Ｒ３１及び抵抗Ｒ３２に流れる電流が、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２及びＮＭＯＳトランジスタＭ２２の相互コンダクタンスｇｍ３に基づき、それぞれ変化する。よって、ノードＮ３３１とノードＮ３３２との間に電圧差ΔＶ３３１が発生する。この電圧差ΔＶ３３１は、電圧差ΔＶ１２の（ｇｍ３×Ｒ３１）倍になっている。一般に（ｇｍ３×Ｒ３１）≒１０は容易に確保され、二次アンプＡ１への入力信号振幅は一次アンプＣ１の存在によって約１０×（Ｒ１２）／（Ｒ１２＋Ｒ３４）倍に大きくなる。

電圧差ΔＶ３３１は、二次アンプＡ１によって増幅され、抵抗Ｒ１３及び抵抗Ｒ２３によってノードＮ１２及びノードＮ２２にそれぞれフィードバックする。この時、抵抗Ｒ１３及び抵抗Ｒ２３は、フィードバック信号を帰還して増幅率を調整し、一次アンプＣ１及び二次アンプＡＳ１は、センサ信号の変動を打ち消すよう動作している。フィードバック後、センサ信号が静止すると、一次アンプＣ１の動作状態はセンサ信号が無い場合と同じになる。

なお、センサ素子Ｓ１の電流信号である差動出力信号（センサ信号）は抵抗Ｒ３３〜Ｒ３６の抵抗値に依存するため、温度により、これらの抵抗値が変動すると、センサ信号も変動する。しかし、抵抗Ｒ１３と抵抗Ｒ２３と抵抗Ｒ３３〜Ｒ３６とは、同じ材質であるため、同じ抵抗値の温度特性を有する。よって、温度による抵抗Ｒ１３と抵抗Ｒ２３と抵抗Ｒ３３〜Ｒ３６との抵抗値の変動量は、等しい。つまり、これらの抵抗の抵抗値の比は変動しない。また、これらの抵抗の温度依存性により、センサ素子Ｓ１の電流信号が変動する。よって、ノードＮＯ１〜ＮＯ２の電圧は、変動せず、温度依存性を持たない。すると、温度依存性を補正する温度補償回路が不必要になる。センサ回路において、回路規模が小さくなり、消費電流が少なくなる。

＜第２実施形態＞図２は、第２実施形態のセンサ回路を示す回路図である。
第２実施形態のセンサ回路は、第１実施形態のセンサ回路に出力コモン電圧調整回路Ｃ４が追加される。所望の基準電圧を発生する基準電圧発生回路Ｖ４１が、ノードＮ４２に抵抗Ｒ４３を介して接続される。この抵抗Ｒ４３の抵抗値は、例えば、Ｒ１３×（１＋Ｒ１２／Ｒ３４）とする。第１実施形態のセンサ回路では、ノードＮＯ１〜ＮＯ２の二次アンプＡ１の出力コモン電圧が（Ｉ１×Ｒ１２）になっている。しかし、第２実施形態のセンサ回路は、出力コモン電圧が所望の電圧になっても良い。

＜第３実施形態＞図３は、第３実施形態のセンサ回路を示す回路図である。
第３実施形態のセンサ回路は、フィードバック回路Ｃ３の抵抗Ｒ１３及び抵抗Ｒ２３の接続先が変更される。第１実施形態のセンサ回路では、抵抗Ｒ１３及び抵抗Ｒ２３はノードＮ１２及びノードＮ２２にそれぞれ接続される。しかし、第３実施形態のセンサ回路は、抵抗Ｒ１３及び抵抗Ｒ２３は抵抗Ｎ１１及び抵抗Ｎ２１にそれぞれ接続されても良い。センサ素子Ｓ１に印加される磁気などの物理量が存在しない場合、第１実施形態のセンサ回路では、ノードＮＯ１〜ＮＯ２の二次アンプＡ１の出力コモン電圧は、ノードＮ１２及びノードＮ２２の電圧であり、電源電圧から低い電圧である。しかし、第３実施形態のセンサ回路では、出力コモン電圧は、ノードＮ１１及びノードＮ２１の電圧になり、図１の場合よりも高くなる。すると、ノードＮＯ１〜ＮＯ２のセンス信号の振幅が広くなることができ、その分、センサ信号の増幅率が高くなることができる。

＜第４実施形態＞図４は、第４実施形態のセンサ回路を示す回路図である。
第４実施形態のセンサ回路は、一次アンプＣ１の抵抗Ｒ３１〜Ｒ３２が、ダイオード接続されるＰＭＯＳトランジスタＭ３１〜Ｍ３２にそれぞれ置き換えられる。

