CN100523736C - 输出放大电路及采用该输出放大电路的传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的加速度传感器装置中设有利用电阻变化输出差动输出电压(VIP、VIN)的加速度传感器(10)和放大该差动输出电压的输出放大电路(20)。输出放大电路(30)包括偏压调节电路(40)、运算放大器(51～53)等构成的仪器放大器(50)。由于将仪器放大器输出的基准电压(VCOM)也施加到运算放大器(52)侧，输出放大电路(30)的输出电压(VOUT)受加速度传感器(10)的差动输出电压(VIP、VIN)的影响的因素只为运算放大器(53)的差动(VIP-VIN)放大，从而使共态抑制比良好。

Description

输出放大电路及采用该输出放大电路的传感器装置
技术领域
本发明涉及放大从加速度传感器等输出的微小的偏差电压的仪器放大器(Instrumentation amplifier：仪器用放大器)以及设有偏压调节电路的输出放大电路和采用该输出放大电路的传感器装置。
背景技术
一直以来，设有带偏移调节功能的仪器放大器的输出放大电路相关的技术，例如在下述日本专利文献1的图1、图6以及该说明中有记载。另外，用设有仪器放大器的输出放大电路放大从加速度传感器输出的微小的差动输出电压的传感器装置，例如在下述的日本专利文献2的图4、图7以及该说明中有记载。
专利文献1：特开2003-215172号公报(充放电电流检出电路及可变电阻器)
专利文献2：特开平7-244071号公报(加速度传感器的灵敏度调节装置)
在专利文献1中记载的输出放大电路由仪器放大器和偏压调节电路构成。仪器放大器放大电桥电路等的微小偏差电压，要求高增益(例如数百～数千)、低漂移、低偏移等。因此，文献1的仪器放大器中，用第一和第二运算放大器分别放大检出电阻的微小输出电压，并通过开关切换该第一或第二运算放大器的输出电压，用第三运算放大器进一步放大后输出放大电路输出电压。然后，用偏压调节电路来调节第三运算放大器的偏移误差。
在专利文献2中记载的传感器装置由加速度传感器和输出放大电路构成，该加速度传感器由采用压敏电阻元件的惠斯登电桥电路构成，该输出放大电路采用仪器放大器放大由该加速度传感器输出的微小的差动输出电压。构成输出放大电路的仪器放大器中，用第一和第二运算放大器分别放大差动输出电压，用第三运算放大器放大该第一和第二运算放大器的输出电压之差后输出放大电路输出电压。
发明内容
在专利文献1中记载的输出放大电路中，采用偏压调节电路，调节输出级的第三运算放大器的偏压。但是，第一和第二运算放大器的偏压分别不同，经由开关将该第一运算放大器连接到第三运算放大器时，存在必须使对第三运算放大器的运算放大调节值不同，偏压调节电路中运算放大调节值的设定复杂的问题。此问题也在专利文献2中记载的输出放大电路中发生。
为了解决这样的问题，可考虑例如在专利文献2的输出放大电路中，在第一或第二运算放大器的任一个(例如第一运算放大器)的输入侧连接所述电压调节电路，调节第一运算放大器的偏压，使第一第二运算放大器的输出电压相等。
可是，采用这种结构时，例如，专利文献2中记载的加速度传感器的差动输出电压中含有同相噪声时，放大电路输出电压从规定值变动，产生共态抑制比(也称为共模抑制比，以下称为“CMRR”)变差的课题。
为了解决上述课题，本发明的技术方案1的输出放大电路中设有：输出根据来自外部的指令调节的所期望的偏压的偏压调节电路；输入第一差动输出电压的第一输入端子；输入第二差动输出电压的第二输入端子；输入所述偏压的第一电压输入端子；输入仪器放大器输出的基准电压的第二电压输入端子；以及将从所述第一和第二输入端子分别输入的所述第一和第二差动输出电压差动放大后输出放大电路输出电压的仪器放大器。
还有，所述仪器放大器中设有：其非反相输入端子与所述第一输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第一电压输入端子的第一运算放大器；其非反相输入端子与所述第二输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第二电压输入端子的第二运算放大器；以及其非反相输入端子经由电阻连接到所述第一运算放大器的输出端子和所述第二电压输入端子，其反相输入端子经由电阻连接到所述第二运算放大器的输出端子，由输出端子输出所述放大电路输出电压的第三运算放大器。
本发明技术方案2的输出放大电路中设有：输入仪器放大器输出的基准电压的基准电压输入端子；输出根据来自外部的指令调节的所期望的偏压和以从所述基准电压输入端子输入的所述基准电压为中心将所述偏压的电平反相的调节电压的偏压调节电路；输入第一差动输出电压的第一输入端子；输入第二差动输出电压的第二输入端子；输入所述偏差电压的第一电压输入端子；输入所述调节电压的第二电压输入端子；以及将从所述第一和第二输入端子分别输入的所述第一和第二差动输出电压差动放大后输出放大电路输出电压的仪器放大器。
