CN107632169A - 物理量检测电路、物理量检测装置、电子设备和移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供物理量检测电路、物理量检测装置、电子设备和移动体。提供使用了采样保持电路和开关电容滤波器电路的能够实现低噪声化的物理量检测电路。物理量检测电路包含：开关电容滤波器电路，其具有第1采样保持电路、放大电路和第1开关电容电路，所述第1开关电容电路的输出信号被输入所述放大电路，其中，所述第1采样保持电路对基于物理量检测元件的输出信号的第1信号进行采样保持，所述放大电路被输入所述第1采样保持电路的输出信号，所述第1开关电容电路被输入所述放大电路的第1输出信号；以及A/D转换电路，其对所述开关电容滤波器电路的输出信号进行A/D转换。

Description

物理量检测电路、物理量检测装置、电子设备和移动体
技术领域
本发明涉及物理量检测电路、物理量检测装置、电子设备和移动体。
背景技术
当前，检测加速度的加速度传感器以及检测角速度的陀螺传感器等可检测各种物理量的物理量检测装置被广泛用于各种系统及电子设备中。例如，在专利文献1中公开了一种物理量检测装置，该物理量检测装置是将具有QV放大器、可编程增益放大器(PGA)和模拟-数字转换器(ADC)的物理量检测电路与差动电容型传感器连接而构成的。
专利文献1：日本特开2015-135245号公报
如专利文献1所述的物理量检测装置那样，在对物理量检测元件输出的模拟信号进行模拟处理之后再使用ADC而转换为数字信号的物理量检测装置中，需要使物理量检测元件的驱动频率与ADC的采样频率一致，或者利用基于驱动频率的采样保持电路转换为DC信号。在使驱动频率与ADC的采样频率一致的情况下，由于无法设置抗混叠滤波器，因此，由于ADC中的采样而产生的混叠噪声，导致难以实现低噪声化。此外，在ADC的前级设置采样保持电路和抗混叠滤波器的情况下，会产生由采样保持电路导致的混叠噪声。此外，抗混叠滤波器在电路速度和电路面积这些方面无法增大，从而导致难以实现低噪声化。
发明内容
本发明是鉴于以上的问题点而完成的，根据本发明的几个方式，能够提供使用了采样保持电路和开关电容滤波器电路的、可实现低噪声化的物理量检测电路和物理量检测装置。此外，根据本发明的几个方式，能够提供使用该物理量检测装置的电子设备和移动体。
本发明是为了解决所述课题中的至少一部分而完成的，可作为以下的方式或应用例来实现。
[应用例1]
本应用例的物理量检测电路包含：开关电容滤波器电路，其具有第1采样保持电路、放大电路和第1开关电容电路，所述第1开关电容电路的输出信号被输入到所述放大电路，其中，所述第1采样保持电路对基于物理量检测元件的输出信号的第1信号进行采样保持，所述放大电路被输入所述第1采样保持电路的输出信号，所述第1开关电容电路被输入所述放大电路的第1输出信号；以及A/D转换电路，其对所述开关电容滤波器电路的输出信号进行A/D转换。
在本应用例的物理量检测装置中，开关电容滤波器电路通过第1开关电容电路而作为A/D转换电路的前级的抗混叠滤波器发挥功能。此外，通过第1采样保持电路而使得开关电容滤波器电路的输出信号成为接近DC的信号，因此，A/D转换电路的采样时刻的自由度较大。因此，根据本应用例的物理量检测电路，能够在不改变A/D转换电路对开关电容滤波器电路的输出信号进行采样的频率的情况下提高驱动物理量检测元件的频率，能够实现低噪声化。
[应用例2]
在上述应用例的物理量检测电路中，也可以是，所述放大电路具有：第1斩波电路，其被输入所述第1采样保持电路的输出信号；运算放大器，其被输入所述第1斩波电路的输出信号；以及第2斩波电路，其被输入所述运算放大器的输出信号。
在本应用例的物理量检测电路中，第1采样保持电路的输出信号中所包含的DC附近的信号成分被第1斩波电路转换为斩波频率附近的信号成分。此外，包含在运算放大器的输出信号中的斩波频率附近的信号成分(第1斩波电路转换的信号成分)被第2斩波电路恢复为DC附近的信号成分，包含在运算放大器的输出信号中的噪声成分(由于运算放大器的动作而产生的1/f噪声)被第2斩波电路转换为斩波频率附近的噪声成分。因此，根据本应用例的物理量检测电路，降低了开关电容滤波器电路的输出信号中包含的噪声成分，能够进一步实现低噪声化。
[应用例3]
在上述应用例的物理量检测电路中，也可以是，所述第1斩波电路和所述第2斩波电路的斩波频率为所述A/D转换电路对所述开关电容滤波器电路的输出信号进行采样的采样频率的1/2以下。
在本应用例的物理量检测电路中，虽然开关电容滤波器电路的输出信号的斩波频率附近的噪声成分变高，但是，由于斩波频率为A/D转换电路的采样频率的1/2以下，因此，根据采样定理，该噪声成分不会由于A/D转换电路的采样而混叠到DC附近的信号频带。因此，根据本应用例的物理量检测电路，能够实现低噪声化。
[应用例4]
在上述应用例的物理量检测电路中，也可以是，所述物理量检测电路包含驱动电路，所述驱动电路根据第1时钟信号生成驱动所述物理量检测元件的驱动信号，所述开关电容滤波器电路具有分频电路，所述分频电路对所述第1时钟信号进行分频而生成第2时钟信号，所述第1斩波电路和所述第2斩波电路根据所述第2时钟信号进行动作。
[应用例5]
在上述应用例的物理量检测电路中，也可以是，所述A/D转换电路分时地对包含所述开关电容滤波器电路的输出信号在内的多个信号进行A/D转换。
在本应用例的物理量检测电路中，开关电容滤波器电路的输出信号为接近DC的信号，因此，A/D转换电路的采样时刻的自由度较大，因此，在A/D转换电路中，能够分时地进行包含开关电容滤波器电路的输出信号在内的多个信号的A/D转换处理。因此，根据本应用例，能够实现可在抑制电路面积的大幅增加的同时输出多个信号的物理量检测电路。
[应用例6]
在上述应用例的物理量检测电路中，也可以是，所述开关电容滤波器电路具有：第2采样保持电路，其对基于所述物理量检测元件的输出信号的第2信号进行采样保持；和第2开关电容电路，其被输入所述放大电路的第2输出信号，所述放大电路被输入所述第1采样保持电路的输出信号和所述第2采样保持电路的输出信号，对于所述第1信号和所述第2信号以差动的方式进行动作。
