KR102158666B1

KR102158666B1 - 센서 회로

Info

Publication number: KR102158666B1
Application number: KR1020140014039A
Authority: KR
Inventors: 기요시 요시카와
Original assignee: 에이블릭 가부시키가이샤
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2020-09-22
Also published as: US8901966B2; CN103997307A; JP2014158095A; JP6049488B2; US20140225649A1; CN103997307B; KR20140102603A; TWI591958B; TW201444276A

Abstract

[과제] 소비 전류를 증대시키는 일 없이, 센서 신호를 고속이고 또한 높은 증폭률로 증폭할 수 있는 센서 회로를 제공한다.
[해결 수단] 센서 소자의 전류 신호인 차동 출력 신호를 미리 증폭하는 1차 앰프와, 증폭된 차동 출력 신호를 증폭하는 2차 앰프와, 센서 소자 구동 전류를 일정하게 유지하기 위한 정전압 발생 회로와, 피드백 신호를 귀환시켜 증폭률을 조정하는 피드백 회로로 구성하고, 1차 앰프를 흐르는 전류의 대부분을 센서 소자의 바이어스 전류로 한다.

Description

센서 회로{SENSOR CIRCUIT}

본 발명은, 센서 회로에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 브리지형 센서 소자를 가지는 센서 회로에 관한 것이다.

센서 소자의 출력 신호(센서 신호)는, 일반적으로 미소하기 때문에, 센서 소자를 사용한 전자 회로에 적용되려면, 센서 회로에서 증폭될 필요가 있다.

근년, 전자 기기는 소형화가 진행되어, 내장되는 센서 회로도 소형화되어 있고, 센서 회로의 소형화는 센서 신호의 미소 신호화를 초래한다. 미소 신호인 센서 신호가 일반적인 전자 기기에서 사용되기 위해, 센서 회로의 앰프에 있어서, 더 높은 증폭률이 필요하게 된다. 한편, 센서 회로는 고속 동작화가 계속 요구되고 있다. 높은 증폭률과 고속 동작은 일반적으로 상반되어, 이들 요구가 만족되기 위해, 종래에서는, 앰프의 소비 전류가 많아지고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

일본국 특허 공개 2010-181211호 공보

그러나, 전자 기기에 있어서, 특히 전지 구동의 모바일 기기에 있어서, 소비 전류의 증대는 시장으로부터 받아들여지기 어렵다고 하는 문제가 있다.

본 발명은, 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 소비 전류를 증대하는 일 없이, 센서 신호를 고속이고 또한 높은 증폭률로 증폭할 수 있는 센서 회로를 제공한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 센서 소자의 전류 신호인 차동 출력 신호를 미리 증폭하는 1차 앰프와, 증폭된 차동 출력 신호를 증폭하는 2차 앰프와, 센서 소자 구동 전류를 일정하게 유지하기 위한 정전압 발생 회로와, 피드백 신호를 귀환시켜 증폭률을 조정하는 피드백 회로로 구성되고, 1차 앰프를 흐르는 전류의 대부분을 센서 소자의 바이어스 전류로 하는 센서 회로로 한다.

본 발명의 센서 회로에 의하면, 1차 앰프에 의해 증폭된 센서 신호가 2차 앰프에 입력되기 때문에, 센서 회로는 센서 신호를 고속이고 또한 높은 증폭률로 증폭할 수 있다.

또, 센서 회로에 1차 앰프가 부가되어도, 1차 앰프의 소비 전류의 대부분은 센서 소자 구동 전류로서 이용되므로, 센서 회로의 소비 전류는 거의 증가하지 않는다.

도 1은 제1 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.
도 2는 제2 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.
도 3은 제3 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.
도 4는 제4 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.
도 5는 제5 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.

<제1 실시 형태>

도 1은, 제1 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.

제1 실시 형태의 센서 회로는, 센서 소자(S1), 센서 소자(S1)의 전류 신호인 차동 출력 신호(센서 신호)를 미리 증폭하는 1차 앰프(C1), 증폭된 센서 신호를 증폭하는 2차 앰프(A1), 센서 소자 구동 전류를 일정하게 유지하기 위한 정전압 발생 회로(C2), 피드백 신호를 귀환시켜 증폭률을 조정하는 피드백 회로(C3)로 구성된다. 여기서, 1차 앰프(C1)를 흐르는 전류의 대부분은, 센서 소자(S1)의 바이어스 전류로서, 센서 소자(S1)에 흐르고 있다.

센서 소자(S1)는, 저항값이 같은 4개의 저항(R33~R36)에 브리지형으로 구성된다. 또는, 센서 소자(S1)는, 4개의 브리지형의 등가 저항으로서 표현되는 소자이다.

