DE60126179T2 - Verstärkerschaltung für Sensoren mit elektrischer Ladung als Ausgangsgrösse - Google Patents

Verstärkerschaltung für Sensoren mit elektrischer Ladung als Ausgangsgrösse Download PDF

Info

Publication number
DE60126179T2
DE60126179T2 DE60126179T DE60126179T DE60126179T2 DE 60126179 T2 DE60126179 T2 DE 60126179T2 DE 60126179 T DE60126179 T DE 60126179T DE 60126179 T DE60126179 T DE 60126179T DE 60126179 T2 DE60126179 T2 DE 60126179T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
circuit
sensor
inversion input
operational amplifier
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE60126179T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60126179D1 (de
Inventor
Murata Manufacturing Co. Ltd. Muneharu Nagaokakyo-shi Yamashita
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Publication of DE60126179D1 publication Critical patent/DE60126179D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE60126179T2 publication Critical patent/DE60126179T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45475—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/09—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by piezoelectric pick-up
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45479—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
    • H03F3/45928—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection using IC blocks as the active amplifying circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/68—Combinations of amplifiers, e.g. multi-channel amplifiers for stereophonics
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/372—Noise reduction and elimination in amplifier
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45136—One differential amplifier in IC-block form being shown
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45526—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising a resistor-capacitor combination and being coupled between the LC and the IC
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45548—Indexing scheme relating to differential amplifiers the IC comprising one or more capacitors as shunts to earth or as short circuit between inputs

