CN102334278A

CN102334278A - 放大装置、传感器模块

Info

Publication number: CN102334278A
Application number: CN2009801575268A
Authority: CN
Inventors: 犬饲文人; 小林仁; 政井茂雄
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2012-01-25
Also published as: US20110260788A1; JP2010206237A; WO2010097845A1

Abstract

本发明提供一种放大装置、传感器模块。低通滤波器电路(11)具有：第一输入端子，其被提供传感器信号(SIN)；第二输入端子；和输出端子，其用于输出输出信号(SOUTP)。低通滤波器电路(12)具有：输入端子，其与低通滤波器电路(11)的第二输入端子连接；和输出端子。低通滤波器电路(13)具有：输入端子，其与低通滤波器电路(12)的输出端子连接；和输出端子，其用于输出输出信号(SOUTN)。

Description

放大装置、传感器模块

技术领域

本发明涉及对来自传感器的传感器信号进行放大的放大装置以及具备该放大装置的传感器模块。

背景技术

以往以来，在便携式设备中，使用电容传感器元件(作为麦克风来利用的传感器元件)、角速度传感器元件(用于数字相机的防手抖的传感器元件)等。这样的传感器元件作为传感器模块与对传感器元件的输出进行放大的放大装置一起加以利用。为了提高该传感器模块的性能，放大装置的低噪声化是重要的，特别地，在将传感器模块搭载于便携式设备中的情况下，进一步要求放大装置的低消耗电力化和小型化。另外，传感器模块的输出信号通过模拟·数字转换器被转换为数字信号后进行使用。

在专利文献1中，公开有将来自麦克风的传感器信号转换为差动输出信号的放大装置。该放大装置包括：第一运算放大器，其具有提供传感器信号的非反转输入端子；第二运算放大器，其具有经由第一电阻提供第一运算放大器的输出信号的反转输入端子。第一运算放大器的输出端子与第一运算放大器的反转输入端子连接，第二运算放大器的非反转输入端子与接地节点(node)连接，第二运算放大器的输出端子经由第二电阻与第二运算放大器的非反转输入端子连接。即，第一运算放大器构成电压跟随电路(voltage follow circuit)，第二运算放大器构成反转放大器。模拟·数字转换器(ADC)将第一以及第二运算放大器的输出(差动信号)转换为数字信号。

专利文献1：美国专利第6,583,658号说明书

发明内容

在专利文献1中，在差动信号的频率比模拟·数字转换器的采样频率高的情况下，由于在数字信号的低频分量中高频分量进行反复，所以为了提高模拟·数字转换器的分辨率，需要在模拟·数字转换器的前级使高频分量衰减。此外，如果向模拟·数字转换器(特别地，Δ∑型)输入DC偏移(offset)，则动态范围(dynamic range)实质上会降低。进一步地，如麦克风这样，由于也存在对于低频信号灵敏度较高的传感器元件，所以也需要在模拟·数字转换器的前级使低频分量衰减。由此，为了限制信号频带，需要在模拟·数字转换器的前级插入带通滤波器。但是，带通滤波器通常使用运算放大器等较多的部件构成，所以通过搭载带通滤波器，会导致热噪声、消耗电力、实际安装面积增加。由此，在传感器模块中，减少噪声、消耗电力、以及电路面积是困难的。

因此，本发明的目的在于，提供一种即使不搭载带通滤波器也优良的放大装置。

按照本发明的一个方面，放大装置是对来自传感器的传感器信号进行放大的放大装置，具备第一低通滤波器电路、第二低通滤波器电路以及第三低通滤波器电路，其中，该第一低通滤波器电路具有：第一输入端子，其提供上述传感器信号；第二输入端子；和输出端子，其用于输出第一输出信号；该第二低通滤波器电路具有：输入端子，其与上述第一低通滤波器电路的第二输入端子连接；和输出端子；该第三低通滤波器电路具有：输入端子，其与上述第二低通滤波器电路的输出端子连接；和输出端子，其用于输出第二输出信号。通过这样进行构成，由于能够使放大装置具有带通滤波器特性，所以可以不设置带通滤波器。由此，能够减少噪声、耗电以及电路面积。

另外，也可以是，上述第一低通滤波器电路是有源滤波器(activefilter)，上述第二低通滤波器电路是无源滤波器(passive filter)，上述第三低通滤波器电路是有源滤波器。

进一步地，上述第一低通滤波器电路将与提供给自己的第一以及第二输入端子中的每一个输入端子的信号的电压差相应的差电压信号中、比第一断路频率低的频率分量作为上述第一输出信号，经由自己的输出端子进行放大输出；上述第二低通滤波器电路将提供给自己的输入端子的信号中、比第二断路频率低的频率分量经由自己的输出端子输出；上述第三低通滤波器电路将提供给自己的输入端子的信号中、比第三断路频率低的频率分量作为上述第二输出信号，经由自己的输出端子进行放大输出。

