JP4037481B2 - モノリシック集積センサ回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、与えられた物理的入力量を、測定される物理量にできる限り緊密に関連した値および極性を有する電子センサ信号に変換する電子センサシステムを具備しているモノリシック集積センサ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧力、加速度、温度、電流、磁界等を測定するための上述のようなセンサシステムが知られている。モノリシック集積中に、製造誤差および温度効果によって生じるエラー源を補償することはしばしば可能である。モノリシック集積中の絶対公差は大きいが、相対公差は非常に小さいということが利用されている。回路を適切に整合するかあるいは対称的に設計することによって絶対公差が大きくなることを防ぐことができ、結果的に小さい相対的公差だけが影響を持つようになる。さらに、集積回路における個々の段は一般的に調整不可能である。これを改良するために、そのような調整の必要を排除する複雑でコストのかかる制御回路がチップ上で一体化されることができる。
【０００３】
個々のセンサシステムの非直線性に加えて、センサ回路のオフセットエラーが特に妨害となる。除去するのが困難であるこれらのエラーは一般的にＤＣ電圧オフセットエラーであり、それらの大きさがそれぞれのセンサからの電子信号に関してもはや無視できないものとなったときに歪みとなる。一般的に、センサは既にオフセットを含んだ信号を出力しており、付加的なオフセットエラーが連続した増幅器の個々の段において生成される。最悪の場合、全てのオフセットエラーが加算される。従って、センサ回路全体の有効な感度および正確度は、全てのオフセットエラーの可能な合計値、最悪の場合には最大のオフセットエラーによって制限される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
それ故、本発明の目的は、全オフセットエラーができる限り小さいモノリシック集積センサ回路を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、電子センサ信号を発生するためのセンサシステムと、センサシステムのための電源装置と、センサ信号を増幅するための増幅装置と、クロック信号源からのスイッチングクロックによって等しい時間間隔でセンサ信号の極性を反転させる増幅装置の信号通路に配置された反転装置と、増幅されたセンサ信号を受信する入力と、信号通路のスイッチング状態には関係なく常に同じになるような方法で反転装置によって制御される基準極性を有する出力とを有する平均化結合器段とを具備しているモノリシック集積センサ回路によって達成される。
【０００６】
本発明の利点は、周期的な信号反転によって個々の増幅器段のオフセットエラーが平均化されることである。本発明の方法は良く知られているチョッパ技術に類似しているが、結合器段の出力において中断なしに連続的な信号を供給する。これは、それぞれのセンサシステムが非常に低い周波数成分あるいはＤＣ成分を有する物理量を測定するためのものである場合に重要である。評価回路において電界効果トランジスタが使用された場合、これらの低い周波数範囲はしばしばフリッカ雑音と重畳される。このフリッカ雑音はオフセットエラーと同じ影響を及ぼすので、本発明によるセンサ回路によって抑制される。さらに、本発明によるセンサ回路は、例えばクロック信号源の周波数を変化させる等の可能な補助機能のためのほんのわずかの外部配線しか必要としない。
【０００７】
このセンサシステムは、差動センサシステムとして設計されるのが有効である。その場合、２つの別個のオン・チップセンサシステムの出力信号は、例えば逆並列構成等を使用して極性に従って加算的あるいは減算的に結合され、一緒に増幅装置に供給される。
【０００８】
本発明は、単一チップ上で関連した評価回路と共に集積されたホールセンサシステムに特に適している。集積されたホールプレートの感度の低さは、増加した利得によって補償され、ホールプレートは、任意の温度応答特性を達成するような方法でチップ上で熱結合することによって制御されることができる。従って、複雑な評価装置および補助回路を使用して任意に“インテリジェント”なセンサ回路がチップ上に形成されることができる。
【０００９】
