TWI586986B - 磁性感測器裝置 - Google Patents

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Description

磁性感測器裝置
本發明係關於將磁場強度轉換成電性訊號的磁性感測器裝置，例如關於利用於折疊式行動電話機或筆記型電腦等中之開關狀態檢測用感測器，或是馬達之旋轉位置檢測感測器等之磁性感測器裝置。
就以摺疊式行動電話機或筆記型電腦等中之開關狀態檢測用感測器，或馬達之旋轉位置檢測感測器而言，使用有磁性感測器裝置。
磁性感測器裝置係藉由磁電轉換元件(例如霍耳元件)輸出與磁場強度或磁通密度呈比例之電壓，以放大器放大其輸出電壓，使用比較器而進行判定，以H訊號或L訊號之二值輸出。因磁電轉換元件之輸出電壓微小，故磁電轉換元件所持有之偏置電壓(元件偏置電壓)，或放大器或比較器所持有之偏置電壓(輸入偏置電壓)，再者磁性感測器裝置內之雜訊成為問題。元件偏置電壓主要係磁電轉換元件藉由封裝體所受到之應力等而產生。輸入偏置 電壓主要藉由構成放大器之輸入電路之元件的特性偏差等而產生。雜訊主要係藉由構成電路之單體電晶體所持有之閃爍雜音、單體電晶體或電阻元件所持有之熱雜音而產生。
提案有降低上述磁電轉換元件或放大器持有 之偏置電壓之影響的磁性感測器裝置(參照例如專利文獻1)。圖4所示之以往之磁性感測器裝置具備屬於磁電轉換元件之霍耳元件51、開關切換電路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成為圖5所示之測量放大器構 成，具備差動放大器61、62和電阻R61、R62、R63。差動放大器61及62分別當作非反轉放大器而動作。差動放大器53之第一輸入端子被連接於差動放大器61之非反轉輸入端子E61，第二輸入端子被連接於差動放大器62之非反轉輸入端子E62，第一輸出端子被連接於差動放大器61之輸出端子E63，第二輸出端子被連接於差動放大器62之輸出端子E64。差動放大器53係藉由設成如此之測量放大器，而能夠抑制差動輸入中之同相雜訊的影響。在此，差動放大器61及62之放大率被設定成相等。
圖6表示以往之磁性感測器裝置之動作之時 序圖。檢測動作之一周期T係藉由上述開關切換電路52之動作，被區分成對霍耳元件51之第一端子對A-C輸入電源電壓，並從第二端子對B-D輸出檢測電壓之第一檢測 狀態T1，和對第二端子對B-D輸入電源電壓，並從第一端子對A-C輸出檢測電壓之第二檢測狀態T2。再者，藉由各開關之開關，區分成第1取樣相F1、第2取樣相F2、比較相F3。然後，在比較相F3中去除各偏置成分。
[先行技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2010-281801號公報
但是，在以往之磁性感測器裝置中，為了抵銷偏置成分，如取樣相(Sample Phase)和比較相般必須要有設置複數之訊號處理期間之時間分割動作，不適合高速訊號處理。再者，為了進行時間分割動作，必須要有開關電路或電容元件之連接，電路構成變得複雜。
本發明之目的在於提供藉由活用具有複數之霍耳元件和複數之差動輸入對的比較器，抵銷霍耳元件之偏置成分，實現高精度之磁場強度檢測，並且高速地進行訊號處理的磁性感測器裝置。
為了解決以往般之問題點，本發明之磁性感 測器裝置構成下述般。
為一種磁性感測器裝置，具備：複數之霍耳元件、分別被連接於複數之霍耳元件的複數之可變電阻、分別連接複數之霍耳元件之複數的差動放大器、具有分別與複數之差動放大器連接的複數之差動輸入對的比較器。
若藉由本發明之磁性感測器裝置時，因可以以小規模電路任意設定磁場強度之檢測電壓位準，故可取消霍耳元件偏置，並且可以高速地進行訊號處理。
