TWI504915B - 磁性感測裝置 - Google Patents

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TWI504915B
TWI504915B TW103101222A TW103101222A TWI504915B TW I504915 B TWI504915 B TW I504915B TW 103101222 A TW103101222 A TW 103101222A TW 103101222 A TW103101222 A TW 103101222A TW I504915 B TWI504915 B TW I504915B
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Daisuke Muraoka
Minoru Ariyama
Tomoki Hikichi
Kentaro Fukai
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Seiko Instr Inc
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Description

磁性感測裝置
本發明是有關於一種將磁場強度轉換成電氣訊號的磁性感測裝置，例如是有關於一種利用於摺疊式行動電話或筆記型電腦(notebook personal computer)等的開閉狀態偵測用感測器(sensor)、或馬達(motor)的旋轉位置偵測感測器等的磁性感測裝置。
作為摺疊式行動電話或筆記型電腦等的開閉狀態偵測用感測器，另外，作為馬達的旋轉位置偵測感測器，使用有磁性感測裝置。
磁性感測裝置是藉由磁電轉換元件(例如霍爾元件(Hall element))輸出與磁場強度或磁通密度成比例的電壓，利用放大器放大該輸出電壓，並使用比較器進行判定，以H訊號或L訊號的二值輸出。由於磁電轉換元件的輸出電壓微小，故磁電轉換元件所具有的偏移電壓(offset voltage)(元件偏移電壓)、或者放大器或比較器所具有的偏移電壓(輸入偏移電壓)、或者轉換元件內的雜訊(noise)成為了問題。元件偏移電壓主要是因磁電轉換元件 自封裝體(package)受到的應力等而產生。輸入偏移電壓主要是因構成放大器的輸入電路的元件的特性偏差等而產生。雜訊主要是因構成電路的單電晶體(single transistor)所具有的閃爍(flicker)噪聲、單電晶體或電阻元件所具有的熱噪聲而產生。
設計有降低上述磁電轉換元件或放大器所具有的偏移電壓的影響的磁性感測裝置(例如，參照專利文獻1)。圖4所示的習知的磁性感測裝置包括作為磁電轉換元件的霍爾元件51、開關(switch)切換電路52、差動放大器53、比較器54、檢測電壓設定電路55、第一電容C51及第二電容C52、第一開關S51及第二開關S52。
差動放大器53呈如圖5所示的儀表放大器(instrumentation amplifier)構成，且包括差動放大器61、差動放大器62及電阻R61、電阻R62、電阻R63。差動放大器61及差動放大器62分別作為非反相放大器進行動作。差動放大器53的第一輸入端子連接於差動放大器61的非反相輸入端子E61，第二輸入端子連接於差動放大器62的非反相輸入端子E62，第一輸出端子連接於差動放大器61的輸出端子E63，第二輸出端子連接於差動放大器62的輸出端子E64。差動放大器53藉由設為此種儀表放大器構成，而可抑制差動輸入時的同相雜訊的影響。此處，差動放大器61及差動放大器62的放大率設定為相等。
