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JP3548974B2 - Magnetic detection circuit - Google Patents
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JP3548974B2 JP06029197A JP6029197A JP3548974B2 JP 3548974 B2 JP3548974 B2 JP 3548974B2 JP 06029197 A JP06029197 A JP 06029197A JP 6029197 A JP6029197 A JP 6029197A JP 3548974 B2 JP3548974 B2 JP 3548974B2
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
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    • H03K17/94Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945Proximity switches
    • H03K17/95Proximity switches using a magnetic detector
    • H03K17/9517Proximity switches using a magnetic detector using galvanomagnetic devices

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  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホール素子を用いた磁気センサの駆動回路及び信号検出回路の温度補償に適用して有効な技術に関し、例えばホール素子とその周辺回路が1つのシリコンチップ上に形成されてなるモノリシックICセンサに利用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、各種測定器や制御系におけるセンサとして磁気−電気変換特性を有するホール素子が利用されている。ホール素子の磁気−電気変換特性は温度依存性を有することが知られており、ホール素子を用いた磁気センサは比較的温度変化の大きな環境にて使用されることがあるので、温度変動に対して安定した出力が得られるようにするため種々の温度補償回路が従来より提案されており、例えば特公平3−51118号や特開昭57−197883号などがある。
【0003】
特公平3−51118号の発明は、ホール素子の磁気−電気変換特性は温度依存性が駆動電流の温度依存性とほぼ一致することに着目し、ホール素子の駆動電流を検出する監視手段と、検出された電流に比例した電圧を発生する回路とを設け、ホール素子の出力を弁別するコンパレータに対して安定したスレッシュホールド電圧を与えることにより温度補償するようにしたものである。
【0004】
また、特開昭57−197883号の発明は、ホール素子を適当な温度温度依存性を持った定電圧源で駆動することにより、ホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を補償するようにしたものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記先願発明のうちホール素子の駆動電流を監視する方式にあっては、検出した駆動電流に比例した電流を抵抗に流してスレッシュホールドレベルを発生させるようにしているため、温度依存性がないかもしくは無視できるほど小さな抵抗を必要とする。しかしながら、そのような抵抗をモノリシックICにおいて実現することは現在の半導体集積回路技術では非常に困難であり、コストアップにつながるというという欠点がある。
【0006】
一方、ホール素子を適当な温度依存性を持った定電圧源で駆動する方式にあっては、ホール素子の磁気−電気変換特性を最小にするには定電圧源として正の温度依存性を持つものが必要となるが、シリコンチップ上でそのような定電圧源を形成すると、高温度領域での必要電圧が非常に高くなってしまうという問題点があることが明らかになった。
【0007】
この発明の目的は、ホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を補償可能な回路技術を提供することにある。
【0008】
この発明の他の目的は、ホール素子とその周辺回路を一つのシリコンチップ上に有し低電圧で駆動可能なモノリシックIC化されたセンサを低コストで提供できるようにすることにある。
【0009】
この発明の他の目的は、広い温度範囲において動作可能でありかつ周辺回路を含んでモノリシックIC化が容易な自動車のトランスミッションやエンジン等の回転検出に適したセンサを提供できるようにすることにある。
【0010】
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
【0012】
すなわち、ホール素子の駆動回路として定電圧源の代わりに定電流源を用いることによりホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を定電流源の負の温度特性で補償するとともに、ホール素子の出力を弁別するコンパレータのスレッシュホールドレベルを発生する抵抗の温度依存性をその抵抗に流れる電流を与える定電流源の負の温度特性で補償させるようにしたものである。
【0013】
ホール素子をシリコンチップ上に形成する場合、使用されるのはエピタキシャル層あるいは拡散層からなるn形半導体層であり、その場合ホール素子の磁気−電気変換特性はキャリア濃度に左右されるため、多くは不純物濃度が1×1016/cm3程度以下である。このような仕様で形成されたホール素子が定電圧で駆動されるとその消費電流の温度依存性は−4000〜−7000ppm/℃程度となり、磁気−電気変換特性も同様の温度依存性を示す。しかし、上記のようなホール素子が定電流で駆動されると、正の温度計数を持ち磁気−電気変換特性は1000〜3000ppm/℃程度の温度依存性となる。従って、−500〜−2000ppm/℃程度の負の温度特性を持つ定電流源でホール素子を駆動することにより、ホール素子の磁気−電気変換特性を最小にすることができる。
【0014】
このように、定電圧源の代わりに定電流源でホール素子を駆動することができるため、高温度領域においても高い電圧を必要としなくても済むようになるとともに、上記のように負の温度特性を有する定電流源はシリコンチップ上において簡単に実現できるため、広い温度範囲で動作可能なモノリシックICセンサを低コストで提供することができるようになる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。
【0016】
図1はモノリシックIC化された本発明に係る磁気センサで、1は単結晶シリコンチップ、2はこのシリコンチップ上にn形エピタキシャル層として形成されたホール素子、3は内部回路の動作点を与えるため前記ホール素子と同様にn形エピタキシャル層で構成されたダミーホール素子である。これらのホール素子2および3の一方の電源端子には定電圧電源回路4からの定電圧が印加されているとともに、他方の電源端子と接地点との間には定電流源5が接続され、この定電流源5によってホール素子2および3が駆動されるように構成されている。
【0017】
そして、上記ホール素子2の一対の出力端子は次段の増幅器6の差動入力端子に接続され、この増幅器6の出力電圧がコンパレータ7の反転入力端子に入力されているとともに、上記ダミーホール素子3は一対の出力端子間が短絡結合されその電圧が動作点を与える基準電圧Vrとしてコンパレータ7の非反転入力端子に印加されている。
【0018】
