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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen zyklischen Analog/Digital (A/D)-Wandler.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Fahrzeugsensor wie beispielsweise ein Beschleunigungssensor, ein Drucksensor und ein Abgassensor gibt ein elektrisches Signal aus, das mit einer physikalischen Quantität eines Erfassungsobjekts variiert. Ein derartiger Sensor kann ein Spannungsausgabetyp, ein Kapazitätserfassungstyp, ein Stromausgabetyp oder dergleichen sein. Ein Analog/Digital-Wandler, der in einem Fahrzeugmikrocomputer angebracht ist, wandelt eine Eingangsanalogspannung in digitale Daten um.
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In einem Fall, in dem der Sensor ein Ausgabesignal erzeugt, das keine analoge Spannung ist, werden Signalverarbeitungsschaltkreise an einer Vorstufe des A/D-Wandlers zur Signalverarbeitung bereitgestellt (beispielsweise Patentdokument 1). Die Signalverarbeitungsschaltkreise sind beispielsweise ein Spezialschaltkreis mit einer C/V-Wandlungsfunktion oder einer I/V-Wandlungsfunktion und ein Verstärkungsschaltkreis zum Verstärken eines Ausgangssignals des Spezialschaltkreises. Alternativ wird ein A/D-Wandler mit einer Verstärkungsfunktion eingesetzt (beispielsweise Patentdokument 2).
Patentdokument 1:
JP 2008-216135 A Patentdokument 2:
JP 2008-104142 A (
US 2008/0074404 A1 )
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Für den Fall, dass ein C/V-Wandler, ein Verstärker und dergleichen zusätzlich zu einem A/D-Wandler wie in Patentdokument 1 offenbart bereitgestellt werden, steigen Schaltkreisfläche und Energieverbrauch entsprechend. Für den Fall, dass ein A/D-Wandler mit einer Verstärkungsfunktion wie in Patentdokument 2 offenbart bereitgestellt wird, muss kein Verstärker separat bereitgestellt werden. Jedoch muss ein C/V-Wandler bereitgestellt werden. Schaltkreisfläche und Energieverbrauch steigen entsprechend.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen zyklischen A/D-Wandler zur Verfügung zu stellen, der A/D-Wandlung durch Umwandeln eines Eingangssignals in eine analoge Spannung in dem Fall durchführt, in dem das Eingangssignal keine Spannung ist.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein zyklischer A/D-Wandler einen A/D-Wandlungsschaltkreis, einen Restspannungserzeugungsschaltkreis, einen Eingangsschaltkreis und einen Steuerschaltkreis. Der Restspannungserzeugungsschaltkreis ist konfiguriert, um eine Restspannung durch Verstärken einer Differenzspannung zwischen einer Eingangsspannung, die an den A/D-Wandlungsschaltkreis angelegt wird, und einer vorbestimmten Analogspannung zu erzeugen. Der Eingangsschaltkreis ist konfiguriert, um eine Restspannung, die von dem Restspannungserzeugungsschaltkreis ausgegeben wird, oder eine Eingangsspannung, die von einer externen Seite eingegeben wird, auszuwählen und eine ausgewählte Spannung an sowohl den A/D-Wandlungsschaltkreis als auch den Restspannungserzeugungsschaltkreis anzulegen. Der Steuerschaltkreis ist konfiguriert, um den Eingangsschaltkreis und den Restspannungserzeugungsschaltkreis so zu steuern, dass der A/D-Wandlungsschaltkreis eine A/D-Wandlung der Restspannung, die durch den Restspannungserzeugungsschaltkreis ausgegeben wird, durchführt, während er als die vorbestimmte Analogspannung des Restspannungserzeugungsschaltkreises einen D/A-Wandlungswert eines Digitalwandlungswerts, der von dem A/D-Wandlungsschaltkreis ausgegeben wird, um die Restspannung durch den Eingangsschaltkreis, den A/D-Wandlungsschaltkreis und den Restspannungserzeugungsschaltkreis zu zirkulieren, verwendet.
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Der zyklische A/D-Wandler beinhaltet weiterhin einen Eingangsschaltungsschaltkreis, der konfiguriert ist, um schaltbar eine externe Signalladung in den Restspannungserzeugungsschaltkreis einzugeben. Der Steuerschaltkreis ist weiterhin konfiguriert, den Eingangsschaltungsschaltkreis zu steuern, um die externe Signalladung in den Restspannungserzeugungsschaltkreis einzugeben, den Restspannungserzeugungsschaltkreis zu steuern, um eine Spannungswandlungsoperation zum Ausgeben einer gewandelten Spannung entsprechend der externen Signalladung durchzuführen, und den Eingangsschaltkreis zu steuern, um die gewandelte Spannung zum Anlegen an den A/D-Wandlungsschaltkreis und den Restspannungserzeugungsschaltkreis auszuwählen, bevor der A/D-Wandlungsschaltkreis die A/D-Wandlungsoperation der gewandelten Spannung, die von dem Restspannungserzeugungsschaltkreis ausgegeben wird, startet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und Zusammenschau mit den Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild eines zyklischen A/D-Wandlers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Schaltbild eines 1,5-Bit-A/D-Wandlerschaltkreises in dem zyklischen A/D-Wandler aus 1;
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3 ein Betriebsdiagramm des zyklischen A/D-Wandlers gemäß der ersten Ausführungsform;
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4A und 4B Schaltbilder eines Teils des zyklischen A/D-Wandlers bezüglich des C/V-Wandlungsbetriebs (Wandlungsoperation);
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5 ein Betriebsdiagramm eines zyklischen A/D-Wandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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6 ein Schaltbild eines zyklischen A/D-Wandlers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7A und 7B Schaltbilder eines Teils des zyklischen A/D-Wandlers bezüglich des C/V-Wandlungsbetriebs;
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8 ein Schaltdiagramm eines zyklischen A/D-Wandlers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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9 ein Betriebsdiagramm des zyklischen A/D-Wandlers gemäß der vierten Ausführungsform;
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10A und 10B Schaltbilder eines Teils des zyklischen A/D-Wandlers bezüglich des C/V-Wandlungsbetriebs;
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11 ein Schaltbild eines zyklischen A/D-Wandlers gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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12 ein Betriebsdiagramm des zyklischen A/D-Wandlers gemäß der fünften Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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(Erste Ausführungsform)
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Ein zyklischer A/D-Wandler gemäß einer ersten Ausführungsform wird nachstehend mit Bezug auf 1 bis 4 erläutert.
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1 zeigt einen kapazitiven Beschleunigungssensor, der ein Sensorelement 1 aufweist und in einem fahrzeuggebundenen Steuer-IC (integrated circuit, Integrierter Schaltkreis) verwendet wird, und einen zyklischen A/D-Wandler 2, der konfiguriert ist, ein Ausgangssignal des kapazitiven Beschleunigungssensors A/D zu wandeln. Das Sensorelement 1 des kapazitiven Beschleunigungssensors weist Kondensatoren CE1 und CE2 auf. Kapazitäten der Kondensatoren CE1 und CE2 sind in dem Fall, in dem keine Beschleunigung ausgeübt wird, CE. Die Kondensatoren CE1 und CE2 ändern entsprechende Kapazitäten komplementär gemäß auf sie ausgeübter Beschleunigung. Wenn beispielsweise die Kapazität des Kondensators CE1 um ΔC/2 ansteigt, nimmt die Kapazität des Kondensators CE2 um ΔC/2 ab. Die Kondensatoren CE1 und CE2 sind mit Anschlüssen FE1 beziehungsweise FE2 verbunden. Steuerspannungen Vsp und Vsm werden abwechselnd an die Anschlüsse FE1 und FE2 angelegt. Die Kondensatoren CE1 und CE2 sind miteinander und mit einem Signaleingangsanschluss 3 des zyklischen A/D-Wandlers 2 verbunden.
