JP4242800B2

JP4242800B2 - センサ回路

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Publication number: JP4242800B2
Application number: JP2004091108A
Authority: JP
Inventors: 弘一酒井
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005274491A

Description

本発明は、ホール素子を用いたセンサ回路に関し、その回路内部で生じるノイズの影響を排除するための技術に関するものである。

ホール素子やその周辺回路に生じるオフセットを、ホール素子に供給するバイアス電流の流通方向とホール電圧の検出方向を切り換えてキャンセルする技術は、例えば特許文献１に紹介されている。この特許文献１にはオフセットをキャンセルするための技術と合わせてノイズの影響を排除するための技術も開示されている。
すなわち、特許文献１に開示された回路はバイアス電流の流通方向とホール電圧の検出方向を切り換えるためのスイッチを有しているが、このスイッチの切り換え時に望ましくないサージ状のノイズが発生する。このスイッチングノイズの影響を排除するために、第１に、サンプルアンドホールド回路のサンプリング動作を時間的にスイッチの切り換え動作から外れた所（具体的には切り換え周期のほぼ真ん中）で行っている。

しかし場合によっては、スイッチングノイズによって比較的長期間に渡ってホール電圧検出用の誤差増幅器の出力信号に過渡的な変動が誘発されることがある。そしてその過渡的な変動がスイッチが切り換えられてからサンプリング動作が開始するまでの時間間隔以上に持続してしまい、サンプルアンドホールド回路のサンプリング動作時にスイッチングノイズの影響が残ってしまうことがある。そこで特許文献１は、スイッチの切り換え動作時に誤差増幅器の信号増幅率を低下させておく、といった第２の対策を提案している。
特開平０９−１９６６９９号

特許文献１の開示回路は、上記した第１の対策と第２の対策を併用して実施することによりノイズの影響の少ない磁気測定を実現している。しかし第２の対策を実施するに当たっては、スイッチ切り換えのための信号がハイからロー、ローからハイに変化する時、その状態変化の少なくとも直前から直後にかけてハイレベルとなるパルスを生成するパルス発生器が必要になる。また、そのパルスに応じて増幅率を変化させることが可能な誤差増幅器も必要になる。つまり、特殊な構成の回路が必要となるといった問題があった。
そこで本発明は、一般的なパルス発生器や誤差増幅器で構成することが可能な、スイッチングノイズの影響を受け難いセンサ回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、ホール素子の第１の端子対および第２の端子対の間に生じる第１の検出信号および第２の検出信号を順次検出し、第１の検出信号と第２の検出信号とを信号処理して実質的にホール電圧成分のみの出力信号を得るセンサ回路において、第１の期間にはホール素子の第２の端子対にバイアス電流を供給し、第２の期間には第１の端子対にバイアス電流を供給する第１のスイッチ回路網と、実質的に特性の等しい第１および第２の誤差増幅器と、固定された電圧信号を発生させる基準電圧源と、第１の期間内の第３の期間の間にはホール素子の第１の端子対の間に生じた第１の検出信号を第１の誤差増幅器に入力し、第３の期間以外の時には基準電圧源の固定された電圧信号を第１の誤差増幅器に入力する第２のスイッチ回路網と、第３の期間内の所定の時点における第１の誤差増幅器の出力信号を参照してその出力信号に応じた第１のホールド信号を出力する第１のサンプルアンドホールド回路と、第２の期間内の第４の期間の間には第２の端子対の間に生じた第２の検出信号を第２の誤差増幅器に入力し、第４の期間以外の時には基準電圧源の固定された電圧信号を第２の誤差増幅器に入力する第３のスイッチ回路網と、第４の期間内の所定の時点における第２の誤差増幅器の出力信号を参照してその出力信号に応じた第２のホールド信号を出力する第２のサンプルアンドホールド回路と、第１および第２のサンプルアンドホールド回路から第１および第２のホールド信号を受け取り、実質的にホール電圧成分のみの出力信号を生成する信号合成処理回路と、を具備することを特徴とする。

