專利名稱：物理量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物理量傳感器，尤其涉及物理量傳感器的輸出電平轉(zhuǎn)換電 路的構(gòu)成。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今使用了各個(gè)種類的物理量傳感器。其中特別是關(guān)于振動(dòng)陀螺儀所代表 的角速度傳感器的傳感器輸出的補(bǔ)正，形成了多個(gè)提案。
在專利文獻(xiàn)1所示的現(xiàn)有技術(shù)中，提出了用于使物理量傳感器的檢測(cè)靈敏 度相對(duì)于物理量傳感器動(dòng)作的電源電壓的變化而成比例變化的方法。該方法例
如作為比例度量(ratiometric)而被公知。圖14、圖15是用于說明比例度量 的概略結(jié)構(gòu)的圖。在比例度量中，傳感器110以及A/D轉(zhuǎn)換器120接受共用 的電源電壓Vref的供給。圖15(a) ~ (d)與圖15(d) ~ (f)表示關(guān)于僅 傳感器IIO或者A/D轉(zhuǎn)換器120的某一個(gè)與電源電壓Vref對(duì)應(yīng)的情況。
圖15 (a) ~ (c)是僅傳感器110與電源電壓Vref對(duì)應(yīng)的例子，傳感器 110的輸出(圖15 (a))根據(jù)電源電壓Vref的變動(dòng)(這里為降低)而降低。 在將該傳感器110的輸出利用A/D轉(zhuǎn)換器120進(jìn)行信號(hào)輸出時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器 120沒有對(duì)應(yīng)電源電壓Vref的變動(dòng)，所以在A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值中就會(huì)發(fā)生 差異(圖15 (b)、 (c))。
另外，圖15(d) ~ (f)是僅A/D轉(zhuǎn)換器120與電源電壓Vref對(duì)應(yīng)的例 子，傳感器110的輸出(圖15 (d))不依存電源電壓Vref的變動(dòng)。在將該傳 感器110的輸出利用A/D轉(zhuǎn)換器120進(jìn)行信號(hào)輸出時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器120對(duì)應(yīng) 于電源電壓Vref的變動(dòng)，所以在A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值中就會(huì)發(fā)生差異(圖15 (e)、 (f))。
與此相對(duì)，圖15 (g) ~ (i)是傳感器110以及A/D轉(zhuǎn)換器120都對(duì)應(yīng) 于電源電壓Vref的例子，傳感器110的輸出(圖15 (d))根據(jù)電源電壓Vref 的變動(dòng)(這里為降低)而降低。在將該傳感器110的輸出利用A/D轉(zhuǎn)換器120
進(jìn)行信號(hào)輸出時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器120也對(duì)應(yīng)于電源電壓Vref的變動(dòng)，所以在A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值中就不會(huì)發(fā)生差異(圖15 (h)、 (i))。
在圖16所示的現(xiàn)有物理量傳感器中，成為進(jìn)一步利用放大電路6來對(duì)由 檢波電路2進(jìn)行了檢波的傳感器元件1的輸出信號(hào)進(jìn)行放大輸出的結(jié)構(gòu)。
作為放大電路6使用了將MOS元件7作為輸入電阻、將電阻元件8作為 反饋電阻的運(yùn)算放大器4的反相放大電路。利用與物理量傳感器的電源電壓對(duì) 應(yīng)變化的電壓來偏置該MOS元件7的4冊(cè)極電壓，因此可調(diào)整物理量傳感器的 檢測(cè)靈敏度，尤其是物理量傳感器的檢測(cè)靈敏度相對(duì)于電源電壓的變化會(huì)成比 例地變化。
專利文獻(xiàn)l:特開2004-53396號(hào)公報(bào)(第4~ 6頁，圖l)

發(fā)明內(nèi)容
可是，已知在MOS元件7的電阻成分中一般來說有非線性，僅在輸入電 壓極小的情況下作為線性電阻元件進(jìn)行動(dòng)作。因此，在向該放大電路6的輸入 信號(hào)的振幅大的情況下、即在來自傳感器元件1的輸出信號(hào)大的信號(hào)范圍、和 來自傳感器元件1的輸出信號(hào)小的信號(hào)范圍內(nèi)，放大電路6的放大率不同，不 能得到物理量傳感器的檢測(cè)靈敏度的線性(直線性)，所以其結(jié)果存在比例度 量特性不佳的問題。
另外，根據(jù)傳感器元件的特性或?qū)ξ锢砹總鞲衅魉蟮妮敵鎏匦?，在?br> 在使用了上述MOS元件7的放大電路中因?yàn)榉糯舐室来嬗贛OS元件的特性， 所以不能得到希望的靈敏度特性。
本發(fā)明以改善上述的問題點(diǎn)，來取得物理量傳感器的檢測(cè)靈敏度良好的比 例度量特性為目的。
另外，以提供與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有高線性度，且檢測(cè)靈敏度為高精度的 物理量傳感器為目的。
另外，還以在物理量傳感器中取得希望的特性的檢測(cè)靈敏度為目的。
本發(fā)明的物理量傳感器，根據(jù)電源電壓生成脈沖調(diào)制信號(hào)，利用該脈沖調(diào) 制信號(hào)使放大電路的放大率可變，通過使用脈沖調(diào)制信號(hào)能夠具有高線性度并 可得到高精度的檢測(cè)靈敏度。另外，可通過使用脈沖調(diào)制信號(hào)可得到希望的特
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性的檢測(cè)靈敏度。
脈沖調(diào)制可以做成對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的脈沖調(diào)制、或者對(duì)脈沖周期進(jìn)行 調(diào)制的脈沖周期調(diào)制。脈沖寬度調(diào)制還可以用輸出脈沖的時(shí)間寬度和不輸出脈 沖的時(shí)間寬度的比率的占空比來表示。
決定脈沖調(diào)制的調(diào)制量的脈沖寬度或者脈沖周期和電源電壓的關(guān)系可以 任意規(guī)定，所以電源電壓與利用放大電路取得的輸出信號(hào)之間的關(guān)系，在該脈 沖調(diào)制中可根據(jù)調(diào)制關(guān)系，不限于直線性關(guān)系而以規(guī)定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行任意規(guī) 定。
另外，放大電路具有可利用開關(guān)的開閉控制來改變放大率的結(jié)構(gòu)，通過脈 沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行該開關(guān)的開閉控制，由此可利用脈沖調(diào)制來改變放大率。
因此，電源電壓和用放大電路取得的輸出信號(hào)之間的關(guān)系，根據(jù)在該脈沖 調(diào)制中調(diào)制關(guān)系可進(jìn)行任意規(guī)定，除了直線性良好地設(shè)定電源電壓和靈敏度特 性間的關(guān)系之外，還可以設(shè)定為規(guī)定的關(guān)系。
本發(fā)明的物理量傳感器具備傳感器電路，其將從外部施加的物理量轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)，輸出檢測(cè)信號(hào)；以及調(diào)整電路，其將來自該傳感器電路的檢測(cè)信號(hào) 調(diào)整為規(guī)定的信號(hào)。
此外本發(fā)明的調(diào)整電路具有脈沖生成電路，其根據(jù)驅(qū)動(dòng)該調(diào)整電路的電 源電壓來生成脈沖調(diào)制信號(hào)；以及放大電路，其利用脈沖調(diào)制信號(hào)使放大率可 變來放大來自傳感器電路的檢測(cè)信號(hào)，并根據(jù)電源電壓使由放大電路輸出的輸 出信號(hào)的檢測(cè)靈敏度可變。另夕卜，相對(duì)于電源電壓的脈沖寬度或脈沖頻率可不 限于線性函數(shù)而可以規(guī)定的函數(shù)來決定。在將規(guī)定的函數(shù)設(shè)為線性函數(shù)時(shí)，脈 沖生成電路生成與電源電壓成比例的脈沖寬度或者脈沖頻率的脈沖調(diào)制信號(hào)。
