JP2001326548A - 電荷型センサ用増幅回路 - Google Patents

電荷型センサ用増幅回路

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JP2001326548A JP2000145462A JP2000145462A JP2001326548A JP 2001326548 A JP2001326548 A JP 2001326548A JP 2000145462 A JP2000145462 A JP 2000145462A JP 2000145462 A JP2000145462 A JP 2000145462A JP 2001326548 A JP2001326548 A JP 2001326548A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な回路構成で同相ノイズを十分にキャンセ
ルすることができる電荷型センサ用増幅回路を提供す
る。 【解決手段】加速度センサ用増幅回路では、オペアンプ
Ａｍｐの反転入力端子に加速度センサＧ ｓｅｎｓｏｒ
の一端が接続されている。また、オペアンプＡｍｐの反
転入力端子と出力端子との間には、フィードバック抵抗
Ｒ１とフィードバックコンデンサＣ１とを並列接続した
フィードバック回路が接続されている。さらに、オペア
ンプＡｍｐの正転入力端子と基準電圧Ｖｒｅｆとの間に
は、キャンセル抵抗Ｒ２とキャンセルコンデンサＣ２と
を並列接続したキャンセル回路が接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、加速度センサ等
の電荷型センサの出力を増幅して出力する電荷型センサ
用増幅回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、検出出力が電荷の形で現れる
センサを用いたセンサ装置として、圧電型加速度センサ
装置や、焦電型赤外線センサ装置等がある。これらのセ
ンサ装置では、加速度や赤外線等に感応したときに発生
する電荷量が微小、例えば０．０１〜数１０００ｐＣ、
であることから、センサの出力を増幅して電圧信号で取
り出す増幅回路が利用されている。また、圧電型加速度
センサ装置は自動車のエアバッグの作動検出（衝突検
出）、自動車の回転時における角加速度の検出、ハード
ディスクドライブの衝撃検出等に用いられている。
【０００３】従来の増幅回路は、センサの出力をチャー
ジアンプで増幅するものであった（特開平８−３３８７
８１号公報）。図５に、従来の増幅回路の構成を示す。
この増幅回路は、オペアンプＡｍｐの反転入力端子と出
力端子との間に抵抗（フィードバック抵抗）Ｒ１１が接
続されている。また、この抵抗Ｒ１１に並列にコンデン
サ（フィードバックコンデンサ）Ｃ１１が接続されてい
る。加速度センサＧｓｅｎｓｏｒの一端は上記オペアン
プの反転入力端子に接続され、他端は基準電圧Ｖｒｅｆ
に接続されている。オペアンプの正転入力端子は基準電
圧Ｖｒｅｆに接続されている。
【０００４】この増幅回路では、加速度センサに振動が
加わり、該加速度センサにおいて発生した加速度や振動
の大きさに応じた電荷Ｑを、オペアンプで増幅して出力
する。加速度センサの電荷感度をｄ〔ｐＣ／Ｇ〕とする
と、加速度Ｇに対する出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｇ）は、
【０００５】
【数７】
【０００６】で表される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の増幅回路では以下に示すように加速度センサの出力
に重畳している同相ノイズを十分にキャンセルした出力
（オペアンＡｍｐの出力）Ｖｏｕｔを得ることができな
かった。図６に、従来の増幅回路における同相ノイズ混
入モデルを示す。図６において、Ｖｎ１１、Ｃｎ１１、
Ｖｎ１２、Ｃｎ１２がノイズ源である。ノイズ電圧Ｖｎ
１２はコンデンサＣｎ１２によって基準電圧Ｖｒｅｆに
接続されるので、オペアンプＡｍｐの出力Ｖｏｕｔに影