別の改良は、ホールセンサシステムにおける電流方向を変えることができる場合に達成され、それは、これによって、一方では増幅装置に対して必要な信号の反転が可能となり、他方ではホールプレートの製造誤差および応力誘発オフセットエラーを抑制することが可能となるからである。電流方向の変化を通して、オフセットエラーは正および負の符号で生じ、その結果、それらは平均期間中に消去されるが、一方、ホール電圧は、信号通路における電流方向が適切な方法で変化した場合には加算される。ホールプレートのオフセットエラーが除去されるスイッチ可能なホールセンサは、例えばＥＰ 0 548 391 A1 （ＩＴＴにおける整理番号はC-DIT-1445）に記載されている。
【００１０】
信号通路および関連した回路素子の対称的な設計によって、例えば全差動信号処理によってモノリシック集積センサ回路は妨害放射に対して不感応になるが、その理由は、後者は基本的に共通モード信号として現れ、それらは回路の対称性のために補償されるかあるいは影響を受けないからである。スイッチング装置によって生じるダイナミックオフセットエラー、スイッチング装置およびフィードバック抵抗器の非直線性、および個々の増幅器段の共通モードエラー等の別の共通モードエラーの原因の影響もまた抑制される。調整回路を使用すると、対称的な信号通路の動作点は、ＣＭＯＳ回路中で５Ｖの電源の場合には例えば２．５Ｖ程度の予め定められた電圧レベルに維持されることができる。この中間動作点によって、正および負のセンサ信号を測定することが可能となり、それによってダイナミック・レンジが２倍になる。
【００１１】
増幅装置は、フィードバック演算増幅器として設計されると有利である。ホールセンサシステムにおいて、増幅装置に接続されたホールプレートの内部抵抗によって入力抵抗が形成される。フィードバック抵抗器は、製造誤差および温度に関して良好に整合させるようにホールプレートと同じ半導体材料で形成されている。増幅装置は入力増幅器と出力増幅器との２つの増幅器段によって構成され、個々の増幅器段には相互コンダクタンス増幅器が特に適している。それらは容易に安定化され、また、容易にＣＭＯＳ技術によって構成することができる。出力増幅器によって構成される平均化結合器段は、例えば容量性フィードバックを有する相互コンダクタンス増幅器によって構成されることができ、その場合には、結果的な時定数はスイッチングクロックの１以上の周期よりも大きくなければならないが、少なくともオーバーラップしない部分ｂ３と同じ程度の大きさである。相互コンダクタンス増幅器の入力は直流がなく、それは、それらが電界効果トランジスタのゲート端子によって形成されているからである。結果的に、集積されたキャパシタは容易に必要な信号の記憶を行い、平均化のために電圧を一定に維持することができる。
【００１２】
本発明は、図１においてブロック図で示された好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明からより明らかとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１において、スイッチ可能なホールセンサシステムの形態のセンサシステムを有するモノリシック集積センサ回路が示されている。このセンサシステムは、もちろん、圧力、温度、放射線等のセンサシステムによって置換されることもできる。これによって回路の基本的な動作が変更されることはない。センサシステム100 の出力は差動電圧ｕ１を生成し、それは増幅装置200 によって増幅され、差動出力信号ｕ５として出力される。増幅装置200 は、２つの別個の増幅器段を有する演算増幅器に対応する。入力信号の増幅は主として入力増幅器220 で行われ、一方、出力増幅器240 はわずかな利得しか有しておらず、低域通過特性を有している。それは出力増幅器240 は平均化結合器段としても機能するためであり、出力増幅器 240 に低域通過特性を与えるために容量性のフィードバックが図１に示されている２つのキャパシタｃ１、ｃ２を通して行われる。このような構成によってフィードバック増幅装置200 に対するてダイナミックな補償が行われ、不安定な動作あるいはハンティングが阻止される。なお、以下の実施形態の説明では出力増幅器 240 は平均化結合器段 240 と呼ぶ。
【００１４】
演算増幅装置200 の出力信号ｕ５は、電子スイッチング装置330,310 を介して入力増幅器220 の２つの入力に接続された第１のフィードバック抵抗器Ｒ１および第２のフィードバック抵抗器Ｒ２を通してフィードバックされる。演算増幅装置の入力抵抗は、センサ測定出力端子の間に接続された全てのホールプレートの抵抗に対応する等価抵抗ＲＨによって形成される。この等価抵抗ＲＨは、入力増幅器220 の反転入力と非反転入力との間に接続される。従って、演算増幅装置200 の全利得は２×Ｒ１／ＲＨであり、ここにおいて、Ｒ１＝Ｒ２である。