第１のスイッチ回路網が切り換え動作する時、各誤差増幅器のそれぞれの入力端子には基準電圧源の固定された電圧信号が供給される。両方の入力端子に同じ固定された電圧信号が供給されることと、仮に第１のスイッチ回路網で生じたノイズが侵入しても大半が電圧信号の中に埋没することから、各誤差増幅器に長期に渡る過渡現象が現れなくなる。
各スイッチ回路網を駆動する信号は第１のスイッチ回路網を駆動する信号を基礎として容易に生成でき、特殊な構成のパルス発生器を必要としない。また、増幅率の変更を行わないので、増幅率可変型の誤差増幅器も必要としない。

ホール素子と、第１の期間にはホール素子の第２の端子対に選択的にバイアス電流を供給し、第２の期間には第１の端子対に選択的にバイアス電流を供給する第１のスイッチ回路網とを設ける。
更に基準電圧源と第１および第２の誤差増幅器を設け、ホール素子と第１の誤差増幅器と基準電圧源の間には第２のスイッチ回路網を、ホール素子と第２の誤差増幅器と基準電圧源の間には第３のスイッチ回路網をそれぞれ設ける。ここで第２および第３のスイッチ回路網は以下のような動作をするものとする。

第２のスイッチ回路網は、第１の期間内に発生する第３の期間の間、ホール素子の第１の端子対の間に発生した検出信号を第１の誤差増幅器の入力端子に供給し、それ以外の時には基準電圧源が発する固定された電圧信号を第１の誤差増幅器の入力端子に供給する。
同様に、第３のスイッチ回路網は、第２の期間内に発生する第４の期間の間、ホール素子の第２の端子対の間に発生した検出信号を第２の誤差増幅器の入力端子に供給し、それ以外の時には基準電圧源が発する固定された電圧信号を第２の誤差増幅器の入力端子に供給する。

第１の誤差増幅器の出力側には、第３の期間内の所定の時点で発生していた第１の誤差増幅器の出力信号に応じたホールド信号を出力する第１のサンプルアンドホールド回路を設け、第２の誤差増幅器の出力側には、第４の期間内の所定の時点で発生していた第４の誤差増幅器の出力信号に応じたホールド信号を出力する第２のサンプルアンドホールド回路を設ける。
そして、第１と第２のサンプルアンドホールド回路の出力側に信号処理を行うための信号合成処理回路を設け、この信号合成処理回路において２つのサンプルアンドホールド回路が出力するホールド信号から実質的にホール電圧成分のみの出力信号を得る。

本発明によるセンサ回路の構成を図１に示した。
図１において、ホール素子ＨＡＬには端子Ｘ１とＸ２からなる第１の端子対と、端子Ｙ１とＹ２からなる第２の端子対が設けられている。このうち、端子Ｘ１はスイッチ１１のｂ接点に接続し、端子Ｘ２はスイッチ１２のｂ接点に接続し、端子Ｙ１はスイッチ１１のａ接点に接続し、端子Ｙ２はスイッチ１２のａ接点に接続する。なお、スイッチ１１の稼動接点は外部電源Ｖccに接続し、スイッチ１２の可動接点はグランドに接続する。このスイッチ１１と１２により第１のスイッチ回路網１０が構成されている。

ホール素子ＨＡＬの端子Ｘ１は更にスイッチ２１のａ接点に接続し、端子Ｘ２はスイッチ２２のａ接点に接続する。スイッチ２１のｂ接点は基準電圧源Ｖrefに接続し、可動接点は第１の誤差増幅器ＡＭＰ１の一方の入力端子に接続する。スイッチ２２のｂ接点は基準電圧源Ｖrefに接続し、可動接点は２入力２出力型の第１の誤差増幅器ＡＭＰ１の他方の入力端子に接続する。このスイッチ２１と２２により第２のスイッチ回路網２０が構成されている。