響を及ぼさないが、ノイズ電圧Ｖｎ１１はコンデンサＣ
ｎ１１によってオペアンプＡｍｐの反転入力端子に接続
されるのでオペアンプＡｍｐの出力Ｖｏｕｔに影響を及
ぼす。したがって、同相ノイズによるオペアンプＡｍｐ
の出力Ｖｏｕｔ（Ｎ）は、
【０００８】
【数８】
【０００９】である。
【００１０】上記〔数７〕および〔数８〕から、オペア
ンプＡｍｐの出力Ｖｏｕｔにおける信号対雑音比（Ｓ／
Ｎ比）は、
【００１１】
【数９】
【００１２】である。
【００１３】一方、加速度センサの出力に重畳している
同相ノイズが十分にキャンセルされた出力が得られる回
路構成として、図７に示すような差動増幅回路を使用す
ることがすでに提案されているが、回路構成が複雑であ
り、コストアップという問題があった。
【００１４】また、加速度センサの出力に重畳している
同相ノイズが十分にキャンセルされた出力が得られる技
術として、特開平５−１８８０８１号では圧電素子（加
速度センサ）の一方の面に複数の帯状電極を設けるとと
もに、隣接する帯状電極の分極方向を逆向きとし、さら
に圧電素子の他方の面にアース電極を設けることが提案
されている。この技術では加速度センサの検出出力を増
幅する増幅回路については簡単な回路構成で良いのであ
るが、複雑な素子構造の圧電素子を用いなければなら
ず、結果的にコストアップという問題があった。
【００１５】この発明の目的は、簡単な回路構成で同相
ノイズを十分にキャンセルすることができる電荷型セン
サ用増幅回路を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この発明の圧電型センサ
用増幅回路は、上記課題を解決するために以下の構成を
備えている。
【００１７】（１）電荷型センサの一端が反転入力端子
に接続され、該電荷型センサの他端が正転入力端子に接
続されるオペアンプと、上記オペアンプの出力端子と反
転入力端子との間に接続されたフィードバック抵抗およ
び、該フィードバック抵抗に並列に接続されたフィード
バックコンデンサを有する負帰還回路と、上記オペアン
プの正転入力端子と基準電圧との間に接続された抵抗お
よび、該抵抗に並列接続されたコンデンサを有するキャ
ンセル回路と、を備えている。
【００１８】上記回路構成では、オペアンプの正転入力
端子と基準電圧との間に接続したキャンセル回路により
圧電型センサの出力に重畳している同相ノイズが十分に
キャンセルされたオペアンプの出力を得ることができ
る。
【００１９】（２）電荷型センサの一端が反転入力端子
に接続され、該電荷型センサの他端が正転入力端子に接
続されるオペアンプと、上記オペアンプの出力電圧を分
圧した分圧点を有する分圧器と、上記オペアンプの反転
入力端子と上記分圧器が有する分圧点との間に接続した
フィードバック抵抗および該フィードバック抵抗に並列
に接続されたフィードバックコンデンサを有する負帰還
回路と、上記オペアンプの正転入力端子と基準電圧との
間に接続された抵抗および、該抵抗に並列接続されたコ
ンデンサを有するキャンセル回路と、を備えている。
【００２０】上記回路構成では、上記（１）のものと同
等の効果が得られるとともに、オペアンプの出力電圧を
分圧する分圧器によりオペアンプの増幅率、すなわち感
度調整、が簡単に行える。
【００２１】（３）上記負帰還回路と上記キャンセル回
路とは回路定数が同じである。
【００２２】（４）上記電荷型センサの一端が上記オペ
アンプの反転入力端子に接続されるラインと該電荷型セ
ンサの他端が上記オペアンプの正転入力端子に接続され
るラインとを近接させている。
【００２３】上記（３）、（４）の回路構成では、圧電
型センサの出力に重畳している同相ノイズが効果的にキ
ャンセルされる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態にかか
る加速度センサ用増幅回路の実施形態について説明す
る。なお、以下の説明における個々の電気部品、特に抵
抗やコンデンサ、は所望の電気的特性が得られるように
複数の電気部品を電気的に接続した構成に置き換えても
よい。