如以上，通过使放大装置具有带通滤波器特性，能够减少噪声、耗电以及电路面积。

附图说明

图1是表示实施方式1的放大装置的构成例的图。

图2A、图2B、图2C是用于说明图1所示的放大装置的频率特性的图。

图3是表示图1所示的模拟·数字转换器的构成例的图。

图4是表示实施方式2的放大装置的构成例的图。

图5是表示实施方式3的放大装置的构成例的图。

图6A、图6B、图6C是用于说明图5所示的放大装置的频率特性的图。

图7是用于说明图5所示的放大装置的变形例的图。

图8是用于说明图5所示的放大装置的其他变形例的图。

符号说明：

10传感器元件

11、12、13低通滤波器电路

14模拟·数字转换器(ADC)

101、107运算放大器

102、103、105、108、109电阻

104、106、110电容

21差动放大电路

201、202、204电阻

203运算放大器

31、33非反转放大器

32、34低通滤波器部

301、303电阻

302、304电容

305电压跟随电路

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。另外，对图中相同或相当部分附加相同符号不重复其说明。

(实施方式1)

图1表示实施方式1的放大装置。该放大装置是对来自传感器10的传感器信号SIN进行放大并提供给模拟·数字转换器(ADC)14的装置，其具备低通滤波器电路11、12、13。另外，低通滤波器电路11、12、13以及模拟·数字转换器14是传感器模块的一部分。

低通滤波器电路11(第一低通滤波器电路)包括：运算放大器101，其具有被提供传感器信号SIN的非反转输入端子；电阻102，其连接在运算放大器101的输出端子和反转输入端子之间；电阻103，其连接在运算放大器101的反转输入端子和基准节点(这里为接地节点)之间；以及电容104，其连接在运算放大器101的输出端子和反转输入端子之间。即，低通滤波器电路11是有源滤波器，将与提供给运算放大器101的非反转输入端子以及反转输入端子中的每一个输入端子的信号的电压差相应的差电压信号中、比规定的断路频率(由电阻102以及电容104决定的断路频率)低的频率分量作为输出信号SOUTP，经由运算放大器101的输出端子进行放大输出。

低通滤波器电路12(第二低通滤波器电路)包括：电阻105，其连接在运算放大器101的反转输入端子和输出节点N12之间；以及电容106，其连接在输出节点N12和基准节点之间。即，低通滤波器电路12是无源滤波器，将提供给输入端子(电阻105的一端)的信号中、比规定的断路频率(由电阻105和电容106决定的断路频率)低的频率分量经由输出节点N12输出。

低通滤波器电路13(第三低通滤波器电路)包括：运算放大器107，其具有与输出节点N12连接的非反转输入端子；电阻108，其连接在运算放大器107的输出端子和反转输入端子之间；电阻109，其连接在运算放大器107的反转输入端子和基准节点之间；以及电容110，其连接在运算放大器107的输出端子和反转输入端子之间。即，低通滤波器电路13是有源滤波器，将提供给运算放大器107的非反转输入端子的信号中、比规定的断路频率(由电阻108以及电容110决定的断路频率)低的频率分量作为输出信号SOUTN，经由运算放大器107的输出端子进行放大输出。

下面，说明图1所示的放大装置的频率特性。低通滤波器电路11的DC增益(gain)由电阻102、103之比决定，低通滤波器电路13的DC增益由电阻108、109之比决定。这里，如图2A所示，设低通滤波器电路11、13的DC增益任一个都是增益值A1，低通滤波器电路11、13的断路频率任一个都是频率f1。此外，如图2B所示，设低通滤波器电路12的DC增益是“0dB”，断路频率是频率f2。在该情况下，如图2C所示，放大装置的频率特性为带通滤波器特性。另外，低频侧的断路频率f3与低通滤波器电路12的断路频率f2对应，高频侧的断路频率f4与低通滤波器电路11的断路频率f1对应。传感器信号SIN的频率比断路频率f3越低(或者，比断路频率f4越高)，则差动信号(SOUTP-SOUTN)的振幅越小。即，使传感器信号SIN衰减。

如以上，由于通过使放大装置具有带通滤波器特性，也可以不设置带通滤波器，所以能够比现有技术减少传感器模块中的运算放大器的个数，能够减少噪声、消耗电力、以及电路面积。

此外，由于传感器信号SIN被直接提供给运算放大器101的非反转输入端子，所以在由CMOS电路构成运算放大器101的情况下，能够将输入阻抗设定为1MΩ以上。由此，能够抑制输入泄漏，能够提高传感器信号SIN的检测精度。

