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CN113758596A - 传感器驱动电路 - Google Patents

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CN113758596A CN202110478038.XA CN202110478038A CN113758596A CN 113758596 A CN113758596 A CN 113758596A CN 202110478038 A CN202110478038 A CN 202110478038A CN 113758596 A CN113758596 A CN 113758596A
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中村一
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Mitsumi Electric Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种传感器驱动电路，其能够通过比较简单的电路结构来高精度地修正基于温度的传感器的输出误差。传感器驱动电路通过电流来驱动灵敏度的温度特性的一次系数为负，二次系数为正的传感器，具备：第一电流源，其生成温度特性的一次系数为正，二次系数为负的第一电流；第二电流源，其生成温度特性的一次系数为负，二次系数为负的第二电流；第一电流运算部，其将所述第一电流与所述第二电流相加来生成第三电流；电流放大部，其将所述第三电流放大来生成放大后电流；恒流源，其生成温度修正后的恒流；以及第二电流运算部，其对所述放大后电流相加所述恒流来生成驱动所述传感器的驱动电流。

Description

传感器驱动电路
技术领域
本发明涉及一种传感器驱动电路。
背景技术
目前研究出一种技术，通过使传感器的驱动电流或驱动电压具有温度特性，能够改善传感器的跨距(Span)电压的温度特性。
例如，在下述专利文献1、2中公开了如下技术：在生成驱动电流时，通过由感温电阻(热敏电阻或温度特性系数不同的电阻的组)进行的电源电压的分压，能够对传感器的温度特性的一次分量进行补偿。
另外，在下述专利文献3中公开了如下技术：通过在从BGR(Band Gap Reference带隙基准)电压生成传感器的驱动电压时的增益(Gain)中加入感温电阻，能够补偿到传感器的温度特性的二次分量。
另外，在下述专利文献4中公开了如下技术：参照温度传感器的输出，根据其输出使电流增减，由此能够对温度传感器的温度特性进行补偿。
然而，上述专利文献1～4的技术都不是能够通过比较简单的电路结构对传感器的跨距电压的温度特性的二次分量进行补偿的技术。因此，上述专利文献1～4的技术均不是能够通过比较简单的电路结构来高精度地修正基于温度的传感器的输出误差的技术。
另外，在基于高精度的温度来修正传感器的输出误差的情况下，考虑数字方法的修正。所谓数字方法的修正是以下方法：取得温度数据，在存储区域(NVM(非易失性存储器)等)中预先存储与温度对应的修正量(函数)，由此在将传感器的输出误差进行A-D转换的数字化之后，通过运算器进行修正。例如，在采用了相对于用于取得温度的温度传感器以及想要进行修正的传感器，仅有一个A-D转换器的结构时，需要通过多路选择器(Multiplexer)切换并取得想要进行修正的传感器的输出和温度传感器的输出，并对各个输出进行A-D转换。在该情况下，与不进行该切换动作的情况相比，由于取得温度的切换动作，一般会产生数毫秒的多余时间。通过准备多个A-D转换器，能够不产生多余的时间，但准备多个A-D转换器会扩大芯片的面积，关系到传感器驱动电路单价的上升，不是希望的方法。
专利文献1：日本特开2001-091296号公报
专利文献2：日本特开平09-101211号公报
专利文献3：日本特开2001-091387号公报
专利文献4：日本特开平11-108786号公报
发明内容