また、特に制限されないが、上記コンパレータ7の入力端子側には増幅器6の出力電圧のピークレベルすなわちDCレベルを検出する時定数の大きなローパスフィルタからなるピークホールド回路8が接続されており、このピークホールド回路8の検出した電圧がコンダクタンスアンプ9を介して増幅器6の反転入力端子に帰還されている。これによって、ホール素子2からコンパレータ7へ伝達される信号のDC成分が除去され、ホール素子2の検出信号のうち時間的に変動する交流成分(リップル)のみがコンパレータ7に入力されて上記基準電圧Vrと比較され、その出力によってオープンコレクタ形式の出力バイポーラトランジスタ10が駆動されて出力電流の形で出力端子OUTより外部へ出力される。
【0019】
この実施例の磁気センサには、温度変動に係わらずシリコンのバンドギャップに相当する一定の電圧を発生するバンドギャップ基準電圧発生回路11と、それぞれ所定の温度特性を有するように設計された3つの電流源12,13,14とが設けられている。上記3つの電流源12〜14のうち電流源14はバンドギャップ基準電圧発生回路11からの定電圧に基づいて、約−1000ppm/℃の温度特性を有する電流を形成して上記定電流源5に与え、その電流によってホール素子2および3を駆動するように構成されている。
【0020】
ホール素子は定電流で駆動されると、正の温度係数を持ち磁気−電気変換特性は1000〜3000ppm/℃程度の温度依存性となるが、−1000ppm/℃の負の温度特性を持つ電流源5で駆動されることにより、ホール素子2および3の磁気−電気変換特性は−500ppm/℃以下の温度依存性を呈するようにされる。
【0021】
一方、上記3つの電流源12〜14のうち電流源13はバンドギャップ基準電圧発生回路11からの定電圧に基づいて、約−2000ppm/℃の温度特性を有する電流を形成して上記コンパレータ7に供給し、その電流をコンパレータ内部のスレッシュホールド電圧を決定する抵抗に流すことによって、抵抗の有する約2000ppm/℃の正の温度係数をキャンセルし、温度変動にかかわらず安定したスレッシュホールド電圧を形成できるように構成されている。
【0022】
さらに、上記3つの電流源12〜14のうち電流源12はバンドギャップ基準電圧回路11からの定電圧に基づいて、0ppm/℃の温度特性つまり温度依存性のない電流を形成して上記定電流源5およびコンパレータ7以外のアンプ(図1の実施例では6および9)に供給し、その温度依存性のない電流によってそれぞれのアンプを駆動するように構成されている。これらのアンプはそのゲインが各々抵抗の比で決まる回路とされているため、ゲインの変動が生じない
【0023】
次に、上記実施例の磁気センサICのより具体的な実施例について説明する。図2はチップ上におけるホール素子2の断面構造の一例を示す。この実施例のホール素子は、p型シリコン単結晶基板1上に形成されたn型エピタキシャル層21の周囲に基板表面に達するように形成されたP型分離領域22が形成され、n型エピタキシャル層21の表面にはp型拡散層23が形成された構造とされている。基板表面のn+型領域24a,24bは上記n型エピタキシャル層21の両端部に設けられた電源端子のコンタクト領域、25a,25bは上記n型エピタキシャル層21の中央両側部に設けられた出力端子のコンタクト領域である。
【0024】
シリコンチップ上に形成されたエピタキシャル層21からなるホール素子では検出した磁気の大きさに応じた電流がその表面に沿って流れるため、プロセスの途中でチップ表面が汚染されていたり欠陥が生じていたりすると電流が変化してしまうが、この実施例では、n型エピタキシャル層21の表面が基板1と同電位のp型拡散層23で覆われているため、ホール素子としてのエピタキシャル層を流れる電流はp型拡散層23と基板1の間を流れるようになり、電流は基板表面の汚染や欠陥に影響されないため、ばらつきの少ない安定した検出出力を得ることができる。
【0025】
図3には、コンパレータ7の具体的な回路例が示されている。この実施例のコンパレータ5は、一対の差動トランジスタQ11,Q12と、Q11のエミッタ端子に接続された定電流用トランジスタQ13と、差動トランジスタQ11,Q12のコレクタと電源電圧端子Vccとの間に接続された負荷抵抗R11,R12と、上記トランジスタQ12のエミッタと定電流トランジスタトランジスタQ13のコレクタとの間に接続されたスレッシホールド発生用抵抗R13と、トランジスタQ12のコレクタにベースが接続されたトランジスタQ14と、該トランジスタQ14とエミッタ共通接続されてカレントスイッチ回路を構成するトランジスタQ15と、その共通エミッタに接続された定電流用トランジスタQ16と、上記トランジスタQ15とベース共通接続されてカレントミラー回路を構成するトランジスタQ17とから構成されている。
【0026】
この実施例のコンパレータは、入力端子に入力される電圧Vin1,Vin2の電位差(Vin2−Vin1)が、抵抗R13の両端の電位差よりも小さい間はトランジスタQ11の側に電流が流れてQ12のコレクタ電圧はVccに近いレベルとされ、トランジスタQ14がオフされてQ15側に電流が流れ、カレントミラーによってQ17に転写された電流が出力電流として流される。そして、入力電圧の電位差(Vin2−Vin1)が、抵抗R13の両端の電位差よりも大きくなるとトランジスタQ11の側に流れていた電流がQ12に流れてそのコレクタ電圧が下がり、トランジスタQ14がオンされ、Q15側に流れていた電流がQ14に流れるようになって出力電流が遮断されるようになる。
【0027】
この実施例のコンパレータは、スレッシホールド発生用抵抗R3が約2000ppm/℃の温度特性を有するが、上記定電流用トランジスタQ13が前記電流源13内の−2000ppm/℃の温度特性を有する定電流を流す出力トランジスタ(後述)とカレントミラー接続されることにより、−2000ppm/℃の温度特性を有する定電流をスレッシホールド発生用抵抗R13に流す。その結果、抵抗R13の有する約2000ppm/℃の正の温度係数がキャンセルされ、温度変動にかかわらず安定したスレッシュホールド電圧が形成される。
【0028】
図4には、前記電流源12〜14の具体的な回路例が示されている。この実施例の回路は、電流源13をメイン電流源とし、電流源12,14はこのメイン電流源13で生成された電流に基づいてそれぞれの電流を派生的に生成するサブ電流源として構成されている。
【0029】
メインとなる電流源13は、互いにベースが結合されかつエミッタが電源電圧端子Vccに接続され第1のカレントミラー回路を構成する一対のpnpトランジスタQ1,Q2と、同じく互いにベースが結合されかつコレクタが上記カレントミラー・トランジスタQ1,Q2のコレクタ側に接続され第2のカレントミラー回路を構成する一対のnpnトランジスタQ3,Q4とを有し、トランジスタQ3のエミッタと接地点との間に抵抗R1が接続されているとともに、トランジスタQ4のコレクタとQ2のコレクタとの間に抵抗R2が接続され、Q4のエミッタにはバンドギャッブ基準電圧発生回路11からの定電圧VBが印加されている。
【0030】
これによって、トランジスタQ3,Q4により抵抗R1と基準電圧発生回路11へは同一の電流が流れ、抵抗R1には同一電圧VBが印加される。従って、抵抗R1の抵抗値をR1、抵抗R1に流れる電流をI1とすると、抵抗R1を流れる電流I1の温度依存性は、
dI1/dT=d(VB/R1)/dT
で表され、ここで、VBは温度の変動に係わらずほぼ一定と見なせるので、
dI1/dT≒−(VB/R1)D(1/R1)D(dR1/dT)
となる。
【0031】
この実施例では、上記抵抗R1をコンパレータ7内の抵抗R13と同じ約2000ppm/℃の正の温度係数を有する抵抗で構成しているので、抵抗R1を流れる電流の温度依存性は−2000ppm/℃となり、この−2000ppm/℃の電流がトランジスタQ1に流れ、さらにカレントミラー回路31を介して前記コンパレータ7内の定電流用トランジスタQ13に流れるように構成されている。その結果、コンパレータ7においては、スレッシホールド発生用抵抗R13の有する2000ppm/℃の温度特性が、定電流用トランジスタQ13に流れる−2000ppm/℃の温度特性を有する定電流によりキャンセルされ、温度変動にかかわらず安定したスレッシュホールド電圧が形成される。