脈沖生成電路，根據(jù)基于電源電壓的脈沖調(diào)制來調(diào)制為用規(guī)定的函數(shù)決定 的脈沖寬度或者脈沖頻率，生成脈沖調(diào)制信號(hào)。因?yàn)槊}沖調(diào)制不依存于要放大 的檢測(cè)信號(hào)的振幅就能夠進(jìn)行，所以除了能夠以高線性度來取得高精度的檢測(cè) 靈敏度之外，還可以取得希望的特性的檢測(cè)靈敏度。
另夕卜，放大電路的一個(gè)結(jié)構(gòu)可以由利用輸入電阻電路和反饋電阻電路的電 阻值比來決定放大率的反相放大器構(gòu)成。在該反相ii大器中，輸入電阻電路和 反饋電阻電路的至少一方的電阻電路是通過脈沖調(diào)制信號(hào)使電阻值可變的可
變電阻電路，放大電路利用脈沖調(diào)制信號(hào)使可變電阻電路的電阻值可變，由此 使放大率可變。
該可變電阻電路可以由開關(guān)電容電路構(gòu)成。開關(guān)電容電路以脈沖調(diào)制信號(hào) 來進(jìn)行對(duì)電容器的開關(guān)切換，由此使等價(jià)電阻可變。
另夕卜，可變電阻電路由電阻和開關(guān)構(gòu)成，通過以脈沖調(diào)制信號(hào)來斷續(xù)該開 關(guān)，使等價(jià)電阻可變。
另夕卜，可變電阻電路隔著電容器連接2個(gè)開關(guān)，利用該2個(gè)開關(guān)的切換對(duì)
電容器進(jìn)行充放電，根據(jù)脈沖調(diào)制信號(hào)的脈沖寬度或占空比來進(jìn)行開關(guān)的切 換，由此使等價(jià)電阻可變。
另夕卜，其它結(jié)構(gòu)的放大電路，可以做成隔著開關(guān)連接2個(gè)電壓-電流轉(zhuǎn)換 電路的增益調(diào)整電路。該增益調(diào)整電路，利用脈沖調(diào)制信號(hào)來開閉開關(guān)。根據(jù) 脈沖調(diào)制信號(hào)來改變開關(guān)的開閉狀態(tài)，由此使增益調(diào)整電路的傳遞函數(shù)變化。 因?yàn)樵鲆嬲{(diào)整電路的放大率依存于增益調(diào)整電路的傳遞函數(shù)，所以通過利用脈 沖調(diào)制信號(hào)使傳遞函數(shù)可變來使放大率可變。
生成脈沖調(diào)制信號(hào)的脈沖生成電路，例如可構(gòu)成為將振幅恒定的三角波與 規(guī)定的閾值進(jìn)行比較并在大于或者小于該閾值的期間內(nèi)生成脈沖的電路，作為 該閾值可使用電源電壓。
另外，本發(fā)明的物理量傳感器，為了實(shí)現(xiàn)上述目的可采用以下這樣的構(gòu)造。
本發(fā)明的物理量傳感器，具備傳感器元件，其將從外部施加的物理量轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)；檢波電路，其對(duì)該傳感器元件的輸出信號(hào)進(jìn)行放大以及檢波；以 及調(diào)整電路，其通過施加電源將來自檢波電路的輸出信號(hào)調(diào)整為規(guī)定的信號(hào)， 其中，所述調(diào)整電路具有放大電路，其具備通過切換電容器的連接狀態(tài)來進(jìn) 行電荷移動(dòng)的開關(guān)電容電路；以及產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘生成電路。根據(jù)電源電 壓來控制時(shí)鐘生成電路，利用在該時(shí)鐘生成電路中生成的時(shí)鐘信號(hào)，使從放大 器輸出的輸出信號(hào)的檢測(cè)靈敏度根據(jù)電源電壓可變。
通過此結(jié)構(gòu)，能夠?qū)碜哉{(diào)整電路所具備的放大電路的輸出做成線性度特 性高的傳感器輸出，所以其結(jié)果是可實(shí)現(xiàn)傳感器檢測(cè)靈敏度為高精度的物理量 傳感器。
另外，調(diào)整電路具有發(fā)生時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘生成電路，開關(guān)電容電路通過時(shí) 鐘信號(hào)切換電容器的連接狀態(tài)。通過該結(jié)構(gòu)，將生成用于進(jìn)行開關(guān)電容電路切 換的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘生成電路設(shè)計(jì)為專用，能夠高精度地驅(qū)動(dòng)開關(guān)電容電路。 這里，時(shí)鐘信號(hào)是具有規(guī)定的脈沖寬度及規(guī)定的占空比、或者規(guī)定的脈沖頻率 的周期信號(hào)，在本發(fā)明的物理量傳感器中使該脈沖寬度、占空比或者頻率根據(jù) 電源電壓可變。
另夕卜，根據(jù)電源電壓控制時(shí)鐘生成電路。利用在時(shí)鐘生成電i 各中生成的時(shí) 鐘信號(hào)來控制放大電路，由此使從放大電路輸出的輸出信號(hào)與電源電壓成比 例。通過此結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)物理量傳感器的檢測(cè)靈敏度與電源電壓成比例的所謂 比例度量特性。
另夕卜，時(shí)鐘生成電路做成為具有輸出振蕩信號(hào)的振蕩電路、以及以規(guī)定的 分頻比來調(diào)整該振蕩電路的輸出信號(hào)并輸出的控制電路的結(jié)構(gòu)。通過此結(jié)構(gòu)， 可高精度地調(diào)整時(shí)鐘信號(hào)的平均頻率，由此可容易地調(diào)整由傳感器元件的制造 誤差所引起的物理量傳感器的檢測(cè)靈敏度誤差。
另夕卜，時(shí)鐘生成電路具有振蕩電路。該振蕩電路由輸出信號(hào)的頻率根據(jù)電 源的電壓輸入而變化的電壓控制振蕩電路構(gòu)成。通過此結(jié)構(gòu)，包含溫度特性在 內(nèi)、可容易且高精度地實(shí)現(xiàn)物理量傳感器的檢測(cè)靈敏度與電源電壓成比例的所 謂比例度量輸出。
另外，時(shí)鐘生成電路具有具備電容器的振蕩電路。該振蕩電路的電容器與 設(shè)置在放大電路上的電容器結(jié)構(gòu)相同。通過此結(jié)構(gòu)，可使電容比恒定，所以能 夠?qū)崿F(xiàn)放大電路的放大率的高精度化。
另外，時(shí)鐘生成電路具有具備電阻元件的振蕩電路。振蕩電路的電阻元件 可以做成與設(shè)置在放大電路上的電阻元件相同的結(jié)構(gòu)。通過此結(jié)構(gòu)可使電容比 恒定，所以能夠?qū)崿F(xiàn)放大電路的放大率的高精度化。
本發(fā)明的物理量傳感器具備傳感器元件，其將從外部施加的物理量轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)；檢波電路，其對(duì)該傳感器元件的輸出信號(hào)進(jìn)行放大以及檢波；以及 調(diào)整電路，其通過施加電源將來自檢波電路的輸出信號(hào)調(diào)整為規(guī)定的信號(hào)。驅(qū) 動(dòng)電路具有恒定電壓電路，其輸出成為傳感器元件的驅(qū)動(dòng)條件的基準(zhǔn)的恒定電 壓。另外，調(diào)整電路具有放大電路，其具備通過切換電容器的連接狀態(tài)來進(jìn) 行電荷移動(dòng)的開關(guān)電容電路；以及產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘生成電路。根據(jù)電源電
壓來控制時(shí)鐘生成電路，利用在時(shí)鐘生成電路中生成的時(shí)鐘信號(hào)，使從放大電 路輸出的輸出信號(hào)的檢測(cè)靈敏度根據(jù)電源電壓可變。
通過此結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電路可不依存電源電壓的變化穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)傳感器元件， 此外，在將來自放大電路的輸出作為線性度特性高的傳感器輸出的同時(shí)還可實(shí) 現(xiàn)與電源電壓成比例的比例度量特性。其結(jié)果是可提供傳感器檢測(cè)靈敏度為高 精度的物理量傳感器。本發(fā)明的物理量傳感器是由將從外部施加的物理量轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)的傳感器元件、對(duì)該傳感器元件的輸出信號(hào)進(jìn)行放大以及檢波的檢波 單元、以及將該檢波單元的輸出信號(hào)調(diào)整為規(guī)定的信號(hào)的調(diào)整單元組成的物理
量傳感器，特征是所述調(diào)整單元具有具備振蕩電路的時(shí)鐘生成單元、以及利 用所述時(shí)鐘生成單元的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行放大動(dòng)作的放大單元，對(duì)所述檢波單元的 輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后輸出。
