JP2017181252A - CV conversion circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検知対象の物理量に応じて発生する容量変化を電圧へ変換するCV変換回路に関する。 The present invention relates to a CV conversion circuit that converts a capacitance change generated according to a physical quantity to be detected into a voltage.
CV変換回路は、例えば静電容量型センサ、コンデンサマイクロホン等において、容量変化を電圧へ変換するための回路として用いられる。図9は、CV変換回路の第1の従来例を示す回路図である。第1の従来例は、特許文献1に開示された静電容量型検出装置におけるCV変換回路の構成を示すものである。第1の従来例のCV変換回路は、演算増幅器111を有して構成され、演算増幅器111の反転入力端子とグランド(GND)との間に容量素子112(Cs+ΔC)が接続されている。また、演算増幅器111の反転入力端子と出力端子113(Vout)との間には、抵抗素子114(Rf)と容量素子115(Cf)とが並列接続されている。演算増幅器111の非反転入力端子には、基準電圧Vrefが印加されている。
The CV conversion circuit is used as a circuit for converting a capacitance change into a voltage in, for example, a capacitance sensor, a condenser microphone, or the like. FIG. 9 is a circuit diagram showing a first conventional example of a CV conversion circuit. The first conventional example shows a configuration of a CV conversion circuit in the capacitance type detection device disclosed in
容量素子112は、加速度、角速度等の物理量を検出するための静電容量型センサに相当し、物理量の変化に応じて容量が変化する。容量素子112の容量Csの変化量をΔCとし、抵抗素子114の抵抗Rfが非常に大きく無視できる場合、容量素子115の容量をCfとすると、出力端子113から出力される出力電圧Voutとその変化量ΔVoutは、以下の(1)式のようになる。
The
ΔVout=(ΔC/Cf)×Vref
Vout={1+(Cs+ΔC)/Cf}×Vref …(1)
ΔVout = (ΔC / Cf) × Vref
Vout = {1+ (Cs + ΔC) / Cf} × Vref (1)
すなわち、容量素子115の容量Cfに対する容量素子112(静電容量型センサ)の容量変化ΔCが電圧へ変換される。静電容量型センサにおける容量変化が無い時は、ΔVout=0となり、出力端子113に基準電圧Vrefがそのまま出力されることとなる。
That is, the capacitance change ΔC of the capacitive element 112 (capacitive sensor) with respect to the capacitance Cf of the
図10は、CV変換回路の第2の従来例を示す回路図である。第2の従来例は、特許文献2に開示されたスイッチトキャパシタ回路を用いたCV変換回路の構成を示すものである。第2の従来例のCV変換回路は、演算増幅器121を有して構成され、演算増幅器121の反転入力端子にスイッチトキャパシタ回路124が接続されている。スイッチトキャパシタ回路124は、容量素子122(Cs)と2つのスイッチ125、126とを有して構成され、一端が接地された容量素子122の他端に2つのスイッチ125、126の一端が接続され、スイッチ125の他端が演算増幅器121の反転入力端子に接続され、スイッチ126の他端が接地されている。スイッチトキャパシタ回路124は、周波数fclkで互いに逆相となる2相信号φ1、φ2をそれぞれスイッチ125、126に入力してオンオフすることによって、等価抵抗1/(fclk×Cs)として動作し、この等価抵抗1/(fclk×Cs)が演算増幅器121の反転入力端子とグランド(GND)との間に接続される構成となる。また、演算増幅器121は、反転入力端子と出力端子123(Vout)との間に抵抗素子127(Rf)が接続され、非反転入力端子には基準電圧Vrefが印加されている。
FIG. 10 is a circuit diagram showing a second conventional example of a CV conversion circuit. The second conventional example shows a configuration of a CV conversion circuit using a switched capacitor circuit disclosed in
容量素子122は、物理量の変化に応じて容量Csが変化するものであり、第1の従来例と同様に、容量素子122の容量Csの変化量をΔCとし、抵抗素子127の抵抗をRfとすると、出力電圧Voutは、以下の(2)式のようになる。
The
Vout={1+fclk×(Cs+ΔC)×Rf}×Vref …(2) Vout = {1 + fclk × (Cs + ΔC) × Rf} × Vref (2)
近年、静電容量型センサは小型化が進んでおり、またMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いた静電容量型センサやコンデンサマイクロホンなどに適用可能な小型のCV変換回路が求められている。デバイスの小型化に伴って、CV変換回路の容量素子の容量Cs及び容量変化ΔCは、非常に小さい値となっている。 In recent years, capacitive sensors have been downsized, and there is a demand for small CV conversion circuits that can be applied to capacitive sensors, condenser microphones, and the like using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology. . With the miniaturization of the device, the capacitance Cs and capacitance change ΔC of the capacitive element of the CV conversion circuit have become very small values.
上記(1)式及び(2)式から、容量変化ΔCが小さくなると、振動などの周期的な変化を伴う物理量を検知する際の容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度が低下することがわかる。図9の第1の従来例において、変動分のCV変換感度を上げるためには、容量変化ΔCに対して負帰還ループの容量素子115の容量Cfを非常に小さくする必要がある。しかし、小型の回路において容量変化ΔCに対して1/10〜1/100の容量の容量素子を形成することは現実的でなく、所望の感度を得ることが困難となる課題が生じる。
From the above formulas (1) and (2), when the capacitance change ΔC is small, the CV conversion sensitivity for the fluctuation caused by the capacitance change ΔC when detecting a physical quantity accompanied by a periodic change such as vibration is reduced. I understand. In the first conventional example of FIG. 9, in order to increase the CV conversion sensitivity for fluctuation, it is necessary to make the capacitance Cf of the
一方、図10の第2の従来例のCV変換回路では、抵抗素子127の抵抗Rfとスイッチトキャパシタ回路124の等価抵抗1/(fclk×Cs)との比によってCV変換感度が決まるため、周波数fclkや抵抗素子127の抵抗Rfを大きくすることにより、比較的大きな感度を得ることができる。しかし、この構成においてCV変換感度を上げると、容量変化ΔCに対する変動分のCV変換感度だけでなく、容量素子122の容量Csに依存したバイアス電圧の感度(定常分のCV変換感度、CV変換率)も同時に上がることになる。このため、振動などの周期的な変化を伴う物理量を検知する際に必要な容量変化ΔCに対するCV変換感度のみを向上させることができない。
On the other hand, in the CV conversion circuit of the second conventional example of FIG. 10, the CV conversion sensitivity is determined by the ratio of the resistance Rf of the
上述したように、第1の従来例では、容量変化ΔCによる出力電圧のみを検出できるが、容量素子の小型化の限界により感度向上が困難であるという課題がある。また、第2の従来例では、CV変換回路の感度向上を図る場合、感度向上に伴ってバイアス電圧の変化が生じるため、容量変化ΔCに対するCV変換感度のみを向上させることが困難になるという課題が生じる。 As described above, in the first conventional example, only the output voltage due to the capacitance change ΔC can be detected, but there is a problem that it is difficult to improve the sensitivity due to the limit of miniaturization of the capacitive element. Further, in the second conventional example, when the sensitivity of the CV conversion circuit is improved, a change in the bias voltage occurs with the improvement in sensitivity, so that it is difficult to improve only the CV conversion sensitivity with respect to the capacitance change ΔC. Occurs.
