CN111490788A - 物理量检测电路及其工作方法、物理量传感器、电子设备 - Google Patents

物理量检测电路及其工作方法、物理量传感器、电子设备 Download PDF

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Abstract

提供物理量检测电路及其工作方法、物理量传感器、电子设备，能够降低将无源滤波器的输出信号转换为数字信号的模拟/数字转换电路的输入信号的噪声电平。物理量检测电路具有：无源滤波器，其被输入基于物理量检测元件的输出信号的第1模拟信号；模拟/数字转换电路；以及预充电电路，其包含运算放大器、设置于所述无源滤波器与所述运算放大器之间的第1斩波电路、和设置于所述运算放大器与所述模拟/数字转换电路之间的第2斩波电路，对所述模拟/数字转换电路的输入电容进行预充电，所述第1和所述第2斩波电路与所述模拟/数字转换电路对基于所述无源滤波器的输出信号的第2模拟信号进行采样的动作同步地进行斩波动作。

Description

物理量检测电路及其工作方法、物理量传感器、电子设备
技术领域
本发明涉及物理量检测电路、物理量传感器、电子设备、移动体以及物理量检测电路的工作方法。
背景技术
目前，在各种系统和电子设备中，广泛使用检测角速度的陀螺仪传感器、检测加速度的加速度传感器等能够检测各种物理量的物理量传感器。近年来，特别是为了构建可靠性高的系统，使用了将物理量的检测信息作为抗噪性高的数字数据而输出的物理量传感器。
在专利文献1中记载了一种电路装置，其被应用于陀螺仪传感器等，其中，该电路装置具有：检测电路，其对来自物理量转换器的检测信号进行模拟前端处理；无源低通滤波器，其对检测电路的输出信号进行低通滤波处理；A/D转换电路，其对无源低通滤波器的输出信号进行采样并进行A/D转换，从而作为数字信号输出；以及预充电电路，其设置在无源低通滤波器与A/D转换电路之间。
根据专利文献1所述的电路装置，在A/D转换电路对无源低通滤波器的输出信号进行采样之前，无源低通滤波器的输出信号被缓冲电路缓冲而对A/D转换电路的输入电容进行预充电，因此即使在无源低通滤波器的驱动能力低的情况下，也能够输出正确的数字信号。
专利文献1：日本特开2016-171493号公报
但是，在专利文献1所述的电路装置中，在构成缓冲电路的各运算放大器中产生的1/f噪声包含在缓冲电路的输出信号中，因此输入信号的噪声电平因缓冲电路对A/D转换电路的输入电容进行预充电而上升。因此，为了使A/D转换电路的输入信号的噪声电平下降，进一步实现从A/D转换电路输出的数字信号的精度提高，专利文献1所述的电路装置还存在改善的余地。
发明内容
本发明的物理量检测电路的一个方式具有：无源滤波器，其被输入基于物理量检测元件的输出信号的第1模拟信号；模拟/数字转换电路，其具有输入电容，将基于所述无源滤波器的输出信号的第2模拟信号采样到所述输入电容而转换为数字信号；以及预充电电路，其设置于所述无源滤波器与所述模拟/数字转换电路之间的信号路径，在所述模拟/数字转换电路将所述第2模拟信号采样到所述输入电容之前，对所述输入电容进行预充电，所述预充电电路包含：运算放大器；第1斩波电路，其设置于所述无源滤波器与所述运算放大器之间的信号路径；以及第2斩波电路，其设置于所述运算放大器与所述模拟/数字转换电路之间的信号路径，所述第1斩波电路和所述第2斩波电路与所述模拟/数字转换电路将所述第2模拟信号采样到所述输入电容的动作同步地进行斩波动作。
在所述物理量检测电路的一个方式中，也可以是，所述无源滤波器是低通滤波器。
在所述物理量检测电路的一个方式中，也可以是，所述模拟/数字转换电路是逐次比较型的模拟/数字转换电路。
在所述物理量检测电路的一个方式中，也可以是，所述第1模拟信号和所述第2模拟信号分别是差动信号。
所述物理量检测电路的一个方式也可以具有：信号转换电路，其将所述物理量检测元件的输出信号转换为电压；以及检波电路，其对基于所述信号转换电路的输出信号的第3模拟信号进行检波并输出所述第1模拟信号。
本发明的物理量传感器的一个方式具有：所述物理量检测电路的一个方式；以及所述物理量检测元件。
本发明的电子设备的一个方式具有所述物理量传感器的一个方式。
本发明的移动体的一个方式具有所述物理量传感器的一个方式。
本发明的物理量检测电路的工作方法的一个方式是如下的物理量检测电路的工作方法，该物理量检测电路具有：无源滤波器，其被输入基于物理量检测元件的输出信号的第1模拟信号；模拟/数字转换电路，其具有输入电容，将基于所述无源滤波器的输出信号的第2模拟信号采样到所述输入电容而转换为数字信号；以及预充电电路，其设置于所述无源滤波器与所述模拟/数字转换电路之间的信号路径，所述预充电电路具有：运算放大器；第1斩波电路，其设置于所述无源滤波器与所述运算放大器之间的信号路径；以及第2斩波电路，其设置于所述运算放大器与所述模拟/数字转换电路之间的信号路径，该物理量检测电路的工作方法包含如下的步骤：预充电步骤，所述预充电电路根据所述运算放大器的输出信号对所述输入电容进行预充电；采样步骤，在所述预充电步骤之后，所述模拟/数字转换电路将所述第2模拟信号采样到所述输入电容；以及斩波步骤，所述第1斩波电路和所述第2斩波电路与所述采样步骤同步地进行斩波动作。
附图说明
图1是示出本实施方式的物理量传感器的结构例的图。
图2是物理量检测元件的振动片的俯视图。
图3是用于对物理量检测元件的动作进行说明的图。
图4是用于对物理量检测元件的动作进行说明的图。
图5是示出驱动电路的结构例的图。
图6是示出检测电路的结构例的图。
图7是示出模拟/数字转换电路的结构例的图。
图8是示出斩波信号、使能信号以及开关控制信号的时序图的一例的图。
图9是示出在图8的期间P1中斩波信号为高电平时的电容阵列的连接状态的图。
图10是示出在图8的期间P1中斩波信号为低电平时的电容阵列的连接状态的图。
图11是示出图8的期间P2中的电容阵列的连接状态的图。
图12是示出图8的期间P3中的电容阵列的连接状态的图。
图13是更详细地记载了图11的电路图的图。