还有，所述仪器放大器中设有：其非反相输入端子与所述第一输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第一电压输入端子的第一运算放大器；其非反相输入端子与所述第二输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第二电压输入端子的第二运算放大器；以及其非反相输入端子经由电阻连接到所述第一运算放大器的输出端子和所述基准电压输入端子，其反相输入端子经由电阻连接到所述第二运算放大器的输出端子，由输出端子输出所述放大电路输出电压的第三运算放大器。
本发明的技术方案3、4的传感器装置中设有：技术方案1或2的输出放大电路；以及与所述第一和第二输入端子连接，并利用电阻变化输出差动输出电压，将该差动输出电压作为所述第一和第二差动输出电压分别输入到所述第一和第二输入端子的传感器。所述传感器例如由采用压敏电阻元件的惠斯登电桥电路构成。
依据本发明的技术方案1、3、4，将仪器放大器输出的基准电压也加到第二运算放大器侧，因此，在放大电路输出电压受输入的偏差电压的影响的原因只为第三运算放大器的差动放大，CMRR良好。
依据本发明的技术方案2、3、4，将以仪器放大器输出的基准电压为中心将偏压的电平反相的调节电压，也加到第二运算放大器侧，因此，得到与技术方案1、3、4大致相同的效果外，在偏压较大时，例如在传感器被加上加速度之前，第一和第二运算放大器的输出端子电压因接近仪器放大器输出的基准电压而相同，然后，传感器被加上加速度而放大，因此能够容易设定第三运算放大器的输入电压范围。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的加速度传感器装置的结构图。
图2是表示本发明实施例2的加速度传感器装置的结构图。
(符号说明)
10加速度传感器，20惠斯登电桥电路，30、30A输出放大电路，40、40A偏压调节电路，50仪器放大器，51、52、53第一、第二、第三运算放大器。
具体实施方式
本发明的传感器装置中设有利用电阻变化输出微小的差动输出电压的传感器和放大该传感器的差动电压后输出放大电路输出电压的输出放大电路。其中，该传感器可为加速度传感器。
所述输出放大电路中设有：输出根据来自外部的指令调节的所期望的偏压的偏压调节电路；输入第一差动输出电压的第一输入端子；输入第二差动输出电压的第二输入端子；输入所述偏压的第一电压输入端子；输入仪器放大器输出的基准电压的第二电压输入端子；以及将从所述第一和第二输入端子分别输入的所述第一和第二差动输出电压差动放大后输出所述放大电路输出电压的仪器放大器。
所述仪器放大器中设有：其非反相输入端子与所述第一输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第一电压输入端子的第一放大器；其非反相输入端子与所述第二输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第二电压输入端子的第二放大器；以及其非反相输入端子经由电阻连接到所述第一放大器的输出端子和所述第二电压输入端子，其反相输入端子经由电阻连接到所述第二放大器的输出端子，由输出端子输出所述放大电路输出电压的第三放大器。
实施例1
(结构)
图1是表示本发明实施例1的传感器装置即加速度传感器装置的结构图。
该加速度传感器装置中设有利用电阻变化输出微小的差动输出电压(例如第一电极电压VIP、第二电极电压VIN)的传感器(例如加速度传感器)10和放大该差动输出电压VIP、VIN的输出放大电路30，且由半导体集成电路等构成。
加速度传感器10由在输入基准电压VREF的基准电压输入端子11和地之间连接的惠斯登电桥电路20构成。惠斯登电桥电路20由四个压敏电阻元件21～24构成，将这些电阻变化作为电桥输出电压的变化而检出，并将差动输出电压VIP、VIN输出给输出放大电路30。
输出放大电路30中包括：输入差动输出电压VIP的第一输入端子31、输入差动输出电压VIN的第二输入端子32、输入偏压VOFFIN的第一电压输入端子33、输入基准电压VREF的1/2电压电平即仪器放大器输出的基准电压VCOM的第二电压输入端子34、输入基准电压VCOM的基准电压输入端子35、输出放大电路输出电压VOUT的输出端子36、输出侧连接到输入端子33的偏压调节电路40、以及输入侧连接到输入端子31～34的仪器放大器50。偏压调节电路40根据来自外部的指令调节所期望的偏压VOFFIN后输出给输入端子33。