本発明は、検知対象の物理量の変化により生じる容量変化ΔCに対する感度を設定可能とし、容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を改善することが可能なCV変換回路を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a CV conversion circuit that can set the sensitivity to a capacitance change ΔC caused by a change in a physical quantity to be detected and can improve the CV conversion sensitivity of a variation caused by the capacitance change ΔC. And
本発明は、検知対象の物理量に応じて容量が変化する容量素子と、少なくとも2つのスイッチとを有し、互いに逆相の2相信号によって前記スイッチがオンオフすることにより前記容量素子の容量と前記2相信号の周波数とに応じた等価抵抗を生じるスイッチトキャパシタ回路と、電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間に設けられ、前記容量素子の容量変化に伴う変化分の電流を前記スイッチトキャパシタ回路に供給する第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタの第1主電極と前記電圧源との間、又は前記第1のトランジスタの第2主電極と前記スイッチトキャパシタ回路との間に接続され、一端に出力電圧を得る電圧出力端子が設けられる第1の負荷抵抗と、前記スイッチトキャパシタ回路にバイアス電流を供給するバイアス電流供給回路と、出力端子が前記第1のトランジスタの制御電極に接続され、第1の入力端子に前記スイッチトキャパシタ回路の等価抵抗における電圧が、第2の入力端子に所定の基準電圧がそれぞれ入力され、両入力電圧が等しくなるように動作する演算増幅器と、を備えるCV変換回路を提供する。 The present invention includes a capacitive element whose capacitance changes according to a physical quantity to be detected, and at least two switches, and the switch is turned on and off by a two-phase signal having opposite phases to each other. A switched capacitor circuit that generates an equivalent resistance in accordance with the frequency of the two-phase signal, and a voltage source and the switched capacitor circuit are provided between the switched capacitor circuit, and a current corresponding to a change in capacitance of the capacitive element is supplied to the switched capacitor circuit. A first transistor to be supplied; connected between the first main electrode of the first transistor and the voltage source; or connected between the second main electrode of the first transistor and the switched capacitor circuit; A first load resistor provided with a voltage output terminal for obtaining an output voltage, and a bias current for supplying a bias current to the switched capacitor circuit. A current supply circuit, an output terminal connected to the control electrode of the first transistor, a voltage at the equivalent resistance of the switched capacitor circuit at the first input terminal, and a predetermined reference voltage at the second input terminal, respectively. There is provided a CV conversion circuit including an operational amplifier that is input and operates so that both input voltages are equal.
また、上記のCV変換回路であって、前記バイアス電流供給回路は、前記電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間に設けられた第2のトランジスタと、前記第2のトランジスタの第1主電極と前記電圧源との間、又は前記第2のトランジスタの第2主電極と前記スイッチトキャパシタ回路との間に接続される第2の負荷抵抗と、前記第1のトランジスタの制御電極と前記第2のトランジスタの制御電極との間に接続され、所定周波数より低い低周波数成分を通過させるローパスフィルタと、を有してなるものでもよい。 In the CV conversion circuit, the bias current supply circuit includes a second transistor provided between the voltage source and the switched capacitor circuit, and a first main electrode of the second transistor. A second load resistor connected between the voltage source or between the second main electrode of the second transistor and the switched capacitor circuit; a control electrode of the first transistor; A low-pass filter connected between the control electrode of the transistor and passing a low-frequency component lower than a predetermined frequency may be used.
また、上記のCV変換回路であって、前記バイアス電流供給回路は、前記電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間に設けられた定電流回路を有してなるものでもよい。 Further, in the above CV conversion circuit, the bias current supply circuit may include a constant current circuit provided between the voltage source and the switched capacitor circuit.
また、本発明は、検知対象の物理量に応じて容量が変化する容量素子と、少なくとも2つのスイッチとを有し、互いに逆相の2相信号によって前記スイッチがオンオフすることにより前記容量素子の容量と前記2相信号の周波数とに応じた等価抵抗を生じるスイッチトキャパシタ回路と、電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間にソース又はエミッタとドレイン又はコレクタとが接続され、前記容量素子の容量変化に応じた電流を前記スイッチトキャパシタ回路に供給する第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタのソース又はエミッタと前記電圧源との間、又は前記第1のトランジスタのドレイン又はコレクタと前記スイッチトキャパシタ回路との間に接続され、一端に出力電圧を得る電圧出力端子が設けられる第1の負荷抵抗と、前記電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間において、ソース又はエミッタとドレイン又はコレクタとが接続され、前記容量素子の容量に依存する電流を前記スイッチトキャパシタ回路に供給する第2のトランジスタと、前記第2のトランジスタのソース又はエミッタと前記電圧源との間、又は前記第2のトランジスタのドレイン又はコレクタと前記スイッチトキャパシタ回路との間に接続される第2の負荷抵抗と、前記第1のトランジスタのゲート又はベースと前記第2のトランジスタのゲート又はベースとの間に接続され、所定周波数より低い低周波数成分を通過させるローパスフィルタと、出力端子が前記第1のトランジスタのゲート又はベースと接続され、非反転入力端子が前記第1のトランジスタのドレイン又はコレクタ及び前記第2のトランジスタのドレイン又はコレクタ、並びに前記スイッチトキャパシタ回路と接続され、反転入力端子が基準電圧源と接続され、前記スイッチトキャパシタ回路の等価抵抗における電圧と所定の基準電圧とが等しくなるように動作する演算増幅器と、を備えるCV変換回路を提供する。 The present invention also includes a capacitive element whose capacitance changes according to a physical quantity to be detected and at least two switches, and the capacitance of the capacitive element is turned on and off by a two-phase signal having opposite phases. And a switched capacitor circuit that generates an equivalent resistance according to the frequency of the two-phase signal, and a source or an emitter and a drain or a collector are connected between the voltage source and the switched capacitor circuit. A first transistor that supplies a corresponding current to the switched capacitor circuit; a source or emitter of the first transistor and the voltage source; or a drain or collector of the first transistor and the switched capacitor circuit; And a first load resistor having a voltage output terminal for obtaining an output voltage at one end. A source or emitter and a drain or collector connected between the voltage source and the switched capacitor circuit, and supplying a current dependent on the capacitance of the capacitive element to the switched capacitor circuit; A second load resistor connected between the source or emitter of the second transistor and the voltage source or between the drain or collector of the second transistor and the switched capacitor circuit; A low-pass filter connected between the gate or base of the transistor and the gate or base of the second transistor and passing a low frequency component lower than a predetermined frequency, and an output terminal connected to the gate or base of the first transistor And the non-inverting input terminal is connected to the drain or collector of the first transistor. And the drain or collector of the second transistor and the switched capacitor circuit, the inverting input terminal is connected to a reference voltage source, and the voltage at the equivalent resistance of the switched capacitor circuit is equal to a predetermined reference voltage. An operational amplifier that operates as described above is provided.
本発明によれば、検知対象の物理量の変化により生じる容量変化ΔCに対する感度を設定可能とし、CV変換回路における容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を改善することができる。 According to the present invention, it is possible to set the sensitivity to the capacitance change ΔC caused by the change in the physical quantity to be detected, and it is possible to improve the CV conversion sensitivity for the fluctuation caused by the capacitance change ΔC in the CV conversion circuit.
