TWI410656B - 偏移消除電路 - Google Patents

Description

偏移消除電路

本發明係有關用於調整霍爾(Hall)元件的輸出等的偏移(offest)消除電路。

近幾年，在數位相機(digital still camera)或數位攝像機等攝像裝置中，藉由使這些裝置所具備的攝像元件的像素數增加來實現高畫質。另一方面，作為實現攝像裝置的高畫質的其他方法，為了防止由於持有攝像裝置的手的振動而產生的被攝體的模糊，希望攝像裝置裝載具備手振補償功能的防振控制電路。

手振補償的防振控制電路接收來自陀螺儀感測器的信號，並根據該信號來驅動透鏡或攝像元件等光學零件，以防止被攝體的模糊，其中該陀螺儀感測器檢測因為攝像裝置的振動而產生的角速度成分。由此，即使攝像裝置振動，也不會在所取得的影像信號中反映出振動的成分，可以取得無像模糊現象的高畫質影像信號。

此時，為了檢測被驅動的透鏡等光學零件的位置而利用霍爾元件。如第8圖所示，霍爾元件10的等效電路可以表示為電阻器R1至R4的橋接電路。因此，根據施加電源電壓Vcc的端子和獲得輸出信號的端子的組合，霍爾元件10的輸出信號會受到各電阻器的偏差的影響而包含偏移成分。

因此，利用按照在霍爾元件10中流動的電流相差90°的方式施加電壓，並對各個輸出電壓進行相加運算後進行平均化的偏移消除電路。若使霍爾元件10中流動的電流變化90°，則因為霍爾元件10的輸出電壓的偏移產生於反方向，故霍爾元件10的輸出電壓的偏移值被消除。

在現有的偏移消除電路中，是以在第一狀態與第二狀態下霍爾元件的等效電路中的電阻器R1至R4不發生變化為前提。

然而，在通常的霍爾元件中，電阻器R1至R4中會產生電壓依存性。如第9圖所示，電阻器R1至R4被表示為將P型基板接地的N型半導體元件。如第9圖所示，在將端子A接地、在端子B上施加Vcc、在端子D上施加Vcc/2的情況下，元件內形成的空乏層(通道(channel))X的深度會存在差異，在電阻器R1至R4中產生電壓依存性。也就是說，根據施加在端子A至D上的電壓的組合，電阻器R1至R4的值會發生變動。

這種情況下，在現有的偏移消除電路中無法正確地消除霍爾元件的輸出電壓的偏移值。

本發明的一種形態，即為霍爾元件的偏移消除電路，其特徵為：按照將流過前述霍爾元件的電流每次切換90°的方式，從四個方向自外部施加電壓，而設為第一至第四狀態，並對前述第一至第四狀態中的前述霍爾元件的輸出電壓進行平均化。

更具體而言，例如較佳為具備：第一開關元件組，將前述霍爾元件的4個端子分別以排他的方式切換連接到電源電壓、基準電壓以及輸出端，以設為前述第一至第四狀態；放大部，對前述第一至第四狀態的每個狀態下連接到前述輸出端的前述霍爾元件的輸出電壓進行放大，然後從輸出端輸出；第二開關元件組，在前述第一至第四狀態的各狀態下，將前述放大部的輸出端分別連接到不同的電容器；及第三開關元件組，連接前述電容器各自的端子，使前述電容器各自的充電電壓相加後輸出。

根據本發明，可以正確地消除霍爾元件的輸出電壓的偏移值。

第1圖表示霍爾元件的偏移消除電路(OC電路)100的基本構成。偏移消除電路100構成為包括：霍爾元件10、放大電路12及平均化電路14。

霍爾元件10可以表示為電阻器R1至R4的橋接電路。電阻器R1至R4連接有將電阻器R1至R4的連接點A至D切換為電源電壓Vcc、接地或輸出的開關元件S1至S12。

放大電路12構成為包括運算放大器12a、12b。運算放大器12a對輸入到非反相輸入端子(+)的電壓進行放大後輸出。運算放大器12b對輸入到非反相輸入端子(+)的電壓進行放大後輸出。

平均化電路14構成為包括：開關元件S13至S30、電容器C1至C4以及運算放大器14a(史密特緩衝器(Schmitt buffer)型也可以)。如第1圖所示，開關元件S13至S30將運算放大器12a、12b的輸出端子、電容器C1至C4的端子、運算放大器14a的輸入端子的任一者相互連接。

以下，對偏移消除電路100的動作進行說明。偏移消除電路100藉由切換如下所述的第一狀態至第四狀態及輸出狀態，從而將霍爾元件10的輸出電壓的偏移值消除後輸出。

首先，如第2圖所示，藉由對開關元件S1至S30進行導通(on)/關斷(off)控制，從而將偏移消除電路100設為第一狀態。藉由導通開關元件S1並關斷開關元件S2、S3，從而在電阻器R1、R3的連接點A施加電源電壓Vcc，藉由導通開關元件S5並關斷開關元件S4、S6，從而將電阻器R2、R4的連接點B接地，藉由導通開關元件S9並關斷開關元件S7、S8，從而將電阻器R1、R2的連接點C連接到運算放大器12b的非反相輸入端子(+)，藉由導通開關元件S12並關斷開關元件S10、S11，從而將電阻器R3、R4的連接點D連接到運算放大器12a的非反相輸入端子(+)。另外，藉由導通開關元件S13至S30中的開關元件S14、S16，並且關斷其他開關元件，從而將運算放大器12a的輸出連接到電容器C1的正端子，將運算放大器12b的輸出連接到電容器C1的負端子，成為利用運算放大器12a、12b的輸出電壓對電容器C1進行充電的狀態。以此狀態為第一狀態。

