專利名稱：磁場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁場傳感器，該磁場傳感器具有霍爾元件和將霍爾元件的輸出電壓放大的放大器，以便檢測設(shè)置地點的磁場并輸出與檢測的磁場對應的信號。
典型的磁場傳感器包含用于輸出與磁場成比例的輸出電壓的霍爾元件和用于將霍爾元件的輸出電壓放大的放大器以及用于輸入放大器的輸出電壓、與基準電壓進行比較并輸出比較結(jié)果的比較器的雙極IC或CMOS IC。這樣的磁場傳感器輸出2值輸出信號(0或1)，表示設(shè)置磁場傳感器的地點的磁場比基準電壓大還是小。
其它的磁場傳感器具有用于輸出與磁場成比例的輸出電壓的霍爾元件和用于將霍爾元件的輸出電壓放大的放大器，并直接輸出該放大器的模擬輸出信號。
磁場傳感器產(chǎn)品特性離散的主要原因之一是包含在霍爾元件的輸出電壓中的偏置信號成分的離散。這是由于霍爾元件本體封裝時受到應力等原因產(chǎn)生的。另一個原因是放大器(一般是差動放大器)的輸入端產(chǎn)生的偏置信號成分。
美國專利第4037150號公開了減小霍爾元件的偏置信號成分影響的技術(shù)。美國專利第4037150號記載的所發(fā)明的磁場傳感器像圖5和圖6記載的霍爾元件1那樣，是4個端子的具有幾何學上等效形狀的平板形霍爾元件。
所謂幾何學上等效的形狀如圖5記載的四角形霍爾元件1那樣，是指圖5狀態(tài)下的形狀和在把圖5的霍爾元件旋轉(zhuǎn)90度的狀態(tài)下(在圖5中，旋轉(zhuǎn)后使A-A’與B-B’一致)的形狀相同。
根據(jù)圖5進行說明?；魻栐哂袑蔷€方向的2對端子A-A’與B-B’。在第1相位(時序1)中，在端子A-A’之間施加電源電壓，檢測端子B-B’間的輸出電壓并存儲。其次，在第2相位(時序2)中，在端子B-B’之間施加電源電壓，檢測端子A-A’間的輸出電壓并存儲。這些切換由開關(guān)電路24實現(xiàn)。
再有，在所有的附圖中，都沒有圖示對霍爾元件施加電源電壓的電路。
圖7中記載第1相位和第2相位的時序。
若取第1相位的輸出信號與第2相位的輸出信號之和，則霍爾元件輸出信號的有效成分以同相相加而變成2倍，霍爾元件輸出信號的偏置信號成分以反相相加而互相抵消。這樣一來，就可以抑制霍爾元件的偏置信號成分對輸出信號的影響。
其次，參照圖5和圖6說明先有的補償由放大器的輸入偏置引起的偏置信號成分的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)。
圖5示出特開平8-201491公開的第1先有例的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)。在圖5中，1是霍爾元件，24是開關(guān)電路，4和6是作為存儲元件的電容器，5和8是開關(guān)，10和11是具有高輸入輸出阻抗而且把輸入的電壓變換成電流并輸出的電壓電流變換放大器，12是電阻。
在第1相位中，具有脈沖的第1相位信號(a)加到開關(guān)5，在第2相位中，具有脈沖的第2相位信號(b)加到開關(guān)8。此外，第1和第2相位信號加到開關(guān)電路24。
圖7示出第1先有例中的第1相位和第2相位的關(guān)系。
說明第1相位的動作。
在第1相位中，開關(guān)5閉合，開關(guān)8打開。這時，在霍爾元件1的端子A-A’之間施加電源電壓，端子B-B’間的輸出電壓通過開關(guān)24輸出。該霍爾元件1的輸出電壓輸入到電壓電流變換放大器10。
電壓電流變換放大器10輸出與霍爾元件1的輸出電壓成比例的電流。電壓電流變換放大器10的輸出電流IOUT可由下式表示。
IOUT＝α(Vh+Voff10)(1)Voff10是電壓電流變換放大器10的輸入偏置電壓，Vh是霍爾元件的輸出電壓(電壓電流變換放大器10的輸入電壓)。α是從電壓到電流的變換系數(shù)(比例常數(shù))。
霍爾元件各產(chǎn)品之間的電阻值的離散大，一般，當霍爾元件的電阻值小時，霍爾元件的輸出電壓增大，當霍爾元件的電阻值大時，霍爾元件的輸出電壓減小。
該電流經(jīng)開關(guān)5流入電容器4和6。與放大器10具有同一功能的電壓電流變換放大器11產(chǎn)生與電容器4的充電電壓和電容器6的充電電壓之差成比例而且與電壓電流變換放大器10的電流方向相反的電流。對電容器4和電容器6的充電電流在電壓電流變換放大器10和電壓電流變換放大器11的各輸出電流之和為0時停止。因電壓電流變換放大器10和電壓電流變換放大器11的各輸出電流的方向相反，所以，這時電壓電流變換放大器10和電壓電流變換放大器11的各輸出電流的絕對值相等。因此，電壓電流變換放大器11的輸出電流IOUT2可由下式表示。
IOUT2＝-α(Vh+Voff10)(2)其次，說明第2相位的動作。
