(57)【要約】【課題】簡単な構成で入力オフセット電圧の温度依存性が小さいセンサ信号処理装置を提供する。【解決手段】センサ用電源として第１の電源電圧Ｖ´ｃｃを供給されて動作し、センサ出力Ｖｓ１、Ｖｓ２を出力するセンサ部１００と、信号処理用電源として第２の電源電圧Ｖｃｃを供給されて動作し、センサ出力Ｖｓ１、Ｖｓ２が入力される差動対を使用する差動増幅部を有して信号処理を行なう信号処理部２００と、を有してセンサ信号処理装置１を構成する。この第１の電源電圧Ｖ´ｃｃは、信号処理部２００の差動増幅部２５０の入力電圧範囲の下限領域に設定される。【選択図】図１
2013090226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ用電源として第１の電源電圧を供給されて動作し、センサ出力を出力するセンサ部と、
信号処理用電源として第２の電源電圧を供給されて動作し、前記センサ出力が入力される差動対を使用する差動増幅部を有して信号処理を行なう信号処理部と、を有し、
前記第１の電源電圧は、前記差動増幅部の入力電圧範囲の下限領域に設定されていることを特徴とするセンサ信号処理装置。
【請求項２】
前記第１の電源電圧は、前記第２の電源電圧から降圧回路により生成されて設定されたたものであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ信号処理装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、オペアンプを前記差動増幅部として備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ信号処理装置。
【請求項４】
センサ用電源として第１の電源電圧を供給されて動作し、センサ出力を出力するセンサ部と、
信号処理用電源として第２の電源電圧を供給されて動作し、前記センサ出力が入力される差動対を使用する差動増幅部を有して信号処理を行なう信号処理部と、
前記第２の電源電圧から前記第１の電源電圧を生成する降圧回路と、
を有することを特徴とするセンサ信号処理装置。
【請求項５】
前記降圧回路は、シリーズレギュレータであることを特徴とする請求項４に記載のセンサ信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ信号処理装置に関し、特に、入力オフセット電圧の温度依存性が小さいセンサ信号処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
オペアンプの入力オフセット電圧は、センサ信号処理装置を作製する上で重要な特性項目である。従来、センサの抵抗素子をトリミングすることにより抵抗値を調整し、オペアンプの入力オフセット電圧を調整していた。例えば、センサ信号処理装置のオフセット電圧を決定するセンサの抵抗素子における複数の抵抗は、ボンディングワイヤによって電源端子およびグランド端子のいずれかと選択的に接続され、あるいは、いずれにも接続されないように構成されている（例えば特許文献１参照）。これにより、調整可能なオフセット電圧の数を多段階に増やすことができ、センサ信号処理装置のオフセット特性の調整精度を高めることができるとされている。
【０００３】
また、ベース・エミッタ間電圧増倍回路で構成された温度センサ回路が一般的に広く知られている（例えば特許文献２参照）。この回路構成によれば、ベース・エミッタ間電圧は、温度に比例するので、これにより温度センサとして機能させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７００９０５公報