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkungsschaltung für einen Sensor vom Typ einer elektrischen Ladung, die zum Verstärken und Ausgeben der Ausgangssignale der Sensoren vom Typ einer elektrischen Ladung, wie z.B. Beschleunigungssensoren, verwendet wird.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Es gibt herkömmlicherweise bekannte Sensorvorrichtungen, die Sensoren enthalten, bei denen Erfassungssignale in Form von elektrischer Ladung ausgegeben werden, wie z.B. eine Beschleunigungssensorvorrichtung vom piezoelektrischen Typ und eine Infrarotstrahlensensorvorrichtung vom pyroelektrischen Typ. Bei einer derartigen Sensorvorrichtung wird eine sehr kleine Menge elektrischer Ladung erzeugt, wenn der Sensor eine Beschleunigung, einen Infrarotstrahl etc. erfasst. In diesem Fall liegt z.B. die Menge der erzeugten elektrischen Ladung im Bereich von 0,01 pC bis ein paar Tausend pC. Folglich wird eine Verstärkungsschaltung zum Verstärken des Ausgangssignals des Sensors verwendet, um dieses als ein Spannungssignal zu extrahieren. Zudem wird die Beschleunigungssensorvorrichtung vom piezoelektrischen Typ genutzt, um eine Funktion des Airbags in Fahrzeugen (Kollisionserfassung), eine bei einem Durchdrehen eines Fahrzeugs erzeugte Winkelbeschleunigung, einen Stoß auf ein Festplattenlaufwerk und ähnliches zu erfassen.
  • Eine herkömmliche Verstärkungsschaltung, die das Ausgangssignal eines Sensors mit einem Ladungsverstärker verstärkt, ist in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 8-338781 offenbart. 5 zeigt die Struktur der herkömmlichen Verstärkungsschaltung. Die Verstärkungsschaltung umfasst einen Widerstand (einen Rückkopplungswiderstand) R11, der zwischen den Inversionseingangsanschluss eines Operationsverstärkers Amp und den Ausgangsanschluss desselben geschaltet ist. Der Widerstand R11 ist parallel zu dem Kondensator (einem Rückkopplungskondensator) C11 geschaltet. Ein Ende eines Beschleunigungssensors (G-Sensors) ist mit dem Inversionseingangsanschluss des Operationsverstärkers Amp verbunden, und das andere Ende des Sensors ist mit einer Referenzspannung Vref verbunden. Der Nichtinversionseingangsanschluss des Operationsverstärkers ist mit der Referenzspannung Vref verbunden.
  • Wenn bei der im Vorhergehenden genannten Verstärkungsschaltung Schwingungen an den Beschleunigungssensor angelegt werden, verstärkt der Beschleunigungssensor eine elektrische Ladung Q entsprechend der Beträge der erzeugten Beschleunigung und der Schwingungen und gibt dieselbe aus. Wenn die Ladungsempfindlichkeit des Beschleunigungssensors durch d [pC/G] ausgedrückt wird, wird durch die folgende Gleichung eine Ausgangsspannung Vout(G) in Bezug auf eine Beschleunigung G erhalten. Das Symbol s ist ein Laplace-Operator.
  • [GLEICHUNG 7]
    Figure 00020001
  • Bei der herkömmlichen Verstärkungsschaltung ist es jedoch, wie unten beschrieben, nicht möglich, ein Ausgangssignal Vout (das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Amp) zu erhalten, bei dem ein sich mit dem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors überlappendes Gleichtaktrauschen ausreichend aufgehoben wird. 6 zeigt ein Gleichtaktrauschenmischmodell in der herkömmlichen Verstärkungsschaltung. In 6 bezeichnen die Bezugszeichen Vn11, Cn11, Vn12 und Cn12 Rauschquellen. Da die Rauschspannung Vn12 über den Kondensator Cn12 mit der Referenzspannung Vref verbunden ist, hat die Rauschspannung Vn12 keinen Einfluss auf das Ausgangssignal Vout des Operationsverstärkers Amp. Da dagegen die Rauschspannung Vn11 mit dem Inversionseingangsanschluss des Operationsverstärkers Amp über den Kondensator Cn11 verbunden ist, hat die Rauschspannung Vn11 einen Einfluss auf das Ausgangssignal Vout des Operationsverstärkers Amp. Demzufolge wird das durch das Gleichtaktrauschen beeinflusste Ausgangssignal Vout(N) des Operationsverstärkers Amp durch die folgende Gleichung erhalten.
  • [GLEICHUNG 8]
    Figure 00030001
  • Auf den Gleichungen 7 und 8 beruhend wird ein Signal-Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) in dem Ausgangssignal Vout des Operationsverstärkers Amp wie folgt erhalten:
  • [GLEICHUNG 9]
    Figure 00030002
  • Andererseits ist in 7 eine Differenzverstärkungsschaltung als eine Schaltungskonfiguration gezeigt, die in der Lage ist, ein Ausgangssignal zu erhalten, bei dem ein sich mit dem Ausgangssignal eines Beschleunigungssensors über lappendes Gleichtaktrauschen ordnungsgemäß aufgehoben wird. Jedoch ist die Schaltungskonfiguration kompliziert, wodurch sich die Produktionskosten erhöhen.
  • Als eines der Verfahren zum Erhalten von Ausgangssignalen, in denen sich mit den Ausgangssignalen von Beschleunigungssensoren überlappende Gleichtaktrauscherscheinungen ausreichend aufgehoben werden, offenbart die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 5-188081 eine Schaltungskonfiguration. Eine Mehrzahl von Streifenelektroden ist auf einer Oberfläche eines piezoelektrischen Elements (eines Beschleunigungssensors) angeordnet. Die Polarisationsrichtungen zwischen den benachbarten Streifenelektroden sind einander entgegengesetzt. Auf der anderen Oberfläche des piezoelektrischen Elements ist eine Masseelektrode angeordnet. Während eine Verstärkungsschaltung, die ein Erfassungsausgangssignal des Beschleunigungssensors verstärkt, eine einfache Schaltungskonfiguration aufweisen kann, ist es in diesem Fall unvermeidlich, das piezoelektrische Element, das eine komplizierte Elementstruktur aufweist, zu verwenden. Demzufolge entsteht ein Problem von sich erhöhenden Produktionskosten.