根據(jù)本發(fā)明，可以將來自調(diào)整電路所具備的放大電路的輸出做成線性度特 性高的傳感器輸出，所以能夠提供傳感器檢測(cè)靈敏度為高精度的物理量傳感 器。


圖1是表示本發(fā)明的物理量傳感器的整體結(jié)構(gòu)的框圖。
圖2是表示脈沖生成電路的脈沖調(diào)制信號(hào)的一例的圖。
圖3是用于說明電源的電源電壓Vref和放大電路的輸出之間的關(guān)系的圖。
圖4是表示本發(fā)明的物理量傳感器的一實(shí)施方式的整體結(jié)構(gòu)的框圖。
圖5是表示本發(fā)明的物理量傳感器的其它實(shí)施方式的整體結(jié)構(gòu)的框圖。
圖6是表示本發(fā)明的物理量傳感器的放大電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖7是表示本發(fā)明的物理量傳感器的時(shí)鐘生成電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖8是表示本發(fā)明的物理量傳感器的放大電路的其它結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖9是表示本發(fā)明的物理量傳感器的放大電路的其它結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖10是表示2個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖ll是表示放大率可變電路的概略結(jié)構(gòu)的圖。
圖12是說明脈沖調(diào)制電路的結(jié)構(gòu)例的結(jié)構(gòu)圖。
圖13是說明脈沖調(diào)制電路的結(jié)構(gòu)例的信號(hào)圖。
圖14是用于說明比例度量的概略結(jié)構(gòu)的圖。
圖15是用于說明比例度量的概略結(jié)構(gòu)的圖。
圖16是用于說明現(xiàn)有的物理量傳感器的圖。 符號(hào)說明
IO傳感器元件；ll驅(qū)動(dòng)部；12檢測(cè)部；20檢波電路；30脈沖生成電路； 30A時(shí)鐘生成電路；30a三角波生成器；30b比較器；30c電阻器；40振蕩電 路；41、 42、 43反相器；44振蕩電容；45恒定電壓電路；46偏置電壓生成電 路；47基準(zhǔn)電阻；48比較器；49電流控制元件；50控制電路；60、 60A、 60B 放大電路；60a放大率可變電路；61開關(guān)電容電路；61a開關(guān)；61b電容器； 62可變電阻器；62a開關(guān)；62b電阻；63傳輸門；63a開關(guān)；63b、 63cTOC; 63d電容器；64、 65、 66開關(guān)；67濾波電容器；68反饋電阻；69運(yùn)算放大器； 70中點(diǎn)電壓生成電路；80驅(qū)動(dòng)電路；IOO調(diào)整電路；IIO傳感器電路；120A/D 轉(zhuǎn)換電路；200電源；Sl傳感器元件輸出；S2檢波輸出；S3時(shí)鐘信號(hào)；S4振 蕩輸出；S5數(shù)字輸入；S6傳感器輸出；Vdd電源電壓；Vm中點(diǎn)電壓；Vr偏 置電壓；Vreg恒定電壓；Vref電源電壓；
具體實(shí)施例方式
以下使用圖1 ~圖3對(duì)本發(fā)明的物理量傳感器及其周邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖 1是表示本發(fā)明的物理量傳感器的整體結(jié)構(gòu)的框圖。
在圖1中，物理量傳感器1具有輸出與物理量相應(yīng)的信號(hào)的傳感器電路 110、和對(duì)傳感器電路110的輸出信號(hào)進(jìn)行放大等信號(hào)處理的調(diào)整電路100。 在該物理量傳感器1上連接電源200和A/D轉(zhuǎn)換器120。 A/D轉(zhuǎn)換器120接收 利用調(diào)整電路100處理的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。傳感器電路110、調(diào)整 電路100以及A/D轉(zhuǎn)換器120，從電源200接收電源電壓Vref的供給，A/D 轉(zhuǎn)換器120根據(jù)電源電壓Vref進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
調(diào)整電路100具有脈沖生成電路30和放大電路60，并由電源200來進(jìn)行 驅(qū)動(dòng)。放大電路60具有放大率可變電路60a。脈沖生成電路30根據(jù)電源電壓 生成對(duì)脈沖寬度及脈沖頻率進(jìn)行了調(diào)制的脈沖調(diào)制信號(hào)。此外，脈沖寬度可利 用作為脈沖導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間寬度的比率的占空比來決定。放大率可變電路 60a根據(jù)在脈沖生成電路30中生成的脈沖調(diào)制信號(hào)使放大電路60的放大率可
變。此外，在圖1所示的實(shí)施方式中表示了利用同一電源驅(qū)動(dòng)傳感器電路110
和調(diào)整電路100的例子，但是本發(fā)明不限與此可分別通過各自電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
圖2表示脈沖生成電路30產(chǎn)生的脈沖調(diào)制信號(hào)的一例。圖2 (a)是根據(jù) 電源電壓Vref的電壓值來調(diào)制脈沖寬度的PWM (pulse width modulation)的 例子，設(shè)定與電源電壓Vref的電壓值對(duì)應(yīng)的占空比(例如，Ton/T)。此外， 假設(shè)T = Ton + Toff。
另夕卜，圖2(b)是根據(jù)電源電壓Vref的電壓值來調(diào)制脈沖頻率的PFM( pulse frequency modulation)的例子，例如，根據(jù)電源電壓Vref的電壓值來設(shè)定在規(guī) 定周期間隔T之間發(fā)生的脈沖個(gè)數(shù)。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，根據(jù)電源電壓Vref生成對(duì)脈沖寬度及脈沖頻率進(jìn)行了調(diào) 制的脈沖調(diào)制信號(hào)，根據(jù)已生成的脈沖調(diào)制信號(hào)使放大率可變，由此能夠根據(jù) 電源電壓Vref對(duì)傳感器輸出進(jìn)行放大。這樣，本發(fā)明的調(diào)整電路100進(jìn)行與 電源電壓Vref的變動(dòng)對(duì)應(yīng)的放大率的變更，由此對(duì)于傳感器電路110的傳感 器輸出，可具有與電源電壓成比例的比例度量特性。
此外，這里在調(diào)整電路100中的電源200的電源電壓Vref與放大電^各60 的輸出之間的關(guān)系，除了具有直線性之外還可以假定為任意的特性。該電源電 壓Vref和輸出之間的關(guān)系可以由脈沖生成電路30的脈沖調(diào)制特性來決定，可 以在ROM等存儲(chǔ)介質(zhì)中以轉(zhuǎn)換函數(shù)或轉(zhuǎn)換表的形態(tài)預(yù)先存儲(chǔ)電源電壓Vref 與脈沖寬度或脈沖頻率間的相對(duì)關(guān)系。脈沖生成電路30，除了通過輸入輸入 到轉(zhuǎn)換函數(shù)的電源電壓Vref的值來取得之外，還可以使用轉(zhuǎn)換表來取得與電 源電壓Vref的值對(duì)應(yīng)的脈沖調(diào)制信號(hào)。
圖3 (a)是在電源的電源電壓Vref和放大電路的輸出之間具有直線性的 例子，在某輸入電壓Vin中，相對(duì)于電源的電源電壓Vref的變動(dòng)，放大電路 直線性地進(jìn)行輸出。圖3(b)、 (c)是在電源的電源電壓Vref和放大電路的輸 出之間具有規(guī)定的函數(shù)關(guān)系的例子，在某輸入電壓Vin中，相對(duì)于電源的基準(zhǔn) 電壓Vref的變動(dòng)，放大電路以規(guī)定的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行輸出。
此外，因?yàn)樵撾娫吹碾娫措妷篤ref和放大電路的輸出之間的關(guān)系還依賴 于放大電路60的特性，所以脈沖生成電路30,考慮到該放大電路60的特性， 設(shè)定規(guī)定的函數(shù)關(guān)系，以取得希望的特性。例如，在電源的電源電壓Vref和
放大電路的輸出之間具有直線性的情況下，在放大電路具有非直線性時(shí)，脈沖