在第2相位中，開關(guān)5打開，開關(guān)8閉合。這時，因電容器4和6沒有充放電電流流過，故電容器4和6維持第1相位中積蓄的電荷(從而，電壓)。因此，電壓電流變換放大器11持續(xù)流過與第1相位中的電流相同的電流。電壓電流變換放大器11的輸出電流IOUT2可由式(2)表示。
這時，在霍爾元件1的端子B-B’之間施加電源電壓，端子A-A’間的輸出電壓通過開關(guān)24輸出。該霍爾元件1的輸出電壓輸入到電壓電流變換放大器10。輸入到電壓電流變換放大器10的該霍爾元件的輸出信號實際上與第1相位時的方向相反。因此，這時，電壓電流變換放大器10的輸出電流與電壓電流變換放大器11的輸出電流大小相同，而且極性相同。
第2相位中的電壓電流變換放大器10的輸出電流IOUT1可由下式表示。
IOUT1＝α(-Vh+Voff10)(3)電壓電流變換放大器10和11的輸出電流之和經(jīng)開關(guān)8流入電阻12。
因此，電阻12流過的電流I將式(2)和式(3)相加而成為I＝IOUT1+IOUT2＝-2αVh (4)可知，輸入偏置電壓Voff10互相抵消。
圖6表示先有的磁場傳感器的第2構(gòu)成例。在圖6中，1是霍爾元件，24是開關(guān)電路，25是電壓放大器，4和6是作為存儲元件的電容器，5、8和9是開關(guān)。電容器4和6的容量具有相等的值。
圖8示出第2先有例中的第1相位、第2相位和第3相位的關(guān)系。
說明第1相位的動作。
在第1相位中，開關(guān)5閉合，開關(guān)8和9打開。
這時，在霍爾元件1的端子A-A’之間施加電源電壓，端子B-B’間的輸出電壓通過開關(guān)24輸出。該霍爾元件1的輸出電壓輸入到電壓放大器25。
電壓放大器25輸出與霍爾元件1的輸出電壓成比例的電壓。第1相位中的電壓放大器25的輸出電壓V1可由下式表示。
V1＝β(Vh+Voff25)(5)Voff25是電壓放大器25的輸入偏置電壓，Vh是霍爾元件的輸出電壓(電壓放大器25的輸入電壓)。β是電壓放大器25的電壓放大倍數(shù)。
電容器4經(jīng)開關(guān)5充電到電壓放大器25的輸出電壓V1。
其次，說明第2相位的動作。
在第2相位中，開關(guān)8閉合，開關(guān)5和9打開。
在霍爾元件1的端子B-B’之間施加電源電壓，端子A-A’間的輸出電壓通過開關(guān)24輸出。該霍爾元件1的輸出電壓輸入到電壓放大器25。輸入到電壓放大器25的輸入端子的該霍爾元件的輸出信號實際上與第1相位時的方向相反。因此，這時，電壓放大器25的輸出電壓V2可由下式表示。
V2＝β(-Vh+Voff25) (7)電容器6經(jīng)開關(guān)8充電到電壓放大器25的輸出電壓V2。
最后，說明第3相位的動作。
在第3相位中，開關(guān)9閉合，開關(guān)5和8打開。
電容器4的兩個端子經(jīng)開關(guān)9交叉，與電容器6的兩個端子并聯(lián)連接。結(jié)果，電容器4的端子間電壓-V1與電容器6的端子間電壓V2的平均值輸出到輸出端子。因電容器4和6的容量相同，故該輸出電壓可由下式表示。
V＝(-V1+V2)/-βVh(8)這里，可知電壓放大器25的輸入偏置電壓Voff25相互抵消。
利用霍爾元件的磁場傳感器的電壓放大器25在第1相位中輸出作為把4端子霍爾元件中相對的2端子間的輸出信號放大了的信號的第1輸出信號，在第2相位中輸出作為把4端子霍爾元件中相對的2端子間的輸出信號放大了的信號的第2輸出信號。該第2輸出信號實際上是將第1輸出信號反向后的信號。這樣，利用了霍爾元件的磁場傳感器的電壓放大器通過輸出在第1相位和第2相位中實際上是反向的信號使電壓放大器25的輸入偏置電壓Voff25抵消。
因霍爾元件的輸出電壓是作為霍爾元件的2端子間的電壓差輸出的，故以往將該霍爾元件的電壓差輸入到差動放大器，該差動放大器輸出同相(+)輸出信號和反相(-)輸出信號。
因此，現(xiàn)有的磁場傳感器的放大器如圖5或圖6所示那樣，是具有同相輸出端子和反相輸出端子的雙輸出型放大器。
但是，若使用雙輸出型放大器，則輸出部分的構(gòu)成元件數(shù)多，會占有較大的芯片面積。
在現(xiàn)有的構(gòu)成中，存在用來抵消輸入偏置電壓的電路規(guī)模大的缺點。
此外，近年來，在便攜式電話機等用電池工作的產(chǎn)品中也逐漸使用磁場傳感器，故降低磁場傳感器的消耗電流便成為重要的技術(shù)課題。作為降低消耗電流所使用的方法，一般采用間歇工作的方法，該方法使用計數(shù)器等使一定時間內(nèi)的消耗電流為0。
但是，由于使用磁場傳感器的設(shè)置，能夠使傳感器停止工作的時間受到限制，需要幾個步驟才能實現(xiàn)一次檢測動作這一點構(gòu)成問題。具體地說，在第1先有例中，需要用第1和第2相位的2個步驟測定磁場，在第2先有例中，需要第1到第3相位的3個步驟測定磁場。
