TWI591958B - 感測器電路 - Google Patents

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TWI591958B TW102148184A TW102148184A TWI591958B TW I591958 B TWI591958 B TW I591958B TW 102148184 A TW102148184 A TW 102148184A TW 102148184 A TW102148184 A TW 102148184A TW I591958 B TWI591958 B TW I591958B
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Description

感測器電路
本發明係關於感測器電路，更詳細而言，有關具有橋型感測器元件的感測器電路。
因感測器元件之輸出訊號(感測器訊號)一般微小，故為了適用於使用感測器元件之電子電路必須以感測器電路來放大。
近年來，電子機器朝小型化發展，連內藏的感測器電路也小型化，感測器電路之小型化導致感測器訊號之微小訊號化。因在一般的電子機器使用微小訊號之感測器訊號，故在感測器電路之放大器，必須要有更高之放大率。另外，感測器電路越來越要求高速動作化。高放大率和高速動作一般相反，為了滿足該些要求，在以往，放大器之消耗電流變多(例如，參照專例文獻1)。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2010-181211號公報
但是，在電子機器中，尤其在電池驅動之行動機器中，有市場難以接受消耗電流增大之問題。
本發明係鑒於該些問題點而研究出，提供不會增加消耗電流，可以高速且高放大率來放大感測器訊號之感測器電路。
本發明為了解決上述課題，以下述構件構成感測器電路：事先放大作為感測器元件之電流訊號的差動輸出訊號之一次放大器，和放大被放大之差動輸出訊號之二次放大器，和用以使感測器元件驅動電流保持一定之定電壓產生電路，和使反饋訊號回授而調整放大率的反饋電路，並將流通一次放大器之電流之大部分成為感測器元件之偏壓電流。
若藉由本發明之感測器電路，因對二次放大器輸入藉由一次放大器而被放大之感測器訊號，故感測器電路可以以高速且高放大率來放大感測器訊號。
再者，因即使在感測器電路附加一次放大器，一次放 大器之消耗電流之大部分也當作感測器元件驅動電流而被利用，故幾乎不會增加感測器電路之消耗電流。
S1‧‧‧感測器元件
C1‧‧‧一次放大器
C2‧‧‧定電壓產生電路
C3‧‧‧反饋電路
A1‧‧‧二次放大器
I1~I2、I4‧‧‧定電流源
圖1為表示第1實施型態之感測器電路的電路圖。
圖2為表示第2實施型態之感測器電路的電路圖。
圖3為表示第3實施型態之感測器電路的電路圖。
圖4為表示第4實施型態之感測器電路的電路圖。
圖5為表示第5實施型態之感測器電路的電路圖。
[第1實施型態]
圖1為表示第1實施型態之感測器電路的電路圖。
第1實施型態之感測器電路係由感測器元件S1、事先放大作為感測器元件S1之電流訊號的差動輸出訊號(感測器訊號)之一次放大器C1、放大被放大的感測器訊號的二次放大器A1、用以使感測器元件驅動電流保持一定之定電壓產生電路C2，和使反饋訊號回授而調整放大率的反饋電路C3所構成。在此，流通一次放大器C1之電流之大部分，係當作感測器元件S1之偏壓電流而流至感測器元件S1。
感測器元件S1係以電阻值相同之4個電阻 R33~R36構成橋型。或者，感測器元件S1為呈現出4個橋型之等效電阻的元件。
在一次放大器C1中，NMOS電晶體M11之閘極及汲極被連接於節點N13，源極經被串聯連接之電阻R11~R12而被連接於接地端子。定電流源I1被設置在電源端子和節點N13之間。NMOS電晶體M21之閘極及汲極被連接於節點N23，源極經被串聯連接之電阻R21~R22而被連接於接地端子。定電流源I2被設置在電源端子和節點N23之間。NMOS電晶體M12之閘極被連接於節點N13，源極被連接於節點N31，汲極經電阻R31被連接於電源端子。NMOS電晶體M22之閘極被連接於節點N23，源極被連接於節點N31，汲極經電阻R32被連接於電源端子。節點N331為與NMOS電晶體M12之汲極的連接點。節點N332為與NMOS電晶體M22之汲極的連接點。節點N11為與NMOS電晶體M11之源極。節點N21為與NMOS電晶體M21之源極。