生成電路30進(jìn)行抵消該非直線性的脈沖調(diào)制。
接著，使用圖4~圖6對(duì)本發(fā)明的物理量傳感器的一實(shí)施方式進(jìn)行說明。 圖4是表示本發(fā)明的物理量傳感器的一實(shí)施方式的整體結(jié)構(gòu)的框圖。 [整體的結(jié)構(gòu)說明圖4]
首先，使用圖4對(duì)本發(fā)明的物理量傳感器的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。此外，這 里在所述圖1所示的結(jié)構(gòu)圖中表示了傳感器電路110和調(diào)整電路100。
在圖4中IO是傳感器元件，具有驅(qū)動(dòng)部11和;f企測(cè)部12。符號(hào)20是對(duì)來 自檢測(cè)部11的傳感器元件輸出Sl進(jìn)行放大以及檢波的檢波電路。另夕卜，驅(qū)動(dòng) 部ll由驅(qū)動(dòng)電路80進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這里，傳感器電路110可以由這些傳感器元件 10、檢波電路20、驅(qū)動(dòng)電路80構(gòu)成，但是檢波電路20及驅(qū)動(dòng)電路80還可以 作成與傳感器電路110不同的結(jié)構(gòu)。例如，檢波電路20可以作成組裝入調(diào)整 電路100內(nèi)的結(jié)構(gòu)，另外驅(qū)動(dòng)電路80可以與中點(diǎn)電壓生成電路70等一起組裝 入與電壓相關(guān)的電^各結(jié)構(gòu)中。
另外，符號(hào)100是調(diào)整電路，具有放大電路60和時(shí)鐘生成電路30A。時(shí) 鐘生成電路30A具有振蕩電路40并構(gòu)成圖1所示的脈沖生成電路30。此外， 時(shí)鐘生成單元60為放大單元，符號(hào)IOO為調(diào)整單元，符號(hào)80為用于驅(qū)動(dòng)傳感 器元件10的驅(qū)動(dòng)部11的驅(qū)動(dòng)電路，符號(hào)70為用于檢波電路20或放大電路 60動(dòng)作的電壓源，例如，輸出電源電壓的1/2電壓值。
此外，在圖4中符號(hào)Sl為傳感器元件的檢測(cè)部12的輸出，符號(hào)S2為檢 波電路20的檢波輸出，符號(hào)S3為時(shí)鐘生成電路30A的時(shí)鐘信號(hào)，符號(hào)S4為 振蕩電路40的振蕩輸出，符號(hào)S6為從物理量傳感器輸出的傳感器輸出。該物 理量傳感器的電路部分，即檢波電路20、調(diào)整電路100和驅(qū)動(dòng)電路80利用從 外部施加的電壓Vdd (例如5.0V)進(jìn)行動(dòng)作。Vdd為物理量傳感器的電源電 壓。
傳感器元件10，例如可以假設(shè)為對(duì)旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行;險(xiǎn)測(cè)的陀螺儀振動(dòng)器， 在該陀螺儀振動(dòng)器的情況下，可以構(gòu)成在形成為音叉形狀的壓電材料的表面配 置金屬電極的結(jié)構(gòu)。傳感器元件10可通過驅(qū)動(dòng)電路80進(jìn)行振蕩驅(qū)動(dòng)，當(dāng)該傳
感器IO在振動(dòng)中接收旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，作為傳感器元件輸出Sl出現(xiàn)微弱的交流 信號(hào)。
在驅(qū)動(dòng)電路80中使用具有固定傳感器元件10的驅(qū)動(dòng)條件的功能、例如振
蕩控制為由不受電源電壓的變動(dòng)影響的高精度的恒定電流源(未圖示)得到的
電流值、和傳感器元件10的勵(lì)f茲電流的實(shí)效值相等的功能的結(jié)構(gòu)?；蛘撸?以構(gòu)成為在驅(qū)動(dòng)電路80中使用不受電源電壓的變動(dòng)影響而輸出恒定電壓的恒 定電壓電路并以該恒定電壓為基準(zhǔn)來穩(wěn)定傳感器元件10的勵(lì)磁電流這樣的結(jié) 構(gòu)。
檢波電路20為對(duì)由傳感器元件IO得到的傳感器元件輸出Sl進(jìn)行檢波以 及放大并輸出直流化的信號(hào)的電路。從檢波電路20輸出檢波輸出S2。傳感器 元件10以及一企波電路20的結(jié)構(gòu)一般為/>知的結(jié)構(gòu)，所以說明省略。
調(diào)整電路100為信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路，其將由檢波電路20進(jìn)行了檢波以及 放大后的檢波輸出S2，調(diào)整為規(guī)定的電平，即調(diào)整物理量傳感器的檢測(cè)靈敏 度，作為物理量傳感器輸出S6輸出到外部。調(diào)整電路100由時(shí)鐘生成電路30A 和放大電路60構(gòu)成。此外，時(shí)鐘生成電路30A是與圖1中的脈沖生成電路30 對(duì)應(yīng)的電路，其生成并輸出與電源電路所施加的電壓對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)。放大電 路60，是在輸入級(jí)具有所謂開關(guān)電容電路61 (圖6)的放大電路，該開關(guān)電 容電路通過切換電容器的連接狀態(tài)來進(jìn)行電荷的移動(dòng)。該開關(guān)電容電路61是 與圖1中的放大率可變電路60a對(duì)應(yīng)的電路，根據(jù)與脈沖調(diào)制信號(hào)相當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘 信號(hào)使放大率可變。
這里，時(shí)鐘生成電路30A具有振蕩電路40。該振蕩電路40可以由輸出頻 率與施加電壓(例如，電源電壓Vref)成比例變化的形式的電壓控制振蕩電路 (VCO)構(gòu)成。由此，從時(shí)鐘生成電路30A輸出具有與施加電壓成比例的頻 率的時(shí)鐘信號(hào)S3。
另外，時(shí)鐘生成電路30A除了振蕩電路40之外還具有控制電路50,該時(shí) 鐘生成電路30A可以對(duì)振蕩電路40振蕩后的振蕩輸出進(jìn)行分頻，使每單位時(shí) 間的輸出脈沖數(shù)可變。圖5表示結(jié)構(gòu)例。圖5所示的結(jié)構(gòu)，除了時(shí)鐘生成電路 30A具有振蕩電路40和控制電路50并從外部對(duì)該控制電路50輸入控制信號(hào) (S5)以外，與圖4所示的結(jié)構(gòu)相同，所以關(guān)于其它的結(jié)構(gòu)省略說明。
控制電路50是分頻振蕩電路S4并作為時(shí)鐘信號(hào)S3輸出的邏輯電路?？?制電路50的分頻比可從預(yù)先準(zhǔn)備的有理數(shù)比中利用數(shù)字輸出S5來選擇設(shè)定。 因?yàn)榭刂齐娐?0利用可切換單位時(shí)間內(nèi)的輸出脈沖數(shù)的比率乘法電路能夠容 易地實(shí)現(xiàn)，所以省略詳細(xì)的說明。以下對(duì)振蕩電路40以及放大電路60的結(jié)構(gòu) 進(jìn)行敘述。
中點(diǎn)電壓生成電路70是輸出對(duì)物理量傳感器施加的電源電壓的1/2電壓 值的電壓源。中點(diǎn)電壓生成電路70供給用于檢波電路20或放大電路60動(dòng)作 的中點(diǎn)電壓Vm。例如，在電源電壓Vdd為5.0V的情況下，中點(diǎn)電壓生成電 路70生成2.5V作為中點(diǎn)電壓Vm輸出。
接著，采用圖6對(duì)放大電路60的結(jié)構(gòu)例進(jìn)行說明。圖6所示的放大電路 60是作為放大率可變的電路結(jié)構(gòu)具有開關(guān)電容電路的例子。放大電路60是具 有運(yùn)算放大器69的反相放大電路的結(jié)構(gòu)，在運(yùn)算放大器69的輸出端和輸入端 (反相輸入端子)之間并聯(lián)連接反饋電阻68和濾波電容67,在運(yùn)算放大器69 的相同輸入端(反相輸入端子)作為輸入電阻連接開關(guān)電容電路61。這里， 開關(guān)電容電路61由具有2接點(diǎn)的開關(guān)61a和電容61b構(gòu)成。
開關(guān)61 a可由MOS元件的傳輸門(transmission gate )構(gòu)成。尤其構(gòu)成為 開關(guān)61a的接點(diǎn)狀態(tài)根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)S3進(jìn)行切換。即，根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)S3切換電 容器61b的連接狀態(tài)。此外，電容器61b或反饋電阻68也同樣可用半導(dǎo)體工 藝進(jìn)行制造，并構(gòu)成在與開關(guān)61a相同的半導(dǎo)體芯片上。