【特許文献２】特開２００５−１３４１４５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のようなトリミング方式では、温度変化によるオフセット電圧を補正することは難しい。また、特許文献２のような温度センサに基づくオフセット電圧補正では、温度センサの追加に伴い回路規模が大きくなり、回路面積が大きくなる等の問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、簡単な構成で入力オフセット電圧の温度依存性が小さいセンサ信号処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］本発明は、上記目的を達成するため、センサ用電源として第１の電源電圧を供給されて動作し、センサ出力を出力するセンサ部と、信号処理用電源として第２の電源電圧を供給されて動作し、前記センサ出力が入力される差動対を使用する差動増幅部を有して信号処理を行なう信号処理部と、を有し、前記第１の電源電圧は、前記差動増幅部の入力電圧範囲の下限領域に設定されていることを特徴とするセンサ信号処理装置を提供する。
【０００８】
［２］前記第１の電源電圧は、前記第２の電源電圧から降圧回路により生成されたものであることを特徴とする上記［１］に記載のセンサ信号処理装置であってもよい。
【０００９】
［３］また、前記信号処理部は、オペアンプを前記差動増幅部として備えることを特徴とする上記［１］に記載のセンサ信号処理装置であってもよい。
【００１０】
［４］本発明は、上記目的を達成するため、センサ用電源として第１の電源電圧を供給されて動作し、センサ出力を出力するセンサ部と、信号処理用電源として第２の電源電圧を供給されて動作し、前記センサ出力が入力される差動対を使用する差動増幅部を有して信号処理を行なう信号処理部と、前記第２の電源電圧から前記第１の電源電圧を生成する降圧回路と、を有することを特徴とするセンサ信号処理装置を提供する。
【００１１】
［５］前記降圧回路は、シリーズレギュレータであることを特徴とする上記［４］に記載のセンサ信号処理装置であってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡単な構成で入力オフセット電圧の温度依存性が小さいセンサ信号処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係るセンサ信号処理装置の回路図である。
【図２】図２は、差動対を使用するオペアンプの構成を示す回路図である。
【図３】図３は、センサの入力電圧範囲を示す説明図である。
【図４】図４は、入力オフセット電圧の温度依存性を電源電圧Ｖ´ｃｃをパラメータとしてプロットした温度Ｖｓ入力オフセット電圧の関係図である。
【図５】図５は、第２の実施の形態に係るセンサ信号処理装置の回路図である。
【図６】図６は、第３の実施の形態に係るセンサ信号処理装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。
【００１５】
[第１の実施の形態]
図１は、第１の実施の形態に係るセンサ信号処理装置の回路図である。図２は、差動対を使用するオペアンプの構成を示す回路図である。また、図３は、センサの入力電圧範囲を示す説明図である。本発明の第１の実施の形態に係るセンサ信号処理装置１は、センサ用電源として第１の電源電圧Ｖ´ｃｃを供給されて動作し、センサ出力Ｖｓ１、Ｖｓ２を出力するセンサ部１００と、信号処理用電源として第２の電源電圧Ｖｃｃを供給されて動作し、センサ出力Ｖｓ１、Ｖｓ２が入力される差動対を使用する差動増幅部を有して信号処理を行なう信号処理部２００と、を有して構成されている。
【００１６】