於圖6中表示習知的磁性感測裝置的動作的時序圖(timing chart)。檢測動作的一週期T是根據上述開關切換電路52的動作而分為第一檢測狀態T1及第二檢測狀態T2，該第一檢測狀態T1是對霍爾元件51的第一端子對A-C輸入電源電壓，且自 第二端子對B-D輸出檢測電壓，該第二檢測狀態T2是對第二端子對B-D輸入電源電壓，且自第一端子對A-C輸出檢測電壓。另外，根據各開關(S51~S54)的開閉而分為第1取樣相位(sample phase)F1、第2取樣相位F2、及比較相位F3。而且，於比較相位F3中除去各偏移成分。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2010-281801號公報
然而，於習知的磁性感測裝置中，為了抵消偏移成分而必需如取樣相位與比較相位般設置多個訊號處理期間的分時動作，不適於高速訊號處理。另外，為了進行分時動作，必須連接開關電路或電容元件，從而電路構成變得複雜。
本發明的目的在於提供一種磁性感測裝置，該磁性感測裝置有效利用多個霍爾元件及具有多個差動輸入對的比較器而抵消霍爾元件的偏移成分，藉此實現高精度的磁場強度檢測，且高速地進行訊號處理。
為了解決習知的此種問題，本發明的磁性感測裝置設為如下構成。
一種磁性感測裝置，其包括：多個霍爾元件；多個差動放大器，連接各多個霍爾元件；檢測電壓設定電路，輸出基準電壓；以及比較器，包含分別連接於多個差動放大器的多個差動輸入對、及與檢測電壓設定電路連接的差動輸入對。
根據本發明的磁性感測裝置，能以小規模的電路構成任意地設定磁場強度的檢測電壓位準(level)，因此可消除(cancel)霍爾元件偏移，且可高速地進行訊號處理。
1a、1b、51‧‧‧第一霍爾元件、第二霍爾元件、霍爾元件
2a、2b‧‧‧第一、第二差動放大器
2c、53、61、62‧‧‧差動放大器
3、54‧‧‧比較器
4、55‧‧‧檢測電壓設定電路
52‧‧‧開關切換電路
A-C、E-G‧‧‧第一端子對
B-D、F-H‧‧‧第二端子對
C51‧‧‧第一電容
C52‧‧‧第二電容
E61、E62‧‧‧非反相輸入端子
E63、E64、OUT‧‧‧輸出端子
F1‧‧‧第1取樣相位
F2‧‧‧第2取樣相位
F3‧‧‧比較相位
I1‧‧‧定電流電路
M41、M42‧‧‧PMOS電晶體
M43、M44A、M44B、M44C、M45A、M45B、M45C、M46A、M46B、M46C‧‧‧NMOS電晶體
ref1、ref2‧‧‧基準電壓電路
R61、R62、R63‧‧‧電阻
S51‧‧‧第一開關
S52‧‧‧第二開關
T‧‧‧一週期
T1‧‧‧第一檢測狀態
T2‧‧‧第二檢測狀態
V1~V4、VA‧‧‧連接點
V5、V7、V9‧‧‧第一輸入端子
V6、V8、V10‧‧‧第二輸入端子
V11、V12‧‧‧輸入端子
VDD‧‧‧電源電壓端子
VO‧‧‧電壓
GND‧‧‧電位
圖1是繪示本實施方式的磁性感測裝置的電路圖。
圖2是繪示本實施方式的磁性感測裝置的另一例的電路圖。
圖3是本實施方式的磁性感測裝置中所使用的比較器的電路圖的一例。
圖4是習知的磁性感測裝置的電路圖。
圖5是習知的磁性感測裝置的差動放大器的電路圖的一例。
圖6是習知的磁性感測裝置的時序圖。
以下，基於圖式詳細地對本發明的實施方式進行說明。本發明的磁性感測裝置廣泛地用作摺疊式行動電話或筆記型電腦等中的開閉狀態偵測感測器、或馬達的旋轉位置偵測感測器等偵測磁場強度的狀態的感測器。於以下的實施方式中，對使用有霍爾元件的磁性感測裝置進行說明，但本發明的轉換元件亦可取代根據磁場強度進行電壓輸出的霍爾元件，而使用根據加速度或壓力等各物理量進行相同的電壓輸出的轉換元件。
圖1是表示本實施方式的磁性感測裝置的電路圖。
本實施方式的磁性感測裝置包括：第一霍爾元件1a、第二霍爾元件1b，根據磁場強度輸出訊號電壓；第一差動放大器2a、第二差動放大器2b，放大訊號電壓；比較器3，具有三個差動輸入對；及檢測電壓設定電路4，輸出基準電壓。