1차 앰프(C1)에 있어서, NMOS 트랜지스터(M11)의 게이트 및 드레인은, 노드(N13)에 접속되고, 소스는, 직렬 접속되는 저항(R11~R12)을 개재하여 접지 단자에 접속된다. 정전류원(I1)은, 전원 단자와 노드(N13)의 사이에 설치된다. NMOS 트랜지스터(M21)의 게이트 및 드레인은, 노드(N23)에 접속되고, 소스는, 직렬 접속되는 저항(R21~R22)을 개재하여 접지 단자에 접속된다. 정전류원(I2)은, 전원 단자와 노드(N23)의 사이에 설치된다. NMOS 트랜지스터(M12)의 게이트는, 노드(N13)에 접속되고, 소스는, 노드(N31)에 접속되며, 드레인은, 저항(R31)을 개재하여 전원 단자에 접속된다. NMOS 트랜지스터(M22)의 게이트는, 노드(N23)에 접속되고, 소스는, 노드(N31)에 접속되며, 드레인은, 저항(R32)을 개재하여 전원 단자에 접속된다. 노드(N331)는, NMOS 트랜지스터(M12)의 드레인과의 접속점이다. 노드(N332)는, NMOS 트랜지스터(M22)의 드레인과의 접속점이다. 노드(N11)는, NMOS 트랜지스터(M11)의 소스이다. 노드(N21)는, NMOS 트랜지스터(M21)의 소스이다.

2차 앰프(A1)의 비반전 입력 단자는, 노드(N332)에 접속되고, 반전 입력 단자는, 노드(N331)에 접속되며, 비반전 출력 단자는, 센서 회로의 비반전 출력 단자(N02)에 접속되고, 반전 출력 단자는, 센서 회로의 반전 출력 단자(N01)에 접속된다. 또, 2차 앰프(A1)의 출력 공통 전압 귀환 단자는, 센서 소자 구동 전류의 공급 노드인 노드(N31)에 접속된다. 2차 앰프(A1)의 출력 공통 전압 입력 단자는, 2차 앰프(A1)의 출력 공통 전압의 공급 노드인 노드(N41)에 접속된다.

정전압 발생 회로(C2)에 있어서, NMOS 트랜지스터(M41)의 게이트 및 드레인은, 노드(N43)에 접속되고, 소스는, 직렬 접속되는 저항(R41~R42)을 개재하여 접지 단자에 접속된다. 정전류원(I4)은, 전원 단자와 노드(N43)의 사이에 설치된다. 노드(N41)는, NMOS 트랜지스터(M41)의 소스이다.

피드백 회로(C3)에 있어서, 저항(13)은, 센서 회로의 반전 출력 단자(N01)와 노드(N12)의 사이에 설치된다. 저항(23)은, 센서 회로의 비반전 출력 단자(N02)와 노드(N22)의 사이에 설치된다.

여기서, 정전류원(I1~I2)은, 같은 정전류를 흐르게 한다. NMOS 트랜지스터(M11)와 NMOS 트랜지스터(M21)는, 같은 사이즈이다. NMOS 트랜지스터(M12)와 NMOS 트랜지스터(M22)는, 같은 사이즈이다. 저항(R11~R13)과 저항(R21~23)과 저항(R41~R42)은, 센서 소자(S1)와 같은 재질이다. 저항(R11~R12) 및 저항(R21~R22)의 저항값은 같다. 저항(R41~R42)의 저항값은 같다.

또, 저항(R11~R13)의 저항값을 각각 R11~R13으로 하고, 저항(R21~R23)의 저항값을 각각 R21~R23으로 하며, 저항(R31~R36)의 저항값을 각각 R31~R36으로 하고, 저항(R41~R42)의 저항값을 각각 R41~R42로 한다. 정전류원(I1~I2)의 전류값을 각각 I1~I2로 하고, 정전류원(I4)의 전류값을 I4로 한다. 그러면, NMOS 트랜지스터(M11)와 NMOS 트랜지스터(M12)의 사이즈비는,

1/(R11＋R12)：1/(R33＋R34)로 표시되고,

MOS 트랜지스터(M21)와 NMOS 트랜지스터(M22)의 사이즈비는,

1/(R21＋R22)：1/(R35＋R36)으로 표시되며,

NMOS 트랜지스터(M11)와 NMOS 트랜지스터(M41)의 사이즈비는,

1/(R11＋R12)：1/(R41＋R42)로 표시되고, 또,

I1：I4로 표시된다.