電容器61b的一端與中點(diǎn)電壓Vm連接，另 一端連接到開關(guān)61a的固定接 點(diǎn)。開關(guān)61a的一個(gè)接點(diǎn)是放大電路60的輸入端子，連接檢波輸出S2。開關(guān) 61a的另一個(gè)接點(diǎn)與運(yùn)算放大器69的反相輸入端子連接。反饋電阻68以及濾 波電容器67都連接在運(yùn)算放大器69的反相輸入端子和輸出端子之間。運(yùn)算放 大器69的非反相輸入端子與中點(diǎn)電壓Vm連接。
開關(guān)電容電^各61由開關(guān)61a以及電容61b構(gòu)成。在開關(guān)61a的接點(diǎn)向招r 波輸出S2側(cè)導(dǎo)通的狀態(tài)下，電容器61b蓄積才全波輸出S2的電壓。接著，當(dāng) 開關(guān)61a變成向運(yùn)算放大器69側(cè)導(dǎo)通的狀態(tài)時(shí)，通過運(yùn)算放大器69向反饋電 阻68以及濾波電容器67釋放電容器61b內(nèi)蓄積的電荷。200680019020.7
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這樣，根據(jù)在時(shí)鐘生成電路30A中生成的時(shí)鐘信號(hào)S3，通過將開關(guān)61a 切換至檢波輸出S2側(cè)和運(yùn)算放大器69側(cè)，來切換電容器61b的連接狀態(tài)。在
生成電路30A設(shè)計(jì)為專用，由此能夠高精度地驅(qū)動(dòng)開關(guān)電容電路61。
通過開關(guān)61a高速地進(jìn)行上述切換動(dòng)作，開關(guān)電容電路61進(jìn)行與電阻值 能以下式的Re、即Re=l/ (f .)表現(xiàn)的電阻元件等價(jià)的動(dòng)作。此外這里，f 為開關(guān)61a的平均切換頻率，Cs為電容器61b的容量。
因?yàn)殚_關(guān)電容電路61與電阻元件等價(jià)，所以放大電路60作為應(yīng)用了反相 放大電路的1階低通濾波器(不完全積分電路)進(jìn)行動(dòng)作。放大電路60的放 大率用反饋電阻和輸入電阻的比來決定。因此，在上述結(jié)構(gòu)中以開關(guān)電容電路 來構(gòu)成輸入電阻，通過時(shí)鐘信號(hào)S3的頻率來改變?cè)撻_關(guān)電容電路的等價(jià)電阻， 由此可以使放大電路的放大率可變。因此通過根據(jù)電源電壓來改變時(shí)鐘信號(hào)的 頻率，可以根據(jù)電源電壓使放大電路的放大率可變。
此外，使用了開關(guān)電容電路61的放大電路60，通過在電容器61b中使用 沒有電容量的電壓依存性的電容器，可以取得高的線性度。為了在半導(dǎo)體芯片 上實(shí)現(xiàn)這樣的特性的電容器，通過例如一般的2層多晶硅工藝可以構(gòu)成使電極 多晶硅化的電容器61b。
另外，在上述的例子中表示了利用基于開關(guān)電容電路61的等價(jià)電路來構(gòu) 成運(yùn)算放大器69的輸入電阻的例子，但是關(guān)于運(yùn)算放大器69的反饋電阻38 也可以同樣地利用基于開關(guān)電容電路的等價(jià)電路來構(gòu)成。
放大電路60的放大率，如上所述利用反饋電阻和輸入電阻的比來決定， 所以用開關(guān)電容電路來構(gòu)成反饋電阻，并通過時(shí)鐘信號(hào)S3的頻率來改變?cè)撻_ 關(guān)電容電路的等價(jià)電阻，由此能夠使放大電路的放大率可變。此外，關(guān)于此結(jié) 構(gòu)沒有圖示。因此，通過根據(jù)電源電壓來改變時(shí)鐘信號(hào)的頻率，就可以根據(jù)電 源電壓使放大電路的放大率可變。
此外，除了用開關(guān)電容電路構(gòu)成反饋電阻和輸入電阻的某一個(gè)之外，還可 以利用開關(guān)電容電路構(gòu)成兩電阻。
接著，采用圖7對(duì)作為電壓控制振蕩電路的例子的振蕩電路40的結(jié)構(gòu)進(jìn)
行簡(jiǎn)單地說明。振蕩電^各40由反相器41~43、振蕩電容44、作為恒定電壓源 的恒定電壓電路45和偏置電壓生成電路46構(gòu)成。偏置電壓生成電路46由基 準(zhǔn)電阻47 、比較器48和電流控制元件49構(gòu)成。
恒定電壓電路45是通過物理量傳感器的電源電壓Vdd的施加來輸出規(guī)定 的恒定電壓(例如2.0V)的電壓穩(wěn)壓器。反相器41 43是通過作為恒定電壓 電路45的輸出的恒定電壓Vreg來進(jìn)行動(dòng)作的邏輯反相電路。做成將反相器 41-43向反相器43串聯(lián)連接、再使反相器43的輸出經(jīng)由振蕩電容44與反相 器41的輸入端子連接的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。反相器42將輸入輸出端子都向反相器41 的輸入端子連接。
尤其，反相器42是輸出特性可控制的反相器。即，反相器42是向輸出端 子進(jìn)出(吸收、供出)的電流值可控制的結(jié)構(gòu)。通過偏置電壓生成電路46輸 入偏置電壓Vr來進(jìn)行反相器42的電流控制。反相器43的輸出是振蕩電路40 的振蕩輸出S4。詳細(xì)內(nèi)容如下所述，通過本結(jié)構(gòu)，振蕩輸出S4的振蕩頻率根 據(jù)物理量傳感器的電源電壓Vdd而變化。
偏置電壓生成電路46的結(jié)構(gòu)為在物理量傳感器的電源電壓間(Vdd-接地之間)經(jīng)由電流控制元件49連接基準(zhǔn)電阻47，還連接為使基準(zhǔn)電阻47 上的適當(dāng)分壓點(diǎn)的電壓與中點(diǎn)電壓Vm相等而控制電流控制元件49的比較器 48。比較器48的輸出作為偏置電壓Vr向反相器42的電流控制信號(hào)輸入連接， 此外偏置電壓Vr還與電流控制元件49的電流控制信號(hào)輸入連接。
當(dāng)物理量傳感器的電源電壓Vdd變化時(shí)中點(diǎn)電壓也變化，所以電流控制 元件49利用比較器48來進(jìn)行電流控制，在電流控制元件49中流過與電源電 壓Vdd成比例的電流。該控制信息通過偏置電壓Vr傳遞給反相器42,進(jìn)出反 相器42的輸出端子的的電流值Vr也被設(shè)定為與物理量傳感器的電源電壓Vdd 成比例的值。
因?yàn)榉聪嗥?2所設(shè)定的電流值相當(dāng)于振蕩電容44的充放電電流，所以振 蕩電路40通過振蕩電容44的電容值和反相器42所設(shè)定的電流值來決定振蕩 時(shí)間常數(shù)、即振蕩頻率。因此通過此結(jié)構(gòu)，振蕩電路40使振蕩輸出S4的頻率 相對(duì)于向物理量傳感器施加的電源電壓值成比例，并作為電壓控制振蕩電路進(jìn) 行動(dòng)作。 用于發(fā)生振蕩輸出S4的時(shí)間常數(shù)，可以通過振蕩電容44的電容值、和決 定振蕩電容44的充放電電流值的基準(zhǔn)電阻47的電阻值來表示，振動(dòng)輸出S4 的頻率fo為
fo^f "1/ (R C)。
此外，R為基準(zhǔn)電阻47的電阻值，C為振蕩電容44的電容值，記號(hào)"表 示左邊與右邊成比例。
造，構(gòu)成在同一半導(dǎo)體芯片上，以使電容比成為恒定。同樣，關(guān)于基準(zhǔn)電壓 47也釆用與放大電路60的反饋電阻68相同的構(gòu)造來構(gòu)成為恒定的電阻比。 詳細(xì)內(nèi)容如后所述，由此可實(shí)現(xiàn)放大電路60的放大率的高精度化。
接著，對(duì)本發(fā)明的物理量傳感器的動(dòng)作進(jìn)行說明。
當(dāng)對(duì)物理量傳感器施加電源電壓Vdd時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路80將傳感器元件10 的振動(dòng)部11以規(guī)定的電流值開始交流驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路80的驅(qū)動(dòng)電流不受電源 電壓變動(dòng)的影響所以振動(dòng)部11成為始終穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。
當(dāng)在該狀態(tài)下對(duì)物理量傳感器施加旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，在傳感器元件輸出Sl 出現(xiàn)具有與旋轉(zhuǎn)角速度對(duì)應(yīng)的振幅的交流信號(hào)。檢波電路20對(duì)該傳感器元件 輸出Sl進(jìn)行檢波并轉(zhuǎn)換為規(guī)定的直流信號(hào)。