同様に、ホール素子ＨＡＬの端子Ｙ２はスイッチ３１のａ接点に接続し、端子Ｙ１はスイッチ３２のａ接点に接続する。スイッチ３１のｂ接点は基準電圧源Ｖrefに接続し、可動接点は２入力２出力型の第２の誤差増幅器ＡＭＰ２の一方の入力端子に接続する。スイッチ３２のｂ接点は基準電圧源Ｖrefに接続し、可動接点は第２の誤差増幅器ＡＭＰ２の他方の入力端子に接続する。このスイッチ３１と３２により第３のスイッチ回路網３０が構成されている。

誤差増幅器ＡＭＰ１の一方の出力端子はスイッチ４１を介してバッファＢ１の入力端子に接続し、誤差増幅器ＡＭＰ１の他方の出力端子はスイッチ４２を介してバッファＢ２の入力端子に接続する。スイッチ４１とバッファＢ１の共通接続点とグランドの間にはコンデンサＣ１を接続し、スイッチ４２とバッファＢ２の共通接続点とグランドの間にはコンデンサＣ２を接続する。このスイッチ４１、４２、コンデンサＣ１、Ｃ２、およびバッファＢ１、Ｂ２により第１のサンプルアンドホールド回路４０が構成されている。

誤差増幅器ＡＭＰ２の一方の出力端子はスイッチ５１を介してバッファＢ３の入力端子に接続し、誤差増幅器ＡＭＰ２の他方の出力端子はスイッチ５２を介してバッファＢ４の入力端子に接続する。スイッチ５１とバッファＢ３の共通接続点とグランドの間にはコンデンサＣ３を接続し、スイッチ５２とバッファＢ４の共通接続点とグランドの間にはコンデンサＣ４を接続する。このスイッチ５１、５２、コンデンサＣ３、Ｃ４、およびバッファＢ３、Ｂ４により第２のサンプルアンドホールド回路５０が構成されている。

第１のサンプルアンドホールド回路４０のバッファＢ１の出力端子は抵抗Ｒ１を介して２入力１出力型の誤差増幅器ＡＭＰ３の一方の入力端子に接続し、バッファＢ２の出力端子は抵抗Ｒ２を介して誤差増幅器ＡＭＰ３の他方の入力端子に接続する。また、第２のサンプルアンドホールド回路５０のバッファＢ３の出力端子は抵抗Ｒ３を介して誤差増幅器ＡＭＰ３の他方の入力端子に接続し、バッファＢ４の出力端子は抵抗Ｒ４を介して誤差増幅器ＡＭＰ３の一方の入力端子に接続する。誤差増幅器ＡＭＰ３の出力端子はセンサ回路の出力端子である端子ＯＵＴに接続し、更に信号帰還用の抵抗Ｒ５を介してその一方の入力端子に接続する。そして誤差増幅器ＡＭＰ３の他方の入力端子とグランドの間に抵抗Ｒ６と電圧源Ｖｒを直列に接続する。この誤差増幅器ＡＭＰ３、抵抗Ｒ１〜Ｒ６および電圧源Ｖｒにより信号処理のための信号合成処理回路６０が構成されている。

このような構成としたセンサ回路は、図２に示すようなタイミングでハイ（Ｈ）レベルあるいはロー（Ｌ）レベルになる駆動信号の供給を受け、以下のように動作する。なお、駆動信号Ｓ１は第１のスイッチ回路網１０に供給される駆動信号、Ｓ２は第２のスイッチ回路網２０に供給される駆動信号、Ｓ３は第３のスイッチ回路網３０に供給される駆動信号、Ｓ４は第１のサンプルアンドホールド回路４０に供給される駆動信号、Ｓ５は第２のサンプルアンドホールド回路５０に供給される駆動信号である。ちなみに、各スイッチ回路網のそれぞれのスイッチは、駆動信号がハイの時には可動接点をａ接点に接続し、逆にローの時にはｂ接点に接続するものとする。また各サンプルアンドホールド回路のスイッチは、駆動信号がハイの時にはオン、ローの時にはオフされるものとする。