【００２５】図１は、この発明の実施形態である加速度
センサ用増幅回路を示す回路図である。この実施形態の
加速度センサ用増幅回路では、オペアンプＡｍｐの反転
入力端子に加速度センサＧ ｓｅｎｓｏｒの一端が接続
されている。また、オペアンプＡｍｐの反転入力端子と
出力端子との間には、フィードバック抵抗Ｒ１とフィー
ドバックコンデンサＣ１とを並列接続したフィードバッ
ク回路（この発明で言う負帰還回路）が接続されてい
る。さらに、オペアンプＡｍｐの正転入力端子と基準電
圧Ｖｒｅｆとの間には、キャンセル抵抗Ｒ２とキャンセ
ルコンデンサＣ２とを並列接続したキャンセル回路が接
続されている。なお、オペアンプＡｍｐには駆動用電源
電圧±Ｖが印加されている。
【００２６】図１に示す回路において、加速度センサＧ
ｓｅｎｓｏｒの電荷感度を、ｄ〔ｐＣ／Ｇ〕とする
と、加速度センサＧ ｓｅｎｓｏｒの検出出力に対する
オペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｇ）は、
【００２７】
【数１】
【００２８】である。
【００２９】次に、この回路における同相ノイズの影響
について説明する。図２に、図１に示す回路の同相ノイ
ズ混入モデルを示す。図２に示す回路において、Ｖｎ
１、Ｃｎ１、Ｖｎ２、Ｃｎ２がノイズ源である。ノイズ
に対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｎ）
は、
【００３０】
【数２】
【００３１】である。理論的には上記〔数２〕に示し
た、ノイズに対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕ
ｔ１（Ｎ）を０にすれば、同相ノイズが完全にキャンセ
ルされた出力が得られる。
【００３２】このノイズに対するオペアンプＡｍｐの出
力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｎ）は、以下の条件を満足するとき
０になる。
【００３３】
【数３】
【００３４】上記理由について簡単に説明する。上記
〔数３〕に示した、Ｚ１＝Ｚ２（＝Ｚ）、Ｃｎ１＝Ｃｎ
２（＝Ｃｎ）、とすると、上記〔数２〕は、
【００３５】
【数４】
【００３６】となる。この〔数４〕から明らかなように
上記〔数３〕に示した残りの条件であるＶｎ１＝Ｖｎ
２、が成立したとき、ノイズに対するオペアンプＡｍｐ
の出力電圧Ｖｏｕｔ１（Ｎ）が０になる。したがって、
この実施形態の加速度センサ用増幅回路では上記〔数
３〕に示した条件を満足させることで、同相ノイズが十
分にキャンセルされたオペアンプＡｍｐの出力が得られ
る。
【００３７】ここで、〔数２〕に示したように、Ｚ１は
フィードバック抵抗Ｒ１およびフィードバックコンデン
サＣ１によって決まるものであり、Ｚ２はキャンセル抵
抗Ｒ２およびキャンセルコンデンサＣ２によって決まる
ものであり、フィードバック回路とキャンセル回路との
回路定数を一致させれば、Ｚ１＝Ｚ２を成立させること
ができる。具体的には、キャンセル抵抗Ｒ２をフィード
バック抵抗Ｒ１と同じ抵抗値の抵抗とし、且つキャンセ
ルコンデンサＣ２をフィードバックコンデンサＣ１と同
じ静電容量のコンデンサとすることで、上記〔数３〕に
示したＺ１＝Ｚ２を成立させることができる。
【００３８】一方、Ｖｎ１、Ｖｎ２、Ｃｎ１、Ｃｎ２は
それぞれノイズ源であることから、上記〔数３〕に示し
たＣｎ１＝Ｃｎ２、Ｖｎ１＝Ｖｎ２とすることは困難で
あるが、オペアンプの反転入力端子に接続されるライン
と正転入力端子に接続されるラインとを近接させておけ
ば、Ｖｎ１≒Ｖｎ２、Ｃｎ１≒Ｃｎ２となる。
【００３９】したがって、この実施形態の加速度センサ
用増幅回路では、フィードバック回路とキャンセル回路
との回路定数を一致させ、オペアンプの反転入力端子に
接続されるラインと正転入力端子に接続されるラインと
を近接させることで、同相ノイズが十分にキャンセルさ
れた出力が得られる。
【００４０】このように、オペアンプＡｍｐの正転入力
端子と基準電圧との間に、キャンセル抵抗Ｒ２とキャン