時(shí)鐘生成電路30A所具有的振蕩電路40,如上所述以規(guī)定的頻率fo進(jìn)行 振蕩。該振蕩頻率fo的振蕩輸出作為時(shí)鐘信號(hào)輸出。另外，控制電路50還可 以利用由數(shù)字輸入S5指定的分頻比對(duì)振蕩輸出S4進(jìn)行分頻，并將該分頻后 的信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)S3輸出。這里，為了簡(jiǎn)單化假定對(duì)振蕩輸出S4進(jìn)行2 分頻(頻率為0.5倍)。
放大電路60根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)S3作為具有規(guī)定放大率的低通濾波器進(jìn)行動(dòng) 作，從傳感器輸出S6輸出放大了檢波輸出S2的角速度信號(hào)。因?yàn)閭鞲衅髟?件10的驅(qū)動(dòng)條件始終為恒定，所以檢波輸出S2的信號(hào)不受電源電壓Vdd的 影響，相對(duì)于某旋轉(zhuǎn)角速度的施加，信號(hào)電平成為恒定?？墒?，如上所述，放 大電路60的放大率根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)S3的頻率而變化。
時(shí)鐘信號(hào)S3原本的信號(hào)為振蕩電路40的振蕩輸出S4，振蕩電路40如前 所述振蕩頻率相對(duì)于物理量傳感器的電源電壓成比例變化。因此，控制時(shí)鐘生 成電路30A使時(shí)鐘信號(hào)S3的頻率與電源電壓Vdd成比例，由此通過時(shí)鐘信號(hào) S3可以使從放大電^各60輸出的傳感器輸出S6與電源電壓Vdd成比例。
例如，當(dāng)物理量傳感器的電源電壓增加時(shí)，通過上述結(jié)構(gòu)，物理量傳感器 的檢測(cè)靈敏度與電源電壓的變化成比例增加。結(jié)果，從放大電路60輸出的傳 感器輸出S6的輸出信號(hào)就增加。即，物理量傳感器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換動(dòng)作，以使 檢測(cè)靈敏度成為比例度量特性。
作為例子，即使是對(duì)物理量傳感器給予了相同的旋轉(zhuǎn)角速度情況，在使電 源電壓Vdd增加了 5%時(shí)，傳感器輸出S6增加5。/。信號(hào)電平。另外，在與上 述相反使物理量傳感器的電源電壓Vdd減少時(shí)，傳感器輸出S6的輸出電平與 電源電壓Vdd的減少量成比例降低。
此外，在上述的說明中控制電路50的分頻比恒定為2分頻，但是控制電 路50的分頻比可通過數(shù)字輸入S5進(jìn)行選擇。放大電路60的開關(guān)電容電路61 可根據(jù)平均的切換頻率來改變放大率。
因此，可通過利用數(shù)字輸入S5對(duì)分頻比來選擇適合的值，可調(diào)整由傳感 器元件10的制造誤差所引起的物理量傳感器的檢測(cè)靈敏度誤差?？刂齐娐?0 是邏輯電路，分頻比可極精密地進(jìn)行設(shè)定，所以不需要用于微調(diào)整物理量傳感 器中的檢測(cè)靈敏度的高精度的模擬電路。
但是，在本發(fā)明的物理量傳感器中，放大電路60的放大率利用振蕩輸出 S4的頻率、電容器61b的電容值和反饋電阻68來決定，不過因?yàn)榉糯箅娐?0 是使用了運(yùn)算放大器69的反相放大電路，所以其直流放大率K可表示為
K =-反饋電阻值/輸入電阻值 =- Rf/Re
^Rf/ ( 1/ (Cs fo))
^ (Rf/R) (Cs/C) 其中，Rf是反饋電阻68的電阻值，Re是開關(guān)電容電路61的等價(jià)電阻值。 另外，Cs是電容器61b的容量，fo是振蕩輸出S4的頻率，R是基準(zhǔn)電阻47 的電阻值，C是振蕩電容44的電容值。
可知即放大電路60的放大率，依存于電容器61b的容量Cs和振蕩電容 44的容量C的電容比(Cs/C)、以及反饋電阻68的電阻值Rf和基準(zhǔn)電阻47 的電阻值R的電阻比(Rf/R)。眾所周知，在半導(dǎo)體制造工藝中，即使是批次 間或芯片間有制造誤差，但同一芯片內(nèi)的相對(duì)誤差也極小(不足1 % )。
在用于本發(fā)明的電容器或電阻元件中，使用尺寸不同但構(gòu)成在同 一芯片上 的相同結(jié)構(gòu)的阻容元件。因此，可以想見電容器61b的容量Cs和振蕩電容
的相對(duì)誤差極小。在上述所示的放大率的公式中，容量Cs和容量C以及電阻 值Rf和電阻值R，分別出現(xiàn)在分子以及分母中，其誤差相互抵消，所以在本 發(fā)明的放大電路60中假設(shè)即使生成電容器或電阻的絕對(duì)值誤差也可以高精度 地維持放大率的值。
例如，在由于制造誤差而較高地形成了電阻元件的薄膜電阻芯片中，基準(zhǔn) 電阻47的電阻值變高，因此振蕩輸出S4的頻率變低。其結(jié)果是開關(guān)電容電路 61的等價(jià)電阻值變大，但因?yàn)榉答侂娮?8的電阻值也以與其相同的比例提高， 所以對(duì)這些放大電路60的影響會(huì)抵消，而放大電路60的放大率成為恒定的值。
顯然，即使關(guān)于電阻元件的薄膜電阻降低的情況或存在電容器的薄膜電容 的制造誤差的情況，放大電路60的放大率也為恒定。此外，其特性即使在產(chǎn) 生了由物理量傳感器的周圍溫度變化而引起的電阻元件或電容器的值變化的 情況下也是相同的。
這樣，在本發(fā)明中使用在同 一 芯片上構(gòu)成了設(shè)置在振蕩電路40上的振蕩 電容44和設(shè)置在放大電路60上的開關(guān)電容電路61的電容器61b的同一構(gòu)造 的結(jié)構(gòu)、另外還使用在同一芯片上構(gòu)成了設(shè)置在振蕩電路40上的基準(zhǔn)電阻47 和設(shè)置在放大電路60上的反饋電阻68的同一構(gòu)造的結(jié)構(gòu)，因此即使生成電容 器或電阻元件的絕對(duì)值誤差，也能夠高精度地維持放大率的值。
在現(xiàn)有技術(shù)的專利文獻(xiàn)1的情況下，作為決定放大電路6的放大率的再一 個(gè)電路元件(電阻元件8),考慮使用可在半導(dǎo)體芯片上構(gòu)成的多晶硅電阻或 外部電阻元件。
可是，產(chǎn)生了這樣的問題，即因?yàn)檫@些元件與上述MOS元件7在電特性 上不相關(guān)，所以不光放大電路的放大率的絕對(duì)值誤差大，而且放大電路6的放
大率也會(huì)因周圍溫度的變化而變大，但是如上所述，在本發(fā)明中可消除這樣的 現(xiàn)有技術(shù)的問題。
此外，在上述振蕩電路40中使用電壓控制振蕩電路，但是不限定于此。
在使物理量傳感器的輸出電平不相對(duì)于電源電壓Vdd而變化時(shí)，可以在振蕩 電路40中使用更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。例如，還可以使用一般的CR振蕩電路，該CR 振蕩電路可以通過不使用上述實(shí)施方式中的振蕩電路40的反相器42、而在反 相器41的輸入輸出端子間連接電阻元件來構(gòu)成。
在此情況下，振蕩電路40的振蕩頻率不依據(jù)電源電壓Vdd而為恒定，但 是通過將上述添加的電阻元件作成與基準(zhǔn)電阻47相同的結(jié)構(gòu)，可抵消給放大 電路60的放大率造成影響的半導(dǎo)體的制造誤差及溫度特性，可穩(wěn)定放大電路 60的放大率。
以下，使用圖8、圖9對(duì)放大電路的其它結(jié)構(gòu)例進(jìn)行說明。
圖8所示的放大電路的結(jié)構(gòu)例是作為使用了上述運(yùn)算放大器的反相放大
在圖8中，作為構(gòu)成反相放大電路60A的與運(yùn)算放大器69的反相輸入端子連 接的輸入電阻，連接可變電阻器62。此外，在運(yùn)算放大器69的輸出端子和反 相輸入端子之間，并聯(lián)連接反饋電阻68和電容器67,從運(yùn)算放大器69的輸 出端子輸出傳感器輸出S6。
可變電阻器62,由電阻62b和開關(guān)62a串if關(guān)連^妻電^ 各與電阻62c并耳關(guān)連 接的構(gòu)成，并作為輸入電阻與運(yùn)算放大器69的反相輸入端子連接。開關(guān)62a 由傳輸門(transmission gate)構(gòu)成，通過來自脈沖生成電路30的脈沖調(diào)制信 號(hào)進(jìn)行開閉控制。開關(guān)62a利用脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行開閉控制，由此形成等價(jià)電 阻，該等價(jià)電阻值能夠以脈沖調(diào)制信號(hào)的占空比的平均值來決定。
通過使該可變電阻器62的電阻值可變，可以與所述的結(jié)構(gòu)例相同地使放 大電路的放大率可變，根據(jù)電源電壓的變化來改變脈沖調(diào)制信號(hào)，由此可以將 傳感器檢測(cè)輸出做成比例度量特性，或者得到高的線性度特性。