時間ｔ１において駆動信号Ｓ１がハイレベルになると、スイッチ１１および１２は可動接点をａ接点に接続する。すると端子Ｙ１−Ｙ２間にバイアス電流が流れ、端子Ｘ１−Ｘ２間にバイアス電流とホール素子ＨＡＬを貫く磁束に応じた電圧信号（＝検出信号）が発生する。この時間ｔ１の直後においては駆動信号Ｓ２、Ｓ３はローレベルのため、各スイッチ２１、２２、３１、３２の可動接点はｂ接点側に接続される。このため各誤差増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２の全ての入力端子には基準電圧源Ｖrefからの固定された電圧信号が供給される。

ここで、スイッチ１１、１２の切り換え動作に伴ってノイズが発生し、このノイズが、例えばスイッチ等に寄生する浮遊容量を介して誤差増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２の入力端子の位置まで伝達されたとしても、そのレベルが基準電圧源Vrefの電圧信号を上回ることはほとんど無い。このため誤差増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２の入力端子の位置ではノイズは電圧信号の中に埋没してしまい、誤差増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２の出力信号に長期に渡る過渡現象が発生することは無くなる。

時間ｔ１から所定の遅延時間ｔ_D1だけ経過した時間ｔ２になると、駆動信号Ｓ２がハイレベルに転換する。すると第２のスイッチ回路網２０の各スイッチ２１、２２は、その可動接点の接続先をｂ接点からａ接点に切り換え、誤差増幅器ＡＭＰ１の各入力端子にホール素子ＨＡＬの端子Ｘ１−Ｘ２間に生じた検出信号を供給する。その結果、駆動信号Ｓ２がハイレベルとなっている間、誤差増幅器ＡＭＰ１は検出信号に応じた大きさの出力信号を出力し続けることになる。なお遅延時間ｔ_D1は、スイッチ１１、１２の切り換え動作に伴って検出信号に発生するノイズが消滅するか、消滅しないまでも極めて小さいレベルになる期間に設定される。

時間ｔ２の後、駆動信号Ｓ２がハイとなっている期間内のある時点、時間ｔ３になると駆動信号Ｓ４がハイレベルとなる。すると第１のサンプルアンドホールド回路４０内のスイッチ４１、４２がオンし、コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２は誤差増幅器ＡＭＰ１の検出信号に応じた出力信号によって充電される。そしてバッファＢ１およびＢ２は、コンデンサＣ１およびＣ２の充電電圧に応じたホールド信号を出力し続けることになる。
駆動信号Ｓ４は所定の時間（少なくともコンデンサＣ１およびＣ２の充電電圧が飽和するまでの時間）が経過した後にローレベルに転換する。そしてハイレベルとなっていた各駆動信号は時間ｔ４までの間に順次ローレベルに転換して行く。

時間ｔ４において駆動信号Ｓ１がローレベルになると、スイッチ１１および１２は可動接点をｂ接点に接続する。すると今度は端子Ｘ１−Ｘ２間にバイアス電流が流れ、端子Ｙ１−Ｙ２間にバイアス電流とホール素子ＨＡＬを貫く磁束に応じた電圧信号（＝検出信号）が発生する。この時間ｔ４の直後においては駆動信号Ｓ２、Ｓ３はローレベルのため、各スイッチ２１、２２、３１、３２の可動接点はｂ接点側に接続される。このため各誤差増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２の全ての入力端子には固定された電圧信号が供給される。

当然、スイッチ１１、１２の切り換え動作に伴ってノイズが発生するが、誤差増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２の入力端子の位置まで伝達されたノイズのレベルは基準電圧源Vrefの電圧信号を上回ることはほとんど無い。このため、時間ｔ１の直後の時と同様に、誤差増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２の出力信号に長期に渡る過渡現象は発生しない。