【0032】
次に、電流源12は、上記トランジスタQ2のコレクタと抵抗R2との接続ノードn1にベースが接続されコレクタが電源電圧端子Vccに接続されたコレクタ接地型トランジスタQ5と、Q5のエミッタ端子と接地点との間に直列接続された抵抗R3およびダイオード接続のトランジスタQ6とから構成されている。そして、このトランジスタQ6に対しホール素子の定電流源5およびコンパレータ7以外のアンプ(図1の実施例では6および9)内の定電流トランジスタとがカレントミラー接続され、それによってホール素子の定電流源5およびコンパレータ7以外のアンプにトランジスタQ6に流れる電流I3と同一の電流が流されるように構成されている。
【0033】
ところで、この実施例の電流源12において抵抗R3に流れる電流をI3、抵抗R2の抵抗値をR2抵抗R2に流れる電流をI2、トランジスタQ4,Q5,Q6のベース・エミッタ間順方向電圧をVFとすると、Q5のベース電位V1は、R2−Q4の電流パスから、
V1=I2・R2+VF+VB‥‥‥(1)
また、Q5−R3−Q6の電流パスから
V1=VF+I3・R3+VF‥‥‥(2)
式(1),(2)から
I2・R2+VF+VB=VF+I3・R3+VF‥‥‥(3)
I3・R3=I2・R2+VB−VF‥‥‥‥‥‥(4)
∴I3=(R2/R3)I2+VB/R3−VF/R3
となる。従って、電流I3の温度依存性dI3/dTは、
dI3/dT=d/dT(R2/R3)・I2+(R2/R3)dI2/dT+d/dT(VB/R3)−d/dT(VF/R3) ・・・(6)
となる。
【0034】
ここで、R2とR3を同一種類の抵抗とすると、
d/dT(R2/R3)=0
VBの温度依存性は充分に小さいためdVB/dT≒0とおけるので、(6)式は、
dI3/dT=(R2/R3)dI2/dT+VB・d/dT(1/R3)−dVF/dT・(1/R3)−VF・d/dT(1/R3)・・・(7)
となる。
【0035】
ここで、I2=I1=VB/R1 なる関係から、
R1・dI2/dT+I2・dR1/dT=dVB/dT=0
両辺に(1/R1)I2を掛けて、
1/I2・dI2/dT=−1/R1・dR1/dT ・・・(8)
一方、R1,R2,R3は同一種類の抵抗なので、
1/I2・dI2/dT=−1/R1・dR1/dT=−1/R2・dR2/dT=−1/R3・dR3/dT ・・・(9)
(9)式を用いて(7)式を整理する。

Figure 0003548974
ここで、本発明に用いたプロセスの場合、
1/R3・dR3/dT≒2000ppm/℃ であり、
1/VF・dVF/dT≒−2000ppm/℃ であるので、
1/VF・dVF/dT=−1/R3・dR3/dT とおいて、(10)式は、
dI3/dT=1/R3・dR3/dT・(1/R3)・{−I2R2−VB+2VF} ・・・(11)
式(11)から、電流I3の温度特性を0ppm/℃とするには、
2VF−VB−I2・R2=0
とすれば良い。具体的には、I2≒200μA、R2=1.5kΩ、VB=1.45V、VF≒0.8Vとすることで、電流I3の温度特性としてほぼ0ppm/℃が達成される。そして、このような電流が、カレントミラー回路を介してホール素子の定電流源5やコンパレータ7以外のアンプの定電流トランジスタQ32に転写され、温度依存性のない電流がそれぞれのアンプに流されて駆動されることとなる。
【0036】
一方、上記電流源14は、電流源12内のトランジスタQ6とカレントミラー接続されたトランジスタQ8と直列形態に接続されて温度依存性のない電流が流されるトランジスタQ21と、このQ21とベースが結合されてカレントミラー回路を構成するトランジスタQ22と、上記メイン電流源13内の−2000ppm/℃の温度特性を有する電流が流されるトランジスタQ1とカレントミラー接続されたトランジスタQ23と、このトランジスタQ23と上記トランジスタQ22のコレクタに共通にコレクタが接続され、Q22とQ23に流れる電流I3とI1を合成した電流I4を流すトランジスタQ24とによって構成されている。
【0037】
これによってトランジスタQ24には、0ppm/℃と−2000ppm/℃の平均である−1000ppm/℃の温度特性を有する電流I4が流されることとなる。そして、上記トランジスタQ24とホール素子2および3の定電流源5を構成するトランジスタQ30とがカレントミラー接続され、トランジスタQ24に流れる電流と同一の温度特性の電流がホール素子に流され、ホール素子の磁気−電気変換特性の有する1000〜3000ppm/℃の正の温度依存性が−1000ppm/℃の負の温度特性を持つ電流で補償され、ホール素子2および3の磁気−電気変換特性は−500ppm/℃以下の温度依存性を呈するようにされる。
【0038】
以上説明したように、上記実施例は、ホール素子の駆動回路として定電圧源の代わりに定電流源を用いることによりホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を定電流源の負の温度特性で補償するとともに、ホール素子の出力を弁別するコンパレータのスレッシュホールドレベルを発生する抵抗の温度依存性をその抵抗に流れる電流を与える定電流源の負の温度特性で補償させるようにしたので、高温度領域においても高い電圧を必要としなくても済むようになるとともに、上記のように負の温度特性を有する定電流源はシリコンチップ上において簡単に実現できるため、広い温度範囲で動作可能なモノリシックICセンサを低コストで提供することができるようになるという効果がある。
【0039】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば上記実施例では、ダミーホール素子3を設けてその出力平均値をとってコンパレータ7への動作点を与えるようにしているが、コンパレータの動作点はそれに限定されず、任意の安定なレベルを用いるようにすることができる。また、実施例では、ホール素子の出力からDCレベルを除去するためピークホールド回路8とコンダクタンスアンプ9とを設けているが、これらの回路を省略することも可能である。
【0040】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるホール素子を用いた磁気センサに適用した場合について説明したがこの発明はそれに限定されるものでなく、半導体集積回路における温度補償回路一般に利用することができる。
【0041】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
【0042】
すなわち、ホール素子の磁気−電気変換特性の温度依存性を補償するとともに、ホール素子とその周辺回路を一つのシリコンチップ上に有し低電圧で駆動可能なモノリシックICセンサを低コストで製造することができ、これによって広い温度範囲において動作可能な自動車のトランスミッションやエンジン等の回転検出に好適なセンサを提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】モノリシックIC化された本発明に係る磁気センサの一実施例を示すブロック構成図。
【図2】実施例の磁気センサICのチップ上におけるホール素子の構造の一例を示す断面図。
【図3】実施例の磁気センサ内のコンパレータの具体例を示す回路図。
【図4】実施例の磁気センサ内の電流源の具体例を示す回路図。
【符号の説明】
1 シリコンチップ
2 ホール素子
3 ダミーホール素子
4 定電圧電源回路
5 定電流源
7 コンパレータ
6,9 アンプ
10 出力トランジスタ