一实施方式的传感器驱动电路是通过电流对灵敏度的温度特性的一次系数为负，二次系数为正的传感器进行驱动的传感器驱动电路，其具备：第一电流源，其生成温度特性的一次系数为正，二次系数为负的第一电流；第二电流源，其生成温度特性的一次系数为负，二次系数为负的第二电流；第一电流运算部，其将所述第一电流与所述第二电流相加来生成第三电流；电流放大部，其将所述第三电流放大来生成放大后电流；恒流源，其生成进行温度修正后的恒流；以及第二电流运算部，其对所述放大后电流加上所述恒流来生成驱动所述传感器的驱动电流。
根据一实施方式的传感器驱动电路，能够通过比较简单的电路结构高精度地修正基于温度的传感器的输出误差。另外，根据一实施方式的传感器驱动电路，通过模拟的方法，在已输入给A-D转换器的时间点修正了基于温度的传感器的输出误差，因此不需要为了取得温度而切换A-D转换器，因此不会产生用于取得温度的时间。
附图说明
图1表示第一实施方式的传感器驱动电路的电路结构。
图2表示基于第一实施方式的传感器驱动电路的MEMS压力传感器的跨距电压的温度特性的修正结果的一例。
图3表示第二实施方式的传感器驱动电路的电路结构。
图4表示第三实施方式的传感器驱动电路的电路结构。
图5表示第四实施方式的传感器驱动电路的电路结构。
具体实施方式
以下，参照附图对一实施方式进行说明。
(第一实施方式)
图1表示第一实施方式的传感器驱动电路100的电路结构。图1所示的传感器驱动电路100能够对MEMS压力传感器12进行电流驱动。特别是传感器驱动电路100使MEMS压力传感器12的驱动电流lout具有与MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性相反的温度特性(包含二次分量)，从而能够消除MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性的二次分量。由此，传感器驱动电路100能够高精度地修正基于温度的MEMS压力传感器12的输出误差。在图1所示的例子中，MEMS压力传感器12的检测信号(模拟信号)被提供给A-D转换器14，通过A-D转换器14转换为数字信号。
如图1所示，MEMS压力传感器12由4个压电电阻元件12a～12d构成桥接电路。第一实施方式的传感器驱动电路100不限于用于驱动MEMS压力传感器12，也可以用于驱动其他传感器(例如力传感器、半导体应变计、加速度传感器、陀螺仪传感器等)。
如图1所示，传感器驱动电路100具备：第一电流源110、第二电流源120、连接点A、电流放大部130、第一恒流源140、连接点B以及微调块150。
第一电流源110生成温度特性的一次系数为正，二次系数为负的第一电流I1。具体而言，第一电流源110通过I1＝V1/R1来生成第一电流I1。电压V1和电阻R1均具有正的温度特性。在图1所示的例子中，第一电流源110构成为具备双极晶体管111和NMOSFET112(“第一电阻”的一例)。并且，在图1所示的例子中，第一电流源110使用来源于带隙基准电压(PTAT(Proportional To Absolute Temperature：与绝对温度成正比)电压)的恒定电压(即，温度特性平坦的恒定电压)Vref减去双极晶体管111的阈值电压Vf1而得到的电压(Vref－Vf1)来作为电压V1。另外，第一电流源110使用导通状态的NMOSFET112作为电阻R1。并且，在图1所示的例子中，第一电流源110对NMOSFET112的漏极端子施加上述电压(Vref－Vf1)，由此生成第一电流I1。
第二电流源120生成温度特性的一次系数为负，二次系数为负的第二电流I2。具体而言，第二电流源120通过I2＝V2/R2来生成第二电流I2。电压V2及电阻R2均具有负的温度特性。在图1所示的例子中，第二电流源120构成为具备双极晶体管121以及多晶硅电阻122(“第二电阻”的一例)。并且，在图1所示的例子中，第二电流源120使用双极晶体管121的阈值电压Vf2作为电压V2。另外，第二电流源120使用多晶硅电阻122作为电阻R2。并且，在图1所示的例子中，第二电流源120通过对多晶硅电阻122施加所述阈值电压Vf2来生成第二电流I2。
连接点A是“第一电流运算部”的一例。连接点A将第一电流源110与第二电流源120连接。由此，连接点A将第一电流源110生成的第一电流I1与第二电流源120生成的第二电流I2相加来生成第三电流ITC。