【００１５】
それぞれのセンサシステム100 および回路の残りは電源装置400 から供給され、それは、予め定められた温度依存性が回路全体に対して必要である場合には必要な電流および補助電圧を供給し、また、必要な場合には、与えられた電圧＋Ｕから調整された供給電圧を発生する。電源装置400 は、良好な熱整合を達成し、製造誤差を補償するために、ホールプレート110,130 と技術的に緊密に結合される。回路はさらにクロック信号源500 を含み、それは、同じ長さの間隔ｂ１、ｂ２をそれぞれ有する第１のスイッチングクロックｔ１およびオーバーラップしない第２のスイッチングクロックｔ２を発生する。クロック周波数は例えば１００ｋＨｚであり、したがって周期Ｔは１０マイクロ秒である。クロック信号源500 は、オーバーラップしない部分ｂ３に対応する第３のクロック信号ｔ３も発生し、その長さは２０ナノ秒である。
【００１６】
入力増幅器220 および出力段240 の動作点をそれぞれ予め定められた電圧値ｕｒ１およびｕｒ２に維持するために、第１の調整回路620 および第２の調整回路640 が増幅装置200 に結合される。
【００１７】
主要なインターフェイスにおいて、演算増幅装置200 の信号通路は、本発明に必要な反転装置310,320,330,340 を含んでいる。それらは、第１および第２のスイッチングクロックｔ１、ｔ２によって制御されている。信号通路の対称的な設計のために、スイッチングクロックｔ１、ｔ２のいずれか一方によって信号通路が直接スイッチされ、スイッチングクロックｔ２、ｔ１の他方によって信号通路の交差スイッチングが行われる。短いオーバーラップしない時間ｂ３の期間中、信号通路は開いており、それによって信号の相互作用は生じない。任意の外部からの擬似信号が間隔ｂ３の期間中に開いたインターフェイスによって“捕捉”されるのを防ぐために、この臨界的な間隔ｂ３の期間中に対称的な通路を短絡する短絡スイッチ600 が入力増幅器220 と平均化結合器段240 との間に挿入される。出力信号ｕ５に対する短いパルスの影響は小さく、その理由は、時間間隔ｂ３がクロック周期Ｔと比較して小さく、また、短絡によって２つの信号ラインが中性の中間レベルに結合されるからである。もちろん、間隔ｂ３の期間中の急激な電圧の変化を減少させる洗練されたバッファも実現可能である。
【００１８】
第１の反転装置310 は、センサシステム100 と入力増幅器220 との間に直接位置されている。センサ信号ｕ１はそれによって反転あるいは非反転され、差信号ｕ２を形成し、それは入力増幅器220 に供給される。後者の差出力信号ｕ３は、対称的な容量的にバイパスされたインピーダンス変成器段230 に供給され、そのインピーダンス変成器段230 の出力は電圧分割器に接続されており、そこにおいて、中間タップ電圧は第１の調整回路620 を介して入力増幅器220 の動作点を調整する。インピーダンス変成器段230 の出力信号ｕ３' は第２の反転装置320 に供給され、その出力信号ｕ４は差信号として平均化結合器段240 の入力に供給される。後者の出力は、所望された出力信号ｕ５を供給する。段240 の出力端子は電圧分割器に接続されており、その電圧分割器の中間タップ電圧は、出力信号ｕ５の動作点を電圧値ｕｒ２（ＣＭＯＳ技術における回路構成では２．５Ｖであるのが好ましい）に保持するために第２の調整回路640 に供給される。第２の調整回路640 はその入力において差動増幅器645 を含み、その出力によって２つの電流源650,655 を駆動し、それら２つの電流源650,655 の出力電流は結合段240 の出力端子に接続され、２つの調整電流が相互コンダクタンス増幅器240 の出力電流に重畳される。電流の重畳を通して、出力信号ｕ５の平均値は所望された動作点ｕｒ２にされる。
【００１９】
フィードバック抵抗器Ｒ１、Ｒ２の誤差を補償するために、第３の反転装置330 がこれら２つのフィードバック抵抗器の後で信号通路に挿入される。従って、フィードバック抵抗器の後にセンサ信号ｕ６がセンサ信号ｕ７に変換され、それは上述の演算増幅装置200 における入力信号ｕ１と同一のものである。
【００２０】