圖9所示的放大電路的結(jié)構(gòu)例是使用了電壓-電流轉(zhuǎn)換電路(OTA: operational transconductance amplifier)的附帶濾波功能的增益調(diào)整電路，其通
過隔著開關(guān)連接2個(gè)電壓-電流轉(zhuǎn)換電路來構(gòu)成。放大電路60B的增益調(diào)整 電路63由隔著開關(guān)63a以及電容器63b連接電壓-電流轉(zhuǎn)換電路63b和63c 而構(gòu)成，通過來自脈沖生成電路30的脈沖調(diào)制信號(hào)對(duì)開關(guān)63a進(jìn)行開閉控制。 將開閉控制后的ON/OFF的占空比設(shè)為d。電壓-電流轉(zhuǎn)換電路63b的正端子 輸入檢波輸出S2，將正端子與負(fù)端子的電壓差轉(zhuǎn)換為乘以了轉(zhuǎn)換系數(shù)gml后 的大小的電流。開關(guān)63a將該電流才艮據(jù)脈沖調(diào)制信號(hào)的脈沖頻率或者占空比充 入電容器63d。電壓-電流轉(zhuǎn)換電路63b將蓄積在該電容器63d中的電壓轉(zhuǎn)換 為乘以了轉(zhuǎn)換系數(shù)-gm2的大小的電流后輸出。
該放大電路60B的傳遞函數(shù)用(gml/gm2 ) . ( 1/ ( 1 + s ( C/gm2 ))) . d來 表示。此外，在此，d通過開關(guān)63a導(dǎo)通關(guān)斷的脈沖占空比來決定，所以根據(jù) 電源電壓來改變來自脈沖生成電路30的脈沖調(diào)制信號(hào)，由此可以使放大電路 60B的放大率可變。此外，開關(guān)63a可以由傳輸門(transmission gate)來構(gòu)成。
在上述的放大電路的各結(jié)構(gòu)例中，由1個(gè)開關(guān)構(gòu)成放大率可變電路，利用 來自生成電路30的脈沖調(diào)制信號(hào)來切換該開關(guān)，由此使放大率可變。該開關(guān) 結(jié)構(gòu)不限于1個(gè)開關(guān)還可以由2個(gè)開關(guān)構(gòu)成。圖10 (a)是圖6的61a所示的 1個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)例。圖10 (a)由2個(gè)傳輸門(transmission gate)構(gòu)成開 關(guān)64。 2個(gè)傳輸門(transmission gate )通過由切換信號(hào)SW交互地導(dǎo)通、關(guān)斷 來進(jìn)行向電容器61b的充放電，并利用頻率調(diào)整該信號(hào)切換，由此形成等價(jià)電 阻。
圖10 (b)是1個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)的其它結(jié)構(gòu)例。圖10 (b)由2個(gè)光敏MOS 構(gòu)成開關(guān)65。 2個(gè)光敏MOS65通過由切換信號(hào)SW交互地對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行 發(fā)光控制來向電容器61b充放電，并利用頻率調(diào)整該信號(hào)切換，由此形成等價(jià) 電阻。
另外，作為開關(guān)機(jī)構(gòu)除了上述的傳輸門(transmission gate)或光敏MOS 之外還可以使用如圖10 (c)所示的電磁繼電器66。電磁繼電器66通過利用 切換信號(hào)SW驅(qū)動(dòng)電磁線圈來進(jìn)行開關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷控制。
圖ll表示放大率可變電路不同的例子。圖11 (a)表示1個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)的結(jié) 構(gòu)，相當(dāng)于所述圖6所示的開關(guān)電容電路61的結(jié)構(gòu)、以及圖10 (a)、 (b)。
在該結(jié)構(gòu)中利用1個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)經(jīng)由電容器來在輸入端子(in)和輸出端子(out)
之間進(jìn)行切換，并利用頻率調(diào)整該切換，由此形成等價(jià)電阻。
與此相對(duì)，圖11 (b)表示2個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在輸入端子(in) 和輸出端子(out)之間設(shè)置具有電容器的2個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)，并利用頻率調(diào)整該2 個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)的切換，由此形成等價(jià)電阻。此外，圖11 (b)只要設(shè)2個(gè)圖10 (a)或者圖10 (b)所示的開關(guān)機(jī)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)。
在脈沖生成電路30中使用圖12、圖13對(duì)使脈沖寬度(占空比)可變的 脈沖調(diào)制電路的結(jié)構(gòu)例進(jìn)行說明。在圖12中，脈沖生成電路30具有三角波 生成器30a、比較器30b和電阻器30c。該電阻器30c分壓輸出電源電壓，并 能夠任意設(shè)定電阻值及其分壓比。比較器30b將從三角波生成器30a發(fā)生的恒 定振幅值的三角波信號(hào)與用電阻器30c設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，生成脈沖信 號(hào)。因此，比較器30b對(duì)不根據(jù)電源電壓而變化的恒定振幅值的三角波信號(hào)、 和根據(jù)電源電壓變化的閾值電壓進(jìn)行比較。
圖13 (a)是作出脈沖信號(hào)的一例，表示三角檢波信號(hào)Va、和用電阻器 30c形成的閾值電壓Vb、 Vc、 Vd。比較器30b對(duì)三角波信號(hào)Va和閾值電壓 Vb、 Vc、 Vd進(jìn)行比較，并根據(jù)大小形成脈沖信號(hào)。圖13 (b)是通過三角波 信號(hào)Va與闊值電壓Vb的比較而得出的脈沖信號(hào)，在閾值電壓Vb是三角波信 號(hào)Va的振幅的1/2時(shí)，取得占空比為0.5的脈沖信號(hào)。圖13 (c)是通過三角 波信號(hào)Va與閾值電壓Vc的比較而得出的脈沖信號(hào)，在閾值電壓Vc是比三角 波信號(hào)Va的振幅的1/2大時(shí)，得到的脈沖信號(hào)的占空比成為比O. 5小的值。 另外，圖13 (d)是通過三角波信號(hào)Va與闊值電壓Vd的比較而得出的脈沖信 號(hào)，在閾值電壓Vd是比三角波信號(hào)Va的振幅的1/2小時(shí)，得到的脈沖信號(hào)的 占空比成為比0.5大的值。
因此，通過與電源電壓聯(lián)動(dòng)來規(guī)定用電阻器30c形成的閾值電壓，就可以 形成與電源電壓對(duì)應(yīng)的脈沖調(diào)制信號(hào)。
以上，對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的物理量傳感器進(jìn)行了說明。根據(jù)本發(fā)明，可同 時(shí)使其具有現(xiàn)有技術(shù)難以解決的傳感器檢測(cè)輸出高的線性度特性和比例度量 特性。此外，還難以受到制造誤差及溫度變化的影響，由此可得到能夠高精度
地調(diào)整檢測(cè)靈敏度的物理量傳感器。 產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明可適用于以振動(dòng)陀螺儀為代表的角速度傳感器或磁傳感器、加速度 傳感器等寬廣的種類的物理量傳感器的輸出信號(hào)電平調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種物理量傳感器，具備傳感器電路，其將從外部施加的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出檢測(cè)信號(hào)；以及調(diào)整電路，其將來自所述傳感器電路的檢測(cè)信號(hào)調(diào)整為規(guī)定的信號(hào)，其特征在于，所述調(diào)整電路，具有脈沖生成電路，其根據(jù)驅(qū)動(dòng)該調(diào)整電路的電源電壓來生成脈沖調(diào)制信號(hào)；以及放大電路，其利用脈沖調(diào)制信號(hào)使放大率可變來放大來自傳感器電路的檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)所述電源電壓使由所述放大電路輸出的輸出信號(hào)的檢測(cè)靈敏度可變。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述脈沖生成電路，根據(jù)電源電壓來調(diào)制用規(guī)定函數(shù)確定的脈沖寬度或者脈沖頻率，生成脈沖調(diào)制信號(hào)。