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，其目的在于提供一種能降低磁場檢測輸出電壓的離散性、耗電低而且廉價的磁場傳感器，本發(fā)明的第1方面記載的發(fā)明是一種磁場傳感器，包括從輸出端子輸出與外加磁場對應的信號的霍爾元件；輸入上述霍爾元件的上述輸出端子的信號并且輸出根據(jù)從外部提供的具有第1、第2相位的信號所選擇的信號的開關(guān)電路；至少一個輸入端子與上述開關(guān)電路的輸出端子連接并且從輸出端子輸出將該輸入端子的信號放大了的電壓的放大器；一端與上述放大器的上述輸出端子連接的第1存儲元件；一端與上述第1存儲元件的另一端連接并且根據(jù)從外部提供的具有第1、第2相位的信號進行開閉動作的開關(guān)；與上述第1存儲元件的上述另一端連接的信號輸出端子；在上述第1相位中，上述開關(guān)閉合，上述第1存儲元件存儲上述放大器的輸出電壓，在上述第2相位中，上述開關(guān)打開，將上述第1存儲元件存儲的上述電壓與上述放大器的輸出電壓的矢量和輸出到上述輸出端子。
本發(fā)明通過簡單的電路使放大器的輸入偏置電壓抵消。由此，實現(xiàn)不受該輸入偏置電壓的影響、產(chǎn)品之間的離散少、小型而廉價的磁場傳感器。
進而，本發(fā)明可以實現(xiàn)低功耗的磁場傳感器。
在本說明書和權(quán)利要求書的記載中，‘相位’這一詞是指時間軸上的時間段。‘第1相位’和‘第2相位’只意味時間軸上相互不同的時間段。
例如，‘第1相位’和‘第2相位’除了像圖7等那樣重復發(fā)生的情況之外，在有來自外部的要求時只發(fā)生一次的情況也包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
再有，在本發(fā)明中，‘第1相位’和‘第2相位’在像圖7等那樣重復發(fā)生的情況下，與重復周期以及第1相位的期間與第2相位的期間的時間長度比無關(guān)，與既不屬于第1相位又不屬于第2相位的期間的長短也無關(guān)。例如，也包含在每一個一定的長周期內(nèi)使磁場傳感器間歇工作的情況。
本發(fā)明的第2方面記載的發(fā)明是本發(fā)明的第1方面記載的磁場傳感器，其特征在于上述開關(guān)電路具有第2、第3存儲元件，在上述從外部提供的上述第1相位中，在上述第2存儲元件內(nèi)存儲上述霍爾元件輸出端子的輸出電壓，將上述第3存儲元件存儲的電壓提供給上述放大器，在上述第2相位中，將上述第2存儲元件存儲的電壓加到上述放大器，在上述第3存儲元件中存儲上述霍爾元件輸出端子的輸出電壓。
本發(fā)明通過簡單的電路結(jié)構(gòu)將霍爾元件2端子間的電壓差變換成相對例如磁場傳感器的1個輸出端子的電位的電壓，并將相對該1個輸出端子的電位的電壓輸入到單輸出型放大器中。該1個輸出端子的電位可以是固定的基準電位(包含地電位)，也可以不是基準電位。
在本發(fā)明中，可以使用單輸出型放大器代替先有的雙輸出型放大器。使用了單輸出型放大器的本發(fā)明其輸出部分的構(gòu)成元件數(shù)比雙輸出型放大器少，只占有很小的芯片面積。
本發(fā)明可以實現(xiàn)小型、低功耗且廉價的磁場傳感器。
單輸出型放大器放大輸入信號并且輸出同相輸出信號或反相輸出信號中的任何一個信號。
本發(fā)明的第3方面記載的發(fā)明是本發(fā)明的第1或第2方面記載的磁場傳感器，其特征在于上述存儲元件中的至少一個存儲元件是電容器。
按照本發(fā)明，可以實現(xiàn)使用了小型且適于IC化的存儲元件的磁場傳感器。
本發(fā)明的第4方面記載的發(fā)明是本發(fā)明的第1到第3方面的任一方面記載的磁場傳感器，其特征在于上述開關(guān)具有第1、第2和第3并聯(lián)連接，這些連接把根據(jù)從外部提供的2值信號使2端子間導通截止的第1、第2導電特性晶體管并聯(lián)連接起來，在將第2并聯(lián)連接的兩端與第1并聯(lián)連接的一端連接的同時將第3并聯(lián)連接的兩端與第1并聯(lián)連接的另一端連接，以對于第2、第3并聯(lián)連接的第1導電特性晶體管不同的2值信號的值驅(qū)動第1并聯(lián)連接的第1導電特性晶體管，以對于第2、第3并聯(lián)連接的第2導電特性晶體管不同的2值信號的值驅(qū)動第1并聯(lián)連接的第2導電特性晶體管。
按照本發(fā)明，例如在MOS構(gòu)造的開關(guān)隨其開關(guān)的柵極端子的變化而打開時或閉合時，可以防止該開關(guān)柵-源間或柵-漏間的寄生電容積蓄的電荷流入存儲元件。
因此，可以實現(xiàn)離散少的磁場傳感器。
本發(fā)明的第5方面記載的發(fā)明是本發(fā)明的第1到第4方面記載的磁場傳感器，其特征在于決定放大器增益的至少一個電阻是與霍爾元件同一制法的元件。
本發(fā)明的磁場傳感器使決定放大器增益的至少一個電阻由與霍爾元件同一制法的元件構(gòu)成，而且霍爾元件和電壓放大器包含在同一塊半導體芯片上。