接著，如第3圖所示，藉由對開關元件S1至S30進行導通/關斷控制，從而將偏移消除電路100設為第二狀態。藉由導通開關元件S3並關斷開關元件S1、S2，從而將電阻器R1、R3的連接點A連接到運算放大器12a的非反相輸入端子(+)，藉由導通開關元件S6並關斷開關元件S4、S5，從而將電阻器R2、R4的連接點B連接到運算放大器12b的非反相輸入端子(+)，藉由導通開關元件S8並關斷開關元件S7、S9，從而將電阻器R1、R2的連接點C接地，藉由導通開關S10並關斷開關元件S11、S12，從而在電阻器R3、R4的連接點D施加電源電壓Vcc。另外，藉由導通開關元件S13至S30中的開關元件S13、S15，並且關斷其他開關元件，從而將運算放大器12a的輸出連接到電容器C2的負端子，將運算放大器12b的輸出連接到電容器C2的正端子，成為利用運算放大器12a、12b的輸出電壓對電容器C2進行充電的狀態。以此狀態為第二狀態。

接下來，如第4圖所示，藉由對開關元件S1至S30進行導通/關斷控制，從而將偏移消除電路100設為第三狀態。藉由導通開關元件S2並關斷開關元件S1、S3，從而將電阻器R1、R3的連接點A接地，藉由導通開關元件S4並關斷開關元件S5、S6，從而在電阻器R2、R4的連接點B施加電源電壓Vcc，藉由導通開關元件S9並關斷開關元件S7、S8，從而將電阻器R1、R2的連接點C連接到運算放大器12b的非反相輸入端子(+)，藉由導通開關元件S12並關斷開關元件S10、S11，從而將電阻器R3、R4的連接點D連接到運算放大器12a的非反相輸入端子(+)。另外，藉由導通開關元件S13至S30中的開關元件S17、S19，並且關斷其他開關元件，從而將運算放大器12a的輸出連接到電容器C3的負端子，將運算放大器12b的輸出連接到電容器C3的正端子，成為利用運算放大器12a、12b的輸出電壓對電容器C3進行充電的狀態。以此狀態為第三狀態。

接著，如第5圖所示，藉由對開關元件S1至S30進行導通/關斷控制，從而將偏移消除電路100設為第四狀態。藉由導通開關元件S3並關斷開關元件S1、S2，從而將電阻器R1、R3的連接點A連接到運算放大器12a的非反相輸入端子(+)，藉由導通開關元件S6並關斷開關元件S4、S5，從而將電阻器R2、R4的連接點B連接到運算放大器12b的非反相輸入端子(+)，藉由導通開關元件S7並關斷開關元件S8、S9，從而在電阻器R1、R2的連接點C施加電源電壓Vcc，藉由導通開關元件S11並關斷開關元件S10、S12，從而將電阻器R3、R4的連接點D接地。另外，藉由導通開關元件S13至S30中的開關元件S18、S20，並且關斷其他開關元件，從而將運算放大器12a的輸出連接到電容器C4的正端子，將運算放大器12b的輸出連接到電容器C4的負端子，成為利用運算放大器12a、12b的輸出電壓對電容器C4進行充電的狀態。以此狀態為第四狀態。

由此，針對霍爾元件10切換第一至第四狀態，對於霍爾元件10的4個端子而言，以間隔90°的4個方向(360°)的霍爾電壓V1至V4分別對電容器C1至C4進行充電。而且，藉由將偏移消除電路100設為輸出狀態，從而對電容器C1至C4的充電電壓V1至V4進行平均化，消除霍爾元件10的輸出電壓的偏移值後輸出。

在輸出狀態下，如第6圖所示，關斷開關元件S13至S20來斷開運算放大器12a、12b和電容器C1至C4。再者，藉由導通開關元件S21至S30，從而將電容器C1至C4的負端子共同連接到運算放大器14a的輸入端子的一端，將電容器C1至C4的正端子共同連接到運算放大器14a的輸入端子的另一端。由此，電容器C1至C4的充電電壓V1至V4被平均化後從運算放大器14a的輸出端子輸出。另外，在運算放大器14a為史密特緩衝器型的情況下，根據2個輸入端的大小關係，切換高位準(level)輸出和低位準輸出而進行輸出。