センサ部１００は、例えば、４素子の磁気抵抗素子ＳＲ１〜ＳＲ４でブリッジを組んで磁気抵抗センサとして構成されたもので、磁気抵抗素子ＳＲ１及びＳＲ３のそれぞれ一端はセンサ用電源として第１の電源電圧Ｖ´ｃｃに接続されている。磁気抵抗素子ＳＲ１及びＳＲ３のそれぞれの他端は磁気抵抗素子ＳＲ２及びＳＲ４のそれぞれ一端に接続されている。磁気抵抗素子ＳＲ２及びＳＲ４のそれぞれの他端はグランドＧＮＤに接続されている。また、磁気抵抗素子ＳＲ１とＳＲ２及び磁気抵抗素子ＳＲ３及びＳＲ４のそれぞれの中間タップからセンサ出力Ｖｓ１、Ｖｓ２が出力される。なお、センサ部１００は、上記示した磁気抵抗センサに限られず、計測対象の変化に応じてセンサ出力を出力するのであれば種々のセンサが適用可能である。
【００１７】
信号処理部２００は、オペアンプＡＭＰ１、ＡＭＰ２、ＡＭＰ３と抵抗Ｒ１〜Ｒ３から構成されたインスツルメンテーションアンプ（Instrumentation amp）である。図１に示したパラメータ（Ｒ１〜Ｒ３）の設定によれば、信号処理部２００の出力電圧ＶＯＵＴは、ＶＯＵＴ＝（１＋２Ｒ２／Ｒ１）・（Ｖｓ２−Ｖｓ１）となる。これにより、入力インピーダンスが高く、両入力が対称の信号処理（信号増幅）ができる。また、抵抗Ｒ１を可変にすることでゲイン（増幅率）を変化させることができる。
【００１８】
信号処理部２００は、オペアンプを使用するので、信号処理用電源として第２の電源電圧Ｖｃｃを供給されて動作し、センサ出力Ｖｓ１、Ｖｓ２が入力される差動対を使用する差動増幅部を有して信号処理を行なう。これは、差動増幅部２５０として、図２に示すような、差動対を使用するオペアンプの構成とされている。差動増幅部２５０は、Ｍ１、Ｍ２で構成される差動部、Ｍ３、Ｍ４で構成される電流ミラー部、Ｍ５で構成される定電流源からなる。
【００１９】
差動部Ｍ１、Ｍ２は、２つの入力ＶＩＮ１、ＶＩＮ２の電位差を検知し、この電位差は電流の差に変換される。電流ミラー部Ｍ３、Ｍ４は、飽和領域で動作して左右のＭＯＳ（Ｍ３、Ｍ４）に同じ量の電流を流す。定電流源Ｍ５は、常に一定の電流を流し続ける。常に定電流を流すことで、幅広い電圧範囲で波形や特性にひずみがなく出力できる。Ｖbiasの電位を与えてその電位を変えることで定電流値を調整する。
【００２０】
上記示した差動増幅部２５０は、ＮＭＯＳで構成され、図２、図３に示すように、信号処理用電源として電源電圧ＶＤＤが供給されて動作する。例えば、ＮＭＯＳ入力の場合は、電源電圧ＶＤＤとして＋５Ｖが供給される。このとき、差動増幅の動作範囲は、例えば、＋１〜＋４．５Ｖ程度である。すなわち、電源電圧ＶＤＤ＋５Ｖで素子を動作させるが、差動増幅の入力電圧範囲は＋１〜＋４．５Ｖである。
【００２１】
センサ部１００に供給されるセンサ用電源としての第１の電源電圧Ｖ´ｃｃは、センサ部１００から信号処理部２００に向けて出力される出力信号が信号処理部２００の差動増幅部２５０の入力電圧範囲の下限領域になるように設定される。ここで、入力電圧範囲の下限領域とは、入力電圧範囲の下限及び入力電圧範囲内での下限側の範囲である。図１において、電源電圧Ｖｃｃ（例えば＋５Ｖ）で信号処理部２００を動作させるが、例えば、センサ部１００の電源電圧Ｖ´ｃｃは＋１Ｖに設定される。なお、上記示した信号処理部２００においては、主に入力電圧間の微小な差を増幅する用途にオペアンプを使用するため、図２で示したＭ１、Ｍ２のゲート電圧はごく近い値をとる。そのため、オペアンプの入力電圧範囲を全範囲で使用することはほとんどなく、センサ部１００から信号処理部２００に向けて出力される出力信号が入力電圧範囲の下側に偏っていても問題になりにくい。
【００２２】
上述のように、入力電圧範囲の下限領域とは、入力電圧範囲の下限及び入力電圧範囲内での下限側の範囲である。後述する図４で示す、例えば、電源電圧Ｖ´ｃｃが１Ｖ〜４Ｖを取り得るとした場合に、下限に相当する電源電圧Ｖ´ｃｃ＝１Ｖの場合が最も好ましいが、それ以上の電源電圧値、例えば、電源電圧Ｖ´ｃｃが２Ｖ、３Ｖ等の入力電圧範囲内の下限側であっても後述する効果は発揮される。