  • Die US-A-4,417,476 offenbart eine Vorrichtung zum Überwachen mechanischer Schwingungen in einem Bauelement einer im Betrieb befindlichen Maschine, wie z.B. eines Generators einer großen elektrischen Leistung, der einen eine elektrische Ladung erzeugenden Wandler, vorzugsweise einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser, der an dem zu überwachenden Bauelement der Maschine befestigt ist, und ein Ladungswandlernetzwerk, das innerhalb der Maschine, aber vergleichsweise fern von dem Wandler angeordnet ist, umfasst. Das Ladungswandlernetzwerk nimmt das Signal von dem Wandler in der Form elektrischer Ladung, die mit einer Rate und einem Betrag entsprechend den mechanischen Schwingungen erzeugt wird, auf und wandelt das Ladungssignal in ein herkömmliches elektronisches Signal um. Das Ladungswandlernetzwerk umfasst einen Differenzoperationsverstärker, der ein resistiv-kapazitives Rückkopplungsnetzwerk aufweist, das gleiche Impedanzwerte an ein entsprechendes resistiv-kapazitives Netzwerk an dem Nichtinversionseingang des Verstärkers liefert. Das Wandlerausgangssignal ist zwischen die Differenzeingangsanschlüsse des Verstärkers angelegt. Das Ausgangssignal ist im Wesentlichen frei von den Auswirkungen von Gleichtaktsignalen und anderen elektrischen Interferenzen, die sich aus einer schwierigen elektrischen Umgebung, wie z.B. der, die in einem Generator elektrischer Leistung vorzufinden ist, ergeben.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verstärkungsschaltung für einen Sensor vom Typ einer elektrischen Ladung bereitzustellen, die eine einfache Schaltungskonfiguration aufweist, in der ein Gleichtaktrauschen ausreichend aufgehoben werden kann, und die gleichzeitig eine Empfindlichkeitseinstellung ohne Einfluss auf das Signal-Rausch-Verhältnis zulässt.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Verstärkungsschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verstärkungsschaltung für einen Sensor vom Typ einer elektrischen Ladung bereitgestellt, die folgende Merkmale aufweist: einen Operationsverstärker, der einen Inversionseingangsanschluss, einen Nichtinversionsanschluss und einen Ausgangsanschluss aufweist, wobei der Inversionseingangsanschluss mit einem Ende eines Sensors vom Typ einer elektrischen Ladung verbunden ist und der Nichtinversionseingangsanschluss mit dem anderen Ende des Sensors verbunden ist, eine Gegenkopplungsschaltung, die einen Rückkopplungswiderstand, der zwischen den Ausgangsanschluss und den Inversionseingangsanschluss geschaltet ist, und einen Rückkopplungskondensator, der parallel zu dem Rückkopplungswider stand geschaltet ist, umfasst, und eine Aufhebungsschaltung, die einen Widerstand, der zwischen den Nichtinversionseingangsanschluss und eine Referenzspannung geschaltet ist, und einen Kondensator, der parallel zu dem Widerstand geschaltet ist, umfasst.
  • Bei der im Vorhergehenden genannten Schaltungskonfiguration wird durch die Verwendung der Aufhebungsschaltung, die zwischen den Nichtinversionseingangsanschluss des Operationsverstärkers und die Referenzspannung geschaltet ist, ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers erhalten, bei dem ein sich mit dem Ausgangssignal des Sensors vom Typ einer elektrischen Ladung überlappendes Gleichtaktrauschen ausreichend aufgehoben wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Spannungsteiler bereitgestellt, der einen Spannungsteilungspunkt zum Teilen eines Spannungsausgangssignals von dem Operationsverstärker aufweist, bei dem die Gegenkopplungsschaltung zwischen den Inversionseingangsanschluss und den Spannungsteilungspunkt geschaltet ist.
  • Der Spannungsteiler zum Teilen eines Spannungsausgangssignals von dem Operationsverstärker erlaubt es, dass eine Verstärkungsrate als die Empfindlichkeit des Operationsverstärkers leicht eingestellt werden kann.
  • Ferner kann die Gegenkopplungsschaltung die gleiche Schaltungskonstante wie die Aufhebungsschaltung aufweisen.
  • Zudem kann eine Leitung, die das eine Ende des Sensors vom Typ einer elektrischen Ladung mit dem Inversionseingangsanschluss verbindet, in der Nähe einer Leitung, die das andere Ende des Sensors mit dem Nichtinversionseingangsanschluss verbindet, angeordnet sein.
  • Bei diesen Schaltungskonfigurationen kann ein sich mit einem Ausgangssignal des piezoelektrischen Sensors überlappendes Gleichtaktrauschen wirksam aufgehoben werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt die Struktur einer Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
  • 2 zeigt ein Gleichtaktrauschenmischmodell der in 1 gezeigten Verstärkungsschaltung;
  • 3 zeigt eine Kurve, die die Charakteristika der Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung erläutert;
  • 4 zeigt die Struktur einer Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • 5 zeigt die Struktur einer herkömmlichen Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung;
  • 6 zeigt ein Gleichtaktrauschenmischmodell der herkömmlichen Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung; und
  • 7 zeigt die Struktur einer anderen herkömmlichen Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Jetzt folgt eine Beschreibung der Ausführungsbeispiele einer Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Einzelne elektronische Komponenten, insbesondere Widerstände und Kondensatoren, die in der folgenden Erklärung verwendet werden, können durch solche ersetzt werden, die bei der Konfiguration verwendet werden, bei der eine Mehrzahl elektronischer Komponenten elektrisch miteinander verbunden sind, um gewünschte elektrische Charakteristika zu erhalten.