仪器放大器50由以下部分构成：分别放大从各输入端子31、32输入的各差动输出电压VIP、VIN的第一、第二运算放大器51、52；将由该运算放大器51、52放大的各输出电压作为差动输入而进一步放大的第三运算放大器53；以及设定该仪器放大器50的放大率的电阻值R1～R7的电阻61～67。该仪器放大器50以基准电压VCOM为基准放大差动输出电压VIP、VIN，并将该输出电压VOUT输出给输出端子36。
即，运算放大器51的非反相输入端子连接到输入端子31，反相输入端子经由电阻值R8的电阻68连接到输入端子33。运算放大器52的非反相输入端子与输入端子32连接，其反相输入端子经由电阻值R9的电阻69连接到输入端子34。运算放大器51的反相输入端子经由节点N1、电阻61及节点N3反馈连接到该运算放大器51的输出端子。运算放大器52的反相输入端子经由节点N2、电阻63及节点N4反馈连接到该运算放大器52的输出端子。节点N1和N2经由电阻62互相连接。节点N3经由电阻64及节点N5连接到运算放大器53的非反相输入端子，同时节点N4经由电阻66及节点N6连接到运算放大器53的反相输入端子。节点N5经由电阻65连接到输入端子35，节点N6经由电阻67连接到输出端子36。
一般，设定仪器放大器50的放大率的电阻值R1～R7的电阻61～67，设定为R1＝R3、R4＝R6、R5＝R7。由偏压调节电路40输出的偏压VOFFIN在加速度传感器10上未加上加速度时测量输出电压VOUT，调节为使节点N3和N4的电压相同。另外，一般，加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN，由于未加上加速度时和加上加速度时的电压变动微小，将输出放大电路30的放大率设定为数百倍左右。各运算放大器51、52、53的放大率为数十倍左右，运算放大器51和52的放大率相同。
本实施例1的特征在于输入基准电压VCOM的输入端子34经由电阻69连接到节点N2。还有，两个输入端子34、35是输入同一基准电压VCOM的端子，可省略任一方。
(动作)
首先，测量加速度传感器10上未加上加速度时的输出电压VOUT，确定偏压调节电路40的偏压VOFFIN。接着，由来自外部的指令确定的偏压VOFFIN从偏压调节电路40输出，节点N3和N4的电压相同。然后，加速度传感器10上被加上加速度，在压敏电阻元件21～24上产生畸变，输出惠斯登电桥电路20的差动输出电压VIP、VIN。最后，加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN由运算放大器51、52分别放大，且节点N3和N4的电压变动，以该被放大的各输出电压作为差动输入，用运算放大器53进一步放大，被放大的输出电压VOUT由输出端子36输出。
以下，表示在加速度传感器10上未加上加速度时的加速度传感器10的差动输出电压VIPa、VINa和偏压VOFFIN的关系式。
V3＝VIPa+R1×|(VIPa-VOFFIN)/R8+(VIPa-VINa)/R2|  ....(1)
V4＝VINa+R3×(VINa-VIPa)/R2  ....(2)
根据V3＝V4，
VOFFIN＝R8×(1+2×R1/R2)×(VIPa-VINa)/R1+VIPa  ....(3)
其中，R1＝R3从而，节点N3的电压电平通过偏压VOFFIN成为节点N4的电压电平，节点N3和节点N4的电压电平相同。如上所述，加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN在加上加速度和未加上加速度时的电压变动微小，但节点N3和节点N4中，由于通过偏压VOFFIN而成为相同的电压电平，存在加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN的数十倍的电压变动，因此运算放大器53的输入电压范围设定为满足上述情况。
接着，说明加速度传感器10上被加上加速度时的加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN和输出放大电路30的输出电压VOUT的关系式。
假设没有图1的输入端子34和电阻69，且运算放大器52的反相输入端子连接到节点N2的电路结构(以下称为“改良前电路结构”)中，差动输出电压VIP、VIN和输出电压VOUT的关系式如下：
VOUT＝(R5/R4)×|(1+2×R1/R2)×(VIP-VIN)+(R1/R8)×(VIP-VOFFIN)|+VCOM  ....(4)
其中，R1＝R3、R4＝R6、R5＝R7，
但是，这种改良前电路结构中，偏压VOFFIN只加到运算放大器51侧，因此，例如加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN上包含同相噪声ΔV时(VIP→VIP+ΔV、VIN→VIN+ΔV)，如下式(5)所示，输出电压VOUT从式(4)的值变动，发生如在前说明的CMRR变差的问题。
VOUT＝(R5/R4)×|(1+2×R1/R2)×(VIP+ΔV-VIN-ΔV)+(R1/R8)×(VIP+ΔV-VOFFIN)|+VCOM
＝(R5/R4)×|(1+2×R1/R2)×(VIP-VIN)+(R1/R8)×(VIP+ΔV-VOFFIN)|+VCOM  ....(5)
其中，R1＝R3、R4＝R6、R5＝R7。
为了解决这样的问题，本实施例1中，将基准电压VCOM经由电阻69施加到节点N2，因此，加速度传感器10上被加上加速度时的差动输出电压VIP、VIN和输出电压VOUT的关系式如下式(6)。
VOUT＝(R5/R4)×|(1+2×R1/R2+R1/R8)×(VIP-VIN)+(R1/R8)×(VCOM-VOFFIN)|+VCOM  ...(6)
其中，R1＝R3、R4＝R6、R5＝R7、R8＝R9，
从而，加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN中包含同相噪声ΔV时(VIP→VIP+ΔV、VIN→VIN+ΔV)，如下式(7)所示，输出电压VOUT也不会从式(6)的值变动。
VOUT＝(R5/R4)×|(1+2×R1/R2+R1/R8)×(VIP+ΔV-VIN-ΔV)+(R1/R8)×(VCOM-VOFFIN)|+VCOM
＝(R5/R4)×|(1+2×R1/R2+R1/R8)×(VIP-VIN)+(R1/R8)×(VCOM-VOFFIN)|+VCOM  ....(7)
其中，R1＝R3、R4＝R6、R5＝R7、R8＝R9。
(效果)
本实施例1中，改良前电路结构上，在运算放大器52侧也施加仪器放大器输出的基准电压VCOM，因此，输出放大电路30的输出电压VOUT受加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN的影响因素只有(VIP-VIN)，使CMRR良好。
实施例2
图2是表示本发明实施例2的传感器装置即加速度传感器装置的结构图，与表示实施例1的图1中的要素共同的要素采用共同的符号。
与实施例1相比，本实施例2的不同点在于：将结构不同的偏压调节电路40A设于输出放大电路30A内，以取代实施例1的输出放大电路30内的偏压调节电路40，从该偏压调节电路40A输出的偏压VOFFIN和调节电压VOFFMIN中，将偏压VOFFIN输入第一电压输入端子33，将调节电压VOFFMIN输入第二电压输入端子34。其它结构与实施例1相同。偏压调节电路40A设定偏压VOFFIN，并且，也可以设定以仪器放大器输出的基准电压VCOM为中心将偏压VOFFIN反相的调节电压VOFFMIN。
(动作)
本实施例2基本动作与实施例1相同，因此省略说明。以下，表示实施例2中的加速度传感器10上被加上加速度时的加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN和输出放大电路30A的输出电压VOUT的关系式。
VOUT＝(R5/R4)×|(1+2×R1/R2+R1/R8)×(VIP-VIN)+(R1/R8)×(VOFFMIN-VOFFIN)|+VCOM  ...(8)
其中，R1＝R3、R4＝R6、R5＝R7、R8＝R9，
从而，加速度传感器10的差动输出电压VIP、VIN中包含同相噪声ΔV时(VIP→VIP+ΔV、VIN→VIN+ΔV)，如下式(9)所示，输出电压VOUT也不会从式(8)的值变动。
VOUT＝(R5/R4)×|(1+2×R1/R2+R1/R8)×(VIP+ΔV-VIN-ΔV)+(R1/R8)×(VOFFMIN-VOFFIN)|+VCOM
＝(R5/R4)×|(1+2×R1/R2+R1/R8)×(VIP-VIN)+(R1/R8)×(VOFFMIN-VOFFIN)|+VCOM  ...(9)
其中，R1＝R3、R4＝R6、R5＝R7、R8＝R9。
另外，以下表示在加速度传感器10上未加上加速度时的加速度传感器10的差动输出电压VIPa、VINa和偏压VOFFIN的关系式。
V3＝VIPa+R1×|(VIPa-VINa)/R2+(VIPa-VOFFIN)/R8|  ...(10)
V4＝VINa+R3×|(VINa-VIPa)/R2+(VINa-VOFFMIN)/R9|  ...(11)
根据V3＝V4，VOFFMIN＝2VCOM-VOFFIN，
VOFFIN＝(R8/2)×(1+2×R1/R2+R1/R8)×(VIPa-VINa)/R1+VCOM  ...(12)
VOFFMIN＝(-R9/2)×(1+2×R3/R2+R3/R9)×(VIPa-VINa)/R3+VCOM  ...(13)
其中，R1＝R3、R8＝R9，