11 バンドギャップ基準電圧発生回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology that is effective when applied to temperature compensation of a magnetic sensor drive circuit and a signal detection circuit using a Hall element, for example, a monolithic IC in which a Hall element and its peripheral circuit are formed on one silicon chip. It relates to technology effective for use in sensors.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, Hall elements having magnetic-electric conversion characteristics have been used as sensors in various measuring instruments and control systems. It is known that the magnetic-electric conversion characteristics of a Hall element have a temperature dependence, and a magnetic sensor using a Hall element is sometimes used in an environment where a temperature change is relatively large. Various types of temperature compensating circuits have been proposed in the past to obtain a stable output, such as Japanese Patent Publication No. 3-51118 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-197883.
[0003]
The invention disclosed in Japanese Patent Publication No. 3-51118 focuses on the fact that the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element substantially coincides with the temperature dependence of the drive current, and a monitoring means for detecting the drive current of the Hall element. A circuit for generating a voltage proportional to the detected current is provided, and temperature compensation is performed by applying a stable threshold voltage to a comparator for discriminating the output of the Hall element.
[0004]
The invention of Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-197883 is designed to compensate for the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element by driving the Hall element with a constant voltage source having an appropriate temperature and temperature dependence. It was made.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the method of monitoring the drive current of the Hall element in the above-mentioned prior invention, since a current proportional to the detected drive current is caused to flow through a resistor to generate a threshold level, there is no temperature dependency. It requires negligible or negligible resistance. However, realizing such a resistor in a monolithic IC is very difficult with current semiconductor integrated circuit technology, and has the disadvantage of increasing the cost.
[0006]
On the other hand, in the method in which the Hall element is driven by a constant voltage source having an appropriate temperature dependency, in order to minimize the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element, the Hall element has a positive temperature dependency as a constant voltage source. However, it has been found that forming such a constant voltage source on a silicon chip has a problem that the required voltage in a high temperature region becomes extremely high.
[0007]
An object of the present invention is to provide a circuit technology capable of compensating for the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of a Hall element.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a low-cost monolithic IC sensor which has a Hall element and its peripheral circuits on one silicon chip and can be driven at a low voltage.
[0009]
It is another object of the present invention to provide a sensor suitable for detecting rotation of a transmission or an engine of an automobile, which can operate in a wide temperature range and includes a peripheral circuit and can be easily made into a monolithic IC. .
[0010]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The outline of a representative invention among the inventions disclosed in the present application will be described as follows.
[0012]
That is, by using a constant current source instead of a constant voltage source as a drive circuit of the Hall element, the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element is compensated for by the negative temperature characteristic of the constant current source, and the Hall element is driven. The temperature dependency of a resistor that generates a threshold level of a comparator for discriminating an output is compensated for by the negative temperature characteristic of a constant current source that supplies a current flowing through the resistor.
[0013]
When a Hall element is formed on a silicon chip, an n-type semiconductor layer composed of an epitaxial layer or a diffusion layer is used. In this case, the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element depend on the carrier concentration. Has an impurity concentration of about 1 × 10 16 / cm 3 or less. When the Hall element formed with such specifications is driven at a constant voltage, the temperature dependence of the current consumption becomes about -4000 to -7000 ppm / ° C., and the magnetic-electric conversion characteristics show the same temperature dependence. However, when the above-described Hall element is driven with a constant current, it has a positive temperature coefficient and the magnetic-electric conversion characteristic has a temperature dependence of about 1000 to 3000 ppm / ° C. Therefore, by driving the Hall element with a constant current source having a negative temperature characteristic of about -500 to -2000 ppm / ° C., the magneto-electric conversion characteristic of the Hall element can be minimized.
[0014]
As described above, since the Hall element can be driven by the constant current source instead of the constant voltage source, it is not necessary to require a high voltage even in a high temperature region, and the negative temperature is reduced as described above. Since a constant current source having characteristics can be easily realized on a silicon chip, a monolithic IC sensor operable in a wide temperature range can be provided at low cost.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 shows a magnetic sensor according to the present invention in the form of a monolithic IC. 1 is a single-crystal silicon chip, 2 is a Hall element formed as an n-type epitaxial layer on this silicon chip, and 3 is an operating point of an internal circuit. Therefore, it is a dummy Hall element composed of an n-type epitaxial layer like the Hall element. A constant voltage from a constant voltage power supply circuit 4 is applied to one power supply terminal of these Hall elements 2 and 3, and a constant current source 5 is connected between the other power supply terminal and a ground point. The constant current source 5 drives the Hall elements 2 and 3.
[0017]
A pair of output terminals of the Hall element 2 are connected to a differential input terminal of an amplifier 6 at the next stage, and an output voltage of the amplifier 6 is input to an inverting input terminal of a comparator 7 and the dummy Hall element Reference numeral 3 denotes a short-circuited connection between a pair of output terminals, the voltage of which is applied to a non-inverting input terminal of a comparator 7 as a reference voltage Vr that provides an operating point.
[0018]
Although not particularly limited, a peak hold circuit 8 composed of a low-pass filter having a large time constant for detecting the peak level of the output voltage of the amplifier 6, ie, the DC level, is connected to the input terminal side of the comparator 7. The voltage detected by the hold circuit 8 is fed back to the inverting input terminal of the amplifier 6 via the conductance amplifier 9. As a result, the DC component of the signal transmitted from the Hall element 2 to the comparator 7 is removed, and only the time-varying AC component (ripple) of the detection signal of the Hall element 2 is input to the comparator 7 and the reference voltage The output of the output bipolar transistor 10 is compared with the output voltage Vr, and the output of the output bipolar transistor 10 is driven to output the output bipolar transistor 10 to the outside in the form of an output current.
[0019]
The magnetic sensor of this embodiment includes a bandgap reference voltage generating circuit 11 for generating a constant voltage corresponding to the bandgap of silicon irrespective of temperature fluctuations, and three magnetic sensors each designed to have predetermined temperature characteristics. Current sources 12, 13, and 14 are provided. The current source 14 among the three current sources 12 to 14 generates a current having a temperature characteristic of about −1000 ppm / ° C. based on the constant voltage from the bandgap reference voltage generation circuit 11 and supplies the current to the constant current source 5. And the Hall elements 2 and 3 are driven by the applied current.
[0020]
When the Hall element is driven at a constant current, it has a positive temperature coefficient and the magnetic-electric conversion characteristic has a temperature dependence of about 1000 to 3000 ppm / ° C., but a current source having a negative temperature characteristic of −1000 ppm / ° C. By driving the Hall elements 2 and 3, the magneto-electric conversion characteristics of the Hall elements 2 and 3 exhibit a temperature dependency of −500 ppm / ° C. or less.
[0021]
On the other hand, the current source 13 among the three current sources 12 to 14 forms a current having a temperature characteristic of about −2000 ppm / ° C. based on the constant voltage from the bandgap reference voltage generation circuit 11 and supplies the current to the comparator 7. By supplying the current and flowing the current through a resistor that determines a threshold voltage inside the comparator, a positive temperature coefficient of about 2000 ppm / ° C. of the resistor can be canceled, and a stable threshold voltage can be formed regardless of temperature fluctuation. It is configured as follows.
[0022]
Further, the current source 12 among the three current sources 12 to 14 generates a temperature characteristic of 0 ppm / ° C., that is, a current having no temperature dependence, based on the constant voltage from the bandgap reference voltage circuit 11 to generate the constant current. The amplifier is supplied to amplifiers other than the source 5 and the comparator 7 (6 and 9 in the embodiment of FIG. 1), and each amplifier is driven by the temperature-independent current. Since these amplifiers are configured as circuits whose gains are determined by the ratios of the resistances, the gains do not fluctuate .
[0023]
Next, a more specific embodiment of the magnetic sensor IC of the above embodiment will be described. FIG. 2 shows an example of a cross-sectional structure of the Hall element 2 on a chip. In the Hall element of this embodiment, a P-type isolation region 22 is formed around an n-type epitaxial layer 21 formed on a p-type silicon single crystal substrate 1 so as to reach the substrate surface. On the surface of 21, a p-type diffusion layer 23 is formed. The n + -type regions 24a and 24b on the substrate surface are contact regions for power terminals provided at both ends of the n-type epitaxial layer 21, and 25a and 25b are output terminals provided on both sides of the center of the n-type epitaxial layer 21. It is a contact area.