通过将第一电流I1中的温度特性的一次系数(正)与第二电流I2中的温度特性的一次系数(负)相加，在连接点A生成的第三电流ITC具有比较小的(0或0附近的)一次系数。另外，通过使第一电流I1以及第二电流I2各自的温度特性的贡献度一致，能够使第三电流ITC的一次系数为0或0附近。例如，在将室温设定为20～30℃，优选设为22～28℃，更优选设为23～27℃的环境中，将第一电流I1以及第二电流I2的电流值例如设定为I1/I2＝0.7～1.3，优选设定为I1/I2＝0.8～1.2，更优选设定为I1/I2＝0.9～1.1。
另外，通过将第一电流I1中的温度特性的二次系数(负)与第二电流I2中的温度特性的二次系数(负)相加，在连接点A生成的第三电流ITC具有比较大的负的二次系数。
优选预先调整多晶硅电阻122的电阻R2等，使得第三电流ITC的温度特性中的一次系数与二次系数之比变得与跨距电压的温度特性的相反特性中的一次系数与二次系数之比相等或者近似。
电流放大部130将在连接点A生成的第三电流ITC放大至m倍，生成放大后电流ITC’。在图1所示的例子中，电流放大部130由电流镜电路构成。在此，优选电流放大部130将第三电流ITC放大至m倍，使得放大后电流ITC’中的温度特性的二次系数的大小变得与MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性的相反特性的温度特性的二次系数的大小相等或近似。
第一恒流源140生成进行温度修正后的第一恒流Ic(即，温度特性平坦的恒流)。另外，优选根据MEMS压力传感器12的电阻值、所供给的电源电压VDD等来适当调整第一恒流Ic，使得在预定的基准温度(例如，25℃)下驱动电流Iout成为预定值(例如300uA)。
连接点B是“第二电流运算部”的一例。连接点B将电流放大部130与第一恒流源140连接。由此，连接点B对电流放大部130生成的放大后电流ITC’加上由第一恒流源140生成的第一恒流Ic，来生成用于驱动MEMS压力传感器12的驱动电流Iout。
微调块150是“微调部”的一例。微调块150能够进行传感器驱动电路100的各部的微调(调整)。例如，微调块150能够进行第二电流源120所具备的多晶硅电阻122的电阻R2、决定第一电流源110中的恒定电压Vref的可变电阻的电阻值、电流放大部130的放大率m等的微调。关于微调块150的微调，设想了数字微调，但也可以是激光微调。
第一实施方式的传感器驱动电路100根据上述结构，能够生成具有与MEMS压力传感器120的跨距电压的温度特性相反的温度特性(包含二次特性)的驱动电流Iout，通过该驱动电流Iout驱动MEMS压力传感器12。由此，第一实施方式的传感器驱动电路100能够在模拟信号处理的阶段消除MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性的二次分量。结果，MEMS压力传感器12的输出电压Vout为Vout≈1/2×π44×σ×R×Iout(其中，π44是压电电阻系数，σ是施加于元件的应力)，π44×R是与Iout相反的特性，因此温度特性平坦。因此，根据第一实施方式的传感器驱动电路100，能够通过比较简单的电路结构，高精度地修正基于温度的MEMS压力传感器12的输出误差。
(实施例)
接下来，参照图2，对第一实施方式的传感器驱动电路100的一实施例进行说明。图2表示基于第一实施方式的传感器驱动电路100的MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性的修正结果的一例。
在本实施例中，测定MEMS压力传感器12被施加4kPa、300uA时的跨距电压来作为实测数据，导出与测定出的实测数据的温度特性相反的温度特性。并且，在本实施例中进行以下的模拟：将具有所导出的相反的温度特性的驱动电流作为由第一实施方式的传感器驱动电路100生成的驱动电流Iout来使用，驱动MEMS压力传感器12。
另外，在本实施例中使用的各条件如下。
·电源电压：3.3V
·第一电流源110的电压V1使用的恒定电压：1.1V
·第一电流源110的NMOSFET112的尺寸：W＝2um，L＝35um
·多晶硅电阻122的电阻值R2：86kΩ
·在基准温度“25℃”下，对从第一恒流源140输出的第一恒流Ic进行了调整，使得驱动电流Iout成为“300uA”。