第１実施形態のセンサ回路では、温度により、センサ素子Ｓ１の抵抗値が高くなると、ノードＮ３１の電圧も高くなり、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２及びＮＭＯＳトランジスタＭ２２のドレイン・ソース間電圧がそれぞれ低くなる。この時、センサ素子Ｓ１に印加される磁気などの物理量により、ノードＮ１２またはノードＮ２２の電圧が低下し、ノードＮ３３１またはノードＮ３３２の電圧が低下すると、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２またはＮＭＯＳトランジスタＭ２２のドレイン・ソース間電圧がさらに低くなる。すると、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２またはＮＭＯＳトランジスタＭ２２が、正常に動作できなくなる。

第４実施形態のセンサ回路では、センサ素子Ｓ１に印加される磁気などの物理量により、ノードＮ３３１〜Ｎ３３２の電圧は変動しにくくなる。よって、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２及びＮＭＯＳトランジスタＭ２２のドレイン・ソース間電圧が低くなりにくくなる。

＜第５実施形態＞図５は、第５実施形態のセンサ回路を示す回路図である。
第５実施形態のセンサ回路のように、各構成要素を電源端子及び接地端子に対して反転接続して、ＮＭＯＳトランジスタをＰＭＯＳトランジスタに変更して構成しても、他の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。第５実施形態のセンサ回路は、第１実施形態のセンサ回路の各構成要素を電源端子及び接地端子に対して反転接続して構成したが、他の実施形態についても同様である。

Ｓ１センサ素子
Ｃ１一次アンプ
Ｃ２定電圧発生回路
Ｃ３フィードバック回路
Ａ１二次アンプ
Ｉ１〜Ｉ２、Ｉ４定電流源

Claims

第一入力端子、第二入力端子、第一出力端子、第二出力端子を備え、４個のブリッジ型等価抵抗で構成されるセンサ素子の発生する電圧を増幅して出力するセンサ回路であって、
電源端子と接地端子との間に直列接続された第一定電流源と第一のＭＯＳトランジスタと第一及び第二抵抗と、前記電源端子と前記接地端子との間に直列接続された第二定電流源と第二のＭＯＳトランジスタと第三及び第四抵抗と、前記電源端子と前記センサ素子の第一入力端子との間に直列接続された第一抵抗成分と前記第一のＭＯＳトランジスタにカレントミラー接続される第三のＭＯＳトランジスタと、前記電源端子と前記センサ素子の第一入力端子との間に直列接続された第二抵抗成分と前記第二のＭＯＳトランジスタにカレントミラー接続される第四のＭＯＳトランジスタと、を備え、前記第一及び第二抵抗の接続点は前記センサ素子の第一出力端子と接続され、前記第三及び第四抵抗の接続点は前記センサ素子の第二出力端子と接続された、一次アンプと、
電源端子と接地端子との間に直列接続された第三定電流源と第五のＭＯＳトランジスタと第五及び第六抵抗と、を備え、定電圧を発生する定電圧発生回路と、
反転入力端子は前記第三のＭＯＳトランジスタのドレインに接続され、非反転入力端子は前記第四のＭＯＳトランジスタのドレインに接続され、反転出力端子は前記センサ回路の反転出力端子に接続され、非反転出力端子は前記センサ回路の非反転出力端子に接続され、出力コモン電圧入力端子は前記定電圧が入力され、出力コモン電圧帰還端子は前記センサ素子の第一入力端子の電圧が入力される、二次アンプと、
前記二次アンプの反転出力端子と前記センサ素子の第一出力端子の間に設けられた第七抵抗と、前記二次アンプの非反転出力端子と前記センサ素子の第二出力端子の間に設けられた第八抵抗と、を有するフィードバック回路と、
を備えたことを特徴とするセンサ回路。
前記第七抵抗は、一端を前記二次アンプの反転出力端子に接続され、他端を前記センサ素子の第一出力端子に接続され、
前記第八抵抗は、一端を前記二次アンプの非反転出力端子に接続され、他端を前記センサ素子の第二出力端子に接続される、
ことを特徴とする請求項１記載のセンサ回路。
前記第七抵抗は、一端を前記二次アンプの反転出力端子に接続され、他端を前記センサ素子の第一出力端子に前記第一抵抗を介して接続され、
前記第八抵抗は、一端を前記二次アンプの非反転出力端子に接続され、他端を前記センサ素子の第二出力端子に前記第三抵抗を介して接続される、
ことを特徴とする請求項１記載のセンサ回路。
前記第五及び第六抵抗の接続点と接地端子との間に、直列接続される第九抵抗と基準電圧発生回路と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のセンサ回路。