在本应用例的物理量检测装置中，开关电容滤波器电路通过第1开关电容电路和第2开关电容电路而作为A/D转换电路的前级的抗混叠滤波器发挥功能。此外，通过第1采样保持电路和第2采样保持电路而使得开关电容滤波器电路的输出信号成为接近DC的信号，因此，A/D转换电路的采样时刻的自由度较大。而且，开关电容滤波器电路对于所输入的第1信号和第2信号以差动的方式进行动作，因此，降低了第1信号和第2信号中包含的共模噪声以及在信号处理中产生的共模噪声。因此，根据本应用例的物理量检测电路，能够在不改变A/D转换电路对开关电容滤波器电路的输出信号进行采样的频率的情况下提高驱动物理量检测元件的频率，能够实现低噪声化。
[应用例7]
本应用例的物理量检测装置具有：上述任意一个物理量检测电路；和所述物理量检测元件。
根据本应用例，能够实现如下物理量检测装置：在物理量检测电路中，能够在不改变A/D转换电路对开关电容滤波器电路的输出信号进行采样的频率的情况下提高驱动物理量检测元件的频率，因此，能够实现低噪声化。
[应用例8]
本应用例的电子设备具有上述物理量检测装置。
[应用例9]
本应用例的移动体具有上述物理量检测装置。
根据上述应用例，由于具有能够实现低噪声化的物理量检测装置，因此，例如能够实现可靠性高的电子设备和移动体。
附图说明
图1是本实施方式的物理量检测装置的功能框图。
图2是示出物理量检测元件的结构例的图。
图3是用于对物理量检测元件的动作进行说明的图。
图4是示出本实施方式的信号波形的一例的图。
图5是示出开关电容滤波器电路的结构例的图。
图6是示出放大电路的结构例的图。
图7是示出输入到斩波电路56中的差动信号对的频谱的一例的图。
图8是示出从斩波电路56输出的差动信号对的频谱的一例的图。
图9是示出从运算放大器57输出的差动信号对的频谱的一例的图。
图10是示出从斩波电路58输出的差动信号对的频谱的一例的图。
图11是示出物理量检测电路的各种信号的信号波形的一例的图。
图12是示出物理量检测电路的各种信号的信号波形的一例的图。
图13是示出本实施方式的电子设备的结构的一例的功能框图。
图14是示意性地示出作为电子设备的一例的数字照相机的立体图。
图15是示出本实施方式的移动体的一例的图。
标号说明
1：物理量检测装置；2、2X、2Y、2Z：物理量检测元件；3：物理量检测电路；5：第1电容形成部；6：第2电容形成部；7、8、9：端子；10：复用器；20：Q/V放大器；21～24：电容；30：可编程增益放大器；31、32：电容；40：温度传感器；50、50X、50Y、50Z：开关电容滤波器电路；51P、51N：采样保持电路；52：放大电路；53P、53N：开关电容电路；54：分频电路；55：时钟生成电路；56：斩波电路；57：运算放大器；58：斩波电路；60：复用器；70：A/D转换电路；80：数字滤波器；90：振荡电路；100：控制电路；110：驱动电路；120：接口电路；130：存储部；131：寄存器；132：非易失性存储器；200：固定部；201～204：固定电极；210：可动部；211：施重部；211A、211B：可动电极；212：弹簧部；300：电子设备；310：物理量检测装置；320：控制装置(MCU)；330：操作部；340：ROM；350：RAM；360：通信部；370：显示部；400：移动体；410、420、430：物理量检测装置；440、450、460：控制器；470：电池；480：导航装置；490：物理量检测装置；1300：数字照相机；1302：壳体；1304：受光单元；1306：快门按钮；1308：存储器；1310：显示部；1312：视频信号输出端子；1314：输入输出端子；1430：电视监视器；1440：个人计算机；C1N、C2N、C3N：电容；C1P、C2P、C3P：电容；S9、S10、S11、S12、S13、S14：开关；S1N、S2N、S3N、S4N、S5N、S6N、S7N、S8N：开关；S1P、S2P、S3P、S4P、S5P、S6P、S7P、S8P：开关。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的优选实施方式详细地进行说明。另外，以下说明的实施方式并非不合理地限定权利要求中所述的本发明的内容。此外，以下说明的全部结构不一定是本发明的必要技术特征。
以下，以检测加速度作为物理量的物理量检测装置(加速度检测装置)为例进行说明。
1.物理量检测装置
图1是本实施方式的物理量检测装置的功能框图。本实施方式的物理量检测装置1构成为包含三个物理量检测元件(传感器元件)2(2X，2Y，2Z)和物理量检测电路3。
三个物理量检测元件2(2X，2Y，2Z)是分别输出与在检测轴的方向上施加的物理量(在此为加速度)对应的模拟信号的元件。物理量检测元件2X的检测轴是X轴，物理量检测元件2Y的检测轴是Y轴，物理量检测元件2Z的检测轴是Z轴。X轴、Y轴、Z轴彼此交叉，例如垂直。
在本实施方式中，物理量检测元件2X、2Y、2Z是相同的结构，输出差动信号对作为与物理量对应的模拟信号。图2是示出物理量检测元件2(2X，2Y，2Z)的结构例的图(俯视图)。如图2所示，物理量检测元件2具有固定部200和可动部210。固定部200是固定于基板(省略图示)上的部件。可动部210是根据加速度而移位的结构体，具有施重部211和弹簧部212。弹簧部212的一端固定在基板上，另一端与施重部211连接。施重部211由弹簧部212支承。
如图3所示，当对物理量检测元件2施加加速度a时，F＝ma的力F作用于质量m的施重部211。由于该力F，弹簧部212发生变形，施重部211相对于固定部200相对地移位。
施重部211具有可动电极211A和可动电极211B。固定部200具有固定电极201～204。可动电极211A配置在固定电极201、202之间，可动电极211B配置在固定电极203、204之间。物理量检测元件2例如由Si(硅)等半导体材料和使用了半导体加工技术的MEMS(MicroElectro Mechanical Systems)形成。