다음에, 제1 실시 형태의 센서 회로의 동작에 대해 설명한다.

여기서, 센서 소자(S1)는, 노드(N31)와 접지 단자의 사이에 흐르는 바이어스 전류, 및, 인가되는 자기 등의 물리량에 의거하여, 노드(N12) 및 노드(N22)에, 센서 소자(S1)의 전류 신호인 차동 출력 신호(센서 신호)를 출력한다. 또, 정전압 발생 회로(C2)는, 정전류원(I4)의 정전류 및 저항(R41~R42)의 저항값에 의거하여, 노드(N41)에, 정전압을 발생시킨다. 이 정전압은, 2차 앰프(A1)의 출력 공통 전압 입력 단자에 입력되고, 2차 앰프(A1)의 출력 공통 전압이 된다. 2차 앰프(A1)는, 출력 공통 전압 입력 단자와 출력 공통 전압 귀환 단자의 전압이 동일해지도록, 비반전 출력 단자와 반전 출력 단자의 전압을 제어한다. 2차 앰프(A1)의 출력 공통 전압 귀환 단자에는 노드(N31)가 접속되어 있으므로, 노드(N31)와 노드(N41)의 전압이 동일해진다.

센서 소자(S1)에 인가되는 자기 등의 물리량이 존재하지 않는 경우, 온도에 의해, 저항(R11~R12)의 저항값이 변동하기 때문에, 노드(N11)의 전압도 변동한다. 마찬가지로, 저항(R33~R36)의 저항값이 변동하기 때문에, 노드(N31)의 전압도 변동한다. 그러나, 저항(R11~R12)은, 센서 소자(S1)의 저항(R33~R36)과, 같은 재질이기 때문에, 같은 저항값의 온도 특성을 가진다. 따라서, 온도에 의한 저항(R11~R12) 및 저항(R33~R36)의 저항값의 변동량은, 동일하다. 그러면, 노드(N11)와 노드(N31)의 전압도 동일해지며, I1×(R11＋R12)가 된다. 마찬가지로, 노드(N11)와 노드(N21)와 노드(N31)와 노드(N41)의 전압도, 모두 동일하다. 여기서, 저항(R33)과 저항(R34)의 접속점과, 저항(R11)과 저항(R12)의 접속점은, 동전압이기 때문에, 전류는, 이들 접속점의 사이에 흐르지 않는다. 마찬가지로, 저항(R35)과 저항(R36)의 접속점과, 저항(R21)과 저항(R22)의 접속점은, 동전압이기 때문에, 전류는, 이들 접속점의 사이에 흐르지 않는다.

또한, 온도에 의해, 저항(R12) 및 저항(R22)의 저항값이 각각 변동하면, 그 저항 변동만큼, 노드(NO1~NO2)의 2차 앰프(A1)의 출력 공통 전압도 변동한다.

센서 소자(S1)에 인가되는 자기 등의 물리량이 존재하는 경우, 센서 신호는, 노드(N12)에 출력되고, 저항(R12)에 흐른다. 또, 센서 신호는, 노드(N22)에 출력되고, 저항(R22)에 흐른다. 따라서, 노드(N12)와 노드(N22)의 사이에 전압차(ΔV12)가 발생한다. 이 전압차(ΔV12)는, 노드(N13) 및 노드(N23)에 각각 레벨 시프트하여 전파하고, NMOS 트랜지스터(M12) 및 NMOS 트랜지스터(M22)의 게이트에 각각 입력된다.

이 전압차(ΔV12)에 의해, 저항(R31) 및 저항(R32)에 흐르는 전류가, NMOS 트랜지스터(M12) 및 NMOS 트랜지스터(M22)의 상호 컨덕턴스(gm3)에 의거하여, 각각 변화한다. 따라서, 노드(N331)와 노드(N332)의 사이에 전압차(ΔV331)가 발생한다. 이 전압차(ΔV331)는, 전압차(ΔV12)의 (gm3×R31)배로 되어 있다. 일반적으로 (gm3×R31)≒10은 용이하게 확보되고, 2차 앰프(A1)로의 입력 신호 진폭은 1차 앰프(C1)의 존재에 의해 약 10×(R12)/(R12＋R34)배로 커진다.

전압차(ΔV331)는, 2차 앰프(A1)에 의해 증폭되고, 저항(R13) 및 저항(R23)에 의해 노드(N12) 및 노드(N22)에 각각 피드백된다. 이때, 저항(R13) 및 저항(R23)은, 피드백 신호를 귀환시켜 증폭률을 조정하고, 1차 앰프(C1) 및 2차 앰프(A1)는, 센서 신호의 변동을 없애도록 동작하고 있다. 피드백 후, 센서 신호가 정지하면, 1차 앰프(C1)의 동작 상태는 센서 신호가 없는 경우와 같아진다.

