JP6153740B2 - Magnetic detection circuit using magnetic detection element - Google Patents
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Description
本明細書では、少なくとも4端子を備えている磁気検出素子を利用する磁気検出回路を開示する。 In this specification, a magnetic detection circuit using a magnetic detection element having at least four terminals is disclosed.
非特許文献1に開示されているように、4端子を備えている磁気検出素子が開発されている。この素子は、下記の(1)と(2)の特性を備えている。
(1)第1端子と第3端子間に通電すると、第2端子と第4端子間に磁束密度に比例する電圧差が発生し、
(2)第2端子と第4端子間に通電すると、第1端子と第3端子間に磁束密度に比例する電圧差が発生する。
ただし(1)において発生する電圧差にもオフセット電圧が重畳し、(2)において発生する電圧差にもオフセット電圧が重畳する。そこでオフセット電圧の影響を除去する必要がある。
As disclosed in Non-Patent
(1) When a current is applied between the first terminal and the third terminal, a voltage difference proportional to the magnetic flux density is generated between the second terminal and the fourth terminal,
(2) When a current is applied between the second terminal and the fourth terminal, a voltage difference proportional to the magnetic flux density is generated between the first terminal and the third terminal.
However, the offset voltage is also superimposed on the voltage difference generated in (1), and the offset voltage is also superimposed on the voltage difference generated in (2). Therefore, it is necessary to remove the influence of the offset voltage.
非特許文献1の技術では、磁束密度に比例する電圧差をVHとし、オフセット電圧をVOFFとしたときに、(1)において発生する電圧差V1は、近似的にVH+VOFFとなり、(2)において発生する電圧差V2は、近似的にVH―VOFFとなる性質を利用してオフセット電圧の影響を除去する。すなわち、V1とV2を加算すると、(VH+VOFF)+(VH―VOFF)=2・VHとなる関係を利用して、オフセット電圧の影響を除去する。
In the technique of
上記の(1)と(2)は同時には起こらない。非特許文献1の技術では、時間の経過に従って(1)と(2)を交互に切換える。非特許文献1の技術では、(1)の期間において観測された電圧差V1を保持しておき、(2)の期間において観測された電圧差V2に、保持しておいた電圧差V1を加える。
観測対象である磁束密度の変化速度が低速であれば、非特許文献1の技術でも問題は生じない。しかしながら、磁束密度の変化速度が高速であると、例えば期間(1)における磁束密度が期間(2)となるまでわからないという問題が顕在化される。例えば磁束密度が所定値に達したタイミングを知るために磁束密度を計測することがあり、期間(1)における磁束密度が期間(2)となるまでわからないという問題が実用上の障害となることがある。さりとて、処理装置の応答性等の制約から、期間(1)と期間(2)の切り換え周波数を高速化するのにも限度がある。磁束密度に比例する電圧を、できるだけ遅れなく増幅する技術が必要とされている。
The above (1) and (2) do not occur simultaneously. In the technique of Non-Patent
If the change speed of the magnetic flux density to be observed is low, no problem arises even with the technique of Non-Patent
本明細書では、上記した4端子を備えている磁気検出素子がもたらすオフセット電圧の影響を、「値を保持しておいて後で利用する」という手法によらないで除去する技術を開示する。 In the present specification, a technique for removing the influence of the offset voltage caused by the magnetic detection element having the above-described four terminals without using a method of “holding a value and using it later” is disclosed.
本明細書で開示する磁気検出回路は、図4に例示するように、電源1と、通電用スイッチ2と、磁気検出素子4と、入力側スイッチ26と、差動増幅器17と、出力側スイッチ28と、第1出力端子T1と、第2出力端子T2と、スイッチ切換回路36とを備えている。
磁気検出素子4は、4端子を備えており、図4中で丸に囲まれた数字が端子番号を示している。磁気検出素子4は、下記の特性を備えている。
(1)第1端子と第3端子間に通電すると、第2端子と第4端子間に、磁束密度に比例する電圧成分と素子オフセット電圧成分を含む電圧を出力し、
(2)第2端子と第4端子間に通電すると、第1端子と第3端子間に、磁束密度に比例する電圧成分と素子オフセット電圧成分を含む電圧を出力する。
本明細書では、上記期間(1)を第1モードといい、期間(2)を第2モードという。本明細書で開示する技術は、少なくても4端子を備えている磁気検出素子に適用することができ、例えば第5端子、第6端子・・・をも備えている磁気検出素子にも適用することができる。例えば、第1端子〜第8端子のうちの第5端子〜第8端子に、本技術を適用することができる。
差動増幅器17は、第1入力kと第2入力mと第1出力pと第2出力qを備えている。第1入力kと第2入力m間の電圧差(n)を増幅した電圧差を、第1出力pと第2出力q間に発生させる。
スイッチ切換回路36は、
(1a)通電用スイッチ2が、電源1と第1端子を接続して第3端子と接地線を接続し、
(1b)入力側スイッチ26が、第4端子を第1入力kに接続して第2端子を第2入力mに接続し、
(1c)出力側スイッチ28が、第1出力pを第1出力端子T1に接続して第2出力qを第2出力端子T2に接続する状態と、
(2a)通電用スイッチ2が、電源1と第2端子を接続して第4端子と接地線を接続し、
(2b)入力側スイッチ26が、第3端子を第1入力kに接続して第1端子を第2入力mに接続し、
(2c)出力側スイッチ28が、第1出力pを第2出力端子T2に接続して第2出力qを第1出力端子T1に接続する状態を交互に切り換える。
前記(1a)〜(1c)によって前記(1)の第1モードに切換えられ、前記(2a)〜(2c)によって前記(2)の第2モードに切換えられる。
(1a)〜(1c)は同時でなくてもよい。(1a)が先行して(1b)(1c)が遅れてもよい。あるいは(1a)(1b)(1c)の順序であってもよい。同様に、(2a)が先行して(2b)(2c)が遅れてもよい。あるいは(2a)(2b)(2c)の順序であってもよい。(1c)後に(2a)に切り替わり、(2c)後に(1a)に切り換われば、第1モードと第2モードが交互に切り換えられる。
As illustrated in FIG. 4, the magnetic detection circuit disclosed in the present specification includes a
The
(1) When energized between the first terminal and the third terminal, a voltage including a voltage component proportional to the magnetic flux density and an element offset voltage component is output between the second terminal and the fourth terminal,
(2) When energized between the second terminal and the fourth terminal, a voltage including a voltage component proportional to the magnetic flux density and an element offset voltage component is output between the first terminal and the third terminal.
In this specification, the period (1) is referred to as a first mode, and the period (2) is referred to as a second mode. The technique disclosed in this specification can be applied to a magnetic detection element having at least four terminals, for example, a magnetic detection element having a fifth terminal, a sixth terminal,... can do. For example, the present technology can be applied to the fifth terminal to the eighth terminal among the first terminal to the eighth terminal.
The
The
(1a) The energizing
(1b) The
(1c) a state in which the output-
(2a) The energizing
(2b) The input-
(2c) The
The mode is switched to the first mode (1) by (1a) to (1c), and the mode is switched to the second mode (2) by (2a) to (2c).
(1a) to (1c) may not be simultaneous. (1a) may precede and (1b) (1c) may be delayed. Or the order of (1a) (1b) (1c) may be sufficient. Similarly, (2a) may precede and (2b) (2c) may be delayed. Or the order of (2a) (2b) (2c) may be sufficient. If the mode is switched to (2a) after (1c) and switched to (1a) after (2c), the first mode and the second mode are switched alternately.
上記の磁気検出回路によると、入力側スイッチ26によって、差動増幅器17の第1入力kと第2入力mに表1に示す端子が接続され、差動増幅器17の第1入力kと第2入力mの間の電圧差は表1に示すものとなる。
表1から明らかに、差動増幅器17に入力される電圧差は、素子オフセット電圧に、磁束密度に比例する電圧が重畳したものとなり、重畳する磁束密度比例電圧の正負が第1モードと第2モードで反転する関係となる。すなわち、差動増幅器に入力される電圧差は、素子オフセット電圧(直流電圧分)に、磁束密度比例電圧を変調した電圧(第1モードと第2モードの切換え周波数で変調した電圧)が重畳した電圧となる。
差動増幅器17の出力端子p,q間には、変調した磁束密度比例電圧を増幅した電圧差が生じる。差動増幅器17は、差動増幅器17が備えている帰還CRの時定数で決まるハイパスフィルタとして機能することから、入力電圧に直流電圧成分(素子オフセット電圧)が重畳していても、その直流電圧の影響を受けることはない。差動増幅器17は、磁束密度比例電圧を変調した電圧を増幅した電圧を出力する。
出力側スイッチ28は、変調した磁束密度比例電圧を増幅した電圧を復調する。第1出力端子T1と第2出力端子T2間には、磁束密度比例電圧を増幅した電圧差が生じる。素子オフセット電圧の影響が、第1出力端子T1と第2出力端子T2に生じない。
As apparent from Table 1, the voltage difference input to the
A voltage difference obtained by amplifying the modulated magnetic flux density proportional voltage is generated between the output terminals p and q of the
The
本明細書で開示する磁気検出回路によると、第1モードでも第2モードでも差動増幅器17に入力される素子オフセット電圧の符号が同一であり、素子オフセット電圧は直流成分となって入力される。そのために、差動増幅器17の出力電圧には、素子オフセット電圧の影響が現れず、変調した磁束密度比例電圧を増幅した電圧が生じる。常時に上記の関係が得られることから、素子オフセット電圧の影響を相殺するために、モードが反転するのを待つ必要がない。時間の遅れなく、素子オフセット電圧の影響を除去することができる。
According to the magnetic detection circuit disclosed in this specification, the sign of the element offset voltage input to the
従来の技術では、第1モードと第2モードで素子オフセット電圧の符号が反転する関係を利用し、第1モードでの検出値を保持しておいて第2モードでの検出値に加算することで素子オフセット電圧の影響を除去する。従来の技術は、モードが反転するのを待って素子オフセット電圧の影響を除去するので、検出結果に遅れが生じる。
本明細書に開示する磁気検出回路によると、差動増幅器に入力される素子オフセット電圧の符号が第1モードと第2モードを通して同一に維持される関係を得ることによって、磁気検出素子に生じる素子オフセット電圧の影響を除去し、磁束密度比例電圧を増幅した電圧を得る。素子オフセット電圧の影響を除去するためにモードが反転するのを待つ必要がない。従ってモードの反転時間だけ検出結果に遅れが生じるという現象が生じない。
本明細書に開示する磁気検出回路によると、時間の経過とともに磁束密度が変化するような場合に、磁束密度の時間変化に遅れなく追従する検出結果を得ることができる。
In the conventional technique, the detection value in the first mode is held and added to the detection value in the second mode using the relationship in which the sign of the element offset voltage is inverted between the first mode and the second mode. To eliminate the influence of the element offset voltage. In the conventional technique, the influence of the element offset voltage is removed after waiting for the mode to be reversed, so that the detection result is delayed.