在此，将可动电极211A和固定电极201的对以及可动电极211B和固定电极203的对称作第1电容形成部5。同样地，将可动电极211A和固定电极202的对以及可动电极211B和固定电极204的对称作第2电容形成部6。物理量检测元件2包含：端子7，其与第1电容形成部5的一端连接；端子8，其与第2电容形成部6的一端连接；以及端子9，其与第1电容形成部5和第2电容形成部6的公共端连接。当图1所示的加速度a发挥作用时，第1电容形成部5的电容值减少，另一方面，第2电容形成部6的电容值增大。因此，当在从端子9向第1电容形成部5和第2电容形成部6的公共端提供电荷的状态下加速度a作用于施重部211时，经由端子7、8而分别从第1电容形成部5的一端和第2电容形成部6的一端输出的电荷(信号)成为绝对值相等、符号相反的差动信号对。这样，图2所示的物理量检测元件2是差动电容型传感器。
返回图1，物理量检测电路3构成为包含复用器10、Q/V放大器(QVA)20、电容21～24、可编程增益放大器(PGA)30、电容31、32、温度传感器40、开关电容滤波器电路(SCF)50X、50Y、50Z、复用器60、A/D转换电路(ADC)70、数字滤波器80、振荡电路90、控制电路100、驱动电路110、接口电路120和存储部130。该物理量检测电路3例如也可以是单片的集成电路(IC：Integrated Circuit)。另外，本实施方式的物理量检测电路3也可以构成为省略或变更这些要素的一部分或追加其它要素后的结构。
振荡电路90输出时钟信号MCLK。例如，也可以是CR振荡器或环形振荡器等。
控制电路100根据时钟信号MCLK，生成各种时钟信号(时钟信号DRVCLK_X、DRVCLK_Y、DRVCLK_Z、SMPCLK)以及各种控制信号(控制信号EN_OUT_X、EN_OUT_Y、EN_OUT_Z、EN_OUT_T)。
驱动电路110根据时钟信号MCLK和频率(驱动频率)fd的时钟信号DRVCLK_X、DRVCLK_Y、DRVCLK_Z(“第1时钟信号”的一例)，生成用于驱动物理量检测元件2X、2Y、2Z的驱动信号DRV。该驱动信号DRV是与时钟信号DRVCLK_X、DRVCLK_Y、DRVCLK_Z相同频率(驱动频率fd)的信号，被共同施加给物理量检测元件2X、2Y、2Z的端子9(参照图2、图3)。
复用器10根据彼此排他地激活(在本实施方式中为高电平)的时钟信号DRVCLK_X、DRVCLK_Y、DRVCLK_Z来选择(或哪个都不选择)物理量检测元件2X、2Y、2Z输出的差动信号对中的一个，输出差动信号对PIN、NIN。具体而言，当时钟信号DRVCLK_X为高电平(电源电压VDD)时，复用器10选择从物理量检测元件2X的端子7、8输出的差动对信号作为差动信号对PIN、NIN输出。此外，当时钟信号DRVCLK_Y为高电平时，复用器10选择从物理量检测元件2Y的端子7、8输出的差动对信号作为差动信号对PIN、NIN输出。此外，当时钟信号DRVCLK_Z为高电平时，复用器10选择从物理量检测元件2Z的端子7、8输出的差动对信号作为差动信号对PIN、NIN输出。此外，当时钟信号DRVCLK_X、DRVCLK_Y、DRVCLK_Z都为低电平(电源电压VSS(例如0V))时，复用器10输出均为基准电压VCOM(例如VDD/2)的差动信号对PIN、NIN。
图4示出本实施方式的驱动信号DRV、时钟信号DRVCLK_X、DRVCLK_Y、DRVCLK_Z和差动信号对PIN、NIN的波形的一例。例如，期间T1～T4分别是时钟信号MCLK的N周期(例如1周期)的期间。在期间T1、T2、T3内，驱动信号DRV的电压按的顺序周期性地变化，在期间T4内，驱动信号DRV的电压为VCOM。
在期间T1～T3内，利用驱动信号DRV共同驱动物理量检测元件2X、2Y、2Z，从物理量检测元件2X、2Y、2Z各自的端子7、8输出与在X轴、Y轴、Z轴的各个方向上施加的物理量对应的差动信号对。并且，在期间T1内，当时钟信号DRVCLK_X为高电平时，从物理量检测元件2X输出的差动对信号被选择为差动信号对PIN、NIN。此外，在期间T2内，当时钟信号DRVCLK_Y为高电平时，从物理量检测元件2Y输出的差动对信号被选择为差动信号对PIN、NIN。此外，在期间T3内，当时钟信号DRVCLK_Z为高电平时，从物理量检测元件2Z输出的差动对信号被选择为差动信号对PIN、NIN。此外，在期间T4，由于时钟信号DRVCLK_X、DRVCLK_Y、DRVCLK_Z都为低电平，因此，差动信号对PIN、NIN都成为VCOM。
返回图1，QV放大器20将从复用器10输出的电荷的差动信号对PIN、NIN转换为电压的差动信号对而输出。电容21、22是QV放大器20的反馈电容。
可编程增益放大器30经由电容23、24而输入从QV放大器20输出的差动信号对，并输出对该差动信号进行放大后的差动信号对POP、PON。
开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z共同地输入从可编程增益放大器30输出的差动信号对POP、PON。并且，开关电容滤波器电路50X根据时钟信号DRVCLK_X，对包含在差动信号对POP、PON中的、基于物理量检测元件2X的输出信号的信号进行采样、保持，并进行滤波处理，输出差动信号对SOP_X、SON_X。此外，开关电容滤波器电路50Y根据时钟信号DRVCLK_Y，对包含在差动信号对POP、PON中的、基于物理量检测元件2Y的输出信号的信号进行采样、保持，并进行滤波处理，输出差动信号对SOP_Y、SON_Y。此外，开关电容滤波器电路50Z根据时钟信号DRVCLK_Z，对包含在差动信号对POP、PON中的、基于物理量检测元件2Z的输出信号的信号进行采样、保持，并进行滤波处理，输出差动信号对SOP_Z、SON_Z。在本实施方式中，开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z是通过相同的电路结构来实现的。
图5是示出开关电容滤波器电路50(50X、50Y、50Z)的结构例的图。如图5所示，开关电容滤波器电路50构成为包含采样保持电路51P、51N、放大电路52、开关电容电路53P、53N、分频电路54和时钟生成电路55。
分频电路54对时钟信号DRVCLK(DRVCLK_X，DRVCLK_Y，DRVCLK_Z)进行分频(M分频)，生成时钟信号CHOPCLK(“第2时钟信号”的一例)并输出。此外，分频电路54生成时钟信号CHOPCLK的高电平和低电平反转后的时钟信号nCHOPCLK并输出。因此，当设分频电路54的分频比为M时，时钟信号CHOPCLK、nCHOPCLK的频率(斩波频率fc)是时钟信号DRVCLK的频率(驱动频率fd)的1/M。