[0024]
In the Hall element composed of the epitaxial layer 21 formed on the silicon chip, a current corresponding to the magnitude of the detected magnetism flows along the surface, so that the chip surface is contaminated or defective during the process. Then, the current changes, but in this embodiment, since the surface of the n-type epitaxial layer 21 is covered with the p-type diffusion layer 23 having the same potential as the substrate 1, the current flowing through the epitaxial layer as the Hall element is Since the current flows between the p-type diffusion layer 23 and the substrate 1 and the current is not affected by contamination or defects on the substrate surface, a stable detection output with little variation can be obtained.
[0025]
FIG. 3 shows a specific circuit example of the comparator 7. The comparator 5 of this embodiment includes a pair of differential transistors Q11 and Q12, a constant current transistor Q13 connected to the emitter terminal of Q11, and a collector between the differential transistors Q11 and Q12 and a power supply voltage terminal Vcc. Load resistors R11 and R12 connected, a threshold generation resistor R13 connected between the emitter of the transistor Q12 and the collector of the constant current transistor transistor Q13, and a transistor having a base connected to the collector of the transistor Q12. Q14, a transistor Q15 connected to the emitter of the transistor Q14 to form a current switch circuit, a transistor Q16 for a constant current connected to the common emitter, and a base connected to the transistor Q15 to form a current mirror circuit Do And a transistor Q17 Metropolitan.
[0026]
In the comparator of this embodiment, while the potential difference (Vin2-Vin1) between the voltages Vin1 and Vin2 input to the input terminals is smaller than the potential difference between both ends of the resistor R13, a current flows to the transistor Q11 side and the collector voltage of the Q12 is increased. Is set to a level close to Vcc, the transistor Q14 is turned off, a current flows to the side of Q15, and the current transferred to Q17 by the current mirror flows as an output current. When the potential difference (Vin2−Vin1) of the input voltage becomes larger than the potential difference between both ends of the resistor R13, the current flowing to the transistor Q11 flows to Q12, the collector voltage of the current drops, and the transistor Q14 is turned on. The current flowing to the side flows to Q14, and the output current is cut off.
[0027]
In the comparator of this embodiment, although the threshold generation resistor R3 has a temperature characteristic of about 2000 ppm / ° C., the constant current transistor Q13 has a constant current of −2000 ppm / ° C. in the current source 13. A constant current having a temperature characteristic of −2000 ppm / ° C. flows through the threshold generation resistor R13 by being connected to an output transistor (to be described later) through which current flows. As a result, the positive temperature coefficient of about 2000 ppm / ° C. of the resistor R13 is canceled, and a stable threshold voltage is formed regardless of the temperature fluctuation.
[0028]
FIG. 4 shows a specific circuit example of the current sources 12 to 14. In the circuit of this embodiment, the current source 13 is used as a main current source, and the current sources 12 and 14 are configured as sub-current sources that generate respective currents based on the current generated by the main current source 13. ing.
[0029]
A main current source 13 has a base coupled to each other and an emitter connected to a power supply voltage terminal Vcc, and a pair of pnp transistors Q1 and Q2 constituting a first current mirror circuit. It has a pair of npn transistors Q3 and Q4 connected to the collectors of the current mirror transistors Q1 and Q2 to form a second current mirror circuit. A resistor R1 is connected between the emitter of the transistor Q3 and a ground point. The resistor R2 is connected between the collector of the transistor Q4 and the collector of Q2, and the constant voltage VB from the bandgap reference voltage generation circuit 11 is applied to the emitter of Q4.
[0030]
As a result, the same current flows to the resistor R1 and the reference voltage generation circuit 11 by the transistors Q3 and Q4, and the same voltage VB is applied to the resistor R1. Therefore, assuming that the resistance value of the resistor R1 is R1 and the current flowing through the resistor R1 is I1 , the temperature dependency of the current I1 flowing through the resistor R1 is as follows.
dI1 / dT = d (VB / R1) / dT
Where VB can be considered to be substantially constant regardless of temperature fluctuations.
dI1 / dT ≒-(VB / R1) D (1 / R1) D (dR1 / dT)
It becomes.
[0031]
In this embodiment, since the resistor R1 is formed of a resistor having the same positive temperature coefficient of about 2000 ppm / ° C. as the resistor R13 in the comparator 7, the temperature dependency of the current flowing through the resistor R1 is −2000 ppm / ° C. The current of -2000 ppm / ° C. flows to the transistor Q 1, and further flows to the constant current transistor Q 13 in the comparator 7 via the current mirror circuit 31. As a result, in the comparator 7, the 2000 ppm / ° C. temperature characteristic of the threshold generation resistor R13 is canceled by the constant current having a temperature characteristic of −2000 ppm / ° C. flowing through the constant current transistor Q13. Regardless, a stable threshold voltage is formed.
[0032]
Next, the current source 12 includes a transistor Q5 having a base connected to a connection node n1 between the collector of the transistor Q2 and the resistor R2 and a collector connected to the power supply voltage terminal Vcc, an emitter terminal of the transistor Q5 and a ground point. And a resistor R3 and a diode-connected transistor Q6 connected in series. The constant current source 5 of the Hall element and the constant current transistors in the amplifiers (6 and 9 in the embodiment of FIG. 1) other than the comparator 7 are current mirror-connected to the transistor Q6. The same current as the current I3 flowing through the transistor Q6 flows through amplifiers other than the source 5 and the comparator 7.
[0033]
In the current source 12 of this embodiment, the current flowing through the resistor R3 is I3, the resistance value of the resistor R2 is R2, the current flowing through the resistor R2 is I2, and the forward voltage between the base and the emitter of the transistors Q4, Q5, and Q6 is VF. Then, the base potential V1 of Q5 is changed from the current path of R2 to Q4.
V1 = I2 · R2 + VF + VB ‥‥‥ (1)
From the current path of Q5-R3-Q6, V1 = VF + I3 · R3 + VF + (2)
From equations (1) and (2), I22R2 + VF + VB = VF + I3 ・ R3 + VFV (3)
I3 · R3 = I2 · R2 + VB−VF ‥‥‥‥‥‥ (4)
∴I3 = (R2 / R3) I2 + VB / R3-VF / R3
It becomes. Therefore, the temperature dependency dI3 / dT of the current I3 is
dI3 / dT = d / dT (R2 / R3) .I2 + (R2 / R3) dI2 / dT + d / dT (VB / R3) -d / dT (VF / R3) (6)
It becomes.
[0034]
Here, if R2 and R3 are the same type of resistor,
d / dT (R2 / R3) = 0
Since the temperature dependency of VB is sufficiently small that dVB / dT ≒ 0, the equation (6) is
dI3 / dT = (R2 / R3) dI2 / dT + VBd / dT (1 / R3) -dVF / dT (1 / R3) -VFd / dT (1 / R3) (7)
It becomes.
[0035]
Here, from the relationship of I2 = I1 = VB / R1,
R1 · dI2 / dT + I2 · dR1 / dT = dVB / dT = 0
Multiply both sides by (1 / R1) I2,
1 / I2 · dI2 / dT = -1 / R1 · dR1 / dT (8)
On the other hand, since R1, R2, and R3 are the same type of resistance,
1 / I2 · dI2 / dT = −1 / R1 · dR1 / dT = −1 / R2 · dR2 / dT = −1 / R3 · dR3 / dT (9)
Formula (7) is rearranged using formula (9).
Figure 0003548974
Here, in the case of the process used in the present invention,
1 / R3 · dR3 / dT ≒ 2000 ppm / ° C.
1 / VF · dVF / dT ≒ −2000 ppm / ° C.
1 / VF · dVF / dT = −1 / R3 · dR3 / dT Equation (10)
dI3 / dT = 1 / R3 · dR3 / dT · (1 / R3) · {−I2R2-VB + 2VF} (11)
From the equation (11), to set the temperature characteristic of the current I3 to 0 ppm / ° C.,
2VF-VB-I2.R2 = 0
It is good. Specifically, by setting I2 ≒ 200 μA, R2 = 1.5 kΩ, VB = 1.45 V, and VF ≒ 0.8 V, almost 0 ppm / ° C. is achieved as the temperature characteristic of the current I3. Then, such a current is transferred to the constant current source 5 of the Hall element and the constant current transistor Q32 of the amplifier other than the comparator 7 via the current mirror circuit, and a current having no temperature dependency flows to each amplifier. It will be driven.
[0036]
On the other hand, the current source 14 is connected in series with a transistor Q8, which is current-mirror-connected to the transistor Q6 in the current source 12, and a transistor Q21 through which a current having no temperature dependency flows is connected to the transistor Q21. A transistor Q22 which forms a current mirror circuit, a transistor Q23 in the main current source 13 through which a current having a temperature characteristic of -2000 ppm / ° C. flows, and a transistor Q23 which is current-mirror-connected, the transistor Q23 and the transistor Q22 And a transistor Q24 that flows a current I4 obtained by combining currents I3 and I1 flowing through Q22 and Q23.
[0037]
As a result, a current I4 having a temperature characteristic of −1000 ppm / ° C., which is an average of 0 ppm / ° C. and −2000 ppm / ° C., flows through the transistor Q24. Then, the transistor Q24 and the transistor Q30 constituting the constant current source 5 of the Hall elements 2 and 3 are current-mirror connected, and a current having the same temperature characteristic as the current flowing through the transistor Q24 flows through the Hall element. The positive temperature dependency of 1000 to 3000 ppm / ° C of the magneto-electric conversion characteristics is compensated for by the current having the negative temperature characteristics of -1000 ppm / ° C, and the magneto-electric conversion characteristics of the Hall elements 2 and 3 are -500 ppm / It is made to exhibit a temperature dependence of not more than ° C.
[0038]
As described above, in the above embodiment, the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element is reduced by using the constant current source instead of the constant voltage source as the drive circuit of the Hall element. In addition to compensating with the characteristics, the temperature dependence of the resistor that generates the threshold level of the comparator that discriminates the output of the Hall element is compensated by the negative temperature characteristic of the constant current source that gives the current flowing through the resistor. It is not necessary to use a high voltage even in a high temperature region, and a constant current source having a negative temperature characteristic as described above can be easily realized on a silicon chip, so that it can operate in a wide temperature range. There is an effect that a monolithic IC sensor can be provided at low cost.
[0039]
Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the invention. Nor. For example, in the above-described embodiment, the dummy Hall element 3 is provided and its output average value is taken to give an operating point to the comparator 7. However, the operating point of the comparator is not limited to this, and any stable level can be set. It can be used. In the embodiment, the peak hold circuit 8 and the conductance amplifier 9 are provided to remove the DC level from the output of the Hall element. However, these circuits can be omitted.
[0040]
In the above description, the case where the invention made by the present inventor is mainly applied to a magnetic sensor using a Hall element, which is a field of application as the background, has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited thereto. The temperature compensation circuit in the circuit can be generally used.
[0041]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0042]
In other words, it is necessary to compensate for the temperature dependence of the magneto-electric conversion characteristics of the Hall element and to manufacture a monolithic IC sensor having a Hall element and its peripheral circuits on a single silicon chip, which can be driven at a low voltage at a low cost. As a result, it is possible to provide a sensor suitable for detecting rotation of a transmission, an engine, and the like of an automobile operable in a wide temperature range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a magnetic sensor according to the present invention formed into a monolithic IC.
FIG. 2 is a sectional view showing an example of a structure of a Hall element on a chip of the magnetic sensor IC according to the embodiment.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a specific example of a comparator in the magnetic sensor according to the embodiment.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a specific example of a current source in the magnetic sensor according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon chip 2 Hall element 3 Dummy hall element 4 Constant voltage power supply circuit 5 Constant current source 7 Comparator 6, 9 Amplifier 10 Output transistor 11 Band gap reference voltage generation circuit

Claims (5)

ホール素子と、該ホール素子に駆動電流を流すための第1の定電流源と、上記ホール素子の出力を弁別するコンパレータと、該コンパレータのスレッシュホールドレベルを発生するスレッシュホールド発生抵抗に電流を流すための第2の定電流源とを備えてなる磁気検出回路であって、
上記第1の定電流源は、上記ホール素子の磁気−電気変換特性の正の温度依存性に対応した所定の負の温度特性を有し、該負の温度特性によって上記ホール素子の磁気−電気変換特性の正の温度依存性が補償されるよう構成され
上記第2の定電流源は、上記スレッシュホールド発生抵抗正の温度依存性に対応した所定の負の温度特性を有し、該負の温度特性によって上記スレッシュホールド発生抵抗の正の温度依存性が補償されるよう構成されていることを特徴とする磁気検出回路
A Hall element, a first constant current source for supplying a drive current to the Hall element, a comparator for discriminating the output of the Hall element , and a current flowing to a threshold generation resistor for generating a threshold level of the comparator. A magnetic constant detection circuit comprising a second constant current source for
Said first constant current source, the magnetic of the Hall elements - have a predetermined negative temperature characteristic corresponding to the positive temperature dependence of the electrical characteristics of the Hall elements by the temperature characteristics of the negative magnetic - electric Configured to compensate for the positive temperature dependence of the conversion characteristic,
It said second constant-current source has a predetermined negative temperature characteristic corresponding to the positive temperature dependence of the threshold generating resistors, the positive temperature dependence of the threshold generating resistor by the temperature characteristics of the negative A magnetic detection circuit characterized in that the magnetic field is compensated for .
請求項1に記載の磁気検出回路において、
上記ホール素子は、上記第1の定電流源を構成する第1のトランジスタと直列形態に接続され
上記コンパレータは、上記スレッシュホールド発生抵抗と、該スレッシュホールド発生抵抗に電流を流すための上記第2の定電流源を構成する第2のトランジスタとを含んで構成され
上記第1のトランジスタは、上記ホール素子の正の温度依存性に対応した所定の負の温度特性を有する第1の温度補償電流源の出力トランジスタカレントミラー接続され、上記第1の温度補償電流源の負の温度特性によって上記ホール素子の磁気−電気変換特性の正の温度依存性補償されるよう構成され
上記第2トランジスタは、上記スレッシュホールド発生抵抗の正の温度依存性に対応した所定の負の温度特性を有する第2温度補償電流源の出力トランジスタカレントミラー接続され、上記第2の温度補償電流源の負の温度特性によって上記スレッシュホールド発生抵抗の正の温度依存性補償されるよう構成されていることを特徴とする磁気検出回路
The magnetic detection circuit according to claim 1 ,
The Hall element is connected in series with a first transistor constituting the first constant current source ,
The comparator is configured to include the above threshold generating resistor and a second transistor constituting the second constant current source for supplying a current to said threshold generating resistor,
The first transistor is current mirror-connected to an output transistor of a first temperature compensation current source having a predetermined negative temperature characteristic corresponding to the positive temperature dependency of the Hall element, and the first temperature compensation current the negative temperature characteristic of the source magnetic the Hall element - is configured as a positive temperature dependence of the electrical characteristics is compensated,
The second transistor is current mirror-connected to an output transistor of a second temperature compensation current source having a predetermined negative temperature characteristic corresponding to a positive temperature dependency of the threshold generation resistance, and the second temperature compensation is performed. A magnetic detection circuit, wherein the positive temperature dependency of the threshold generation resistance is compensated by a negative temperature characteristic of a current source .
請求項2に記載の磁気検出回路において、
上記第2の温度補償電流源は、上記第2のトランジスタとカレントミラー接続 された第3のトランジスタと、該第3のトランジスタと直列形態に接続された抵抗と、上記第3のトランジスタとカレントミラー接続された第4のトランジスタと、該第4のトランジスタと直列形態に接続された基準電圧発生回路とを含んで構成され、
上記抵抗の温度特性は上記スレッシュホールド発生抵抗の温度特性とほぼ等しく、上記抵抗に上記基準電圧発生回路から発生する電圧が印加されるよう構成されていることを特徴とする磁気検出回路
The magnetic detection circuit according to claim 2,
The second temperature-compensating current source includes a third transistor that is connected in a current mirror with the second transistor, a resistor that is connected in series with the third transistor, and a current mirror that is connected to the third transistor. A fourth transistor connected thereto, and a reference voltage generating circuit connected in series with the fourth transistor,
A magnetic detection circuit, wherein a temperature characteristic of the resistor is substantially equal to a temperature characteristic of the threshold generation resistor, and a voltage generated from the reference voltage generation circuit is applied to the resistor .
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁気検出回路において、上記第1の定電流源の有する負の温度特性は約 −1000ppm/ ℃であり、上記第2の定電流源の有する負の温度特性は約 −2000ppm/ ℃であることを特徴とする磁気検出回路 4. The magnetic detection circuit according to claim 1, wherein the first constant current source has a negative temperature characteristic of about −1000 ppm / ° C., and the second constant current source has a negative temperature characteristic of about −1000 ppm / ° C. 5. Wherein the temperature characteristic is about -2000 ppm / ° C. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の磁気検出回路において、上記ホール素子と上記コンパレータと上記第1および第2の定電流源とが一つの単結晶シリコンチップ上に形成されてなることを特徴とする磁気検出回路 In the magnetic detection circuit according to any one of claims 1 to 4, that the Hall element and the comparator and the first and second constant current source and is formed on one of the single-crystal silicon chip A magnetic detection circuit .
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