  • 1 zeigt einen Schaltplan, der eine Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert. Bei dieser Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung ist der Inversionseingangsanschluss eines Operationsverstärkers Amp mit einem Ende eines Beschleunigungssensors (G-Sensors) verbunden. Zwischen den Inversionseingangsanschluss und den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers Amp ist eine Rückkopplungsschaltung geschaltet, die in der vorliegenden Erfindung als eine Gegenkopplungsschaltung bezeichnet wird, und durch das Parallelschalten eines Rückkopplungswiderstands R1 und eines Rückkopplungskondensators C1 gebildet ist. Außerdem ist zwischen den Nichtinversionseingangsanschluss des Operationsverstärkers Amp und eine Referenzspannung Vref eine Aufhebungsschaltung geschaltet, in der ein Aufhebungswiderstand R2 parallel zu einem Aufhebungskondensator C2 geschaltet ist. Eine Treiberleistung-Quellspannung ±V ist an den Operationsverstärker Amp angelegt.
  • Wenn bei der in 1 gezeigten Schaltung eine Empfindlichkeit für elektrische Ladung des Beschleunigungssensors (G-Sensors) durch d[pC/G] ausgedrückt ist, wird durch die folgende Gleichung eine Ausgangsspannung Vout 1(G) des Operationsverstärkers bezüglich eines Erfassungsausgangssignals des Beschleunigungssensors (G-Sensors) erhalten.
  • [GLEICHUNG 1]
    Figure 00090001
  • Als nächstes folgt die Beschreibung des Einflusses eines Gleichtaktrauschens auf die im Vorhergehenden genannte Schaltung. 2 zeigt ein Gleichtaktrauschenmischmodell der in 1 gezeigten Schaltung. Bei der in 2 gezeigten Schaltung bezeichnen die Bezugszeichen Vn1, Cn1, Vn2 und Cn2 Rauschquellen. Eine Ausgangsspannung Vout 1(N) des Operationsverstärkers Amp bezüglich eines Rauschens wird durch die folgende Gleichung erhalten.
  • [GLEICHUNG 2]
    Figure 00090002
  • Wenn theoretisch die Ausgangsspannung Vout 1(N) des Operationsverstärkers Amp bezüglich eines Rauschens auf Null gesetzt ist, kann ein Ausgangssignal erhalten werden, bei dem ein Gleichtaktrauschen vollkommen aufgehoben ist.
  • Die Ausgangsspannung Vout 1(N) bezüglich des Rauschens ist null, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind.
  • [GLEICHUNG 3]
    • Z1 = Z2
    • Cn1 = Cn2
    • Vn1 = Vn2
  • Der Grund dafür lässt sich einfach erklären. Wenn, wie in Gleichung 3 gezeigt, Z1 gleich Z2 ist (= Z) und Cn1 gleich Cn2 ist (= Cn), stellt sich Gleichung 2 wie folgt dar:
  • [GLEICHUNG 4]
    • Vout1(N) = s × Cn × Z × (Vn2 – Vn1)
  • Wenn, wie in Gleichung 4 gezeigt, die Gleichung Vn1 = Vn2 als die in Gleichung 3 gezeigte verbleibende Bedingung steht, ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Amp Vout 1(N) 0.
  • Folglich kann durch Erfüllen der in Gleichung 3 gezeigten Bedingungen bei der Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung des Ausführungsbeispiels das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Amp erhalten werden, bei dem das Gleichtaktrauschen ausreichend aufgehoben ist.
  • In diesem Fall ist, wie in Gleichung 2 gezeigt, der Wert von Z1 durch den Rückkopplungswiderstand R1 und den Rückkopplungskondensator C1 bestimmt. Der Wert von Z2 ist durch den Aufhebungswiderstand R2 und den Aufhebungskondensator C2 bestimmt. Die Gleichung Z1 = Z2 kann erhalten werden, indem die Schaltungskonstante der Rückkopplungsschaltung mit der Schaltungskonstante der Aufhebungsschaltung in Übereinstimmung gebracht wird. Insbesondere kann durch die Verwendung des Aufhebungswiderstands R2 als ein Widerstand, der den gleichen Widerstandswert wie der Rückkopplungswiderstand R1 aufweist, und durch die Verwendung des Aufhebungskondensators C2 als ein Kondensator, der die gleiche Kapazität wie der Rückkopplungskondensator C1 aufweist, die in Gleichung 3 gezeigte Gleichung Z1 = Z2 erhalten werden.
  • Da Vn1, Vn2, Cn1 und Cn2 Rauschquellen sind, ist es schwierig, die in Gleichung 3 gezeigten Bedingungen zu erfüllen: Cn1 = Cn2; Vn1 = Vn2. Wenn jedoch eine Leitung, die mit dem Inversionseingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden ist, in der Nähe einer Leitung angeordnet ist, die mit dem Nichtinversionseingangsanschluss verbunden ist, ist Vn1 näherungsweise gleich Vn2, und Cn1 ist näherungsweise gleich Cn2.
  • Folglich kann bei der Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung des Ausführungsbeispiels ein Ausgangssignal erhalten werden, bei dem ein Gleichtaktrauschen ausreichend aufgehoben ist, indem die Schaltungskonstante der Rückkopplungsschaltung mit der Schaltungskonstante der Aufhebungsschaltung in Übereinstimmung gebracht wird, und indem eine Leitung, die mit dem Inversionseingangsanschluss verbunden ist, in der Nähe einer Leitung angeordnet wird, die mit dem Nichtinversionseingangsanschluss verbunden ist.
  • Wenn auf diese Weise die Aufhebungsschaltung, die durch den Aufhebungswiderstand R2 und den Aufhebungskondensator C2, die parallel zueinander geschaltet sind, gebildet ist, zwischen den Nichtinversionseingangsanschluss des Operationsverstärkers Amp und die Referenzspannung geschaltet ist, wird eine Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung erzielt, die ein verbessertes S/N-Verhältnis aufweist. Da die im Vorhergehenden genannte Aufhebungsschaltung eine sehr einfache Schaltung ist, erhöhen sich überdies die Herstellungskosten der Schaltung nicht.