3. 才艮據(jù)權(quán)利要求2所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述規(guī)定函數(shù)是線性函數(shù)，所述脈沖生成電路生成與電源電壓成比例的脈沖寬度或者脈沖頻率的脈沖調(diào)制信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3的任意一項(xiàng)所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述放大電路是由輸入電阻電路和反饋電阻電路的電阻值比來決定放大率的反相放大器，所述輸入電阻電路和反饋電阻電路的至少 一 方的電阻電路是通過脈沖調(diào) 制信號(hào)使電阻值可變的可變電阻電路，放大電路，通過利用脈沖調(diào)制信號(hào)使所述可變電阻電路的電阻值可變而使 放大率可變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述可變電阻電路，由開關(guān)電容電路構(gòu)成，通過以脈沖調(diào)制信號(hào)來進(jìn)行對(duì)電容的開關(guān)切換而使等價(jià)電阻可變。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述可變電阻電路，由電阻和開關(guān)構(gòu)成，通過以脈沖調(diào)制信號(hào)來斷續(xù)所述 開關(guān)而使等價(jià)電阻可變。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物理量傳感器，其特征在于，所述可變電阻電路，隔著電容器連接2個(gè)開關(guān)，通過由該2個(gè)開關(guān)的切換 引起的電容器的充放電而使等價(jià)電阻可變。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述可變電阻電路，隔著電容器連接2個(gè)光敏晶體管，通過由該2個(gè)光敏晶體管的切換引起的電容器的充放電而使等價(jià)電阻可變。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述放大電路是隔著開關(guān)連接2個(gè)電壓-電流變換電路的增益調(diào)整電路， 所述增益調(diào)整電路，通過由脈沖調(diào)制信號(hào)引起的開關(guān)的開閉而使增益調(diào)整電路的傳遞函凄丈可變，并使;故大率可變。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9的任意一項(xiàng)所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述脈沖生成電路是將振幅恒定的三角波與規(guī)定的閾值進(jìn)行比較并在大于或者小于該閾值的期間內(nèi)生成脈沖的電路，作為該閾值使用電源電壓。
11. 一種物理量傳感器，具備傳感器元件，其將從外部施加的物理量轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)；檢波電路，其對(duì)該傳感器元件的輸出信號(hào)進(jìn)行放大以及檢波；以 及調(diào)整電路，其通過施加電源將來自所述檢波電路的輸出信號(hào)調(diào)整為規(guī)定的信 號(hào)，其特征在于，所述調(diào)整電路具有放大電路，其具備通過切換電容器的連接狀態(tài)來進(jìn)行 電荷移動(dòng)的開關(guān)電容電路；以及產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的生成電路，根據(jù)所述電源電壓來控制所述時(shí)鐘生成電路，利用在所述時(shí)鐘生成電路中 生成的所述時(shí)鐘信號(hào)，使從所述放大器輸出的輸出信號(hào)的檢測(cè)靈敏度根據(jù)所述 電源電壓可變。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述輸出信號(hào)的檢測(cè)靈敏度與所述電源電壓成比例。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述時(shí)鐘生成電路具有輸出振蕩信號(hào)的振蕩電路。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的物理量傳感器，其特征在于， 具有控制電路，其以規(guī)定的分頻比來調(diào)整所述振蕩電路的輸出信號(hào)并輸出。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述時(shí)鐘生成電路具有振蕩電路，該振蕩電路由輸出信號(hào)的頻率根據(jù)所述電源的電壓輸入而變化的電壓控制振蕩電路構(gòu)成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述時(shí)鐘生成電路具有具備電容器的振蕩電路，該振蕩電路的所述電容器與設(shè)置在所述放大電路上的電容器結(jié)構(gòu)相同。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的物理量傳感器，其特征在于， 所述時(shí)鐘生成電路具有具備電阻元件的振蕩電路，所述振蕩電路的所述電阻元件與設(shè)置在所述放大電路上的電阻元件結(jié)構(gòu)相同。
18. —種物理量傳感器，具備傳感器元件，其將從外部施加的物理量轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)；檢波電路，其對(duì)該傳感器元件的輸出信號(hào)進(jìn)行放大以及檢波；以 及調(diào)整電路，其通過施加電源將來自所述檢波電路的輸出信號(hào)調(diào)整為規(guī)定的信 號(hào)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電路具有恒定電壓電路，其輸出成為所述傳感器元件的驅(qū)動(dòng)條件 的基準(zhǔn)的恒定電壓，所述調(diào)整電路具有放大電路，其具備通過切換電容器的連接狀態(tài)來進(jìn)行 電荷移動(dòng)的開關(guān)電容電路；以及時(shí)鐘生成電路，其產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)所述電源電壓來控制所述時(shí)鐘生成電路，利用在所述時(shí)鐘生成電路中 生成的所述時(shí)鐘信號(hào)，使從所述放大電路輸出的輸出信號(hào)的檢測(cè)靈敏度根據(jù)所 述電源電壓可變。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種物理量傳感器，具備傳感器電路，其將從外部施加的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出檢測(cè)信號(hào)；調(diào)整電路，其將來自該傳感器電路的檢測(cè)信號(hào)調(diào)整為規(guī)定信號(hào)；以及輸出電路，其由該調(diào)整電路的信號(hào)形成輸出信號(hào)，以共用的電源電壓來驅(qū)動(dòng)傳感器電路和輸出電路。調(diào)整電路具有脈沖生成電路，其根據(jù)電源電壓來生成脈沖調(diào)制信號(hào)；以及放大電路，其利用脈沖調(diào)制信號(hào)使放大率可變地放大來自傳感器電路的檢測(cè)信號(hào)，并根據(jù)電源電壓使輸出信號(hào)的檢測(cè)靈敏度可變。通過此結(jié)構(gòu)，可將來自調(diào)整電路所具備的放大電路的輸出作成線性度特性高的傳感器輸出，結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)傳感器檢測(cè)靈敏度為高精度的物理量傳感器，并得到物理量傳感器的檢測(cè)靈敏度良好的比例度量特性、高線性度、希望的特性的檢測(cè)靈敏度。
文檔編號(hào)G01C19/56GK101184973SQ200680019020
公開日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者永田洋一 申請(qǐng)人:西鐵城控股株式會(huì)社