第一霍爾元件1a、第二霍爾元件1b於半導體基板上配置在彼此接近的位置，且以連結第一霍爾元件1a的第一端子對A-C的直線與連結第二霍爾元件1b的第一端子對E-G的直線成為相互平行的關係的方式進行配置。結果，連結第一霍爾元件1a的第二端子對B-D的直線與連結第二霍爾元件1b的第二端子對F-H的直線亦成為相互平行的關係。第一差動放大器2a、第二差動放大器2b於先前例的說明中成為圖5所示的儀表放大器的構成。關於比較器3的詳細內容將於下文中敍述，但比較器3成為如圖3所示的電路構成，且輸出端子OUT的電壓VO由式(1)表示。
VO=A1×(V6-V5)+A2×(V8-V7)+A3×(V10-V9)…(1)
此處，A1、A2、A3為構成比較器3的三個差動放大器的各放大率。檢測電壓設定電路4包括基準電壓電路ref1、基準電壓電路ref2，分別對比較器3的第三差動輸入對的第一輸入端子、第二輸入端子賦予任意的第一基準電壓Vref1、第二基準電壓Vref2。基準電壓電路ref1、基準電壓電路ref2的一例為例如由電阻構成的分壓電路。
其次，對本實施例的磁性感測裝置的動作進行說明。將第一霍爾元件1a、第二霍爾元件1b的輸出端子對中的差動輸出電壓設為Vh，將元件偏移(offset)電壓設為Voh，將同相電壓設為 Vcm(≒VDD/2)，將第一差動放大器2a、第二差動放大器2b的各放大率設為G，而對訊號成分的傳達進行說明。於第一霍爾元件1a與第二霍爾元件1b中電流的流動方向旋轉90度，因此第一霍爾元件1a的輸出端子對中的偏移成分與第二霍爾元件1b的輸出端子對中的偏移成分成為反相。若根據以上內容計算各連接點(V1~V10)的訊號電壓，則如下所示。
V1=Vcm-Vh/2+Voh/2…(2)
V2=Vcm+Vh/2-Voh/2…(3)
V3=Vcm-Vh/2-Voh/2…(4)
V4=Vcm+Vh/2+Voh/2…(5)
V5=Vcm-G(Vh/2-Voh/2)…(6)
V6=Vcm+G(Vh/2-Voh/2)…(7)
V7=Vcm-G(Vh/2+Voh/2)…(8)
V8=Vcm+G(Vh/2+Voh/2)…(9)
V9=Vref1…(10)
V10=Vref2…(11)
若將上述V5~V10代入至式(1)中，則電壓VO由式(12)表示。此處，比較器3通常是各差動放大器具有同一性而構成，且設為A1=A2=A3=A。
VO=2AGVh+A(Vref2-Vref1)…(12)
如此可知，第一霍爾元件1a、第二霍爾元件1b的偏移成分互相抵消，而可對磁場強度的放大訊號成分與任意地設定的基準電壓成分進行比較。於本實施例中，電壓VO為比較器的輸出電壓(A的值非常大)，故根據Vh的值而成為VDD電位、或者GND 電位。另外，亦可知該等一連串的訊號處理無需如先前例的分時訊號處理而可實現高速訊號處理。亦無需在分時訊號處理的情況下所需的開關電路或電容元件，從而亦可有助於晶片尺寸(chip size)的縮小即減少成本(cost)。
此處，預先對比較器3進行說明。比較器3成為如圖3所示的電路構成，包含定電流電路I1、N通道金氧半導體(N-channel Metal Oxide Semiconductor，NMOS)電晶體M43、NMOS電晶體M44A、NMOS電晶體M44B、NMOS電晶體M44C、NMOS電晶體M45A、NMOS電晶體M46A、NMOS電晶體M45B、NMOS電晶體M46B、NMOS電晶體M45C、NMOS電晶體M46C、及P通道金氧半導體(P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)電晶體M41、PMOS電晶體M42，且如下所述般連接而構成。定電流電路I1的一側連接於電源電壓端子VDD，另一側連接於NMOS電晶體M43的汲極(drain)及閘極(gate)。將該連接點設為VBN。