  • 3 zeigt ein Simulationsergebnis eines Beschleunigungssensors (G-Sensors), das erhalten wird, wenn der Widerstandswert sowohl des Rückkopplungswiderstands R1 als auch des Aufhebungswiderstands R2 auf 10 MΩ eingestellt ist, die Kapazität sowohl des Rückkopplungskondensators C1 als auch des Aufhebungskondensators C2 auf 170 pF eingestellt ist und die Empfindlichkeit für Ladung des Beschleunigungssensors (G-Sensors) auf 0,17 pC/G eingestellt ist. Die G-Empfindlichkeit (Verstärkungsrate) der Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung ist 3,4 mV/G. Zudem zeigt 3 zum Vergleich auch das Simulationsergebnis der in 5 gezeigten herkömmlichen Schaltung. Bei dem Simulationsergebnis bezüglich der in 5 gezeigten herkömmlichen Schaltung ist der Widerstandswert des Rückkopplungswiderstands R11 auf 10 MΩ eingestellt, die Kapazität jedes Rückkopplungskondensators C11 auf 170 pF eingestellt und die Ladungsempfindlichkeit des Beschleunigungssensors (G-Sensors) auf 0,17 pC/G eingestellt. Die G-Empfindlichkeit (Verstärkungsrate) dieser Schaltung ist 1,7 mV/G.
  • Um einen Vergleich der beiden Schaltungen unter denselben Bedingungen anzustellen, ist in 3 ein Ausgangsrauschen durch die G-Empfindlichkeit jeder Schaltung geteilt, um das in Beschleunigung umgewandelte Ergebnis zu zeigen. Zudem zeigt die vertikale Achse 1 G als 0 dB an, und die horizontale Achse zeigt Rauschfrequenzen an. Aus 3 wird ersichtlich, dass bei der Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung gemäß des vorliegenden Ausführungsbeispiels das Rauschen um 70 dB niedriger ist als ein in der in 5 gezeigten herkömmlichen Schaltung erzeugtes Rauschen. So hat die Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung das S/N-Verhältnis offensichtlich wesentlich verbessert.
  • Die Simulationen wurden unter der Annahme ausgeführt, dass die Operationsverstärker ideale Typen sind. So scheint es tatsächlich, abhängig vom Verhalten der Operationsverstärker, einige Änderungen zu geben.
  • Es folgt eine Beschreibung eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt einen Schaltplan der Struktur einer Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbei spiel der Erfindung. Anders als bei der Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels sind bei dieser Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung die Spannungsteilungswiderstände R3 und R4 zum Teilen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Amp zwischen dem Ausgangsanschluss eines Operationsverstärkers Amp und einer Referenzspannung Vref angeordnet. Eine zusätzliche Unterscheidung von der in 1 gezeigten Schaltung ist, dass ein Ende der Rückkopplungsschaltung nicht mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers Amp, sondern mit einem Verbindungspunkt der Spannungsteilungswiderstände R3 und R4, d.h. mit einem Spannungsteilungspunkt verbunden ist.
  • Wenn bei der Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels die Ladungsempfindlichkeit eines Beschleunigungssensors (G-Sensors) so eingestellt ist, dass sie durch d[pC/G] ausgedrückt wird, wird durch die folgende Gleichung eine Ausgangsspannung Vout 2(G) des Operationsverstärkers Amp bezüglich eines Erfassungsausgangssignals des Beschleunigungssensors (G-Sensors) erhalten.
  • [GLEICHUNG 5]
    Figure 00130001
  • Wie in Gleichung 5 gezeigt, wird bei der Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung des Ausführungsbeispiels an die in 1 gezeigte Schaltung ein Gewinn {(R3 + R4)/R4} + {R3/(Z1 + Z2)} geliefert.
  • Zudem wird durch die folgende Gleichung die Ausgangsspannung Vout 2(N) des Operationsverstärkers Amp bezüglich des in der Schaltung erzeugten Rauschens erhalten.
  • [GLEICHUNG 6]
    Figure 00140001
  • Wie in Gleichung 6 ersichtlich, ist bei der Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltung des Ausführungsbeispiels die Ausgangsspannung Vout 2(N) des Operationsverstärkers Amp bezüglich des Rauschens {(R3 + R4)/R4} + {R3/(Z1 + Z2)} mal die Ausgangsspannung Vout 1(N), die in der in 1 gezeigten Schaltung erhalten wurde.
  • Folglich kann, da die in 4 gezeigte Schaltung das gleiche S/N-Verhältnis erhalten kann wie die in 1 gezeigte Schaltung, das Ausgangssignal erhalten werden, bei dem ein sich mit dem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors (G-Sensors) überlappendes Gleichtaktrauschen ausreichend aufgehoben wird. Überdies können durch Einstellen der Spannungsteilungswiderstände R3 und R4 Empfindlichkeitseinstellungen vorgenommen werden, ohne dass diese irgendeinen Einfluss auf das S/N-Verhältnis haben.
  • Die im Vorhergehenden genannten Ausführungsbeispiele haben die Beschleunigungssensor-Verstärkungsschaltungen unter Verwendung von Beschleunigungssensoren als Sensoren vom Typ einer elektrischen Ladung beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Beschleunigungssensoren beschränkt. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung auch als eine Verstärkungsschaltung für einen Sensor vom Typ einer elektrischen Ladung verwendet werden, die einen weiteren Sensor vom Typ einer elektrischen Ladung umfasst, wie z.B. einen Infrarotstrahlensensor vom pyroelektrischen Typ.
  • Wie im Vorhergehenden beschrieben, wird bei der vorliegenden Erfindung, da die Aufhebungsschaltung zwischen den Nichtinversionseingangsanschluss des Operationsverstärkers und die Referenzspannung geschaltet ist, ein Ausgangssignal erhalten, bei dem ein sich mit dem Ausgangssignal des Sensors vom Typ einer elektrischen Ladung überlappendes Gleichtaktrauschen ausreichend aufgehoben ist.
  • Da überdies die Spannungsteiler, die den Spannungsteilungspunkt zum Teilen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers aufweisen, angeordnet sind, und der Spannungsteilungspunkt mit einem Ende der Rückkopplungsschaltung verbunden ist, können Empfindlichkeitseinstellungen (Gewinneinstellungen) vorgenommen werden, ohne das S/N-Verhältnis zu reduzieren.