霍爾元件的電阻值小時，由該同一元件形成的電阻的電阻值也小，其結(jié)果，構(gòu)成磁場傳感器使得電壓放大器的增益減小。相反，霍爾元件的電阻值大時，由該同一元件形成的電阻的電阻值也大，其結(jié)果，電壓放大器的增益增大。
因此，具有能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓的離散比霍爾元件的電阻值的離散少的磁場傳感器的效果。
在本說明書和權(quán)利要求書的記載中，‘同一制法’是指通過同一制造工序生成的元件，例如，是通過同一雜質(zhì)擴散工序或生成同一N阱，而不考慮元件的物理尺寸或形狀的差異。因此，霍爾元件和電阻若是由同一制造工序制造的元件，則即使霍爾元件和電阻的尺寸或形狀不同，也是同一制法的元件。
本發(fā)明的第6方面記載的發(fā)明是一種磁場傳感器，其特征在于，包括輸出與外加磁場對應的信號的霍爾元件；放大該霍爾元件的輸出信號并從輸出端子對輸出電壓信號的放大器；兩端與上述放大器的輸出端子對連接的電容器；插入并連接在上述輸出端子對的一方和上述電容器的一端之間并由外部給出的第1信號閉合、由第2信號打開的開關(guān)部分；分別輸出上述開關(guān)兩端的電壓的輸出端子，上述放大器的輸出端子對電壓信號的極性在上述第1信號期間和上述第2信號期間相反。
本發(fā)明通過簡單的電路使放大器的輸入偏置電壓抵消。因此，實現(xiàn)不受該輸入偏置電壓的影響、產(chǎn)品之間的離散少、小型而廉價的磁場傳感器。
本發(fā)明的第7方面記載的發(fā)明是一種磁場傳感器，其特征在于，包括從第1和第2端子對輸出與外加磁場對應的信號的霍爾元件；第1和第2電容器；使上述第1端子對與上述第1電容器兩端分別連接的第1連接部分；使上述第2端子對與上述第2電容器兩端分別連接的第2連接部分；插入連接在上述第1連接部分并由外部給出的第1信號閉合、由第2信號打開該第1連接部分的第1開關(guān)部分；插入連接在上述第2連接部分并由外部給出的第1信號打開、由第2信號閉合該第2連接部分的第2開關(guān)部分；放大加入在輸入端子上的信號并且從輸出端子輸出的放大器；第1輸出端子；分別與上述第1電容器兩端和上述放大器的輸入端子以及上述第1輸出端子連接的第3連接部分；分別與上述第2電容器兩端和上述放大器的輸入端子及上述第1輸出端子連接的第4連接部分；插入連接在上述第3連接部分并由外部給出的第1信號打開、由第2信號閉合該第3連接部分的第3開關(guān)部分；插入連接在上述第4連接部分并由外部給出的第1信號閉合、由第2信號打開該第4連接部分的第4開關(guān)部分；第2輸出端子；一端與上述放大器的輸出端子連接、另一端與上述第2輸出端子連接的第3電容器；兩端分別與上述第1和第2輸出端子連接并由外部給出的第1信號閉合、由第2信號打開的第5開關(guān)部分，從上述第1、第2輸出端子間取出信號。
本發(fā)明通過簡單的電路結(jié)構(gòu)將霍爾元件2端子間的電壓差變換成相對磁場傳感器的1個輸出端子的電位的電壓，將相對磁場傳感器的1個輸出端子的電位的電壓輸入到單輸出型放大器。作為放大相對磁場傳感器的1個輸出端子的電位的電壓的放大器，可以使用單輸出型放大器。
磁場傳感器的1個輸出端子的電位可以是固定的基準電位，也可以不是固定的基準電位。
本發(fā)明通過簡單的電路使放大器的輸入偏置電壓抵消。因此，實現(xiàn)不受該輸入偏置電壓的影響、產(chǎn)品之間的離散少、小型而廉價的磁場傳感器。
本發(fā)明的第8方面記載的發(fā)明是本發(fā)明的第7方面記載的磁場傳感器，其特征在于，包括分別輸入上述第1輸出端子和上述第2輸出端子的信號并將與規(guī)定的電壓進行比較的結(jié)果作為2值信號輸出的比較器；輸入上述比較器的輸出信號以及上述第2信號并與上述第2信號的一相位同步、輸出上述2值信號的一方的鎖存電路。
本發(fā)明第8方面記載的發(fā)明進而可以按第2相位的結(jié)束時序鎖存輸入電壓并輸出0或1的一定的數(shù)字值。
本發(fā)明的第9方面記載的發(fā)明是一種磁場傳感器，其特征在于，包括輸出與外加磁場對應的信號的霍爾元件；放大該霍爾元件的輸出信號并從輸出端子對輸出電壓信號的放大器；兩端與上述放大器的輸出端子對連接的電容器；插入連接在上述輸出端子對的一方與上述電容器的一端之間并由外部給出的第1信號閉合、由第2信號打開的開關(guān)部分；分別輸出上述開關(guān)兩端的電壓的輸出端子；分別輸入該輸出端子的信號并將與規(guī)定的電壓進行比較的結(jié)果作為2值信號輸出的比較器；輸入上述2值信號和上述第2信號并與上述第2信號的一相位同步、輸出上述2值信號的一方的鎖存電路，上述放大器的輸出端子對電壓信號的極性在上述第1信號期間與上述第2信號期間相反。
