JP2014167422A - Hall electromotive force signal detection circuit and current sensor thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ホール起電力信号検出回路及びその電流センサに関し、より詳細には、連続時間信号処理回路に好適に用いることが可能なホール起電力信号検出回路及びその電流センサに関する。 The present invention relates to a Hall electromotive force signal detection circuit and a current sensor thereof, and more particularly to a Hall electromotive force signal detection circuit and a current sensor thereof that can be suitably used for a continuous time signal processing circuit.
従来からホール素子を使った磁気センサは、磁石の位置情報の検出を行うセンサとして近接センサ、リニア位置センサ、回転角度センサなどに用いられているだけでなく、電流導体を流れる電流によって誘起される磁界を検出することによって電流導体を流れる電流量を非接触で測定する電流センサの用途においても広く利用されている。
特に、モータのインバータ電流を検出するために利用される電流センサにおいては、モータ制御を効率化する目的で、高い周波数でスイッチングするインバータの電流を高精度に検出することが要求されている。
Conventionally, magnetic sensors using Hall elements are not only used for proximity sensors, linear position sensors, rotation angle sensors, etc., as sensors for detecting magnet position information, but also induced by current flowing through a current conductor. It is also widely used in applications of current sensors that measure the amount of current flowing through a current conductor in a non-contact manner by detecting a magnetic field.
In particular, in a current sensor used for detecting an inverter current of a motor, it is required to detect an inverter current switching at a high frequency with high accuracy for the purpose of improving the efficiency of motor control.
この種のホール素子は、入力された磁界の強度に応じたホール起電力信号を発生する磁電変換機能を有するため、磁気センサとして広く用いられている。しかしながら、ホール素子には、磁場が零である状態、すなわち無磁場の状態でも、零でない有限の電圧が出力されてしまうというオフセット電圧（不平衡電圧）が存在する。
そこで、ホール素子を利用した磁気センサにおいては、ホール素子が持つオフセット電圧をキャンセルする目的で、スピニングカレント（Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）法又はＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ法といった名称で一般的に知られているホール素子の駆動方法が存在する。この方法とは、ホール素子に駆動電流を流すための端子対の位置と、ホール起電力信号を検出するための端子対の位置との間で、チョッパークロックと呼ばれるクロックにしたがって周期的に入れ替える操作を行うものである（例えば、非特許文献１，特許文献２参照）。
This type of Hall element is widely used as a magnetic sensor because it has a magnetoelectric conversion function for generating a Hall electromotive force signal corresponding to the intensity of an input magnetic field. However, the Hall element has an offset voltage (unbalanced voltage) in which a finite voltage that is not zero is output even when the magnetic field is zero, that is, when there is no magnetic field.
Therefore, in a magnetic sensor using a Hall element, for the purpose of canceling an offset voltage possessed by the Hall element, a Hall element driving method generally known by a name such as a spinning current method or a Connection comment method is used. Exists. This method is an operation of periodically switching between the position of a terminal pair for flowing a drive current to the Hall element and the position of a terminal pair for detecting a Hall electromotive force signal according to a clock called a chopper clock. (For example, see Non-Patent
このオフセット電圧のキャンセルを目的としたＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法は、ＣＭＯＳ半導体回路においてもスイッチ回路を用いて構成できるものであるため、高精度な磁気センサを実現するためのホール起電力信号検出回路は、一般的に、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法を実現するためのスイッチ回路を備えたものとなる。
また、インバータの電流を測定する用途にホール素子を利用した磁気センサが使用される場合には、信号帯域に関する広帯域特性、信号処理遅延時間に関する高速応答特性、信号品質に関する低ノイズ特性などが磁気センサに要求される。このため、こうした場合には、ホール素子において発生するホール起電力信号を信号処理する回路方式として、離散時間化（サンプリング）を行う離散時間信号処理回路に対して、連続時間で信号処理を行う連続時間信号処理回路が有利となる。この連続時間信号処理回路は、離散時間化（サンプリング）によるノイズの折り返す現象が無いため、インバータのスイッチングによる高周波ノイズの多い環境で使用する場合においては、特に好適な回路構成である。
Since the Spinning current method for canceling the offset voltage can be configured using a switch circuit even in a CMOS semiconductor circuit, a Hall electromotive force signal detection circuit for realizing a highly accurate magnetic sensor is generally used. In particular, a switch circuit for realizing the spinning current method is provided.
In addition, when a magnetic sensor using a Hall element is used for measuring the current of an inverter, the magnetic sensor has such characteristics as a wide band characteristic related to a signal band, a high-speed response characteristic related to a signal processing delay time, and a low noise characteristic related to signal quality. As required. For this reason, in such a case, as a circuit system for signal processing of the Hall electromotive force signal generated in the Hall element, continuous signal processing is performed in continuous time for a discrete time signal processing circuit that performs discrete time (sampling). A time signal processing circuit is advantageous. Since this continuous-time signal processing circuit does not have a phenomenon of noise folding due to discrete time (sampling), it is a particularly suitable circuit configuration when used in an environment with a lot of high-frequency noise due to switching of an inverter.
以下に、図１（ａ），（ｂ）に基づいてホール素子のＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法について説明する。
図１（ａ），（ｂ）は、チョッパークロックの位相がφ１、φ２の２値の間で切り替わるたびに、ホール素子をバイアスする駆動電流の向きを、それぞれ、０度と９０度と切り替えるときのホール起電力検出を説明した図である。図中のホール素子は、４つの抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）からなる４端子の素子としてモデル化されており、定電流駆動されている。
Hereinafter, the spinning current method of the Hall element will be described with reference to FIGS.
FIGS. 1A and 1B show a case where the direction of the drive current for biasing the Hall element is switched between 0 degree and 90 degrees each time the phase of the chopper clock is switched between two values of φ1 and φ2. It is a figure explaining the Hall electromotive force detection of. The Hall element in the figure is modeled as a four-terminal element composed of four resistors (R1, R2, R3, R4), and is driven at a constant current.
図１（ａ），（ｂ）に示したホール素子のモデルにおいて、これらの４つの抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）の抵抗値は、固定値でないことに注意が必要である。ホール素子が半導体基板の中のＮウェルとして形成される場合、一般に半導体製造時のプロセス勾配によって、各ホール素子の内部に不純物濃度の濃淡分布が発生する。このため、４つの端子（端子１、端子２、端子３、端子４）のどの端子から駆動電流が注入されるかによって、ホール素子（Ｎウェル）内部での電位分布が変わり、ホール素子（Ｎウェル）内部での空乏層の発生状況も変わる。したがって、ホール素子のモデルにおける４つの抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の抵抗値は、ホール素子の４つの端子（端子１、端子２、端子３、端子４）のどの端子から駆動電流が注入されるかに依存して、それぞれの値が変化することになる。
In the Hall element model shown in FIGS. 1A and 1B, it should be noted that the resistance values of these four resistors (R1, R2, R3, R4) are not fixed values. When the Hall element is formed as an N-well in a semiconductor substrate, an impurity concentration distribution is generally generated inside each Hall element due to a process gradient during semiconductor manufacturing. For this reason, the potential distribution in the Hall element (N well) varies depending on which of the four terminals (
図１（ａ），（ｂ）において、チョッパークロックの位相がφ１（ホール素子の駆動方向は０度）のときと、チョッパークロックの位相がφ２（ホール素子の駆動方向は９０度）の時に測定される電圧信号 Ｖｈａｌｌ（φ１）とＶｈａｌｌ（φ２）は、数式１のように、ホール素子を使った磁気センサの検出対象となる磁場Ｂに対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）とホール素子のオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）の和として表される。
1A and 1B, measurement is performed when the phase of the chopper clock is φ1 (the driving direction of the Hall element is 0 degrees) and when the phase of the chopper clock is φ2 (the driving direction of the Hall element is 90 degrees). The voltage signals Vhall (φ1) and Vhall (φ2) to be generated are, as shown in
ここで、チョッパークロックの位相にしたがって、ホール素子のバイアス電流の方向を０度と９０度の間で周期的に切替えることによって、検出対象の磁場に対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）の極性を反転することができるため、Ｖｓｉｇ（Ｂ）をチョッパークロックの周波数ｆ＿ｃｈｏｐに周波数変調することが出来る。一方で、ホール素子のＤＣオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）に関しては、ホール素子の駆動方向を０度と９０度の間で切替えても同じ極性の値となるため、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）はチョッパークロックによる周波数変調を受けない。 Here, the polarity of the Hall electromotive force signal Vsig (B) corresponding to the magnetic field to be detected by periodically switching the bias current direction of the Hall element between 0 degree and 90 degrees according to the phase of the chopper clock. Since Vsig (B) can be frequency-modulated to the frequency f_chop of the chopper clock. On the other hand, the DC offset voltage Vos (Hall) of the Hall element has the same polarity value even if the driving direction of the Hall element is switched between 0 degrees and 90 degrees, so Vos (Hall) is the frequency of the chopper clock. Not modulated.
以上のことから、チョッパークロックの位相にしたがって、ホール素子の駆動電流の方向を０度と９０度の間で切替える操作を行う場合、ホール素子において発生される信号Ｖｈａｌｌは、図２（ａ）乃至（ｄ）に示すような波形となる。また、ホール素子において発生される信号のスペクトルは、図３に示すようなスペクトルとなることから、検出対象の磁界に対応したホール起電力信号Ｖｓｉｇ（Ｂ）とホール素子のオフセット電圧Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ）は、周波数領域において分離されることが解る。これが、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法によるホール素子のオフセットキャンセルの原理である。 From the above, when the operation of switching the direction of the driving current of the Hall element between 0 degree and 90 degrees according to the phase of the chopper clock is performed, the signal Vhall generated in the Hall element is as shown in FIG. The waveform is as shown in (d). Since the spectrum of the signal generated in the Hall element is a spectrum as shown in FIG. 3, the Hall electromotive force signal Vsig (B) corresponding to the magnetic field to be detected and the offset voltage Vos (Hall) of the Hall element. Are separated in the frequency domain. This is the principle of the offset cancellation of the Hall element by the spinning current method.