从而，节点N3的电压电平通过偏压VOFFIN，而节点N4的电压电平通过以仪器放大器输出的基准电压VCOM为中心将偏压VOFFIN反相的调节电压VOFFMIN，在仪器放大器输出的基准电压VCOM附近成为相同。以下关于该式(10)～式(13)的一例进行说明。
例如，加速度传感器10上未加上加速度时的加速度传感器10的差动输出电压VIPa、VINa为1.020V、1.040V；仪器放大器输出的基准电压VCOM为1.000V；输出放大电路30A的放大率为503倍(R1＝R3＝115Ω、R2＝10Ω、R4＝R6＝10Ω、R5＝R7＝200Ω、R8＝R9＝100Ω)时，由式(12)、式(13)可算出VOFFIN＝0.781V、VOFFMIN＝1.219V，由式(10)、式(11)可算出V3＝V4＝1.065V，在仪器放大器输出的基准电压VCOM＝1.000V附近的电平中成为相同。
(效果)
本实施例2中，改良前电路结构上，以仪器放大器输出的基准电压VOM为中心将偏压VOFFIN反相的调节电压VOFFMIN也施加到运算放大器52侧，因此得到与实施例1大致相同的效果外，在偏压VOFFIN较大时，在传感器10被加上加速度之前，节点N3、N4在仪器放大器输出的基准电压VCOM附近的电平中成为相同，然后，传感器10被加上加速度而放大，因此能够容易设定运算放大器53的输入电压范围。
实施例3
本发明并不限于上述实施例1、2，可包括各种变形及利用形态。作为表示这种变形例及利用形态的实施例3，例如如下。
在实施例1、2中，就放大由压敏电阻元件21～24构成惠斯登电桥电路20的加速度传感器10的输出电压的仪器放大器50进行了说明，但本发明可与电阻元件的种类、传感器的种类无关，可用于采用放大各种偏差电压的仪器放大器50的输出放大电路30、30A和传感器装置中。

Claims (4)

1.一种输出放大电路，其中设有：
输出根据来自外部的指令调节的所期望的偏压的偏压调节电路；
输入第一差动输出电压的第一输入端子；
输入第二差动输出电压的第二输入端子；
输入所述偏压的第一电压输入端子；
输入仪器放大器输出的基准电压的第二电压输入端子；以及
将从所述第一和第二输入端子分别输入的所述第一和第二差动输出电压差动放大后输出放大电路输出电压的仪器放大器，
所述仪器放大器中设有：
其非反相输入端子与所述第一输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第一电压输入端子的第一运算放大器；
其非反相输入端子与所述第二输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第二电压输入端子的第二运算放大器；以及
其非反相输入端子经由电阻连接到所述第一运算放大器的输出端子和所述第二电压输入端子，其反相输入端子经由电阻连接到所述第二运算放大器的输出端子，由输出端子输出所述放大电路输出电压的第三运算放大器。
2.一种输出放大电路，其中设有：
输入仪器放大器输出的基准电压的基准电压输入端子；
输出根据来自外部的指令调节的所期望的偏压和以从所述基准电压输入端子输入的所述基准电压为中心将所述偏压的电平反相的调节电压的偏压调节电路；
输入第一差动输出电压的第一输入端子；
输入第二差动输出电压的第二输入端子；
输入所述偏压的第一电压输入端子；
输入所述调节电压的第二电压输入端子；以及
将从所述第一和第二输入端子分别输入的所述第一和第二差动输出电压差动放大后输出放大电路输出电压的仪器放大器，
所述仪器放大器中设有：
其非反相输入端子与所述第一输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第一电压输入端子的第一运算放大器；
其非反相输入端子与所述第二输入端子连接，反相输入端子经由电阻连接到所述第二电压输入端子的第二运算放大器；以及
其非反相输入端子经由电阻连接到所述第一运算放大器的输出端子和所述基准电压输入端子，其反相输入端子经由电阻连接到所述第二运算放大器的输出端子，由输出端子输出所述放大电路输出电压的第三运算放大器。
3.一种传感器装置，其特征在于设有：
权利要求1或权利要求2所述的输出放大电路；以及
与所述第一和第二输入端子连接，并利用电阻变化输出差动输出电压，将该差动输出电压作为所述第一和第二差动输出电压分别输入到所述第一和第二输入端子的传感器。
4.如权利要求3所述的传感器装置，其特征在于：
所述传感器是由采用压敏电阻元件的惠斯登电桥电路构成的加速度传感器。
CNB2005101087501A 2004-12-16 2005-09-30 输出放大电路及采用该输出放大电路的传感器装置 Expired - Fee Related CN100523736C (zh)

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