在图2中，用虚线表示了修正前的跨距电压的温度特性，用实线表示了修正后的跨距电压的温度特性。在图2中，将基准温度“25℃”下的跨距电压描绘成100％。
如图2所示，在修正前的跨距电压的温度特性中，在0～50℃的温度范围内，跨距电压的变化幅度比较大。另一方面，如图2所示，在修正后的跨距电压的温度特性中，确认了在0～50℃的温度范围内能够使跨距电压的变化幅度比较小。
具体而言，在修正前的跨距电压的温度特性中，跨距电压的变化幅度为1.6％。与此相对，确认了在修正后的跨距电压的温度特性中，能够将跨距电压的变化幅度收敛在作为目标的±0.1％的范围内，并且能够使跨距电压的变化幅度非常小为0.02％。
(第二实施方式)
接着，参照图3对第二实施方式进行说明。图3表示第二实施方式的传感器驱动电路100-2的电路结构。以下，关于第二实施方式的传感器驱动电路100-2，说明相对于第一实施方式的传感器驱动电路100的变更点。
图3所示的传感器驱动电路100-2没有设置连接点B。取而代之，传感器驱动电路100-2在连接点A与电流放大部130之间设置了连接点C，在该连接点C连接了第一恒流源140。即，图1所示的传感器驱动电路100在电流放大部130的后级设置了第一恒流源140，与此相对，图3所示的传感器驱动电路100-2在电流放大部130的前级设置了第一恒流源140，在这一点上两者不同。
连接点C是“第二电流运算部”的一例。连接点C将连接点A与第一恒流源140连接。由此，连接点C从连接点A生成的第三电流ITC中减去由第一恒流源140生成的第一恒流Ic，生成第四电流ITC2。
在图3所示的传感器驱动电路100-2中，电流放大部130将连接点C生成的第四电流ITC2放大至m倍，生成用于驱动MEMS压力传感器12的驱动电流Iout2。在此，优选电流放大部130将第四电流ITC2放大至m倍，使得驱动电流Iout2中的温度特性的二次系数的大小与MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性的相反特性的温度特性的二次系数的大小相等或者近似。
第二实施方式的传感器驱动电路100-2通过上述结构，能够在电流放大部130进行放大处理之前，通过由第一恒流源140生成的第一恒流Ic来调整第三电流ITC(减去第一恒流Ic)，生成第四电流ITC2。并且，第二实施方式的传感器驱动电路100-2能够通过使用电流放大部130将第四电流ITC2放大至m倍，生成具有与MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性相反的温度特性(包含二次特性)的驱动电流Iout2，通过该驱动电流Iout2驱动MEMS压力传感器12。由此，第二实施方式的传感器驱动电路100-2能够在模拟信号处理的阶段消除MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性的二次分量。结果，MEMS压力传感器12的输出电压Vout为Vout≈1/2×π44×σ×R×Iout，π44×R是与Iout相反的特性，因此温度特性变得平坦。因此，根据第二实施方式的传感器驱动电路100-2，能够通过比较简单的电路结构高精度地修正基于温度的MEMS压力传感器12的输出误差。
(第三实施方式)
接着，参照图4对第三实施方式进行说明。图4表示第三实施方式的传感器驱动电路100-3的电路结构。以下，关于第三实施方式的传感器驱动电路100-3，说明相对于第一实施方式的传感器驱动电路100的变更点。
图4所示的传感器驱动电路100-3具备第一电流源110-2和第二电流源120-2来代替第一电流源110和第二电流源120。第一电流源110-2具备多晶硅电阻113来代替NMOSFET112。第二电流源120-2具备NMOSFET123来代替多晶硅电阻122。即，图4所示的传感器驱动电路100-3在第一电流源110-2具备多晶硅电阻113并且第二电流源120-2具备NMOSFET123这一点上，与图1所示的传感器驱动电路100不同。
由此，在传感器驱动电路100-3中，第一电流源110-2通过向多晶硅电阻113施加上述电压(Vref－Vf1)，来生成温度特性的一次系数为正，二次系数为正的第一电流I1a。
另外，在传感器驱动电路100-3中，第二电流源120-2通过向NMOSFET123的漏极端子施加上述阈值电压Vf2，生成温度特性的一次系数为负，二次系数为正的第二电流I2a。
并且，在传感器驱动电路100-3中，将由第一电流源110-2生成的第一电流I1a与由第二电流源120-2生成的第二电流I2a相加，生成第三电流ITCa。
在传感器驱动电路100-3中，通过将第一电流I1a中的温度特性的一次系数(正)与第二电流I2a中的温度特性的一次系数(负)相加，在连接点A生成的第三电流ITCa具有比较小(0或0附近)的一次系数。
另外，在传感器驱动电路100-3中，通过将第一电流I1a中的温度特性的二次系数(正)与第二电流I2a中的温度特性的二次系数(正)相加，在连接点A生成的第三电流ITCa具有比较大的正的二次系数。
另外，在传感器驱动电路100-3中，电流放大部130将由连接点A生成的第三电流ITCa放大至m倍，生成放大后电流ITCa’。
另外，图4所示的传感器驱动电路100-3还具备第二恒流源142以及连接点D。第二恒流源142生成温度修正后的第二恒流Ic2(即，温度特性平坦的恒流)。连接点D将电流放大部130与第二恒流源142连接。由此，连接点D从第二恒流源142生成的第二恒流Ic2中减去电流放大部130生成的放大后电流ITCa’，生成二次系数为负的减法运算后电流I3。
并且，在传感器驱动电路100-3中，连接点B将连接点D生成的减法运算后电流I3与第一恒流源140生成的第一恒流Ic相加，生成用于驱动MEMS压力传感器12的驱动电流Iout3。
第三实施方式的传感器驱动电路100-3通过上述结构，能够生成具有与MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性相反的温度特性(包含二次特性)的驱动电流，通过该驱动电流Iout3驱动MEMS压力传感器12。由此，第三实施方式的传感器驱动电路100-3能够在模拟信号处理的阶段消除MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性的二次分量。结果，MEMS压力传感器12的输出电压Vout为Vout≈1/2×π44×σ×R×Iout，π44×R是与Iout相反的特性，因此温度特性变得平坦。因此，根据第三实施方式的传感器驱动电路100-3，能够通过比较简单的电路结构高精度地修正基于温度的MEMS压力传感器12的输出误差。
(第四实施方式)
接着，参照图5对第四实施方式进行说明。图5表示第四实施方式的传感器驱动电路100-4的电路结构。以下，关于第四实施方式的传感器驱动电路100-4，说明相对于第三实施方式的传感器驱动电路100-3的变更点。
图5所示的传感器驱动电路100-4没有设置连接点D。取而代之，传感器驱动电路100-4在连接点A与电流放大部130之间设置有连接点C，在该连接点C上连接有第二恒流源142。即，图4所示的传感器驱动电路100-3在电流放大部130的后级设置了第二恒流源142，与此相对，图5所示的传感器驱动电路100-4在电流放大部130的前级设置了第二恒流源142，在这一点上两者不同。连接点C从第二恒流源142生成的第二恒流Ic2中减去连接点A生成的第三电流ITCa，生成二次系数为负的减法运算后电流I4。
在图5所示的传感器驱动电路100-4中，电流放大部130将由连接点C生成的减法运算后电流I4放大至m倍来生成放大后电流I4’。
另外，在传感器驱动电路100-4中，连接点B对电流放大部130生成的放大后电流I4’加上由第一恒流源140生成的第一恒流Ic，来生成驱动MEMS压力传感器12的驱动电流Iout4。
第四实施方式的传感器驱动电路100-4通过上述结构，能够在由电流放大部130进行放大处理之前，从第二恒流源142生成的第二恒流Ic2中减去二次系数为正的第三电流ITCa来生成二次系数为负的减法运算后电流I4。并且，第四实施方式的传感器驱动电路100-4能够通过电流放大部130将减法运算后电流I4放大至m倍，生成放大后电流I4’，并且对放大后电流I4’加上第一恒流Ic，由此生成具有与MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性相反的温度特性(包含二次特性)的驱动电流Iout4，通过该驱动电流Iout4驱动MEMS压力传感器12。由此，第四实施方式的传感器驱动电路100-4在模拟信号处理阶段，能够消除MEMS压力传感器12的跨距电压的温度特性的二次分量。结果，MEMS压力传感器12的输出电压Vout为Vout≈1/2×π44×σ×R×Iout，π44×R为与Iout相反的特性，温度特性平坦。因此，根据第四实施方式的传感器驱动电路100-4，能够通过比较简单的电路结构高精度地修正基于温度的MEMS压力传感器12的输出误差。