時間ｔ４から所定の遅延時間ｔ_D2だけ経過した時間ｔ５になると、今度は駆動信号Ｓ２では無く、駆動信号Ｓ３の方がハイレベルに転換する。すると第３のスイッチ回路網３０の各スイッチ３１、３２は、その可動接点の接続先をｂ接点からａ接点に切り換え、誤差増幅器ＡＭＰ２の各入力端子にホール素子ＨＡＬの端子Ｙ２−Ｙ１間に生じた検出信号を供給する。その結果、駆動信号Ｓ３がハイレベルとなっている間、誤差増幅器ＡＭＰ２は検出信号に応じた大きさの出力信号を出力し続けることになる。なお遅延時間ｔ_D2の具体的な期間は遅延時間ｔ_D1と同様に設定される。

時間ｔ５の後、駆動信号Ｓ３がハイとなっている期間内のある時点、時間ｔ６になると駆動信号Ｓ５がハイレベルとなる。すると第２のサンプルアンドホールド回路５０内のスイッチ５１、５２がオンし、コンデンサＣ３およびコンデンサＣ４は誤差増幅器ＡＭＰ２の検出信号に応じた出力信号によって充電される。そしてバッファＢ３およびＢ４は、コンデンサＣ３およびＣ４の充電電圧に応じたホールド信号を出力し続けることになる。
駆動信号Ｓ５は、駆動信号Ｓ４と同様に、所定の時間が経過した後にローレベルに転換する。そしてハイレベルとなっていた各駆動信号は時間ｔ７までの間に順次ローレベルに転換して行く。時間ｔ７は実質的に時間ｔ１と同じ状態となり、以後、図１の回路は上に説明した時間ｔ１からｔ７までの動作を繰り返す。

例えばここで、ホール素子ＨＡＬの検出信号がホール電圧成分Ｖ_Hとオフセット電圧成分V_OFとからなっていると仮定する。すると、時間ｔ１からｔ４までの回路動作に基づいて、時間ｔ４以降にバッファＢ１から出力されるホールド信号ＳＨ１およびバッファＢ２から出力されるホールド信号ＳＨ２は次のように表される。
ＳＨ１＝＋Ｇ（Ｖ_H＋V_OF）
ＳＨ２＝−Ｇ（Ｖ_H＋V_OF）

同様に、時間ｔ４からｔ７までの回路動作に基づいて、時間ｔ７以降にバッファＢ３から出力されるホールド信号ＳＨ３およびバッファＢ４から出力されるホールド信号ＳＨ４は次のように表される。
ＳＨ３＝＋Ｇ（−Ｖ_H＋V_OF）
ＳＨ４＝−Ｇ（−Ｖ_H＋V_OF）
ここで、ホールド信号ＳＨ１とＳＨ２のホール電圧成分（Ｖ_H）と違ってホールド信号ＳＨ４とＳＨ３のホール電圧成分（Ｖ_H）に負の符号が付くのは、バイアス電流の流通方向と検出電圧の検出方向の関係によるものである。

図１の回路においては、この各ホールド信号は信号合成処理回路６０において信号処理される。先ず誤差増幅器ＡＭＰ３の一方の入力端子に共に入力されるホールド信号ＳＨ１とＳＨ４は、その一方の入力端子の位置において加算処理され、他方の入力端子に共に入力されるホールド信号ＳＨ２とＳＨ３は、その他方の入力端子の位置において加算処理される。その上で、各入力端子の位置の信号は誤差増幅器ＡＭＰ３の内部で減算処理される。これを式で表すと以下のようになる。

ＳＨ１＋ＳＨ４−（ＳＨ２＋ＳＨ３）
＝＋Ｇ（Ｖ_H＋V_OF）−Ｇ（−Ｖ_H＋V_OF）−｛−Ｇ（Ｖ_H＋V_OF）＋Ｇ（−Ｖ_H＋V_OF）｝
＝４・Ｇ・Ｖ_H
この式の結果から分かるように、端子ＯＵＴの位置に現れる出力信号は、オフセット成分がキャンセルされた、実質的にホール電圧成分のみの信号となる。