二次放大器A1之非反轉輸入端子被連接於節點N332，反轉輸入端子被連接於節點N331，非反轉輸出端子被連接於感測器電路之非反轉輸出端子N02，反轉輸出端子被連接於感測器電路之反轉輸出端子N01。再者，二次放大器A1之輸出共同電壓回授端子被連接於作為感測器元件驅動電流之供給節點的節點N31。二次放大器A1之輸出共同電壓輸入端子被連接於作為二次放大器A1之輸出共同電壓之供給節點的節點N41。
在定電壓產生電路C2中，NMOS電晶體M41之閘極及汲極被連接於節點N43，源極經被串聯連接之電阻R41~R42而被連接於接地端子。定電流源I4被設置在電源端子和節點N43之間。節點N41為與NMOS電晶體M41之源極。
在反饋電路C3中，電阻13被設置在感測器電路之反轉輸出端子N01和節點N12之間。電阻23被設置在感測器電路之非反轉輸出端子N02和節點N22之間。
在此，定電流源I1~I2流通相同定電流。NMOS電晶體M11和NMOS電晶體M21為相同尺寸。NMOS電晶體M12和NMOS電晶體M22為相同尺寸。電阻R11~R13和電阻R21~23和電阻R41~R42為與感測器元件S1相同之材質。電阻R11~R12及電阻R21~R22之電阻值為相同。電阻R41~R42之電阻值為相同。
再者，將電阻R11~R13之電阻值分別設為R11~R13，將電阻R21~R23之電阻值分別設為R21~R23，將電阻R31~R36之電阻值分別設為R31~R36，將電阻R41~R42之電阻值分別設為R41~R42。將定電流源I1~I2之電流值分別設為I1~I2，將定電流源I4之電流值設為I4。如此一來，NMOS電晶體M11和NMOS電晶體M12之尺寸比以下式表示，1/(R11+R12)：1/(R33+R34)NMOS電晶體M21和NMOS電晶體M22之尺寸比以下式 表示，1/(R21+R22)：1/(R35+R36)NMOS電晶體M11和NMOS電晶體M41之尺寸比以下式表示，1/(R11+R12)：1/(R41+R42)再者，以I1：I4表示。
接著，針對第1實施型態之感測器電路之動作予以說明。
在此，感測器元件S1係根據流通於節點N31和接地端子之間的偏壓電流，及所施加之磁性等的物理量，對節點N12及節點N22，輸出感測器元件S1之電流訊號的差動輸出訊號(感測器訊號)。再者，定電壓產生電路C2係根據定電流源I4之定電流及電阻R41~R42之電阻值，在節點N41產生定電壓。該定電壓被輸入至二次放大器A1之輸出共同電壓輸入端子，成為二次放大器A1之輸出共同電壓。二次放大器A1係控制非反轉輸出端子和反轉輸出端子之電壓，以使輸出共同電壓輸入端子和輸出共同電壓回授端子之電壓成為相等。因在二次放大器A1之輸出共同電壓回授端子連接有節點N31，故節點N31和節點N41之電壓成為相等。
於不存在被施加於感測器元件S1之磁性等之物理量之時，因藉由溫度，電阻R11~R12之電阻值變動，故節點N11之電壓也變動。同樣，因電阻R33~R36之電阻值變動，故節點N31之電壓也變動。但是，因電阻 R11~R12與感測器元件S1之電阻R33~R36為相同之材質，故具有相同電阻值之溫度特性。依此，藉由溫度的電阻R11~R12及電阻R33~R36之電阻值之變動量相等。如此一來，節點N11和節點N31之電壓也相等，成為I1×(R11+R12)。同樣，節點N11和節點N21和節點N31和節點N41之電壓也全部相等。在此，因電阻R33和電阻R34之連接點，電阻R11和電阻R12之連接點為相同電壓，故電流不會在該些連接點之間流通。同樣，因電阻R35和電阻R36之連接點，電阻R21和電阻R22之連接點為相同電壓，故電流不會在該些連接點之間流通。