本發(fā)明第9方面記載的發(fā)明通過簡單的電路使放大器的輸入偏置電壓抵消，而且可以按第2相位的結(jié)束時序鎖存輸入電壓并輸出0或1的一定的數(shù)字值。
本發(fā)明的第10方面記載的發(fā)明是本發(fā)明的第8方面或第9方面記載的磁場傳感器，其特征在于上述比較器根據(jù)上述鎖存電路的輸出信號使上述比較器的上述規(guī)定的電壓不同。
本發(fā)明的第10方面記載的發(fā)明通過對用于比較器判定而設(shè)定的基準值設(shè)置滯后特性，可以從比較器取出已抑制相對噪聲信號來說是穩(wěn)定的震蕩的信號。通過將該信號送給鎖存電路，可以從鎖存電路取出判別精度高的穩(wěn)定的信號。
本發(fā)明的新的特征由附屬的權(quán)利要求書中特別記載的內(nèi)容所規(guī)定，然而從參照附圖同時理解本發(fā)明的其它目的或特征的對于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以及內(nèi)容的詳細說明中，將更充分地理解和評價本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明的第1實施例的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明的第2實施例的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明的第3實施例的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本發(fā)明的開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是第1先有例的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是第2先有例的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖7是第1先有例和第1、第2及第3實施例的時序圖。
圖8是第2先有例的時序圖。
附圖的一部分或全部是根據(jù)以圖示為目的的大致表現(xiàn)而描述的，不一定能忠實地反映這里示出的部件的實際相對尺寸和位置。
以下，參照
本發(fā)明的實施例。
《實施例1》圖1示出本發(fā)明的第1實施例的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)。在圖1中，1是霍爾元件，2是開關(guān)電路，3是電壓放大器，4是作為存儲元件的電容器，5是開關(guān)。
霍爾元件1是4個端子并且具有幾何學上等效形狀的平板形霍爾元件。
在第1相位中，具有脈沖的第1相位信號(a)加到開關(guān)5和開關(guān)電路2。在第2相位中，具有脈沖的第2相位信號(b)加到開關(guān)電路2。
圖7示出第1實施例的時序圖。
以下，說明以上那樣構(gòu)成的磁場傳感器的動作。
說明第1相位的動作。
在第1相位中，開關(guān)5閉合。
這時，在霍爾元件1的端子A-A’之間施加電源電壓，端子B-B’間的輸出電壓通過開關(guān)電路2輸出。該霍爾元件1的輸出電壓輸入到電壓放大器3。
電壓放大器3輸出與霍爾元件1的輸出電壓Vh成比例的電壓。在第1相位中電壓放大器3的輸出電壓V1可由下式表示。
V1＝β(Vh+Voff3) (9)Voff3是電壓放大器3的輸入偏置電壓，β是電壓放大器3的放大倍數(shù)。電容器4的兩端經(jīng)開關(guān)5充電到電壓放大器3的輸出電壓V1。
其次，說明第2相位的動作。
在第2相位中，開關(guān)5打開。
在霍爾元件1的端子B-B’之間施加電源電壓，端子A-A’間的輸出電壓通過開關(guān)電路2輸出。該霍爾元件1的輸出電壓輸入到電壓放大器3。輸入到電壓放大器3的輸入端子的該霍爾元件的輸出信號實際上與第1相位時的方向相反。因此，這時，電壓放大器3的輸出電壓V2可由下式表示。
V2＝β(-Vh+Voff3)(10)在第2相位中，保持電容器4的端子間電壓，并與電壓放大器3的輸出電壓進行矢量求和。矢量和信號V從輸出端子20、21輸出。
因此，圖1的第1實施例的輸出電壓V可由下式表示。
V＝-V1+V2＝-βVh (11)可知在輸出電壓V中，輸入偏置電壓Voff3相互抵消。
若比較式(4)、(8)和(11)，則所有的輸入偏置電壓Voff同樣相互抵消，但本發(fā)明的磁場傳感器與圖5的現(xiàn)有技術(shù)比較，其電路結(jié)構(gòu)小型而且簡單。
此外，本發(fā)明用2個步驟(第1相位和第2相位)輸出霍爾元件檢測信號的放大信號，所以，比圖6和圖8所示的第2先有例的步驟數(shù)(3個)少。
例如，在每一個固定的周期輸出一次霍爾元件檢測信號的放大信號的本發(fā)明的磁場傳感器的應用裝置中，在磁場傳感器不工作的期間，通過停止對磁場傳感器的電源供給，可以比使用了圖6的磁場傳感器的裝置降低一定周期內(nèi)的功耗。