According to the magnetic detection circuit disclosed in this specification, an element generated in the magnetic detection element is obtained by obtaining a relationship in which the sign of the element offset voltage input to the differential amplifier is maintained the same throughout the first mode and the second mode. The influence of the offset voltage is removed, and a voltage obtained by amplifying the magnetic flux density proportional voltage is obtained. There is no need to wait for the mode to reverse to eliminate the effect of the element offset voltage. Therefore, the phenomenon that the detection result is delayed by the mode inversion time does not occur.
According to the magnetic detection circuit disclosed in the present specification, when the magnetic flux density changes with the passage of time, it is possible to obtain a detection result that follows the time change of the magnetic flux density without delay.
下記で説明する実施例の主要な特長を以下に例示する。いずれも、本発明の技術的範囲に含まれる。
(特長1)差動増幅器は、2入力と2出力である。
(特徴2)差動増幅器は、チャージアンプである。
(特徴3)差動増幅器は、帰還CRの時定数で決まる周波数よりも高周波のみを通過させるハイパスフィルタとしても機能するチャージアンプである。
(特徴4)差動増幅器は、帰還容量と、帰還容量に並列に接続されている帰還抵抗を備えている。
(特徴5)帰還抵抗の値が大きく、差動増幅器の出力電圧の変化速度が遅い。
(特徴6)帰還抵抗は、MOSで構成されており、その抵抗値はメガオーム以上である。
(特徴7)差動増幅器は、素子オフセット電圧の影響を除去した電圧差を出力する。
(特徴8)差動増幅器は、オペアンプのオフセット電圧を含む電圧を出力する。ただし、出力電圧に含まれるオペアンプのオフセット電圧は増幅されておらず、一次のLPF(ローパスフィルタ)で十分に除去できる。
(特徴9)復調した磁束密度比例電圧に残るチョッパノイズ(スパイクノイズ)を除去するサンプルホールド回路を備えている。
(特徴10)オペアンプのオフセット電圧を除去するLPF(ローパスフィルタ)を備えている。
(特徴11)そのLPFのカットオフ周波数は、主として熱雑音を除去する帯域に設定されており、観測可能な信号周波数の上限が高い。
(特徴12)差分回路に、上記LPFが組み込まれている。
The main features of the embodiments described below are exemplified below. Both are included in the technical scope of the present invention.
(Feature 1) The differential amplifier has two inputs and two outputs.
(Feature 2) The differential amplifier is a charge amplifier.
(Characteristic 3) The differential amplifier is a charge amplifier that also functions as a high-pass filter that passes only a higher frequency than the frequency determined by the time constant of the feedback CR.
(Feature 4) The differential amplifier includes a feedback capacitor and a feedback resistor connected in parallel to the feedback capacitor.
(Feature 5) The value of the feedback resistor is large, and the change speed of the output voltage of the differential amplifier is slow.
(Characteristic 6) The feedback resistor is composed of a MOS, and the resistance value is equal to or greater than mega ohms.
(Feature 7) The differential amplifier outputs a voltage difference from which the influence of the element offset voltage is removed.
(Feature 8) The differential amplifier outputs a voltage including an offset voltage of the operational amplifier. However, the offset voltage of the operational amplifier included in the output voltage is not amplified and can be sufficiently removed by a primary LPF (low pass filter).
(Feature 9) A sample-and-hold circuit for removing chopper noise (spike noise) remaining in the demodulated magnetic flux density proportional voltage is provided.
(Feature 10) An LPF (low pass filter) for removing the offset voltage of the operational amplifier is provided.
(Characteristic 11) The cutoff frequency of the LPF is set mainly in a band for removing thermal noise, and the upper limit of the observable signal frequency is high.
(Feature 12) The LPF is incorporated in the difference circuit.
(4端子磁気検出素子)
実施例で用いる4端子磁気検出素子は、磁束密度に比例する電圧を出力するホール素子を利用している。図1に示すように、4端子磁気検出素子は、第1端子〜4端子(図1では、丸で囲まれた数字が端子番号を示している)を備えており、第1端子と第3端子を結ぶ線分と、第2端子と第4端子を結ぶ線分が直交する位置関係にある。
4端子磁気検出素子を磁界中においた状態で、4端子磁気検出素子の第1端子から第3端子に所定値の電流を通電すると、第4端子には(1)式で示す電圧が発生し、第2端子には(2)式で示す電圧が発生する。第1端子から第3端子に通電する状態を第1モードという。図1では、丸で囲まれていない1が、第1モードを示している。式(1)と式(2)等において、VH1は、4端子磁気検出素子の扁平面に垂直な方向に伸びる磁束密度に比例する電圧である。4端子磁気検出素子の存在位置における紙面垂直方向の磁束密度をBとすると、VH1はBに比例する。VH1の値からBの値を決定することができる。磁束密度Bの値が時間に対して変動すれば、VH1の値も時間に対して変動する。
(4-terminal magnetic detection element)
The four-terminal magnetic detection element used in the embodiment uses a Hall element that outputs a voltage proportional to the magnetic flux density. As shown in FIG. 1, the four-terminal magnetic detection element includes first to fourth terminals (in FIG. 1, numbers surrounded by circles indicate terminal numbers). The line segment connecting the terminals and the line segment connecting the second terminal and the fourth terminal are in a perpendicular relationship.
When a current of a predetermined value is supplied from the first terminal to the third terminal of the four-terminal magnetic detection element in a state where the four-terminal magnetic detection element is placed in a magnetic field, a voltage represented by the expression (1) is generated at the fourth terminal. The voltage shown by the equation (2) is generated at the second terminal. A state in which current is supplied from the first terminal to the third terminal is referred to as a first mode. In FIG. 1, 1 that is not circled indicates the first mode. In Expression (1) and Expression (2), etc., VH1 is a voltage proportional to the magnetic flux density extending in the direction perpendicular to the flat surface of the four-terminal magnetic detection element. If the magnetic flux density in the direction perpendicular to the paper surface at the position where the four-terminal magnetic detection element is present is B, VH1 is proportional to B. The value of B can be determined from the value of VH1. If the value of the magnetic flux density B varies with time, the value of VH1 also varies with time.
式(1)等に示すように、4端子磁気検出素子の出力電圧には、VH1の他に、VOFF1とVIN10が含まれている。VIN10は、第4端子電圧と第2端子電圧の平均電圧である。VIN10は、時間に対して変化しない。VIN10の値は、第4端子電圧と第2端子電圧を検出した結果判明する値である。VIN10は、第4端子電圧にも第2端子電圧にも等しく重畳する。VOFF1は、第4端子電圧には正の値が重畳し、第2端子電圧には負の値が重畳する。この値を本明細書では、素子オフセット電圧という。VOFF1は、第1モードでの素子オフセット電圧である。 As shown in Equation (1) and the like, the output voltage of the four-terminal magnetic detection element includes VOFF1 and VIN10 in addition to VH1. VIN10 is an average voltage of the fourth terminal voltage and the second terminal voltage. VIN10 does not change with time. The value of VIN10 is a value determined as a result of detecting the fourth terminal voltage and the second terminal voltage. VIN10 is equally superimposed on the fourth terminal voltage and the second terminal voltage. VOFF1 has a positive value superimposed on the fourth terminal voltage and a negative value superimposed on the second terminal voltage. This value is referred to as an element offset voltage in this specification. VOFF1 is an element offset voltage in the first mode.