センサ回路全体の基本ブロックはセンサシステム100 であり、それはこの実施形態においてスイッチ可能なホールセンサシステムである。図１において、正方形のホールプレートは、単一のホールプレートあるいは並列に接続された複数のホールプレートを代表的に示している。その方位およびそれぞれの電流方向が異なる複数の並列接続されたホールプレートを使用すると、正確度を増加させ、結果的なオフセットエラーを減少させることができる。結晶格子もまた方向に依存した影響を減少する。ホールプレート110 の概略的形態は、ホール供給電流ｉｈのための入力端子と、第４の反転装置340 を通して接地された反対側の出力端子とを有している。ホールプレート110 の２つの測定端子は、２つの電流端子のように分配ネットワーク120 に接続されており、その分配ネットワーク120 は、第１および第３の反転装置310,330 を通って増幅装置200 に結合され、また、第４の反転装置340 を通って電源装置400 に結合されている。
【００２１】
図１に概略的に示されたホールセンサシステムにおいて、反転装置340 によってホールプレート110,130 における電流の方向が９０度変化される。さらに別のスイッチング手段によってホールプレート110 のフィード・イン点が任意の方法で交換されることができ、ホール電圧のためのタップも対応して交換されることができる。電流方向を９０度変化させることは特に有利であり、それは、ホールプレート110 の結果的なオフセットエラーが一方の電流方向におけるホール電圧に加えられ、また、９０°回転された電流方向におけるホール電圧から減算されるからである。ホール電圧の関連したタップが適切に選択された場合、所望された位相位置の所望されたセンサ信号が入力信号ｕ１に対して使用可能となる。これによって、例えばセンサにおける電流方向が１８０°変えられた場合等の所定の環境の下では、第１の反転装置310 の必要は除去される。３６０°にわたってステップにおいて周期的にホール電流ｉｈの方向を変化させると、回路の複雑さを著しく増加させずにホール電圧測定の対称性を増加させる。
【００２２】
出力信号ｕ５および先行の信号ｕ４は、もちろんセンサシステムの位相の反転を受けてはならない。出力信号ｕ５の極性は、各センサシステム100 および測定される物理量によって決定される基準極性によって決定される。例えば、ホールセンサの場合、ホールプレート110 に対する垂線が磁界の基準方向を決定し、従って、出力信号ｕ５の基準極性を決定する。外部の磁界の極性が変化した場合、固定された関係のために出力信号ｕ５の極性は変化する。
【００２３】
ホールセンサシステムが差動システムとして設計されている場合、設計においてできる限りホールプレートシステム110 と同じである別のホールプレートシステム130 が分配ネットワーク120 を介して接続されることができる。２つのホールプレートシステムは、出力電圧に関して逆並列に接続されるのが有効であるが、それはただ２つのホール電圧の差の値が測定電圧ｕ１として増幅される必要があるからである。
【００２４】
従って、図１に関して説明されたセンサ回路において、基本的なオフセットエラーは信号の反転および平均化によって取除かれることができる。結合器段240 のオフセットエラーは例外であり、その理由は、その入力信号ｕ４は常に同じ極性を有しているからである。しかしながら、オフセットエラーに対するこの段の影響は小さく、入力増幅器220 の利得に反比例する。入力利得が５０ｄＢである場合、結合器段240 のオフセットエラーは−５０ｄＢだけ出力信号ｕ５に入る。図１の回路の場合、出力信号ｕ５に関して４０ｍＶ／ｍＴのホール感度を達成することができる。
【００２５】
相互コンダクタンス増幅器を使用することによって回路の直線性が増強されるが、それは、全ての相互コンダクタンス増幅器が入力端部において実質的にゼロで動作されるため、電圧差による非直線性が生じ得ないからである。フィードバック抵抗器Ｒ１、Ｒ２を通って流れるフィードバック電流は、ホールプレートシステム110,130 内の各ホール電圧ｕｈを補償するので、この電圧は、測定される磁界の大きさに関わらず、出力端子においてゼロの値を有するだけである。この方法において、オフセット補償の任意の残りのエラーは、電流の方向が９０°変化し、電圧がホールプレートに供給された状態ではホールプレート内で既にほとんど除去されている。
【００２６】
平均化結合器段は、増幅装置200 の外部に位置され、等しい時間間隔の極性で反転されたセンサ信号を供給されることもできる。その後、反転はこの結合器段と関連付けられなければならない。これは、例えば増幅されたセンサ信号が先にデジタル化され、その後、加算器／減算器によって記憶されたセンサ値へ加算され、あるいはセンサ値から減算される場合に容易に可能となる。その場合、平均化はデジタルフィルタにより良好に行われ、それは、そのようなフィルタが幾つかの記憶された値を平均化し、それによって信号波形が改良されるからである。外部で平均化を行うための簡単なアナログ構成は、最も簡単な場合において外部のＲＣセクションによって形成された外部低域通過フィルタ、すなわち一次低域通過フィルタを使用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】スイッチ可能なホールセンサシステムの形態のセンサシステムを有するモノリシック集積センサ回路の概略的回路図。