另外，低通滤波器电路11、13的DC增益也可是相互不同的值，但是由于这些DC增益之差越大，则低频分量的衰减量越小，所以低通滤波器电路11、13的DC增益优选为相同值(或者，大致相同值)。此外，低通滤波器电路11、13的断路频率可以是相互不同的频率。

[模拟·数字转换电路的构成例]

图3表示图1所示的模拟·数字转换器14的构成例。例如，模拟·数字转换器14是一次Δ∑模拟·数字转换器，包括开关111P、112P、......、119P、111N、112N、......、119N；采样电容CSP、CRP、CSN、CRN；运算放大器AMP；反馈电容CFP、CFN；比较器120；和逆变器121、122。开关111P、......、114P、111N、......、114N按照控制时钟φ1进行接通/断开。开关115P、......、117P、115N、......、117N按照控制时钟φ2(控制时钟φ1的反转时钟)进行接通/断开。开关118P、118N按照控制信号φA(逆变器122的输出)进行接通/断开。开关119P、119N按照控制信号φB(逆变器121的输出)进行接通/断开。这样，通过按照控制时钟φ1、φ2、控制信号φA、φB来切换各开关，从而输出信号SOUTP、SOUTN的差电压(即，差动信号(SOUTP-SOUTN))被转换为数字信号S14。

(实施方式2)

图4表示实施方式2的放大装置的构成例。该放大装置除了图1所示的构成外，还具备差动放大电路21。差动放大电路21输出与输出信号SOUTP、SOUTN的差电压(即，差动信号(SOUTP-SOUTN))相应的输出信号S21。例如，差动放大电路21包括：运算放大器201；电阻202，其连接在运算放大器101的输出端子和运算放大器201的反转输入端子之间；电阻203，其连接在运算放大器107的输出端子和运算放大器201的非反转输入端子之间；和电阻204，其连接在运算放大器201的输出端子和反转输入端子之间。模拟·数字转换器14将输出信号S21转换为数字信号S14。这样，可以通过差动放大电路21将差动信号(SOUTP-SOUTN)转换为单一的输出信号S21后输出至后级的装置。

(实施方式3)

图5表示实施方式3的放大装置的构成例。该放大装置具备：非反转放大器31、33；低通滤波器部32、34；和图1所示的低通滤波器电路12。

非反转放大器31包括图1所示的运算放大器101、电阻102、103。低通滤波器部32包括：电阻301，其连接在运算放大器101的输出端子和输出节点N32之间；以及电容302，其连接在输出节点N32和基准节点之间。由此，非反转放大器31的输出信号中比规定的断路频率(由电阻301以及电容302决定的断路频率)低的频率分量作为输出信号SOUTP从输出节点N32输出。非反转放大器33包括图1所示的运算放大器107、电阻108、109。低通滤波器部34包括：电阻303，其连接在运算放大器107和输出节点N34之间；以及电容304，其连接在输出节点N34和基准节点之间。由此，非反转放大器33的输出信号中比规定的断路频率(由电阻303以及电容304决定的断路频率)低的频率分量作为输出信号SOUTN从输出节点N34输出。

下面，说明图5所示的放大装置的频率特性。由非反转放大器31以及低通滤波器部32构成的低通滤波器电路(第一低通滤波器电路)的DC增益由电阻102、103之比决定，由非反转放大器33以及低通滤波器部34构成的低通滤波器电路(第三低通滤波器电路)的DC增益由电阻108、109之比决定。这里，如图6A所示，设第一以及第三低通滤波器电路的DC增益任一个都为增益值A1，第一以及第三低通滤波器电路的断路频率任一个都为频率f1。此外，如图6B所示，设低通滤波器电路12的DC增益为“0dB”，断路频率为频率f2。在该情况下，如图6C所示，放大装置的频率特性成为带通滤波器特性。另外，低频侧的断路频率f3与低通滤波器电路12的断路频率f2对应，高频侧的断路频率f4与第一低通滤波器电路的断路频率f1对应。这样，能够将放大装置的频率特性设定为带通滤波器特性。即，非反转放大器31以及低通滤波器部32与图1所示的低通滤波器电路11对应，非反转放大器33以及低通滤波器部34与图1所示的低通滤波器电路13对应。另外，第一以及第三低通滤波器电路的DC增益虽然可以为相互不同的值，但是由于这些DC增益的差越大，则低频分量的衰减量越小，所以第一以及第三低通滤波器电路的DC增益优选为相同值(或者，大致相同值)。此外，第一以及第三低通滤波器电路的断路频率也可以为相互不同的频率。