並且，當藉由溫度，電阻R12及電阻R22之電阻值分別變動時，其電阻變動之部分，使得節點NO1~NO2之二次放大器A1之輸出共同電壓也變動。
於存在被施加於感測器元件S1之磁性等之物理量之時，感測器訊號被輸出至節點N12，流通於電阻R12。再者，感測器訊號被輸出至節點N22，流至電阻R22。依此，在節點N12和節點N22之間產生電壓差△V12。該電壓差△V12分別位準移位並傳播至節點N13及節點N23，分別輸入至NMOS電晶體M12及NMOS電晶體M22之閘極。
藉由該差電壓△V12，流入電阻R31及電阻R32之電流，根據NMOS電晶體M12及NMOS電晶體M22之互相傳導gm3，分別變化。依此，在節點N331和節點N332之間產生電壓差△V331。該電壓差△V331成為電壓差△V12 之(gm3×R31)倍。一般而言，(gm3×R31)≒10容易被確保，輸入至二次放大器A1的輸入訊號振幅藉由存在二次放大器C1變大成大約10×(R12)/(R12+R34)倍。
電壓差△V331係藉由二次放大器A1而放大，藉由電阻R13及電阻R23，分別反饋至節點N12及節點N22。此時，電阻R13及電阻R23使反饋訊號回授而調整放大率，一次放大器C1及二次放大器A1動作成抵消感測器訊號之變動。於反饋後，當感測器訊號靜止時，一次放大器C1之動作狀態與無感測器訊號之情形相同。
並且，因作為感測器元件S1之電流訊號的差動輸出訊號(感測器訊號)依存於電阻R33~R36之電阻值，故當藉由溫度，該些電阻值變動時，感測器訊號也變動。但是，因電阻R13和電阻R23和電阻R33~R36為相同之材質，故具有相同電阻值之溫度特性。依此，藉由溫度的電阻R13和電阻R23和電阻R33~R36之電阻值之變動量相等。即是，該些電阻之電阻值之比不會變動。再者，藉由該些電阻之電阻值之溫度依存性，感測器元件S1之電流訊號變動。依此，節點NO1~NO2之電壓不會變動，不持有溫度依存性。如此一來，不需要補正溫度依存性之溫度補償電路。在感測器電路中，電路規模變小，消耗電流變少。
[第2實施型態]
圖2為表示第2實施型態之感測器電路的電路圖。
第2實施型態之感測器電路係在第1實施型態之感測器電路追加輸出共同電壓調整電路C4。產生期待之基準電壓的基準電壓產生電路V41經電阻R43被連接於節點N42。該電阻R43之電阻值成為例如R13×(1+R12/R34)。在第1實施型態之感測器電路中，節點NO1~NO2之二次放大器A1之輸出共同電壓成為(I1×R12)。但是，第2實施型態之感測器電路即使輸出共同電壓成為期待之電壓亦可。
[第3實施型態]
圖3為表示第3實施型態之感測器電路的電路圖。
第3實施型態之感測器電路係變更反饋電路C3之電阻R13及電阻R23之連接處。在第1實施型態之感測器電路中，電阻R13及電阻R23分別被連接於節點N12及節點N22。但是，第3實施型態之感測器電路即使電阻R13及電阻R23分別被連接於電阻N11及電阻N21亦可。於不存在被施加於感測器元件S1之磁性等之物理量之時，在第1實施型態之感測器電路中，節點NO1~NO2之二次放大器A1之輸出共同電壓為節點N12及節點N22之電壓，為從電源電壓低的電壓。但是，在第3實施型態之感測器電路中，輸出共同電壓成為節點N11及節點N21之電壓，高於圖1之情形。如此一來，可以擴寬節點NO1~NO2之感測器訊號之振幅，其部分，可以使得感測器訊號之放大率變高。
[第4實施型態]
圖4為表示第4實施型態之感測器電路的電路圖。
第4實施型態之感測器電路係一次放大器C1之電阻R31~R32分別被置換成二極體連接之PMOS電晶體M31~M32。
在第1實施型態之感測器電路中，當藉由溫度，感測器元件S1之電阻值變高時，節點N31之電壓也變高，NMOS電晶體M12及NMOS電晶體M22之汲極‧源極間電壓分別變低。此時，當藉由被施加至感測器元件S1之磁性等之物理量，節點N12或節點N22之電壓下降，節點N331或節點N332之電壓下降時，NMOS電晶體M12或NMOS電晶體M22之汲極‧源極間電壓變得更低。如此一來，NMOS電晶體M12或NMOS電晶體M22無法正常動作。