セルコンデンサＣ２とを並列に接続したキャンセル回路
を、接続したことにより、Ｓ／Ｎ比を向上させた加速度
センサ用増幅回路を実現することができる。しかも、上
記キャンセル回路は非常に簡単な回路であるので、コス
トアップという問題も生じない。
【００４１】フィードバック抵抗Ｒ１、およびキャンセ
ル抵抗Ｒ２の抵抗値を１０ＭΩ、フィードバックコンデ
ンサＣ１、およびキャンセルコンデンサＣ２の静電容量
を１７０ｐＦとし、電荷感度が０．１７ｐｃ／Ｇである
加速度センサＧ ｓｅｎｓｏｒを用いたときのシュミレ
ーション結果を図３に示す。また、図３には比較のため
に従来例である図５に示した回路のシュミレーション結
果も示している。この加速度センサ用増幅回路のＧ感度
（増幅率）は３．４ｍＶ／Ｇである。なお、図５に示し
た回路については、フィードバック抵抗Ｒ１１の抵抗値
を１０ＭΩ、フィードバックコンデンサＣ１１の静電容
量を１７０ｐＦとし、電荷感度が０．１７ｐｃ／Ｇであ
る加速度センサＧ ｓｅｎｓｏｒを用いたときのシュミ
レーション結果である。この回路のＧ感度（増幅率）は
１．７ｍＶ／Ｇである。
【００４２】図３では、同一条件で比較するため両回路
について出力ノイズをＧ感度で割った結果（加速度換算
した結果）を示している。また、縦軸は１Ｇを０ｄＢと
しており、横軸はノイズの周波数である。この図から明
らかなように、この実施形態の加速度センサ用増幅回路
は、図５に示した従来の回路に比べて７０ｄＢ以上もノ
イズが小さくなっており、Ｓ／Ｎ比を十分に向上させた
加速度センサ用増幅回路であることがわかる。
【００４３】なお、このシュミレーションはオペアンプ
が理想的なものであるとして行ったものであり、実際の
回路ではオペアンプの性能によって若干の変動があると
思われる。
【００４４】次に、この発明の別の実施形態について説
明する。図４は、この実施形態の加速度センサ用増幅回
路の構成を示す回路図である。この実施形態の加速度セ
ンサ用増幅回路は、上記実施形態の回路と異なる点は、
オペアンプＡｍｐの出力端子と基準電圧Ｖｒｅｆとの間
に、該オペアンプＡｍｐの出力電圧を分圧するための分
圧抵抗Ｒ３、Ｒ４を設けた点、およびフィードバック回
路の一端をオペアンプＡｍｐの出力端子ではなく、分圧
抵抗Ｒ３、Ｒ４の接続点（分圧点）に接続している点で
上記図１に示したものと異なっている。
【００４５】この実施形態の加速度センサ用増幅回路に
おいて、加速度センサＧ ｓｅｎｓｏｒの電荷感度を、
ｄ〔ｐＣ／Ｇ〕とすると、加速度センサＧ ｓｅｎｓｏ
ｒの検出出力に対するオペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏ
ｕｔ２（Ｇ）は、
【００４６】
【数５】
【００４７】である。〔数５〕から明らかなように、こ
の実施形態の加速度サンサ用増幅回路は図１に示した回
路にゲイン （（（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ４）＋（Ｒ３／（Ｚ１＋Ｚ
２））） 持たせたものである。
【００４８】一方、この回路におけるノイズに対するオ
ペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ２（Ｎ）は、
【００４９】
【数６】
【００５０】である。〔数６〕から明らかなように、こ
の実施形態の加速度サンサ用増幅回路はノイズに対する
オペアンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔ２（Ｎ）も図１に
示した回路に比べて、（（（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ４）＋
（Ｒ３／（Ｚ１＋Ｚ２）））倍となる。
【００５１】したがって、図１に示した回路と同等のＳ
／Ｎ比が得られるので、加速度センサＧ ｓｅｎｓｏｒ
の出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルさ
れた出力を得ることができる。しかも、分圧抵抗Ｒ３、
Ｒ４を調整することで、Ｓ／Ｎ比に影響を与えることな