磁界中においた4端子磁気検出素子の第2端子から第4端子に所定値の電流を通電すると、第1端子には(3)式で示す電圧が発生し、第3端子には(4)式で示す電圧が発生する。第2端子から第4端子に通電する状態を第2モードという。図1では、丸で囲まれていない2が、第2モードを示している。式(3)と式(4)等において、VH2は4端子磁気検出素子の扁平面に垂直な方向に伸びる磁束密度に比例する電圧であり、VIN20は第3端子電圧と第1端子電圧の平均電圧であり、VOFF2は、第2モードでの素子オフセット電圧である。 When a current of a predetermined value is passed from the second terminal to the fourth terminal of the four-terminal magnetic detection element placed in a magnetic field, a voltage expressed by equation (3) is generated at the first terminal and (4) at the third terminal. A voltage expressed by the equation is generated. A state in which current is supplied from the second terminal to the fourth terminal is referred to as a second mode. In FIG. 1, 2 not surrounded by a circle indicates the second mode. In Expressions (3) and (4), etc., VH2 is a voltage proportional to the magnetic flux density extending in the direction perpendicular to the flat surface of the four-terminal magnetic detection element, and VIN20 is the average of the third terminal voltage and the first terminal voltage. VOFF2 is an element offset voltage in the second mode.
4端子磁気検出素子の場合、第1モードと第2モードでの通電電流値が等しく、第1モードと第2モードでの磁束密度が等しい場合、VH1=VH2となる。磁束密度の変化速度に比して高速に第1モードと第2モードを切換えれば、(5)式に示すように、VH1=VH2となる。また、第1モードと第2モードでの素子オフセット電圧に関しては、(6)式に示すように、VOFF1=−VOFF2の関係となる。VIN10とVIN20は、等しいとは限られないが、VIN10,VIN20ともに時間に対して変化しない。
(5)式に示すように、VH1=VH2=VHとし、(6)式に示すように、VOFF1=−VOFF2=VOFFとすると、第1モードでの第4端子電圧と第2端子電圧、ならびに、第2モードでの第1端子電圧と第3端子電圧は、式(1a)〜(4a)に示すものとなる。
図1のグラフは、磁束密度Bが時間に対して正弦波の波形で変化する場合に、(1a)〜(4a)に示される第1〜第4端子電圧の変化を示している。図1では図示の明瞭化のために第1モードと第2モードの切換え周期を実際よりも長時間化して表示している。実際には、もっと高速で切換える。
In the case of a four-terminal magnetic detection element, when the energization current values in the first mode and the second mode are equal and the magnetic flux densities in the first mode and the second mode are equal, VH1 = VH2. If the first mode and the second mode are switched at a higher speed than the change rate of the magnetic flux density, VH1 = VH2 as shown in the equation (5). The element offset voltage in the first mode and the second mode has a relationship of VOFF1 = −VOFF2, as shown in the equation (6). VIN10 and VIN20 are not necessarily equal, but neither VIN10 nor VIN20 changes with time.
As shown in equation (5), when VH1 = VH2 = VH and as shown in equation (6), VOFF1 = −VOFF2 = VOFF, the fourth terminal voltage and the second terminal voltage in the first mode, and The first terminal voltage and the third terminal voltage in the second mode are as shown in equations (1a) to (4a).
The graph of FIG. 1 shows changes in the first to fourth terminal voltages shown in (1a) to (4a) when the magnetic flux density B changes in a sinusoidal waveform with respect to time. In FIG. 1, for the sake of clarity, the switching period between the first mode and the second mode is displayed longer than the actual time. In practice, it switches faster.
図2は、素子オフセット電圧VOFFの影響を排除して磁束密度比例電圧VHを増幅する従来の処理回路を示している。非特許文献1に記載されている技術を、後記する実施例と対比可能となるように具体化したものである。
図2において、参照番号1は一定電流を供給する定電流回路である。参照番号4は4端子磁気検出素子である。参照番号2は通電用スイッチであり、スイッチS1がオンするとスイッチS2はオフし、スイッチS1がオフするとスイッチS2はオンする。図示しない切換え回路が、短時間間隔でスイッチS1をオン・オフ・オン・・・させ、スイッチS2をオフ・オン・オフ・・・させる。
スイッチS1がオンすると、4端子磁気検出素子4の第1端子から第3端子に一定の電流が通電される(第1モードとなる)。スイッチS2がオンすると、4端子磁気検出素子の第2端子から第4端子に一定の電流が通電される(第2モードとなる)。
FIG. 2 shows a conventional processing circuit that amplifies the magnetic flux density proportional voltage VH by eliminating the influence of the element offset voltage VOFF. The technique described in
In FIG. 2,
When the switch S1 is turned on, a constant current is passed from the first terminal of the four-terminal
参照番号6,8は、サンプルホールド回路である。サンプルホールド回路6は、スイッチS1を介して第4端子に接続されており、スイッチS1がオフの間、スイッチS1がオフする直前のタイミングにおける第4端子の電圧(第1モードの第4端子電圧)を保持する。サンプルホールド回路8は、スイッチS1を介して第2端子に接続されており、スイッチS1がオフの間、スイッチS1がオフする直前のタイミングにおける第2端子の電圧(第1モードの第2端子電圧)を保持する。
参照番号10,12は加算回路である。加算回路10は、スイッチS2を介して第1端子に接続されており、サンプルホールド回路6にも接続されている。加算回路10は、スイッチS2がオフする直前のタイミング(スイッチS1がオンする直前タイミング)における第1端子の電圧(第2モードの第1端子電圧)に、サンプルホールド回路6に保持されている電圧を加算した電圧を出力する。加算回路12は、スイッチS2を介して第3端子に接続されており、サンプルホールド回路8にも接続されている。加算回路12は、スイッチS2がオフする直前のタイミング(スイッチS1がオンする直前タイミング)における第3端子の電圧(第2モードの第3端子電圧)に、サンプルホールド回路8に保持されている電圧を加算した電圧を出力する。サンプルホールド回路6,8でサンプルホールドするタイミングと、加算回路10,12で加算するタイミングの間には、第1モードと第2モードを切換える周期の1/2だけの遅れ時間が生じる。
図3(a)に示す水平の実線は、サンプルホールド回路6に保持されている電圧を示している。図3(b)に示す黒丸は、加算回路10で加算する一方の電圧(第2モードの第1端子電圧)を示し、図3(a)に示す黒丸は、加算回路10で加算するもう一方の電圧(第1モードの第4端子電圧)を示している。図3(c)の黒丸は、加算回路10で加算された結果を示している。なお、磁束密度Bの時間変化に対する第1モードと第2モードの関係が、図1と図3では逆転している。磁束密度Bの時間変化とモードの切り換えタイミングの関係は、制約されない。図3(a)に示すように、第4端子の電圧は、平均電圧VIN10に、プラスの素子オフセット電圧VOFFの1/2と、磁束密度比例電圧VHを加算した値である。図3(b)に示すように、第1端子の電圧は、平均電圧VIN20に、マイナスの素子オフセット電圧−VOFFの1/2と、磁束密度比例電圧VHを加算した値である。したがって、図3(c)に示すように、加算回路10の出力電圧は、VIN10+VIN20+2×VH(磁束密度比例電圧)となり、素子オフセット電圧VOFFの影響が除去される。実際には、VIN10+VIN20が電源電圧範囲から外れる可能性がある。そこで、加算回路10は、図3(a)で黒丸で示した電圧の半値と図3(b)で黒丸で示した電圧の半値を加算する。加算回路10の出力電圧は、(VIN10+VIN20)/2+VHである。
同様に、図3(d)に示す水平の実線は、サンプルホールド回路8に保持されている電圧を示している。図3(e)に示す黒丸は、加算回路12で加算する一方の電圧(第2モードの第3端子電圧)を示し、図3(d)に示す黒丸は、加算回路12で加算するもう一方の電圧(第1モードの第2端子電圧)を示している。図3の(f)の黒丸は、加算回路12で加算された結果を示している。図3の(d)に示すように、第2端子の電圧は、平均電圧VIN10に、マイナスの素子オフセット電圧−VOFFの1/2と、マイナスの磁束密度比例電圧−VHを加算した値である。図3の(e)に示すように、第3端子の電圧は、平均電圧VIN20に、プラスの素子オフセット電圧VOFFの1/2と、マイナスの磁束密度比例電圧−VHを加算した値である。したがって、図3(f)に示すように、加算回路12の出力電圧は、VIN10+VIN20−2×VH(磁束密度比例電圧)となり、素子オフセット電圧VOFFの影響が除去される。実際には、VIN10+VIN20が電源電圧範囲から外れる可能性がある。そこで、加算回路12は、図3(d)で黒丸で示した電圧の半値と図3(e)で黒丸で示した電圧の半値を加算する。加算回路10の出力電圧は、(VIN10+VIN20)/2−VHである。
図3(g)は、図3(c)と図3(f)の電圧差を示しており、プラス2×VHMAXとマイナス2×VHMAXの間で反転する交流電圧となる。オペアンプ16は、その交流電圧を増幅した電圧を出力する。オペアンプ16の増幅後電圧からVH(磁束密度比例電圧)の値を特定でき、さらには磁束密度Bの値を特定することができる。
A horizontal solid line shown in FIG. 3A indicates a voltage held in the
Similarly, the horizontal solid line shown in FIG. 3D indicates the voltage held in the sample hold circuit 8. The black circle shown in FIG. 3 (e) indicates one voltage (the third terminal voltage in the second mode) added by the adding
FIG. 3 (g) shows the voltage difference between FIG. 3 (c) and FIG. 3 (f), and the AC voltage is inverted between
図2のオペアンプ16の出力電圧は、VH(磁束密度比例電圧)を増幅した電圧に、アンプオフセット電圧が重畳した電圧となる。非特許文献1の技術では、アンプオフセット電圧の影響を除去するために、スイッチSAとスイッチSBを利用した入力側スイッチ14と出力側スイッチ18を利用している。スイッチSAがオンするとスイッチSBがオフし、スイッチSAがオフするとスイッチSBがオンする。図示しない切換え回路が、短時間間隔でスイッチSAをオン・オフ・オン・・・させ、スイッチSBをオフ・オン・オフ・・・させる。スイッチSA,SBの切換え周期は、スイッチS1,S2の切換え周期に等しくてもよいし、異なっていてもよい。
The output voltage of the
スイッチSAがオンしている間の(h)における電圧差は、G×VH+G×VAMPOFF(アンプオフセット電圧)となる。参照番号22は、サンプルホールド回路であり、スイッチSAがオフする直前のタイミングにおける電圧差(h)を保持する。SBがオンしている間の(h)における電圧差は、+G×VH−G×VAMPOFFとなる。参照番号24は、スイッチSBがオフする直前のタイミングにおける電圧差(G×VH−G×VAMPOFF)に、サンプルホールド回路22に保持されている電圧(G×VH+G×VAMPOFF)を加算した電圧を出力する加算回路である。加算回路24の出力電圧は2×G×VHとなり、VAMPOFF(アンプオフセット電圧)の影響が除去される。
The voltage difference in (h) while the switch SA is on is G × VH + G × VAMPOFF (amplifier offset voltage).