1a、1b、51‧‧‧霍耳元件
2a、2b、53‧‧‧差動放大器
3、54‧‧‧比較器
55‧‧‧檢測電壓設定電路
52‧‧‧開關切換電路
Ra、Rb‧‧‧可變電阻
圖1為表示本實施型態之磁性感測器裝置的電路圖。
圖2為表示本實施型態之霍耳元件和可變電阻的電路圖。
圖3為本實施形態所使用之比較器之電路圖之一例。
圖4為以往之磁性感測器裝置之電路圖。
圖5為以往之磁性感測器裝置之差動放大器之電路圖之一例。
圖6為以往之磁性感測器裝置之時序圖。
以下，針對本發明之實施形態一面參照圖面 一面予以詳細說明。本發明之磁性感測器裝置係作為折疊式行動電話機或筆記型電腦等中之開關狀態檢測感測器，或馬達之旋轉位置檢測感測器等，檢測磁場強度之狀態的感測器而被廣泛利用。在以下之實施型態中，雖然針對使用霍耳元件之磁性感測器裝置予以說明，但是本發明之磁性感測器裝置亦可以使用因應加速度或壓力等之各物理量而進行同樣的電壓輸出之轉換元件，來取代因應磁場強度而進行電壓輸出之霍耳元件。
圖1為表示與本發明有關之磁性感測器裝置 之實施形態的電路圖。本實施形態之磁性感測器裝置係由因應磁場強度而輸出訊號電壓之霍耳元件1a、1b、放大訊號電壓之差動放大器2a、2b、具有兩個差動輸入對之比較器3，和與霍耳元件連接之可變電阻Ra、Rb所構成。
霍耳元件1a、1b係在半導體基板上被配置分 別接近的位置上，連結霍耳元件1a之第一端子對A-C之直線，和連結霍耳元件1b之第一端子對E-G之直線被配置成互相平行之關係。其結果，連結霍耳元件1a之第二端子對B-D之直線，和連結霍耳元件1b之第二端子對F-H之直線也成為互相平行之關係。差動放大器2a、2b在以往例之說明中成為如圖5所示之測量放大器之構成。針對比較器3之詳細於後述，成為圖3所示之電路構成，輸出端子OUT之電壓VO以式(1)表示。
VO=A1(V6-V5)+A2(V8-V7)．．．(1)
在此，A1、A2為構成比較器3之兩個差動放大器之各放大率。可變電阻Ra、Rb分別被連接於霍耳元件1a之差動放大器2a之一端子和接地間，霍耳元件1b之差動放大器2b之一端子和接地間。
接著，針對本實施型態之磁性感測器裝置之動作予以說明。將霍耳元件1a、1b之輸出端子對中相對於磁場成分之差動輸出電壓設為Vh，將元件偏置電壓設為Voh，將同相電壓設為Vcm(≒VDD/2)，將差動放大器2a、2b之各放大率設為G，將被輸出至以可變電阻Ra、Rb所決定之霍耳元件1a、1b之各輸出端子對的檢測電壓成分分別以Vrefa、Vrefb，針對訊號成分之傳達予以說明。因在霍耳元件1a和1b中，電流之流動方向旋轉90度，故霍耳元件1a之輸出端子對中之偏置成分和霍耳元件1b之輸出端子對中之偏置成分成為逆相。基於上述，當計算各連接點之訊號電壓時，則如同下述。
V1=Vcm-Vh/2+Voh/2．．．(2)
V2=Vcm+Vh/2-Vrefa-Voh/2．．．(3)
V3=Vcm-Vh/2-Voh/2．．．(4)
V4=Vcm+Vh/2-Vrefb+Voh/2．．．(5)
V5=Vcm-G(Vh/2-Voh/2)．．．(6)
V6=Vcm+G(Vh/2-Vrefa-Voh/2)．．．(7)
V7=Vcm-G(Vh/2+Voh/2)．．．(8)
V8=Vcm+G(Vh/2-Vrefb+Voh/2)．．．(9)
當將上述之V5~V8代入至式(1)時，電壓VO則以式(10)表示。在此，比較器3係各差動放大器持有同一性而 構成為一般，設為A1=A2=A。
VO=AG(2Vh-Vrefa-Vrefb)．．．(10)