VBN連接於NMOS電晶體M44A、NMOS電晶體M44B、NMOS電晶體M44C的各閘極。NMOS電晶體M43、NMOS電晶體M44A、NMOS電晶體M44B、NMOS電晶體M44C的源極(source)連接於接地(ground)端子VSS。NMOS電晶體M45A與NMOS電晶體M46A的源極連接於M44A的汲極，NMOS電晶體M45B與NMOS電晶體M46B的源極連接於M44B的汲極，NMOS電晶體M45C與NMOS電晶體M46C的源極連接於M44C的汲極。NMOS電晶體M45A、NMOS電晶體M45B及NMOS電晶體M45C的汲極連接於PMOS電晶體M41的汲極。將該連接點設為VA。NMOS電晶體M46A、NMOS電晶體M46B及NMOS電 晶體M46C的汲極連接於PMOS電晶體M42的汲極。該連接點連接於比較器3的輸出端子OUT。PMOS電晶體M41及PMOS電晶體M42的閘極連接於連接點VA，源極連接於電源電壓端子VDD。NMOS電晶體M45A、NMOS電晶體M46A的閘極分別連接於第一差動輸入對的第二輸入端子V6、第一輸入端子V5，NMOS電晶體M45B、NMOS電晶體M46B的閘極分別連接於第二差動輸入對的第二輸入端子V8、第一輸入端子V7，NMOS電晶體M45C、NMOS電晶體M46C的閘極分別連接於第三差動輸入對的第二輸入端子V10、第一輸入端子V9。
其次，對比較器3的動作進行說明。定電流電路I1產生定電流並供給至NMOS電晶體M43。NMOS電晶體M43、NMOS電晶體M44A、NMOS電晶體M44B、NMOS電晶體M44C構成電流鏡電路(current mirror circuit)，於NMOS電晶體M44A、NMOS電晶體M44B、NMOS電晶體M44C的汲極-源極間流通電流，該電流基於在NMOS電晶體M43的汲極-源極間流通的電流。包含NMOS電晶體M44A、NMOS電晶體M45A、NMOS電晶體M46A、PMOS電晶體M41、PMOS電晶體M42的五個電晶體構成差動放大器，且以如下方式進行動作：放大NMOS電晶體M45A、NMOS電晶體M46A的閘極電壓的差、即第一差動輸入對的第二輸入端子V6與第一輸入端子V5的電壓差，並輸出至輸出端子OUT。將該放大率設為A1。此處，關於電流鏡電路構成及差動放大器構成的動作，於互補金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)類比電路的文獻等中進行有詳細記載，此處省略詳細的說明。另外，包含NMOS電晶體M44B、NMOS電 晶體M45B、NMOS電晶體M46B、PMOS電晶體M41、PMOS電晶體M42的五個電晶體亦構成差動放大器，且以如下方式進行動作：將NMOS電晶體M45B、NMOS電晶體M46B的閘極電壓的差、即第二差動輸入對的第二輸入端子V8與第一輸入端子V7的電壓差進行放大，並輸出至輸出端子OUT。將該放大率設為A2。另外，包含NMOS電晶體M44C、NMOS電晶體M45C、NMOS電晶體M46C、PMOS電晶體M41、PMOS電晶體M42的五個電晶體亦構成差動放大器，且以如下方式進行動作：將NMOS電晶體M45C、NMOS電晶體M46C的閘極電壓的差、即第三差動輸入對的第二輸入端子V10與第一輸入端子V9的電壓差進行放大，並輸出至輸出端子OUT。將該放大率設為A3。另外，NMOS電晶體M45A、NMOS電晶體M45B、NMOS電晶體M45C的各汲極於連接點VA連接於PMOS電晶體M41的汲極，NMOS電晶體M46A、NMOS電晶體M46B、NMOS電晶體M46C的各汲極於輸出端子OUT連接於PMOS電晶體M42的汲極，藉此以於該連接點VA及輸出端子OUT將輸入至各差動放大器並經放大的訊號電壓相加的方式進行動作。若以公式表示該等動作，則如上述式(1)般。