図2に示す従来の処理回路によると、素子オフセット電圧VOFFの影響を除去できるものの、そのためにはスイッチS1がオフしてから次にスイッチS2がオフするまでの間処理を待たなければならない。スイッチS1,S2の切換え周期の半周期分だけ処理が遅れる。
回転体に固定した磁石が磁気検出素子の近傍を通過する際に発生する磁束密度の経時的変化を検出して回転角等を検出する場合、磁束密度の変化速度が高速となる。スイッチS1,S2の切換え周期は回路を構成する部品の特性によって制約され、むやみと高速化することはできない。磁束密度の変化周期に対してスイッチS1,S2の切換え周期を十分に短くできないことがあり、検出遅れが問題となることがある。下記の実施例はそれに対応するものである。
According to the conventional processing circuit shown in FIG. 2, although the influence of the element offset voltage VOFF can be removed, for that purpose, the processing must be waited until the switch S2 is turned off after the switch S1 is turned off. The processing is delayed by a half cycle of the switching cycle of the switches S1 and S2.
When detecting a change in magnetic flux density over time when a magnet fixed to a rotating body passes in the vicinity of a magnetic detection element to detect a rotation angle or the like, the change rate of the magnetic flux density becomes high. The switching cycle of the switches S1 and S2 is limited by the characteristics of the parts that constitute the circuit, and cannot be speeded up unnecessarily. The switching period of the switches S1 and S2 may not be sufficiently shortened with respect to the change period of the magnetic flux density, and detection delay may be a problem. The following embodiment corresponds to this.
(実施例)
図4は、実施例の処理回路を示している。図2と同様の部材については同一の参照番号を付して重複説明を省略する。
定電流回路1と、4端子磁気検出素子4と、通電用スイッチ2の関係は、図2と同じである。図4の回路では、サンプルホールド回路6,8と、加算回路10,12を利用しない。入力側スイッチ26と4端子磁気検出素子4の間の接続関係は、図2のものと相違している。図2では、入力側スイッチ26が、第1端子と第4端子を切換え、第2端子と第3端子を切換えるのに対し、図4では、入力側スイッチ26が、第1端子と第2端子を切換え、第3端子と第4端子を切換える。図2では、通電用スイッチ2の切換え周期と、入力側スイッチ14と出力側スイッチ18の切換え周期が相違していてもよかったが、図4では、通電用スイッチ2と入力側スイッチ26と出力側スイッチ28の切換え周期を揃える。ただし、後記する実施例に例示されるように、位相差の存在は許容される。図4は、位相差が存在しない場合を例示している。本実施例では、通電用スイッチ2と入力側スイッチ26と出力側スイッチ28のそれぞれが、スイッチS1とスイッチS2を備えている。本実施例では、オペアンプ16と、コンデンサC1,C2,C3,C4と、抵抗R1,R2等によって全差動増幅器17が構成されている。全差動増幅器17は容量型であり、チャージアンプとして動作する。帰還抵抗R1が帰還容量C2に並列に接続されており、帰還抵抗R2が帰還容量C4に並列に接続されている。帰還抵抗R1,R2はDCバイアス点を安定化させる。
(Example)
FIG. 4 shows a processing circuit of the embodiment. The same members as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
The relationship between the constant
スイッチ切換回路36は、通電用スイッチ2と入力側スイッチ26と出力側スイッチ28のそれぞれを切換える。スイッチ切換回路36は、通電用スイッチ2と入力側スイッチ26と出力側スイッチ28のそれぞれに含まれているスイッチS1をオンさせるとスイッチS2をオフさせ、スイッチS1をオフさせるとスイッチS2をオンさせる。スイッチ切換回路36は、短時間間隔でスイッチS1をオン・オフ・オン・・・させ、スイッチS2をオフ・オン・オフ・・・させる。本実施例では、第1モードと第2モードを、500kHzで切り換える。
The
通電用スイッチ2のスイッチS1がオンすると、4端子磁気検出素子4の第1端子から第3端子に一定の電流が通電され、第1モードとなる。通電用スイッチ2のスイッチS2がオンすると、4端子磁気検出素子4の第2端子から第4端子に一定の電流が通電され、第2モードとなる。
実施例の回路では、入力側スイッチ26の接続関係が図2から変えられている。第1モードでは、第4端子電圧が差動増幅回路17の第1入力kに入力され、第2端子電圧が差動増幅回路17の第2入力mに入力される。第2モードでは、第3端子電圧が差動増幅回路17の第1入力kに入力され、第1端子電圧が差動増幅回路17の第2入力mに入力される。従来の回路では必要とされたサンプルホールド回路6,8や、加算回路10,12は不要である。
When the switch S1 of the
In the circuit of the embodiment, the connection relationship of the
図5の(k)は、差動増幅回路17の第1入力kにおける電圧を示している。第1モードでは第4端子電圧が入力され、第2モードでは第3端子電圧が入力される。第1モードの第4端子電圧は、第4端子電圧と第2端子電圧の平均電圧VIN10に、プラスの素子オフセット電圧VOFFの1/2と、プラスの磁束密度比例電圧VHを加算した値である。第2モードの第3端子電圧は、第3端子電圧と第1端子電圧の平均電圧VIN20に、プラスの素子オフセット電圧VOFFの1/2と、マイナスの磁束密度比例電圧VHを加算した値である。
図5の(m)は、差動増幅回路17の第2入力mにおける電圧を示している。第1モードでは第2端子電圧が入力され、第2モードでは第1端子電圧が入力される。第1モードの第2端子電圧は、第4端子電圧と第2端子電圧の平均電圧VIN10に、マイナスの素子オフセット電圧−VOFFの1/2と、マイナスの磁束密度比例電圧VHを加算した値である。第2モードの第1端子電圧は、第3端子電圧と第1端子電圧の平均電圧VIN20に、マイナスの素子オフセット電圧−VOFFの1/2と、プラスの磁束密度比例電圧VHを加算した値である。
FIG. 5K shows the voltage at the first input k of the
FIG. 5M shows a voltage at the second input m of the
図5の(n)は、図4の(n)に示す電圧差を示している。第1モードでは、第4端子電圧と第2端子電圧の電圧差となる。第4端子電圧と第2端子電圧には、同じ平均電圧VIN10が重畳しているために、電圧差から平均電圧VIN10の影響が除去される。その一方、第4端子電圧にはプラスの素子オフセット電圧の1/2が重畳し、第2端子電圧にはマイナスの素子オフセット電圧の1/2が重畳しているために、電圧差には素子オフセット電圧VOFFが残留している。第1モードの電圧差(n)は、2×VH+VOFFとなる。第2モードでは、第3端子電圧と第1端子電圧の電圧差となる。第3端子電圧と第1端子電圧には、同じ平均電圧VIN20が重畳しているために、電圧差から平均電圧VIN20の影響が除去される。その一方、第3端子電圧にはプラスの素子オフセット電2の1/2が重畳し、第1端子電圧にはマイマスの素子オフセット電圧の1/2が重畳しているために、電圧差には素子オフセット電圧VOFFが残留している。第2モードの電圧差(n)は、−2×VH+VOFFとなる。図5(n)に示すグラフは、電圧差(n)の時間的変化を示している。電圧差(n)は、素子オフセット電圧VOFFを平均値とし、モードの切換えに追従して、平均値よりも大きな電圧となる状態と平均値よりも小さな電圧となる状態の間で反転する。図5(n)に示すグラフは、磁束密度Bが時間に対して正弦波の波形で変化する場合に観測される電圧差を示している。電圧差(n)は、素子オフセット電圧VOFFの直流電圧成分に、磁束密度比例電圧を第1モードと第2モードの切換え周波数で変調した電圧が重畳したものとなる。
(N) in FIG. 5 shows the voltage difference shown in (n) in FIG. In the first mode, a voltage difference between the fourth terminal voltage and the second terminal voltage is obtained. Since the same average voltage VIN10 is superimposed on the fourth terminal voltage and the second terminal voltage, the influence of the average voltage VIN10 is removed from the voltage difference. On the other hand, since the positive terminal offset voltage ½ is superimposed on the fourth terminal voltage and the negative terminal offset voltage ½ is superimposed on the second terminal voltage, the voltage difference includes the element The offset voltage VOFF remains. The voltage difference (n) in the first mode is 2 × VH + VOFF. In the second mode, there is a voltage difference between the third terminal voltage and the first terminal voltage. Since the same average voltage VIN20 is superimposed on the third terminal voltage and the first terminal voltage, the influence of the average voltage VIN20 is removed from the voltage difference. On the other hand, since the half of the positive element offset