时钟生成电路55根据时钟信号DRVCLK(DRVCLK_X，DRVCLK_Y，DRVCLK_Z)，生成时钟信号SCFCLK并输出。在本实施方式中，时钟信号SCFCLK是频率与时钟信号DRVCLK相同(驱动频率fd)、且高脉冲的宽度比时钟信号DRVCLK窄的信号。
采样保持电路51P(“第1采样保持电路”的一例)是基于物理量检测元件2X、2Y、2Z的输出信号的信号，用于对从可编程增益放大器30输出的信号POP(“第1信号”的一例)进行采样保持。如图5所示，采样保持电路51P构成为包含开关S1P、S2P、S3P、S4P和电容C1P。开关S1P、S3P当时钟信号SCFCLK为高电平时处于导通状态，当时钟信号SCFCLK为低电平时处于非导通状态。此外，开关S2P、S4P当时钟信号SCFCLK为低电平时处于导通状态，当时钟信号SCFCLK为高电平时处于非导通状态。该采样保持电路51P在时钟信号SCFCLK为高电平的期间内对从可编程增益放大器30输出的信号POP进行采样，在时钟信号SCFCLK为低电平的期间内对采样后的信号POP进行保持。
采样保持电路51N(“第2采样保持电路”的一例)是基于物理量检测元件2X、2Y、2Z的输出信号的信号，用于对从可编程增益放大器30输出的信号PON(“第2信号”的一例)进行采样保持。如图5所示，采样保持电路51N构成为包含开关S1N、S2N、S3N、S4N和电容C1N。开关S1N、S3N当时钟信号SCFCLK为高电平时处于导通状态，当时钟信号SCFCLK为低电平时处于非导通状态。此外，开关S2N、S4N当时钟信号SCFCLK为低电平时处于导通状态，当时钟信号SCFCLK为高电平时处于非导通状态。该采样保持电路51N在时钟信号SCFCLK为高电平的期间内对从可编程增益放大器30输出的信号PON进行采样，在时钟信号SCFCLK为低电平的期间内对采样后的信号PON进行保持。
放大电路52的同相输入端子(+输入端子)输入采样保持电路51P的输出信号和开关电容电路53P的输出信号，反相输入端子(-输入端子)输入采样保持电路51N的输出信号和开关电容电路53N的输出信号。该放大电路52对所输入的差动信号对进行反相放大，并进行基于时钟信号CHOPCLK、nCHOPCLK的斩波，输出差动信号对SOP、SON。
图6是示出放大电路52的结构例的图。如图6所示，放大电路52构成为包含斩波电路56、运算放大器57和斩波电路58。
斩波电路56(“第1斩波电路”的一例)输入采样保持电路51P、51N的输出信号(差动信号对)，根据时钟信号CHOPCLK、nCHOPCLK而动作，输出对该差动信号对进行斩波处理而得到的差动信号对。如图6所示，斩波电路56构成为包含四个开关S9、S10、S11、S12。开关S9、S10当时钟信号CHOPCLK为高电平时处于导通状态，当时钟信号CHOPCLK为低电平时处于非导通状态。此外，开关S11、S12当时钟信号nCHOPCLK为高电平时处于导通状态，当时钟信号nCHOPCLK为低电平时处于非导通状态。在此，时钟信号nCHOPCLK是时钟信号CHOPCLK的高电平和低电平反转后的信号，当时钟信号CHOPCLK为高电平时，时钟信号nCHOPCLK为低电平，当时钟信号CHOPCLK为低电平时，时钟信号nCHOPCLK为高电平。并且，如上所述，时钟信号CHOPCLK、nCHOPCLK的频率(斩波频率)fc是时钟信号DRVCLK的频率(驱动频率fd)的1/M，因此，按照时钟信号DRVCLK的M/2个周期的每个期间(图4所示的期间T1～T4重复M/2次的期间)，重复时钟信号CHOPCLK为高电平且时钟信号nCHOPCLK为低电平的状态和时钟信号CHOPCLK为低电平且时钟信号nCHOPCLK为高电平的状态。
因此，按照时钟信号DRVCLK的M/2个周期的每个期间重复如下状态：开关S9、S10为导通状态且开关S11、S12为非导通状态而输入的差动信号对直接被输出的状态、以及开关S9、S10为非导通状态且开关S11、S12为导通状态而使得所输入的差动信号对交替输出的状态。其结果是，输入到斩波电路56的差动信号对中所包含的DC附近的信号成分被斩波电路56转换为斩波频率fc附近的信号成分。图7示出输入到斩波电路56中的差动信号对的频谱的一例，图8示出从斩波电路56输出的差动信号对的频谱的一例。在图7和图8中，横轴是频率，纵轴是功率。此外，S表示差动信号对中包含的信号成分，N表示差动信号对中包含的噪声成分。
运算放大器57输入斩波电路56的输出信号(差动信号对)，对所输入的差动信号对进行反相放大而输出。从该运算放大器57输出的差动信号对中叠加由于运算放大器57的动作而产生的1/f噪声。图9示出从运算放大器57输出的差动信号对的频谱的一例。在图9中，横轴是频率，纵轴是功率。此外，S表示差动信号对中包含的信号成分，N表示差动信号对中包含的噪声成分。
斩波电路58(“第2斩波电路”的一例)输入运算放大器57的输出信号(差动信号对)，根据时钟信号CHOPCLK、nCHOPCLK进行动作，输出对该差动信号对进行斩波后的差动信号对。如图6所示，斩波电路58构成为包含四个开关S13、S14、S15、S16。开关S13、S14当时钟信号CHOPCLK为高电平时处于导通状态，当时钟信号CHOPCLK为低电平时处于非导通状态。此外，开关S15、S16当时钟信号nCHOPCLK为高电平时处于导通状态，当时钟信号nCHOPCLK为低电平时处于非导通状态。并且，如上所述，时钟信号CHOPCLK、nCHOPCLK的频率(斩波频率)fc是时钟信号DRVCLK的频率(驱动频率fd)的1/M，因此，按照时钟信号DRVCLK的M/2个周期的每个期间(图4所示的期间T1～T4重复M/2次的期间)，重复时钟信号CHOPCLK为高电平且时钟信号nCHOPCLK为低电平的状态和时钟信号CHOPCLK为低电平且时钟信号nCHOPCLK为高电平的状态。