【００２３】
図４は、入力オフセット電圧の温度依存性を電源電圧Ｖ´ｃｃをパラメータとしてプロットした温度Ｖｓ入力オフセット電圧の関係図である。電源電圧Ｖ´ｃｃを１Ｖ、２Ｖ、３Ｖ、４Ｖとして４つのパラメータとして振り、温度を変化させて入力オフセット電圧を測定し、それを温度２５℃を１として規格化してグラフ化した。２つの実線は、１Ｖ及び４Ｖの場合のプロット平均線を示す。この結果によると、電源電圧Ｖ´ｃｃを１Ｖとした場合が入力オフセット電圧の変化が小さく、温度依存性を小さくすることができることがわかる。また、電源電圧Ｖ´ｃｃを順次大きく変化させると、それに伴い温度依存性が大きくなっている。
【００２４】
以上から、電源電圧Ｖ´ｃｃとしては、入力電圧範囲の下限に設定した場合が最も温度依存性が小さく、また、入力電圧範囲内での下限側の範囲に設定しても温度依存性が改善されることがわかる。
【００２５】
[第２の実施の形態]
第２の実施の形態は、電源電圧Ｖ´ｃｃを電源電圧Ｖｃｃから降圧回路により生成し、センサ用電源として第１の電源電圧Ｖ´ｃｃをセンサ部１００に供給する。センサ部１００及び信号処理部２００の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、以下においては、異なる部分について説明する。
【００２６】
図５は、第２の実施の形態に係るセンサ信号処理装置の回路図である。本発明の第２の実施の形態に係るセンサ信号処理装置１は、センサ用電源として第１の電源電圧Ｖ´ｃｃを供給されて動作し、センサ出力Ｖｓ１、Ｖｓ２を出力するセンサ部１００と、信号処理用電源として第２の電源電圧Ｖｃｃを供給されて動作し、センサ出力Ｖｓ１、Ｖｓ２が入力される差動対を使用する差動増幅部を有して信号処理を行なう信号処理部２００と、第２の電源電圧Ｖｃｃから第１の電源電圧Ｖ´ｃｃを生成する降圧回路であるシリーズレギュレータ３００を有して構成されている。
【００２７】
シリーズレギュレータ３００は、例えば、オペアンプＯＰ１、トランジスタＴＲ１、抵抗Ｒｒ１、Ｒｒ２から構成される。オペアンプＯＰ１の出力端子はトランジスタＴＲ１のベースに接続される。反転入力端子には、抵抗Ｒｒ１、Ｒｒ２が接続されると共に、抵抗Ｒｒ１の他端はトランジスタＴＲ１のエミッタ端子に接続され、抵抗Ｒｒ２の他端はグランドＧＮＤに接続される。トランジスタＴＲ１のコレクタは電源電圧Ｖｃｃに接続される。
【００２８】
トランジスタＴＲ１のコレクタが接続される電源電圧Ｖｃｃは、信号処理部２００に供給される電源電圧Ｖｃｃと共通である。すなわち、降圧回路であるシリーズレギュレータ３００により、電源電圧Ｖｃｃから電源電圧Ｖ´ｃｃが生成されてセンサ部１００に供給される。
【００２９】
オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、電圧Ｖrefが入力される。ここで、トランジスタＴＲ１のエミッタ端子は電圧Ｖ´ｃｃであり、イマジナリショートから、電圧Ｖrefは、Ｖref＝Ｒｒ２・Ｖ´ｃｃ／（Ｒｒ１＋Ｒｒ２）である。従って、Ｖ´ｃｃ＝（Ｒｒ１＋Ｒｒ２）・Ｖref／Ｒｒ２となる。電圧Ｖref、抵抗Ｒｒ１、Ｒｒ２を適宜設定することにより、Ｖ´ｃｃを任意に設定できる。
【００３０】
電圧Ｖrefを調整して、電源電圧Ｖ´ｃｃを信号処理部２００の差動増幅部２５０の入力電圧範囲の下限領域に設定する。第１の実施の形態と同様に、例えば、Ｖ´ｃｃ＝１Ｖ、または、１Ｖ〜３Ｖの任意の電圧に設定される。
【００３１】
上記示したシリーズレギュレータ３００は、第２の電源電圧Ｖｃｃから第１の電源電圧Ｖ´ｃｃを生成する降圧回路の一例である。降圧回路としては公知のものであれば種々の回路が使用可能であり、また、単に抵抗分割により電源電圧ＶｃｃからＶ´ｃｃに降圧する構成も可能である。
【００３２】
[第３の実施の形態]
第３の実施の形態は、信号処理部２００としてインスツルメンテーションアンプではなく、オペアンプを非反転入力アンプ、反転入力アンプとして接続して構成したものである。センサ部１００の構成は、第１、２の実施の形態と同様であるので、以下においては、異なる部分について説明する。
【００３３】
図６は、第３の実施の形態に係るセンサ信号処理装置の回路図である。信号処理部２００は、オペアンプＡＭＰ１１を非反転入力アンプとして、センサ部１００のセンサ出力Ｖｓ２が非反転入力端子に入力される。また、オペアンプＡＭＰ１２は反転入力アンプとして、オペアンプＡＭＰ１１の出力が抵抗Ｒ１３を介してオペアンプＡＭＰ１２の反転入力端子に入力される。オペアンプＡＭＰ１１の反転入力端子には、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２が接続されると共に、抵抗Ｒ１１の他端はオペアンプＡＭＰ１１の出力端子に接続され、抵抗Ｒ１２の他端はグランドＧＮＤに接続される。オペアンプＡＭＰ１２の反転入力端子と出力端子間にはフィードバック抵抗Ｒ１４が接続されている。
【００３４】
上記の構成によれば、オペアンプＡＭＰ１２の出力電圧ＶＯＵＴは、Ｒ１１／Ｒ１２＝Ｒ１３／Ｒ１４とすれば、ＶＯＵＴ＝（１＋Ｒ１４／Ｒ１３）・（Ｖｓ２−Ｖｓ１）となる。これにより、入力インピーダンスが高く、また、抵抗Ｒ１３等を可変にすることでゲイン（増幅率）を変化させることができる信号処理部が可能となる。
【００３５】
[本発明の実施の形態の効果]
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態では、センサ部１００に電源を供給する第１の電源電圧Ｖ´ｃｃと信号処理部２００に電源を供給する第２の電源電圧Ｖｃｃを分けている。そして、センサ部１００に供給されるセンサ用電源としての第１の電源電圧Ｖ´ｃｃは、センサ部１００から信号処理部２００に向けて出力される出力信号が信号処理部２００の差動増幅部２５０の入力電圧範囲の下限領域になるように設定されている。これにより、簡単な構成で入力オフセット電圧の温度依存性が小さいセンサ信号処理装置１が可能となる。
（２）第２の実施の形態では、電源電圧Ｖ´ｃｃを電源電圧Ｖｃｃから降圧回路により生成し、センサ用電源として第１の電源電圧Ｖ´ｃｃをセンサ部１００に供給する構成としている。これにより、センサ部１００と信号処理部２００を一緒にパッケージングしてセンサＩＣとする構成の場合でも、降圧回路を付加するだけで容易に電源電圧Ｖｃｃからセンサ用電源として電源電圧Ｖ´ｃｃを生成できるので、電源電圧ＶｃｃのみをセンサＩＣに供給すればよい。
【００３６】
以上、本発明に好適な実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１…センサ信号処理装置
１００…センサ部
２００…信号処理部
２５０…差動増幅部
３００…シリーズレギュレータ
ＡＭＰ１〜ＡＭＰ３…オペアンプ
ＡＭＰ１１、ＡＭＰ１２…オペアンプ
ＧＮＤ      …グランド
Ｍ１、Ｍ２…差動部
Ｍ３、Ｍ４…電流ミラー部
Ｍ５…定電流源
ＯＰ１…オペアンプ
ＴＲ１…トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ３…抵抗
Ｒ１１〜Ｒ１４…抵抗
Ｒｒ１、Ｒｒ２…抵抗
ＳＲ１〜ＳＲ４…磁気抵抗素子
Ｖｃｃ…電源電圧
Ｖ´ｃｃ…電源電圧
ＶＤＤ…電源電圧
ＶＩＮ１、ＶＩＮ２…入力
ＶＯＵＴ…出力電圧
Ｖref…電圧
Ｖｓ１、Ｖｓ２…センサ出力
【図１】
2013090226.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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