このように、図１に示す本発明の実施例によるセンサ回路は、ハイレベルに転換する時期を遅延回路で遅らせる等により、駆動信号Ｓ１から駆動信号Ｓ３〜Ｓ５を容易に生成することが可能である。また、基準電圧源からの固定された電圧信号を供給しているため、増幅率を変化させずとも誤差増幅器がノイズ入力に基づく過渡現象を生じない。従って、特殊な回路構成のパルス発生器や増幅率可変型の誤差増幅器などを必要としない。

なお、図１の回路は、誤差増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２に２出力型（２重差動出力型）の誤差増幅器を使用した場合の回路構成であるが、１出力型の誤差増幅器を使用して回路を構成しても良い。また、２出力型の誤差増幅器と併せてサンプルアンドホールド回路４０、５０の内部にそれぞれ反転側、非反転側の２系統のサンプルアンドホールド回路を設けているが、１系統のサンプルアンドホールド回路でも良いことは言うまでも無い。

本発明によるセンサ回路の実施例の回路図。図１の回路に供給する各駆動信号のタイミングチャート。

符号の説明

１０：第１のスイッチ回路網
２０：第２のスイッチ回路網
３０：第３のスイッチ回路網
４０：第１のサンプルアンドホールド回路
５０：第２のサンプルアンドホールド回路
６０：信号合成処理回路
ＡＭＰ１：第１の誤差増幅器
ＡＭＰ２：第２の誤差増幅器
ＨＡＬ：ホール素子
Ｖref：基準電圧源
Ｘ１、Ｘ２：端子（第１の端子対）
Ｙ１、Ｙ２：端子（第２の端子対）
ＯＵＴ：端子（センサ回路の出力端子）

Claims

ホール素子の第１の端子対および第２の端子対の間に生じる第１の検出信号および第２の検出信号を順次検出し、該第１の検出信号と該第２の検出信号とを信号処理して実質的にホール電圧成分のみの出力信号を得るセンサ回路において、
第１の期間には該ホール素子の該第２の端子対にバイアス電流を供給し、第２の期間には該第１の端子対にバイアス電流を供給する第１のスイッチ回路網と、
実質的に特性の等しい第１および第２の誤差増幅器と、
固定された電圧信号を発生させる基準電圧源と、
該第１の期間内の第３の期間の間、該ホール素子の該第１の端子対の間に生じた該第１の検出信号を該第１の誤差増幅器に入力し、該第３の期間以外の時には該基準電圧源の該固定された電圧信号を該第１の誤差増幅器に入力する第２のスイッチ回路網と、
該第３の期間内の所定の時点における該第１の誤差増幅器の出力信号を参照して、該出力信号に応じた第１のホールド信号を出力する第１のサンプルホールド回路と、
該第２の期間内の第４の期間の間、該ホール素子の該第２の端子対の間に生じた該第２の検出信号を該第２の誤差増幅器に入力し、該第４の期間以外の時には該基準電圧源の該固定された電圧信号を該第２の誤差増幅器に入力する第３のスイッチ回路網と、
該第４の期間内の所定の時点における該第２の誤差増幅器の出力信号を参照して、該出力信号に応じた第２のホールド信号を出力する第２のサンプルアンドホールド回路と、
該第１および該第２のサンプルアンドホールド回路から該第１および該第２のホールド信号を受け取り、実質的にホール電圧成分のみの出力信号を生成する信号合成処理回路と、
を具備することを特徴とするセンサ回路。
前記第３の期間は、前記第１の期間の開始から所定時間だけ遅延して開始し、前記第４の期間は、前記第２の期間の開始から所定時間だけ遅延して開始することを特徴とする、請求項１に記載されたセンサ回路。
前記第１および第２の誤差増幅器は２重差動出力型であり、前記第１と第２のサンプルアンドホールド回路は、それぞれ内部に非反転側サンプルアンドホールド回路と反転側サンプルアンドホールド回路を具備することを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載されたセンサ回路。