く感度調整が行える。
【００５２】なお、上記実施形態では、圧電型センサと
して加速度センサを用いた加速度センサ用増幅回路を例
にして本発明を説明したが、本発明は加速度センサだけ
でなく、他の種類の圧電型センサ、例えば焦電型赤外線
センサ、を用いた圧電型センサ用増幅回路としても利用
できる。
【００５３】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、オペ
アンプの正転入力端子と基準電圧との間にキャンセル回
路を接続したので、圧電型センサの出力に重畳している
同相ノイズが十分にキャンセルされた出力を得ることが
できる。
【００５４】また、オペアンプの出力電圧を分圧した分
圧点を有する分圧器を設けるとともに、該分圧点にフィ
ードバック回路の一端を接続したので、Ｓ／Ｎ比を低下
させることなく、感度調整（ゲイン調整）が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態である加速度センサ用増幅
回路の構成を示す図である。
【図２】図１に示す回路の同相ノイズ混入モデルを示す
図である。
【図３】この発明の実施形態である加速度センサ用増幅
回路の特性を示す図である。
【図４】この発明の別の実施形態である加速度センサ用
増幅回路の構成を示す図である。
【図５】従来の加速度センサ用増幅回路の構成を示す図
である。
【図６】従来の加速度センサ用増幅回路の同相ノイズ混
入モデルを示す図である。
【図７】従来の加速度センサ用増幅回路の構成を示す図
である。
【符号の説明】
Ｇ ｓｅｎｓｏｒ−加速度センサ Ｒ１−フィードバック抵抗 Ｃ１−フィードバックコンデンサ Ｒ２−キャンセル抵抗 Ｃ１−キャンセルコンデンサ Ｒ３、Ｒ４−分圧抵抗 Ａｍｐ−オペアンプ
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Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電荷型センサの一端が反転入力端子に接
    続され、該電荷型センサの他端が正転入力端子に接続さ
    れるオペアンプと、 上記オペアンプの出力端子と反転入力端子との間に接続
    されたフィードバック抵抗および、該フィードバック抵
    抗に並列に接続されたフィードバックコンデンサを有す
    る負帰還回路と、 上記オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間に接続
    された抵抗および、該抵抗に並列接続されたコンデンサ
    を有するキャンセル回路と、を備えた電荷型センサ用増
    幅回路。
  2. 【請求項２】 電荷型センサの一端が反転入力端子に接
    続され、該電荷型センサの他端が正転入力端子に接続さ
    れるオペアンプと、 上記オペアンプの出力電圧を分圧した分圧点を有する分
    圧器と、 上記オペアンプの反転入力端子と上記分圧器が有する分
    圧点との間に接続したフィードバック抵抗および該フィ
    ードバック抵抗に並列に接続されたフィードバックコン
    デンサを有する負帰還回路と、 上記オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間に接続
    された抵抗および、該抵抗に並列接続されたコンデンサ
    を有するキャンセル回路と、を備えた電荷型センサ用増
    幅回路。
  3. 【請求項３】 上記負帰還回路と上記キャンセル回路と
    は回路定数が同じである請求項１または２に記載の電荷
    型センサ用増幅回路。
  4. 【請求項４】 上記電荷型センサの一端が上記オペアン
    プの反転入力端子に接続されるラインと該電荷型センサ
    の他端が上記オペアンプの正転入力端子に接続されるラ
    インとを近接させた請求項１〜３のいずれかに記載の電
    荷型センサ用増幅回路。
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