オペアンプ16の一方の出力pには、電圧差(n)を増幅した電圧が発生し、他方の出力qには、それを反転した電圧が発生する。ただし、差動増幅器17は、帰還コンデンサC2,C4と、帰還コンデンサC2に並列に接続されている帰還抵抗R1と、帰還コンデンサC4に並列に接続されている帰還抵抗R2を備えており、増幅時に、低周波電圧ないし直流電圧成分を除去してしまう。差動増幅器17は、帰還コンデンサと帰還抵抗を利用するチャージアンプであることから、ハイパスフィルタとして機能する。差動増幅器17は、電圧差(n)に含まれる電圧のうち、時間に対して変動しない直流電圧成分については増幅せず、時間に対して変動する交流電圧のみを増幅する。
詳しくは本出願人らが先に出願した特願2011−022106号の明細書と図面に記載されているように、第1モードと第2モードに切換えに応じて符号を反転する増幅後信号を復調すると、第1モードと第2モードに切換え周波数に対応する誤差が重複する。その誤差を低減するには、帰還抵抗R1,R2がメガオームのオーダを持つ大抵抗値を持つのが有利である。本実施例では、MOSを利用して大抵抗値を実現している。本出願人らが先に出願した特願2011−56744号の明細書と図面に記載されているように、MOSを利用すると高抵抗を小型化することができる。
正確にいうと、差動増幅器17の出力電圧には、第1モードと第2モードに切換えに応じて符号を反転する増幅後信号に、オペアンプ16のアンプオフセット電圧が重畳している。ただし、チャージアンプで差動増幅器17を構成しているために、アンプオフセット電圧は増幅されない。差動増幅器17の出力電圧に重畳するアンプオフセット電圧は、ミリボルトのオーダであり、熱雑音以下のレベルである。
A voltage obtained by amplifying the voltage difference (n) is generated at one output p of the
Specifically, as described in the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2011-022106 filed earlier by the present applicants, an amplified signal that inverts the sign in accordance with switching between the first mode and the second mode is provided. When demodulating, the error corresponding to the switching frequency overlaps between the first mode and the second mode. In order to reduce the error, it is advantageous that the feedback resistors R1 and R2 have a large resistance value in the order of mega ohms. In this embodiment, a large resistance value is realized using MOS. As described in the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2011-56744 filed earlier by the present applicants, high resistance can be reduced in size when MOS is used.
To be exact, the output voltage of the
図6の(p)は、差動増幅器17の第1出力pの電圧を示している。図5の(n)の波形を増幅した波形となっている。図5の(n)では含まれていた素子オフセット電圧VOFFは、直流電圧成分であるので増幅後電圧に影響しない。代わって、オペアンプ16の基準電圧VREFに、アンプオフセット電圧VAMPOFFを加えた電圧レベルを中心に変動する。基準電圧VREFは、オペアンプ16を駆動する電源電圧を抵抗分圧したものであり、電源電圧の1/2に等しい。アンプオフセット電圧VAMPOFFは、前記したように、増幅されていない微小電圧である。
図6の(q)は、差動増幅器17の第2出力qの電圧を示している。図5の(n)の波形を増幅して反転した波形となっている。図5の(n)では含まれていた素子オフセット電圧VOFFは、直流電圧成分であるので増幅後電圧に影響しない。代わって、オペアンプ16の基準電圧VREFから、アンプオフセット電圧VAMPOFFを減じた電圧レベルを中心に変動する。図6(q)の基準電圧VREFは、図6(p)の基準電圧VREFに等しい。図6(q)のアンプオフセット電圧VAMPOFFは、図6(p)のアンプオフセット電圧VAMPOFFと大きさが同じで、符号が反転している。
FIG. 6P shows the voltage of the first output p of the
(Q) in FIG. 6 shows the voltage of the second output q of the
出力側スイッチ28は、磁束密度比例電圧(入力側スイッチ26で変調されている)を復調する。図6の(r)は、図4の(r)における電圧を示し、図6の(s)は、図4の(s)における電圧を示している。
The
正確にいうと、図6(r)と図6(s)の電圧には、第1モードと第2モードの切換えに同期して符号が反転するアンプオフセット電圧VAMPOFFの影響が生じる。ただしその大きさは、前記したように、増幅されておらず、熱雑音以下の微小電圧であり、無視できる大きさである。図6(r)と図6(s)では、無視している。
図6の(r)と(s)に示す電圧には、変調用のスイッチ(入力側スイッチ26)と、復調用のスイッチ(出力側スイッチ28)の切換えタイミングに生じるノイズ(いわゆるチョッパノイズ)が重複している。
本実施例では、チョッパノイズの除去用に、サンプルホールド機能を備えた回路30,32を利用する。回路30,32の詳細は、本出願人が先に出願した特願2011−022106号の明細書と図面に詳細に記載されており、重複説明を省略する。特願2011−022106号の明細書と図面に記載されている事項は、本出願の明細書と図面の一部を構成する。
To be precise, the voltages in FIG. 6 (r) and FIG. 6 (s) are affected by the amplifier offset voltage VAMPOFF whose sign is inverted in synchronization with the switching between the first mode and the second mode. However, as described above, the magnitude is not amplified and is a minute voltage equal to or lower than thermal noise, and is negligible. In FIG. 6 (r) and FIG. 6 (s), it is ignored.
In the voltages shown in (r) and (s) of FIG. 6, noise (so-called chopper noise) generated at the switching timing of the modulation switch (input side switch 26) and the demodulation switch (output side switch 28) is generated. Duplicate.
In this embodiment,
図6の(t)は、回路30,32によって得られる処理内容を図示している。回路30,32は、ホールド回路を内蔵しており、スイッチS1とS2が反転するタイミングt2の直前タイミングt1における電圧VTを短時間の間(例えばスイッチS1とS2が反転する周期の1/4よりも短い期間)だけ保持する。保持時間が終了すると、回路30,32の出力電圧は、保持電圧から入力電圧に一致するように変化する。回路30,32を利用すると、チョッパノイズを除去できる。
FIG. 6 (t) illustrates the processing contents obtained by the
図4の回路34は、ローパスフィルタ機能を備えている差分回路であり、電圧(t)−電圧(u)の電圧を出力する。図6の(v)は、差分回路34が出力する電圧を示しており、基準電圧VREFを中心に、磁束に比例する電圧が重畳している。磁束に比例する電圧からは、第1モードと第2モードを切換えてから変調することで生じやすいチョッパノイズが除去されており、磁束に比例して変化する。差分回路34が備えているローパスフィルタは、熱雑音を除去する高周波帯域に設定できる。ローパスフィルタを備えている回路34を利用しているけれども、そのカットオフ周波数を高く設定できることから、磁束密度の高速度変化まで処理することができる。
The
図4に示すように、差動増幅器17はコンデンサC1,C2,C3,C4と、コンデンサC2に並列接続されている抵抗R1と、コンデンサC4に並列接続されている抵抗R2
を利用するチャージアンプで構成することが好ましい。チャージアンプであると、磁気検出素子4のオフセット電圧が直流成分となるようにすることでオフセット電圧の影響を除去することができる。また、アンプオフセット電圧を増幅することがなく、アンプオフセット電圧の影響を除去する回路が必要とされない。
ただし、帰還コンデンサと並列に抵抗を接続した方式のチャージアンプでなければならないというものではない。例えば、Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No.4B, 2007, pp.2252-2256, “0.6V Supply Complementary Metal Oxide Semiconductor Amplifier Using Noise Reduction Technique of Autozeroing and Chopper Stabilization”に、スイッチトキャパシタ方式のチャージアンプが開示されている。この方式のチャージアンプを用いても、素子オフセット電圧の影響を除去することができる。
As shown in FIG. 4, the
It is preferable to use a charge amplifier that uses In the case of a charge amplifier, the influence of the offset voltage can be eliminated by making the offset voltage of the
However, this is not to be a charge amplifier of a type in which a resistor is connected in parallel with the feedback capacitor. For example, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No.4B, 2007, pp.2252-2256, “0.6V Supply Complementary Metal Oxide Semiconductor Amplifier Using Noise Reduction Technique of Autozeroing and Chopper Stabilization” An amplifier is disclosed. Even if this type of charge amplifier is used, the influence of the element offset voltage can be eliminated.