因此，按照时钟信号DRVCLK的M/2个周期的每个期间，重复如下状态：开关S13、S14为导通状态且开关S15、S16为非导通状态而输入的差动信号对直接被输出的状态、以及开关S13、S14为非导通状态且开关S15、S16为导通状态而使得所输入的差动信号对交替输出的状态。其结果是，输入到斩波电路58中的差动信号对中包含的斩波频率fc附近的信号成分被斩波电路58恢复为DC附近的信号成分，该差动信号对中包含的噪声成分(1/f噪声)被转换为斩波频率fc附近的噪声成分。图10示出从斩波电路58输出的差动信号对的频谱的一例。在图10中，横轴是频率，纵轴是功率。此外，S表示差动信号对中包含的信号成分，N表示差动信号对中包含的噪声成分。
并且，从斩波电路58输出的差动信号对成为放大电路52的输出信号(差动信号对SOP、SON)。这样，能够利用设置于运算放大器57的前级和后级的斩波电路56、58有效地降低由于运算放大器57的动作而产生的、包含在差动信号对SOP、SON的DC附近的信号频带中的噪声。
返回图5，开关电容电路53P(“第1开关电容电路”的一例)输入从放大电路52的反相输出端子(-输出端子)输出的输出信号SOP(“放大电路的第1输出信号”的一例)。如图5所示，开关电容电路53P构成为包含开关S5P、S6P、S7N、S8P和电容C2P、C3P。开关S5P、S8P当时钟信号SCFCLK为低电平时处于导通状态，当时钟信号SCFCLK为高电平时处于非导通状态。此外，开关S6P、S7P当时钟信号SCFCLK为高电平时处于导通状态，当时钟信号SCFCLK为低电平时处于非导通状态。该开关电容电路53P作为具有由时钟信号SCFCLK的频率和电容C2P、C3P的电容值确定的截止频率的低通滤波器发挥功能。
开关电容电路53N(“第2开关电容电路”的一例)输入从放大电路52的同相输出端子(+输出端子)输出的输出信号SON(“放大电路的第2输出信号”的一例)。如图5所示，开关电容电路53N构成为包含开关S5N、S6N、S7N、S8N和电容C2N、C3N。开关S5N、S8N当时钟信号SCFCLK为低电平时处于导通状态，当时钟信号SCFCLK为高电平时处于非导通状态。此外，开关S6N、S7N当时钟信号SCFCLK为高电平时处于导通状态，当时钟信号SCFCLK为低电平时处于非导通状态。该开关电容电路53N作为具有由时钟信号SCFCLK的频率和电容C2N、C3N的电容值确定的截止频率的低通滤波器发挥功能。
这样构成的开关电容滤波器电路50根据时钟信号SCFCLK，对于从可编程增益放大器30输出的信号(差动信号对POP、PON)以差动的方式进行动作，输出差动信号对SOP、SON。并且，由于时钟信号SCFCLK的频率是与时钟信号DRVCLK相同的频率(驱动频率fd)，因此，与从可编程增益放大器30输出的差动信号对POP、PON的更新率相同。因此，采样保持电路51P、51N中的、基于时钟信号SCFCLK的差动信号对POP、PON的采样不满足采样定理。因此，在本实施方式中，调节时钟信号SCFCLK的相位，使得时钟信号SCFCLK下降的时刻在差动信号对POP、PON维持峰值的期间内到来(参照图11)。由此，在差动信号对POP、PON的峰值在时钟信号SCFCLK的每1个周期内发生变化的情况下，即，在对物理量检测元件2施加的物理量(加速度)的变化极快的情况下，基于开关电容滤波器电路50的滤波处理无法正确地发挥功能，但是，通常，物理量(加速度)的变化周期远远大于时钟信号SCFCLK的周期，因此，滤波处理会正确地发挥功能。并且，在物理量(加速度)的变化周期远远小于时钟信号SCFCLK的周期的情况下，差动信号对POP、PON的峰值的变化周期也较长，因此，采样保持电路51P、51N的输出信号成为接近DC的信号。因此，开关电容滤波器电路50输出的差动信号对SOP、SON也成为接近DC的信号。
返回图1，温度传感器40输出电压与温度对应地发生变化的信号TO。例如，以使得在基准温度(例如+25℃)下的信号TO的电压成为基准电压VCOM的方式对温度传感器40进行了调节。温度传感器40例如也可以是利用带隙基准电路的温度特性的电路。
复用器60根据彼此排他地激活(在本实施方式中为高电平)的控制信号EN_OUT_X、EN_OUT_Y、EN_OUT_Z、EN_OUT_T来选择(或哪个都不选择)开关电容滤波器电路50X输出的差动信号对SOP_X、SON_X、开关电容滤波器电路50Y输出的差动信号对SOP_Y、SON_Y、开关电容滤波器电路50Z输出的差动信号对SOP_Z、SON_Z以及温度传感器40的输出信号TO中的一个，输出信号对MOP、MON。具体而言，当控制信号EN_OUT_X为高电平时，复用器60选择差动信号对SOP_X、SON_X作为差动信号对MOP、MON输出。此外，当控制信号EN_OUT_Y为高电平时，复用器60选择差动信号对SOP_Y、SON_Y作为差动信号对MOP、MON输出。此外，当控制信号EN_OUT_Z为高电平时，复用器60选择差动信号对SOP_Z、SON_Z作为差动信号对MOP、MON输出。此外，当控制信号EN_OUT_T为高电平时，复用器60选择温度传感器40的输出信号TO，将信号TO和基准电压VCOM的信号对作为信号对MOP、MON输出。
A/D转换电路70根据时钟信号SMPCLK，对复用器60所输出的信号对MOP、MON(差动信号对SOP_X、SON_X、差动信号对SOP_Y、SON_Y、差动信号对SOP_Z、SON_Z或信号对TO、VCOM)进行采样，将信号对MOP、MON的电位差转换为数字信号。时钟信号SMPCLK是控制信号EN_OUT_X、EN_OUT_Y、EN_OUT_Z、EN_OUT_T分别为高电平的期间内各包含1个高脉冲的时钟信号。并且，A/D转换电路70在控制信号EN_OUT_X为高电平的期间内的时钟信号SMPCLK的上升处，对从复用器60输出的信号对MOP、MON(开关电容滤波器电路50X输出的差动信号对SOP_X、SON_X)进行采样，转换为数字信号。此外，A/D转换电路70在控制信号EN_OUT_Y为高电平的期间内的时钟信号SMPCLK的上升处，对从复用器60输出的信号对MOP、MON(开关电容滤波器电路50Y输出的差动信号对SOP_Y、SON_Y)进行采样，转换为数字信号。此外，A/D转换电路70在控制信号EN_OUT_Z为高电平的期间内的时钟信号SMPCLK的上升处，对从复用器60输出的信号对MOP、MON(开关电容滤波器电路50Z输出的差动信号对SOP_Z、SON_Z)进行采样，转换为数字信号。此外，A/D转换电路70在控制信号EN_OUT_T为高电平的期间内的时钟信号SMPCLK的上升处，对从复用器60输出的信号对MOP、MON(温度传感器40的输出信号TO和基准电压VCOM的信号对)进行采样，转换为数字信号。