再者，將霍爾元件增加至例如四個，與此相配合地將比較器的差動輸入對增加至五個(將輸入端子增加至十個)，而抑制霍爾元件偏移成分的影響，藉此亦可進一步提高磁場強度的檢測精度。如此，本發明可應對有效利用多個霍爾元件及包含多個差動輸入對的比較器的構成。
另外，本發明的實施方式中所示的磁性感測裝置亦可設為如 下構成，即，藉由將比較器變為差動放大器而輸出類比訊號(analog signal)。
圖2是表示本實施方式的磁性感測裝置的另一例的電路圖。
與圖1的磁性感測裝置的差異在於，於比較器3的第三差動輸入對的第一輸入端子、第二輸入端子與檢測電壓設定電路4之間設置有差動放大器2c。
差動放大器2c的第一輸出端子、及第二輸出端子分別連接於比較器3的第三差動輸入對的第二輸入端子V10、第一輸入端子V9。檢測電壓設定電路4包括基準電壓電路ref1、基準電壓電路ref2，分別對差動放大器2c的兩個輸入端子V11、輸入端子V12賦予任意的第一基準電壓Vref1、第二基準電壓Vref2。另外，第一差動放大器2a、第二差動放大器2b、差動放大器2c於半導體基板上配置在各自接近的位置，且分別具有同一性而構成。關於其他構成，與圖1的磁性感測裝置相同。
其次，對本實施例的磁性感測裝置的動作進行說明。將第一霍爾元件1a、第二霍爾元件1b的輸出端子對中的差動輸出電壓設為Vh，將元件偏移電壓設為Voh，將同相電壓設為Vcm(≒VDD/2)，將第一差動放大器2a、第二差動放大器2b的各放大率設為G，將差動放大器2c的放大率設為2G，將各差動放大器的第一輸入端子中的輸入偏移電壓設為Voa1，將第二輸入端子中的輸入偏移電壓設為Voa2，而對訊號成分的傳達進行說明。關於差動放大器的輸入偏移電壓，主要以系統偏移(systematic offset)為對象。與圖1的磁性感測裝置同樣地，第一霍爾元件1a與第二霍 爾元件1b中電流的流動方向旋轉90度，因此第一霍爾元件1a的輸出端子對中的偏移成分與第二霍爾元件1b的輸出端子對中的偏移成分成為反相。若根據以上內容計算各連接點的訊號電壓，則如下所示。
V1=Vcm-Vh/2+Voh/2…(13)
V2=Vcm+Vh/2-Voh/2…(14)
V3=Vcm-Vh/2-Voh/2…(15)
V4=Vcm+Vh/2+Voh/2…(16)
V11=Vref1…(17)
V12=Vref2…(18)
V5=Vcm-G(Vh/2-Voh/2-Voa1)…(19)
V6=Vcm+G(Vh/2-Voh/2+Voa2)…(20)
V7=Vcm-G(Vh/2+Voh/2-Voa1)…(21)
V8=Vcm+G(Vh/2+Voh/2+Voa2)…(22)
V9=Vcm2+2G(Vref2-Vcm2+Voa2)…(23)
V10=Vcm2+2G(Vref1-Vcm2+Voa1)…(24)
此處，Vcm2設為(Vref1+Vref2)/2。若將上述V5~V10代入至式(1)中，則VO由式(25)表示。此處，與第一實施方式同樣地，設為A1=A2=A3=A。
VO=2AG(Vh+Vref1-Vref2)…(25)
如此，可知第一霍爾元件1a、第二霍爾元件1b的偏移成分、及第一差動放大器2a、第二差動放大器2b、差動放大器2c的輸入偏移成分相抵消，而可對磁場強度的放大訊號成分與任意地設定的基準電壓成分進行比較。電壓VO為比較器的輸出電壓(A 的值非常大)，故根據Vh的值而成為VDD電位、或者GND電位。亦可知與圖1的磁性感測裝置同樣地，該等一連串的訊號處理無需如習知例的分時訊號處理而可實現高速訊號處理。亦無需在分時訊號處理的情況下所需的開關電路或電容元件，從而亦可有助於晶片尺寸的縮小即成本削減。
再者，與圖1的磁性感測裝置同樣地，可應對有效利用多個霍爾元件及包含多個差動輸入對的比較器的構成。
另外，與圖1的磁性感測裝置同樣地，亦可設為藉由將比較器變為差動放大器而輸出類比訊號的構成。