Claims (10)

1. 電子センサ信号を発生するためのセンサシステムと、
   センサシステムのための電源装置と、
   センサシステムによって発生されたセンサ信号を増幅して出力信号として出力する増幅装置と、
   前記増幅装置の信号通路に配置され、等しい時間間隔で前記センサ信号の極性を周期的に反転させる複数の反転装置とを具備し、
   前記出力信号の極性は各センサシステムによって決定される基準極性および測定される物理量により規定され、
   前記増幅装置は前記センサ信号を受信する入力増幅器と、反転装置で周期的に反転される前記入力増幅器の出力信号を平均化して前記増幅装置の出力信号を生成する出力増幅器とを具備し、前記増幅装置の出力信号を入力増幅器の２つの入力にそれぞれ結合している２個のフィードバック抵抗を有するフィードバック演算増幅装置として構成され、
   前記増幅装置の１入力抵抗はそれに接続されたホールプレートの内部抵抗によって形成されているモノリシック集積センサ回路。
2. 前記複数の反転装置はクロック信号源からのスイッチングクロックによりセンサ信号の極性を反転させるように構成されている請求項１記載のセンサ回路。
3. センサシステムは差動センサシステムを含んでいることを特徴とする請求項１あるいは２記載のモノリシック集積センサ回路。
4. センサシステムはホールセンサシステムを含んでおり、そのホールセンサシステムは前記増幅装置の入力増幅器に結合されているホールプレートを備えている請求項１乃至３のいずれか１項記載のモノリシック集積センサ回路。
5. さらに、並列に接続された複数のホールプレートを備えている請求項４記載のモノリシック集積センサ回路。
6. ホールセンサシステムにおける電流の方向および電圧測定方向は、前記ホールセンサシステムによって予め定められた方向に関して９０度の整数倍だけ変化されることができるように構成されている請求項５記載のモノリシック集積センサ回路。
7. 増幅装置はさらに、調整回路を備え、その調整回路は予め定められた電圧レベルにおいて増幅装置の動作点を安定にしている請求項１乃至６のいずれか１項記載のモノリシック集積センサ回路。
8. 前記フィードバック抵抗はホールプレートと同じ半導体材料から形成されている請求項１乃至７のいずれか１項記載のモノリシック集積センサ回路。
9. 前記増幅器装置の出力段増幅器を構成している平均化出力増幅器は相互コンダクタンス増幅器を具備している請求項１乃至８のいずれか１項記載のモノリシック集積センサ回路。
10. センサ信号を発生するためのセンサシステムと、
    センサシステムのための電流を供給し、モノリシック集積センサ回路の残りの部品に結合され、センサシステムをバイアスする極性の基準を供給する電源装置と、
    センサシステムによって発生されたセンサ信号を増幅する増幅装置と、
    前記増幅装置の信号通路に配置され、等しい時間間隔で前記センサ信号の極性を周期的に反転させる３個以上の反転装置と、
    前記３個以上の反転装置に結合され、第１のスイッチングクロックと第２のスイッチングクロックとを発生するクロック信号源とを具備し、
    前記増幅装置は、入力増幅器と出力増幅器とを具備し、
    入力増幅器はセンサ信号を受信するためにセンサシステムに結合され、
    出力増幅器は入力増幅器から増幅されたセンサ信号を受信して、反転装置で周期的に反転される入力増幅器の出力信号を平均化するように機能し、
    さらに、前記出力増幅器から出力された出力信号をセンサシステムにフィードバックするように前記出力増幅器の２つの出力端子と前記入力増幅器の２つの入力端子との間にそれぞれ結合されている２個のフィードバック抵抗とを具備し、
    前記３個以上の反転装置の１つの反転装置は前記入力増幅器と前記出力増幅器との間に結合され、
    前記第１のスイッチングクロックと第２のスイッチングクロックは等しい時間間隔を有し、前記３個以上の反転装置を通過する信号を制御し、
    前記第１のスイッチングクロックは前記３個以上の反転装置を通過する信号を直接切替えさせ、第２のスイッチングクロックは信号路の交差切替えを行わせて、それにより増幅装置のオフセットエラーが平均化されているモノリシック集積センサ回路。

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