在第4實施型態之感測器電路中，藉由被施加至感測器元件S1之磁性等之物理量，節點N331~N332之電壓難變動。依此，NMOS電晶體M12及NMOS電晶體M22之汲極‧源極間電壓難變低。
[第5實施型態]
圖5為表示第5實施型態之感測器電路的電路圖。
如第5實施型態之感測器電路般，使各構成要素對電源端子及接地端子作反轉連接，即使將NMOS電晶體變更成PMOS電晶體而構成，亦可以取得與其他實施型態相同 之效果。第5實施型態之感測器電路係將第1實施型態之感測器電路之各構成要素對電源端子及接地端子作反轉連接而構成，即使針對其他實施型態也相同。
S1‧‧‧感測器元件
C1‧‧‧一次放大器
C2‧‧‧定電壓產生電路
C3‧‧‧反饋電路
A1‧‧‧二次放大器
I1~I2、I4‧‧‧定電流源
R11~R13、R21~R23、R31~R36、R41~R42‧‧‧電阻
M11、M12、M21、M22、M41‧‧‧NMOS電晶體
N11、N12、N13、N21、N22、N23、N31、N41、N42、N43、N331、N332‧‧‧節點
N01‧‧‧反轉輸出端子
N02‧‧‧非反轉輸出端子

Claims (4)

  1. 一種感測器電路，具備有第一輸入端子、第二輸入端子、第一輸出端子、第二輸出端子，放大以4個橋型等效電阻所構成之感測器元件所產生之電壓並予以輸出，該感測器電路之特徵為具備：一次放大器，其具備被串聯連接於電源端子和接地端子之間的第一定電流源和第一MOS電晶體和第一及第二電阻、被串聯連接於上述電源端子和上述接地端子之間的第二定電流源和第二MOS電晶體和第三及第四電阻、被串聯連接於上述電源端子和上述感測器元件之第一輸入端子之間的第一電阻成分和被電流鏡連接於上述第一MOS電晶體之第三MOS電晶體、以及被串聯連接於上述電源端子和上述感測器元件之第一輸入端子之間的第二電阻成分和被電流鏡連接於上述第二MOS電晶體之第四MOS電晶體，上述第一及第二電阻之連接點與上述感測器元件之第一輸出端子連接，上述第三及第四電阻之連接點與上述感測器元件之第二輸出端子連接，上述第二輸入端子被連接於上述接地端子；定電壓產生電路，其具備被串聯連接於電源端子和接地端子之間的第三定電流源和第五MOS電晶體和第五及第六電阻，且使產生定電壓；二次放大器，其係反轉輸入端子被連接於上述第三MOS電晶體之汲極，非反轉輸入端子被連接於上述第四MOS電晶體之汲極，反轉輸出端子被連接於上述感測器 電路之反轉輸出端子，非反轉輸出端子被連接於上述感測器電路之非反轉輸出端子，輸出共同電壓輸入端子被輸入上述定電壓，輸出共同電壓回授端子被輸入上述感測器元件之第一輸入端子之電壓；以及反饋電路，其具有被設置在上述二次放大器之反轉輸出端子和上述感測器元件之第一輸出端子之間的第七電阻，和被設置於上述二次放大器之非反轉輸出端子和上述感測器元件之第二輸出端子之間的第八電阻。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之感測器電路，其中上述第七電阻係一端連接於上述二次放大器之反轉輸出端子，另一端連接於上述感測器元件之第一輸出端子，上述第八電阻係一端連接於上述二次放大器之非反轉輸出端子，另一端連接於上述感測器元件之第二輸出端子。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載之感測器電路，其中上述第七電阻係一端連接於上述二次放大器之反轉輸出端子，另一端經上述第一電阻而連接於上述感測器元件之第一輸出端子，上述第八電阻係一端連接於上述二次放大器之非反轉輸出端子，另一端經上述第三電阻而連接於上述感測器元件之第二輸出端子。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載之感測器電路，其中另具備：被串聯連接於上述第五及第六電阻之連接點和接地端子之間的第九電阻和基準電壓產生電路。
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