また、例えば、特許文献１に記載のものは、このＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法での順序シーケンスについて、２つのホール素子のうち一方のホール素子では駆動電流の向きを時計回りに切り替え、もう一方のホール素子では駆動電流の向きを反時計回りに切り替えることが開示されている。
また、特許文献３に記載のものは、ホール素子励磁電流を１つの方向の流れから別の方向の流れに交互に切換えるチョップホールセンサに関するもので、特に、チョップサンプルアンドホールドホール電圧回路をスイッチされるホールセンサに同期的にクロックさせるようなホールセンサが開示されている。
また、非特許文献２には、ホール素子のＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法を実現する回路構成として、サンプル＆ホールドといった離散時間化（サンプリング）を行う回路方式が開示されている。
Further, for example, the one disclosed in
Further, the one described in
Non-Patent
しかしながら、ホール素子のＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法を実現する回路構成として、サンプル＆ホールドといった離散時間化（サンプリング）を行う回路方式があるものの、上述したように、インバータの電流を検出する電流センサといった用途では連続時間信号で処理回路を行う回路方式が望まれている。
この連続時間信号処理方式では、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法においてホール素子の駆動電流を通電する端子を選択、切替を行う順序、シーケンスによって、切り替え時に発生するスパイク状の誤差信号の発生度合いが変わってくる。
However, as a circuit configuration that realizes the spinning current method of the Hall element, there is a circuit system that performs discrete time (sampling) such as sampling and holding, but as described above, it is continuously used in applications such as a current sensor that detects an inverter current. A circuit system that performs a processing circuit with a time signal is desired.
In this continuous-time signal processing method, the degree of occurrence of spike-like error signals generated at the time of switching varies depending on the order and sequence for selecting and switching the terminals through which the Hall element drive current is passed in the Spinning current method.
上述した特許文献１に開示された方法においては、ホール素子の駆動電流を通電する端子対の位置とホール起電力信号を検出する端子対の位置を選択する動作に関して、ひとつのホール素子（ホール素子１）においては、これらの端子対の位置の選択を時計回りの回転方向に順次、選択し、もうひとつのホール素子（ホール素子２）においては、これらの端子対の位置の選択を反時計回りの回転方向に順次、選択する。したがって、４つの端子を持つホール素子に対して、この演算を行うためにチョッパークロックに関して４つの期間分の時間が必要となる。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、連続時間信号処理回路に好適に用いることが可能なホール起電力信号検出回路及びその電流センサを提供することにある。
In the method disclosed in
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a Hall electromotive force signal detection circuit and a current sensor thereof that can be suitably used for a continuous-time signal processing circuit. It is in.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、複数の端子を備えたホール素子に駆動電流を通電する端子位置を選択してホール起電力信号電圧を検出するように構成したホール起電力信号検出回路において、第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方のホール素子と、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方のホール素子と、前記一方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方のスイッチ回路と、前記他方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方のスイッチ回路と、前記一方のスイッチ回路と前記他方のスイッチ回路にチョッパークロック信号を供給するチョッパークロック生成回路と、前記一方のホール起電力信号電圧と前記他方のホール起電力信号電圧とを同時に加算するホール起電力信号処理回路とを備え、前記一方のスイッチ回路の出力と前記他方のスイッチ回路の出力が短絡され、前記一方及び他方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記一方及び他方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を、互いに逆極性のスパイクを発生させるように、前記各端子間で切り替えを行うことを特徴とする。
The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to
また、請求項２に記載の発明は、複数の端子を備えたホール素子に駆動電流を通電する端子位置を選択してホール起電力信号電圧を検出するように構成したホール起電力信号検出回路において、第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方のホール素子と、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方のホール素子と、前記一方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方のスイッチ回路と、前記他方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方のスイッチ回路と、前記一方のスイッチ回路と前記他方のスイッチ回路にチョッパークロック信号を供給するチョッパークロック生成回路とを備え、前記一方のスイッチ回路の出力と前記他方のスイッチ回路の出力が短絡され、前記一方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記一方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を前記ホール素子の第１の端子と第２の端子との間で切り替えを行い、前記他方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記他方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を前記ホール素子の第４の端子と第３の端子との間で切り替えを行うことを特徴とする。（図１２） According to a second aspect of the present invention, there is provided a Hall electromotive force signal detection circuit configured to detect a Hall electromotive force signal voltage by selecting a terminal position through which a drive current is supplied to a Hall element having a plurality of terminals. , One Hall element including first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage, and the other Hall including first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage. A switch circuit for selecting a terminal position through which the drive current is supplied from the element, the four terminals of the one Hall element, and a terminal position through which the drive current is supplied from the four terminals of the other Hall element. A switch circuit for selecting a terminal position different from the one switch circuit, and a chopper clock signal for supplying the chopper clock signal to the one switch circuit and the other switch circuit. A first clock circuit, the output of the one switch circuit and the output of the second switch circuit are short-circuited, the one switch circuit is based on the chopper clock signal generated by the chopper clock generation circuit, The terminal position for injecting the drive current in the one hall element is switched between the first terminal and the second terminal of the hall element, and the other switch circuit is generated by the chopper clock generation circuit. Further, the terminal position for injecting the drive current in the other Hall element is switched between the fourth terminal and the third terminal of the Hall element based on the chopper clock signal. (Fig. 12)
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記チョッパークロック生成回路は、前記一方のスイッチ回路と前記他方のスイッチ回路に異なる２つの位相のチョッパークロック信号を供給する回路であり、前記一方のスイッチ回路において、前記チョッパークロック信号の一方の位相のときに前記第１の端子から前記駆動電流を注入し、前記チョッパークロック信号の他方の位相のときに前記第２の端子から駆動電流を注入するとともに、前記他方のスイッチ回路において、前記チョッパークロック信号の一方の位相のときに前記第４の端子から前記駆動電流を注入し、前記チョッパークロック信号の他方の位相のときに前記第３の端子から駆動電流を注入することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the chopper clock generation circuit supplies chopper clock signals having two different phases to the one switch circuit and the other switch circuit. The one switch circuit injecting the driving current from the first terminal when the phase of the chopper clock signal is one phase and the second phase when the phase of the chopper clock signal is the other phase. Injecting drive current from the terminal, and in the other switch circuit, injecting the drive current from the fourth terminal when the phase of the chopper clock signal is one phase, and when the phase of the chopper clock signal is the other phase A drive current is injected from the third terminal.
また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、前記一方のホール素子と前記他方のホール素子とを隣接して並列させたレイアウト配置であることを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、請求項２，３又は４に記載の発明において、前記一方及び他方のホール素子は、複数のホール素子を並列接続して構成されたホール素子であることを特徴とする。
The invention according to
The invention according to
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記並列接続されたホール素子の数が、２個であることを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項２乃至６のいずれかに記載の発明において、前記駆動電流の向きの異なる４個のホール素子を互いに隣接して並列させたレイアウト配置であることを特徴とする。
The invention according to
The invention according to
また、請求項８に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれかに記載の発明において、第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方の別のホール素子と、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方の別のホール素子と、前記一方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方の別のスイッチ回路と、前記他方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方の別のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方の別のスイッチ回路とをさらに備え、前記一方のスイッチ回路の出力と前記他方のスイッチ回路の出力と前記一方の別のスイッチ回路の出力と前記他方の別のスイッチ回路の出力とが短絡されることを特徴とする。（図１８）
The invention according to claim 8 is the invention according to any one of
また、請求項９に記載の発明は、請求項２乃至７のいずれかに記載の発明において、第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方の別のホール素子と、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方の別のホール素子と、前記一方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方の別のスイッチ回路と、出力が前記一方の別のスイッチ回路の出力と短絡され、前記他方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方の別のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方の別のスイッチ回路と、前記一方のスイッチ回路及び他方のスイッチ回路の出力と前記一方の別のスイッチ回路及び他方の別のスイッチ回路の出力とを同時に加算するホール起電力信号処理回路とをさらに備えることを特徴とする。（図１９）
The invention according to
また、請求項１０に記載の発明は、複数の端子を備えたホール素子に駆動電流を通電する端子位置を選択してホール起電力信号電圧を検出するように構成したホール起電力信号検出回路において、第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方のホール素子と、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方のホール素子と、前記一方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方のスイッチ回路と、前記他方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方のスイッチ回路と、前記一方のスイッチ回路と前記他方のスイッチ回路にチョッパークロック信号を供給するチョッパークロック生成回路と、前記一方のホール起電力信号電圧と前記他方のホール起電力信号電圧とを同時に加算するホール起電力信号処理回路とを備え、前記一方のスイッチ回路の出力と前記他方のスイッチ回路の出力が短絡され、前記一方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記一方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を前記ホール素子の第１乃至第４の端子の間で一方向回りで切り替えを行い、前記他方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記他方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を前記ホール素子の第１乃至４の端子の間で前記一方向回りとは逆の他方向まわりで切り替えを行うことを特徴とする。（図２０）
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０のいずれかに記載のホール起電力信号検出回路を用いたことを特徴とする電流センサ。
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a Hall electromotive force signal detection circuit configured to detect a Hall electromotive force signal voltage by selecting a terminal position through which a driving current is supplied to a Hall element having a plurality of terminals. , One Hall element including first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage, and the other Hall including first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage. A switch circuit for selecting a terminal position through which the drive current is supplied from the element, the four terminals of the one Hall element, and a terminal position through which the drive current is supplied from the four terminals of the other Hall element. The chopper clock signal is supplied to the other switch circuit that selects a different terminal position from the one switch circuit, and to the one switch circuit and the other switch circuit. And a Hall electromotive force signal processing circuit for simultaneously adding the one Hall electromotive force signal voltage and the other Hall electromotive force signal voltage, and an output of the one switch circuit and the other switch circuit. And the one switch circuit determines a terminal position for injecting a drive current in the one hall element based on the chopper clock signal generated by the chopper clock generation circuit. To the fourth terminal, and the other switch circuit injects drive current in the other Hall element based on the chopper clock signal generated by the chopper clock generation circuit. The terminal position to be rotated around the one direction between the first to fourth terminals of the Hall element And performs switching in the other direction around the opposite. (Fig. 20)
The invention according to
本発明によれば、ホール起電力信号検出の高精度化の障害となるスパイク状の誤差信号の発生を著しく低減することが可能となる。また、各ホール素子の内部での不純物濃度の濃淡分布（半導体製造時のプロセス勾配に起因して発生する）の影響を含めた高精度なオフセットキャンセルを短い期間に高速実行することが可能となるため、本発明のホール起電力信号検出回路は、電流センサといった高速応答性が要求される磁気センサを、ホール素子を使って実現するうえで有効なものである。また、連続時間信号処理回路に好適に用いることができる。 According to the present invention, it is possible to remarkably reduce the occurrence of spike-like error signals that hinder the improvement in accuracy of Hall electromotive force signal detection. In addition, it is possible to execute high-precision offset cancellation at high speed in a short period of time, including the influence of the concentration distribution of the impurity concentration inside each Hall element (generated due to the process gradient during semiconductor manufacturing). Therefore, the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention is effective in realizing a magnetic sensor such as a current sensor that requires high-speed response using a Hall element. Further, it can be suitably used for a continuous time signal processing circuit.