此外，图5所示的放大装置除了非反转放大器31、33、低通滤波器部32、34、低通滤波器电路12外，也可以进一步具备图4所示的差动放大电路21。进一步地，如图7所示，非反转放大器33也可以由电压跟随电路305构成。此外，低通滤波器部32、34也可以由图5这样的1次低通滤波器构成，也可以由2次以上的低通滤波器(例如，图5的低通滤波器部32的构成和图1的低通滤波器电路11的构成的组合)构成。进一步地，如图8所示，也可以将低通滤波器部32的电容302和低通滤波器部34的电容304公共化。在该情况下，电容302连接在输出节点N32和输出节点N34之间。这样构成的情况也能够将放大电路的频率特性设定为带通滤波器特性(图6C)。

如以上，上述放大装置由于具有带通滤波器特性，所以对传感器模块等有用。

Claims

1.一种放大装置，是对来自传感器的传感器信号进行放大的放大装置，该放大装置的特征在于，具备第一低通滤波器电路、第二低通滤波器电路、以及第三低通滤波器电路，其中，

上述第一低通滤波器电路具有：

第一输入端子，其被提供上述传感器信号；

第二输入端子；和

输出端子，其用于输出第一输出信号，

上述第二低通滤波器电路具有：

输入端子，其与上述第一低通滤波器电路的第二输入端子连接；和

输出端子，

上述第三低通滤波器电路具有：

输入端子，其与上述第二低通滤波器电路的输出端子连接；和

输出端子，其用于输出第二输出信号。

2.根据权利要求1所述的放大装置，其特征在于，

上述第一低通滤波器电路是有源滤波器，

上述第二低通滤波器电路是无源滤波器，

上述第三低通滤波器电路是有源滤波器。

3.根据权利要求2所述的放大装置，其特征在于，

上述第一低通滤波器电路将与提供给自己的第一以及第二输入端子中的每一个输入端子的信号的电压差相应的差电压信号中、比第一断路频率低的频率分量作为上述第一输出信号，经由自己的输出端子进行放大输出，

上述第二低通滤波器电路将提供给自己的输入端子的信号中、比第二断路频率低的频率分量经由自己的输出端子进行输出，

上述第三低通滤波器电路将提供给自己的输入端子的信号中、比第三断路频率低的频率分量作为上述第二输出信号，经由自己的输出端子进行放大输出。

4.根据权利要求3所述的放大装置，其特征在于，

上述第一低通滤波器电路包括第一运算放大器、第一电阻以及第一电容、和第二电阻，

其中，

上述第一运算放大器具有：

非反转输入端子，其被提供上述传感器信号；

反转输入端子；和

输出端子，其用于输出上述第一输出信号，

上述第一电阻以及第一电容并联连接在上述第一运算放大器的输出端子和反转输入端子之间，

上述第二电阻连接在上述第一运算放大器的反转输入端子和基准节点之间，

上述第二低通滤波器电路包括第三电阻和第二电容，

其中，

上述第三电阻连接在上述第一运算放大器的反转输入端子和输出节点之间，

上述第二电容连接在上述输出节点和上述基准节点之间，

上述第三低通滤波器电路包括第二运算放大器、第四电阻以及第三电容、和第五电阻，

其中，

上述第二运算放大器具有：

非反转输入端子，其与上述输出节点连接；

反转输入端子；和

输出端子，其用于输出上述第二输出信号，

上述第四电阻以及第三电容并联连接在上述第二运算放大器的输出端子和反转输入端子之间，

上述第五电阻连接在上述第二运算放大器的反转输入端子和上述基准节点之间。

5.根据权利要求3所述的放大装置，其特征在于，

上述第一低通滤波器电路包括：

第一非反转放大器，其具有被提供上述传感器信号的非反转输入端子；和

第一低通滤波器部，其将上述第一非反转放大器的输出信号中、比上述第一断路频率低的频率分量作为上述第一输出信号进行输出，

上述第二低通滤波器电路包括：

电阻，其连接在上述第一非反转放大器的反转输入端子和输出节点之间；和

电容，其连接在上述输出节点和基准节点之间，

上述第三低通滤波器电路包括：

第二非反转放大器，其具有与上述输出节点连接的非反转输入端子；和

第二低通滤波器部，其将上述第二非反转放大器的输出信号中、比上述第三断路频率低的频率分量作为上述第二输出信号进行输出。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的放大装置，其特征在于，

该放大装置还具备差动放大电路，该差动放大电路输出与上述第一以及第二输出信号的差电压相应的第三输出信号。

7.一种传感器模块，其特征在于，具备：

权利要求1～5中任一项所述的放大装置；和

模拟·数字转换器，其将上述第一以及第二输出信号转换成与上述第一以及第二输出信号的差电压相应的数字信号。

8.一种传感器模块，其特征在于，具备：

权利要求6所述的放大装置；和

模拟·数字转换器，其将上述第三输出信号转换成数字信号。