以下、本発明に係るCV変換回路を具体的に開示した実施形態(以下、「本実施形態」という)について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment (hereinafter referred to as “the present embodiment”) that specifically discloses a CV conversion circuit according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態では、例えば静電容量型センサ、コンデンサマイクロホンなどに用いられ、検知対象の物理量に応じて発生する容量変化を電圧へ変換するCV変換回路の構成例を示す。 In the present embodiment, a configuration example of a CV conversion circuit that is used in, for example, a capacitive sensor, a condenser microphone, and the like and converts a capacitance change generated according to a physical quantity to be detected into a voltage is shown.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るCV変換回路の構成を示す回路図である。CV変換回路は、第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2と、演算増幅器OPと、ローパスフィルタ(LPF)13と、スイッチトキャパシタ回路14とを有する構成である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a CV conversion circuit according to the first embodiment of the present invention. The CV conversion circuit includes a first transistor M1 and a second transistor M2, an operational amplifier OP, a low-pass filter (LPF) 13, and a switched
スイッチトキャパシタ回路14は、容量素子15(Cs)と、少なくとも2つのスイッチSW1、SW2とを有して構成され、一端が接地された容量素子15の他端に2つのスイッチSW1、SW2の一端が接続され、スイッチSW1の他端が演算増幅器OPの非反転入力端子に接続され、スイッチSW2の他端が接地されている。スイッチトキャパシタ回路14は、周波数fclkで互いに逆相となる2相信号φ1、φ2をそれぞれスイッチSW1、SW2に入力してオンオフすることによって、周波数fclkに対応した等価抵抗1/(fclk×Cs)を生じる。ここで、Csは容量素子15の容量を表している。すなわち、スイッチトキャパシタ回路14は、容量素子15の容量Csと2相信号φ1、φ2の周波数fclkとに応じて抵抗値が変化する等価抵抗として機能する。等価抵抗1/(fclk×Cs)は、容量Csが大きいほど、周波数fclkが高いほど、抵抗値が小さくなる。
The switched
スイッチトキャパシタ回路14の容量素子15は、静電容量型センサ、コンデンサマイクロホン等の検知部に相当し、振動、加速度、圧力等の物理量を検知するものであり、検知対象の物理量に応じて容量が変化する。ここで、容量素子15の定常時の容量をCs、検知対象の物理量に応じた容量変化をΔCとすると、容量素子15の容量はCs+ΔCで表される。
The
第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2は、P型のMOSトランジスタ又はPNP型のバイポーラトランジスタにより構成される。演算増幅器OPの出力端子には、第1のトランジスタM1の制御電極(MOSトランジスタのゲート又はバイポーラトランジスタのベース)が接続される。また、演算増幅器OPの出力端子には、所定周波数より低い低周波数成分を通過させるローパスフィルタ13が接続され、このローパスフィルタ13を介して第2のトランジスタM2の制御電極が接続される。すなわち、第1のトランジスタM1の制御電極と低域通過フィルタを介した第2のトランジスタM2の制御電極とが演算増幅器OPの出力端子に共通接続されている。
The first transistor M1 and the second transistor M2 are configured by P-type MOS transistors or PNP-type bipolar transistors. The control electrode (the gate of the MOS transistor or the base of the bipolar transistor) of the first transistor M1 is connected to the output terminal of the operational amplifier OP. Further, the output terminal of the operational amplifier OP is connected to a low-
第1のトランジスタM1の第1主電極(MOSトランジスタのソース又はバイポーラトランジスタのエミッタ)には、第1の負荷抵抗となる抵抗素子11(R1)が接続され、この抵抗素子11を介して電圧源16が接続されて電源電圧VDDが印加される。抵抗素子11と第1のトランジスタM1の第1主電極との接続点には電圧出力端子17が設けられ、電圧出力端子17より検知出力となる出力電圧Voutが得られる。第2のトランジスタM2の第1主電極には、第2の負荷抵抗となる抵抗素子12(R2)が接続され、この抵抗素子12を介して電圧源16が接続されて電源電圧VDDが印加される。
The first main electrode (source of the MOS transistor or emitter of the bipolar transistor) of the first transistor M1 is connected to a resistance element 11 (R1) serving as a first load resistance, and a voltage source is connected via the
第1のトランジスタM1の第2主電極(MOSトランジスタのドレイン又はバイポーラトランジスタのコレクタ)と第2のトランジスタM2の第2主電極とは互いに接続される。これらの第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2の第2主電極には、スイッチトキャパシタ回路14が接続されるとともに、演算増幅器OPの非反転入力端子(第1の入力端子)が接続される。したがって、スイッチトキャパシタ回路14の等価抵抗1/(fclk×Cs)が、第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2の第2主電極、並びに演算増幅器OPの非反転入力端子と、グランド(GND)との間に接続される構成となる。
The second main electrode (the drain of the MOS transistor or the collector of the bipolar transistor) of the first transistor M1 and the second main electrode of the second transistor M2 are connected to each other. The switched
演算増幅器OPの反転入力端子(第2の入力端子)には、基準電圧源18が接続され、所定の基準電圧Vrefが印加される。また、演算増幅器OPの非反転入力端子には、スイッチトキャパシタ回路14と並列に、平滑用の容量素子19が接続される。容量素子19は、スイッチトキャパシタ回路14に入力される2相信号φ1、φ2の周波数fclkに伴って変動する演算増幅器OPの非反転入力端子の入力電圧を平滑化し、演算増幅器OPの動作を安定させる機能を有するものである。容量素子19は、周波数fclkに対して演算増幅器OPが高速に安定動作する場合は省略することもでき、必ずしも設けなくともよい。
A
第1の実施形態のCV変換回路では、第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2のソースフォロワー又はエミッタフォロワーの回路であり、第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2の第2主電極の電位を演算増幅器OPの非反転入力端子に帰還する構成となっている。この場合、演算増幅器OPは、非反転入力端子と反転入力端子の両入力電圧が等しくなるように動作する。すなわち、演算増幅器OPは、非反転入力端子に入力されるスイッチトキャパシタ回路14の等価抵抗の電位と、反転入力端子に入力される基準電圧源18の電位Vrefとが等しくなるように動作する。このとき、スイッチトキャパシタ回路14の等価抵抗には、電圧源16から抵抗素子11を介した第1のトランジスタM1のドレイン電流又はコレクタ電流と、電圧源16から抵抗素子12を介した第2のトランジスタM2のドレイン電流又はコレクタ電流とが供給される。
The CV conversion circuit according to the first embodiment is a source follower or emitter follower circuit of the first transistor M1 and the second transistor M2, and the second main electrode of the first transistor M1 and the second transistor M2. The potential is fed back to the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP. In this case, the operational amplifier OP operates so that both input voltages of the non-inverting input terminal and the inverting input terminal are equal. That is, the operational amplifier OP operates such that the equivalent resistance potential of the switched
次に、本実施形態におけるCV変換動作について説明する。図1の構成において、抵抗素子11から第1のトランジスタM1の第1主電極及び第2主電極に流れる電流(第1のトランジスタM1のドレイン電流又はコレクタ電流)をI1、抵抗素子12から第2のトランジスタM2の第1主電極及び第2主電極に流れる電流(第2のトランジスタM2のドレイン電流又はコレクタ電流)をI2、スイッチトキャパシタ回路14からグランドに流れる電流をI3とする。
Next, the CV conversion operation in this embodiment will be described. In the configuration of FIG. 1, the current (drain current or collector current of the first transistor M1) flowing from the
前述したように、スイッチトキャパシタ回路14の等価抵抗は1/(fclk×Cs)となり、容量素子15は検知対象の物理量に応じて容量Csが変化し、その容量は変化分を含めてCs+ΔCで表される。演算増幅器OPの反転入力端子に入力される基準電圧はVrefであるので、スイッチトキャパシタ回路14に流れる電流I3は、以下の(3)式のようになる。
As described above, the equivalent resistance of the switched
I3=fclk×(Cs+ΔC)×Vref …(3) I3 = fclk × (Cs + ΔC) × Vref (3)
電流I1と電流I2の値は、第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2のサイズ比と、抵抗素子11(R1)及び抵抗素子12(R2)の抵抗比とによって決まる。ここで、トランジスタのサイズとして、第1のトランジスタM1のW/L(チャネル幅Wとチャネル長Lとの比)をN1、第2のトランジスタM2のW/LをN2とし、抵抗素子11の抵抗をR1、抵抗素子12の抵抗をR2とする。ローパスフィルタ13のカットオフ周波数を容量素子15の容量変化ΔCの周波数よりも充分低くすると、電流I1と電流I2は以下の(4)式で表される。なお、R1×N1=R2×N2とする。
The values of the current I1 and the current I2 are determined by the size ratio of the first transistor M1 and the second transistor M2 and the resistance ratio of the resistance element 11 (R1) and the resistance element 12 (R2). Here, as the size of the transistor, the W / L of the first transistor M1 (the ratio of the channel width W to the channel length L) is N1, the W / L of the second transistor M2 is N2, and the resistance of the
I1=fclk×Cs×Vref×(N1/(N1+N2))
+fclk×ΔC×Vref
I2=fclk×Cs×Vref×(N2/(N1+N2)) …(4)
I1 = fclk × Cs × Vref × (N1 / (N1 + N2))
+ Fclk × ΔC × Vref
I2 = fclk × Cs × Vref × (N2 / (N1 + N2)) (4)
本実施形態では、第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2のゲート間(又はベース間)にローパスフィルタ13を挿入することにより、容量変化ΔCの周波数成分を除去し、直流成分のみを第2のトランジスタM2に供給する。これにより、電流I2は容量変化ΔCによって変化する電流が発生しなくなる。したがって、CV変換によって電圧出力端子17から出力される出力電圧Voutは、以下の(5)式のようになる。
In the present embodiment, by inserting the low-
Vout=VDD−fclk×Cs×Vref×(N1/(N1+N2))×R1
+fclk×ΔC×Vref×R1 …(5)
Vout = VDD−fclk × Cs × Vref × (N1 / (N1 + N2)) × R1
+ Fclk × ΔC × Vref × R1 (5)
上記出力電圧Voutの式において、CV変換感度を上げようとした場合、fclk、Vref、R1の値をそれぞれ大きくすれば可能であることが分かる。ただし、CV変換回路のバイアス電圧は容量素子15の容量Csによって決定され、容量Csの値に依存する。このため、fclk、Vref、R1の値を大きくしていった場合、抵抗素子11における電圧降下(R1×I1)によって回路が正常に動作しなくなる場合が生じ、このことが感度向上に制限を与える。そこで、第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2のサイズを、N2>N1の関係とすることで、容量素子15の容量Csに依存したバイアス電圧を小さくでき、電流I1におけるバイアス電流(定常状態の電流)を減らすことができる。
In the above expression of the output voltage Vout, it can be seen that it is possible to increase the values of fclk, Vref, and R1 when increasing the CV conversion sensitivity. However, the bias voltage of the CV conversion circuit is determined by the capacitance Cs of the
例えば、R1×N1=R2×N2の条件でN1とN2の比を変えた場合、これに比例して電流I1と電流I2の値が決まる。よって、トランジスタサイズをN2に対してN1を小さくした場合、抵抗素子11及び12によって発生する電圧降下を一定としたまま、抵抗素子11の抵抗R1を大きくすることができ、バイアス電圧と分離してCV変換感度を上げることが可能となる。したがって、R1×N1=R2×N2の関係を満たす状態でR1の値を大きくすることにより、容量素子15の容量Csに依存したバイアス電圧に制限されることなく、容量変化ΔCに対する変動分のCV変換感度を上げることが可能となる。なお、ここでは説明を簡単にするために、R1×N1=R2×N2の関係を満たす場合を示しているが、必ずしもR1×N1=R2×N2でなくともよい。
For example, when the ratio of N1 and N2 is changed under the condition of R1 × N1 = R2 × N2, the values of the current I1 and the current I2 are determined in proportion to this. Therefore, when N1 is reduced with respect to the transistor size N2, the resistance R1 of the
ここで、CV変換回路において、容量素子15の容量変化ΔCに対する出力電圧Voutの変化量ΔVoutは、以下の(6)式で表される。
Here, in the CV conversion circuit, the change amount ΔVout of the output voltage Vout with respect to the capacitance change ΔC of the
ΔVout=fclk×ΔC×Vref×R1 …(6) ΔVout = fclk × ΔC × Vref × R1 (6)
上述したように、本実施形態では、ローパスフィルタ13、抵抗素子12(R2)及び第2のトランジスタM2が、容量素子15の容量Csに依存する定常状態の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給する回路となる。すなわち、ローパスフィルタ13、抵抗素子12及び第2のトランジスタM2がスイッチトキャパシタ回路14にバイアス電流を供給するバイアス電流供給回路として機能する。また、抵抗素子11(R1)及び第1のトランジスタM1が、容量変化ΔCに伴う変化分の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給する回路となる。第1のトランジスタM1の第1主電極に設けられる電圧出力端子17からは、出力電圧Voutとして定常分と変化分とを含む電圧が出力され、検知対象の物理量に応じた容量に対する電圧値が検出される。
As described above, in the present embodiment, the circuit in which the low-
このとき、抵抗素子12及び第2のトランジスタM2が主体となる定常状態のバイアス電圧の感度(定常分のCV変換感度)と、抵抗素子11及び第1のトランジスタM1が主体となる容量変化ΔCに対する感度(変動分のCV変換感度)とは、互いに分離して設定可能であり、バイアス電圧の感度を大きくすることなく、容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を向上できる。
At this time, the sensitivity of the bias voltage in a steady state (mainly CV conversion sensitivity) mainly composed of the
本実施形態のCV変換回路を例えばコンデンサマイクロホンに適用する場合、検知対象の物理量として音波による空気の圧力振動を検出することになり、この場合、容量変化ΔCの周波数はkHzオーダーとなる。スイッチトキャパシタ回路14のスイッチSW1、SW2に入力する2相信号φ1、φ2の周波数fclkとして、数MHz〜数10MHz、或いは100MHz程度の信号を用いることによって、容量変化ΔCに対する感度を高く設定することができる。
When the CV conversion circuit of this embodiment is applied to, for example, a condenser microphone, air pressure vibration due to sound waves is detected as a physical quantity to be detected. In this case, the frequency of the capacitance change ΔC is on the order of kHz. By using a signal of several MHz to several tens of MHz or 100 MHz as the frequency fclk of the two-phase signals φ1 and φ2 input to the switches SW1 and SW2 of the switched
第1の実施形態では、ローパスフィルタ13によってCV変換動作において周波数特性を持つため、ローパスフィルタ13のカットオフ周波数よりも高い周波数で容量変化ΔCの値が変化する物理量に対する信号のみが出力電圧Voutとして出力され、これよりも低い周波数成分は出力されない。このため、例えば、振動センサ、コンデンサマイクロホンなどの検知部にスイッチトキャパシタ回路14の容量素子15(Cs+ΔC)を適用した場合のように、振動などの周波数成分を持った物理量(周期的に変動する物理量)によって容量変化ΔCの値が変化するアプリケーションへの対応において特に有用である。
In the first embodiment, since the low-
(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態に係るCV変換回路の構成を示す回路図である。第2の実施形態は、前述した第1の実施形態の構成の一部を変更した構成例である。第2の実施形態のCV変換回路は、第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2に代えて、構成が異なる第1のトランジスタM11及び第2のトランジスタM12を有して構成される。ここで、第1の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a CV conversion circuit according to the second embodiment of the present invention. The second embodiment is a configuration example in which a part of the configuration of the first embodiment described above is changed. The CV conversion circuit according to the second embodiment includes a first transistor M11 and a second transistor M12 having different configurations instead of the first transistor M1 and the second transistor M2. Here, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
第1のトランジスタM11及び第2のトランジスタM12は、N型のMOSトランジスタ又はNPN型のバイポーラトランジスタにより構成される。演算増幅器OPの出力端子には、第1のトランジスタM11の制御電極(MOSトランジスタのゲート又はバイポーラトランジスタのベース)が接続される。また、演算増幅器OPの出力端子には、低域通過フィルタであるローパスフィルタ13が接続され、このローパスフィルタ13を介して第2のトランジスタM12の制御電極が接続される。
The first transistor M11 and the second transistor M12 are configured by an N-type MOS transistor or an NPN-type bipolar transistor. The control electrode (the gate of the MOS transistor or the base of the bipolar transistor) of the first transistor M11 is connected to the output terminal of the operational amplifier OP. Further, a low-
第1のトランジスタM11の第1主電極(MOSトランジスタのドレイン又はバイポーラトランジスタのコレクタ)には、抵抗素子11(R1)が接続され、この抵抗素子11を介して電圧源16(VDD)が接続される。抵抗素子11と第1のトランジスタM11の第1主電極との接続点には電圧出力端子17が設けられ、電圧出力端子17より検知出力となる出力電圧Voutが得られる。第2のトランジスタM12の第1主電極には、抵抗素子12(R2)が接続され、この抵抗素子12を介して電圧源16が接続される。第1のトランジスタM11の第2主電極(MOSトランジスタのソース又はバイポーラトランジスタのエミッタ)と第2のトランジスタM12の第2主電極とは互いに接続される。これらの第1のトランジスタM11及び第2のトランジスタM12の第2主電極には、スイッチトキャパシタ回路14が接続されるとともに、演算増幅器OPの反転入力端子(第1の入力端子)が接続される。演算増幅器OPの非反転入力端子(第2の入力端子)には、基準電圧源18(Vref)が接続される。また、演算増幅器OPの反転入力端子には、スイッチトキャパシタ回路14と並列に、平滑用の容量素子19が接続される。
A resistance element 11 (R1) is connected to the first main electrode (the drain of the MOS transistor or the collector of the bipolar transistor) of the first transistor M11, and the voltage source 16 (VDD) is connected via the
第2の実施形態のCV変換回路では、第1のトランジスタM11及び第2のトランジスタM12のソース接地又はエミッタ接地の回路であり、第1のトランジスタM11及び第2のトランジスタM12の第2主電極の電位を演算増幅器OPの反転入力端子に帰還する構成となっている。この場合、演算増幅器OPは、反転入力端子に入力されるスイッチトキャパシタ回路14の等価抵抗の電位と、非反転入力端子に入力される基準電圧源18の電位Vrefとが等しくなるように動作する。このとき、スイッチトキャパシタ回路14の等価抵抗には、電圧源16から抵抗素子11を介した第1のトランジスタM11のソース電流又はエミッタ電流と、電圧源16から抵抗素子12を介した第2のトランジスタM12のソース電流又はエミッタ電流とが供給される。
In the CV conversion circuit of the second embodiment, the first transistor M11 and the second transistor M12 are grounded at the source or the emitter, and the second main electrode of the first transistor M11 and the second transistor M12 is used. The potential is fed back to the inverting input terminal of the operational amplifier OP. In this case, the operational amplifier OP operates so that the potential of the equivalent resistance of the switched
この第2の実施形態の構成においても、第1の実施形態と同様、抵抗素子12及び第2のトランジスタM12が、定常状態の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給する回路となっている。また、抵抗素子11及び第1のトランジスタM11が、容量変化ΔCに伴う変化分の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給する回路となる。このため、抵抗素子12及び第2のトランジスタM12が主体となる定常状態のバイアス電圧の感度と、抵抗素子11及び第1のトランジスタM11が主体となる容量変化ΔCに対する感度とは、互いに分離して設定可能であり、バイアス電圧の感度を大きくすることなく、容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を向上できる。
Also in the configuration of the second embodiment, as in the first embodiment, the
(第3の実施形態)
図3は、本発明の第3の実施形態に係るCV変換回路の構成を示す回路図である。第3の実施形態は、前述した第1の実施形態の構成の一部を変更した構成例である。第3の実施形態のCV変換回路は、第1のトランジスタM1及び第2のトランジスタM2にそれぞれ接続される負荷抵抗である抵抗素子11(R1)、12(R2)の接続点を、各トランジスタの第2主電極(ドレイン又はコレクタ)とスイッチトキャパシタ回路14との間に設けた構成である。抵抗素子11と第1のトランジスタM1の第2主電極との接続点には電圧出力端子17(Vout)が設けられ、第1のトランジスタM1の第2主電極側から出力電圧Voutを得る構成となっている。ここで、第1の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a CV conversion circuit according to the third embodiment of the present invention. The third embodiment is a configuration example in which a part of the configuration of the first embodiment described above is changed. In the CV conversion circuit of the third embodiment, the connection points of the resistance elements 11 (R1) and 12 (R2), which are load resistances connected to the first transistor M1 and the second transistor M2, respectively, are connected to each transistor. This is a configuration provided between the second main electrode (drain or collector) and the switched
第3の実施形態のCV変換回路では、第1の実施形態の構成に対して、出力電圧Voutを取り出すための負荷抵抗である抵抗素子11と電圧出力端子17との位置がスイッチトキャパシタ回路14側に変更されている。この構成においても、第1の実施形態と同様、抵抗素子12及び第2のトランジスタM2が主体となる定常状態のバイアス電圧の感度と、抵抗素子11及び第1のトランジスタM1が主体となる容量変化ΔCに対する感度とは、互いに分離して設定可能であり、バイアス電圧の感度を大きくすることなく、容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を向上できる。
In the CV conversion circuit according to the third embodiment, the position of the
(第4の実施形態)
図4は、本発明の第4の実施形態に係るCV変換回路の構成を示す回路図である。第4の実施形態は、前述した第2の実施形態の構成の一部を変更した構成例である。第4の実施形態のCV変換回路は、第1のトランジスタM11及び第2のトランジスタM12にそれぞれ接続される負荷抵抗である抵抗素子11(R1)、12(R2)の接続点を、各トランジスタの第2主電極(ソース又はエミッタ)とスイッチトキャパシタ回路14との間に設けた構成である。抵抗素子11と第1のトランジスタM11の第2主電極との接続点には電圧出力端子17(Vout)が設けられ、第1のトランジスタM11の第2主電極側から出力電圧Voutを得る構成となっている。ここで、第1及び第2の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a CV conversion circuit according to the fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment is a configuration example in which a part of the configuration of the second embodiment described above is changed. In the CV conversion circuit of the fourth embodiment, the connection points of the resistance elements 11 (R1) and 12 (R2), which are load resistances connected to the first transistor M11 and the second transistor M12, respectively, This is a configuration provided between the second main electrode (source or emitter) and the switched
第4の実施形態のCV変換回路では、第2の実施形態の構成に対して、出力電圧Voutを取り出すための負荷抵抗である抵抗素子11と電圧出力端子17との位置がスイッチトキャパシタ回路14側に変更されている。この構成においても、第1の実施形態と同様、抵抗素子12及び第2のトランジスタM12が主体となる定常状態のバイアス電圧の感度と、抵抗素子11及び第1のトランジスタM11が主体となる容量変化ΔCに対する感度とは、互いに分離して設定可能であり、バイアス電圧の感度を大きくすることなく、容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を向上できる。
In the CV conversion circuit of the fourth embodiment, the position of the
(第5の実施形態)
図5は、本発明の第5の実施形態に係るCV変換回路の構成を示す回路図である。第5の実施形態は、前述した第1の実施形態の構成の一部を変更した構成例である。第5の実施形態のCV変換回路は、演算増幅器OPと、第1のトランジスタM1と、定電流回路21と、スイッチトキャパシタ回路14とを有する構成である。すなわち、第5の実施形態は、スイッチトキャパシタ回路14の等価抵抗にバイアス電流(定常状態の電流、DC成分)を供給する回路(バイアス電流供給回路)として、第1の実施形態における第2のトランジスタM2及び抵抗素子12に代えて、定電流回路21を有して構成される。ここで、第1の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a CV conversion circuit according to the fifth embodiment of the present invention. The fifth embodiment is a configuration example in which a part of the configuration of the first embodiment described above is changed. The CV conversion circuit of the fifth embodiment is configured to include an operational amplifier OP, a first transistor M1, a constant
第1のトランジスタM1は、P型のMOSトランジスタ又はPNP型のバイポーラトランジスタにより構成される。第1のトランジスタM1の第1主電極には、抵抗素子11(R1)が接続され、この抵抗素子11を介して電圧源16(VDD)が接続される。第1のトランジスタM1の第2主電極には、スイッチトキャパシタ回路14と演算増幅器OPの非反転入力端子とが接続される。演算増幅器OPの反転入力端子には、基準電圧源18(Vref)が接続され、演算増幅器OPの出力端子が第1のトランジスタM1の制御電極と接続される。
The first transistor M1 is configured by a P-type MOS transistor or a PNP-type bipolar transistor. The resistance element 11 (R1) is connected to the first main electrode of the first transistor M1, and the voltage source 16 (VDD) is connected via the
定電流回路21は、電圧源16とスイッチトキャパシタ回路14との間に、第1のトランジスタM1及び抵抗素子11に対して並列に接続される。定電流回路21は、例えば、定電流ダイオード又はトランジスタ等を用いて構成することができるほか、抵抗素子を用いた近似的なものであってもよい。
The constant
図5の構成において、抵抗素子11から第1のトランジスタM1の第1主電極及び第2主電極に流れる電流(第1のトランジスタM1のドレイン電流又はコレクタ電流)をId、定電流回路21に流れる電流(バイアス電流)をIbias、スイッチトキャパシタ回路14からグランドに流れる電流をItotalとする。定常状態のスイッチトキャパシタ回路14の等価抵抗は1/(fclk×Cs)であるので、Itotal、Idは、それぞれ以下の(7)式のようになる。
In the configuration of FIG. 5, a current (drain current or collector current of the first transistor M1) flowing from the
Itotal=fclk×Cs×Vref
Itotal=Id+Ibias
Id=fclk×Cs×Vref−Ibias …(7)
Itotal = fclk × Cs × Vref
Itotal = Id + Ibias
Id = fclk × Cs × Vref−Ibias (7)
よって、CV変換により電圧出力端子17から出力される出力電圧Voutは、以下の(8)式のようになる。
Therefore, the output voltage Vout output from the
Vout=VDD−(fclk×Cs×Vref−Ibias)×R1
…(8)
Vout = VDD− (fclk × Cs × Vref−Ibias) × R1
... (8)
また、スイッチトキャパシタ回路14において、容量変化分を含む等価抵抗は1/(fclk×(Cs+ΔC)となる。このため、CV変換回路において、容量素子15の容量変化ΔCがある場合の出力電圧Voutの変化量ΔVout(容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度)は、以下の(9)式で表される。
In the switched
ΔVout=fclk×(CS+ΔC)×Vref×R1 …(9) ΔVout = fclk × (CS + ΔC) × Vref × R1 (9)
この第5の実施形態の構成においても、第1の実施形態と同様、定電流回路21が、定常状態の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給する回路となっている。また、抵抗素子11及び第1のトランジスタM1が、容量変化ΔCに伴う変化分の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給する回路となる。このため、定電流回路21が主体となる定常状態のバイアス電圧の感度と、抵抗素子11及び第1のトランジスタM1が主体となる容量変化ΔCに対する感度とは、互いに分離して設定可能であり、バイアス電圧の感度を大きくすることなく、容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を向上できる。
Also in the configuration of the fifth embodiment, as in the first embodiment, the constant
第5の実施形態では、第1〜第4の実施形態のようにローパスフィルタ13を設けないため、物理量に応じた容量変化ΔCに対して、DC成分からCV変換動作が可能となる。このため、例えば、加速度センサなどの検知部にスイッチトキャパシタ回路14の容量素子15(Cs+ΔC)を適用した場合のように、加速度などのDC成分を持った物理量(定常的な物理量)によって容量変化ΔCの値が決まるアプリケーションへの対応において特に有用である。
In the fifth embodiment, since the low-
(第6の実施形態)
図6は、本発明の第6の実施形態に係るCV変換回路の構成を示す回路図である。第6の実施形態は、前述した第5の実施形態の構成の一部を変更した構成例である。第6の実施形態のCV変換回路は、第1のトランジスタM1に代えて、構成が異なる第1のトランジスタM11を有して構成される。すなわち、第6の実施形態は、第5の実施形態に対して第2の実施形態と同様の構成変更を適用したものである。ここで、第1、第2及び第5の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a CV conversion circuit according to the sixth embodiment of the present invention. The sixth embodiment is a configuration example in which a part of the configuration of the fifth embodiment described above is changed. The CV conversion circuit according to the sixth embodiment includes a first transistor M11 having a different configuration instead of the first transistor M1. That is, in the sixth embodiment, the same configuration change as that of the second embodiment is applied to the fifth embodiment. Here, the same components as those in the first, second, and fifth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
第1のトランジスタM11は、N型のMOSトランジスタ又はNPN型のバイポーラトランジスタにより構成される。第1のトランジスタM11の第1主電極には、抵抗素子11(R1)が接続され、この抵抗素子11を介して電圧源16(VDD)が接続される。抵抗素子11と第1のトランジスタM11の第1主電極との接続点には電圧出力端子17が設けられ、電圧出力端子17より検知出力となる出力電圧Voutが得られる。第1のトランジスタM11の第2主電極には、スイッチトキャパシタ回路14と演算増幅器OPの反転入力端子とが接続される。演算増幅器OPの非反転入力端子には、基準電圧源18(Vref)が接続され、演算増幅器OPの出力端子が第1のトランジスタM11の制御電極と接続される。そして、電圧源16とスイッチトキャパシタ回路14との間に、定電流回路21が第1のトランジスタM11及び抵抗素子11に対して並列に接続される。
The first transistor M11 is configured by an N-type MOS transistor or an NPN-type bipolar transistor. A resistance element 11 (R1) is connected to the first main electrode of the first transistor M11, and a voltage source 16 (VDD) is connected via the
この第6の実施形態の構成においても、第5の実施形態と同様、定電流回路21が、定常状態の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給する回路となっている。また、抵抗素子11及び第1のトランジスタM11が、容量変化ΔCに伴う変化分の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給する回路となる。このため、定電流回路21が主体となる定常状態のバイアス電圧の感度と、抵抗素子11及び第1のトランジスタM11が主体となる容量変化ΔCに対する感度とは、互いに分離して設定可能であり、バイアス電圧の感度を大きくすることなく、容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を向上できる。
Also in the configuration of the sixth embodiment, as in the fifth embodiment, the constant
(第7の実施形態)
図7は、本発明の第7の実施形態に係るCV変換回路の構成を示す回路図である。第7の実施形態は、前述した第5の実施形態の構成の一部を変更した構成例である。第7の実施形態のCV変換回路は、第1のトランジスタM1に接続される負荷抵抗である抵抗素子11(R1)の接続点を、第2主電極とスイッチトキャパシタ回路14との間に設けた構成である。すなわち、第7の実施形態は、第5の実施形態に対して第3の実施形態と同様の構成変更を適用したものであり、第1のトランジスタM1の第2主電極側から出力電圧Voutを得る構成となっている。ここで、第1、第3及び第5の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
(Seventh embodiment)
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a CV conversion circuit according to the seventh embodiment of the present invention. The seventh embodiment is a configuration example in which a part of the configuration of the fifth embodiment described above is changed. In the CV conversion circuit of the seventh embodiment, a connection point of the resistance element 11 (R1), which is a load resistance connected to the first transistor M1, is provided between the second main electrode and the switched
第7の実施形態のCV変換回路では、第5の実施形態の構成に対して、出力電圧Voutを取り出すための負荷抵抗である抵抗素子11と電圧出力端子17との位置がスイッチトキャパシタ回路14側に変更されている。この構成においても、第5の実施形態と同様、定電流回路21が主体となる定常状態のバイアス電圧の感度と、抵抗素子11及び第1のトランジスタM1が主体となる容量変化ΔCに対する感度とは、互いに分離して設定可能であり、バイアス電圧の感度を大きくすることなく、容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を向上できる。
In the CV conversion circuit according to the seventh embodiment, the position of the
(第8の実施形態)
図8は、本発明の第8の実施形態に係るCV変換回路の構成を示す回路図である。第8の実施形態は、前述した第6の実施形態の構成の一部を変更した構成例である。第8の実施形態のCV変換回路は、第1のトランジスタM11に接続される負荷抵抗である抵抗素子11(R1)の接続点を、第2主電極とスイッチトキャパシタ回路14との間に設けた構成である。すなわち、第8の実施形態は、第6の実施形態に対して第4の実施形態と同様の構成変更を適用したものであり、第1のトランジスタM11の第2主電極側から出力電圧Voutを得る構成となっている。ここで、第1、第4、第5及び第6の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
(Eighth embodiment)
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a CV conversion circuit according to the eighth embodiment of the present invention. The eighth embodiment is a configuration example in which a part of the configuration of the sixth embodiment described above is changed. In the CV conversion circuit of the eighth embodiment, a connection point of the resistance element 11 (R1), which is a load resistance connected to the first transistor M11, is provided between the second main electrode and the switched
第8の実施形態のCV変換回路では、第6の実施形態の構成に対して、出力電圧Voutを取り出すための負荷抵抗である抵抗素子11と電圧出力端子17との位置がスイッチトキャパシタ回路14側に変更されている。この構成においても、第5の実施形態と同様、定電流回路21が主体となる定常状態のバイアス電圧の感度と、抵抗素子11及び第1のトランジスタM11が主体となる容量変化ΔCに対する感度とは、互いに分離して設定可能であり、バイアス電圧の感度を大きくすることなく、容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を向上できる。
In the CV conversion circuit of the eighth embodiment, the position of the
以上説明したように、本実施形態のCV変換回路では、容量素子15の容量変化ΔCに伴う変化分の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給する第1のトランジスタM1(又はM11)と並列に、容量素子15の容量Csに依存する定常状態の電流をスイッチトキャパシタ回路14に供給するバイアス電流供給回路を設けている。バイアス電流供給回路の第1例として、第1のトランジスタM1(又はM11)及び抵抗素子11と並列に、第2のトランジスタM2(又はM12)及び抵抗素子12を設け、第1のトランジスタM1(又はM11)の制御電極と第2のトランジスタM2(又はM12)の制御電極との間にローパスフィルタ13を設けた構成とする。また、バイアス電流供給回路の第2例として、第1のトランジスタM1(又はM11)及び抵抗素子11と並列に定電流回路21を設けた構成とする。
As described above, in the CV conversion circuit of this embodiment, the capacitance corresponding to the change due to the capacitance change ΔC of the
これにより、容量素子15の容量Csによって決まる定常状態のバイアス電圧の感度と、容量素子15の容量変化ΔCに対する感度とを分離して設定可能となり、容量変化ΔCによって生じる変動分のCV変換感度を改善することができる。
As a result, the sensitivity of the steady-state bias voltage determined by the capacitance Cs of the
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。 While various embodiments have been described above with reference to the drawings, it goes without saying that the present invention is not limited to such examples. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood. In addition, the constituent elements in the above embodiment may be arbitrarily combined without departing from the spirit of the present invention.
本発明は、検知対象の物理量の変化により生じる容量変化ΔCに対する感度を設定可能とし、CV変換回路における容量変化ΔCに起因する変動分のCV変換感度を改善することができる効果を有し、例えば静電容量型センサ(振動センサ、加速度センサ)、コンデンサマイクロホン等において有用である。 The present invention makes it possible to set the sensitivity to the capacitance change ΔC caused by the change in the physical quantity to be detected, and has the effect of improving the CV conversion sensitivity for the variation caused by the capacitance change ΔC in the CV conversion circuit. It is useful in electrostatic capacity type sensors (vibration sensors, acceleration sensors), condenser microphones and the like.
11:抵抗素子(R1)
12:抵抗素子(R2)
13:ローパスフィルタ(LPF)
14:スイッチトキャパシタ回路
15:容量素子(Cs+ΔC)
16:電圧源(VDD)
17:電圧出力端子(Vout)
18:基準電圧源(Vref)
19:容量素子
21:定電流回路
M1、M11:第1のトランジスタ
M2、M12:第2のトランジスタ
OP:演算増幅器
SW1、SW2:スイッチ
ΔC:容量変化
11: Resistance element (R1)
12: Resistance element (R2)
13: Low-pass filter (LPF)
14: Switched capacitor circuit 15: Capacitance element (Cs + ΔC)
16: Voltage source (VDD)
17: Voltage output terminal (Vout)
18: Reference voltage source (Vref)
19: Capacitance element 21: Constant current circuit M1, M11: First transistor M2, M12: Second transistor OP: Operational amplifier SW1, SW2: Switch ΔC: Capacitance change
Claims (4)
電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間に設けられ、前記容量素子の容量変化に伴う変化分の電流を前記スイッチトキャパシタ回路に供給する第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタの第1主電極と前記電圧源との間、又は前記第1のトランジスタの第2主電極と前記スイッチトキャパシタ回路との間に接続され、一端に出力電圧を得る電圧出力端子が設けられる第1の負荷抵抗と、
前記スイッチトキャパシタ回路にバイアス電流を供給するバイアス電流供給回路と、
出力端子が前記第1のトランジスタの制御電極に接続され、第1の入力端子に前記スイッチトキャパシタ回路の等価抵抗における電圧が、第2の入力端子に所定の基準電圧がそれぞれ入力され、両入力電圧が等しくなるように動作する演算増幅器と、
を備えるCV変換回路。 It has a capacitive element whose capacitance changes according to the physical quantity to be detected, and at least two switches. When the switch is turned on and off by a two-phase signal having opposite phases, the capacitance of the capacitive element and the two-phase signal A switched capacitor circuit that generates an equivalent resistance in accordance with the frequency;
A first transistor provided between a voltage source and the switched capacitor circuit, and supplying a current corresponding to a change in capacitance of the capacitive element to the switched capacitor circuit;
A voltage output terminal connected between the first main electrode of the first transistor and the voltage source, or between the second main electrode of the first transistor and the switched capacitor circuit, and obtaining an output voltage at one end. A first load resistor provided with:
A bias current supply circuit for supplying a bias current to the switched capacitor circuit;
An output terminal is connected to the control electrode of the first transistor, a voltage at the equivalent resistance of the switched capacitor circuit is input to the first input terminal, and a predetermined reference voltage is input to the second input terminal. Operational amplifiers operating to be equal,
A CV conversion circuit comprising:
前記バイアス電流供給回路は、
前記電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間に設けられた第2のトランジスタと、
前記第2のトランジスタの第1主電極と前記電圧源との間、又は前記第2のトランジスタの第2主電極と前記スイッチトキャパシタ回路との間に接続される第2の負荷抵抗と、
前記第1のトランジスタの制御電極と前記第2のトランジスタの制御電極との間に接続され、所定周波数より低い低周波数成分を通過させるローパスフィルタと、を有してなるCV変換回路。 The CV conversion circuit according to claim 1,
The bias current supply circuit includes:
A second transistor provided between the voltage source and the switched capacitor circuit;
A second load resistor connected between the first main electrode of the second transistor and the voltage source or between the second main electrode of the second transistor and the switched capacitor circuit;
A CV conversion circuit comprising: a low-pass filter connected between the control electrode of the first transistor and the control electrode of the second transistor and passing a low-frequency component lower than a predetermined frequency.
前記バイアス電流供給回路は、
前記電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間に設けられた定電流回路を有してなる、CV変換回路。 The CV conversion circuit according to claim 1,
The bias current supply circuit includes:
A CV conversion circuit comprising a constant current circuit provided between the voltage source and the switched capacitor circuit.
電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間にソース又はエミッタとドレイン又はコレクタとが接続され、前記容量素子の容量変化に応じた電流を前記スイッチトキャパシタ回路に供給する第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタのソース又はエミッタと前記電圧源との間、又は前記第1のトランジスタのドレイン又はコレクタと前記スイッチトキャパシタ回路との間に接続され、一端に出力電圧を得る電圧出力端子が設けられる第1の負荷抵抗と、
前記電圧源と前記スイッチトキャパシタ回路との間において、ソース又はエミッタとドレイン又はコレクタとが接続され、前記容量素子の容量に依存する電流を前記スイッチトキャパシタ回路に供給する第2のトランジスタと、
前記第2のトランジスタのソース又はエミッタと前記電圧源との間、又は前記第2のトランジスタのドレイン又はコレクタと前記スイッチトキャパシタ回路との間に接続される第2の負荷抵抗と、
前記第1のトランジスタのゲート又はベースと前記第2のトランジスタのゲート又はベースとの間に接続され、所定周波数より低い低周波数成分を通過させるローパスフィルタと、
出力端子が前記第1のトランジスタのゲート又はベースと接続され、非反転入力端子が前記第1のトランジスタのドレイン又はコレクタ及び前記第2のトランジスタのドレイン又はコレクタ、並びに前記スイッチトキャパシタ回路と接続され、反転入力端子が基準電圧源と接続され、前記スイッチトキャパシタ回路の等価抵抗における電圧と所定の基準電圧とが等しくなるように動作する演算増幅器と、
を備えるCV変換回路。 It has a capacitive element whose capacitance changes according to the physical quantity to be detected, and at least two switches. When the switch is turned on and off by a two-phase signal having opposite phases, the capacitance of the capacitive element and the two-phase signal A switched capacitor circuit that generates an equivalent resistance in accordance with the frequency;
A first transistor having a source or emitter and a drain or collector connected between a voltage source and the switched capacitor circuit, and supplying a current corresponding to a capacitance change of the capacitive element to the switched capacitor circuit;
A voltage output terminal is provided between the source or emitter of the first transistor and the voltage source, or between the drain or collector of the first transistor and the switched capacitor circuit, and obtains an output voltage at one end. A first load resistance to be
A source or emitter and a drain or collector connected between the voltage source and the switched capacitor circuit, and a second transistor for supplying a current dependent on a capacitance of the capacitive element to the switched capacitor circuit;
A second load resistor connected between the source or emitter of the second transistor and the voltage source, or between the drain or collector of the second transistor and the switched capacitor circuit;
A low-pass filter connected between the gate or base of the first transistor and the gate or base of the second transistor and passing a low-frequency component lower than a predetermined frequency;
An output terminal is connected to the gate or base of the first transistor, and a non-inverting input terminal is connected to the drain or collector of the first transistor and the drain or collector of the second transistor, and the switched capacitor circuit; An inverting input terminal is connected to a reference voltage source, and an operational amplifier that operates so that a voltage at an equivalent resistance of the switched capacitor circuit is equal to a predetermined reference voltage;
A CV conversion circuit comprising:
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