重要なことは、第1端子T1と第2端子T2の間に、素子オフセット電圧VOFFの影響が除去されており、しかも磁束密度比例電圧VHからの時間遅れが短い電圧を得ることである。第1端子T1と第2端子T2の間に上記の電圧差が得られれば、その後の処理回路は、様々に設計することができる。本実施例では、差動増幅器17の入力端子に素子オフセット電圧VOFFが直流成分となって印加される一方において、磁束密度比例電圧は変調されて印加されるように、磁気検出素子4と差動増幅器17の結線関係を切換えることで前者の目的を達成している。保持回路6,8や加算回路10,12が不要となっており、時間遅れを短くすることができる。
What is important is that the influence of the element offset voltage VOFF is eliminated between the first terminal T1 and the second terminal T2, and a voltage with a short time delay from the magnetic flux density proportional voltage VH is obtained. If the above voltage difference is obtained between the first terminal T1 and the second terminal T2, the subsequent processing circuit can be designed in various ways. In this embodiment, the element offset voltage VOFF is applied to the input terminal of the
上記実施例では、第1モードと第2モードを切換えて用いる場合を具体的に説明した。
2モード切換えによって、素子オフセット電圧の影響を除去する。しかしながら、2モード切換えによって除去できる素子オフセット電圧は、磁気検出素子の通電量に比例する成分に限られる。磁気検出素子の通電量の二乗に比例する素子オフセット電圧等の影響を除去するには、4モードあるいは8モードといった多モード切換え技術を用いるのが有用である。例えば、4端子を備えた磁気検出装置で、第1端子から第3端子に通電する第1モードと、第2端子から第4端子に通電する第2モードと、第3端子から第1端子に通電する第3モードと、第4端子から第2端子に通電する第4モードを実現することができる。そのような場合でも、2モード切換え技術を適用することが可能である。例えば、第1・第2モード間に本発明の技術を適用すること、あるいは第3・第4モード間に本発明の技術を適用することができる。全体としては4モードあるいは8モード切換え技術でありながら、そのうちの一部に、本明細書で開示する2モード切換え技術が実施される場合もある。本出願の請求項は、そのよう場合にも適用される。
In the above embodiment, the case where the first mode and the second mode are switched and used has been specifically described.
The influence of the element offset voltage is removed by the two-mode switching. However, the element offset voltage that can be removed by two-mode switching is limited to a component that is proportional to the energization amount of the magnetic detection element. In order to eliminate the influence of an element offset voltage or the like proportional to the square of the energization amount of the magnetic detection element, it is useful to use a multi-mode switching technique such as a 4-mode or 8-mode. For example, in a magnetic detection device having four terminals, the first mode in which current is supplied from the first terminal to the third terminal, the second mode in which current is supplied from the second terminal to the fourth terminal, and the third terminal to the first terminal. A third mode for energization and a fourth mode for energization from the fourth terminal to the second terminal can be realized. Even in such a case, the two-mode switching technique can be applied. For example, the technique of the present invention can be applied between the first and second modes, or the technique of the present invention can be applied between the third and fourth modes. Although the whole is a four-mode or eight-mode switching technique, the two-mode switching technique disclosed in this specification may be implemented in some of them. The claims of this application also apply in such a case.
図5の(k)に示したように、差動増幅器17の第1入力kには、第4端子電圧と第3端子電圧が交互に入力する。第1モードで入力する第4端子電圧は、図1の式(1a)で示すものであり、第2モードで入力する第3端子電圧は、図1の式(4a)で示すものである。実際に、スイッチS1、S2の特性によっては、差動増幅器17の第1入力kに、式(1a)で示す電圧と式(4a)で示す電圧が交互に入力する。同様に、差動増幅器17の第2入力mに、式(2a)で示す電圧と式(3a)で示す電圧が交互に入力する。その場合には、図4の回路で問題はない。
As shown in (k) of FIG. 5, the fourth terminal voltage and the third terminal voltage are alternately input to the first input k of the
しかしながら、スイッチS1、S2の特性によっては、スイッチS1、S2の切り換え時に電源電圧が影響することがある。図7のグラフ72は、差動増幅器17の第1入力kに入力される電圧の時間変化を示している。ここでは、磁束密度の変化速度に対して十分に高速にスイッチS1,S2が切り換えられる場合を例示しており、磁束密度比例電圧VHは一定であるとして図示している。図4から明らかに、スイッチS1、S2の切り換え時にスイッチS1,S2の双方がオンすると、第1入力kは接地される。グラフ72は、第1モードでの第4端子の電圧から第2モードでの第3端子の電圧に変化するまでの間に過渡的に接地電圧に変化し、第2モードでの第3端子の電圧から第1モードでの第4端子の電圧に変化するまでの間に過渡的に接地電圧に変化する様子を示している。図7のグラフ74は、差動増幅器17の第2入力mに入力される電圧の時間変化を示している。図4から明らかに、スイッチS1、S2の切り換え時にスイッチS1,S2の双方がオンすると、第2入力mに電源電圧VCCが印加される。グラフ74は、第1モードでの第2端子の電圧から第2モードでの第1端子の電圧に変化するまでの間に過渡的に電源電圧VCCに変化し、第2モードでの第1端子の電圧から第1モードでの第2端子の電圧に変化するまでの間に過渡的に電源電圧VCCに変化する様子を示している。
However, depending on the characteristics of the switches S1 and S2, the power supply voltage may be affected when the switches S1 and S2 are switched. A
図7の(n)は、第1入力kと第2入力mの間の電圧差を示している。スイッチS1、S2の切り換え時にスイッチS1,S2の双方がオンする現象が生じると、電圧差は一旦は−VCCとなり、その後に、式(1a)に示す第4端子電圧から式(2a)に示す第2端子電圧を減じた値となる(第1モードになった場合)。あるいは、一旦は−VCCとなり、その後に、式(4a)に示す第3端子電圧から式(3a)に示す第1端子電圧を減じた値となる(第2モードになった場合)。差動増幅器17は、その電圧差を増幅した電圧を出力する。差動増幅器17の出力には、過渡期間の影響が現れてしまい、計測誤差をもたらす。あるいは、過渡期間の影響によって、差動増幅器17に差動増幅器17で扱える範囲外の電圧が印加されたり、出力電圧が飽和してしまって回路のリセット処理が必要とされるといった状況が出現する。
(N) of FIG. 7 shows the voltage difference between the first input k and the second input m. If a phenomenon occurs in which both the switches S1 and S2 are turned on when the switches S1 and S2 are switched, the voltage difference once becomes −VCC, and then, from the fourth terminal voltage shown in the equation (1a), the equation (2a) shows. The value is obtained by subtracting the second terminal voltage (when the first mode is entered). Or it becomes -VCC once, and becomes the value which reduced the 1st terminal voltage shown in Formula (3a) from the 3rd terminal voltage shown in Formula (4a) after that (when it will be in the 2nd mode). The
スイッチS1、S2の切り換え時にスイッチS1,S2の双方がオンする現象が生じ、差動増幅器17の出力電圧に過渡的に電源電圧VCCまたは接地電圧の影響が生じる場合には、図8の改良を施すことが好ましい。
If the phenomenon in which both the switches S1 and S2 are turned on occurs when the switches S1 and S2 are switched, and the output voltage of the
図8の回路では、図4の回路に対して、参照番号36,38,40に示す回路が付加されている。図4と共通部分については重複説明を省略する。
参照番号36は、サンプルホールド回路であり、スイッチS1がオフする直前の電圧(第1モードでの第4端子電圧)を、スイッチS2がオンして第2モードでの第3端子電圧が入力されるようになるまで保持するとともに、スイッチS2がオフする直前の電圧(第2モードでの第3端子電圧)を、スイッチS1がオンして第1モードでの第4端子電圧が入力されるようになるまで保持する。参照番号38も、サンプルホールド回路であり、スイッチS1がオフする直前の電圧(第1モードでの第2端子電圧)を、スイッチS2がオンして第2モードでの第1端子電圧が入力されるようになるまで保持するとともに、スイッチS2がオフする直前の電圧(第2モードでの第1端子電圧)を、スイッチS1がオンして第1モードでの第2端子電圧が入力されるようになるまで保持する。
In the circuit of FIG. 8, the circuits indicated by
図9は、サンプルホールド回路36の回路構成を示している。サンプルホールド回路38についても同じである。以下は回路36について説明する。
クロック信号CLK2Bは、(b)に示すように、スイッチS1がオフして第2モードに移行する直前のタイミングt1でローとなり、スイッチS2がオンして第2モードでの第3端子電圧が安定して入力され始めるタイミングt2でハイとなり、スイッチS2がオフして第1モードに移行する直前のタイミングt3でローとなり、スイッチS1がオンして第1モードでの第4端子電圧が安定して入力され始めるタイミングt4でハイとなる。
クロック信号CLK2Bがハイの間は、スイッチM1がオンし、INに入力される電圧がそのままOUTに出力される。スイッチS2がオンして第2モードに移行し、第3端子電圧が安定して入力され始めたら(タイミングt2以降)第3端子電圧がそのまま出力される。同様に、スイッチS1がオンして第1モードに移行し、第4端子電圧が安定して入力され始めたら(タイミングt4以降)第4端子電圧がそのまま出力される。
クロック信号CLK2Bがローの間は、スイッチM1がオフし、OUTにコンデンサCHの電圧が出力される。コンデンサCHの電圧は、スイッチM1がオフする直前にINに入力していた電圧に等しい。タイミングt1からt2の間は、タイミングt1でINに入力していた電圧(第1モードでの第4端子電圧)がOUTに出力される。タイミングt3からt4の間は、タイミングt3でINに入力していた電圧(第2モードでの第3端子電圧)がOUTに出力される。
後記するように、サンプルホールド回路36、38の出力電圧は、MOSのゲートに印加される。そのために、サンプルホールド回路36、38には、ボルテージフォロアとして作動するオペアンプを組み込む必要がない。サンプルホールド回路36、38は、簡単な回路構成で足りる。
FIG. 9 shows a circuit configuration of the
As shown in (b), the clock signal CLK2B becomes low at the timing t1 immediately before the switch S1 is turned off and shifts to the second mode, and the switch S2 is turned on and the third terminal voltage in the second mode is stabilized. Then, it becomes high at the timing t2 at which input is started, goes low at the timing t3 immediately before the switch S2 is turned off and shifts to the first mode, the switch S1 is turned on, and the fourth terminal voltage in the first mode is stabilized. It goes high at the timing t4 when the input starts.
While the clock signal CLK2B is high, the switch M1 is turned on, and the voltage input to IN is output to OUT as it is. When the switch S2 is turned on to shift to the second mode and the third terminal voltage starts to be input stably (after timing t2), the third terminal voltage is output as it is. Similarly, when the switch S1 is turned on to shift to the first mode and the fourth terminal voltage starts to be stably input (after timing t4), the fourth terminal voltage is output as it is.
While the clock signal CLK2B is low, the switch M1 is turned off, and the voltage of the capacitor CH is output to OUT. The voltage of the capacitor CH is equal to the voltage input to IN immediately before the switch M1 is turned off. Between timings t1 and t2, the voltage (the fourth terminal voltage in the first mode) input to IN at timing t1 is output to OUT. Between timings t3 and t4, the voltage (the third terminal voltage in the second mode) input to IN at timing t3 is output to OUT.
As will be described later, the output voltages of the sample and hold
スイッチM1はMOS型であり、オンオフの際にゲートに帯電している電荷量が変化し、その電荷量の変化がコンデンサCHの電圧に影響を与える。その影響を除去するためにダミースイッチM2が設けられている。ダミースイッチM2は、クロック信号CLK2Bを反転したクロック信号CLK2で動作し、スイッチM1によってコンデンサCHの電荷が減少するタイミングではダミースイッチM2がコンデンサCHに電荷を注入し、スイッチM1によってコンデンサCHの電荷が増加するタイミングではダミースイッチM2がコンデンサCHの電荷を減少させる。なお、ダミースイッチM2は電荷の注入放出には関与するものの、スイッチ機能は備えておらず、コンデンサCHとOUTは常時接続されている。 The switch M1 is a MOS type, and the amount of charge charged in the gate changes when the switch M1 is turned on and off, and the change in the amount of charge affects the voltage of the capacitor CH. In order to remove the influence, a dummy switch M2 is provided. The dummy switch M2 operates with the clock signal CLK2 obtained by inverting the clock signal CLK2B. At the timing when the charge of the capacitor CH decreases by the switch M1, the dummy switch M2 injects the charge into the capacitor CH, and the switch M1 changes the charge of the capacitor CH. At the increasing timing, the dummy switch M2 decreases the charge of the capacitor CH. Although the dummy switch M2 is involved in charge injection / release, it does not have a switch function, and the capacitors CH and OUT are always connected.
図10のグラフ92は、サンプルホールド回路36の出力電圧を示している。スイッチS1,S2の切り換え時に生じる接地電圧の影響が除去され、第1モードでの第4端子電圧と第2モードでの第3端子電圧が交互に入力する。同様に、サンプルホールド回路38の出力電圧(グラフ94)からも、スイッチS1,S2の切り換え時に生じる電源電圧の影響が除去され、第1モードでの第2端子電圧と第2モードでの第1端子電圧が交互に入力する。
図10の(n)は、第1入力kと第2入力mの間の電圧差を示している。スイッチS1、S2の切り換え時に生じる電源電圧・接地電圧の影響が除去され、第1モードにおける第4端子電圧と第2端子電圧の電圧差から、第2モードにおける第3端子電圧と第1端子電圧の電圧差にスムースに変化する。素子オフセット電圧(VOFF)を中心に、正の磁束密度比例電圧が重畳する期間(第1モードとそれに続くスイッチの切り換え期間)と、負の磁束密度比例電圧が重畳する期間(第2モードとそれに続くスイッチの切り換え期間)が交互に到来する。前記したように、差動増幅器17は、直流電圧成分(素子オフセット電圧(VOFF))を除去し、時間に対して変化する電圧差を増幅することから、差動増幅器17は、磁束密度比例電圧VHを増幅した電圧を出力する。本実施例によると、素子オフセット電圧(VOFF)の影響を除去し、電源電圧(VCC)の影響を除去し、接地電圧(GRD)の影響を除去することができる。
A
FIG. 10 (n) shows a voltage difference between the first input k and the second input m. The influence of the power supply voltage and the ground voltage generated when the switches S1 and S2 are switched is removed, and the third terminal voltage and the first terminal voltage in the second mode are determined from the voltage difference between the fourth terminal voltage and the second terminal voltage in the first mode. The voltage difference changes smoothly. Centered around the element offset voltage (VOFF), a period in which the positive magnetic flux density proportional voltage is superimposed (the first mode and the subsequent switch switching period), and a period in which the negative magnetic flux density proportional voltage is superimposed (the second mode and it) The following switch switching periods) come alternately. As described above, the
図8の参照番号40はバッファ回路であり、その詳細が図11に示されている。ここでVbはバイアス電圧であり、電源電圧Vccと接地電圧GRDの間に設定されている。バイアス電圧Vbは、バッファ回路40内の上段のMOSに、一定電流を流す大きさに設定されている。IN+には、サンプルホールド回路36の出力電圧OUTが入力し、IN−には、サンプルホールド回路38の出力電圧OUTが入力し、OUT+は、差動増幅回路17の第1入力kに接続され、OUT−は、差動増幅回路17の第2入力mに接続される。
バッファ回路40は、ソースフォロア回路であり、磁気検出素子4の抵抗と、差動増幅器17の入力容量(C1,C3)を分離する。バッファ回路40を付加すると、差動増幅器17に至るまでの入力インピーダンスが低下し、差動増幅器17の第1入力kと第2入力mに入力される電圧の時間に対する応答性が向上する。本実施例では、入力インピーダンスが、10kΩのレベルから10Ωのレベルに低下した。
図12は、第1モードから第2モードに移行する際に第1入力kに入力される電圧の時間変化を示している。「保持」は、サンプルホールド回路36がホールドしている期間を示す。保持時間が終了すると、第1入力kに入力される電圧は、第1モードでの第4端子電圧から第2モードでの第3端子電圧に変化する。
The
FIG. 12 shows the time change of the voltage input to the first input k when shifting from the first mode to the second mode. “Hold” indicates a period during which the
グラフ98は、バッファ回路40を利用しない場合を示し、第1モードでの第4端子電圧から第2モードでの第3端子電圧に変化するのに時間を要する。グラフ96は、バッファ回路40を利用した場合を示し、短時間のうちに第2モードでの第3端子電圧に移行する。バッファ回路を用いることで、モード切り換えに伴う過渡期間が短くなり、磁束密度の決定に有用な電圧が検出できるようになるまでの待機時間を短くすることができ、検出遅れ時間を短くすることができる。また磁束密度の決定に有用な電圧を計測できる期間が長くなる。
A
サンプルホールド回路30,32のサンプル期間は、サンプルホールド回路36,38のサンプル期間内に設定することが好ましい。例えば、サンプルホールド回路30,32によって、図9(b)のBに示す期間の電圧を有効とし、B以外の期間ではホールドするようにする。そうすることによって、モード切り換え時に生じるリプルの影響も、復調時に生じるリプルの影響も除去することができる。
図13(a)は、スイッチS1、S2を切り換えるクロックCLK信号を示している。(b)は、サンプルホールド回路36,38に指示するクロック信号CLK2を示している。クロック信号CLK2がハイの間はホールドし、ローの間は入力電圧を出力する。(c)は復調装置(出力側スイッチ)に指示するクロック信号CLK3を示している。(d)は、サンプルホールド回路30,32に指示するクロック信号MASK3を示している。クロック信号がハイの間はホールドし、ローの間は入力電圧を出力する。入力電圧を出力する期間をサンプリング期間という。サンプルホールド回路30,32のサンプリング期間T1、T2では、サンプルホールド回路36,38が現時点での磁束密度比例電圧VHを決定することを可能とする電圧を出力しており、スイッチS1、S2の切り換え時に生じる電源電圧・接地電圧の影響が除去されており、復調タイミングに生じるリプルも消失している期間に相当する。サンプリング期間T1、T2で測定値は、その時点の磁束密度比例電圧VHを決定することを可能とする。図8、図13に示す回路によると、素子オフセット電圧、電源電圧、接地電圧、復調時のリプル等の影響を除去し、その時点での磁束密度比例電圧VHを時間遅れなく計測することを可能とする。本実施例では、サンプルホールド回路を利用する。そのサンプルホールド回路は、ホールドしておいた値を後で利用するものでなく(そういう利用方法だと時間遅れが生じる)、ノイズやリップルの影響を除去するためのものである。期間T1、T2では、磁束密度を時間遅れなく測定することができる。
The sample periods of the sample and hold
FIG. 13A shows a clock CLK signal for switching the switches S1 and S2. (B) shows the clock signal CLK2 instructing the sample and hold
バッファ回路40は、サンプルホ−ルド回路36,38が不要な場合にも有用である。サンプルホ−ルド回路36,38は付加されていないがバッファ回路40は付加されている実施例も有用である。例えば、図14は、モードを切り換える通電用スイッチS1、S2と、磁束密度比例電圧を変調する入力用スイッチS3,S4を、別のタイミングで切り換えることで、通電用スイッチS1、S2の切り換え時に、差動増幅器に入力する電圧に電源電圧等が影響するのを防止する実施例を示している。この実施例では、サンプルホ−ルド回路36,38は付加されていないがバッファ回路40は付加されている。
図14の回路では、クロック信号CLK1でスイッチS1を切り換え、それを反転したクロック信号CLK1B(その波形は図示されていない)でスイッチS2を切り換える。入力用スイッチS3,S4に指示するクロック信号を生成するために、クロック信号CLK2Bを用意する。クロック信号CLK1とクロック信号CLK2Bから、クロック信号CLK4を生成し、そのクロック信号CLK4でスイッチS3を切り換える。図示しないクロック信号CLK1Bとクロック信号CLK2Bからクロック信号CLK5を生成し、そのクロック信号CLK5でスイッチS4を切り換える。
The
In the circuit of FIG. 14, the switch S1 is switched by the clock signal CLK1, and the switch S2 is switched by the inverted clock signal CLK1B (the waveform is not shown). In order to generate a clock signal for instructing the input switches S3 and S4, a clock signal CLK2B is prepared. A clock signal CLK4 is generated from the clock signal CLK1 and the clock signal CLK2B, and the switch S3 is switched by the clock signal CLK4. A clock signal CLK5 is generated from a clock signal CLK1B and a clock signal CLK2B (not shown), and the switch S4 is switched by the clock signal CLK5.
