JP2002185298A

JP2002185298A - 物理量検出回路

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Publication number: JP2002185298A
Application number: JP2000376092A
Authority: JP
Inventors: Kentarou Mizuno; 健太朗水野; Norikazu Ota; 則一太田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2002-06-28
Anticipated expiration: 2020-12-11
Also published as: JP4553084B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低域遮断周波数が小さくなりすぎるのを防ぐ
ことができる物理量検出回路を提供すること。【解決手段】物理量検出回路１００は演算増幅器１１
０、容量センサ１２０、帰還容量１３０、ダイオード部
１４０、スイッチ１５０及び温度センサ１６０を備え
る。ダイオード部１４０は抵抗として機能し、演算増幅
器１１０の出力端子と反転入力端子との帰還経路に帰還
容量１３０と並列に接続される。ダイオード部１４０
は、ダイオード１４２、１４４を含む。スイッチ１５０
のゲートは温度センサ１６０により制御される。所定温
度より低くなるとスイッチ１５０がオンすることによ
り、ダイオード１４２、１４４が選択され、帰還電流は
ダイオード１４２、１４４に流れる。所定温度より高く
なるとスイッチ１５０がオフすることにより、ダイオー
ド１４４が選択されるので、帰還電流はダイオード１４
４に流れ、ダイオード１４２には流れない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、コンデン
サの電荷量の微小変化により物理量を検出する物理量検
出回路に関する。

【０００２】

【背景技術】コンデンサを容量センサとして用い、コン
デンサに蓄積された電荷量の微小変化を増幅することに
より、力、重量、加速度、圧力等の物理量を計測する物
理量検出回路がある。図１６は、物理量検出回路１００
０の一例の回路図である。まず、この物理量検出回路１
０００の構造を説明する。

【０００３】物理量検出回路１０００は、演算増幅器１
１００、容量センサ１２００及び帰還容量１３００を備
える。容量センサ１２００は、対向して配置されたダイ
ヤフラムと電極板で構成されるコンデンサである。ダイ
ヤフラム、電極板のうち一方が演算増幅器１１００の反
転入力端子に接続され、他方に電圧ＶＢＢが印加され
る。演算増幅器１１００の出力端子と反転入力端子の間
の帰還経路には帰還容量１３００が接続されている。

【０００４】次に、物理量検出回路１０００の動作を説
明する。容量センサ１２００のダイヤフラムが計測しよ
うとする物理量により変位すると、容量センサ１２００
は微小容量変化ΔＣをする。これを演算増幅器１１００
により増幅し、出力電圧Ｖｏを発生させ、負荷などの制
御をするのである。出力電圧Ｖｏは次のとおりである。

【０００５】Ｖｏ＝（容量センサの微小容量変化ΔＣ／
帰還容量の容量）ＶＢＢ物理量検出回路の原理は、図１６に示すとおりである。
しかし、演算増幅器１１００は大きな解放利得を有する
ため、物理量検出回路１０００では、演算増幅器１１０
０自身のオフセット電圧により出力電圧Ｖｏが飽和して
しまい、物理量の検出ができなくなる。

【０００６】そこで、実用的には図１７に示す物理量検
出回路２０００となる。物理量検出回路２０００が図１
６に示す回路と違う点は、抵抗器１４００を備えること
である。抵抗器１４００は帰還容量１３００と並列に、
演算増幅器１１００の出力端子と反転入力端子の帰還経
路に接続されている。抵抗器１４００により演算増幅器
１１００に直流的に帰還がかかるようにして、出力電圧
Ｖｏが飽和するのを防いでいるのである。