まず、本発明の前提となるホール起電力信号検出回路の構成について図４に基づいて以下に説明する。
図４は、本発明の前提となるホール起電力信号検出回路を説明するための回路構成図で、連続時間信号処理回路の例を示している。図中符号１はチョッパークロック生成回路、２は駆動電流生成回路、３は第１のホール素子、４は第１のスイッチ回路、５は第２のホール素子、６は第２のスイッチ回路、７はホール起電力信号処理回路を示している。
図４に示したホール起電力信号検出回路は、２つのホール素子である第１のホール素子３と第２のホール素子５において発生させるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２をホール起電力信号処理回路７によって連続時間で同時加算して、出力信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｕｍ１２を生成する回路である。
First, the configuration of the Hall electromotive force signal detection circuit as a premise of the present invention will be described below with reference to FIG.
FIG. 4 is a circuit configuration diagram for explaining a Hall electromotive force signal detection circuit which is a premise of the present invention, and shows an example of a continuous time signal processing circuit. In the figure,
The Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. 4 generates Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall2 generated in the
第１のホール素子３及び第２のホール素子５のそれぞれは、４つの端子（端子１、端子２、端子３、端子４）を備えており、第１のホール素子３及び第２のホール素子５のそれぞれに接続された第１のスイッチ回路４及び第２のスイッチ回路６においては、チョッパークロック生成回路１において生成される２相のチョッパークロック信号の位相φ（φ１、φ２）にしたがって、ホール素子を駆動する駆動電流を注入する端子対及びホール起電力信号を検出する端子対を切替えて、第１のホール素子３及び第２のホール素子５のそれぞれにおいて発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２を検出する。すなわち、第１のホール素子３及び第２のホール素子５については、それぞれ、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法によるオフセットキャンセルを行うものとする。
Each of the
上述したホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２は、ホール起電力信号処理回路７によって同時加算され、出力信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｕｍ１２が得られる。
図５（ａ），（ｂ）は、上述した第１のホール素子及び第２のホール素子において、チョッパークロックの位相φがφ１、φ２の間で切り替わる際に、ホール素子の駆動電流を通電する２つの端子と、ホール起電力信号を検出する２つの端子について示した図である。
The Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall2 described above are simultaneously added by the Hall electromotive force
5 (a) and 5 (b) show that when the phase φ of the chopper clock is switched between φ1 and φ2 in the first Hall element and the second Hall element described above, the drive current of the Hall element is energized. It is the figure shown about two terminals and two terminals which detect a Hall electromotive force signal.
図５（ａ），（ｂ）において、チョッパークロック位相がφ１のとき、第１のホール素子３及び第２のホール素子５の駆動電流は、端子１から端子３に向けて注入され、ホール起電力信号は、端子２と端子４の間の電圧信号として検出される。
したがって、第１のホール素子３及び第２のホール素子５において、チョッパークロック位相がφ１のとき、端子１の電位は高い側のバイアス電圧Ｖｂｉａｓ＋となり、端子３の電位は低い側のバイアス電圧Ｖｂｉａｓ−となることが解る。同様に考えると、チョッパークロック位相がφ２のとき、端子２の電位は高い側のバイアス電圧Ｖｂｉａｓ＋となり、端子４の電位は低い側のバイアス電圧Ｖｂｉａｓ−となることが解る。
5A and 5B, when the chopper clock phase is φ1, the drive currents of the
Therefore, in the
実際に、ホール素子をシリコンモノリシックホール素子として、ＩＣ回路のなかで形成する場合には、Ｖｂｉａｓ＋は３Ｖといった電圧に設定される。また、シリコンモノリシックホール素子の抵抗値が２ｋΩで、駆動電流の大きさが０．５ｍＡの場合、バイアス電位Ｖｂｉａｓ−は、Ｖｂｉａｓ＋と比べて１Ｖだけ低くなるため、Ｖｂｉａｓ−＝２Ｖとなる。 Actually, when the Hall element is formed as a silicon monolithic Hall element in an IC circuit, Vbias + is set to a voltage of 3V. When the resistance value of the silicon monolithic Hall element is 2 kΩ and the magnitude of the drive current is 0.5 mA, the bias potential Vbias− is lower by 1 V than Vbias +, and thus Vbias− = 2V.
ここで、ホール素子がＮ型半導体として形成されており、第１のホール素子３及び第２のホール素子５に印加される磁界Ｂの向きが、紙面の裏側面から表側面に向けて垂直な向きである場合、端子２と端子４の間に発生するホール起電力信号は、端子２に＋側の電位＋Ｖｓｉｇ（Ｂ）を持ち、端子４に−側の電位−Ｖｓｉｇ（Ｂ）を持つ電圧信号として発生する。そこで、ホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２は、端子４を基準として測定される端子２の電位として定義されるため、チョッパークロック信号がφ１のときのホール素子１、ホール素子２において発生されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２は、＋２Ｖｓｉｇ（Ｂ）として検出されることになる。
同様に考えると、チョッパークロック位相がφ２のとき、第１のホール素子３及び第２のホール素子５において発生されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２は、−２Ｖｓｉｇ（Ｂ）として検出されることになる。
Here, the Hall element is formed as an N-type semiconductor, and the direction of the magnetic field B applied to the
Similarly, when the chopper clock phase is φ2, the Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall2 generated in the
表１は、第１のホール素子及び第２のホール素子において駆動電流を通電する端子対についてまとめたものである。また、表２は、第１のホール素子及び第２のホール素子においてホール起電力信号を検出する端子対についてまとめたものである。
表１にしたがって、第１のホール素子及び第２のホール素子の駆動電流を通電し、表２にしたがって、ホール起電力信号の検出を行うと、第１のホール素子及び第２のホール素子におけるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２は、表３のように検出される。
Table 1 summarizes terminal pairs through which a drive current is passed in the first Hall element and the second Hall element. Table 2 summarizes terminal pairs that detect Hall electromotive force signals in the first Hall element and the second Hall element.
When the drive currents of the first Hall element and the second Hall element are applied according to Table 1 and the Hall electromotive force signal is detected according to Table 2, the first Hall element and the second Hall element are detected. Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall2 are detected as shown in Table 3.
ここで、第１のホール素子と第２のホール素子は、異なる２つのホール素子であるが、第１のホール素子第２とホール素子との間では、磁気感度の値が揃っていると仮定して、第１のホール素子と第２のホール素子との間で共通な値Ｖｓｉｇ（Ｂ）を用いている。この仮定に関し、第１のホール素子と第２のホール素子が半導体ＩＣプロセスを使って形成され、ＩＣ内で互いに近接して配置される場合には、第１のホール素子と第２のホール素子に対して、半導体製造時のプロセス勾配が一様に及ぶことになるため、この仮定は妥当な仮定である。 Here, the first Hall element and the second Hall element are two different Hall elements, but it is assumed that the magnetic sensitivity values are uniform between the first Hall element second and the Hall element. Thus, the common value Vsig (B) is used between the first Hall element and the second Hall element. With respect to this assumption, if the first Hall element and the second Hall element are formed using a semiconductor IC process and are arranged close to each other in the IC, the first Hall element and the second Hall element On the other hand, this assumption is a reasonable assumption because the process gradient at the time of manufacturing the semiconductor uniformly extends.
一方、オフセットに関しては、上述したように、各ホール素子の内部で半導体製造時のプロセス勾配による不純物濃度の濃淡分布があるため、駆動電流が端子１から端子３に通電（０度方向に通電）されるときのオフセット電圧値はＶｏｓ（Ｈａｌｌ，０°）であり、駆動電流が端子２から端子４に通電（９０度方向に通電）されるときのオフセット電圧値はＶｏｓ（Ｈａｌｌ，９０°）と、駆動電流の通電方向によって、オフセット電圧値は僅かに異なる値となる。一般に、ＣＭＯＳ半導体プロセスを使って製造されたホール素子においては、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，０°）とＶｏｓ（Ｈａｌｌ，９０°）の差は、１０μＶ程度となる。
On the other hand, regarding the offset, as described above, since there is a concentration distribution of the impurity concentration due to the process gradient at the time of semiconductor manufacturing inside each Hall element, the drive current is passed from the
このように、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，０°）とＶｏｓ（Ｈａｌｌ，９０°）との間に、１０μＶ程度の差異があるため、図４及び図５（ａ），（ｂ）に示したホール起電力信号検出回路では、オフセットキャンセル後にも１０μＶ程度のオフセットが残留することになる。つまり、図４及び図５（ａ），（ｂ）には、スパイク状の誤差信号という問題点だけでなく、オフセットキャンセルの精度に関する問題点がある。 As described above, since there is a difference of about 10 μV between Vos (Hall, 0 °) and Vos (Hall, 90 °), the Hall electromotive force shown in FIGS. 4 and 5A and 5B is used. In the signal detection circuit, an offset of about 10 μV remains even after offset cancellation. That is, FIG. 4 and FIGS. 5A and 5B have not only a problem of spike-like error signals but also a problem regarding the accuracy of offset cancellation.
図６は、図４に示したホール起電力信号検出回路の具体的な一例を示した回路構成図で、チョッパーアンプと電流帰還型アンプとをホール素子のＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法と組み合わせたものである。この図６に示された回路構成は、離散時間化（サンプリング）を行っていないことから、連続時間信号処理方式によるホール起電力信号処理回路の一例である。 FIG. 6 is a circuit configuration diagram showing a specific example of the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. 4, in which a chopper amplifier and a current feedback amplifier are combined with the Spinning current method of the Hall element. The circuit configuration shown in FIG. 6 is an example of a Hall electromotive force signal processing circuit based on a continuous time signal processing system because discrete time (sampling) is not performed.
