特許 6969991 センサ出力回路およびセンサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6969991

(24)【登録日】2021年11月1日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】センサ出力回路およびセンサ装置

(51)【国際特許分類】

   H03K 19/0175 20060101AFI20211111BHJP

   H04L 25/02 20060101ALI20211111BHJP

   H03F 1/22 20060101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   H03K19/0175 220

   H04L25/02 W

   H04L25/02 S

   H03F1/22

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-229802(P2017-229802)

(22)【出願日】2017年11月30日

(65)【公開番号】特開2019-102903(P2019-102903A)

(43)【公開日】2019年6月24日

【審査請求日】2020年7月31日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】松本 昌大

(72)【発明者】

【氏名】中野 洋

(72)【発明者】

【氏名】小田部 晃

【審査官】 渡井 高広

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−１５８６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１５８１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０６０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１２９３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１４６０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２３６３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１４７８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６３６９６２０（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｋ １９／０１７５

Ｈ０４Ｌ ２５／０２

Ｈ０３Ｆ １／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス信号を出力する出力端子を有するセンサ出力回路において、
定電流駆動される第１のＭＯＳトランジスタと、
前記第１のＭＯＳトランジスタと前記出力端子の間に設けられる第２のＭＯＳトランジスタと、
前記第１のＭＯＳトランジスタと第１のカレントミラー回路を構成する第３のＭＯＳトランジスタと、
前記第２のＭＯＳトランジスタと第２のカレントミラー回路を構成し、前記第２のＭＯＳトランジスタのゲート電圧を発生させる第４のＭＯＳトランジスタと、を備え、
前記第１のＭＯＳトランジスタのソース端子は、グランドに接地され、
前記第１のＭＯＳトランジスタのゲート端子は、前記第３のＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続され、
前記第２のＭＯＳトランジスタのソース端子は、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレイン端子に接続され、前記第２のＭＯＳトランジスタのドレイン端子は、前記出力端子に接続され、
前記第２のＭＯＳトランジスタのゲート端子は、前記第４のＭＯＳトランジスタのドレイン端子に接続され、
前記第２のＭＯＳトランジスタのドレイン‐ソース間の耐圧は、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレイン‐ソース間の耐圧よりも高く、
前記第１のカレントミラー回路のソース側と第１の定電流源の間には、該ソース側の電流を制御する第１のスイッチ回路が存在し、
前記第２のカレントミラー回路のソース側と第２の定電流源の間には、該ソース側の電流を制御する第２のスイッチ回路が存在するセンサ出力回路。

【請求項2】

パルス信号を出力する出力端子を有するセンサ出力回路において、
定電流駆動される第１のＭＯＳトランジスタと、
前記第１のＭＯＳトランジスタと前記出力端子の間に設けられる第２のＭＯＳトランジスタと、
前記第１のＭＯＳトランジスタとカレントミラー回路を構成する第３のＭＯＳトランジスタと、
ＤＡ変換器と、を備え、
前記第１のＭＯＳトランジスタのソース端子は、グランドに接地され、
前記第１のＭＯＳトランジスタのゲート端子は、前記第３のＭＯＳトランジスタのゲート端子に接続され、
前記第２のＭＯＳトランジスタのソース端子は、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレイン端子に接続され、前記第２のＭＯＳトランジスタのドレイン端子は、前記出力端子に接続され、
前記第２のＭＯＳトランジスタのゲート端子は、前記ＤＡ変換器に接続され、
前記第２のＭＯＳトランジスタのドレイン‐ソース間の耐圧は、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレイン‐ソース間の耐圧よりも高く、
前記カレントミラー回路のソース側と定電流源の間には、該ソース側の電流を制御するスイッチ回路が存在するセンサ出力回路。

【請求項3】

前記第２のＭＯＳトランジスタのゲート電圧を一定に保つことで、前記第１のＭＯＳトランジスタのドレイン端子の電圧を定電圧に維持する請求項１または２に記載のセンサ出力回路。

【請求項4】

前記第１のＭＯＳトランジスタのゲート端子と前記第２のＭＯＳトランジスタのゲート端子の少なくとも一方にコンデンサが配置されている請求項１または２に記載のセンサ出力回路。

【請求項5】

前記出力端子のローレベルに振幅の小さい波形を重畳する請求項２に記載のセンサ出力回路。

【請求項6】

請求項１乃至５の何れか１項に記載のセンサ出力回路を備えるセンサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は出力信号ラインにパルス波形を出力するセンサ出力回路（センサ装置の出力回路）に係り、特に、出力信号ラインからの電波放射を低減できるセンサ出力回路に関する。

【背景技術】

【0002】

出力信号ラインにパルス波形を出力する出力回路のノイズの低減方法の例として、特許文献１に記載された技術がある。特許文献１では、出力電流を定電流化し、かつ、差動信号化することでノイズの低減を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７−２４９９７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では出力電流を定電流化し、かつ、差動信号化することでノイズの低減を図っている。また、特許文献１ではＬＳＩ内部の信号伝送を意図しているため、差動信号を用いることが可能である。差動信号はノイズ影響に対してもノイズ放射に対しても優れた効果を発揮する。しかし、センサ出力回路の様に出力信号ラインが数メートル以上あり、コスト制約が厳しい出力回路では差動信号を用いることが困難で、単線信号による信号伝送になる。この為、センサ出力回路では電波放射を押さえる為に出力電流の制限をより高精度に行う必要がある。つまり、上記従来技術では出力電流を高精度に制限することに対する配慮が欠けていた。

【0005】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的は単線信号による信号伝送でも電波放射を低減するセンサ出力回路を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明では、パルス信号を出力する出力端子を設け、前記出力端子に第１のＭＯＳトランジスタと第２のＭＯＳトランジスタを直列に接続し、前記第１のＭＯＳトランジスタは定電流で駆動し、前記第２のＭＯＳトランジスタは前記第１のＭＯＳトランジスタのドレイン端子を定電圧に維持するように働かせる。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、単線信号による信号伝送でも電波放射を低減するセンサ出力回路を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施例のセンサ出力回路の構成

【図2】ＭＯＳトランジスタ８の特性

【図3】出力端子９の電圧電流特性

【図4】出力端子９の動作波形

【図5】第３の実施例のセンサ出力回路の構成

【図6】第３の実施例における出力端子９の電流波形

【図7】第４の実施例のセンサ出力回路の構成

【図8】第５の実施例のセンサ出力回路の構成

【図9】第５の実施例における出力端子９の電圧波形

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各実施例は、矛盾しない限り組み合わせ可能である。

【0010】

［第１の実施例］
まず，本発明の第１の実施例であるセンサ出力回路を図１から図４により説明する。なお，図１は第１の実施例のセンサ出力回路の構成、図２はＭＯＳトランジスタ８の特性、図３は出力端子９の電圧電流特性、図４は出力端子９の動作波形である。

【0011】

本実施例のセンサ出力回路１は測定する物理量に応じて変化するパルス信号Ｖｉｎと、パルス信号Ｖｉｎに応じてオンオフ動作をするＭＯＳトランジスタ３，５と、定電流を発生させる定電流源２と、ＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧を発生させるＭＯＳトランジスタ４と、カレントミラー回路を構成するＭＯＳトランジスタ６，８と、ＭＯＳトランジスタ８のドレイン電圧を定電圧に維持するように働くＭＯＳトランジスタ７と、直列接続されたＭＯＳトランジスタ７，８により駆動される出力端子９から構成される。また、センサ出力回路１からの出力信号は出力信号ライン１０を介して制御回路１１へ伝えられる。制御回路１１はプルアップ抵抗１２と、コンデンサ１４と、入力ゲート回路１３より構成される。

【0012】

ここで、ＭＯＳトランジスタ８の特性は図２に示すように基本的には定電流駆動されるが、ドレイン端子電圧の増加と共にドレイン電流は増加する。特に、微細プロセスになるとドレイン電流の増加量は増える。近年、センサ出力回路の様なアナログ回路を主体にした回路においても、同一チップに集積化されるセンサ信号処理部のデジタル化に伴い、微細プロセス化が進んでいる。このドレイン電流が増加する特性は後述するように電波放射を増加させる。

【0013】

そこで、本実施例では、出力端子とＭＯＳトランジスタ８の間に、ＭＯＳトランジスタ７を配置し、ＭＯＳトランジスタ８のドレイン電圧が一定になるようにした。ＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧は、定電流源２の電流値とダイオード接続されたＭＯＳトランジスタ４，６により決まり、ほぼ一定に保たれる。ＭＯＳトランジスタ７のソース電圧（ＭＯＳトランジスタ８のドレイン電圧）は、ＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧からＭＯＳトランジスタ７のしきい値だけ低い電圧に保たれる。このことにより、図３に示すように出力端子９の電圧の増加に伴う出力端子９の電流の増加を１０分の１以下に低減できる。

【0014】

次に、図４によりセンサ出力回路１の動作を説明する。パルス信号Ｖｉｎがハイレベルの時、ＭＯＳトランジスタ３はオフ状態、ＭＯＳトランジスタ５はオン状態になる。この結果、ＭＯＳトランジスタ７，８のゲート電圧は０Ｖになるので、ＭＯＳトランジスタ７，８はオフ状態になり、プルアップ抵抗１２により出力端子９の電圧はハイレベルになる。次に、パルス信号Ｖｉｎがローレベルの時、ＭＯＳトランジスタ３はオン状態、ＭＯＳトランジスタ５はオフ状態になるので、定電流源２からの電流がＭＯＳトランジスタ４，６に流れる。この結果、ＭＯＳトランジスタ６、８で構成されるカレントミラー回路のソース側であるＭＯＳトランジスタ６のドレイン電流に比例した電流がＭＯＳトランジスタ８のドレインに流れるようになり定電流駆動される。ここで、図２に示した様にドレイン電圧の増加と共にドレイン電流が増加する傾向がある。本実施例におけるＭＯＳトランジスタ７は飽和領域で動作するので、ＭＯＳトランジスタ８のドレイン電圧を一定にするように働き、図３に示すように出力端子９に一定値の電流が流れる。この電流はプルアップ抵抗１２を介して流れるので出力端子の電圧はローレベルになる。

【0015】

この時、出力端子９に流れる電流はＭＯＳトランジスタ７が無い場合、図４に示すように大きなヒゲ状の電流が生じるが、ＭＯＳトランジスタ７が有る場合、ヒゲ状の電流は生じない。図４に示すヒゲ状の電流は、図３に示す出力端子９の電圧と電流の特性に勾配があると生じてしまう。本実施例のように、ＭＯＳトランジスタ７を付加することで、この特性を改善することができるため、ヒゲ状の電流を抑制する事ができる。また、図４に示したヒゲ状の電流は高周波成分が多いので、出力信号ライン１０にこの電流が流れると、電波放射が生じてしまう。しかし、本実施例によればヒゲ状の電流を無くすことができるので出力信号ライン１０からの電波放射を低減することができる。

【0016】

また、本実施例ではＭＯＳトランジスタ７を付加することで出力端子９の耐圧を向上させることができる。センサ出力回路１においては出力端子９に静電気や過電圧が印加されてもセンサ出力回路１が破壊されないようにする必要あり、出力端子９の耐圧を向上させる必要がある。

【0017】

以下、本実施例おいて出力端子９の耐圧が向上する理由を説明する。まず、パルス信号ＶｉｎがハイレベルでＭＯＳトランジスタ７，８がオフ状態の場合、出力端子９の耐圧はＭＯＳトランジスタ７とＭＯＳトランジスタ８のソース＝ドレイン耐圧の和になる。つまり、ＭＯＳトランジスタ７を付加することで出力端子９の耐圧をＭＯＳトランジスタ７のソース＝ドレイン耐圧分だけ向上させることができる。

【0018】

次に、パルス信号ＶｉｎがローレベルでＭＯＳトランジスタ７，８がオン状態の場合、出力端子９の耐圧は出力端子９に流れる電流と出力端子９の電圧の積で決まる。従って、出力端子９の電流を出力端子９の電圧に依らず一定に保てる本実施例ではより高い電圧まで破壊を防ぐことができる。つまり、より高い耐圧を得ることができる。

【0019】

次に、第１の実施例への高耐圧ＭＯＳトランジスタの適用について説明する。

【0020】

微細プロセスで使用できる高耐圧ＭＯＳトランジスタは図２で示した微細プロセスのＭＯＳトランジスタの特性よりも更にドレイン電流のドレイン電圧依存性が悪くなる。そこで、ＭＯＳトランジスタ７のみ高耐圧ＭＯＳトランジスタに変更することが有用である。まず、出力端子９の耐圧はＭＯＳトランジスタ７とＭＯＳトランジスタ８の耐圧の和で決まるので、少なくともＭＯＳトランジスタ７を高耐圧ＭＯＳトランジスタに置き換えることでより高い耐圧を得ることができる。

【0021】

次に、第１の実施例に駆動方法について説明する。本実施例の回路構成はＭＯＳトランジスタ４，６，７，８で構成されるカレントミラー回路と見なすことができ、このカレントミラー回路のソース側の電流をＭＯＳトランジスタ３，５を用いて制御している。この様にカレントミラー回路のソース側の電流を制御することでＭＯＳトランジスタ７のゲートを駆動する電圧の振幅を小さくすることが可能になる。ＭＯＳトランジスタ７のゲートを駆動する信号はＭＯＳトランジスタ７のゲート＝ドレイン間の容量を介して出力端子９に漏れ出て、出力信号ライン１０からの電波放射を生じさせる。つまり、ＭＯＳトランジスタ４，６，７，８で構成されるカレントミラー回路のソース側の電流をＭＯＳトランジスタ３，５を用いて制御することで、ＭＯＳトランジスタ７のゲート＝ドレイン間の容量を介して出力端子９に漏れ出て出力信号ライン１０から放射される電波を低減することができる。

【0022】

［第２の実施例］
本発明の第２の実施例について説明する。第１の実施例と同様の呼応性については説明を省略する。

【0023】

本実施例では、ＭＯＳトランジスタ８を低耐圧ＭＯＳトランジスタに、ＭＯＳトランジスタ７を高耐圧ＭＯＳトランジスタにする。ＭＯＳトランジスタ８のドレイン電流のドレイン電圧依存性を小さくし、ＭＯＳトランジスタ８のドレイン電圧をＭＯＳトランジスタ７で一定に保つことができるので、出力端子９の電流の出力端子９の電圧依存性に関して、良好な特性を得ることができる。

【0024】

これは、ＭＯＳトランジスタのドレイン電流のドレイン電圧依存性が高耐圧ＭＯＳトランジスタに比べて低耐圧ＭＯＳの方が良好であること、ＭＯＳトランジスタ８のドレイン電圧を一定に保つＭＯＳトランジスタ７の効果が高耐圧ＭＯＳトランジスタと低耐圧ＭＯＳトランジスタとで差が無いことから説明できる。また、チップサイズに関しても同じドレイン電流を流すための高耐圧ＭＯＳトランジスタのサイズは低耐圧ＭＯＳトランジスタが必要とするサイズに比べて大きくなる。このことから、ＭＯＳトランジスタ７を高耐圧ＭＯＳトランジスタにＭＯＳトランジスタ８を低耐圧ＭＯＳトランジスタにした方がチップサイズを小さくできる。つまり、ＭＯＳトランジスタ８のドレイン‐ソース間の耐圧より、ＭＯＳトランジスタ７のドレイン‐ソース間の耐圧を高くすることで、出力端子９の耐圧を向上でき、出力端子９の電流の出力端子９の電圧依存性を小さくでき、チップサイズも小さくできる。

【0025】

［第３の実施例］
次に，本発明の第３の実施例であるセンサ出力回路を図５、６により説明する。なお，図５は第２の実施例のセンサ出力回路の構成、図６は出力端子９の電流波形である。

【0026】

本実施例のセンサ出力回路１は基本的には第１の実施例のセンサ出力回路１と同じであるが、コンデンサ１５を付加した。コンデンサ１５を付加することでＭＯＳトランジスタ７、８のゲート電圧の変化は緩やかになる。これは定電流源２によってコンデンサ１５を充電するので、このコンデンサ１５の容量値と定電流源２の電流によって、ＭＯＳトランジスタ４，６を流れる電流の変化速度が遅くなる為である。この結果、図６に示すように出力端子９の電流変化が緩やかになる。そして、出力端子９の電流変化を緩やかにすることで図９に示す電流波形の高調波成分を減らすことができるので出力信号ライン１０からの電波放射を低減することができる。

【0027】

［第４の実施例］
次に，本発明の第４の実施例であるセンサ出力回路を図７により説明する。なお，図７は第４の実施例のセンサ出力回路の構成である。

【0028】

本実施例のセンサ出力回路１は基本的には第１の実施例のセンサ出力回路１と同じであるが、ＭＯＳトランジスタ７とＭＯＳトランジスタ８の駆動回路を別々に設けた。ＭＯＳトランジスタ７の駆動回路はパルス信号Ｖｉｎに応じてオンオフ動作をするＭＯＳトランジスタ１７，１８と、定電流を発生させる定電流源１６と、ＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧を発生させるＭＯＳトランジスタ１９から構成される。ＭＯＳトランジスタ８の駆動回路はパルス信号Ｖｉｎに応じてオンオフ動作をするＭＯＳトランジスタ２１，２２と、定電流を発生させる定電流源２０と、ＭＯＳトランジスタ８とカレントミラー回路を構成するＭＯＳトランジスタ２３から構成される。

【0029】

第３の実施例の構成はＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧を第１の実施例に比べて低くできる。この為、出力端子９のローレベルをより低電圧にできる。

【0030】

［第５の実施例］
次に，本発明の第５の実施例であるセンサ出力回路を図８，９により説明する。なお，図８は第５の実施例のセンサ出力回路の構成、図９は出力端子９の電圧波形である。

【0031】

本実施例のセンサ出力回路１は基本的には第４の実施例のセンサ出力回路１と同じであるが、ＭＯＳトランジスタ７の駆動回路をＤＡ変換器２４に変更し、信号ＤｉｎによりＤＡ変換器２４の出力電圧を制御してＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧を制御できるようにした。第３の実施例の構成ではＭＯＳトランジスタ７のゲート電圧を制御できるようしたので出力端子９のローレベルを制御できる。この結果、図９に示すように出力信号のローレベルの信号を変化させて低振幅の波形を重畳できるようにした。

【0032】

図９に示すような電圧波形を単線信号ラインに印加した場合、高周波信号に関しては単線信号の電流に応じた電波が放出されるが、低周波信号に関しては電圧に応じた電波が放出される。この低周波の電波放射の周波数成分は図４に示した電圧波形の周波数成分と概ね一致する。ここで、図４に示した電圧波形の高調波成分を打ち消すために図９に示すようにローレベルに振幅の小さい波形を重畳させた。つまり、出力端子９のローレベルに振幅の小さい波形を重畳させることで、図４に示した電圧波形の高調波成分の電波放射を低減できるようにした。

【符号の説明】

【0033】

１‥センサ出力回路、２‥定電流源、３‥ＭＯＳトランジスタ、４‥ＭＯＳトランジスタ、
５‥ＭＯＳトランジスタ、６‥ＭＯＳトランジスタ、７‥ＭＯＳトランジスタ、
８‥ＭＯＳトランジスタ、９‥出力端子、１０‥出力信号ライン、１１‥制御回路、
１２‥プルアップ抵抗、１３‥入力ゲート回路、１４‥コンデンサ、１５‥コンデンサ、
１６‥定電流源、１７‥ＭＯＳトランジスタ、１８‥ＭＯＳトランジスタ、
１９‥ＭＯＳトランジスタ、２０‥定電流源、２１‥ＭＯＳトランジスタ、
２２‥ＭＯＳトランジスタ、２３‥ＭＯＳトランジスタ、２４‥ＤＡ変換器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】