Claims (3)

  1. Eine Verstärkungsschaltung für einen Sensor vom Typ einer elektrischen Ladung, die folgende Merkmale aufweist: einen Operationsverstärker (Amp), der einen Ausgang, einen Inversionseingangsanschluss und einen Nichtinversionseingangsanschluss umfasst, wobei der Inversionseingangsanschluss mit einem Ende eines Sensors vom Typ einer elektrischen Ladung (G-Sensors) verbunden ist und der Nichtinversionseingangsanschluss mit dem anderen Ende des Sensors (G-Sensors) verbunden ist; eine Gegenkopplungsschaltung (R1, C1), die eine Parallelschaltung umfasst, die einen Rückkopplungswiderstand (R1) und einen Rückkopplungskondensator (C1), der parallel zu dem Rückkopplungswiderstand (R1) geschaltet ist, aufweist; und eine Aufhebungsschaltung (R2, C2), die einen Widerstand (R2), der zwischen den Nichtinversionseingangsanschluss und eine Referenzspannung (Vref) geschaltet ist, und einen Kondensator (C2), der parallel zu dem Widerstand (R2) geschaltet ist, umfasst; gekennzeichnet durch einen Spannungsteiler (R3, R4), der einen Spannungsteilungspunkt aufweist, wobei der Spannungsteiler mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (Amp) verbunden ist und ein Spannungsausgangssignal von dem Operationsverstärker (Amp) teilt, wobei die Gegenkopplungsschaltung (R1, C1) zwischen den Inversionseingangsanschluss und den Spannungsteilungspunkt des Spannungsteilers (R3, R4) geschaltet ist.
  2. Eine Verstärkungsschaltung für einen Sensor vom Typ einer elektrischen Ladung gemäß Anspruch 1, bei der die Gegenkopplungsschaltung (R1, C1) die gleiche Schaltungskonstante wie die Aufhebungsschaltung (R2, C2) aufweist.
  3. Eine Verstärkungsschaltung für einen Sensor vom Typ einer elektrischen Ladung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der eine Leitung, die das eine Ende des Sensors für elektrische Ladung (G-Sensors) mit dem Inversionseingangsanschluss verbindet, in der Nähe einer Leitung angeordnet ist, die das andere Ende des Sensors mit dem Nichtinversionseingangsanschluss verbindet.
DE60126179T 2000-05-17 2001-05-17 Verstärkerschaltung für Sensoren mit elektrischer Ladung als Ausgangsgrösse Expired - Lifetime DE60126179T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000145462 2000-05-17
JP2000145462A JP3664041B2 (ja) 2000-05-17 2000-05-17 電荷型センサ用増幅回路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60126179D1 DE60126179D1 (de) 2007-03-15
DE60126179T2 true DE60126179T2 (de) 2007-05-31