図中符号７０は第１のホール素子において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１と第２のホール素子において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ２を同時加算して増幅する信号増幅回路、７１は第１のトランジスタ差動対（Ｇｍ，１，１）、７２は第２のトランジスタ差動対（Ｇｍ，１，２）、７３は第４のスイッチ回路、７４は第４のトランジスタ差動対（Ｇｍ，２）、７５は第５のスイッチ回路、７６はホール起電力信号処理回路の出力段を示している。なお、図４と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。第３のホール素子及び第３のスイッチ回路については、図１０に示した本発明の説明の中で記載してある。
In the figure,
図６において、第１のホール素子３及び第２のホール素子５において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２は、それぞれ、第１のトランジスタ差動対７１及び第２のトランジスタ差動対７２によって、電圧信号から電流信号へと変換されて、それぞれ第１及び第２のトランジスタ差動対７１，７２の出力電流Ｉ１，１、Ｉ１，２となる。これらの電流Ｉ１，１、Ｉ１，２は、電流信号として同時加算され、同時加算された結果の電流信号と、数式２で表されるフィードバック電圧Ｖｆｂによって駆動される第４のトランジスタ差動対７４の出力電流信号との電流信号の和が０となるように回路が機能するため、数式３に示されるように、図６に示した回路の出力信号としては、第１のホール素子３及び第２のホール素子５において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２を同時加算して、信号増幅した信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｕｍ１２を得ることができる。
In FIG. 6, Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall2 generated in the
図７は、図６の回路動作を概念的に説明した図である。第１のホール素子３及び第２のホール素子５において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２は、第１のスイッチ回路４及び第２のスイッチ回路６のところでは、磁界Ｂに対応した信号成分Ｖｓｉｇ（Ｂ）がチョッパークロックによって変調された形で検出されるが、Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２が同時加算された後で、チョッパークロックによって復調される。
FIG. 7 conceptually illustrates the circuit operation of FIG. Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall2 generated in the
図８（ａ）乃至（ｆ）は、図６に示したホール起電力信号検出回路において、第１のホール素子及び第２のホール素子の４つの端子の電圧変化と、第１のホール素子及び第２のホール素子とのそれぞれにおいて検出されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２の信号波形を示した図である。なお、図８（ａ）乃至（ｆ）及び図６と同様にホール起電力信号検出の信号波形を示した図は、チョッパークロックに応じて変化する信号波形の時間的変化を説明する目的の図であるため、ホール素子のオフセットについては、これをゼロと仮定して描かれている。 FIGS. 8A to 8F show the voltage change at the four terminals of the first Hall element and the second Hall element in the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. It is the figure which showed the signal waveform of Hall electromotive force signal Vhall1, Vhall2 detected in each with a 2nd Hall element. In addition, the figure which showed the signal waveform of Hall electromotive force signal detection similarly to FIG. 8 (a) thru | or (f) and FIG. 6 is a figure for the purpose of explaining the time change of the signal waveform which changes according to a chopper clock. Therefore, the offset of the Hall element is drawn assuming that this is zero.
図８（ａ）乃至（ｆ）に示したように、ホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２はチョッパークロック信号によって変調される形で検出されるが、ホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２は電圧信号から電流信号への変換を経た後、図６に示したホール起電力信号検出回路に示した第３のスイッチ回路７５によって復調されるため、図６に示したホール起電力信号検出回路の出力信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｕｍ１２の波形は、図９（ｃ）に示した信号波形となる。
As shown in FIGS. 8A to 8F, the Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall2 are detected by being modulated by the chopper clock signal, but the Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall2 are detected from the voltage signal to the current signal. 6, the waveform of the output signal Vhall_sum12 of the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. 6 is demodulated by the
図９（ａ）乃至（ｃ）は、ホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ２の信号波形を同時加算して得られる出力信号波形を示す図である。図９に示した信号波形から解るように、図６に示したホール起電力信号検出回路においては、チョッパークロック信号の切り替えの際、ホール素子（第１のホール素子３及び第２のホール素子５）において、駆動電流を通電するために使われる２端子とホール起電力信号を検出するために使われる２端子の間で端子を入れ替えるスイッチ動作が行われるため、出力信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｕｍ１２においては、駆動電流の通電によって決まるバイアス電圧Ｖｂｉａｓ＋、Ｖｂｉａｓ−からホール起電力信号の電圧に移行する際の時間的な遷移がスパイク状の誤差信号として出現する。
FIGS. 9A to 9C are diagrams showing output signal waveforms obtained by simultaneously adding the signal waveforms of the Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall2. As can be seen from the signal waveform shown in FIG. 9, in the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. 6, when the chopper clock signal is switched, the Hall elements (the
上述したように、図６に示したホール起電力信号検出回路は、離散時間化（サンプリング）を行わない連続時間信号処理方式である。このため、このスパイク状の誤差信号が、そのまま出力信号として出力されてしまい、この結果、ホール起電力信号検出回路としての精度が劣化することになる。
以上のように、ホール素子において、Ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法によるオフセットキャンセルを行う場合においては、チョッパークロック信号が切り替わるタイミングにおいて、スパイク状の誤差信号が発生してしまうことが、ホール起電力信号検出の高精度化を実現するうえでの障害となる。この障害は、離散時間化（サンプリング）を行わない連続時間信号処理方式においては、特に深刻な障害である。
As described above, the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. 6 is a continuous time signal processing system that does not perform discrete time (sampling). For this reason, the spike-like error signal is output as an output signal as it is, and as a result, the accuracy as the Hall electromotive force signal detection circuit is deteriorated.
As described above, when offset cancellation is performed in the Hall element by the spinning current method, a spike-like error signal is generated at the timing when the chopper clock signal is switched. It becomes an obstacle to realizing. This failure is a particularly serious failure in a continuous-time signal processing system that does not perform discrete time (sampling).
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１０は、本発明に係るホール起電力信号検出回路の実施例を説明するための回路構成図である。図中符号１１はチョッパークロック生成回路、１２は駆動電流生成回路、１３は第１のホール素子、１４は第１のスイッチ回路、１５は第３のホール素子、１６は第３のスイッチ回路、１７はホール起電力信号処理回路を示している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 10 is a circuit configuration diagram for explaining an embodiment of the Hall electromotive force signal detection circuit according to the present invention. In the figure,
本発明に係るホール起電力信号検出回路は、第１及び第３のホール素子１３，１５の４つの端子（端子１乃至端子４）に駆動電流を通電する端子位置を選択してホール起電力信号電圧を検出するように構成したものである。
第１のホール素子（一方のホール素子）１３は、第１乃至第４の端子を備えて一方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ１を発生させるものである。第３のホール素子（他方のホール素子）１５は、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ３を発生させるものである。
In the Hall electromotive force signal detection circuit according to the present invention, a Hall electromotive force signal is selected by selecting a terminal position through which a drive current is supplied to the four terminals (terminal 1 to terminal 4) of the first and
The first Hall element (one Hall element) 13 includes first to fourth terminals and generates one Hall electromotive force signal voltage Vhall1. The third Hall element (the other Hall element) 15 includes first to fourth terminals, and generates the other Hall electromotive force signal voltage Vhall3.
第１のスイッチ回路（一方のスイッチ回路）１４は、第１のホール素子１３の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択するものである。第３のスイッチ回路（他方のスイッチ回路）１６は、第３のホール素子１５の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置として、第１のスイッチ回路１４と異なる端子位置を選択するものである。
The first switch circuit (one switch circuit) 14 selects a terminal position through which the drive current is supplied from the four terminals of the
チョッパークロック生成回路１１は、第１のスイッチ回路１４に異なる２つの位相のチョッパークロック信号φ１，φ２を供給するとともに、第３のスイッチ回路１６に異なる２つの位相のチョッパークロック信号φ１，φ２を供給するものである。ホール起電力信号処理回路１７は、一方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ１と他方のホール起電力信号電圧Ｖｈａｌｌ３とが短絡された信号を処理するものである。
The chopper
また、第１のスイッチ回路１４は、チョッパークロック生成回路１１により発生されたチョッパークロック信号φ１，φ２に基づいて、第１のホール素子１３における駆動電流を注入する端子位置をホール素子の第１の端子と第２の端子との間で切り替えを行い、第３のスイッチ回路１６は、チョッパークロック生成回路１１により発生されたチョッパークロック信号φ１，φ２に基づいて、第３のホール素子１５における駆動電流を注入する端子位置をホール素子の第４の端子と第３の端子との間で切り替えを行うものである。
Further, the
また、第１のスイッチ回路１４において、チョッパークロック信号の一方の位相φ１のときに端子１から駆動電流を注入し、チョッパークロック信号の他方の位相φ２のときに端子２から駆動電流を注入するとともに、第３のスイッチ回路１６において、チョッパークロック信号の一方の位相φ１のときに端子４から駆動電流を注入し、チョッパークロック信号の他方の位相φ２のときに端子３から駆動電流を注入するものである。
In the
また、ホール起電力信号処理回路１７は、一方のホール起電力信号電圧と他方のホール起電力信号電圧とを同時に処理するものである。一方のスイッチ回路１４の出力と他方のスイッチ回路１６の出力が短絡され、一方及び他方のスイッチ回路１４，１６が、チョッパークロック生成回路１１により発生されたチョッパークロック信号に基づいて、一方及び他方のホール素子１３，１５における駆動電流を注入する端子位置を、互いに逆極性のスパイクを発生させるように、各端子間で切り替えを行う。
The Hall electromotive force
図１０に示した回路構成図は、図４に示した本発明の前提となる回路構成図とスイッチ回路の出力を短絡している点が異なるが、他は同様で、２つのホール素子である第１のホール素子１３及び第３のホール素子１５において発生されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ３を同時短絡して連続時間において信号検出するホール起電力検出回路であり、回路構成として、２つのスイッチ回路（第１のスイッチ回路１４及び第３のスイッチ回路１６）とチョッパークロック生成回路１１と駆動電流生成回路１２とホール起電力信号処理回路１７から構成されるという点において、図４に示した回路構成図と共通している。
The circuit configuration shown in FIG. 10 is different from the circuit configuration shown in FIG. 4 in that the output of the switch circuit is short-circuited. The Hall electromotive force detection circuit detects a signal in continuous time by simultaneously short-circuiting the Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall3 generated in the
本発明の実施例である図１０に示した回路構成図と、図４に示した回路構成図との間の相違点は、図１０に示した回路構成図では、２つのホール素子に関して、ホール素子の駆動電流を通電する端子対の位置とホール起電力信号を検出する端子対の位置が、第１のホール素子１３と第３のホール素子１５との間で異なるということである。
図１１（ａ），（ｂ）は、図１０に示した回路構成図のなかの第３のホール素子に関して、その駆動電流の通電方向を決める端子対の位置及びホール起電力信号を検出する端子対の位置を示した図である。なお、表４は、第３のホール素子１５の駆動電流の通電方向を決める端子対の位置を示し、表５は、第３のホール素子１５のホール起電力信号を検出する端子対の位置を示している。
第３のホール素子１５において、このようにホール起電力信号を検出する場合、第３のホール素子１５において検出されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ３は、表６のようになる。
The difference between the circuit configuration diagram shown in FIG. 10 which is an embodiment of the present invention and the circuit configuration diagram shown in FIG. 4 is that the circuit configuration diagram shown in FIG. That is, the position of the terminal pair for supplying the drive current of the element and the position of the terminal pair for detecting the Hall electromotive force signal are different between the
FIGS. 11A and 11B show the position of the terminal pair that determines the energization direction of the drive current and the terminal that detects the Hall electromotive force signal with respect to the third Hall element in the circuit configuration diagram shown in FIG. It is the figure which showed the position of a pair. Table 4 shows the position of the terminal pair that determines the energization direction of the drive current of the
When the Hall electromotive force signal is detected in this manner in the
ここで、第１のホール素子１３と第３のホール素子１５との間で、磁気感度は揃っているものと仮定して、磁界Ｂに対応した信号成分としては、第１のホール素子１３と第３のホール素子１５との間で共通の値Ｖｓｉｇ（Ｂ）を用いた。
一方、第３のホール素子のオフセット成分については、第１のホール素子に対する値Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ， ０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，９０°）とは異なる値Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，２７０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，１８０°）を仮定している。これは、上述したように、各ホール素子内部で、半導体製造時のプロセス勾配に起因する不純物濃度の濃淡分布があるため、ホール素子の４つの端子（端子１、端子２、端子３、端子４）のうち、どの端子から駆動電流が注入されるかによって、ホール素子内部での空乏層の発生状態が変わるためである。
Here, assuming that the magnetic sensitivities are uniform between the
On the other hand, for the offset component of the third Hall element, values Vos (Hall, 270 °) and Vos (Hall) that are different from the values Vos (Hall, 0 °) and Vos (Hall, 90 °) for the first Hall element. , 180 °). This is because, as described above, since there is a light and shade distribution of the impurity concentration caused by the process gradient at the time of manufacturing the semiconductor, each Hall element has four terminals (
図１２は、図１０に示したホール起電力信号検出回路の具体的な一例を示す回路構成図で、チョッパーアンプと電流帰還型アンプとを、ホール素子のＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法と組み合わせたものである。この図１２に示された回路構成は、離散時間化（サンプリング）を行っていないことから、連続時間信号処理方式によるホール起電力信号処理回路の一例である。 FIG. 12 is a circuit configuration diagram showing a specific example of the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. 10, in which a chopper amplifier and a current feedback amplifier are combined with the Spinning current method of the Hall element. The circuit configuration shown in FIG. 12 is an example of a Hall electromotive force signal processing circuit based on a continuous time signal processing system because discrete time (sampling) is not performed.