图14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15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16是示出本实施方式的移动体的一例的图。
标号说明
1：物理量传感器；5：MCU；10：基准电压电路；20：驱动电路；21：I/V转换电路；22：高通滤波器；23：比较器；24：全波整流电路；25：积分器；26：比较器；30：检测电路；40：数据处理电路；41：数字运算电路；42：接口电路；50：存储部；60：振荡电路；100：物理量检测元件；101a～101b：驱动振动臂；102：检测振动臂；103：施重部；104a～104b：驱动用基部；105a～105b：连接臂；106：施重部；107：检测用基部；112～113：驱动电极；114～115：检测电极；116：公共电极；200：物理量检测电路；210：Q-V转换电路；211：运算放大器；212：电阻；213：电容器；214：运算放大器；215：电阻；216：电容器；220：可变增益放大器；221：运算放大器；222：电阻；223：电容器；224：电容器；225：运算放大器；226：电阻；227：电容器；228：电容器；230：混频器；231：开关；232：开关；233：开关；234：开关；240：无源滤波器；241：电阻；242：电阻；243：电容器；250：预充电电路；251：开关；252：斩波电路；253：运算放大器；254：斩波电路；255：开关；261：开关；262：斩波电路；263：运算放大器；264：斩波电路；265：开关；270：模拟/数字转换电路；271P：开关；271N：开关；272P：开关；272N：开关；273P：开关阵列；273N：开关阵列；274P：电容阵列；274N：电容阵列；275P：开关；275N：开关；276：比较器；277：逻辑电路；300：电子设备；310：物理量传感器；312：驱动电路；320：控制装置；330：操作部；340：ROM；350：RAM；360：通信部；370：显示部；400：移动体；410：物理量传感器；440、450、460：控制器；470：电池；480：导航装置；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。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。另外，以下说明的实施方式并非不当地限定权利要求书中记载的本发明的内容。另外，以下说明的结构并非全部都是本发明的必要构成要件。
以下，以将角速度作为物理量来进行检测的物理量传感器、即角速度传感器为例来进行说明。
1.物理量传感器
1-1.物理量传感器的结构
图1是本实施方式的物理量传感器的功能框图。本实施方式的物理量传感器1构成为包含物理量检测元件100和物理量检测电路200，该物理量检测元件100输出与物理量相关的模拟信号。
物理量检测元件100具有配置有驱动电极和检测电极的振动片，一般来说，为了尽可能地减小振动片的阻抗以提高振荡效率，振动片被密封在确保了气密性的封装中。在本实施方式中，物理量检测元件100具有所谓的双T型的振动片，该双T型的振动片具有T型的两个驱动振动臂。
图2是本实施方式的物理量检测元件100的振动片的俯视图。物理量检测元件100例如具有由Z切石英基板形成的双T型的振动片。由于以石英为材料的振动片的谐振频率相对于温度变化的变动极小，因此存在能够提高角速度的检测精度的优点。另外，图2中的X轴、Y轴、Z轴表示晶体的轴。
如图2所示，物理量检测元件100的振动片从两个驱动用基部104a、104b分别向+Y轴方向和-Y轴方向延伸出驱动振动臂101a、101b。在驱动振动臂101a的侧面和上表面分别形成有驱动电极112和113，在驱动振动臂101b的侧面和上表面分别形成有驱动电极113和112。驱动电极112、113分别经由图1所示的物理量检测电路200的DS端子、DG端子而与驱动电路20连接。
驱动用基部104a、104b分别经由向-X轴方向和+X轴方向延伸的连接臂105a、105b而与矩形状的检测用基部107连接。
检测振动臂102从检测用基部107向+Y轴方向和-Y轴方向延伸。在检测振动臂102的上表面形成有检测电极114和115，在检测振动臂102的侧面形成有公共电极116。检测电极114、115分别经由图1所示的物理量检测电路200的S1端子、S2端子而与检测电路30连接。另外，公共电极116接地。
当在驱动振动臂101a、101b的驱动电极112与驱动电极113之间施加交流电压作为驱动信号时，如图3所示，驱动振动臂101a、101b由于逆压电效应而如箭头B那样使两个驱动振动臂101a、101b的前端进行反复地互相接近和远离的弯曲振动。以下，有时也将驱动振动臂101a、101b的弯曲振动称为“激励振动”。
在该状态下，当对物理量检测元件100的振动片施加以Z轴为旋转轴的角速度时，驱动振动臂101a、101b在与箭头B的弯曲振动方向和Z轴这两个方向垂直的方向上得到科里奥利力。其结果是，如图4所示，连接臂105a、105b进行箭头C所示的振动。然后，检测振动臂102与连接臂105a、105b的振动联动地如箭头D那样进行弯曲振动。与该科里奥利力相伴的检测振动臂102的弯曲振动和驱动振动臂101a、101b的弯曲振动的相位错开90°。
但是，如果驱动振动臂101a、101b进行弯曲振动时的振动能量的大小或振动的振幅大小在两个驱动振动臂101a、101b上相等，则驱动振动臂101a、101b的振动能量取得平衡，在没有对物理量检测元件100施加角速度的状态下，检测振动臂102不进行弯曲振动。但是，当两个驱动振动臂101a、101b的振动能量的平衡被破坏时，即使在没有对物理量检测元件100施加角速度的状态下，在检测振动臂102也会产生弯曲振动。该弯曲振动被称为泄漏振动，与基于科里奥利力的振动同样地为箭头D的弯曲振动，但相位与驱动信号相同。
而且，由于压电效应在检测振动臂102的检测电极114、115产生基于这些弯曲振动的交流电荷。这里，基于科里奥利力而产生的交流电荷根据科里奥利力的大小(即，施加给物理量检测元件100的角速度的大小)而发生变化。另一方面，基于泄漏振动而产生的交流电荷与施加给物理量检测元件100的角速度的大小无关，是恒定的。
另外，在驱动振动臂101a、101b的前端形成有宽度比驱动振动臂101a、101b宽的矩形的施重部103。通过在驱动振动臂101a、101b的前端形成施重部103，能够增大科里奥利力，并且能够以比较短的振动臂得到期望的谐振频率。同样，在检测振动臂102的前端形成有宽度比检测振动臂102宽的施重部106。通过在检测振动臂102的前端形成施重部106，能够增大在检测电极114、115产生的交流电荷。
如上所述，物理量检测元件100经由检测电极114、115来输出以Z轴为检测轴而基于科里奥利力的交流电荷、和基于激励振动的泄漏振动的交流电荷。该物理量检测元件100作为检测角速度的惯性传感器而发挥功能。以下，有时也将基于科里奥利力的交流电荷称为“角速度成分”，将基于泄漏振动的交流电荷称为“振动泄漏成分”。
回到图1的说明，物理量检测电路200包含基准电压电路10、驱动电路20、检测电路30、数据处理电路40、存储部50以及振荡电路60。物理量检测电路200例如也可以由单芯片的集成电路(IC：Integrated Circuit)实现。另外，物理量检测电路200也可以是省略或变更这些要素的一部分或者追加其他要素的结构。
基准电压电路10根据从物理量检测电路200的VDD端子和VSS端子分别供给的电源电压vdd和地电压gnd，生成作为模拟地电压的基准电压等恒定电压或恒定电流，并供给到驱动电路20或检测电路30。
驱动电路20生成用于激励物理量检测元件100进行振动的驱动信号，并经由DS端子供给到物理量检测元件100的驱动电极112。另外，通过物理量检测元件100的激励振动而在驱动电极113产生的振荡电流经由DG端子向驱动电路20输入，并且该驱动电路20对驱动信号的振幅电平进行反馈控制，以使该振荡电流的振幅保持恒定。另外，驱动电路20生成相位与驱动信号相同的检波信号SDET，并输出到检测电路30。
在物理量检测元件100的两个检测电极114、115产生的交流电荷分别经由物理量检测电路200的S1端子和S2端子向检测电路30输入，并且该检测电路30使用检波信号SDET来检测这些交流电荷所包含的角速度成分，生成具有与角速度成分的大小对应的数字值的数字信号VDO并输出。
存储部50具有未图示的非易失性存储器，在该非易失性存储器中存储有针对驱动电路20或检测电路30的各种修整数据(例如，调整数据或校正数据)。非易失性存储器例如也可以构成为MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon：金属氮化物氮氧化硅)型存储器或EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory：电可擦可编程只读存储器)。此外，也可以构成为，存储部50具有未图示的寄存器，在物理量检测电路200的电源接通时(即，VDD端子的电压从0V上升到期望的电压时)，存储于非易失性存储器的各种修整数据被传送到寄存器中并被保持，保持在寄存器中的各种修整数据被供给到驱动电路20或检测电路30。
数据处理电路40包含数字运算电路41和接口电路42。数字运算电路41根据主时钟信号MCLK进行动作。具体来说，数字运算电路41生成时钟信号ADCLK、使能信号EN以及斩波信号CHOP，并输出到检测电路30。另外，数字运算电路41对从检测电路30输出的数字信号VDO进行规定的运算处理，输出通过运算处理而得到的数字数据VO。
接口电路42进行根据来自物理量检测电路200的外部装置即MCU(Micro ControlUnit：微控制单元)5的请求来读出存储在存储部50的非易失性存储器或寄存器中的数据并输出到MCU 5的处理、将从MCU 5输入的数据写入到存储部50的非易失性存储器或寄存器中的处理等。接口电路42例如是SPI(Serial Peripheral Interface：串行外设接口)总线的接口电路，从MCU 5发送的选择信号、时钟信号、数据信号分别经由物理量检测电路200的SS端子、SCLK端子、SI端子向接口电路42输入，并经由物理量检测电路200的SO端子将数据信号输出到MCU 5。另外，接口电路42也可以是与SPI总线以外的各种总线例如I2C(Inter-Integrated Circuit：内置集成电路)总线等对应的接口电路。
振荡电路60产生主时钟信号MCLK，将主时钟信号MCLK输出到数字运算电路41。振荡电路60例如也可以构成为环形振荡器或CR振荡电路。
1-2.驱动电路的结构
接着，对驱动电路20进行说明。图5是示出驱动电路20的结构例的图。如图5所示，本实施方式的驱动电路20包含I/V转换电路21、高通滤波器22、比较器23、全波整流电路24、积分器25以及比较器26。另外，本实施方式的驱动电路20也可以是省略或变更这些要素的一部分或者追加其他要素的结构。
I/V转换电路21将通过物理量检测元件100的激励振动而产生的、经由DG端子输入的振荡电流转换为交流电压信号。
高通滤波器22去除I/V转换电路21的输出信号的偏移。
比较器23将高通滤波器22的输出信号的电压与基准电压进行比较而生成二值化信号。然后，比较器23在该二值化信号为高电平时使NMOS晶体管导通而输出低电平，在二值化信号为低电平时使NMOS晶体管不导通，并将经由电阻而上拉的积分器25的输出电压作为高电平输出。比较器23的输出信号作为驱动信号而经由DS端子被供给到物理量检测元件100。通过使该驱动信号的频率与物理量检测元件100的谐振频率一致，能够使物理量检测元件100稳定地进行振荡。
全波整流电路24对I/V转换电路21的输出信号进行全波整流而输出直流化的信号。
积分器25以从基准电压电路10供给的期望的电压VRDR为基准，对全波整流电路24的输出电压进行积分并输出。全波整流电路24的输出越高，即，I/V转换电路21的输出信号的振幅越大，该积分器25的输出电压越低。因此，振荡振幅越大，比较器23的输出信号即驱动信号的高电平的电压越低，振荡振幅越小，驱动信号的高电平的电压越高，因此施加自动增益控制(AGC：Auto Gain Control)以使振荡振幅保持恒定。
比较器26对高通滤波器22的输出信号的电压进行放大而生成作为二值化信号的方形波电压信号，并作为检波信号SDET来输出。
1-3.检测电路的结构
接着，对检测电路30进行说明。图6是示出检测电路30的结构例的图。如图6所示，本实施方式的检测电路30包含Q-V转换电路210、可变增益放大器220、混频器230、无源滤波器240、预充电电路250以及模拟/数字转换电路270。另外，本实施方式的检测电路30也可以是省略或变更这些要素的一部分或者追加其他要素的结构。
Q-V转换电路210包含运算放大器211、电阻212、电容器213、运算放大器214、电阻215以及电容器216。
从物理量检测元件100的振动片的检测电极114经由S1端子向运算放大器211的反相输入端子输入包含角速度成分和振动泄漏成分的交流电荷。电阻212是运算放大器211的反馈电阻。另外，电容器213是运算放大器211的反馈电容。同样，从物理量检测元件100的振动片的检测电极115经由S2端子向运算放大器214的同相输入端子输入包含角速度成分和振动泄漏成分的交流电荷。电阻215是运算放大器214的反馈电阻。另外，电容器216是运算放大器214的反馈电容。输入到运算放大器211的交流电荷与输入到运算放大器214的交流电荷的相位互相相差180°，运算放大器211的输出信号与运算放大器214的输出信号的相位是互相相反的相位。这样构成的Q-V转换电路210将从S1端子和S2端子分别输入的交流电荷转换成电压信号，并输出相位互相相反的差动信号。即，Q-V转换电路210作为将物理量检测元件100的输出信号转换为电压的信号转换电路来发挥功能。
可变增益放大器220包含运算放大器221、电阻222、电容器223、电容器224、运算放大器225、电阻226、电容器227以及电容器228。电阻222、226的电阻值是可变的，电容器223、224、227、228的电容值是可变的。
从运算放大器211输出的信号经由电容器224向运算放大器221输入。电阻222是运算放大器221的反馈电阻。另外，电容器223是运算放大器221的反馈电容。同样，从运算放大器214输出的信号经由电容器228向运算放大器225输入。电阻226是运算放大器225的反馈电阻。另外，电容器227是运算放大器225的反馈电容。这样构成的可变增益放大器220对从Q-V转换电路210输出的差动信号进行放大，并输出期望的电压电平的差动信号。
混频器230包含开关231、开关232、开关233以及开关234。
开关231、233在由驱动电路20输出的检波信号SDET为高电平时导通，在低电平时不导通。另外，开关232、234在检波信号SDET为低电平时导通，在高电平时不导通。混频器230在检波信号SDET为高电平时直接输出从可变增益放大器220输出的差动信号，在检波信号SDET为低电平时，输出将从可变增益放大器220输出的差动信号的正负调换后的信号。这样构成的混频器230作为检波电路来发挥功能，该检波电路使用检波信号SDET来检测从可变增益放大器220输出的差动信号，并输出包含角速度成分的差动信号。由混频器230输出的差动信号是与施加给物理量检测元件100的角速度对应的电压电平的信号。另外，从混频器230输出的差动信号是“基于物理量检测元件的输出信号的第1模拟信号”的一例。另外，从可变增益放大器220输出的差动信号是“基于信号转换电路的输出信号的第3模拟信号”的一例。
无源滤波器240包含电阻241、电阻242以及电容器243。电阻241的一端与电容器243的一端连接，电阻242的一端与电容器243的另一端连接，向电阻241的另一端和电阻242的另一端输入从混频器230输出的差动信号。这样构成的无源滤波器240作为低通滤波器来发挥功能，该低通滤波器输出使从混频器230输出的差动信号的高频噪声衰减后的差动信号Vp、Vn。另外，无源滤波器240也作为针对模拟/数字转换电路270的抗混叠滤波器来发挥功能。无源滤波器240由于不包含产生1/f噪声的晶体管等有源元件，所以与使用有源元件而构成的有源滤波器相比输出噪声较小，因此能够提高物理量传感器1的输出信号的S/N比。另外，根据物理量传感器1的用途，无源滤波器240也可以是带通滤波器。
模拟/数字转换电路270根据时钟信号ADCLK和使能信号EN来进行动作，将输入信号Vinp、Vinn采样到未图示的输入电容而转换为数字信号。另外，输入信号Vinp、Vinn是“基于无源滤波器的输出信号的第2模拟信号”的一例，在图6的例子中，是从无源滤波器240输出的差动信号Vp、Vn。
预充电电路250包含开关251、斩波电路252、运算放大器253、斩波电路254、开关255、开关261、斩波电路262、运算放大器263、斩波电路264以及开关265。
开关251、255、261、265在使能信号EN为高电平时导通，在使能信号EN为低电平时不导通。
斩波电路252设置于无源滤波器240与运算放大器253之间的信号路径。在使能信号EN为高电平时，经由开关251向斩波电路252的第1输入端子输入从无源滤波器240输出的差动信号Vp、Vn中的一个信号Vp。向斩波电路252的第2输入端子输入从斩波电路254的输出端子输出的信号。然后，斩波电路252根据斩波信号CHOP，将输入到第1输入端子和第2输入端子的两个信号中的一个从第1输出端子输出，将另一个从第2输出端子输出。
斩波电路262设置于无源滤波器240与运算放大器263之间的信号路径。在使能信号EN为高电平时，经由开关261向斩波电路262的第1输入端子输入从无源滤波器240输出的差动信号Vp、Vn中的另一个信号Vn。向斩波电路262的第2输入端子输入从斩波电路264的输出端子输出的信号。然后，斩波电路262根据斩波信号CHOP，将输入到第1输入端子和第2输入端子的两个信号中的一个从第1输出端子输出，并将另一个从第2输出端子输出。
在本实施方式中，斩波电路252、262在斩波信号CHOP为低电平时将输入到第1输入端子的信号从第1输出端子输出，将输入到第2输入端子的信号从第2输出端子输出。另外，斩波电路252、262在斩波信号CHOP为高电平时将输入到第1输入端子的信号从第2输出端子输出，将输入到第2输入端子的信号从第1输出端子输出。
向运算放大器253的反相输入端子和同相输入端子分别输入从斩波电路252的第1输出端子和第2输出端子输出的信号。另外，向运算放大器263的反相输入端子和同相输入端子分别输入从斩波电路262的第1输出端子和第2输出端子输出的信号。
斩波电路254设置于运算放大器253与模拟/数字转换电路270之间的信号路径。向斩波电路254的第1输入端子输入从运算放大器253的同相输出端子输出的信号。向斩波电路254的第2输入端子输入从运算放大器253的反相输出端子输出的信号。然后，斩波电路254根据斩波信号CHOP，将输入到第1输入端子和第2输入端子的两个信号中的一个从第1输出端子输出，将另一个从第2输出端子输出。在使能信号EN为高电平时，从斩波电路254的第1输出端子输出的信号经由开关255作为预充电信号Vpcp输出到模拟/数字转换电路270。
斩波电路264设置于运算放大器263与模拟/数字转换电路270之间的信号路径。向斩波电路264的第1输入端子输入从运算放大器263的同相输出端子输出的信号。向斩波电路264的第2输入端子输入从运算放大器263的反相输出端子输出的信号。然后，斩波电路264根据斩波信号CHOP，将输入到第1输入端子和第2输入端子的两个信号中的一个从第1输出端子输出，将另一个从第2输出端子输出。在使能信号EN为高电平时，从斩波电路264的第1输出端子输出的信号经由开关265作为预充电信号Vpcn输出到模拟/数字转换电路270。
在本实施方式中，斩波电路254、264在斩波信号CHOP为低电平时将输入到第1输入端子的信号从第2输出端子输出，将输入到第2输入端子的信号从第1输出端子输出。另外，斩波电路254、264在斩波信号CHOP为高电平时将输入到第1输入端子的信号从第1输出端子输出，将输入到第2输入端子的信号从第2输出端子输出。
通过使斩波信号CHOP周期性地反复为低电平和高电平，斩波电路252、254、262、264分别进行交替地反复第1状态和第2状态的斩波动作，在该第1状态中，将输入到第1输入端子的信号从第2输出端子输出，将输入到第2输入端子的信号从第1输出端子输出，在该第2状态中，将输入到第1输入端子的信号从第1输出端子输出，将输入到第2输入端子的信号从第2输出端子输出。通过斩波电路252、254的斩波动作，得到运算放大器253的输出信号的1/f噪声被有效地降低的预充电信号Vpcp。同样，通过斩波电路262、264的斩波动作，得到运算放大器263的输出信号的1/f噪声被有效地降低的预充电信号Vpcn。
这样构成的预充电电路250设置于无源滤波器240与模拟/数字转换电路270之间的信号路径，在模拟/数字转换电路270将输入信号Vinp、Vinn采样到输入电容之前，通过与从无源滤波器240输出的差动信号的电压电平对应的预充电信号Vpcp、Vpcn，对模拟/数字转换电路270的输入电容进行预充电。
另外，斩波电路252和斩波电路254分别是“第1斩波电路”和“第2斩波电路”的一例。另外，斩波电路262和斩波电路264分别是“第1斩波电路”和“第2斩波电路”的另一例。
1-4.模拟/数字转换电路的结构
接着，对模拟/数字转换电路270进行说明。在本实施方式中，模拟/数字转换电路270是逐次比较型的模拟/数字转换电路。图7是示出模拟/数字转换电路270的结构例的图。如图7所示，本实施方式的模拟/数字转换电路270包含开关271P、开关271N、开关272P、开关272N、开关阵列273P、开关阵列273N、电容阵列274P、电容阵列274N、开关275P、开关275N、比较器276以及逻辑电路277。另外，本实施方式的模拟/数字转换电路270也可以是省略或变更这些要素的一部分或者追加其他要素的结构。
电容阵列274P、274N分别具有电容值互相不同的多个电容器，并作为模拟/数字转换电路270的输入电容来发挥功能。
逻辑电路277根据时钟信号ADCLK和使能信号EN，对开关271P、271N、272P、272N、275P、275N以及开关阵列273P、273N的动作进行控制。
具体来说，在使能信号EN为高电平时，逻辑电路277使开关控制信号S为低电平而控制为开关271P、271N不导通，并且控制为开关272P、272N不导通，并且控制为开关275P、275N导通。此外，逻辑电路277对开关阵列273P、273N的动作进行控制，以便通过预充电信号Vpcp、Vpcn对电容阵列274P、274N的各电容器进行预充电。
接着，当使能信号EN从高电平变化为低电平时，逻辑电路277控制为使开关控制信号S从低电平变化为高电平而使开关271P、271N导通，将输入信号Vinp、Vinn采样到电容阵列274P、274N的各电容器。
接着，当使开关控制信号S从低电平变化为高电平之后经过采样所需的规定时间时，逻辑电路277控制为使开关控制信号S从高电平变化为低电平而使开关271P、271N不导通，并且控制为开关272P、272N导通，并且控制为开关275P、275N不导通。此外，逻辑电路277对开关阵列273P、273N的动作进行控制，以使电容阵列274P、274N的各电容器与逻辑电路277连接。然后，逻辑电路277根据从比较器276输出的二值化信号是高电平还是低电平，反复进行N次对电容阵列274P、274N的各电容器施加电源电压vdd或地电压gnd的动作。逻辑电路277对从比较器276输出的二值信号进行并行转换，生成具有与输入信号Vinp的电压和输入信号Vinn的电压之差对应的数字值的N比特的数字信号VDO。
这样，使能信号EN为高电平的期间与预充电期间对应，开关控制信号S为高电平的期间与采样期间对应，开关控制信号S和使能信号EN都为低电平的期间与转换期间对应。
1-5.物理量检测电路的工作方法
本实施方式的物理量检测电路200的工作方法包含如下的步骤：预充电步骤，预充电电路250根据运算放大器253、263的输出信号对模拟/数字转换电路270的输入电容进行预充电；采样步骤，在预充电步骤之后，模拟/数字转换电路270将输入信号Vinp、Vinn采样到输入电容；以及斩波步骤，斩波电路252、254、262、264与采样步骤同步地进行斩波动作。另外，本实施方式的物理量检测电路200的工作方法包含如下的转换步骤：在采样步骤之后，将采样到输入电容的输入信号Vinp、Vinn转换为数字信号VDO。
图8是示出用于实现本实施方式的物理量检测电路200的工作方法的斩波信号CHOP、使能信号EN以及开关控制信号S的时序图的一例的图。如图8所示，在期间P1，斩波信号CHOP为高电平或低电平，使能信号EN为高电平，开关控制信号S为低电平。该期间P1是预充电期间，在期间P1执行上述预充电步骤。
图9是示出在期间P1中斩波信号CHOP为高电平时的电容阵列274P、274N的连接状态的图。如图9所示，在期间P1，在斩波信号CHOP为高电平时，从无源滤波器输出的信号Vp被输入到运算放大器253的同相输入端子，从运算放大器253的同相输出端子输出的信号作为预充电信号Vpcp被供给到电容阵列274P的各电容器的一端。另外，从无源滤波器输出的信号Vn被输入到运算放大器263的同相输入端子，从运算放大器263的同相输出端子输出的信号作为预充电信号Vpcn被供给到电容阵列274N的各电容器的一端。向电容阵列274P、274N的各电容器的另一端供给基准电压。另外，图10是示出在期间P1中斩波信号CHOP为低电平时的电容阵列274P、274N的连接状态的图。如图10所示，在期间P1，在斩波信号CHOP为低电平时，从无源滤波器输出的信号Vp被输入到运算放大器253的反相输入端子，从运算放大器253的反相输出端子输出的信号作为预充电信号Vpcp被供给到电容阵列274P的各电容器的一端。另外，从无源滤波器输出的信号Vn被输入到运算放大器263的反相输入端子，从运算放大器263的反相输出端子输出的信号作为预充电信号Vpcn被供给到电容阵列274N的各电容器的一端。向电容阵列274P、274N的各电容器的另一端供给基准电压。
如图8所示，在期间P2，斩波信号CHOP为高电平或低电平，使能信号EN为低电平，开关控制信号S为高电平。该期间P2是采样期间，在期间P2执行上述采样步骤。图11是示出期间P2中的电容阵列274P、274N的连接状态的图。如图11所示，在期间P2，向电容阵列274P的各电容器的一端供给从无源滤波器输出的信号Vp。另外，向电容阵列274N的各电容器的一端供给从无源滤波器输出的信号Vn。向电容阵列274P、274N的各电容器的另一端供给基准电压。
如图8所示，在期间P3，斩波信号CHOP为高电平或低电平，使能信号EN为低电平，开关控制信号S为低电平。该期间P3是转换期间，在期间P3执行上述转换步骤。图12是示出期间P3中的电容阵列274P、274N的连接状态的图。如图12所示，在期间P3，从逻辑电路277向电容阵列274P的各电容器的一端供给电源电压vdd或地电压gnd，电容阵列274P的各电容器的另一端与比较器276的一个输入端子连接。另外，从逻辑电路277向电容阵列274N的各电容器的一端供给电源电压vdd或地电压gnd，电容阵列274N的各电容器的另一端与比较器276的另一个输入端子连接。
另外，上述的斩波步骤是在期间P1、P2、P3执行的。因此，在期间P1并行地执行预充电步骤和斩波步骤，在期间P2并行地执行采样步骤和斩波步骤，在期间P3并行地执行转换步骤和斩波步骤。
另外，在图8中，对斩波信号CHOP的高/低进行切换的定时与采样期间P2结束的定时一致，但未必需要是该定时，只要在时间序列上相邻的预充电期间P1内切换斩波信号CHOP的高/低即可。即，只要每当预充电期间P1到来时，交替地反复斩波电路252、254、262、264的第1状态和第2状态即可。
1-6.作用效果
在以上说明的本实施方式的物理量传感器1中，在模拟/数字转换电路270中，为了对输入信号Vinp、Vinn进行采样，在使开关271P、271N导通的情况下构成图13所示的电路。另外，图13是更详细地记载了图11的电路图的图。在图13中，Cp、Cn分别是开关阵列273P、273N的寄生电容。假设在蓄积于电容阵列274P、274N的电荷量与蓄积于寄生电容Cp、Cn的电荷量之和与蓄积在无源滤波器240的电容器243中的电荷量不同的状态下使开关271P、271N导通，则如在图13中单点划线箭头A1、A2、A3、A4所示，在电容阵列274P、274N和寄生电容Cp、Cn与电容器243之间产生电荷的移动，模拟/数字转换电路270的增益有可能下降。如上所述，模拟/数字转换电路270是逐次比较型的模拟/数字转换电路，电容阵列274P、274N分别具有M个电容器，因此与其他类型的模拟/数字转换电路相比，输入电容值较大。因此，假设在电容阵列274P、274N和寄生电容Cp、Cn与电容器243之间电荷发生移动的情况下，电荷的移动量增大，模拟/数字转换电路270的增益大幅度下降。其结果是，由于从模拟/数字转换电路270输出的数字信号的电平大幅度下降，所以S/N比(Signal to Noise Ratio：信噪比)下降。如果假设无论输入信号Vinp、Vinn的电平如何，数字信号的电平的下降量都是恒定的，则无法提高S/N比，但是能够在后级的数字运算电路41中对数字信号的电平进行校正。不过，实际上，在开关271P、271N即将导通之前蓄积在寄生电容Cp、Cn中的电荷量根据数字信号的值而不同，因此数字信号的电平的下降量根据输入信号Vinp、Vinn的电平而不同，无法在数字运算电路41中对数字信号的电平进行校正。
因此，在本实施方式的物理量传感器1中，如上所述，在模拟/数字转换电路270将输入信号Vinp、Vinn采样到输入电容之前，通过与从无源滤波器240输出的差动信号的电压电平对应的预充电信号Vpcp、Vpcn，对模拟/数字转换电路270的输入电容进行预充电。由此，在蓄积于电容阵列274P、274N的电荷量与蓄积于寄生电容Cp、Cn的电荷量之和与蓄积在无源滤波器240的电容器243中的电荷量大致相等的状态下，开关271P、271N导通，因此在电容阵列274P、274N和寄生电容Cp、Cn与电容器243之间几乎不产生电荷的移动。因此，根据本实施方式的物理量传感器1，能够减少模拟/数字转换电路270的增益的下降，并且其下降量也是恒定的，因此能够在数字运算电路41中对数字信号的电平进行校正。
但是，当预充电信号Vpcp、Vpcn的噪声电平因包含在预充电电路250的运算放大器253、263中的MOS晶体管所产生的1/f噪声而上升时，模拟/数字转换电路270的输入信号Vinp、Vinn的噪声电平也上升。与此相对，在本实施方式的物理量传感器1中，如上所述，通过包含在预充电电路250中的斩波电路252、254、262、264的斩波动作，可得到1/f噪声被有效地降低的预充电信号Vpcp、Vpcn，因此能够使模拟/数字转换电路270的输入信号Vinp、Vinn的噪声电平减小。
此外，在本实施方式的物理量传感器1中，在检测电路30中，直接以差动信号进行模拟/数字转换电路270的前级的模拟信号处理，因此不容易受到电源噪声等同相噪声的影响，能够有效地抑制模拟/数字转换电路270的输入信号Vinp、Vinn的噪声电平的上升。
如以上那样，根据本实施方式的物理量传感器1，模拟/数字转换电路270的增益的下降较小，并且模拟/数字转换电路270的输入信号Vinp、Vinn的噪声电平减小，因此能够输出具有高S/N比的数字信号。
1-7.变形例
在上述实施方式中，模拟/数字转换电路270的输入信号是差动信号，但也可以是单端信号。在该情况下，从物理量检测元件100输出的差动信号在检测电路30的Q-V转换电路210、可变增益放大器220、混频器230以及无源滤波器240中的任意一个中被转换为单端信号。例如可以是，可变增益放大器220将从Q-V转换电路210输出的差动信号转换为单端信号，混频器230、无源滤波器240以及预充电电路250对单端信号进行上述的各处理。
另外，在上述实施方式中，作为物理量传感器1，以包含检测角速度的物理量检测元件100的角速度传感器为例，但由物理量检测元件100检测的物理量并不限于角速度，也可以是角加速度、加速度、速度、力等。另外，物理量检测元件100的振动片也可以不是双T型，例如可以是音叉型或梳齿型，还可以是三棱柱、四棱柱、圆柱状等形状的音片型。另外，作为物理量检测元件100的振动片的材料，也可以代替石英(SiO2)，例如使用钽酸锂(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，还可以使用硅半导体。另外，物理量检测元件100的振动片例如也可以是在硅半导体的表面的一部分配置有被驱动电极夹住的氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)等压电薄膜的构造。另外，物理量检测元件100并不限于压电型的元件，也可以是电动型、静电电容型、涡电流型、光学型、应变计型等振动式的元件。例如，物理量检测元件100可以是静电电容型的MEMS(Micro ElectroMechanical Systems：微机电系统)振子。另外，物理量检测元件100的检测方式并不限于振动式，例如也可以是光学式、旋转式、流体式。
另外，在上述实施方式中，作为物理量传感器1，以具有1个物理量检测元件100的单轴传感器为例，但物理量传感器1也可以是具有多个物理量检测元件100的多轴传感器。例如，物理量传感器1可以是具有检测绕互相不同的3个轴的角速度的3个物理量检测元件的3轴陀螺仪传感器，也可以是具有检测角速度的物理量检测元件和检测加速度的物理量检测元件的复合传感器。
2.电子设备
图14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14所示，本实施方式的电子设备300包含物理量传感器310、控制装置320、操作部330、ROM(Read OnlyMemory：只读存储器)340、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)350、通信部360以及显示部370。另外，本实施方式的电子设备也可以是省略或变更图14的构成要素的一部分或者追加了其他构成要素的结构。
物理量传感器310检测物理量而将检测结果输出到控制装置320。作为物理量传感器310，例如可以应用上述本实施方式的物理量传感器1。
控制装置320根据存储于ROM 340等的程序而与物理量传感器310进行通信，使用物理量传感器310的输出信号来进行各种计算处理和控制处理。此外，控制装置320进行与来自操作部330的操作信号对应的各种处理、控制通信部360以与外部装置进行数据通信的处理、发送用于使显示部370显示各种信息的显示信号的处理等。另外，控制装置320例如与图1所示的MCU 5对应。
操作部330是由操作键、按钮开关等构成的输入装置，将与用户的操作对应的操作信号输出到控制装置320。
ROM 340存储用于供控制装置320进行各种计算处理和控制处理的程序和数据等。
RAM 350被用作控制装置320的作业区域，临时存储从ROM 340读出的程序和数据、从操作部330输入的数据、控制装置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：液晶显示器)等构成的显示装置，根据从控制装置320输入的显示信号来显示各种信息。也可以在显示部370上设置作为操作部330来发挥功能的触摸面板。
通过应用例如上述本实施方式的物理量传感器1来作为物理量传感器310，例如能够实现可靠性高的电子设备。
作为这样的电子设备300，可考虑各种电子设备，例如可举出移动型/膝上型/平板型等的个人计算机、智能手机或移动电话机等移动终端、数字照相机、喷墨式打印机等喷墨式排出装置、路由器或交换机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、车载导航装置、实时时钟装置、寻呼机、电子记事本、电子辞典、计算器、电子游戏设备、游戏用控制器、文字处理器、工作站、视频电话、防盗用电视监视器、电子望远镜、POS终端、电子体温计、血压计、血糖仪、心电图计测装置、超声波诊断装置、电子内窥镜等医疗设备、鱼群探测器、各种测量设备、车辆、飞机、船舶等计量仪器类、飞行模拟器、头戴式显示器、运动轨迹仪、运动跟踪器、运动控制器、步行者自主导航(PDR：PedestrianDead Reckoning)装置等。
图15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。另外，在图15中还简单地示出与外部设备之间的连接。这里，通常的照相机利用被拍摄物的光像使卤化银摄影胶片感光，与此相对，数字照相机1300通过CCD(ChargeCoupled Device：电荷耦合器件)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。
在数字照相机1300的壳体1302的背面设有显示部1310，采用了根据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的正面侧设有包含光学镜头和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，采用了如下结构：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或个人计算机1440。数字照相机1300例如具有作为角速度传感器的物理量传感器310，使用物理量传感器310的输出信号来进行例如手抖校正等处理。
3.移动体
图16是示出本实施方式的移动体的一例的图。图16所示的移动体400构成为包含物理量传感器410、控制器440、450、460、电池470、导航装置480。另外，本实施方式的移动体也可以是省略图16的构成要素的一部分或者追加了其他构成要素的结构。
物理量传感器410、控制器440、450、460、导航装置480利用由电池470供给的电源电压进行动作。
物理量传感器410检测物理量并将检测结果输出到控制器440、450、460。
控制器440、450、460是分别使用物理量传感器410的输出信号来进行姿势控制系统、防侧翻系统、制动系统等的各种控制的控制装置。
导航装置480根据内置的GPS接收器的输出信息，在显示器上显示移动体400的位置、时刻以及其他各种信息。另外，导航装置480即使在GPS的电波没有到达时，也根据物理量传感器410的输出信号来确定移动体400的位置和方向，继续进行所需的信息的显示。
另外，控制器440、450、460和导航装置480例如分别与图1所示的MCU 5对应。
例如，通过应用上述的各实施方式的物理量传感器1来作为物理量传感器410，例如，能够实现可靠性高的移动体。
作为这样的移动体400，可考虑各种移动体，例如可举出电动汽车等汽车、喷气式飞机或直升飞机等飞机、船舶、火箭、人造卫星等。
上述实施方式和变形例是一例，并不限于此。例如，还能够适当组合各实施方式和各变形例。
本发明包含与在实施方式中说明的结构实质相同的结构(例如，功能、方法以及结果相同的结构，或者目的以及效果相同的结构)。此外，本发明包含对实施方式中说明的结构的非本质部分进行置换后的结构。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作用效果的结构或达到相同目的的结构。此外，本发明包含对在实施方式中说明的结构附加公知技术后的结构。

Claims (9)

1.一种物理量检测电路，其中，该物理量检测电路具有：
无源滤波器，其被输入基于物理量检测元件的输出信号的第1模拟信号；
模拟/数字转换电路，其具有输入电容，将基于所述无源滤波器的输出信号的第2模拟信号采样到所述输入电容而转换为数字信号；以及
预充电电路，其设置于所述无源滤波器与所述模拟/数字转换电路之间的信号路径，在所述模拟/数字转换电路将所述第2模拟信号采样到所述输入电容之前，对所述输入电容进行预充电，
所述预充电电路包含：
运算放大器；
第1斩波电路，其设置于所述无源滤波器与所述运算放大器之间的信号路径；以及
第2斩波电路，其设置于所述运算放大器与所述模拟/数字转换电路之间的信号路径，
所述第1斩波电路和所述第2斩波电路与所述模拟/数字转换电路将所述第2模拟信号采样到所述输入电容的动作同步地进行斩波动作。
2.根据权利要求1所述的物理量检测电路，其中，
所述无源滤波器是低通滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的物理量检测电路，其中，
所述模拟/数字转换电路是逐次比较型的模拟/数字转换电路。
4.根据权利要求1所述的物理量检测电路，其中，
所述第1模拟信号和所述第2模拟信号分别是差动信号。
5.根据权利要求1所述的物理量检测电路，其中，
该物理量检测电路具有：
信号转换电路，其将所述物理量检测元件的输出信号转换为电压；以及
检波电路，其对基于所述信号转换电路的输出信号的第3模拟信号进行检波并输出所述第1模拟信号。
6.一种物理量传感器，其中，该物理量传感器具有：
权利要求1～5中的任意一项所述的物理量检测电路；以及
所述物理量检测元件。
7.一种电子设备，其中，该电子设备具有权利要求6所述的物理量传感器。
8.一种移动体，其中，该移动体具有权利要求6所述的物理量传感器。
9.一种物理量检测电路的工作方法，其中，该物理量检测电路具有：无源滤波器，其被输入基于物理量检测元件的输出信号的第1模拟信号；模拟/数字转换电路，其具有输入电容，将基于所述无源滤波器的输出信号的第2模拟信号采样到所述输入电容而转换为数字信号；以及预充电电路，其设置于所述无源滤波器与所述模拟/数字转换电路之间的信号路径，
所述预充电电路具有：
运算放大器；
第1斩波电路，其设置于所述无源滤波器与所述运算放大器之间的信号路径；以及
第2斩波电路，其设置于所述运算放大器与所述模拟/数字转换电路之间的信号路径，
该物理量检测电路的工作方法包含如下的步骤：
预充电步骤，所述预充电电路根据所述运算放大器的输出信号对所述输入电容进行预充电；
采样步骤，在所述预充电步骤之后，所述模拟/数字转换电路将所述第2模拟信号采样到所述输入电容；以及
斩波步骤，所述第1斩波电路和所述第2斩波电路与所述采样步骤同步地进行斩波动作。
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