또한, 센서 소자(S1)의 전류 신호인 차동 출력 신호(센서 신호)는 저항(R33~R36)의 저항값에 의존하기 때문에, 온도에 의해, 이들 저항값이 변동하면, 센서 신호도 변동한다. 그러나, 저항(R13)과 저항(R23)과 저항(R33~R36)은, 같은 재질이기 때문에, 같은 저항값의 온도 특성을 가진다. 따라서, 온도에 의한 저항(R13)과 저항(R23)과 저항(R33~R36)의 저항값의 변동량은, 동일하다. 즉, 이들 저항의 저항값의 비는 변동하지 않는다. 또, 이러한 저항의 저항값의 온도 의존성에 의해, 센서 소자(S1)의 전류 신호가 변동한다. 따라서, 노드(NO1~NO2)의 전압은, 변동하지 않고, 온도 의존성을 가지지 않는다. 그러면, 온도 의존성을 보정하는 온도 보상 회로가 불필요해진다. 센서 회로에 있어서, 회로 규모가 작아지고, 소비 전류가 적어진다.

<제2 실시 형태>

도 2는, 제2 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.

제2 실시 형태의 센서 회로는, 제1 실시 형태의 센서 회로에 출력 공통 전압 조정 회로(C4)가 추가된다. 원하는 기준 전압을 발생시키는 기준 전압 발생 회로(V41)가, 노드(N42)에 저항(R43)을 개재하여 접속된다. 이 저항(R43)의 저항값은, 예를 들어, R13×(1＋R12/R34)로 한다. 제1 실시 형태의 센서 회로에서는, 노드(NO1~NO2)의 2차 앰프(A1)의 출력 공통 전압이 (I1×R12)로 되어 있다. 그러나, 제2 실시 형태의 센서 회로는, 출력 공통 전압이 원하는 전압이 되어도 된다.

<제3 실시 형태>

도 3은, 제3 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.

제3 실시 형태의 센서 회로는, 피드백 회로(C3)의 저항(R13) 및 저항(R23)의 접속처가 변경된다. 제1 실시 형태의 센서 회로에서는, 저항(R13) 및 저항(R23)은 노드(N12) 및 노드(N22)에 각각 접속된다. 그러나, 제3 실시 형태의 센서 회로는, 저항(R13) 및 저항(R23)은 저항(N11) 및 저항(N21)에 각각 접속되어도 된다. 센서 소자(S1)에 인가되는 자기 등의 물리량이 존재하지 않는 경우, 제1 실시 형태의 센서 회로에서는, 노드(NO1~NO2)의 2차 앰프(A1)의 출력 공통 전압은, 노드(N12) 및 노드(N22)의 전압이며, 전원 전압보다 낮은 전압이다. 그러나, 제3 실시 형태의 센서 회로에서는, 출력 공통 전압은, 노드(N11) 및 노드(N21)의 전압이 되며, 도 1의 경우보다 높아진다. 그러면, 노드(NO1~NO2)의 센서 신호의 진폭이 넓어질 수 있고, 그만큼, 센서 신호의 증폭률이 높아질 수 있다.

<제4 실시 형태>

도 4는, 제4 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.

제4 실시 형태의 센서 회로는, 1차 앰프(C1)의 저항(R31~R32)이, 다이오드 접속되는 PMOS 트랜지스터(M31~M32)로 각각 치환된다.

제1 실시 형태의 센서 회로에서는, 온도에 의해, 센서 소자(S1)의 저항값이 높아지면, 노드(N31)의 전압도 높아지고, NMOS 트랜지스터(M12) 및 NMOS 트랜지스터(M22)의 드레인·소스간 전압이 각각 낮아진다. 이때, 센서 소자(S1)에 인가되는 자기 등의 물리량에 의해, 노드(N12) 또는 노드(N22)의 전압이 저하하고, 노드(N331) 또는 노드(N332)의 전압이 저하하면, NMOS 트랜지스터(M12) 또는 NMOS 트랜지스터(M22)의 드레인·소스간 전압이 더 낮아진다. 그러면, NMOS 트랜지스터(M12) 또는 NMOS 트랜지스터(M22)가, 정상적으로 동작할 수 없게 된다.

제4 실시 형태의 센서 회로에서는, 센서 소자(S1)에 인가되는 자기 등의 물리량에 의해, 노드(N331~N332)의 전압은 변동하기 어려워진다. 따라서, NMOS 트랜지스터(M12) 및 NMOS 트랜지스터(M22)의 드레인·소스간 전압이 낮아지기 어려워진다.