如此一來，可知霍耳元件1a、1b之偏置成分被抵銷，可以比較磁場強度之放大訊號成分和被任意設定之檢測電壓成分。在上述計算中，以分別在霍耳元件1a之端子B和接地間連接可變電阻Ra、在霍耳元件1b之端子G和接地間連接可變電阻Rb為前提，於可變電阻之一端之連接目的地從端子B切換至端子D，從端子G切換至端子E之時分別也取得相同之結果。此時，被檢測出之磁場強度之極性反轉。再者，在可變電阻之另一端之連接目的地從接地端子GND切換至電源電壓端子VDD之時，分別也取得相同之結果。
在本實施形態中，電壓VO因係比較器(A之值非常大)，故因應Vh之值，成為H訊號(VDD電位)或L訊號(GND電位)。再者，該些一連串之訊號處理無須如以往例般之時間分割訊號處理，可進行高速訊號處理。也不用於時間訊號處理之時所需要的開關電路或電容元件，可以縮小晶片尺寸，即是對於刪減成本也有貢獻。
在此，針對上述檢測電壓成分之Vrefa或Vrefb進行說明。如圖2所示般，霍耳元件1a、1b分別以由電阻R1~R4、R5~R8所構成之等效橋接電路所表示。可變電阻Ra係一端被連接於霍耳元件1a之端子B，另一端被連接於接地。同樣地，可變電阻Rb係一端被連接於 霍耳元件1b之端子G，另一端被連接於接地。接著，針對動作予以說明。在霍耳元件1a中端子B之電位和端子D之電位相等之時，即是，當考慮在後段之比較器中之第一差動輸入對之各電位相等之時，則成立式(11)之關係。
Ra=R1×R2×R3/(R2×R4-R1×R3)．．．．．(11)
在此，在無磁場之狀態下，當被施加R1=R2=R3=R4=R，或某大小的磁場的狀態下之各電阻值之變動量設為△R時，在上述式(11)之狀態下，可以想成R1=R-△R、R2=R+△R、R3=R-△R、R4=R+△R。將該些代入式(11)時，則導出式(12)。
Ra=R2(1-△R/R-(△R/R)2+(△R/R)3)/(4△R)．．．．．(12)
因△R比R小很多，故當無視(△R/R)之二次、三次項時，則成立式(13)。
△R/R≒1/(1+4Ra/R)．．．．．(13)
因此，在本實施形態中，不會依存電源電壓或製造偏差，可以僅以電阻比Ra/R決定檢測電壓。其結果，可以實現高精度之檢測電壓位準設定。同樣，即使在霍耳元件1b中，藉由可變電阻Rb同樣可以決定檢測電壓。藉由上述，檢測電壓成分Vrefa、Vrefb導出下述般。
Vrefa≒1/(1+4Ra/R)VDD．．．．．(14)
Vrefb≒1/(1+4Rb/R)VDD．．．．．(15)
再者，針對比較器3予以說明。比較器3成為圖3所示之電路構成，具有定電流電路I1、NMOS電晶體M43、M44A、M44B、M45A、M46A、M45B、M46B、PMOS電晶體M41、M42，被連接於下述般而構成。定電流電路I1之一方被連接於電源電壓端子VDD，另一方被連接於NMOS電晶體M43之汲極及閘極。將該連接點設為VBN。VBN被連接於NMOS電晶體M44A、M44B之各閘極。NMOS電晶體M43、M44A、M44B之源極被連接於接地端子VSS。NMOS電晶體M45A和M46A之源極被連接於M44A之汲極，NMOS電晶體M45B和M46B之源極被連接於M44B之汲極。NMOS電晶體M45A和M45B之汲極被連接於PMOS電晶體M41之汲極。將該連接點設為VA。NMOS電晶體M46A和M46B之汲極被連接於PMOS電晶體M42之汲極。該連接點被連接於比較器3之輸出端子OUT。PMOS電晶體M41和M42之閘極被連接於連接點VA，源極被連接於電源電壓端子VDD。NMOS電晶體M45A、M46A之閘極分別被連接於第一差動輸入對之第二輸入端子V6、第一輸入端子V5，NMOS電晶體M45B、M46B之閘極分別被連接於第二差動輸入對之第二輸入端子V8、第一輸入端子V7。