《實施例2》圖2示出本發(fā)明的第2實施例的磁場傳感器的結(jié)構(gòu)。在圖2中，1是霍爾元件，2是開關(guān)電路，3是電壓放大器，4、6、7是作為存儲元件的電容器，5和8是開關(guān)。
霍爾元件1是有4個端子并且具有幾何學上等效形狀的平板形霍爾元件。
電壓放大器3由單輸入的放大器和決定放大倍數(shù)(反饋量)的2個電阻22、23構(gòu)成。在輸出與輸入電壓成比例的電壓的功能方面，與第1實施例的電壓放大器3相同。
在第1相位中，具有脈沖的第1相位信號(a)加到開關(guān)5(包含構(gòu)成開關(guān)電路2的一部分的開關(guān)5)以及向霍爾元件1加入電源電壓的電路的切換開關(guān)(包含在開關(guān)電路2中，未圖示)。在第2相位中，具有脈沖的第2相位信號(b)加到開關(guān)8(構(gòu)成開關(guān)電路2的一部分)以及向霍爾元件1加入電源電壓的電路的切換開關(guān)(包含在開關(guān)電路2中，未圖示)。
第2實施例的時序圖與圖7的時序圖一樣。
以下，說明以上那樣構(gòu)成的磁場傳感器的動作。
說明第1相位的動作。
在第1相位中，開關(guān)5閉合，開關(guān)8打開。
這時，在霍爾元件1的端子A-A’之間施加電源電壓，端子B-B’間的輸出電壓Vh通過開關(guān)電路2輸出。該霍爾元件1的輸出電壓Vh通過開關(guān)5加在電容器6上，對電容器6進行充電。
這時，電容器7的兩端電壓通過開關(guān)5輸入到電壓放大器3的輸入端子。
構(gòu)成放大器3的單輸出型電壓放大器31的1個輸入端子與磁場傳感器的1個輸出端子連接。
單輸出型電壓放大器31輸出與電容器7兩端成比例的電壓。如后述那樣，電容器7的兩端電壓是Vh。在第1相位中電壓放大器3的輸出電壓V1可由下式表示。該式與上述式(9)相同。
V1＝β(Vh+Voff3) (12)β、Vh和Voff3的定義與第1實施例相同。
電容器4的兩端通過開關(guān)5被充電到電壓放大器3的輸出電壓V1。
其次，說明第2相位的動作。
在第2相位中，開關(guān)8閉合，開關(guān)5打開。
這時，在霍爾元件1的端子B-B’之間施加電源電壓，端子A-A’間的輸出電壓Vh通過開關(guān)電路2輸出。該霍爾元件1的輸出電壓Vh通過開關(guān)8加在電容器7上，對電容器7進行充電。
這時，電容器6兩端的電壓通過開關(guān)8輸入到電壓放大器3的輸入端子對(單輸出型電壓放大器31的輸入端子以及磁場傳感器的負輸出端子21)。
單輸出型電壓放大器31輸出與電容器6兩端的電壓成比例的電壓。電容器6兩端的電壓是Vh。在第2相位中，電壓放大器3的輸出電壓V2可由下式表示。與上述(10)式相同。
V2＝β(-Vh+Voff3)(13)在第2相位中，保持電容器4的端子間電壓，并與電壓放大器3的輸出電壓進行矢量求和。矢量和信號V從輸出端子20、21輸出。
因此，圖2的第2實施例的輸出電壓V可由下式表示。
V＝-V1+V2＝-2βVh(14)可知在輸出電壓V中，輸入偏置電壓Voff3相互抵消。
第2實施例的磁場傳感器反復進行以上動作。
這樣，本發(fā)明在第1相位中將輸出端子B-B’間的輸出電壓Vh暫時存儲在電容器6中。在第2相位中，切斷電容器6與霍爾元件的連接，使電容器6的1個端子與磁場傳感器的負輸出端子21連接，電容器6的另一個端子與單輸出型放大器31的同相(正)輸入端子連接。
同樣，在第2相位中將輸出端子A-A’間的輸出電壓存儲在電容器7中。在第1相位中，切斷電容器7與霍爾元件的連接，在使電容器7的一端與磁場傳感器的負輸出端子21連接的同時使另一端與單輸出型放大器31的同相輸入端子連接。
由于電容器6在切換兩端子連接的前后保持兩端子間的電壓，因而霍爾元件1的端子A-A’和B-B’間的輸出電壓Vh以負輸出端子21的電位為基準變換成電壓Vh(偏置電平的變換)。
因此，作為電壓放大器3可以使用單輸入的單輸出型放大器代替差動輸入的2輸出型放大器。
上述負輸出端子的電位可以是基準電位，也可以不是基準電位。也可以使用正輸出端子去代替負輸出端子(這時，單輸出放大器的輸出信號從負輸出端子輸出)。
在第2實施例中，在將電容器6或7從霍爾元件1斷開之后，將電容器6或7兩端的電壓輸入到單輸出型放大器31中。由此，保持霍爾元件的2端子間的電壓差，而且，斷開的霍爾元件1可以正常工作。
這樣，可以使用單輸出型放大器代替先有的2輸出型放大器。
此外，即使對于負輸出端子的電位不是固定的基準電位(包含地電位)的磁場傳感器，根據(jù)本發(fā)明也可以使用單輸出型放大器。
最好對實施例1或?qū)嵤├?的開關(guān)采取防饋通的措施，已采取防饋通措施的開關(guān)在該開關(guān)的柵極端子變化時，可以防止存儲在開關(guān)的柵-源間或柵-漏間的寄生電容中積蓄的電荷流入電容器6或7或者從中流出。