这样，A/D转换电路70在期间T1～T4内对从复用器60输出的信号对MOP、MON进行多次(在此为4次)采样，分时地进行A/D转换。即，A/D转换电路70分时地对包含开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z的输出信号(差动信号对)的多个信号进行A/D转换。如上所述，在本实施方式中，开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z分别输出的差动信号对都是接近DC的信号，此外，温度传感器40的输出信号TO也是接近DC的信号，因此，复用器60的信号的选择时刻的制约较少。换言之，A/D转换电路70的采样时刻的自由度较大。
另外，根据采样定理，在开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z的输出信号中，频率高于采样频率fs(A/D转换电路70对开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z的输出信号分别进行采样的频率)的1/2的信号成分由于A/D转换电路70的采样，混叠到DC附近的频带而成为噪声成分。因此，开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z的截止频率被设定为采样频率fs的1/2以下，以便作为产生接近DC的信号的采样保持电路发挥功能，并且还作为用于降低由于A/D转换电路70的采样而产生的噪声成分的抗混叠滤波器发挥功能。
此外，由于从开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z输出的差动信号对SOP_X、SON_X、差动信号对SOP_Y、SON_Y和差动信号对SOP_Z、SON_Z的斩波频率fc附近的噪声成分较高(参照图10)，因此，斩波频率fc被设定为采样频率fs的1/2以下，以使得该噪声成分不会由于A/D转换电路70的采样而混叠到DC附近的信号频带中。
数字滤波器80根据时钟信号MCLK对从A/D转换电路70输出的数字信号进行滤波处理。由于从A/D转换电路70输出的数字信号中叠加了由于A/D转换电路70的A/D转换处理而产生的高频噪声，因此，数字滤波器80作为用于降低该高频噪声的低通滤波器发挥功能。
此外，数字滤波器80还可以进行如下处理：使用对温度传感器的输出信号TO进行转换后的数字信号来校正分别从开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z输出的差动信号对的温度特性。
接口电路120是用于与物理量检测装置1的外部装置进行通信的电路。外部装置能够经由接口电路120进行对存储部130的数据写入和读出、以及从数字滤波器80输出读出数字信号等。接口电路120例如也可以是3个端子或4个端子的SPI(Serial PeripheralInterface)接口电路，也可以是2个端子的I2C(Inter-Integrated Circuit)接口电路。
存储部130具有寄存器131和非易失性存储器132。非易失性存储器132中存储有针对物理量检测电路3中包含的各电路的各种数据(例如，可编程增益放大器30的增益调节数据、温度传感器40的输出调节数据、数字滤波器80的滤波器系数以及温度校正表)等各种信息。非易失性存储器132例如能够构成为MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon)型存储器或EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)。此外，在物理量检测电路3的电源接通时(电源电压从0V上升至VDD时)，存储在非易失性存储器132中的各种数据被传送至寄存器131并被保持，寄存器131保持的各种数据被提供给各电路。
图11和图12示出以上说明的物理量检测电路3的各种信号的信号波形的一例。如图11和图12所示，时钟信号SCFCLK(SCFCLK_X、SCFCLK_Y、SCFCLK_Z)的频率是与时钟信号DRVCLK(DRVCLK_X、DRVCLK_Y、DRVCLK_Z)相同的频率(驱动频率fd)。此外，采样频率fs是驱动频率fd的1/4，斩波频率fc是驱动频率fd的1/16。
另外，为了提高物理量检测装置1的物理量检测精度，优选采样频率fs在驱动频率fd以下且是A/D转换电路70能够动作的尽可能高的频率。此外，为了提高物理量检测装置1的物理量检测信号(数字滤波器80的输出信号)的S/N，优选斩波频率fc在采样频率fs的1/2以下且是尽可能高的频率。实际上，考虑到电路的动作速度的极限和功耗的权衡，将采样频率fs和斩波频率fc确定为最佳的频率。
如以上说明的那样，在本实施方式的物理量检测装置1(物理量检测电路3)中，开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z分别通过开关电容电路53P、53N而作为A/D转换电路70前级的抗混叠滤波器发挥功能。此外，通过采样保持电路51P、51N而使得开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z的输出信号成为接近DC的信号，因此，A/D转换电路70的采样时刻的自由度较大。而且，开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z对于输入的差动信号对POP、PON以差动的方式进行动作，因此，降低了差动信号对POP、PON中包含的共模噪声以及在针对差动信号对POP、PON的信号处理中产生的共模噪声。因此，根据本实施方式的物理量检测装置1(物理量检测电路3)，能够在不改变A/D转换电路70的采样频率fs的情况下提高驱动频率fd，能够实现低噪声化。
此外，在本实施方式的物理量检测装置1(物理量检测电路3)中，在开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z中，分别包含在采样保持电路51P、51N的输出信号中的DC附近的信号成分被斩波电路56转换为斩波频率fc附近的信号成分。此外，包含在运算放大器57的输出信号中的斩波频率fc附近的信号成分(斩波电路58转换后的信号成分)被斩波电路58恢复为DC附近的信号成分，包含在运算放大器57的输出信号中的噪声成分(由于运算放大器57的动作而产生的1/f噪声)被斩波电路58转换为斩波频率fc附近的噪声成分。因此，根据本实施方式的物理量检测装置1(物理量检测电路3)，降低了开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z的输出信号中包含的噪声成分，能够进一步实现低噪声化。
而且，在本实施方式的物理量检测装置1(物理量检测电路3)中，开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z的输出信号为接近DC的信号，因此，A/D转换电路70的采样时刻的自由度较大，因此，在A/D转换电路70中，能够分时地进行开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z的输出信号和温度传感器40的输出信号的A/D转换处理。因此，根据本实施方式，能够实现在抑制电路面积的大幅增加的情况下能够输出3个轴的物理量检测信号和温度信号的物理量检测装置1(物理量检测电路3)。
2.电子设备
图13是示出本实施方式的电子设备的结构的一例的功能框图。如图13所示，本实施方式的电子设备300构成为包含物理量检测装置310、控制装置(MCU)320、操作部330、ROM(Read Only Memory)340、RAM(Random Access Memory)350、通信部360和显示部370。另外，本实施方式的电子设备也可以构成为省略或变更图13的构成要素(各部)的一部分、或追加其它构成要素。
物理量检测装置310是驱动未图示的物理量检测元件并根据该物理量检测元件的输出信号生成物理量信号而输出的装置，例如可以是检测加速度、角速度、速度、角加速度、力等物理量的至少一部分的惯性测量装置，也可以是测量倾斜角的测斜仪。例如可以将上述的本实施方式的物理量检测装置1用作物理量检测装置310。
控制装置(MCU)320依照存储在ROM340等中的程序向物理量检测装置310发送通信信号，使用物理量检测装置310的输出数据进行各种计算处理以及控制处理。此外，控制装置(MCU)320进行与来自操作部330的操作信号对应的各种处理、为了与外部装置进行数据通信而控制通信部360的处理、以及发送用于使显示部370显示各种信息的显示信号的处理等。
操作部330是由操作键及按钮开关等构成的输入装置，用于将与用户的操作对应的操作信号输出至控制装置(MCU)320。
ROM340存储有用于控制装置(MCU)320进行各种计算处理和控制处理的程序和数据等。
RAM350用作控制装置(MCU)320的作业区域，用于临时存储从ROM340读出的程序、数据、从操作部330输入的数据以及控制装置(MCU)320依照各种程序执行的运算结果等。
通信部360进行用于建立控制装置(MCU)320与外部装置之间的数据通信的各种控制。
显示部370是由LCD(Liquid Crystal Display)等构成的显示装置，根据从控制装置(MCU)320输入的显示信号显示各种信息。也可以在显示部370中设置作为操作部330发挥功能的触摸面板。
例如通过将上述的本实施方式的物理量检测装置1用作物理量检测装置310，能够实现低噪声化，因此，能够实现可靠性高的电子设备。
作为这样的电子设备300，可以考虑各种电子设备，例如可以举出个人计算机(例如，移动型个人计算机、膝上型个人计算机、平板型个人计算机)、智能手机及移动电话机等移动终端、数字照相机、喷墨式排出装置(例如喷墨打印机)、路由器及开关等存储区域网络设备、局域网设备、移动终端基站用设备、电视机、摄像机、录像机、汽车导航装置、实时时钟装置、寻呼机、电子记事本(还包含带通信功能)、电子词典、计算器、电子游戏设备、游戏用控制器、文字处理器、工作站、电视电话、防盗用视频监视器、电子双筒望远镜、POS终端、医疗设备(例如电子体温计、血压计、血糖计、心电图计测装置、超声波诊断装置、电子内窥镜)、鱼群探测器、各种测量设备、计量仪器类(例如车辆、飞机、船舶的计量仪器类)、飞行模拟器、头戴显示器、运动轨迹仪、运动跟踪仪、运动控制器、PDR(步行者位置方位测量)等。
图14是示意性地示出作为本实施方式的电子设备300的一例的数字照相机1300的立体图。并且，图14中还简单地示出与外部设备之间的连接。在此，一般的照相机利用被拍摄物的光像使卤化银感光胶片感光，与此相对，数字照相机1300利用CCD(Charge CoupledDevice)等摄像元件对被拍摄物的光像进行光电转换，生成摄像信号(图像信号)。
在数字照相机1300的壳体(机身)1302的后面设有显示部1310，形成为根据CCD的摄像信号进行显示的结构，显示部1310作为将被拍摄物显示为电子图像的取景器发挥功能。此外，在壳体1302的正面侧(图中背面侧)设有包含光学镜头(摄像光学系统)和CCD等的受光单元1304。当摄影者确认在显示部1310中显示的被拍摄物像而按下快门按钮1306时，该时刻的CCD的摄像信号被传送并保存到存储器1308中。此外，在该数字照相机1300中，在壳体1302的侧面设有视频信号输出端子1312和数据通信用输入输出端子1314。并且，根据需要将视频信号输出端子1312与电视监视器1430连接，将数据通信用输入输出端子1314与个人计算机1440连接。进而，形成为如下结构：利用规定的操作将存储器1308中保存的摄像信号输出至电视监视器1430以及个人计算机1440。数字照相机1300具有物理量检测装置310，使用物理量检测装置310的输出数据进行例如手抖校正等处理。
3.移动体
图15是示出本实施方式的移动体的一例的图(俯视图)。图15所示的移动体400构成为包含物理量检测装置410、420、430、控制器440、450、460、电池470和导航装置480。另外，本实施方式的移动体也可以构成为省略或变更图15的构成要素(各部)的一部分、或追加其它构成要素。
物理量检测装置410、420、430、控制器440、450、460和导航装置480利用由电池470提供的电源电压进行动作。
控制器440、450、460是如下控制装置：分别向物理量检测装置410、420、430发送通信信号，使用物理量检测装置410、420、430的各输出数据进行姿势控制系统、防侧翻系统、制动系统等的各种控制。
导航装置480根据内置的GPS接收器(未图示)的输出信息而在显示器上显示移动体400的位置以及时刻等各种信息。此外，导航装置480内置有物理量检测装置490，即使在GPS的电波无法到达时也根据物理量检测装置490的输出信号来进行移动体400的位置和方向的计算，继续进行所需信息的显示。
物理量检测装置410、420、430、490是驱动未图示的物理量检测元件并根据该物理量检测元件的输出信号生成物理量信号而输出的装置，例如分别是加速度传感器、角速度传感器、速度传感器、测斜仪等。
例如，通过将上述的各实施方式的物理量检测装置1用作物理量检测装置410、420、430、490，能够实现低噪声化，因此，能够实现可靠性高的移动体。
作为这样的移动体400，可以考虑各种移动体，例如可以举出汽车(还包含电动车)、喷气式飞机、直升机等飞机、船舶、火箭及人造卫星等。
本发明不限于本实施方式，能够在本发明的宗旨的范围内进行各种变形实施。
例如，在上述实施方式中，例举包含检测加速度的物理量检测元件的物理量检测装置(加速度检测装置)、电子设备和移动体进行了说明，但是，本发明还可以应用于包含检测各种物理量的物理量检测元件的物理量检测装置、电子设备和移动体。物理量检测元件检测的物理量不限于加速度，还可以是角速度、角加速度、地磁、倾斜角等。此外，作为物理量检测元件的振动片的材料，例如可以使用水晶(SiO2)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸锂(LiNbO3)等压电单晶或锆钛酸铅(PZT)等压电陶瓷等压电性材料来代替Si(硅)等半导体材料，也可以使用硅半导体。此外，例如也可以是在硅半导体的表面的一部分配置夹在驱动电极中的氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)等压电薄膜而成的结构。此外，物理量检测元件不限于静电电容型元件，还可以是压电型、电动型、涡流型、光学型、应变仪型等振动式元件。或者，物理量检测元件的方式不限于振动式，例如还可以是光学式、旋转式、流体式。
此外，例如，在上述各实施方式中，A/D转换电路70分时地对3个轴的加速度信号和温度信号进行A/D转换处理，但是，也可以将上述信号的一部分替换为其它物理量信号(角速度信号等)，分时地进行A/D转换处理，也可以追加其它物理量信号，分时地进行A/D转换处理。
此外，例如，在上述各实施方式中，开关电容滤波器电路50X、50Y、50Z对于所输入的差动信号对POP、PON以差动的方式进行动作，但是，也可以输入单端信号，不以差动的方式进行动作。
上述实施方式和变形例是一个示例，不限于此。例如，也可以将各实施方式和各变形例适当组合。
本发明包含与在实施方式中说明的结构实质上相同的结构(例如，功能、方法和结果相同的结构或目的、效果相同的结构)。此外，本发明包含将在实施方式中说明的结构的非本质性部分进行了置换的结构。此外，本发明包含能够起到与在实施方式中说明的结构相同的作用效果的结构或能够实现相同的目的的结构。此外，本发明包含在实施方式中说明的结构中添加了公知技术的结构。

Claims (9)

1.一种物理量检测电路，其中，所述物理量检测电路包含：
开关电容滤波器电路，其具有第1采样保持电路、放大电路和第1开关电容电路，所述第1开关电容电路的输出信号被输入到所述放大电路，其中，所述第1采样保持电路对基于物理量检测元件的输出信号的第1信号进行采样保持，所述放大电路被输入所述第1采样保持电路的输出信号，所述第1开关电容电路被输入所述放大电路的第1输出信号；以及
A/D转换电路，其对所述开关电容滤波器电路的输出信号进行A/D转换。
2.根据权利要求1所述的物理量检测电路，其中，
所述放大电路具有：
第1斩波电路，其被输入所述第1采样保持电路的输出信号；
运算放大器，其被输入所述第1斩波电路的输出信号；以及
第2斩波电路，其被输入所述运算放大器的输出信号。
3.根据权利要求2所述的物理量检测电路，其中，
所述第1斩波电路和所述第2斩波电路的斩波频率为所述A/D转换电路对所述开关电容滤波器电路的输出信号进行采样的采样频率的1/2以下。
4.根据权利要求2或3所述的物理量检测电路，其中，
所述物理量检测电路包含驱动电路，所述驱动电路根据第1时钟信号生成驱动所述物理量检测元件的驱动信号，
所述开关电容滤波器电路具有分频电路，所述分频电路对所述第1时钟信号进行分频而生成第2时钟信号，
所述第1斩波电路和所述第2斩波电路根据所述第2时钟信号进行动作。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的物理量检测电路，其中，
所述A/D转换电路分时地对包含所述开关电容滤波器电路的输出信号在内的多个信号进行A/D转换。
6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的物理量检测电路，其中，
所述开关电容滤波器电路具有：
第2采样保持电路，其对基于所述物理量检测元件的输出信号的第2信号进行采样保持；和
第2开关电容电路，其被输入所述放大电路的第2输出信号，
所述放大电路被输入所述第1采样保持电路的输出信号和所述第2采样保持电路的输出信号，对于所述第1信号和所述第2信号以差动的方式进行动作。
7.一种物理量检测装置，其中，
所述物理量检测装置具有：
权利要求1～6中的任意一项所述的物理量检测电路；和
所述物理量检测元件。
8.一种电子设备，其中，
所述电子设备具有权利要求7所述的物理量检测装置。
9.一种移动体，其中，
所述移动体具有权利要求7所述的物理量检测装置。
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