図中符号８０は第１のホール素子において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１と第３のホール素子において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ３を同時加算して増幅する信号増幅回路、８１は第１のトランジスタ差動対（Ｇｍ，１，１）、８３は第４のスイッチ回路、８４は第４のトランジスタ差動対（Ｇｍ，２）、８５は第５のスイッチ回路、８６はホール起電力信号処理回路の出力段を示している。なお、図１０と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
In the figure,
本発明のホール起電力信号検出回路は、複数の端子を備えたホール素子に駆動電流を通電する端子位置を選択してホール起電力信号電圧を検出するように構成したホール起電力信号検出回路である。第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方のホール素子１３と、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方のホール素子１５と、一方のホール素子１３の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方のスイッチ回路１４と、他方のホール素子１５の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、一方のスイッチ回路１４と異なる端子位置を選択する他方のスイッチ回路１６と、一方のスイッチ回路１４と他方のスイッチ回路１６にチョッパークロック信号を供給するチョッパークロック生成回路１１とを備えている。
The Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention is a Hall electromotive force signal detection circuit configured to detect a Hall electromotive force signal voltage by selecting a terminal position through which a driving current is passed to a Hall element having a plurality of terminals. is there. One
一方のスイッチ回路１４の出力と他方のスイッチ回路１６の出力が短絡され、一方のスイッチ回路１４が、チョッパークロック生成回路１１により発生されたチョッパークロック信号に基づいて、一方のホール素子１３における駆動電流を注入する端子位置をホール素子１３の第１の端子と第２の端子との間で切り替えを行い、他方のスイッチ回路１６が、チョッパークロック生成回路１１により発生されたチョッパークロック信号に基づいて、他方のホール素子１５における駆動電流を注入する端子位置をホール素子１５の第４の端子と第３の端子との間で切り替えを行う。
The output of one
つまり、図１２においては、第１のホール素子１３において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１と第３のホール素子１５において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ３が、連続時間において同時短絡されて、数式４にしたがって、出力電圧信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｕｍ１３が得られる。ここで、ホール素子１３，１５の間で磁気感度は揃っているものと仮定して、磁界Ｂに対応した信号成分としては、第１のホール素子１３と第３のホール素子１５との間で共通の値Ｖｓｉｇ（Ｂ）を用いた。
That is, in FIG. 12, the Hall electromotive force signal Vhall1 generated in the
図１２においては、２つのホール素子（第１のホール素子と第３のホール素子）に関して、チョッパークロック信号の位相にしたがって、ホール素子の駆動電流を通電する端子対の位置を選択切り替えし、ホール起電力信号を取り出す端子対を選択切り替えする２つのスイッチ回路（第１のスイッチ回路と第３のスイッチ回路）の間でスイッチ動作が異なることに注意が必要である。 In FIG. 12, with respect to two Hall elements (first Hall element and third Hall element), the position of the terminal pair through which the drive current of the Hall element is energized is selectively switched according to the phase of the chopper clock signal. It should be noted that the switch operation differs between the two switch circuits (the first switch circuit and the third switch circuit) that selectively switch the terminal pair from which the electromotive force signal is extracted.
図１３は、図１２の回路動作を概念的に説明した図である。第１のホール素子１３及び第３のホール素子１５において発生するホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ３は、第１のスイッチ回路１４及び第３のスイッチ回路１６のところでは、磁界Ｂに対応した信号成分Ｖｓｉｇ（Ｂ）がチョッパークロックによって変調された形で検出されるが、Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ３が同時短絡された後で、チョッパークロックによって復調される。
図１４（ａ）乃至（ｇ）は、図１２に示したホール起電力信号検出回路において、第３のホール素子における各端子の電位及び第３のホール素子から検出されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ３及び第１のホール素子から検出されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１の信号波形を示した図である。
FIG. 13 is a diagram conceptually illustrating the circuit operation of FIG. The Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall3 generated in the
14A to 14G show the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. 12, and the potentials of the terminals of the third Hall element and the Hall electromotive force signal Vhall3 detected from the third Hall element. It is the figure which showed the signal waveform of Hall electromotive force signal Vhall1 detected from a 1st Hall element.
これに対して、第１のホール素子１３における各端子の電位及び第１のホール素子１３から検出されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１の信号波形は、図８（ａ）乃至（ｄ）に示した信号波形と同じである。本発明のホール起電力信号検出回路においては、これらの第１のホール素子１３において発生されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１（図８（ｅ）又は図１４(ｆ)）と第３のホール素子１５において発生されるホール起電力信号Ｖｈａｌｌ３(図１４(ｅ))を連続時間で同時短絡するものである。そのような、Ｖｈａｌｌ１とＶｈａｌｌ３を連続時間で同時短絡した結果として、図１４（ｇ）に示すホール起電力信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｈｏｒｔや、図１５（ａ）乃至（ｃ）に示す出力信号波形が得られる。
On the other hand, the potential of each terminal in the
図１４（ｇ）の波形において重要な結果を以下に２点示す。
まず、図１４（ｅ）及び（ｆ）では、第１のホール素子と第３のホール素子のスイッチ動作が異なっているため、互いに逆極性となるようスパイクが発生している（（ｅ）が−側、（ｆ）が＋側）。そして、それぞれの信号が短絡されることにより図１４（ｇ）ではスパイクが打ち消されていること、かつホール起電力信号は消滅していないことである。
Two important results in the waveform of FIG.
First, in FIGS. 14 (e) and 14 (f), the first Hall element and the third Hall element have different switching operations, so that spikes are generated so as to have opposite polarities ((e) -Side, (f) is + side). Then, by short-circuiting each signal, the spike is canceled in FIG. 14G, and the Hall electromotive force signal is not extinguished.
次に、図１２の構成においてスイッチ回路の切り替えによりスパイクが発生した瞬間に第１のホール素子と第３のホール素子がスイッチを介して並列に接続されており、後段のホール起電力信号処理回路から見た出力インピーダンスは低減される。そのため、ホール起電力信号処理回路の入力端子における時定数が低減されるため、スパイクのキャンセルや消滅速度が速くなる効果もある。
このように本発明において、ホール起電力信号に重畳されるスパイクのキャンセル効果とスパイクの消滅速度向上の２つの効果を同時に達成でき、第１のホール素子と第３のホール素子のようなスイッチ動作の異なる２つのホール素子とそれぞれのスイッチ回路の出力を短絡することにより実現される。
Next, in the configuration of FIG. 12, the first Hall element and the third Hall element are connected in parallel through the switch at the moment when the spike is generated by switching the switch circuit, and the Hall electromotive force signal processing circuit in the subsequent stage is connected. As a result, the output impedance is reduced. For this reason, the time constant at the input terminal of the Hall electromotive force signal processing circuit is reduced, so that there is an effect that the spike cancellation and extinction speed is increased.
As described above, in the present invention, two effects of canceling the spike superimposed on the Hall electromotive force signal and improving the extinction speed of the spike can be achieved at the same time, and the switch operation like the first Hall element and the third Hall element This is realized by short-circuiting the two Hall elements having different values and the outputs of the respective switch circuits.
図１５（ａ）乃至（ｃ）は、ホール起電力信号Ｖｈａｌｌ１、Ｖｈａｌｌ３の信号波形を同時短絡して得られる出力信号波形を示す図である。図１５（ａ）乃至（ｃ）から理解されるように、本発明のホール起電力信号検出回路によれば、２個のホール起電力信号を同時短絡することにより、チョッパークロック信号の切り替え時に発生するスパイク状の誤差信号の発生を著しく低減することが可能となる。したがって、本発明のホール起電力信号検出回路は、連続時間信号処理方式の回路構成によって、高精度なホール起電力信号検出を実現するうえで、非常に有効なものである。 FIGS. 15A to 15C are diagrams showing output signal waveforms obtained by simultaneously short-circuiting the signal waveforms of the Hall electromotive force signals Vhall1 and Vhall3. As can be understood from FIGS. 15A to 15C, according to the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention, the two Hall electromotive force signals are simultaneously short-circuited to generate the switching of the chopper clock signal. It is possible to significantly reduce the occurrence of spike-like error signals. Therefore, the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention is very effective in realizing highly accurate Hall electromotive force signal detection by the circuit configuration of the continuous time signal processing system.
本発明のホール起電力信号検出回路においては、第１のホール素子１３と第３のホール素子１５との間で、ホール素子の駆動電流を通電する向きが、表７にまとめたように、互いに１８０度だけ異なっていることが特長である。つまり、本発明のホール起電力信号検出回路においては、第１のホール素子１３においては、０度及び９０度の向きに駆動電流を通電し、第３のホール素子１５においては、２７０度及び１８０度の向きに駆動電流を通電している。
このようにして、第１のホール素子１３と第３のホール素子１５との間で、駆動電流の通電方向を互いに１８０度だけ異なる方向に設定することによって、チョッパークロックによる信号復調後の出力信号Ｖｈａｌｌ＿ｓｕｍ１３に含まれるオフセット成分は、表８に示したようになる。
In the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention, the direction in which the drive current of the Hall element is energized between the
In this manner, by setting the energization directions of the drive currents to be different from each other by 180 degrees between the
表８から理解されるように、本発明のホール起電力信号検出回路においては、チョッパークロック信号がφ１とφ２という２つの位相を切替える間に、ホール素子が取りうる４つのオフセット電圧値Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，９０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，１８０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，２７０°）を加減算してキャンセルすることが出来る。 As can be seen from Table 8, in the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention, the four offset voltage values Vos (Hall) that the Hall element can take while the chopper clock signal switches between the two phases φ1 and φ2. , 0 °), Vos (Hall, 90 °), Vos (Hall, 180 °), Vos (Hall, 270 °) can be canceled by addition / subtraction.
つまり、位相φ1、φ2という短時間の時間内に、各ホール素子の内部における不純物濃度の濃淡分布の影響を平均化し、高精度なオフセットキャンセルを高速応答性と両立させることが出来る。
図１６は、ＩＣ回路を製造する際の半導体製造時のプロセス勾配によるホール素子内部での不純物濃度の濃淡分布があるときの、本発明のホール起電力信号検出回路での２つのホール素子のＩＣレイアウト及びそれら２つのホール素子でのＳｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ法を示した図である。
That is, within a short time period of phases φ1 and φ2, it is possible to average the influence of the density distribution of the impurity concentration inside each Hall element, and to achieve both high-accuracy offset cancellation and high-speed response.
FIG. 16 shows the IC of two Hall elements in the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention when there is a concentration distribution of the impurity concentration inside the Hall element due to the process gradient at the time of manufacturing the IC circuit. It is the figure which showed the layout and the Spinning current method in those two Hall elements.
また、ホール素子の配置は、２つのホール素子を隣接して並列させたレイアウト配置である。この配置により、本発明のホール起電力信号検出回路においては、ＩＣ回路を製造する際の半導体製造時のプロセス勾配によるホール素子内部での不純物濃度の濃淡分布に起因したオフセットへの影響までも効果的にキャンセルすることが出来る。
上述した特許文献１に開示された方法では、上述した４つのオフセット電圧値Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，９０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，１８０°）、Ｖｏｓ（Ｈａｌｌ，２７０°）を平均化処理する処理が、φ１、φ２の２つの期間では完了せず、更に、φ３、φ４という２つの期間を加えた合計４つの期間を要することになる。
The arrangement of the Hall elements is a layout arrangement in which two Hall elements are adjacently arranged in parallel. With this arrangement, in the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention, the effect to offset caused by the concentration distribution of the impurity concentration inside the Hall element due to the process gradient at the time of manufacturing the IC circuit is also effective. Can be canceled.
In the method disclosed in
また、第１のホール素子と第３のホール素子との間で、駆動電流の通電方向を互いに１８０度だけ異なる方向に設定することによって、ホール素子内部の不純物濃度の濃淡分布の影響も含めた高精度なオフセットキャンセルを高速に実行することが可能となる。
以上に説明した本発明のホール起電力信号検出回路においては、ホール素子の数が２個の例を用いて説明を行ったが、これまでの説明から理解されるように、本発明において、ホール素子の数は２個に限らず、任意の偶数でよい。一般に、ホール素子の数を増やすことは、ホール起電力信号の検出において、磁気感度を向上させ、高感度な磁気センサを実現するうえで有効な手段である。
Further, by setting the energization direction of the drive current to be different from each other by 180 degrees between the first Hall element and the third Hall element, the influence of the density distribution of the impurity concentration inside the Hall element is also included. It becomes possible to execute highly accurate offset cancellation at high speed.
In the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention described above, description has been made using an example in which the number of Hall elements is two. As understood from the above description, in the present invention, The number of elements is not limited to two and may be any even number. In general, increasing the number of Hall elements is an effective means for improving the magnetic sensitivity and realizing a highly sensitive magnetic sensor in detecting the Hall electromotive force signal.
図１７は、本発明のホール起電力信号検出回路において、４つのホール素子を使う場合のＩＣレイアウトの例を示した図である。また、ホール素子の配置は、４個のホール素子を互いに隣接して並列させたレイアウト配置であることも可能である。このような４つのホール素子を使用する場合には、４つのホール素子を正方形の頂点に配置することにより、２つのホール素子を使用する場合と比較して、半導体製造時のプロセス勾配の影響をキャンセルする効果も向上することがわかる。 FIG. 17 is a diagram showing an example of an IC layout when four Hall elements are used in the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention. Further, the arrangement of the Hall elements can be a layout arrangement in which four Hall elements are arranged adjacent to each other in parallel. When using such four Hall elements, the effect of the process gradient during semiconductor manufacturing is reduced by arranging the four Hall elements at the vertices of a square as compared to using two Hall elements. It can be seen that the canceling effect is also improved.
図１８は、図１０に示したホール起電力信号検出回路の具体的な他の例を示す回路構成図である。図中符号１３は第１のホール素子、１５は第３のホール素子、１８は第４のホール素子、２０は第５のホール素子を示している。また、図中符号１４，１６，１９，２１はそれぞれ第１乃至第５のスイッチ回路を示している。なお、図１２と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
18 is a circuit configuration diagram showing another specific example of the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. In the figure,
第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方の別のホール素子と、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方の別のホール素子と、一方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方の別のスイッチ回路と、他方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、一方の別のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方の別のスイッチ回路とを備え、一方のスイッチ回路の出力と他方のスイッチ回路の出力と一方の別のスイッチ回路の出力と他方の別のスイッチ回路の出力とが短絡される。 Another Hall element having first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage and the other Hall element having first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage From another Hall element, from one of the four terminals of one other Hall element, another switch circuit for selecting a terminal position through which a drive current is passed, and from the other four Hall elements A terminal position through which a drive current is passed is provided with another switch circuit that selects a different terminal position from the other switch circuit, and the output of one switch circuit, the output of the other switch circuit, and the other of the other switch circuit The output of the switch circuit is short-circuited with the output of the other switch circuit.
図１８に示したホール起電力検出回路は、図１２と比較して、第４のスイッチ回路１９に接続されるホール素子１８及び第５のスイッチ回路２１に接続されるホール素子２０が追加されたホール起電力検出回路である。追加されたスイッチ回路１９及び２１の出力は既存のスイッチ回路１４，６の出力と同局性の出力同士すべて短絡されている。第１３４５の駆動方法の一例をまとめると表９のようになり、その時のオフセット成分は表１０のようになる。
In the Hall electromotive force detection circuit shown in FIG. 18, a Hall element 18 connected to the
表１０からわかるように、φ１,φ２各相において全駆動方向のオフセットを短絡することによりオフセットがキャンセルできる。図１７ようにホール素子を配置することにより、２つのホール素子を使用する場合と比較して、半導体製造時のプロセス勾配の影響をキャンセルする効果も向上することがわかる。
図１９は、図１０に示したホール起電力信号検出回路の具体的な他の例を示す回路構成図である。図１２と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。８２はトランジスタ差動対Ｇｍ（１，３）を示している。図１８と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
As can be seen from Table 10, the offset can be canceled by short-circuiting the offsets in all driving directions in each of the φ1 and φ2 phases. It can be seen that by arranging the Hall elements as shown in FIG. 17, the effect of canceling the influence of the process gradient at the time of manufacturing the semiconductor is improved as compared with the case of using two Hall elements.
FIG. 19 is a circuit configuration diagram showing another specific example of the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. Constituent elements having the same functions as those in FIG.
第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方の別のホール素子と、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方の別のホール素子と、一方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方の別のスイッチ回路と、出力が一方の別のスイッチ回路の出力と短絡され、他方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、一方の別のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方の別のスイッチ回路と、一方のスイッチ回路及び他方のスイッチ回路の出力と一方の別のスイッチ回路及び他方の別のスイッチ回路の出力とを同時に加算するホール起電力信号処理回路１７とを備えている。
Another Hall element having first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage and the other Hall element having first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage Another Hall element, one other switch circuit that selects a terminal position through which a drive current is passed among four terminals of the other Hall element, and the output is short-circuited with the output of the other switch circuit A terminal position through which a drive current is passed from among the four terminals of the other Hall element, another switch circuit that selects a different terminal position from the other switch circuit, one switch circuit, and the other And a Hall electromotive force
つまり、２つのホール素子１３，１５の出力がスイッチ回路１４，１６を介して短絡され、トランジスタ差動対Ｇｍ（１，１）に接続されている。他方２つのホール素子１８，２０の出力がスイッチ回路１９，２１を介して短絡され、トランジスタ差動対Ｇｍ（１，３）に接続されている。このようにホール起電力信号処理回路の入力を複数にすることも可能であり２つに限らずそれ以上でも構わない。
図２０は、図１０に示したホール起電力信号検出回路の具体的な他の例を示す回路構成図である。図中符号２２は第６のホール素子、２３は第６のスイッチ回路、２４は第７のホール素子、２５は第７のスイッチ回路を示している。なお、図１２と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
That is, the outputs of the two
FIG. 20 is a circuit configuration diagram showing another specific example of the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. In the figure, reference numeral 22 denotes a sixth Hall element, 23 denotes a sixth switch circuit, 24 denotes a seventh Hall element, and 25 denotes a seventh switch circuit. Components having the same functions as those in FIG. 12 are denoted by the same reference numerals.
本発明のホール起電力信号検出回路は、複数の端子を備えたホール素子に駆動電流を通電する端子位置を選択してホール起電力信号電圧を検出するように構成したホール起電力信号検出回路である。第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方のホール素子２２と、第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方のホール素子２４と、一方のホール素子２２の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方のスイッチ回路２３と、他方のホール素子２４の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、一方のスイッチ回路２３と異なる端子位置を選択する他方のスイッチ回路２５と、一方のスイッチ回路２３と他方のスイッチ回路２５にチョッパークロック信号を供給するチョッパークロック生成回路１１と、一方のホール起電力信号電圧と他方のホール起電力信号電圧とを同時に加算するホール起電力信号処理回路１７とを備えている。
The Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention is a Hall electromotive force signal detection circuit configured to detect a Hall electromotive force signal voltage by selecting a terminal position through which a driving current is passed to a Hall element having a plurality of terminals. is there. One Hall element 22 having first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage, and the other Hall element having first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage The drive current is supplied from one
一方のスイッチ回路２３の出力と他方のスイッチ回路２５の出力が短絡され、一方のスイッチ回路２３が、チョッパークロック生成回路１１により発生されたチョッパークロック信号に基づいて、一方のホール素子２２における駆動電流を注入する端子位置をホール素子２２の第１乃至第４の端子の間で一方向回りで切り替えを行い、他方のスイッチ回路２５が、チョッパークロック生成回路１１により発生されたチョッパークロック信号に基づいて、他方のホール素子２４における駆動電流を注入する端子位置をホール素子２４の第１乃至４の端子の間で一方向回りとは逆の他方向まわりで切り替えを行う。
The output of one
つまり、図１２と異なる点はホール素子の駆動方法であり、図１２ではチョッパークロックの位相がφ１とφ２の二相であり、一方と他方が異なる位相で動作することによりスパイクをキャンセルしているが、図２０の場合、駆動電流の方向によりφ１乃至φ４の４つの位相が存在し、隣り合う位相では駆動方法が９０°異なるため、ホール素子の一方が時計回りで駆動電流の方向を変化させ、他方を反時計回りにするとスパイクをキャンセルすることができる。
なお、本発明は、異なる２つのホール素子のチョッパー駆動時に発生する逆極性のスパイクをそれぞれの出力同士を短絡することによりキャンセルすることが目的であるので、逆極性のスパイクを発生させるような駆動方法であればどのような駆動方法でも構わない。
That is, the difference from FIG. 12 is the Hall element driving method. In FIG. 12, the phase of the chopper clock is two phases of φ1 and φ2, and the spike is canceled by operating one and the other in different phases. However, in the case of FIG. 20, there are four phases φ1 to φ4 depending on the direction of the driving current, and the driving method differs by 90 ° in the adjacent phases, so one of the Hall elements changes the direction of the driving current clockwise. The spike can be canceled by turning the other counterclockwise.
It is to be noted that the present invention aims to cancel reverse polarity spikes generated when chopper driving of two different Hall elements by short-circuiting their outputs, so that drive that generates reverse polarity spikes is performed. Any driving method may be used as long as it is a method.
本発明のホール起電力信号検出回路は、複数の端子を備えたホール素子に駆動電流を通電する端子位置を選択してホール起電力信号電圧を検出するように構成したホール起電力信号検出回路である。一方のホール素子１３は、それぞれ第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させ、一つまたは複数のホール素子を並列接続して構成されている。また、他方のホール素子１５は、それぞれ第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させ、一つまたは複数のホール素子を並列接続して構成されている。
The Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention is a Hall electromotive force signal detection circuit configured to detect a Hall electromotive force signal voltage by selecting a terminal position through which a driving current is passed to a Hall element having a plurality of terminals. is there. One
また、一方のスイッチ回路は、一方のホール素子群の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択するものである。また、他方のスイッチ回路は、他方のホール素子群の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、一方のスイッチ回路と異なる端子位置を選択するものである。
また、チョッパークロック生成回路は、一方のスイッチ回路に異なる２つの位相のチョッパークロック信号を供給するとともに、他方のスイッチ回路に異なる２つの位相のチョッパークロック信号を供給するものである。一方のスイッチ回路の出力と他方のスイッチ回路の出力は同極性の出力同士が短絡されておりホール起電力信号処理回路の入力となっている。ホール起電力信号処理回路は、信号の同時加算、平均、補正、増幅、復調などの信号処理を行うものであり、その方式はアナログでもデジタルでも構わない。
One switch circuit selects a terminal position through which a drive current is supplied from four terminals of one Hall element group. The other switch circuit selects a terminal position through which the drive current is supplied from the four terminals of the other Hall element group, and a terminal position different from the one switch circuit.
The chopper clock generation circuit supplies a chopper clock signal having two different phases to one switch circuit, and supplies a chopper clock signal having two phases different to the other switch circuit. The output of one switch circuit and the output of the other switch circuit are short-circuited with each other, and are input to the Hall electromotive force signal processing circuit. The Hall electromotive force signal processing circuit performs signal processing such as simultaneous addition, averaging, correction, amplification, and demodulation of signals, and the method may be analog or digital.
本発明では、一例として複数入力が可能な電流帰還型の計装アンプを上げたが、例えば３アンプ構成の計装アンプのような単入力の回路でも実施可能である。
なお、図１２においては、ホール素子の数が２個である場合について説明してあるが、ホール素子の数は２個に限定されるものではなく、図１８に示したように４個でも、それ以上でも必要に応じて所望の数を設けることができ、ホール素子の各端子同士を接続して並列接続とすることはもちろん、直列に接続するような構成においても実施可能である。
In the present invention, a current feedback type instrumentation amplifier capable of a plurality of inputs is exemplified as an example. However, for example, a single input circuit such as an instrumentation amplifier having a three-amplifier configuration can be implemented.
Note that FIG. 12 illustrates the case where the number of Hall elements is two, but the number of Hall elements is not limited to two, and as shown in FIG. Even more than that, a desired number can be provided as necessary, and the terminals of the Hall elements can be connected in parallel to form a parallel connection as well as a configuration in which the terminals are connected in series.
図１２において、第１のスイッチ回路１４と第３のスイッチ回路１６に接続された２つのホール素子１３，１５について、トランジスタ差動対（Ｇｍ，１，１）から、スイッチ回路を介してこれら２つのホール素子を見たときの、これら２つのホール素子の出力インピーダンスは、図６におけるホール素子の出力インピーダンスと比較して、約半分に低減される。図１８のトランジスタ差動対（Ｇｍ，１，１）からスイッチを介して４つのホール素子を見たときの出力インピーダンスはさらに約半分に低減される。
In FIG. 12, two
チョッパークロックの切り替えが行われた直後は、それまでのホール素子への駆動電流の通電に使用されていた２つの端子がホール起電力信号を取り出すための端子に切り替わる。この２つの端子の電位がバイアス電圧Ｖｂｉａｓ＋、Ｖｂｉａｓ−から、ホール起電力信号の電位に移行するまでの電荷の放電現象がスパイク状の誤差信号が発生する原因である。この電荷の放電現象の時定数τは、トランジスタ差動対（Ｇｍ，１，１）、トランジスタ差動対（Ｇｍ，１，３）から、これら２つのホール素子を見たときの、これら２つのホール素子の出力インピーダンスＲとこの信号ノードにおける浮遊容量Ｃの積、即ち、τ＝ＲＣで表すことができる。そして、ホール素子を並列に接続し、ホール素子の出力インピーダンスＲを低減させることで、電荷の放電現象の時定数τを小さくすることが可能となり、チョッパークロック信号の切替え時に発生するスパイク状の誤差信号を短時間で消滅させることが可能となる。以上の理由により、図１８に示したホール起電力検出回路は、図１２のホール起電力信号検出回路の場合と比較して、チョッパークロック信号の切替え時に発生するスパイク状の誤差信号が短時間で消滅させることが可能になる。 Immediately after the chopper clock is switched, the two terminals used for energizing the drive current to the Hall element so far are switched to terminals for extracting the Hall electromotive force signal. The discharge phenomenon of charges until the potentials of these two terminals shift from the bias voltages Vbias + and Vbias− to the potential of the Hall electromotive force signal is the cause of the spike-like error signal. The time constant τ of the discharge phenomenon of this charge is the two differential values when the two Hall elements are viewed from the transistor differential pair (Gm, 1,1) and the transistor differential pair (Gm, 1,3). It can be expressed by the product of the output impedance R of the Hall element and the stray capacitance C at this signal node, that is, τ = RC. By connecting the Hall elements in parallel and reducing the output impedance R of the Hall elements, it becomes possible to reduce the time constant τ of the discharge phenomenon of charges, and spike-like errors that occur when switching the chopper clock signal The signal can be extinguished in a short time. For the reasons described above, the Hall electromotive force detection circuit shown in FIG. 18 has a shorter spike-like error signal generated when switching the chopper clock signal than the Hall electromotive force signal detection circuit shown in FIG. It can be extinguished.
図２１（ａ），（ｂ）は、図１８のホール起電力信号検出回路におけるスパイク状の誤差信号（実線）と図１２のホール起電力信号検出回路におけるスパイク状の誤差信号（点線）の様子を表した図である。
図２１（ａ），（ｂ）から理解されるように、図１８のホール起電力信号検出回路においては、チョッパークロック切り替え時に発生するスパイク状の誤差信号が短時間で消滅するため、図１８のホール起電力信号検出回路の後段の位置にローパスフィルタを配置することにより、効果的にスパイク状の誤差信号の影響を低減することが可能となる。図１８では、互いに並列接続されたホール素子の数は２個であるが、互いに並列接続されたホール素子の数を増やすにつれて、並列接続されたホール素子の出力インピーダンスを低下させることが可能となるため、スパイク状の誤差信号の影響を低下させることが可能となる。したがって、図１８に例示したホール起電力信号検出回路が有するこの特長は、広帯域特性と高速応答特性が要求されるインバータ電流検出用途の電流センサにおいて好適なものである。
FIGS. 21A and 21B show a spike-like error signal (solid line) in the Hall electromotive force signal detection circuit of FIG. 18 and a spike-like error signal (dotted line) in the Hall electromotive force signal detection circuit of FIG. FIG.
As understood from FIGS. 21A and 21B, in the Hall electromotive force signal detection circuit of FIG. 18, the spike-like error signal generated at the time of switching the chopper clock disappears in a short time. By disposing the low-pass filter at a position subsequent to the Hall electromotive force signal detection circuit, it is possible to effectively reduce the influence of the spike-like error signal. In FIG. 18, the number of Hall elements connected in parallel to each other is two. However, as the number of Hall elements connected in parallel to each other is increased, the output impedance of the Hall elements connected in parallel can be reduced. For this reason, it is possible to reduce the influence of the spike-like error signal. Therefore, this feature of the Hall electromotive force signal detection circuit illustrated in FIG. 18 is suitable for a current sensor for inverter current detection that requires wideband characteristics and high-speed response characteristics.