以上对本发明的一实施方式进行了详细叙述，但是本发明不限于这些实施方式，能够在权项保护范围所记载的本发明的主旨的范围内进行各种变形或变更。
例如，在一个实施方式中，使用多晶硅电阻以及NMOSFET作为电阻R1、R2，在一般的模拟CMOS工艺中能够在一个芯片上实现，所以涉及到部件个数的削减带来的成本降低、故障概率的降低。但是，不限于此，也可以使用其他的电阻(例如，配线电阻、热敏电阻等)作为电阻R1、R2。
另外，传感器驱动电路的电路结构不限于在一实施方式中说明的电路结构。传感器驱动电路的电路结构只要至少能够生成具有与传感器的跨距电压的温度特性相反的温度特性的驱动电流，则可以是任意的电路结构。
附图标记的说明
12 MEMS压力传感器
14 A-D转换器
100，100-2，100-3，100-4 传感器驱动电路
110，110-2 第一电流源
111 双极晶体管
112 NMOSFET(第一电阻)
113 多晶硅电阻
120，120-2 第二电流源
121 双极晶体管
122 多晶硅电阻(第二电阻)
123 NMOSFET
130 电流放大部
140 第一恒流源
142 第二恒流源
150 微调块(微调部)
A 连接点(第一电流运算部)
B 连接点(第二电流运算部)
C 连接点
D 连接点
I1、I1a 第一电流
I2、I2a 第二电流
I3、I4 减法运算后电流
ITC、ITCa 第三电流
ITC2、ITC3 第四电流
ITC’，ITCa’，I4’ 放大后电流
Ic 第一恒流
Ic2 第二恒流
Iout 驱动电流。

Claims (6)

1.一种传感器驱动电路，其通过电流驱动传感器，其特征在于，
所述传感器驱动电路生成具有与所述传感器的输出电压的温度特性相反的温度特性的所述传感器的驱动电流。
2.根据权利要求1所述的传感器驱动电路，其特征在于，
所述传感器驱动电路是通过电流对灵敏度的温度特性的一次系数为负，二次系数为正的所述传感器进行驱动，
所述传感器驱动电路具备：
第一电流源，其生成温度特性的一次系数为正，二次系数为负的第一电流；
第二电流源，其生成温度特性的一次系数为负，二次系数为负的第二电流；
第一电流运算部，其将所述第一电流与所述第二电流相加来生成第三电流；
电流放大部，其将所述第三电流放大来生成放大后电流；
恒流源，其生成温度修正后的恒流；以及
第二电流运算部，其对所述放大后电流加上所述恒流来生成驱动所述传感器的驱动电流。
3.根据权利要求2所述的传感器驱动电路，其特征在于，
所述驱动电流消除所述传感器的输出电压的温度特性的一次系数以及二次系数。
4.根据权利要求2或3所述的传感器驱动电路，其特征在于，
所述传感器驱动电路具备能够对所述第一电流进行微调的微调部。
5.根据权利要求2或3所述的传感器驱动电路，其特征在于，
所述传感器驱动电路具备能够对所述放大后电流进行微调的微调部。
6.根据权利要求1所述的传感器驱动电路，其特征在于，
所述传感器驱动电路通过电流驱动灵敏度的温度特性的一次系数为负，二次系数为正的所述传感器，
所述传感器驱动电路具备：
第一电流源，其生成温度特性的一次系数为正，二次系数为正的第一电流；
第二电流源，其生成温度特性的一次系数为负，二次系数为正的第二电流；
第一电流运算部，其将所述第一电流与所述第二电流相加来生成第三电流；
电流放大部，其将所述第三电流放大来生成放大后电流；
第一恒流源，其生成温度修正后的第一恒流；
第二电流运算部，其从所述第一恒流减去所述放大后电流来生成减法运算后电流；
第二恒流源，其生成温度修正后的第二恒流；以及
第三电流运算部，其对所述减法运算后电流相加所述第二恒流来生成驱动所述传感器的驱动电流。
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