Family

ID=18651967

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60126179T Expired - Lifetime DE60126179T2 (de) 2000-05-17 2001-05-17 Verstärkerschaltung für Sensoren mit elektrischer Ladung als Ausgangsgrösse

Country Status (4)

Country Link
US (2) US6392477B2 (de)
EP (1) EP1156583B1 (de)
JP (1) JP3664041B2 (de)
DE (1) DE60126179T2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010020348B3 (de) * 2010-05-12 2011-07-21 Pyreos Ltd. Pin-kompatibler Infrarotlichtdetektor mit verbesserter thermischer Stabilität

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10023747A1 (de) * 2000-05-15 2001-11-22 Hoppecke Zoellner Sohn Accu Stopfenanordnung
GB2369508B (en) * 2002-03-12 2002-10-09 Zarlink Semiconductor Ltd Amplifier and tuner
DE102005006806A1 (de) * 2004-09-01 2006-03-30 Priamus System Technologies Ag Verfahren und Vorrichtung zum Messen von physikalischer Grössen mit piezoelektrischen Sensoren
US7279968B2 (en) * 2005-01-25 2007-10-09 Analog Devices, Inc. Amplifier output voltage swing extender circuit and method
US7414466B2 (en) * 2006-06-22 2008-08-19 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Apparatus for reducing offset voltage drifts in a charge amplifier circuit
JP2010079993A (ja) * 2008-09-26 2010-04-08 Toshiba Storage Device Corp 記憶装置および記憶装置の調整方法
JP5075930B2 (ja) * 2010-02-19 2012-11-21 本田技研工業株式会社 電荷変化型センサの出力回路
WO2013072951A1 (ja) * 2011-11-14 2013-05-23 富士電機株式会社 電荷検出回路
CN103534941A (zh) * 2011-11-14 2014-01-22 富士电机株式会社 电荷检测电路
JP2016508603A (ja) * 2013-01-29 2016-03-22 メギット （オレンジ カウンティ） インコーポレイテッド モジュール型ねじ切り付きパッケージを備えるセンサ
JP6454074B2 (ja) * 2014-02-06 2019-01-16 新日本無線株式会社 差動増幅回路
DK3268706T3 (da) * 2015-03-12 2021-01-25 Laser Components Gmbh Differentialkredsløb til pyroelektrisk infrarød detektor
US9780734B2 (en) 2015-10-06 2017-10-03 Qualcomm Incorporated Noise cancelling baseband amplifier
CN105305971B (zh) * 2015-11-03 2019-04-26 深圳先进技术研究院 一种减小输入电容的低噪前置放大器电路
CN109752046B (zh) * 2018-10-19 2024-04-02 江苏未来智慧信息科技有限公司 无线振动温度传感器电路