以上のように、本発明のホール起電力信号検出回路によれば、ホール起電力信号検出の高精度化の障害となるスパイク状の誤差信号の発生を著しく低減することが可能となる。そして本発明のホール起電力信号検出回路は、連続時間信号処理回路に好適に用いることができる。また、本発明のホール起電力信号検出回路を電流センサとして用いることも可能である。 As described above, according to the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention, it is possible to remarkably reduce the occurrence of spike-like error signals that hinder the high accuracy of Hall electromotive force signal detection. The Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention can be suitably used for a continuous time signal processing circuit. It is also possible to use the Hall electromotive force signal detection circuit of the present invention as a current sensor.
１，１１ チョッパークロック生成回路
２，１２ 駆動電流生成回路
３，１３ 第１のホール素子
４，１４ 第１のスイッチ回路
５ 第２のホール素子
６ 第２のスイッチ回路
７，１７ ホール起電力信号処理回路
１５ 第３のホール素子
１６ 第３のスイッチ回路
１８ 第４のホール素子
１９ 第４のスイッチ回路
２０ 第５のホール素子
２１ 第５のスイッチ回路
２２ 第６のホール素子
２３ 第６のスイッチ回路
２４ 第７のホール素子
２５ 第７のスイッチ回路
７０，８０ 信号増幅回路
７１，８１ 第１のトランジスタ差動対（Ｇｍ，１，１）
７２ 第２のトランジスタ差動対（Ｇｍ，１，２）
７３，８３ 第４のスイッチ回路
７４，８４ 第４のトランジスタ差動対（Ｇｍ，２）
７５，８５ 第５のスイッチ回路
７６，８６ ホール起電力信号処理回路の出力段
８２ 第３のトランジスタ差動対（Ｇｍ，１，３）
DESCRIPTION OF
72 Second transistor differential pair (Gm, 1, 2)
73, 83
75, 85
Claims (11)
第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方のホール素子と、
第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方のホール素子と、
前記一方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方のスイッチ回路と、
前記他方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方のスイッチ回路と、
前記一方のスイッチ回路と前記他方のスイッチ回路にチョッパークロック信号を供給するチョッパークロック生成回路と、
前記一方のホール起電力信号電圧と前記他方のホール起電力信号電圧とを同時に加算するホール起電力信号処理回路とを備え、
前記一方のスイッチ回路の出力と前記他方のスイッチ回路の出力が短絡され、
前記一方及び他方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記一方及び他方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を、互いに逆極性のスパイクを発生させるように、前記各端子間で切り替えを行うことを特徴とするホール起電力信号検出回路。 In a Hall electromotive force signal detection circuit configured to detect a Hall electromotive force signal voltage by selecting a terminal position through which a drive current is supplied to a Hall element having a plurality of terminals,
One Hall element comprising first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage;
The other Hall element comprising first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage;
One switch circuit for selecting a terminal position through which a drive current is passed among the four terminals of the one Hall element;
The other switch circuit for selecting a terminal position different from the one switch circuit as a terminal position for energizing a drive current among the four terminals of the other Hall element;
A chopper clock generation circuit for supplying a chopper clock signal to the one switch circuit and the other switch circuit;
A Hall electromotive force signal processing circuit for simultaneously adding the one Hall electromotive force signal voltage and the other Hall electromotive force signal voltage;
The output of the one switch circuit and the output of the other switch circuit are short-circuited,
Based on the chopper clock signal generated by the chopper clock generation circuit, the one and other switch circuits generate spikes having opposite polarities to the terminal positions for injecting drive currents in the one and other hall elements. The Hall electromotive force signal detection circuit is characterized by switching between the terminals.
第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方のホール素子と、
第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方のホール素子と、
前記一方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方のスイッチ回路と、
前記他方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方のスイッチ回路と、
前記一方のスイッチ回路と前記他方のスイッチ回路にチョッパークロック信号を供給するチョッパークロック生成回路とを備え、
前記一方のスイッチ回路の出力と前記他方のスイッチ回路の出力が短絡され、
前記一方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記一方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を前記ホール素子の第１の端子と第２の端子との間で切り替えを行い、前記他方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記他方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を前記ホール素子の第４の端子と第３の端子との間で切り替えを行うことを特徴とするホール起電力信号検出回路。 In a Hall electromotive force signal detection circuit configured to detect a Hall electromotive force signal voltage by selecting a terminal position through which a drive current is supplied to a Hall element having a plurality of terminals,
One Hall element comprising first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage;
The other Hall element comprising first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage;
One switch circuit for selecting a terminal position through which a drive current is passed among the four terminals of the one Hall element;
The other switch circuit for selecting a terminal position different from the one switch circuit as a terminal position for energizing a drive current among the four terminals of the other Hall element;
A chopper clock generation circuit for supplying a chopper clock signal to the one switch circuit and the other switch circuit;
The output of the one switch circuit and the output of the other switch circuit are short-circuited,
Based on the chopper clock signal generated by the chopper clock generation circuit, the one switch circuit determines a terminal position for injecting a drive current in the one hall element and a second terminal of the hall element. And the other switch circuit determines a terminal position for injecting a drive current in the other hall element based on the chopper clock signal generated by the chopper clock generation circuit. The Hall electromotive force signal detection circuit is characterized by switching between the fourth terminal and the third terminal.
前記一方のスイッチ回路において、前記チョッパークロック信号の一方の位相のときに前記第１の端子から前記駆動電流を注入し、前記チョッパークロック信号の他方の位相のときに前記第２の端子から駆動電流を注入するとともに、前記他方のスイッチ回路において、前記チョッパークロック信号の一方の位相のときに前記第４の端子から前記駆動電流を注入し、前記チョッパークロック信号の他方の位相のときに前記第３の端子から駆動電流を注入することを特徴とする請求項２に記載のホール起電力信号検出回路。 The chopper clock generation circuit is a circuit that supplies chopper clock signals of two different phases to the one switch circuit and the other switch circuit,
In the one switch circuit, the drive current is injected from the first terminal when the chopper clock signal is in one phase, and from the second terminal when the chopper clock signal is in the other phase. In the other switch circuit, the drive current is injected from the fourth terminal when the chopper clock signal is in one phase, and the third switch circuit is injected in the third phase when the chopper clock signal is in the other phase. 3. The Hall electromotive force signal detection circuit according to claim 2, wherein a drive current is injected from a terminal of the Hall.
第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方の別のホール素子と、
前記一方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方の別のスイッチ回路と、
前記他方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方の別のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方の別のスイッチ回路とをさらに備え、
前記一方のスイッチ回路の出力と前記他方のスイッチ回路の出力と前記一方の別のスイッチ回路の出力と前記他方の別のスイッチ回路の出力とが短絡されることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載のホール起電力信号検出回路。 One other Hall element comprising first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage;
Another Hall element comprising first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage;
Another switch circuit that selects a terminal position through which a drive current is passed among four terminals of the other Hall element;
A terminal position for passing a drive current from among the four terminals of the other Hall element, and another switch circuit for selecting a terminal position different from the one other switch circuit;
8. The output of the one switch circuit, the output of the other switch circuit, the output of the other switch circuit, and the output of the other switch circuit are short-circuited. The Hall electromotive force signal detection circuit according to any one of the above.
第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方の別のホール素子と、
前記一方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方の別のスイッチ回路と、
出力が前記一方の別のスイッチ回路の出力と短絡され、前記他方の別のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方の別のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方の別のスイッチ回路と、
前記一方のスイッチ回路及び他方のスイッチ回路の出力と前記一方の別のスイッチ回路及び他方の別のスイッチ回路の出力とを同時に加算するホール起電力信号処理回路とをさらに備えることを特徴とする請求項２乃至７のいずれかに記載のホール起電力信号検出回路。 One other Hall element comprising first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage;
Another Hall element comprising first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage;
Another switch circuit that selects a terminal position through which a drive current is passed among four terminals of the other Hall element;
The terminal position where the output is short-circuited with the output of the one other switch circuit and the drive current is supplied from the four terminals of the other another hall element is different from the one other switch circuit. Another switch circuit to select from,
And a Hall electromotive force signal processing circuit for simultaneously adding outputs of the one switch circuit and the other switch circuit and outputs of the one other switch circuit and the other switch circuit. Item 8. The Hall electromotive force signal detection circuit according to any one of Items 2 to 7.
第１乃至第４の端子を備え、一方のホール起電力信号電圧を発生させる一方のホール素子と、
第１乃至第４の端子を備え、他方のホール起電力信号電圧を発生させる他方のホール素子と、
前記一方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を選択する一方のスイッチ回路と、
前記他方のホール素子の４つの端子のなかから駆動電流を通電する端子位置を、前記一方のスイッチ回路と異なる端子位置を選択する他方のスイッチ回路と、
前記一方のスイッチ回路と前記他方のスイッチ回路にチョッパークロック信号を供給するチョッパークロック生成回路と、
前記一方のホール起電力信号電圧と前記他方のホール起電力信号電圧とを同時に加算するホール起電力信号処理回路とを備え、
前記一方のスイッチ回路の出力と前記他方のスイッチ回路の出力が短絡され、
前記一方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記一方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を前記ホール素子の第１乃至第４の端子の間で一方向回りで切り替えを行い、前記他方のスイッチ回路が、前記チョッパークロック生成回路により発生された前記チョッパークロック信号に基づいて、前記他方のホール素子における駆動電流を注入する端子位置を前記ホール素子の第１乃至４の端子の間で前記一方向回りとは逆の他方向まわりで切り替えを行うことを特徴とするホール起電力信号検出回路。 In a Hall electromotive force signal detection circuit configured to detect a Hall electromotive force signal voltage by selecting a terminal position through which a drive current is supplied to a Hall element having a plurality of terminals,
One Hall element comprising first to fourth terminals and generating one Hall electromotive force signal voltage;
The other Hall element comprising first to fourth terminals and generating the other Hall electromotive force signal voltage;
One switch circuit for selecting a terminal position through which a drive current is passed among the four terminals of the one Hall element;
The other switch circuit for selecting a terminal position different from the one switch circuit as a terminal position for energizing a drive current among the four terminals of the other Hall element;
A chopper clock generation circuit for supplying a chopper clock signal to the one switch circuit and the other switch circuit;
A Hall electromotive force signal processing circuit for simultaneously adding the one Hall electromotive force signal voltage and the other Hall electromotive force signal voltage;
The output of the one switch circuit and the output of the other switch circuit are short-circuited,
Based on the chopper clock signal generated by the chopper clock generation circuit, the one switch circuit determines a terminal position for injecting a drive current in the one hall element to the first to fourth terminals of the hall element. And the other switch circuit determines the terminal position for injecting the drive current in the other Hall element based on the chopper clock signal generated by the chopper clock generation circuit. A Hall electromotive force signal detection circuit, wherein switching is performed between the first to fourth terminals of the element in the other direction opposite to the one direction.
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