接著，說明比較器3之動作。定電流電路I1係產生定電流，並供給至NMOS電晶體M43。NMOS電晶 體M43、M44A、M44B構成電流鏡電路，在NMOS電晶體M44A、M44B之汲極-源極間流通根據在M43之汲極-源極間流動之電流的電流。由NMOS電晶體M44A、M45A、M46A、PMOS電晶體M41、M42所構成之5個電晶體構成差動放大器，放大NMOS電晶體M45A、M46A之閘極電壓之差，即是第一差動輸入對之第二輸入端子V6和第一輸入端子V5之電壓差，而動作成輸出至輸出端子OUT。將該放大率設為A1。在此，針對電流鏡電路構成及差動放大器構成之動作，在CMOS類比電路之文獻等中有詳細記載，在此省略詳細之說明。再者，由NMOS電晶體M44B、M45B、M46B、PMOS電晶體M41、M42所構成之5個電晶體構成差動放大器，放大NMOS電晶體M45B、M46B之閘極電壓之差，即是第二差動輸入對之第二輸入端子V8和第一輸入端子V7之電壓差，而動作成輸出至輸出端子OUT。將該放大率設為A2。再者，NMOS電晶體M45A、M45B之各汲極在連接點VA被連接於PMOS電晶體M41之汲極，NMOS電晶體M46A、M46B之各汲極在輸出端子OUT被連接於PMOS電晶體M42之汲極，依此在該連接點VA及輸出端子VO，動作成被加算被輸入至各差動放大器且被放大的訊號電壓。將該些動作以式表示，則如同上述式(1)般。
並且，關於本實施形態，將霍耳元件及可變電阻分別增加例如各四個，而配合此將比較器之差動輸入對增加至四個(8個輸入端子)，依此可以更抑制霍耳元件 偏置偏差之影響，亦可更提高磁場強度之檢測精度。如此一來，本發眀可以對應於活用具有複數霍耳元件和複數之差動輸入對之比較器的構成。
再者，在本發眀之實施形態中所示之磁性感測器裝置藉由將比較器變更成差動放大器，亦可以成為輸出類比訊號之構成。
1a、1b‧‧‧霍耳元件
2a、2b‧‧‧差動放大器
3‧‧‧比較器
Ra、Rb‧‧‧可變電阻

Claims (2)

  1. 一種磁性感測器裝置，係因應被施加於霍耳元件之磁場強度而進行輸出的磁性感測器裝置，其特徵在於：具備複數之霍耳元件；複數之可變電阻，其係分別被連接於上述複數之霍耳元件；複數之差動放大器，其具有連接上述複數之霍耳元件之各個輸出端子的第一輸入端子和第二輸入端子；及比較器，其具有分別與上述複數之差動放大器連接的複數之差動輸入對。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之磁性感測器裝置，其中上述複數之差動放大器為第一差動放大器和第二差動放大器，上述第一差動放大器係第一輸入端子和第二輸入端子與第一霍耳元件之輸出端子對連接，將被放大之訊號電壓朝第一輸出端子和第二輸出端子輸出；上述第二差動放大器係第一輸入端子和第二輸入端子與第二霍耳元件之輸出端子對連接，將被放大之訊號電壓朝第一輸出端子和第二輸出端子輸出，上述可變電阻為第一可變電阻和第二可變電阻，上述第一可變電阻被連接於上述第一霍耳元件之上述輸出端子對中之任一方和電源端子或接地端子之間； 上述第二可變電阻被連接於上述第二霍耳元件之上述輸出端子對中之任一方和電源端子或接地端子之間；上述比較器具備下述構件而構成：第一差動輸入對，其係第一輸入端子和第二輸入端子與上述第一差動放大器之上述第一輸出端子和上述第二輸出端子連接；和第二差動輸入對，其係第一輸入端子和第二輸入端子與上述第二差動放大器之上述第一輸出端子和上述第二輸出端子連接。
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