本実施例によると、モードの切り換えに伴う電源電圧や接地電圧の影響がなくなった後の電圧をバッファ回路40に入力するために、サンプルホ−ルド回路36,38は必要とされない。その場合でも、バッファ回路40を利用し、差動増幅器17に入力する電圧の時間に対する変化速度を高速化するのが有効である。
According to the present embodiment, the
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
また下記に記載する特許請求の範囲の技術的範囲は、実施例に限定されない。実施例はあくまで実施例を例示するものである。
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
The technical scope of the claims described below is not limited to the examples. The examples are merely illustrative.
1:電源
2:通電用スイッチ
4:磁気検出素子
26:入力側スイッチ
16:オペアンプ
C1,C2,C3,C4:帰還コンデンサ
17:差動増幅器
28:出力側スイッチ
T1:第1出力端子
T2:第2出力端子
36:スイッチ切換回路
S1,S2:一方がオンすると他方がオフするスイッチ
30,32:サンプルホールド回路
34:ローパスフィルタ回路を備えている差分回路
36,38:サンプルホールド回路
40:バッファ回路
1: power supply 2: energization switch 4: magnetic detection element 26: input side switch 16: operational amplifier C1, C2, C3, C4: feedback capacitor 17: differential amplifier 28: output side switch T1: first output terminal T2: first 2 output terminal 36: switch switching circuit S1, S2: switch 30 which one is turned on, the other is turned off 30, 32: sample hold circuit 34:
Claims (7)
前記磁気検出素子は、少なくとも第1端子〜第4端子を備えており、
(1)前記第1端子と前記第3端子間に通電すると、前記第2端子と前記第4端子間に、磁束密度に比例する電圧成分と素子オフセット電圧成分を含む電圧を出力し、
(2)前記第2端子と前記第4端子間に通電すると、前記第1端子と前記第3端子間に、磁束密度に比例する電圧成分と素子オフセット電圧成分を含む電圧を出力し、
前記全差動型チャージアンプは、第1入力と第2入力と第1出力と第2出力を備えており、前記第1入力と前記第2入力間の電圧差を増幅した電圧差を前記第1出力と前記第2出力間に発生し、
前記スイッチ切換回路が、
(1)前記通電用スイッチが電源と前記第1端子を接続して前記第3端子と接地線を接続し、前記入力側スイッチが前記第4端子を前記第1入力に接続して前記第2端子を前記第2入力に接続し、前記出力側スイッチが前記第1出力を前記第1出力端子に接続して前記第2出力を前記第2出力端子に接続する状態と、
(2)前記通電用スイッチが電源と前記第2端子を接続して前記第4端子と接地線を接続し、前記入力側スイッチが前記第3端子を前記第1入力に接続して前記第1端子を前記第2入力に接続し、前記出力側スイッチが前記第1出力を前記第2出力端子に接続して前記第2出力を前記第1出力端子に接続する状態を、交互に切り換えることを特徴とする磁気検出回路。 A power source, an energizing switch, a magnetic detection element, an input side switch, a fully differential charge amplifier , an output side switch, a first output terminal, a second output terminal, and a switch switching circuit;
The magnetic detection element includes at least a first terminal to a fourth terminal,
(1) When energized between the first terminal and the third terminal, a voltage including a voltage component proportional to a magnetic flux density and an element offset voltage component is output between the second terminal and the fourth terminal,
(2) When energized between the second terminal and the fourth terminal, a voltage including a voltage component proportional to a magnetic flux density and an element offset voltage component is output between the first terminal and the third terminal,
The fully differential charge amplifier includes a first input, a second input, a first output, and a second output, and a voltage difference obtained by amplifying a voltage difference between the first input and the second input is the first difference. Occurs between one output and the second output;
The switch switching circuit is
(1) The energizing switch connects a power source and the first terminal to connect the third terminal to a ground line, and the input-side switch connects the fourth terminal to the first input and the second terminal. A state in which a terminal is connected to the second input, and the output-side switch connects the first output to the first output terminal and connects the second output to the second output terminal;
(2) The energizing switch connects a power source and the second terminal to connect the fourth terminal to a ground line, and the input-side switch connects the third terminal to the first input and connects the first terminal. The terminal is connected to the second input, and the output side switch alternately switches the state in which the first output is connected to the second output terminal and the second output is connected to the first output terminal. A magnetic detection circuit.
前記通電用スイッチと前記入力側スイッチと前記出力側スイッチの前記スイッチ対が、同時に反転することを特徴とする請求項1の磁気検出回路。 Each of the energizing switch, the input side switch, and the output side switch includes a switch pair that turns off when one is turned on,
The magnetic detection circuit according to claim 1, wherein the switch pair of the energization switch, the input side switch, and the output side switch is inverted simultaneously.
そのうちの4端子に、請求項1に記載の回路が接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気検出回路。 The magnetic detection element comprises 5 or more terminals;
The magnetic detection circuit according to claim 1, wherein the circuit according to claim 1 is connected to four of the terminals.
前記全差動型チャージアンプの前記第2入力の前段に第2サンプルホールド回路が挿入されており、
前記第1サンプルホールド回路と前記第2サンプルホールド回路が、前記通電用スイッチと前記入力側スイッチの切り換え直前の値を、切り換え完了後まで保持することを特徴とする請求項2から3のいずれかの1項に記載の磁気検出回路。 A first sample and hold circuit is inserted before the first input of the fully differential charge amplifier ;
A second sample-and-hold circuit is inserted before the second input of the fully differential charge amplifier ;
4. The device according to claim 2, wherein the first sample hold circuit and the second sample hold circuit hold values immediately before switching between the energization switch and the input side switch until after the switching is completed. The magnetic detection circuit according to 1 above.
(1)前記通電用スイッチが電源と前記第1端子を接続して前記第3端子と接地線を接続し、その後に、前記入力側スイッチが前記第4端子を前記第1入力に接続して前記第2端子を前記第2入力に接続し、前記出力側スイッチが前記第1出力を前記第1出力端子に接続して前記第2出力を前記第2出力端子に接続する状態と、
(2)前記通電用スイッチが電源と前記第2端子を接続して前記第4端子と接地線を接続し、その後に、前記入力側スイッチが前記第3端子を前記第1入力に接続して前記第1端子を前記第2入力に接続し、前記出力側スイッチが前記第1出力を前記第2出力端子に接続して前記第2出力を前記第1出力端子に接続する状態を、交互に切り換えることを特徴とする請求項1に記載の磁気検出回路。 The switch switching circuit is
(1) The energizing switch connects the power source and the first terminal to connect the third terminal to the ground line, and then the input-side switch connects the fourth terminal to the first input. A state in which the second terminal is connected to the second input, and the output-side switch connects the first output to the first output terminal and connects the second output to the second output terminal;
(2) The energizing switch connects the power source and the second terminal to connect the fourth terminal to the ground line, and then the input-side switch connects the third terminal to the first input. The first terminal is connected to the second input, and the output side switch alternately connects the first output to the second output terminal and connects the second output to the first output terminal. The magnetic detection circuit according to claim 1, wherein switching is performed.
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