<제5 실시 형태>

도 5는, 제5 실시 형태의 센서 회로를 도시하는 회로도이다.

제5 실시 형태의 센서 회로와 같이, 각 구성 요소를 전원 단자 및 접지 단자에 대해 반전 접속하고, NMOS 트랜지스터를 PMOS 트랜지스터로 변경하여 구성해도, 다른 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다. 제5 실시 형태의 센서 회로는, 제1 실시 형태의 센서 회로의 각 구성 요소를 전원 단자 및 접지 단자에 대해 반전 접속하여 구성했으나, 다른 실시 형태에 대해서도 마찬가지이다.

S1 센서 소자
C1 1차 앰프
C2 정전압 발생 회로
C3 피드백 회로
A1 2차 앰프
I1~I2, I4 정전류원

Claims

제1 입력 단자, 접지 단자와 접속된 제2 입력 단자, 제1 출력 단자, 제2 출력 단자를 구비하고, 4개의 브리지형 등가 저항으로 구성되는 센서 소자가 발생하는 전압을 증폭하여 출력하는 센서 회로로서,
전원 단자와 접지 단자의 사이에 직렬 접속된 제1 정전류원과 제1 MOS 트랜지스터와 제1 및 제2 저항과, 상기 전원 단자와 상기 접지 단자의 사이에 직렬 접속된 제2 정전류원과 제2 MOS 트랜지스터와 제3 및 제4 저항과, 상기 전원 단자와 상기 센서 소자의 제1 입력 단자의 사이에 직렬 접속된 제1 저항 성분과 상기 제1 MOS 트랜지스터에 커런트 미러 접속되는 제3 MOS 트랜지스터와, 상기 전원 단자와 상기 센서 소자의 제1 입력 단자의 사이에 직렬 접속된 제2 저항 성분과 상기 제2 MOS 트랜지스터에 커런트 미러 접속되는 제4 MOS 트랜지스터를 구비하고, 상기 제1 및 제2 저항의 접속점은 상기 센서 소자의 제1 출력 단자와 접속되며, 상기 제3 및 제4 저항의 접속점은 상기 센서 소자의 제2 출력 단자와 접속된, 1차 앰프와,
전원 단자와 접지 단자의 사이에 직렬 접속된 제3 정전류원과 제5 MOS 트랜지스터와 제5 및 제6 저항을 구비하고, 정전압을 발생시키는 정전압 발생 회로와,
반전 입력 단자는 상기 제3 MOS 트랜지스터의 드레인에 접속되고, 비반전 입력 단자는 상기 제4 MOS 트랜지스터의 드레인에 접속되며, 반전 출력 단자는 상기 센서 회로의 반전 출력 단자에 접속되고, 비반전 출력 단자는 상기 센서 회로의 비반전 출력 단자에 접속되며, 출력 공통 전압 입력 단자는 상기 정전압이 입력되고, 출력 공통 전압 귀환 단자는 상기 센서 소자의 제1 입력 단자의 전압이 입력되는, 2차 앰프와,
상기 2차 앰프의 반전 출력 단자와 상기 센서 소자의 제1 출력 단자의 사이에 설치된 제7 저항과, 상기 2차 앰프의 비반전 출력 단자와 상기 센서 소자의 제2 출력 단자의 사이에 설치된 제8 저항을 가지는 피드백 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 센서 회로.
청구항 1에 있어서,
상기 제7 저항은, 일단이 상기 2차 앰프의 반전 출력 단자에 접속되고, 타단이 상기 센서 소자의 제1 출력 단자에 접속되며,
상기 제8 저항은, 일단이 상기 2차 앰프의 비반전 출력 단자에 접속되고, 타단이 상기 센서 소자의 제2 출력 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
청구항 1에 있어서,
상기 제7 저항은, 일단이 상기 2차 앰프의 반전 출력 단자에 접속되고, 타단이 상기 센서 소자의 제1 출력 단자에 상기 제1 저항을 개재하여 접속되며,
상기 제8 저항은, 일단이 상기 2차 앰프의 비반전 출력 단자에 접속되고, 타단이 상기 센서 소자의 제2 출력 단자에 상기 제3 저항을 개재하여 접속되는 것을 특징으로 하는 센서 회로.
청구항 1에 있어서,
상기 제5 및 제6 저항의 접속점과 접지 단자의 사이에, 직렬 접속되는 제9 저항과 기준 전압 발생 회로를 더 구비한 것을 특징으로 하는 센서 회로.