圖4是對用2值電壓驅(qū)動柵極的MOS結(jié)構(gòu)的雙向開關(guān)50采取了防饋通措施的圖。
開關(guān)50和51、52是使N溝道及P溝道MOS晶體管并聯(lián)連接并用外加的2值電壓驅(qū)動各晶體管的柵極的開關(guān)。這里，開關(guān)51、52的輸入輸出部分共同連接。進而，使開關(guān)51與開關(guān)50的輸入輸出部分的一方連接，使開關(guān)52與開關(guān)50的另一方連接。當開關(guān)50的柵極端子的電壓變化時，存儲在開關(guān)50的N溝道及P溝道MOS晶體管的各源、漏和柵極間的寄生電容中積蓄的電荷移動。于是，利用與驅(qū)動開關(guān)50的2值電壓相反極性的2值電壓來驅(qū)動開關(guān)51、52。由此，使開關(guān)51、52的寄生電容的電荷向與開關(guān)50相反的方向移動。通過該電荷的移動，可以抵消開關(guān)50的電荷移動。
決定實施例1或?qū)嵤├?的電壓放大器的增益的電阻的至少一個最好用和霍爾元件同樣的材料構(gòu)成。例如，若以圖2的電壓放大器3為例，使插在單輸出型放大器31的輸出端子和放大器的反向(負)輸入端子間的電阻22用和霍爾元件同樣的元件構(gòu)成。
例如，在P型半導體基底上擴散N型雜質(zhì)形成霍爾元件和電阻22，使電阻23由離散少的多晶硅形成。
在將霍爾元件1和電壓放大器3包含在同一塊半導體芯片上的磁場傳感器中，當霍爾元件1的電阻值小時，霍爾元件1的輸出電壓變大，但因該同一元件形成的電阻22的電阻值也小，結(jié)果，電壓放大器3的增益變小。相反，當霍爾元件1的電阻值大時，霍爾元件1的輸出電壓變小，但因該同一元件形成的電阻22的電阻值也大，結(jié)果，電壓放大器3的增益變大。
因此，可以抑制電壓放大器3的輸出端子20、21的輸出電壓隨霍爾元件1的輸出電壓的離散而離散，而霍爾元件1輸出電壓的離散是因霍爾元件1的電阻值的離散而引起的。從而，可以實現(xiàn)端子20、21的輸出電壓的離散少的磁場傳感器。
《實施例3》圖3是例示使用了本發(fā)明的第1實施例的磁場傳感器的第3實施例的磁場傳感器的圖。第3實施例的磁場傳感器根據(jù)磁場的強度輸出0或1的2值數(shù)字信號。
在圖3中，1是霍爾元件，2是開關(guān)電路，3是電壓放大器，4是作為存儲元件的電容器，5是開關(guān)(在第1相位期間閉合，在其它相位期間打開)。13是比較器，14是鎖存電路，15是時鐘生成電路，16是第1相位時鐘生成電路，17是第2相位時鐘生成電路。
霍爾元件1是4個端子并且具有幾何學上等效形狀的平板形霍爾元件。
圖7(a)示出第1相位時鐘生成電路16的輸出信號的波形(包含第1相位)，圖7(b)示出第2相位時鐘生成電路17的輸出信號的波形(包含第2相位)。
以下，說明像以上那樣構(gòu)成的磁場傳感器的動作。
在該說明中，恒定的磁場穿過霍爾元件1，設(shè)若不考慮偏置，霍爾元件輸出電壓也恒定的情況。
首先，利用第1相位時鐘生成電路16生成決定第1相位的時鐘。其次，使用該時鐘在霍爾元件1的對角線上的一對端子之間施加電壓，在剩下的2端子間生成與磁場成比例的霍爾元件輸出電壓。使開關(guān)電路2動作，將該輸出電壓加在電壓放大器3的2輸入端子上。這時，電壓放大器3的輸出產(chǎn)生與霍爾元件1的輸出電壓成比例的電壓，經(jīng)過由第1相位時鐘生成電路16控制的開關(guān)5被取入電容器4。當?shù)?相位結(jié)束時，開關(guān)電路5打開，將第1相位期間電壓放大器3的輸出電壓保持在電容器4中。
其次，利用第2相位時鐘生成電路17生成決定第2相位的時鐘。接著，使用該時鐘，把電壓加入到在第1相位時測定了霍爾元件輸出電壓的霍爾元件1的端子之間，將剩下的2個端子之間與電壓放大器3連接。進而，使開關(guān)電路2動作，將正負極性與第1相位時相反的霍爾元件的輸出電壓加在電壓放大器3的輸入端上。這時，電壓放大器3的輸出電壓與第1相位時的電壓反相。此外，因開關(guān)5打開，故存儲在電容器4中的電壓放大器3的第1相位的輸出電壓和電壓放大器3的第2相位的輸出電壓的矢量和輸入到比較器13的輸入端子。
而且，在該第2相位中，加在相位比較器13的輸入端子上的電位差如前所述，其輸入偏置電壓VOff3相互抵消，變成-2βVh。
將該值與比較器13設(shè)定的基準值進行比較，判定結(jié)果(若該值比基準值小則數(shù)字信號是0，若該值比基準值大則數(shù)字信號是1)從比較器13的輸出端子輸出。
鎖存電路14設(shè)定成也與第2相位時鐘生成電路17連接，在第2相位結(jié)束的時刻鎖存輸入電壓。因此，輸出端子18輸出直到下一個第2相位結(jié)束為止所保持的一定值(0或1的數(shù)字值)。
此外，為了防止震蕩，最好設(shè)定成使該輸出端子18的輸出值返回比較器13并滯后判定基準值。
本發(fā)明通過簡單的電路使放大器的輸入偏置電壓抵消。由此，能得到可以實現(xiàn)不受該輸入偏置電壓的影響、產(chǎn)品之間的離散少、小型而廉價的磁場傳感器的有利效果。
此外，按照本發(fā)明，能得到可以實現(xiàn)低功耗的磁場傳感器的有利效果。
本發(fā)明通過簡單的電路，將霍爾元件電壓差的輸出信號變換成相對基準電位等的電壓，并將該相對基準電位等的電壓輸入到單輸出型放大器。
由此，實現(xiàn)一種磁場傳感器，該磁場傳感器通過使用輸出部分的電路簡單、芯片面積小的單輸出型放大器來放大磁場傳感器電壓差的輸出信號。
按照本發(fā)明，能得到可以實現(xiàn)小型、廉價的磁場傳感器的有利效果。
按照本發(fā)明，能實現(xiàn)使用了小型而且適于IC化的存儲元件的磁場傳感器。由此，能得到可以實現(xiàn)小型、廉價的磁場傳感器的有利效果。
按照本發(fā)明，能得到可以實現(xiàn)由電容器容量的離散引起的輸出電壓的離散少的磁場傳感器的有利效果。
按照本發(fā)明，能得到可以實現(xiàn)輸出電壓的離散比霍爾元件的電阻值的離散少的磁場傳感器的有利效果。
雖然以某種詳細程度就最佳形態(tài)說明了本發(fā)明，但該最佳形態(tài)現(xiàn)在所公開的內(nèi)容其構(gòu)成的微細部分可以適當?shù)刈兓?，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求范圍及思想的情況下，各要素的組合或順序的變化都可以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種檢測磁場的方法，包括以下步驟(a)在第1信號周期，輸出與通過磁場元件施加的磁場強度對應的信號；(b)在第1信號周期，將所述信號存儲在第1存儲元件中，并且將存儲在第2存儲元件中的電壓輸入到放大器；(c)在第2信號周期，輸出與通過磁場元件施加的磁場強度對應的信號，其中與所述施加的磁場強度對應的信號在第1信號周期與第2信號周期中的極性互相相反；(d)將存儲在上述第1存儲元件中的電壓輸入到放大器，并且在第2信號周期，將與施加的磁場強度對應的信號存儲在第2存儲元件中；(e)放大在第1信號周期輸入的電壓以便在上述放大器的一對輸出端子之間輸出電壓信號，并且將上述放大器的該對輸出端子上的信號輸入到電容器兩端；以及(f)放大在第2信號周期輸入的電壓以便在上述放大器的一對輸出端子之間輸出電壓信號，并且將上述放大器的該對輸出端子中的一個輸出端子上的信號輸入到所述電容器的一端，以及將跨在上述電容器的另一端和上述放大器的另一個輸出端子之間的信號分別輸出到第2對輸出端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的檢測磁場的方法，其特征在于，還包括以下步驟(g)將跨在上述電容器的另一端和上述放大器的另一個輸出端子之間的信號與規(guī)定的電壓進行比較；以及(h)將該信號的比較結(jié)果轉(zhuǎn)換成2值信號以便輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的檢測磁場的方法，其特征在于，還包括以下步驟(i)在與上述第2信號周期的一個相位同步的時間鎖存上述2值信號，并且輸出上述2值信號的任一個值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的檢測磁場的方法，其特征在于，還包括以下步驟(j)根據(jù)上述鎖存步驟的輸出信號改變上述規(guī)定的電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的檢測磁場的方法，其特征在于該磁場元件根據(jù)霍爾效應輸出上述第1信號和上述第2信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的檢測磁場的方法，其特征在于，還包括以下步驟(k)在每一個恒定周期，停止對磁場元件的電源供給。
全文摘要
具有霍爾元件和放大器的磁場傳感器，包括從輸出端子輸出與外加磁場對應的信號的霍爾元件；使霍爾元件的輸出端子與輸入端子連接并從輸出端子輸出信號的開關(guān)電路；放大器；一端與放大器的輸出端子連接的第1存儲元件；一端與上述存儲元件的另一端連接并且根據(jù)具有從外部給出的第1、第2相位的信號進行開閉動作的開關(guān)；與第1存儲元件的另一端連接的信號輸出端子。
文檔編號G01R33/07GK1576874SQ20041007513
公開日2005年2月9日 申請日期2001年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月23日
發(fā)明者原淳一郎, 畑中忠太 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社