接著，參照第7圖，對偏移消除電路100消除霍爾元件10的輸出電壓的偏移值的作用進行說明。

第7(a)圖表示將偏移消除電路100切換到第一狀態時的霍爾元件10的等效電路。在第一狀態下，電阻器R1、R3成為高電壓側(電源電壓Vcc側)，電阻器R2、R4成為低電壓側(接地側)。此時，電阻器R1、R3根據其電壓依存性而成為R1=r1+α、R3=r3+α，電阻器R2、R4根據其電壓依存性而成為R2=r2-α、R4=r4-α。因此，可以用下述的公式(1)表示電容器C1蓄積的電壓V1。其中，將沒有電壓依存性的偏移值表示為Voff。

【公式(1)】

第7(b)圖表示將偏移消除電路100切換到第二狀態時的霍爾元件10的等效電路。在第二狀態下，電阻器R3、R4成為高電壓側(電源電壓Vcc側)，電阻器R1、R2成為低電壓側(接地側)。此時，電阻器R3、R4根據其電壓依存性而成為R3=r3+α、R4=r4+α，電阻器R1、R2根據其電壓依存性而成為R1=r1-α、R2=r2-α。因此，可以用下述的公式(2)表示電容器C2蓄積的電壓V2。其中，將沒有電壓依存性的偏移值表示為Voff，由於是旋轉了90°的狀態，故符號與第一狀態相反。

【公式(2)】

第7(c)圖表示將偏移消除電路100切換到第三狀態時的霍爾元件10的等效電路。在第三狀態下，電阻器R2、R4為成高電壓側(電源電壓Vcc側)，電阻器R1、R3成為低電壓側(接地側)。此時，電阻器R2、R4根據其電壓依存性而成為R2=r2+α、R4=r4+α，電阻器R1、R3根據其電壓依存性而成為R1=r1-α、R3=r3-α。因此，可以用下述的公式(3)表示電容器C3蓄積的電壓V3。其中，將沒有電壓依存性的偏移值表示為Voff。

【公式(3)】

第7(d)圖表示將偏移消除電路100切換到第四狀態時的霍爾元件10的等效電路。在第四狀態下，電阻器R1、R2成為高電壓側(電源電壓Vcc側)，電阻器R3、R4成為低電壓側(接地側)。此時，電阻器R1、R2根據其電壓依存性而成為R1=r1+α、R2=r2+α，電阻器R3、R4根據其電壓依存性而成為R3=r3-α、R4=r4-α。因此，可以用下述的公式(4)表示電容器C4蓄積的電壓V4。其中，將沒有電壓依存性的偏移值表示為Voff，由於是旋轉了90°的狀態，故符號與第三狀態相反。

【公式(4)】

因此，可以用下述的公式(5)來表示對電壓V1至V4進行相加並平均化後的電壓Vout。在電壓Vout中，表示霍爾元件10的輸出電壓的偏移值的電壓依存性的α及電壓Voff被消除。

【公式(5)】

如上所述，根據本實施方式的偏移消除電路100，能夠適當地消除霍爾元件10的輸出電壓中的偏移值。即，存在電壓依存性的偏移值及沒有電壓依存性的偏移值均可消除。

10．．．霍爾元件

12．．．放大電路

12a、12b．．．運算放大器

14．．．平均化電路

14a．．．運算放大器

100．．．偏移消除電路

C1至C4．．．電容器

R1至R4．．．電阻器

S1至S30．．．開關元件

第1圖是表示本發明實施方式中的偏移消除電路的構成的圖。

第2圖是表示本發明實施方式中的偏移消除電路的第一狀態的圖。

第3圖是表示本發明實施方式中的偏移消除電路的第二狀態的圖。

第4圖是表示本發明實施方式中的偏移消除電路的第三狀態的圖。

第5圖是表示本發明實施方式中的偏移消除電路的第四狀態的圖。

第6圖是表示本發明實施方式中的偏移消除電路的輸出狀態的圖。

第7圖(a)至(d)是表示本發明實施方式中的偏移消除電路的作用的圖。

第8圖是表示現有的偏移消除電路的構成的圖。

第9圖是說明霍爾元件的輸出電壓的偏移值的電壓依存性的圖。

10．．．霍爾元件

12．．．放大電路

12a、12b．．．運算放大器

14．．．平均化電路

14a．．．運算放大器

100．．．偏移消除電路

C1至C4．．．電容器

R1至R4．．．電阻器

S1至S30．．．開關元件

Claims (2)

1. 一種偏移消除電路，係霍爾元件的偏移消除電路，其特徵為，按照將流過前述霍爾元件的電流每次切換90°的方式，從四個方向自外部施加電壓，而設為第一至第四狀態，並對前述第一至第四狀態中的前述霍爾元件的輸出電壓進行平均化。
2. 如申請專利範圍第1項的偏移消除電路，其中，該偏移消除電路包括：第一開關元件組，將前述霍爾元件的四個端子分別以排他的方式切換連接到電源電壓、基準電壓以及輸出端，以設為前述第一至第四狀態；放大部，對前述第一至第四狀態的每個狀態下連接到前述輸出端的前述霍爾元件的輸出電壓進行放大，然後從輸出端輸出；第二開關元件組，在前述第一至第四狀態之各狀態下，將前述放大部的輸出端分別連接到不同的電容器；及第三開關元件組，連接前述電容器各自的端子，使前述電容器各自的充電電壓相加後輸出。