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Der zyklische A/D-Wandler 2 ist konfiguriert, um eine Funktion eines C/V-Wandlers aufzuweisen, der eine Änderung der Kapazität (C) der Kondensatoren CE1 und CE2 in eine analoge Spannung (V) umwandelt (erfasst). Der zyklische A/D-Wandler 2 C/V-wandelt eine Signalladung Sin (externe Signalladung C), die an den Signaleingangsanschluss 3 angelegt wird, und verstärkt eine gewandelte Spannung. Der zyklische A/D-Wandler 2 A/D-wandelt dann die verstärkte Spannung und gibt einen N-Bit-A/D-Wandlungscode (digitale Daten mit N Bits) aus. Der zyklische A/D-Wandler 2 verstärkt des Weiteren eine Signalspannung Vin, die in einen Signaleingangsanschluss 4 eingegeben wird, A/D-wandelt die verstärkte Spannung und gibt einen N-Bit-A/D-Wandlungscode aus. Der zyklische A/D-Wandler 2 ist konfiguriert, um wahlweise eine der vorstehenden Operationen gemäß Typen von Eingangssignalen (Sensorausgabeformen) durchzuführen. Der zyklische A/D-Wandler 2 ist somit in der Lage, sein Eingangssignal A/D zu wandeln, egal ob das Eingangssignal eine Spannung oder eine Ladung ist.
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Der zyklische A/D-Wandler 2 ist durch einen Schaltungsschaltkreis 5, einen multiplizierenden D/A-Wandler 6, einen A/D-Wandlungsschaltkreis 7, einen Steuerschaltkreis 8, einen Kondensator CG und Schalter S1 bis S3 konfiguriert. Der Schaltungsschaltkreis 5, der als ein Eingabeschaltkreis agiert, wählt entweder eine Signalspannung Vin, die in den Signaleingangsanschluss 4 eingegeben wird, oder eine Ausgangsspannung des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 aus und gibt die ausgewählte Spannung sowohl in den A/D-Wandlungsschaltkreis 7 als auch in den multiplizierenden D/A-Wandler 6 ein. Für den Fall, dass das Eingangssignal eine Ladung und keine Spannung ist, wird der Schaltungsschaltkreis 5 auf einen in 1 dargestellten Zustand festgelegt, um die Ausgangsspannung des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 auszuwählen.
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Der multiplizierende D/A-Wandler 6, der als ein Schaltkreis zum Erzeugen einer Restspannung (nachfolgend auch als Restspannungserzeugungsschaltkreis bezeichnet) agiert, verstärkt eine Differenzspannung zwischen der Eingangsspannung des A/D-Wandlungsschaltkreises 7 und einer analogen Spannung, die durch D/A-Wandlung eines digitalen Werts, der von dem Steuerschaltkreis 8 ausgegeben wird, erzeugt wird, und erzeugt eine verstärkte Spannung oder eine Restspannung. Der multiplizierende D/A-Wandler 6 gibt diese Spannung, nachdem er sie abgetastet und gehalten hat, aus.
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Der multiplizierende D/A-Wandler 6 ist durch einen Operationsverstärker 9, einen Kondensatornetzwerkschaltkreis 10, einen Kondensator CF und Schalter S10 bis S16 konfiguriert. Der Kondensatornetzwerkschaltkreis 10 beinhaltet Netzwerkkondensatoren CS10 und CS11, von denen beide die gleiche Kapazität CS aufweisen. Niederseitige Elektroden (gemeinsame Elektroden) der Kondensatoren CS10 und CS11 sind mit einer gemeinsamen Leitung 11 verbunden. Hochseitige Elektroden (nichtgemeinsame Elektroden) sind entweder mit einer Referenzspannungsleitung Vrefp (5 V), einer Referenzspannungsleitung Vrefm (0 V) oder einem gemeinsamen Anschluss des Schaltungsschaltkreises 5 durch entsprechende Schalter S10 und S11 verbindbar.
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Die gemeinsame Leitung 11 ist mit einem invertierenden Eingangsanschluss (–) des Operationsverstärkers 9 mittels des Schalters 12, der als ein Schaltungsschaltkreis agiert, und mit einer Masse (feste Spannungsleitung) mittels des Schalters S13 verbunden. Der Schalter S14 ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 9 verbunden. Der Kondensator CF und der Schalter S15 sind zwischen dem gemeinsamen Anschluss des Schaltungsschaltkreises 5 und dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 9 verbunden. Der gemeinsame Verbindungsanschluss des Kondensators CF und des Schalters S15 ist mit der Masse durch den Schalter S16 verbunden. Ein nichtinvertierender Eingangsanschluss (+) des Operationsverstärkers 9 ist mit der Masse verbunden. Der Kondensator CF weist eine Kapazität (2 × CS) auf, die zweimal so groß ist wie die der Kondensatoren CS10 und CS11. Der Kondensator CF, der als ein zweiter integrierender Kondensator agiert, ist zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 9 unter einer Bedingung, dass der Schalter S14 ausgeschaltet ist, der Schalter S15 eingeschaltet ist und der Schaltungsschaltkreis 5 auf den multiplizierenden D/A-Wandler 6 geschaltet ist, verbindbar.
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Der Schalter S1, der als ein Eingangsschaltungsschaltkreis agiert, ist zwischen dem Signaleingangsanschluss 3 und dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 9 verbunden. Der Schalter S2 und der Kondensator CG, der als ein erster integrierender Kondensator agiert, sind in Serie zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 9 verbunden. Der Schalter 3 ist zwischen den Anschlüssen des Kondensators CG verbunden. Die Kapazität des Kondensators CG kann entsprechend einer gewünschten Verstärkung der C/V-Wandlung festgelegt werden.
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Der A/D-Wandlungsschaltkreis 7 ist wie in 2 dargestellt konfiguriert. Der A/D-Wandlungsschaltkreis 7 empfängt vorbestimmte Referenzspannungen Vrefp (5 V) und Vrefm (0 V) und gibt Digitalwandlungswerte von M (1,5) Bits aus, die drei Werte 0 (00), 1 (01) und 2 (10) sind. Konkret wird die Differenzspannung, die einen Unterschied zwischen den Referenzspannungen Vrefp und Vrefm angibt, durch die Widerstände R0, R1 und R2 geteilt. Ein Knotenpunkt zwischen den Widerständen R0 und R1 ist mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss eines Komparators CMP1 verbunden. Ein Knotenpunkt zwischen den Widerständen R1 und R2 ist mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss eines Komparators CMP2 verbunden. Eine Spannung V5, die entweder die Eingangsspannung Vin des Eingangsanschlusses 4 oder die Ausgangsspannung des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 ist, wird an die invertierenden Eingangsanschlüsse der Komparatoren CMP1 und CMP2 angelegt. Widerstandswerte der Widerstände R0, R1 und R2 werden festgelegt, um eine Beziehung zu erfüllen, dass die Widerstandswerte der Widerstände R0 und R2 1,5 R (Ω) bezüglich eines Widerstandswert R (Ω) des Widerstands R1 sind.
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Ausgangssignale, die entweder als ein Signal mit hohem Pegel oder ein Signal mit niedrigem Pegel ausgegeben werden, werden in einen Auffangregisterschaltkreis (latch circuit) 12 eingegeben. Der Auffangregisterschaltkreis 12 hält die Ausgangssignale, die von den Komparatoren CMP1 und CMP2 erzeugt werden, und gibt ein gehaltenes Ausgangssignal an einen Codeumsetzer 13 (encoder) aus, wenn ein Haltesignal(latch signal)-pegel hoch wird. Der Codeumsetzer 13 erzeugt und gibt einen A/D-Wandlungscode aus drei Werten basierend auf dem Ausgangssignal von dem Auffangregisterschaltkreis 12 aus.
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Der Betrieb des zyklischen A/D-Wandlers 2 wird als Nächstes mit Bezug auf Betriebszeitabläufe, die in 3 dargestellt sind und in denen Funktionen des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 durch eingeklammerte Nummern angegeben sind, erläutert. Der zyklische A/D-Wandler 2 verstärkt die Signalladung Sin, nachdem er die C/V-Wandlung unter Verwendung des Schaltungsschaltkreises 5, des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 und dergleichen, die normalerweise bereitgestellt werden, um die A/D-Wandlung durchzuführen, ausgeführt hat. Der Steuerschaltkreis 8 steuert den A/D-Wandlungsschaltkreis 7 und die Schalter S1 bis S3 und die Schalter S10 bis S16 so, dass die nachstehenden Operationen ausgeführt werden. Als Erstes wird, wie in 3 dargestellt ist, die Signalladung Sin C/V-gewandelt. Die gewandelte Spannung, die aus der C/V-Wandlung resultiert, wird einmal zirkuliert (wird durch den multiplizierenden D/A-Wandler 6 zweimal hindurchgeführt), um verstärkt zu werden. Die verstärkte Spannung wird anschließend neunmal zirkuliert (zehn A/D-Wandlungen durch den A/D-Wandlungsschaltkreis 7), um die A/D-Wandlungsoperation von 10 Bits durchzuführen.
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(1) C/V-Wandlungsoperation
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Der Steuerschaltkreis 8 führt die C/V-Wandlungsoperation (Spannungsumwandlungsoperation) vor der Verstärkungsoperation und der A/D-Wandlungsoperation durch. Das heißt, der Schaltungsschaltkreis 5 wird auf die Seite des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 geschaltet, und die Schalter S10 und S11 werden auf die Seite des Schaltungsschaltkreises 5 geschaltet, wie in 1 dargestellt ist. Des Weiteren werden die Schalter S1, S2, S13, S14, S16 eingeschaltet, und die Schalter S3, S12, S15 werden abgeschaltet. Somit werden Ladungen der Kondensatoren initialisiert [Abtasten mit S abgekürzt]. Diese Ladungsinitialisierungsoperation entspricht einem Rücksetzen der C/V-Wandlungsoperation. 4A zeigt schematisch einen Teil des zyklischen A/D-Wandlers 2, der sich auf die C/V-Wandlungsoperation in einer Periode des Rücksetzens (Rücksetzperiode) bezieht. Wie in 3 und 4A dargestellt ist, werden Spannungen Vsp und Vsm an die Anschlüsse FE1 beziehungsweise FE2 des Sensorelements 1 während der Rücksetzperiode angelegt. Der invertierende Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 9 werden durch den Schalter S14 kurzgeschlossen. Somit wird eine Ladung Qr am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 9 in der Rücksetzperiode durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt, in der angenommen wird, dass das Massepotenzial (0 V) Vcom ist. Qr = (CE + ΔC/2)(Vsp – Vcom) + (CE – ΔC/2)(Vsm – Vcom) (1)
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Dann wird der Schalter S14 ausgeschaltet, um den Kondensator CF mit der Signalladung Sin aufzuladen. Diese Ladungsfestlegungsoperation entspricht der Wandlung bei der C/V-Wandlungsoperation. 4B zeigt schematisch einen Teil des zyklischen A/D-Wandlers 2, der sich auf die C/V-Wandlungsoperation in einer Periode der Wandlungsoperation (Wandlungsperiode) bezieht. Wie in 3 und 4B dargestellt, werden die Spannungen Vsm und Vsp an die Anschlüsse FE1 beziehungsweise FE2 des Sensorelements 1 während der Wandlungsperiode angelegt. Der Kondensator CG ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 9 verbunden. Somit wird eine Ladung Qc an dm invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 9 in der Wandlungsperiode durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt, in der die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 9 nach der C/V-Wandlung als Vo angenommen wird. Qc = (CE + ΔC/2)(Vsm – Vcom) + (CE – ΔC/2)(Vsp – Vcom) + CG(Vo – Vcom) (2)
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Die Ladungen Qr und Qc in den vorstehenden Perioden sind gleich, wie durch die folgende Gleichung (3) gemäß dem Ladungserhaltungssatz ausgedrückt. Qr = Qc (3)
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Aus den Gleichungen (1) bis (3) wird die Ausgangsspannung Vo nach der C/V-Wandlung durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt. Vo = (ΔC/CG)(Vsp – Vsm) + Vcom (4)
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Die Ausgangsspannung Vo entspricht somit einer Summe einer Versatz(offset)-Spannung Vcom und einer Spannung, die eine Verstärkung einer Änderung ΔC von Kapazitäten der Kondensatoren CE1 und CE2 um eine Verstärkung (1/CG)(Vsp – Vsm) ist. Zu dieser Zeit werden die Kondensatoren CF, CS10 und CS11 durch die Ausgangsspannung Vo aufgeladen (Abtastung).
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(2) Verstärkungsoperation
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Der Steuerschaltkreis 8 führt anschließend zur C/V-Wandlungsoperation eine Verstärkungsoperation durch. Das heißt, nach dem Ausschalten der Schalter S1, S2, S13 und S16 werden die Schalter S10, S11 auf die Vrefm-Seite geschaltet, und die Schalter S3, S12, S15 werden eingeschaltet. Somit führt der multiplizierende D/A-Wandler 6 eine Verstärkungsoperation [Verstärkung (1) als Amp(1) oder A(1) abgekürzt] durch.
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Der Kondensator CF ist zwischen Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 9 so verbunden, dass die Ladung unter den Kondensatoren CF, CS10 und CS11 umverteilt wird. Die Ladungsumverteilung wird durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt, in der angenommen wird, dass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 9 Vo ist, und in der angenommen wird, dass Vrefm 0 V ist. Die verstärkte Ausgangsspannung Vo wird durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt. Somit wird durch einmaliges Hindurchführen der Spannung nach der C/V-Wandlung durch den multiplizierenden D/A-Wandler 6 die Verstärkung verdoppelt. (CF + 2·CS)(Vin – 0) = 2·CS(0 – 0) + CF(Vo – 0) (5) Vo = (CF + 2·CS)/CF·Vin = 2·Vin (6)
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Gemäß der ersten Ausführungsform schaltet der Steuerschaltkreis 8, um eine höhere Verstärkung bereitzustellen, den Schalter S12 so aus, dass die verstärkte Spannung gehalten wird, die gehaltene Spannung zu dem multiplizierenden D/A-Wandler 6 durch den Schaltungsschaltkreis 5 zirkuliert wird und die zirkulierte Spannung erneut (zum zweiten Mal) durch den multiplizierenden D/A-Wandler 6 verstärkt wird. Das heißt, die Schalter S10, S11 werden auf die Seite des Schaltungsschaltkreises 5 geschaltet, und der Schalter S13 wird eingeschaltet. Somit werden die Kondensatoren CS10 und CS11 mit entsprechenden Ladungen aufgeladen [Abtastung]. Dann werden nach Ausschalten des Schalters S13 die Schalter S10, S11 auf die Vrefm-Seite geschaltet, und der Schalter S12 wird eingeschaltet. Somit ist die Ladung umverteilt [Amp(2)]. Die Verstärkungsoperation wird beendet, wenn die verstärkte Spannung durch Ausschalten des Schalters S12 gehalten wird.
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(3) A/D-Wandlungsoperation
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Der Steuerschaltkreis 8 gibt ein Haltesignal (latch signal) mit einem hohen Pegel an den Auffangregisterschaltkreis 12 des A/D-Wandlungsschaltkreises 7 aus. Die Schalter S10, S11 werden auf die Seite des Schaltungsschaltkreises 5 geschaltet, und der Schalter S13 wird eingeschaltet. Somit werden die Kondensatoren CS10 und CS11 durch die verstärkte Spannung aufgeladen und mit entsprechenden Ladungen festgelegt [Abtastung]. Nachdem die Ladungsfestlegung vervollständigt ist, wird der Schalter S13 ausgeschaltet und der Schalter S12 eingeschaltet. Des Weiteren werden die Schalter S10 und S11 gemäß dem A/D-Wandlungswert des A/D-Wandlungsschaltkreises 7 auf die Vrefp-Seite oder die Vrefm-Seite geschaltet. Somit ist die Ladungsumverteilung durchgeführt [MD/A(1)].
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Es ist zu beachten, dass der Steuerschaltkreis 8 den Digitalwandlungswert, der von dem A/D-Wandlungsschaltkreis 7 ausgegeben wird, empfängt und Steuersignale für die Schalter S10 und S11 ausgibt. Die vorbestimmte Spannung Vrefp oder Vrefm wird an die Kondensatoren CS10 und CS11 angelegt. Gemäß dem Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren CS10 und CS11 und der Spannung, die an die Kondensatoren CS10 und CS11 angelegt wird, wird die vorbestimmte Analogspannung, die an den Restspannungserzeugungsschaltkreis 6 angelegt wird, bestimmt. Somit ist die vorbestimmte Analogspannung variabel mit dem Digitalwandlungswert, der von dem A/D-Wandlungsschaltkreis 7 ausgegeben wird.
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Der Steuerschaltkreis
8 schaltet den Schalter S12 aus und hält die Restspannung nach Vollendung der Ladungsumverteilung. Die Restspannung wird zum multiplizierenden D/A-Wandler
6 zirkuliert. Der A/D-Wandlungsschaltkreis
7 führt K (zehn) A/D-Wandlungen durch K – 1 (neun) Mal Hindurchführen der verstärkten Spannung (Restspannung) zum multiplizierenden D/A-Wandler
6 durch. Ein Schiebeadditionsschaltkreis (shift addition circuit, nicht dargestellt) des Schaltungsschaltkreises
8 gibt schließlich N (zehn) Bits A/D-Wandlungscode durch fortlaufendes Addieren der A/D-Wandlungswerte, während er jeden A/D-Wandlungswert Bit um Bit überlappt, aus. Im Fall von N = 3 Bits als ein vereinfachtes Beispiel werden der erste, zweite und dritte A/D-Wandlungswert dreimal Bit um Bit überlappt und addiert. Danach wird das Bit mit dem niedrigsten Stellenwert (lowest significant bit) LSB „1” gelöscht, so dass der 3-Bit-A/D-Wandlungscode bereitgestellt wird.
| Erster A/D-Wandlungswert | 01 |
| Zweiter A/D-Wandlungswert | 10 |
| Dritter A/D-Wandlungswert | 01 |
| Addition der drei Werte | 1001 |
| Drei-Bit-Code nach Löschen des LSB | 100 |
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Der zyklische A/D-Wandler 2 operiert wie vorstehend beschrieben, wenn die Signalladung Sin des Sensorelements 1 des kapazitiven Beschleunigungssensors in den Anschluss 3 eingegeben wird. Der zyklische A/D-Wandler 2 operiert jedoch unterschiedlich, wenn die Signalspannung Vin eines Sensors, der eine Analogspannung als sein Ausgabesignal ausgibt, angelegt wird. Das heißt, der zyklische A/D-Wandler 2 verstärkt die Signalspannung Vin unter Verwendung des Schaltungsschaltkreises 5, des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 und dergleichen, die ursprünglich zum Durchführen der A/D-Wandlung bereitgestellt werden, und führt dann die A/D-Wandlung ebenso unter Verwendung des A/D-Wandlungsschaltkreises 7 durch. Der Steuerschaltkreis 8 steuert den A/D-Wandlungsschaltkreis 7, die Schalter S1 bis S3 und die Schalter S10 bis S16, um dadurch die Verstärkungsoperation und die A/D-Wandlungsoperation durchzuführen. Konkret wird die Signalspannung Vin für die Verstärkungsoperation einmal zirkuliert (die Signalspannung Vin wird zweimal durch den multiplizierenden D/A-Wandler 6 hindurchgeführt). Dann wird die verstärkte Spannung für die A/D-Wandlungsoperation von 10 Bits neunmal zirkuliert (zehn A/D-Wandlungen durch den A/D-Wandlungsschaltkreis 7).
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Der Steuerschaltkreis 8 führt die Verstärkungsoperation wie nachstehend erläutert vor der A/D-Wandlungsoperation durch. Der Schaltungsschaltkreis 5 wird auf die Seite des Signaleingangsanschlusses 4 (Seite der Signalspannung Vin) geschaltet, und die Schalter S10, S11 werden auf die Seite des Schaltungsschaltkreises 5 geschaltet. Des Weiteren werden die Schalter S3, S13, S14, S15 eingeschaltet und die Schalter S1, S2, S12, S16 werden ausgeschaltet. Somit werden die Kondensatoren CF, CS10 und CS11 mit der Signalspannung Vin aufgeladen [Abtastung]. Die Schalter S13 und S14 werden ausgeschaltet, der Schaltungsschaltkreis 5 wird auf die Seite des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 geschaltet, die Schalter S10, S11 werden auf die Vrefm-Seite geschaltet und der Schalter S12 wird eingeschaltet. Somit führt der multiplizierende D/A-Wandler 6 die Verstärkungsoperation durch [Amp(1)]. Die verstärkte Ausgangsspannung Vo wird durch die vorstehende Gleichung (6) ausgedrückt. Danach führt der multiplizierende D/A-Wandler 6 auf die gleiche Weise wie in dem Fall, in dem die Signalladung Sin eingegeben wird, die zweite Verstärkungsoperation durch [Amp(2)]. Die nachfolgende A/D-Wandlungsoperation wird auf gleiche Weise wie in dem Fall, in dem die Signalladung Sin eingegeben wird, durchgeführt.
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Wie vorstehend beschrieben, führt der zyklische A/D-Wandler 2 gemäß der ersten Ausführungsform als Erstes die C/V-Wandlung der Signalladung Sin unter Verwendung des Schaltungsschaltkreises 5, des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 und dergleichen, die normalerweise für die A/D-Wandlung durch einen A/D-Wandler bereitgestellt werden, vor der Verstärkungsoperation und der A/D-Wandlungsoperation durch, wenn die Signalladung Sin als das Eingangssignal eingegeben wird. Somit wird die Signalladung Sin, die von dem Sensorelement 1 des kapazitiven Beschleunigungssensors ausgegeben wird, d. h. der Unterschied von Ladungen der Kondensatoren CE1 und CE2 des Sensorelements 1, in die Spannung umgewandelt. Der zyklische A/D-Wandler 2 verstärkt die C/V-gewandelte Spannung mit einer Verstärkung einer vorbestimmten Anzahl von Falten (folds) durch Zirkulieren der C/V-gewandelten Spannung durch den Schaltungsschaltkreis 5 und den multiplizierenden D/A-Wandler 6 mit einer vorbestimmten Anzahl. Somit wird die A/D-Wandlung nach Verstärken eines kleinen Pegels einer Spannung proportional zur Änderung ΔC der Kapazität des kapazitiven Beschleunigungssensors und Einstellen dieser auf einen dynamischen Bereich (beispielsweise zwischen 0 V und 5 V), der für die A/D-Wandlung geeignet ist, durchgeführt. Demzufolge wird das Auflösungsvermögen des A/D-Wandlers (ohne Verstärkungsfunktion) effektiv ausgenutzt, so dass die Auflösung bei der A/D-Wandlung effektiv erhöht wird.
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Der zyklische A/D-Wandler 2 führt den Verstärkungsbetrieb (Verstärkungsoperation) unter Verwendung seiner Schaltkreisteile durch, die ursprünglich in dem A/D-Wandler 2 zur Durchführung der A/D-Wandlung bereitgestellt werden. Der zyklische A/D-Wandler 2 führt des Weiteren die C/V-Wandlungsoperation durch einfaches Hinzufügen des Kondensators CG und der Schalter S1 bis S3, S15, S16 zu den Schaltkreisteilen, die ursprünglich in dem zyklischen A/D-Wandler 2 zur Durchführung der A/D-Wandlung vorgesehen sind, durch. Das heißt, der zyklische A/D-Wandler 2 ist konfiguriert, um die C/V-Wandlungsoperation, die Verstärkungsoperation und die A/D-Wandlungsoperation unter gemeinsamer Verwendung des Operationsverstärkers 9 durchzuführen. Dadurch ist es im Gegensatz zum herkömmlichen A/D-Wandler nicht notwendig, einen C/V-Wandler und einen Verstärker an einer Vorstufe des zyklischen A/D-Wandlers 2 hinzuzufügen. Somit wird die Schaltkreiskonfiguration vereinfacht, und eine Chipgröße des integrierten Schaltkreises wird reduziert. Der multiplizierende D/A-Wandler 6 hat im Allgemeinen einen hohen Grad an Genauigkeit, um eine hohe A/D-Wandlungsgenauigkeit bereitzustellen. Unter Verwendung eines derartigen multiplizierenden D/A-Wandlers wird nicht nur ein C/V-Wandler mit hoher Genauigkeit und niedrigen Versatz(offset)-Charakteristika realisiert, sondern ebenso ein Verstärker mit hoher Genauigkeit, niedrigem Versatz und hohen Linearitätscharakteristika. Da die Verstärkung gemäß der Anzahl des Durchführens durch den multiplizierenden D/A-Wandler 6 (Anzahl der Zirkulationen plus 1) variiert wird, wird ein programmierbarer Verstärker mit variabler Verstärkung realisiert.
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Da der Schalter 12 zwischen der gemeinsamen Leitung 11 und dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 9 bereitgestellt wird, operieren der Schalter S12, der Operationsverstärker 9 und der Kondensator CF zur Integration als ein Abtasthalteschaltkreis, der von dem Kondensatornetzwerkschaltkreis 10 getrennt ist. Demzufolge muss kein Abtasthalteschaltkreis separat bereitgestellt werden, und somit wird die Schaltkreiskonfiguration weiter vereinfacht. Da der Schalter S13 bereitgestellt wird, wird die abgetastete und gehaltene Spannung auf die Netzwerkkondensatoren CS10 und CS11 geladen. Somit wird die zyklische Operation durchgeführt.
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Darüber hinaus verstärkt der zyklische A/D-Wandler 2 die Signalspannung Vin, die in den Signaleingangsanschluss 4 eingegeben wird, und A/D-wandelt die verstärkte Spannung, um den N-Bit-A/D-Wandlungscode auszugeben. Demzufolge führt der zyklische A/D-Wandler 2 die A/D-Wandlung auf sein Eingangssignal ungeachtet dessen, ob das Eingangssignal eine Ladung oder eine Spannung ist, durch. Das heißt, der zyklische A/D-Wandler 2 A/D-wandelt nicht nur ein Signal, das von einem kapazitiven Sensor ausgegeben wird, sondern ebenso ein Signal, das von einem Sensor des Spannungsausgabetyps wie beispielsweise einem Drucksensor ausgegeben wird.
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Der Kondensator CG wird als der erste integrierende Kondensator zur C/V-Wandlungsoperationszeit verwendet, und der Kondensator CF wird als der zweite integrierende Kondensator sowohl zur Verstärkungsoperationszeit als auch zur A/D-Wandlungsoperationszeit verwendet. Die Kapazitäten der Kondensatoren CG und CF können individuell bestimmt werden. Demzufolge ist es möglich, die Verstärkung bei der C/V-Wandlungsoperation und die Verstärkung bei der Verstärkungsoperation und der A/D-Wandlungsoperation individuell festzulegen. Somit ist es möglich, jede der Verstärkungen ohne Beeinflussen der anderen Verstärkung festzulegen.
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(Zweite Ausführungsform)
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Ein zyklischer A/D-Wandler gemäß einer zweiten Ausführungsform wird nachstehend mit Bezug auf 5 beschrieben, in der gleiche oder ähnliche Teile wie bei der ersten Ausführungsform mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen werden.
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In der ersten Ausführungsform führt der zyklische A/D-Wandler 2 die AD/-Wandlung nach C/V-Wandeln der Signalladung Sin und dann Verstärken der C/V-gewandelten Spannung durch. Es ist möglich, die Verstärkungsoperation der ersten Ausführungsform in dem Fall, dass die Spannung, die als ein Ergebnis der C/V-Wandlung der Signalladung Sin ausgegeben wird, bereits für den dynamischen Bereich der A/D-Wandlung geeignet ist, zu umgehen. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird der zyklische A/D-Wandler 2 konfiguriert, um die A/D-Wandlung der Spannung, die durch die C/V-Wandlung der Signalladung Sin ausgegeben wird, durchzuführen.
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(1) C/V-Wandlungsoperation
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Wie in 5 dargestellt ist, führt der Steuerschaltkreis 8 die C/V-Wandlungsoperation (Abtastung) auf gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform vor der A/D-Wandlungsoperation durch.
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(2) A/D-Wandlungsoperation
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Der Steuerschaltkreis 8 führt die A/D-Wandlungsoperation sofort nach der C/V-Wandlungsoperation durch. Das heißt, das Haltesignal mit hohem Pegel wird an den Auffangregisterschaltkreis 12 des A/D-Wandlungsschaltkreises 7 ausgegeben. Die Schalter S1, S2, S16 werden ausgeschaltet und die Schalter S3, S15 werden eingeschaltet. Somit werden die Kondensatoren CS11 und CS12 mit der Ausgangsspannung Vo, die durch die C/V-Wandlung ausgegeben wird, aufgeladen.
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Nach dem Aufladen wird der Schalter S13 ausgeschaltet und dann der Schalter S12 eingeschaltet. Darüber hinaus werden die Schalter S10 und S11 entweder auf die Vrefp-Seite oder die Vrefm-Seite gemäß dem A/D-Wandlungswert des A/D-Wandlungsschaltkreises 7 geschaltet, um dadurch Ladungsumverteilung durchzuführen [MD/A(1)].
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Nachdem die Ladungsumverteilung abgeschlossen ist, wird der Schalter S12 ausgeschaltet. Die Restspannung wird somit gehalten und zum multiplizierenden D/A-Wandler 6 zirkuliert. Durch Hindurchführen der Restspannung zum multiplizierenden D/A-Wandler 6 K – 1 (neun) Mal führt der A/D-Wandlungsschaltkreis die A/D-Wandlung K (zehn) Mal durch. Der Schiebeadditionsschaltkreis (shift addition circuit, nicht dargestellt) des Steuerschaltkreises 8 gibt schließlich N (zehn) Bits A/D-Wandlungscode durch fortlaufendes Addieren der A/D-Wandlungswerte während des Überlappens jedes A/D-Wandlungswerts Bit um Bit aus
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Der zyklische A/D-Wandler 2 gemäß der zweiten Ausführungsform führt die A/D-Wandlung nach Durchführen der C/V-Wandlungsoperation ohne Verstärkungsoperation durch, wenn die Signalladung Sin als das Eingangssignal eingegeben wird. Demzufolge wird, wenn die Spannung, die durch die C/V-Wandlung der Signalladung Sin ausgegeben wird, bereits einen dynamischen Bereich aufweist, der für die A/D-Wandlung geeignet ist, die Verstärkungsoperation, die nicht notwendig ist, nicht durchgeführt. Somit wird die erforderliche Zeit für die A/D-Wandlungsoperation verkürzt, und die A/D-Wandlungseffizienz wird verbessert.
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(Dritte Ausführungsform)
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Ein zyklischer A/D-Wandler gemäß einer dritten Ausführungsform wird als Nächstes mit Bezug auf 6 und 7 erläutert, in denen zur ersten Ausführungsform gleiche oder ähnliche Teile mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen werden.
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Gemäß der dritten Ausführungsform, wie in 6 dargestellt, wird ein Erfassungsstrom lin von einem Abgassensor 21 in den zyklischen A/D-Wandler 2 durch den Signaleingangsanschluss 3 eingegeben. Der Abgasgassensor 21 ist konfiguriert, um den Erfassungsstrom lin auszugeben, der mit NOx-Konzentration, die beispielsweise im Abgas eines Motors eines Fahrzeugs enthalten ist, variiert. Strom gibt eine Menge von Ladung, die pro Zeiteinheit fließt, an. Der Erfassungsstrom lin entspricht somit externer Signalladung.
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Der zyklische A/D-Wandler 2 I/V-wandelt den Erfassungsstrom lin unter Verwendung des Schaltungsschaltkreises 5, des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 und dergleichen, die ursprünglich und normalerweise für A/D-Wandlung bereitgestellt werden, und verstärkt dann die gewandelte Spannung. Danach führt der zyklische A/D-Wandler 2 die A/D-Wandlung durch, indem er werter den A/D-Wandlungsschaltkreis 7 verwendet. Der zyklische A/D-Wandler 2 gemäß der dritten Ausführungsform operiert ähnlich wie in der ersten Ausführungsform. Die Operation des zyklischen A/D-Wandlers 2 gemäß der dritten Ausführungsform wird ebenso mit Bezug auf 3 erläutert. Es ist zu beachten, dass auf die C/V-Wandlung in 3 mit der I/V-Wandlung Bezug genommen wird und dass auf die Anschlüsse FE1 und FE2 nicht Bezug genommen wird.
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Der Steuerschaltkreis 8 führt die I/V-Wandlungsoperation vor der Verstärkungsoperation und der A/D-Wandlungsoperation durch. Das heißt, der Schaltungsschaltkreis 5 wird auf die Seite des multiplizierenden D/A-Wandlers 6 geschaltet, und die Schalter S10 und S11 werden auf die Seite des Schaltungsschaltkreises 5 geschaltet. Des Weiteren werden die Schalter S1, S2, S13, S14, S16 eingeschaltet, und die Schalter S3, S12, S15 werden ausgeschaltet. Somit werden Kondensatorladungen initialisiert [Abtastung]. Diese Ladungsinitialisierungsoperation entspricht dem Rücksetzen der I/V-Wandlungsoperation. 7A stellt schematisch einen Teil des zyklischen A/D-Wandlers 2 dar, der sich auf die I/V-Wandlungsoperation in der Periode des Rücksetzens (Rücksetzperiode) bezieht. Wie in 3 und 7A dargestellt, werden der invertierende Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 9 durch den Schalter S14 kurzgeschlossen. Der Kondensator CG wird somit nicht mit dem Erfassungsstrom lin aufgeladen.
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Dann wird der Schalter S14 ausgeschaltet, um den Kondensator CF mit dem Erfassungsstrom lin aufzuladen. Diese Ladungsfestlegungsoperation entspricht der Wandlung bei der I/V-Wandlungsoperation. 7B stellt schematisch einen Teil des zyklischen A/D-Wandlers 2, der sich auf die I/V-Wandlungsoperation in einer Periode der Wandlungsoperation (Wandlungsperiode) bezieht, dar. Wie in 3 und 7B dargestellt, ist der Kondensator CG zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 9 verbunden. Der Kondensator CG wird mit dem Erfassungsstrom lin aufgeladen. Somit wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 9 nach der I/V-Wandlung durch die folgende Gleichung (7) ausgedrückt, in der die Wandlungsperiode (Wandlungszeit) als t angenommen wird. Vo = Vcom – (lin/CG)·t (7)
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Die Ausgangsspannung Vo entspricht somit einer Summe der Versatzspannung Vcom und einer Spannung, die durch eine Verstärkung –t/CG verstärkt wird. Zu dieser Zeit werden die Kondensatoren CF, CS10 und CS11 durch die Ausgangsspannung Vo aufgeladen (Abtastung). Die Verstärkungsoperation und die A/D-Wandlungsoperation werden auf ähnliche Weise wie bei der ersten Ausführungsform nach der I/V-Wandlungsoperation durchgeführt. Es ist ebenso möglich, dass die A/D-Wandlungsoperation auf ähnliche Weise wie bei der zweiten Ausführungsform nach der I/V-Wandlungsoperation durchgeführt wird.
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Wie vorstehend beschrieben, I/V-wandelt der zyklische A/D-Wandler 2 den Erfassungsstrom lin unter Verwendung der Schaltungselemente, die ursprünglich und normalerweise für A/D-Wandlung bereitgestellt werden, vor Durchführen der A/D-Wandlung, wenn der Erfassungsstrom lin als das Eingangssignal eingegeben wird. Der zyklische A/D-Wandler 2 gemäß der dritten Ausführungsform A/D-wandelt somit ein Signal, das von einem Sensor des Stromausgabetyps ausgegeben wird.
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(Vierte Ausführungsform)
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Ein zyklischer A/D-Wandler gemäß einer vierten Ausführungsform wird nachstehend mit Bezug auf 8 bis 10 erläutert, in denen zur ersten Ausführungsform gleiche oder ähnliche Teile mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen werden.
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Wie in 8 dargestellt, sind die Kondensatoren CE1 und CE2 des Sensorelements 1 mit den Anschlüssen FE1 beziehungsweise FE2 verbunden. Diese Anschlüsse FE1 und FE2 sind mit Signaleingangsanschlüssen 3p bzw. 3m eines zyklischen A/D-Wandlers 31 verbunden. Die Kondensatoren CE1 und CE2 sind jeweils miteinander und mit einem gemeinsamen Anschluss FE verbunden. Steuerspannungen Vsp und Vsm werden abwechselnd an den Anschluss FE angelegt.
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Der zyklische A/D-Wandler 31 ist durch Modifizieren des zyklischen A/D-Wandlers 2, um unterschiedlich zu operieren, konfiguriert. Der zyklische A/D-Wandler 31 ist durch einen A/D-Wandlungsschaltkreis 32, einen multiplizierenden D/A-Wandler (Restspannungserzeugungsschaltkreis) 33, Kondensatoren (erste integrierende Kondensatoren) CGp, CGm und Schalter S1p bis S3p, S1m bis S3m konfiguriert. Ein Operationsverstärker 34 des differenziellen Ausgangstyps ist konfiguriert, um entsprechend einen nichtinvertierenden Ausgangsanschluss und einen invertierenden Ausgangsanschluss aufzuweisen, um Differenzspannungen auszugeben, die sich in entgegengesetzter Phase bezüglich einer Zwischenspannung ändern (Vrefp + Vrefm)/2.
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Ein nichtinvertierender Eingangsanschluss des A/D-Wandlungsschaltkreises 32 ist wahlweise mit einem nichtinvertierenden Signaleingangsanschluss 4p oder dem nichtinvertierenden Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 durch einen Schalter 5b, der einem Eingangsschaltkreis entspricht, verbunden. Auf gleiche Weise ist ein invertierender Eingangsanschluss des A/D-Wandlungsschaltkreises 32 wahlweise mit einem invertierenden Signaleingangsanschluss 4m oder dem invertierenden Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 durch einen Schalter 5m, der einem Eingangsschaltkreis entspricht, verbunden. Die Schalter 5p und 5m werden entsprechend fest auf die entsprechenden Ausgangsanschlüsse des Operationsverstärkers 34 geschaltet, wenn das Eingangssignal eine Ladung und keine Spannung ist. Dieser Zustand ist in 8 dargestellt.
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Auf gleiche Weise wie in 1 dargestellt sind zwischen einem gemeinsamen Knotenpunkt des Schalters 5p und des invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers 34 ein Kondensator (zweiter integrierender Kondensator) CFp, ein Schalter S15p, ein Kondensatornetzwerkschaltkreis 10p, Schalter S10p, S11p und ein Schalter (Schaltungsschaltkreis) S12p verbunden. Der Kondensatornetzwerkschaltkreis 10p ist durch Netzwerkkondensatoren CS10p und CS11p ausgebildet. Jeder der Schalter S10p und S11p ist schaltbar, um verschiedene Eingangssignale, die an den entsprechenden Netzwerkkondensatoren CS10p und CS11p anliegen, auszuwählen. Ein Schalter S13p ist zwischen einer gemeinsamen Leitung 11p und der Masse verbunden. Ein Schalter S14p ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem nichtinvertierenden Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 verbunden. Ein Knotenpunkt zwischen dem Kondensator CFp und einem Schalter S15p ist mit der Masse mittels eines Schalters S16p verbunden. Ein Schalter (Eingangsschaltungsschaltkreis) S1p ist zwischen dem Signaleingangsanschluss 3p und dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 34 verbunden. Ein Schalter S2p und ein Kondensator CGp sind in Reihe zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem nichtinvertierenden Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 verbunden. Ein Schalter S3p ist zwischen beiden Anschlüssen des Kondensators CGp verbunden.
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Auf gleiche Weise sind zwischen einem gemeinsamen Knotenpunkt des Schalters 5m und dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 34 ein Kondensator (zweiter integrierender Kondensator) CFm, ein Schalter S15m, ein Kondensatornetzwerkschaltkreis 10m, Schalter S10m, S11m und ein Schalter (Schaltungsschaltkreis) S12m verbunden. Der Kondensatornetzwerkschaltkreis 10m ist durch Netzwerkkondensatoren CS10m und CS11m ausgebildet. Jeder der Schalter S10m und S11m ist schaltbar, um verschiedene Eingangssignale, die an entsprechenden Netzwerkkondensatoren CS10m und CS11m anliegen, auszuwählen. Ein Schalter S13m ist zwischen einer gemeinsamen Leitung 11m und der Masse verbunden. Ein Schalter S14m ist zwischen dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss und dem invertierenden Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 verbunden. Ein Knotenpunkt zwischen dem Kondensator CFm und einem Schalter S15m ist mit der Masse mittels eines Schalters S16m verbunden. Ein Schalter (Eingangsschaltungsschaltkreis) S1m ist zwischen dem Signaleingangsanschluss 3m und dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 34 verbunden. Ein Schalter S2m und ein Kondensator CGm sind in Serie zwischen dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss und dem invertierenden Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 verbunden. Ein Schalter S3m ist zwischen beiden Anschlüssen des Kondensators CGm verbunden. Es ist bevorzugt, dass die Schaltkreisanordnung symmetrisch zwischen der nichtinvertierenden Signalseite und der invertierenden Signalseite konfiguriert ist
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Ein A/D-Wandlungscode „n”, der von dem A/D-Wandlungsschaltkreis 32 ausgegeben wird, wird hinzugefügt, während er Bit um Bit in einem Schiebeadditionsschaltkreis (shift addition circuit, nicht dargestellt), der in einem Steuerschaltkreis 35 bereitgestellt wird, verschoben wird. Der Betrieb des zyklischen A/D-Wandlers 31 wird in 9 dargestellt. Wie aus 9 ersichtlich ist, sind die Betriebszeitabläufe des zyklischen A/D-Wandlers 31 ähnlich denen des zyklischen A/D-Wandlers 2, der in 3 dargestellt ist. Es ist jedoch zu beachten, dass die Schalter S10p und S11p gemäß dem A/D-Wandlungscode „n”, der von dem A/D-Wandlungsschaltkreis 32 zum Zeitpunkt der Ladungsumverteilung bei der A/D-Wandlungsoperation ausgegeben wird, geschaltet werden. Zu diesem Zeitpunkt werden die Schalter S10m und S11m gemäß einem Wert 2 – n geschaltet. Bei diesem Betriebsablauf werden die Schalter, die an der nichtinvertierenden Signalseite und der invertierenden Signalseite vorgesehen sind, gesteuert, um entsprechende Schaltoperationen zwischen den beiden Signalseiten zur selben Zeit durchzuführen.
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Die C/V-Wandlungsoperation durch den zyklischen A/D-Wandler 31 wird wie nachstehend erläutert durchgeführt. 10A zeigt schematisch einen Teil des zyklischen A/D-Wandlers 31, der sich auf die C/V-Wandlungsoperation in einer Rücksetzperiode bezieht. Wie in 9 und 10A dargestellt, wird eine Spannung Vsm an den Anschluss FE des Sensorelements 1 während der Rücksetzperiode angelegt. Der invertierende Eingangsanschluss und der nichtinvertierende Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 werden durch den Schalter S14p kurzgeschlossen. Auf gleiche Weise werden der nichtinvertierende Eingangsanschluss und der invertierende Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 durch den Schalter S14m kurzgeschlossen. Somit wird eine Ladung Qrp am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 34 in der Rücksetzperiode durch die folgende Gleichung (8), in der die Spannung am invertierenden Eingangsanschluss als Vcom angenommen wird, ausgedrückt. Auf gleiche Weise wird eine Ladung Qrm am nichtinvertierenden Eingangsanschluss durch die folgende Gleichung (9), in der die Spannung am nichtinvertierenden Eingangsanschluss als Vcom angenommen wird, ausgedrückt. Qrp = (CE + ΔC/2)(Vsm – Vcom) (8) Qrm = (CE – ΔC/2)(Vsm – Vcom) (9)
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10B zeigt schematisch einen Teil des zyklischen A/D-Wandlers 31, der sich auf die C/V-Wandlungsoperation in einer Wandlungsperiode bezieht. Wie in 9 und 10B dargestellt, wird die Spannung Vsp an den Anschluss FE des Sensorelements 1 während der Wandlungsperiode angelegt. Der Kondensator CGp ist zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem nichtinvertierenden Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 verbunden. Auf gleiche Weise ist der Kondensator CGm zwischen dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss und dem invertierenden Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 verbunden. Somit wird eine Ladung Qcp am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 34 in der Wandlungsperiode durch die folgende Gleichung (10), in der die Eingangsspannung am invertierenden Eingangsanschluss und die Ausgangsspannung am nichtinvertierenden Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 34 als Vx bzw. Vop angenommen werden, ausgedrückt. Auf gleiche Weise wird eine Ladung Qcm am nichtinvertierenden Eingangsanschluss durch die folgende Gleichung (11), in der die Eingangsspannung am nichtinvertierenden Eingangsanschluss und die Ausgangsspannung am invertierenden Ausgangsanschluss als Vx bzw. Vom angenommen werden, ausgedrückt. Qcp = (CE + ΔC/2)(Vsp – Vx) + CGp(Vop – Vx) (10) Qcm = (CE – ΔC/2)(Vsp – Vx) + CGm(Vop – Vx) (11)
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Die Ladungen Qrp und Qcp sowie die Ladungen Qrm und Qcm in den vorhergehenden Perioden sind gleich, wie durch die folgenden Gleichungen (12) und (13) gemäß dem Ladungserhaltungsgesetz ausgedrückt. Qrp = Qcp (12) Qrm = Qcm (13)
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Aus den Gleichungen (8) bis (13) wird der Unterschied zwischen den Ausgangsspannungen Vop und Vom, d. h. die Differenzausgangsspannung des Operationsverstärkers 34, durch die folgende Gleichung (14) ausgedrückt. Es wird angenommen, dass beide Kapazitäten der Kondensatoren CGp und CGm gleich CG sind. Vop – Vom = –(ΔC/(CE + CG))(Vsp – Vsm) (14)
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Die Differenzausgangsspannung Vop – Vom des Operationsverstärkers 34 nach C/V-Wandlung entspricht somit einer Spannung, die eine Verstärkung einer Änderung ΔC von Kapazitäten der Kondensatoren CE1 und CE2 um eine Verstärkung –(1/CE + CG))(Vsp – Vsm) ist.
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Wie vorstehend beschrieben, führt der A/D-Wandler 31 die gleiche Operation durch, die durch den zyklischen A/D-Wandler 2 durchgeführt wird, wenn die Signalladung Sin von dem Sensorelement 1 eines Beschleunigungssensors des kapazitiven Typs eingegeben wird. Des Weiteren führt der A/D-Wandler 31 ebenso die gleiche Operation durch, die durch den zyklischen A/D-Wandler 2 durchgeführt wird, wenn die Signalspannung Vin von einem Sensor des Spannungsausgabetyps eingegeben wird. Der A/D-Wandler 31 gemäß der vierten Ausführungsform stellt somit die gleiche Operation und Vorteile zur Verfügung. Des Weiteren wird, da eine Differenzladung zwischen Signalladungen Sinp und Sinm oder eine Differenzspannung zwischen Signalspannungen Vinp und Vinm A/D-gewandelt wird, von einer externen Seite stammendes Gleichtaktrauschen effektiv entfernt.
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(Fünfte Ausführungsform)
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Ein zyklischer A/D-Wandler gemäß einer fünften Ausführungsform wird nachstehend mit Bezug auf 11 und 12 erläutert, in denen zur ersten Ausführungsform gleiche oder ähnliche den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen werden.
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Ein zyklischer A/D-Wandler 41 unterscheidet sich von dem zyklischen A/D-Wandler 2, der in 1 dargestellt ist, dadurch, dass die Kondensatoren CG und die Schalter S2, S3 nicht bereitgestellt werden und ein multiplizierender D/A-Wandler 42 anstelle der multiplizierenden D/A-Wandlers 6 als ein Restspannungserzeugungsschaltkreis zur Verfügung gestellt wird. Der multiplizierende D/A-Wandler 42 unterscheidet sich von dem multiplizierenden D/A-Wandler 6, der in 1 dargestellt ist, dadurch, dass die Schalter S15 und S16 nicht vorgesehen sind. Da der Schalter S15 nicht vorgesehen ist, ist ein Anschluss des Kondensators CF mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 9 verbunden.
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Die Betriebszeitabläufe des zyklischen A/D-Wandlers 41 sind in 12 dargestellt. Auf gleiche Weise wie der zyklische A/D-Wandler 2 gemäß der ersten Ausführungsform C/V-wandelt der zyklische A/D-Wandler 41 als Erstes die Signalladung Sin unter Verwendung des Schaltungsschaltkreises 5, des multiplizierenden D/A-Wandlers 42 und dergleichen, die ursprünglich und normalerweise in dem zyklischen A/D-Wandler 41 bereitgestellt werden, und verstärkt die gewandelte Spannung. Der zyklische A/D-Wandler 41 führt dann die A/D-Wandlung durch, indem er des Weiteren den A/D-Wandlungsschaltkreis 7 verwendet. In dem zyklischen A/D-Wandler 2 gemäß der ersten Ausführungsform wird der Kondensator CG als der integrierende Kondensator während der C/V-Wandlungsoperation verwendet. Bei dem zyklischen A/D-Wandler 41 gemäß der fünften Ausführungsform wird jedoch der Kondensator CF sogar bei der C/V-Wandlungsoperation verwendet. Somit wird der Kondensator CF als der erste integrierende Kondensator und der zweite integrierende Kondensator verwendet.
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Ebenso gemäß der fünften Ausführungsform, wenn die Signalladung Sin als das Eingangssignal eingegeben wird, führt der zyklische A/D-Wandler 41 als Erstes die C/V-Wandlung der Signalladung Sin unter Verwendung des Schaltungsschaltkreises 5, des multiplizierenden D/A-Wandlers 42 und dergleichen, die ursprünglich und normalerweise für A/D-Wandlung bereitgestellt werden, vor der Verstärkungsoperation und der A/D-Wandlungsoperation durch. Des Weiteren müssen durch Verwendung des Kondensators CF als der erste integrierende Kondensator und der zweite integrierende Kondensator der Kondensator CG und die Schalter S2, S3, S15 und S16 der ersten Ausführungsform nicht bereitgestellt werden. Der zyklische A/D-Wandler 41 gemäß der fünften Ausführungsform wird somit in seiner Schaltkreisgröße und IC-Chipgröße im Vergleich zur ersten Ausführungsform reduziert.
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(Weitere Ausführungsformen)
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Die ersten bis vierten Ausführungsformen können zu unterschiedlichen Ausführungsformen wie nachstehend beschrieben modifiziert werden.
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Obwohl die Wandlungsspannung verstärkt wird, indem sie zum multiplizierenden Wandler 6, 33 zweimal hindurchgeführt wird (das heißt, einmal zirkuliert wird), kann sie A/D-gewandelt werden, nachdem sie einmal hindurchgeführt wurde oder nachdem sie dreimal oder öfters hindurchgeführt wurde (das heißt, zweimal oder öfters zirkuliert wurde). Durch angemessenes Festlegen der Durchführungsanzahl (Zirkulationsanzahl) ist der zyklische A/D-Wandler konfiguriert, um eine Funktion eins programmierbaren Verstärkers mit variabler Verstärkung aufzuweisen. Während der Verstärkungsoperation kann die Verstärkung jedes Mall variiert werden, wenn das zu verstärkende Signal durchgeführt wird. In diesem Fall werden die Verstärkung in der Verstärkungsoperation der Wandlungsspannung und die Verstärkung in der nachfolgenden A/D-Wandlungsoperation unabhängig voneinander festgelegt. Die Verstärkung in der Verstärkungsoperation kann gleich oder kleiner als 1 sein. Im Falle der ersten Ausführungsform werden beispielsweise alle Kondensatoren CF, CS10 und CS11 mit entsprechenden Ladungen in der Verstärkungsoperation festgelegt. Jedoch können nur einer oder zwei der Kondensatoren CF, CS10 und CS11 mit Ladungen festgelegt werden. Zur Zeit der Ladungsumverteilung für die Verstärkungsoperation können einer oder alle der Schalter S10 und S11 auf die Seite des Schaltungsschaltkreises 5 umgeschaltet werden. Somit ist es möglich, eine Vielzahl von unterschiedlichen Verstärkungen zu realisieren.
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Der Kondensator CF kann konfiguriert sein, um eine variable Kapazität aufzuweisen, so dass die Kapazität des Kondensators CF für die Verstärkungsoperation und die nachfolgende A/D-Wandlungsoperation unabhängig voneinander festgelegt werden können. In der ersten bis zur fünften Ausführungsform kann eine Versatzspannung für die Verstärkungsoperation bereitgestellt werden. Das heißt, jedes Mal, wenn die gewandelte Spannung oder die verstärkte Spannung zu dem multiplizierenden D/A-Wandler 6 oder 33 hindurchgeführt wird, kann ein vorbestimmter Wert der Analogspannung auf einen unterschiedlichen Wert festgelegt werden. Im Falle der ersten Ausführungsform kann beispielsweise mindestens einer der Schalter S10 und S11 auf die Vrefp-Seite zur Zeit der Ladungsumverteilung für die Verstärkungsoperation umgeschaltet werden. Es ist möglich, Performance der Verstärkungsoperation variabel zu bestimmen, die Anzahl von Zirkulationen beim Durchführen der Verstärkungsoperation variabel zu bestimmen und die A/D-Wandlung durch den A/D-Wandlungsschaltkreis 7, 32 sowohl in der C/V-Wandlungsoperation als auch in der Verstärkungsoperation durchzuführen. Basierend auf dem Wandlungsergebnis kann die Zirkulationsoperation durch Überprüfen, ob die gewandelte Spannung oder die verstärkte Spannung auf einen dynamischen Bereich, der für die A/D-Wandlung geeignet ist, verstärkt ist, abgeschlossen werden. In diesem Fall kann der A/D-Wandlungswert durch Speichern der Anzahl von Zirkulationen (Anzahl des Hindurchführens zum multiplizierenden D/A-Wandler 6, 33) und der Verstärkung bei jeder Zirkulation in dem Steuerschaltkreis 8, 35 korrigiert werden.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung folgendes:
Ein Schaltungsschaltkreis verbindet einen Kondensator mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss eines Operationsverstärkers und legt eine Signalladung an, um den Kondensator zu laden, wobei ein Schalter ausgeschaltet ist. Somit wird eine Wandlungsspannung entsprechend der Signalladung von dem Operationsverstärker ausgegeben. Der Steuerschaltkreis legt dann Ladungen, die der Wandlungsspannung entsprechen, in Kondensatoren fest und umverteilt die Ladungen unter den Kondensatoren durch Verbinden nichtgemeinsamer Elektroden der Kondensatoren mit einer aus einer Mehrzahl von Referenzspannungsleitungen gemäß einem Wandlungsergebnis eines A/D-Wandlungsschaltkreises, wobei der Kondensator mit dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden ist. Der Steuerschaltkreis führt danach mehrmals Ladungsfestlegung, Initialisierung und anschließende Ladungsumverteilung gemäß einer Restspannung, die von dem Operationsverstärker ausgegeben wird, durch.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2008-216135 A [0003]
- JP 2008-104142 A [0003]
- US 2008/0074404 A1 [0003]