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3747007A (en) * 1972-07-07 1973-07-17 Us Army Variable compensation for feedback control systems
US3746968A (en) * 1972-09-08 1973-07-17 Teledyne Inc Amplitude-to-frequency converter
US4417476A (en) * 1982-04-01 1983-11-29 General Electric Company Charge converter for vibration monitoring instrumentation
US4543536A (en) * 1984-03-22 1985-09-24 Fisher Controls International, Inc. Charge amplifier with automatic zero
JP3148937B2 (ja) 1992-01-16 2001-03-26 株式会社トーキン 加速度センサー
JP3320258B2 (ja) 1995-06-13 2002-09-03 日本特殊陶業株式会社 自動車用内燃機関の振動信号処理方法及び装置
US5982232A (en) * 1998-04-01 1999-11-09 International Business Machines Corporation Low noise, bandwidth compensated transimpedance amplifier

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010020348B3 (de) * 2010-05-12 2011-07-21 Pyreos Ltd. Pin-kompatibler Infrarotlichtdetektor mit verbesserter thermischer Stabilität
US8878131B2 (en) 2010-05-12 2014-11-04 Pyreos Ltd. Pin-compatible infrared light detector having improved thermal stability

Also Published As

Publication number Publication date
EP1156583A3 (de) 2005-06-08
DE60126179D1 (de) 2007-03-15
EP1156583A2 (de) 2001-11-21
US20020125943A1 (en) 2002-09-12
EP1156583B1 (de) 2007-01-24
JP3664041B2 (ja) 2005-06-22
US6392477B2 (en) 2002-05-21
JP2001326548A (ja) 2001-11-22
US20020011898A1 (en) 2002-01-31
US6624693B2 (en) 2003-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60126179T2 (de) Verstärkerschaltung für Sensoren mit elektrischer Ladung als Ausgangsgrösse
DE2713023C2 (de)
DE10247467B4 (de) Kapazitiver Sensor zur Erfassung einer physikalischen Grösse, welcher eine physikalische Grösse entlang einer Mehrzahl von Achsen erfasst
DE112009000702B4 (de) Mikrofonbaugruppe mit integrierter Selbsttestschaltungsanordnung
DE69933627T2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Anpassung des Phasen- und Amplitudenfrequenzgangs eines Mikrofons
DE69820376T2 (de) Empfänger und filteranordnung mit polyphasenfilter
DE60009375T2 (de) Verstärker für piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer
DE69937858T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Vibrationswellen
DE2429953A1 (de) Schaltungsanordnung zur verarbeitung physiologischer messignale
DE102016117587B3 (de) Schaltungsanordnung mit optimiertem frequenzgang und verfahren zur kalibrierung einer schaltungsanordnung
DE112005002091T5 (de) Verstärkerschaltung und Verfahren zum Reduzieren des Spannungs- und Stromrauschens
DE2402186B2 (de) Mehrstufiges aktives rc-tiefpass- filternetzwerk in abzweigschaltung
DE102004012274A1 (de) Vibrationswinkelgeschwindigkeitssensor
WO2008110444A2 (de) Verstärkeranordnung und verfahren zum verstärken eines signals
DE60215827T2 (de) Impedanzmessschaltung und kapazitätsmessschaltung
DE60304028T2 (de) Operationsverstärker mit verbessertem eingangsgleichspannungsverschiebungsbereich
DE102004005691A1 (de) Sensor für eine physikalische Grösse zur Ausgabe eines zeit-seriellen Signals, welches eine Mehrzahl von Bereichen der physikalischen Grösse angibt
DE69836362T2 (de) Tiefpassfilter mit Summierfunktion
EP1867065B1 (de) Elektrisches mehrleitersystem zur gegentakt-signalübertragung mit dämpfungs- oder filterglied und datenübertragungsbus
DE19630150B4 (de) Verfahren zum Entwerfen einer Halbleitervorrichtung
DE3015806C2 (de) Schaltungsanordnung zur Abnahme von Signalen von Halbleiter-Bild- oder -Zeilensensoren
EP0485357B1 (de) Hörgerät mit Filterschaltung
DE2155026B2 (de) Schaltungsanordnung zur Schaltung eines Niederfrequenzkondensatormikrofons
WO2003049282A1 (de) Voll differentieller differenzverstärker mit hoher eingangsimpedanz
DE102015209277A1 (de) Signalverarbeitungseinrichtung und Steuereinrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition