偏移消除電路的製作方法
2023-09-20 06:56:30
專利名稱：偏移消除電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於調整霍爾(Hall)元件的輸出等的偏移(offset)消除電路。
背景技術：
近年來，數位相機和數碼攝像機等拍攝裝置中，通過使其具有的拍攝元件的像素 數目增加，來實現圖像質量提高。另一方面，作為實現拍攝裝置的圖像質量提高的其它的方 法，為了防止由持有拍攝裝置的手的抖動所產生的被攝體的抖動，希望拍攝裝置搭載具有 防手抖功能的防振控制電路。防手抖的防振控制電路，接收來自檢測由拍攝裝置的振動所產生的角速度分量的 陀螺儀傳感器的信號，根據該信號，驅動鏡頭或拍攝元件等光學部件，以防止被攝體的抖 動。由此，即使拍攝裝置振動了，也可以使所獲取的影像信號中不反映振動的分量，可獲取 無圖像抖動的高圖像質量的影像信號。此時，為了檢測被驅動的鏡頭等的光學部件的位置，使用霍爾元件。霍爾元件的等 效電路如圖11所示，可表示為電阻Rl R4的橋接電路。由此，根據施加電源電壓Vcc的 端子和取出輸出信號的端子的組合，霍爾元件的輸出信號受到各電阻的偏差的影響，而變 為含有偏移分量。由此，如圖12所示，使用包括霍爾元件10、放大電路12和平均電路14的偏移消除 電路100。偏移消除電路100中，控制開關元件Sl S19的導通/關斷，對霍爾元件10施 加電壓，使流過的電流相差90° ；各種狀態下對電容器Cl和C2充電，將電容器Cl和C2的 充電電壓相加並平均。因為使流過霍爾元件10的電流改變90°時，霍爾元件10的輸出電 壓的偏移是逆向產生的，所以霍爾元件10的輸出電壓的偏移值被消除。通過設置偏移消除電路，可以消除霍爾元件的輸出電壓的偏移值。而開關元件Sl S19中使用MOS電晶體。利用了 MOS電晶體中，柵-源之間的電 壓如果小於閾值電壓則截止、如果在閾值電壓以上則導通的特性。MOS電晶體截止時，柵極 電壓由電源電壓而成為小於閾值電壓。柵極與源極和漏極之間有重疊(overlap)電容，MOS 電晶體的溝道內的電荷也在截止時被源極和漏極所吸收。由此，在MOS電晶體截止時，通過 柵極的電壓變化量與重疊電容的積所求得的電荷量、與溝道中存儲的電荷量的一部分發生 變化。這被稱為開關元件的電荷注入(噪聲)(Chargelnjection (noise))。偏移消除電路100中，也由於開關元件Sl S19的電荷注入噪聲，有可能產生在 來自霍爾元件的輸出電壓上疊加噪聲的問題。
發明內容
因此，希望有在偏移消除電路中使電荷注入噪聲變小的技術。本發明的一個方式是，霍爾元件的偏移消除電路，其特徵在於，包括多個電容器； 第1開關元件群，進行導通/關斷控制，使按照改變流過所述霍爾元件的電流的方式從外部 施加電壓，並按其狀態，使所述霍爾元件的輸出電壓施加給所述多個電容器的其中之一；和第2開關元件群，進行導通/關斷控制，使輸出與所述多個電容器並聯連接的狀態下對所述 多個電容器所充電的電荷相對應的輸出電壓；對所述第2開關元件群的至少一部分連接與 該開關元件互斥地進行導通/關斷控制的虛擬開關元件。此處優選的是，含有多個與所述虛擬開關元件連接的所述開關元件；該多個開關 元件在所述多個電容器並聯連接的狀態下，共同連接於並聯連接的所述多個電容器的一個 輸出端。另外，優選的是，在所述多個電容器並聯連接的狀態下，對並聯連接的所述多個電 容器的一個輸出端施加基準電壓，而只對並聯連接的所述多個電容器的另一個輸出端連接 連接了所述虛擬開關元件的所述開關元件。另外優選的是，所述第1開關元件群不與虛擬開關元件連接。發明效果根據本發明，可以降低偏移消除電路中的電荷注入噪聲的影響。
圖1是表示本發明的實施方式的偏移消除電路的結構的圖。圖2是表示本發明的實施方式的偏移消除電路的作用的圖。圖3是表示本發明的實施方式的偏移消除電路的作用的圖。圖4是表示本發明的實施方式的偏移消除電路的作用的圖。圖5是說明本發明的實施方式的偏移消除電路的虛擬開關元件的作用的圖。圖6是說明本發明的實施方式的偏移消除電路的虛擬開關元件的作用的圖。圖7是表示偏移消除電路的虛擬開關元件的作用的圖。圖8是表示本發明的實施方式的偏移消除電路的中使用的電容器的結構的圖。圖9是表示本發明的實施方式的偏移消除電路的中使用的電容器的等效電路的 圖。圖10是表示本發明的實施方式的偏移消除電路的中使用的電容器的作用的圖。圖11是表示霍爾元件的等效電路的圖。圖12是表示現有的偏移消除電路的結構的圖。符號說明10霍爾元件12放大電路12a、12b運算放大器14平均電路14a運算放大器14b基準電壓生成電路20平均電路20a運算放大器20b基準電壓生成電路30半導體基板32多晶矽層
34絕緣層36多晶矽層38 電極40 電極100、200偏移消除電路
具體實施例方式圖1表示霍爾元件的偏移消除電路200的基本結構。霍爾元件的偏移消除電路 200包括霍爾元件10、放大電路12和平均電路20而構成。霍爾元件10可以以電阻Rl R4的橋接電路來表示。對電阻Rl R4，連接將電 阻Rl R4的連接點A D向電源電壓Vcc、接地或輸出進行切換的開關元件Sl S8。放大電路12包括運算放大器12a和12b而構成。運算放大器12a將向同相輸入 端(+)輸入的電壓放大之後輸出。運算放大器12b將向同相輸入端(+)輸入的電壓放大之 後輸出。平均電路20包括開關元件S9 S19、虛擬(dummy)開關元件Dl D3、電容器Cl C4、運算放大器20a和基準電壓生成電路20b而構成。開關元件S9 S19與運算放大器12a、12b的輸出端、電容器Cl C4的端子、運 算放大器20a的輸入端的其中之一相互連接。開關元件S9 S12和S19在電容器Cl和C2 並聯狀態下，控制導通/關斷，使與電容器Cl和C2充電的電荷相對應的輸出電壓被輸出。 也就是說，開關元件S9 S12和S19與電容器Cl和C2並聯，並且還與輸出用的電容器C3 連接，控制導通/關斷，使電容器C3的端子電壓輸入運算放大器20a。開關元件S13 S16， 進行導通/關斷控制，使按照切換流過霍爾元件10的電流的方式從外部施加了電壓的情況 下，按其狀態使霍爾元件10的輸出電壓施加給電容器Cl和C2的其中之一。也就是說，通 過導通/關斷控制開關元件S13 16，由霍爾元件10的輸出電壓，電容器Cl和C2的其中 之一被充電。開關元件S17用於對電容器C3的充電電荷進行放電。開關元件S18用於連 接運算放大器14a的輸入端和輸出端。開關元件S9 S19優選為不論為P型還是N型，都 具有近似的寄生電容。虛擬開關元件，是指與作為其連接對象的開關元件被互斥地控制導通/關斷的開 關元件。虛擬開關元件可以是連接開關元件的輸入端和輸出端的結構。虛擬開關元件的相 互連接的輸入端和輸出端，與成為連接對象的開關元件的輸入端或輸出端連接。虛擬開關 元件優選為具有成為連接對象的開關元件的1/2左右的寄生電容。本實施方式中，虛擬開關元件Dl D3，是被控制為分別在開關元件Sll、S12和 S19為導通時成為關斷、而開關元件S11、S12和S19為關斷時成為導通的元件。也就是說， 虛擬開關元件Dl D3，與成為連接對象的開關元件Sll、S12和S19連接。虛擬開關元件 Dl D3，分別具有開關元件S11、S12和S19的1/2左右的寄生電容。以下對偏移消除電路200的工作進行說明。偏移消除電路200通過切換以下所示 的第1狀態、第2狀態和輸出狀態，而消除霍爾元件10的輸出電壓的偏移值並輸出。首先如圖2所示，通過導通/關斷控制開關元件Sl S19和虛擬開關元件Dl D3，使偏移消除電路200成為第1狀態。通過使開關元件Sl導通、並使開關元件S6關斷，
5對電阻R1、R3的連接點A施加電源電壓Vcc ；通過使開關元件S2導通、並使開關元件S8關 斷，使電阻R2、R4的連接點B接地；通過使開關元件S7導通、並使開關元件S4關斷，使電阻 R1、R2的連接點C連接至運算放大器12b的同相輸入端(+)；通過使開關元件S5導通、並使 開關元件S3關斷，使電阻R3、R4的連接點D連接至運算放大器12a的同相輸入端(+)。另 外，通過使開關元件S9 S19中的開關元件S14和S16導通、而其餘的關斷，使運算放大器 12a的輸出連接至電容器Cl的正端子、使運算放大器12b的輸出連接至電容器Cl的負端 子，成為由運算放大器12a、12b的輸出電壓對電容器Cl充電的狀態。該狀態為第1狀態。此外，由於此時開關元件S11、S12和S19為關斷，故虛擬開關元件Dl D3為導通 狀態。接下來如圖3所示，通過導通/關斷控制開關元件Sl S19和虛擬開關元件Dl D3，使偏移消除電路200成為第2狀態。通過使開關元件S6導通、並使開關元件Sl關斷， 使電阻R1、R3的連接點A連接至運算放大器12a的同相輸入端(+)；通過使開關元件S8導 通、並使開關元件S2關斷，使電阻R2、R4的連接點B連接至運算放大器12b的同相輸入端 (+)；通過使開關元件S4導通、並使開關元件S7關斷，使電阻R1、R2的連接點C接地；通過 使開關元件S3導通、並使開關元件S5關斷，對電阻R3、R4的連接點D施加電源電壓Vcc。 另外，通過使開關元件S9 S19中的開關元件S15和S16導通、而其餘的關斷，使運算放大 器12a的輸出連接至電容器C2的負端子、使運算放大器12b的輸出連接至電容器C2的正端 子，成為由運算放大器12a、12b的輸出電壓對電容器C2充電的狀態。該狀態為第2狀態。此外，由於此時開關元件S11、S12和S19為關斷，故虛擬開關元件Dl D3為導通 狀態。如此施加電壓使流過霍爾元件10的電流方向改變、而切換第1和第2狀態，對霍 爾元件10的4個端子由兩個方向(90° )的霍爾電壓Vl和V2，分別對電容器Cl和C2充 H1^ ο充電電壓Vl是對第1狀態的霍爾電壓Vhall加上了偏移電壓Voff的值。也就是 說，充電電壓Vl = Vhall+Voff。當使流過霍爾元件10的電流變化90°時，由於霍爾元件 10的偏移電壓Voff逆向產生，所以充電電壓V2是第2狀態的霍爾電壓Vhall減去偏移電 壓Voff所得的值。也就是說，充電電壓V2 = Vhall-Voff0輸出狀態如圖4所示，關斷開關元件S13 S16，截斷運算放大器12a、12b與電容 器Cl和C2。另外，通過導通開關元件Sll、S12和S19、並關斷開關元件S18，經電容器C4， 使電容器Cl和C2的正端子共同連接至運算放大器20a的輸入端的一端。另外，通過導通 開關元件S9和S10，使電容器Cl和C2的負端子共同連接至運算放大器20a的輸入端的另 一端。運算放大器20a的另一端設為由基準電壓生成電路20b所生成的Vref。電容器C3 的電荷消去所用的開關元件S17也為關斷狀態。此外，由於此時開關元件S11、S12和S19為導通，故虛擬開關元件Dl D3為關斷 狀態。通過使偏移消除電路200為輸出狀態，使電容器Cl和C2被並聯，電容器Cl和C2 中存儲的電荷在電容器Cl、C2和C3中被再分配，從而充電電壓Vl和V2被平均化。由此， 霍爾元件10的輸出電壓的偏移值被消除，作為輸出電壓Vout而被輸出。此處參照圖5和圖6，對虛擬開關元件Dl D3的作用進行說明。圖5和圖6示意性地示出了從第1狀態和第2狀態的切換結束、電容器Cl和C2中存儲了電荷的狀態，切換 至輸出狀態的情況下電荷移動的情形。在未設有虛擬開關元件Dl D3的結構中，如圖5所示，在開關元件Sll、S12和 S19為關斷時，電容器Cl和C2分別被充電至電壓Vl和V2。此時，電容器Cl中存儲了電荷 Ql = V1/C1，電容器C2中存儲了電荷Q2 = V2/C2。通過開關元件Sl 1、S12和S19為導通，如圖5(b)所示，電容器Cl和C2的正端子 與電容器C3的正端子連接，電荷Ql、Q2的一部分AQll、AQ12和Δ Q19被開關元件S11、 S12和S19的溝道吸收。其結果是，電荷Q1+Q2- AQll-A Q12- Δ Q19被電容器Cl C3再分 配。該電荷Δ Qll+Δ Q12+Δ Q19部分作為將輸出電壓Vout下拉的電荷注入噪聲而起作用。在設置了虛擬開關元件Dl D3的結構中，如圖6(a)所示，開關元件Sll、S12和 S19在關斷時電容器Cl和C2分別被充電至電壓Vl和V2，並且虛擬開關元件Dl D3的溝 道也被充了電荷QD1、QD2和QD3。當開關元件Sl 1、S12和S19被導通時，虛擬開關元件Dl D3被關斷，如圖6(b) 所示，電容器Cl和C2的正端子與電容器C3的正端子連接。此時，通過預先調整開關元件 S11、S12和S19的寄生電容與虛擬開關元件Dl D3的寄生電容，可由電荷QD1、QD2和QD3 來補償被開關元件Sll、S12和S19的溝道所吸收的電荷部分。其結果是，電荷Q1+Q2被正 確地再分配於電容器Cl C3，輸出電壓Vout也成為更為準確地表示霍爾電壓的值。具體而言，虛擬開關元件Dl D3的寄生電容優選為開關元件Sll、S12和S19的 寄生電容的0.5至1.5倍左右。此外，圖7中表示了對開關元件S13 S16設置了虛擬開關元件的情況下的與輸 出電壓Vout的關係的仿真結果。圖7表示了未設置虛擬開關元件的情況和設有虛擬開關 元件的情況的對於輸出電壓Vout的理想值的差的比例。圖7中，負號表示仿真結果是比理 想值低的值。如圖7所示，即使開關元件S13 S16連接虛擬開關元件，反而還進一步下拉 了輸出電壓Vout，對輸出電壓Vout的電荷注入噪聲的減低效果小。這推定為如下的原因在開關元件S13 S16與虛擬開關元件連接的情況下，在第 1狀態或是第2狀態下電容器Cl和C2充電後，在開關元件S13 S16關斷和虛擬開關元件 導通時，電容器Cl和C2中存儲的電荷的一部分被虛擬開關元件所吸收。由此，對開關元件S13 S16，優選為不連接虛擬開關元件。也就是說，優選為在偏 移消除電路200中，在施加了來自外部的電壓使流過霍爾元件10的電流轉換的情況下，按 其狀態，控制導通/關斷使霍爾元件10的輸出電壓施加至電容器Cl和C2的其中之一；在 第1狀態和第2狀態下，用於連接運算放大器12a、12b的輸出端至電容器Cl和C2的開關 元件，不與虛擬開關元件連接。另外，開關元件S9和S10，由於在輸出狀態後成為低阻抗，所以即使對開關元件S9 和SlO也連接虛擬開關元件，對輸出電壓Vout的電荷注入噪聲的減低效果也小。由此，優 選對開關元件S9和SlO也不連接虛擬開關元件。另外，圖8是表示偏移消除電路200的電容器Cl和C2的元件結構的例子。電容器Cl和C2在半導體基板30上由多晶矽層32、絕緣層34和多晶矽層36層 疊而構成。在將絕緣層34和多晶矽層36圖形化而形成的開口部的多晶矽層32的表面，形 成電極38。絕緣層34在多晶矽層32上層疊而形成，多晶矽層36在絕緣層34上層疊而形成。多晶矽層36的表面上形成電極40。從電極38和電極40引出輸出端子。具有這樣的構造的電容器Cl和C2在半導體基板30接地的狀態下，利用電極38 和電極40之間的電容量。圖9中表示了電容器Cl和C2的等效電路。如圖9所示，電容器 Cl和C2上，連接了在半導體基板30上形成的寄生電容Cx。利用這樣的電容器Cl和C2的情況下，如圖10 (a)所示，當偏移消除電路200的電 容器Cl和C2的正端子側被配置了寄生電容Cx，而與運算放大器12a、12b連接時，在輸出 狀態下，使電容器Cl和C2中存儲的電荷被在電容器Cl、C2和C3中電荷再分配時，除了浮 動(floating)狀態的電容器C1、C2和C3之外，對寄生電容Cx也進行電荷再分配。其結果 是，會輸出比正確的霍爾電壓低的輸出電壓Vout。另一方面，如圖10(b)所示，當偏移消除電路200的電容器Cl和C2的負端子側被 配置了寄生電容Cx，而與運算放大器12a、12b連接時，在輸出狀態下，使電容器Cl和C2中 存儲的電荷被在電容器C1、C2和C3中電荷再分配時，電容器Cl和C2的負端子和寄生電容 Cx的端子被置為基準電壓Vref。對寄生電容Cx提供與來自基準電壓生成電路的20b等的 基準電壓Vref相對應的電荷，電容器Cl和C2中存儲的電荷被正確地再分配到電容器Cl、 C2和C3。其結果是，輸出電壓Vout會更為接近正確的霍爾電壓。在對電容器Cl和C2充電時，和對電容器Cl、C2和C3再分配電荷的時候，會產生 基準電壓的差。該基準電壓的差，是霍爾元件10的中心電壓與運算放大器20a所使用的基 準電壓生成電路的20b的基準電壓之間的差。除了該電壓差，由寄生電容所帶來的電荷的 影響在運算放大器20a的比較時也會產生偏移。如圖10(b)所示，通過配置寄生電容Cx，在 運算放大器20a的比較時可以減少偏移的影響。如上所述，根據本發明的實施方式，可以消除霍爾元件的輸出電壓的偏移電壓，並 且還可以減低對偏移消除電路的電荷注入噪聲的影響。
權利要求
一種偏移消除電路，是霍爾元件的偏移消除電路，其特徵在於，具備多個電容器；第1開關元件群，進行導通/關斷控制，以便按照切換流過所述霍爾元件的電流的方式從外部施加電壓，並按其狀態，使所述霍爾元件的輸出電壓施加給所述多個電容器的其中之一；和第2開關元件群，進行導通/關斷控制，以便在所述多個電容器並聯連接的狀態下輸出與對所述多個電容器所充電的電荷相對應的輸出電壓；對所述第2開關元件群的至少一部分連接與該開關元件互斥地進行導通/關斷控制的虛擬開關元件。
2.根據權利要求1所述的偏移消除電路，其特徵在於，含有多個與所述虛擬開關元件連接的所述開關元件；該多個開關元件在所述多個電容器並聯連接的狀態下，共同連接於並聯連接的所述多 個電容器的一個輸出端。
3.根據權利要求1或2所述的偏移消除電路，其特徵在於，在所述多個電容器並聯連接的狀態下，對並聯連接的所述多個電容器的一個輸出端施 加基準電壓，而只對並聯連接的所述多個電容器的另一個輸出端連接與所述虛擬開關元件 連接的所述開關元件。
4.根據權利要求1至3中的任意一項所述的偏移消除電路，其特徵在於，所述第1開關元件群不與虛擬開關元件連接。全文摘要
一種偏移消除電路，施加來自外部的電壓以切換流過霍爾元件(10)的電流時，在其各種狀態下以霍爾元件(10)的輸出電壓分別對多個電容器(C1、C2)充電。對與多個電容器(C1、C2)並聯的開關元件(S11、S12)，連接著被與開關元件(S11、S12)互斥地控制導通/關斷的虛擬開關元件(D1、D2)。由此，可減低霍爾元件的偏移消除電路的基準電壓差和由偏移消除電路的電容元件中所帶寄生電容所產生的輸出偏移。
文檔編號H02M3/07GK101908820SQ20101018822
公開日2010年12月8日 申請日期2010年5月25日 優先權日2009年6月8日
發明者小川隆司 申請人:三洋電機株式會社;三洋半導體株式會社