1a、1b‧‧‧霍爾元件
2a、2b‧‧‧差動放大器
3‧‧‧比較器
4‧‧‧檢測電壓設定電路
A-C、E-G‧‧‧第一端子對
B-D、F-H‧‧‧第二端子對
OUT‧‧‧輸出端子
ref1、ref2‧‧‧基準電壓電路
V1~V4‧‧‧連接點
V5、V7、V9‧‧‧第一輸入端子
V6、V8、V10‧‧‧第二輸入端子

Claims (5)

  1. 一種磁性感測裝置，根據施加至霍爾元件的磁場強度輸出訊號，其特徵在於包括：第一與第二霍爾元件；第一差動放大器，上述第一霍爾元件的輸出端子對連接於上述第一差動放大器的第一輸入端子與第二輸入端子，且向上述第一差動放大器的第一輸出端子與第二輸出端子輸出經放大的訊號電壓；以及第二差動放大器，上述第二霍爾元件的輸出端子對連接於上述第二差動放大器的第一輸入端子與第二輸入端子，且向上述第二差動放大器的第一輸出端子與第二輸出端子輸出經放大的訊號電壓，檢測電壓設定電路，輸出第一與第二基準電壓；以及比較器，包括分別與上述多個差動放大器連接的多個差動輸入對、及與上述檢測電壓設定電路連接的差動輸入對，上述比較器包括：第一差動輸入對，上述第一差動放大器的上述第一輸出端子與上述第二輸出端子連接於上述第一差動輸入對的第一輸入端子與第二輸入端子；第二差動輸入對，上述第二差動放大器的上述第一輸出端子與上述第二輸出端子連接於上述第二差動輸入對的第一輸入端子與第二輸入端子；以及第三差動輸入對，上述第一基準電壓與上述第二基準電壓連接於上述第三差動輸入對的第一輸入端子與第二輸入端子， 上述比較器以如下方式構成：自輸出端子輸出對上述第一差動輸入對、上述第二差動輸入對、及上述第三差動輸入對進行比較所得的結果。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性感測裝置，其中於上述檢測電壓設定電路與上述比較器的差動輸入對之間包括差動放大器。
  3. 一種磁性感測裝置，根據施加至霍爾元件的磁場強度輸出訊號，其特徵在於包括：多個霍爾元件，上述多個霍爾元件以每兩個為一組，分別為第一與第二霍爾元件，上述各組的上述第一與上述第二霍爾元件分別具有第一端子對和第二端子對，其中在上述各組中的上述第一霍爾元件的上述第一端子對的直線與上述第二霍爾元件的上述第一端子對相互平行；多個差動放大器，上述多個差動放大器以每兩個為一組，分別為第一與第二差動放大器，上述各組差動放大器中的上述第一差動放大器連接上述各組霍爾元件中的上述第一霍爾元件的上述第二端子對，上述第二差動放大器連接上述各組霍爾元件中的上述第二霍爾元件的上述第一端子對；檢測電壓設定電路，輸出第一與第二基準電壓；以及比較器，包括分別與上述多個差動放大器對應連接的第一差動輸入對和第二差動輸入對、及與上述檢測電壓設定電路連接的第三差動輸入對。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的磁性感測裝置，其中上述第一差動輸入對具有第一輸入端子與第二輸入端子，連 接到上述多個差動放大器中一組的上述第一差動放大器的第一輸出端子與第二輸出端子；上述第二差動輸入對具有第一輸入端子與第二輸入端子，連接到上述多個差動放大器中之該組的上述第二差動放大器的第一輸出端子與第二輸出端子；以及上述第三差動輸入對具有第一輸入端子與第二輸入端子，分別連接到上述第一基準電壓與上述第二基準電壓，上述比較器以如下方式構成：自輸出端子輸出對上述第一差動輸入對、多個第二差動輸入對、及上述第三差動輸入對進行比較所得的結果。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的磁性感測裝置，其中於上述檢測電壓設定電路與上述比較器的差動輸入對之間包括差動放大器。
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