【０００７】さて、精度よく増幅するためには、抵抗器
１４００の抵抗値Ｒを次式のように設定する必要であ
る。

【０００８】Ｒ≫１／（２πｆ・帰還容量の容量値）記号ｆは、容量センサ１２００の容量変化の周波数であ
る。例えば、帰還容量１３００の容量値を１ｐＦ、容量
センサ１２００の容量変化の周波数ｆを１０ｋＨｚとし
た場合、インピーダンスＺ＝１／（２πｆ・帰還容量の
容量値）≒１６ＭΩとなる。例えば、抵抗値Ｒをインピ
ーダンスＺの１０倍以上とすると、抵抗値Ｒ＝１６０Ｍ
Ω以上となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、物理量検出
回路２０００は、電源をオンした時から物理量検出回路
２０００の動作が安定、つまり出力電圧ＶｏがＶＢＢに
なってから物理量の検出を開始する。電源をオンした時
から物理量検出回路の動作が安定するまでの時間をスタ
ートアップ時間という。スタートアップ時間は、低域遮
断周波数が小さくなると長くなる。低域遮断周波数は、
抵抗器の抵抗値と帰還容量の容量値の時定数で決まる。
このため、環境温度が下がることにより、抵抗器１４０
０の抵抗値が大きくなると、低域遮断周波数が小さくな
る。

【００１０】図１７に示す物理量検出回路２０００は、
抵抗器１４００の抵抗値を大きくすることにより、高精
度の増幅をしている。しかし、温度変化により抵抗器１
４００の抵抗値が大きくなりすぎた場合、低域遮断周波
数が小さくなりすぎ、その結果、スタートアップ時間が
長くなる。

【００１１】本発明は、低域遮断周波数が小さくなりす
ぎるのを防ぐことができる物理量検出回路を提供するこ
とである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】（１）本発明は、演算増
幅器の反転入力端子に接続された第１素子の電荷量の変
化により物理量を検出する、物理量検出回路であって、
前記反転入力端子と前記演算増幅器の出力端子との帰還
経路に接続された帰還容量と、抵抗として機能する複数
の第２素子から選択された少なくとも一つから構成さ
れ、かつ、前記反転入力端子と前記出力端子との帰還経
路に前記帰還容量と並列に接続される、第３素子と、温
度変化により前記複数の第２素子の選択を変更する、選
択変更手段と、を備える。

【００１３】本発明によれば、温度変化による第２素子
の抵抗値の変化が生じても、複数の第２素子の選択を変
更することにより第３素子の抵抗値を所定値にすること
ができるので、低温から高温まで安定した周波数特性を
実現することができる。よって、例えば、低温であって
も、低域遮断周波数が低くなりすぎるのを防ぐことがで
きるので、スタートアップ時間を短縮することができ
る。なお、第１素子としては、例えば、圧電素子や容量
変化が可能な容量素子がある。第２素子としては、例え
ば、ダイオードや抵抗器がある。

【００１４】（２）本発明には次の態様がある。

【００１５】前記複数の第２素子は、並列接続された複
数のダイオードを含む。

【００１６】本発明はダイオードを抵抗として使用す
る。ダイオードは零電圧付近で高抵抗な素子として機能
する。例えば、±数十ｍＶにおいてダイオードの抵抗は
数百ＭΩとなる。ダイオードは低温のとき、高温のとき
に比べて非常に抵抗値が大きくなる。例えば、−４０℃
のような低温のときの抵抗値は、１０００ＧΩ以上であ
り、例えば、８０℃のような高温のときの抵抗値は、約
７ＧΩである。低域遮断周波数は、ダイオードの抵抗値
と帰還容量の容量値で決まる時定数が大きくなると小さ
くなる。よって、低温時は、低域遮断周波数が小さくな
りすぎ、この結果、スタートアップ時間が長くなる。本
発明によれば、選択変更手段によりダイオードの選択を
変更することができるので、低温から高温まで安定した
周波数特性を実現することができる。

【００１７】（３）本発明には次の態様がある。

【００１８】前記選択変更手段は、電界効果トランジス
タであり、前記複数の第２素子は、前記電界効果トラン
ジスタのソースを有する寄生ダイオードおよび前記電界
効果トランジスタのドレインを有する寄生ダイオードを
含む。

【００１９】本発明は、電界効果トランジスタを制御す
ることにより、ソースを有する寄生ダイオード、ドレイ
ンを有する寄生ダイオードの選択を変更する。例えば、
高温時、電界効果トランジスタをオフすることにより、
ドレインを有する寄生ダイオードを選択し、抵抗として
用い、低温時、電界効果トランジスタをオンすることに
より、ソースを有する寄生ダイオードおよびドレインを
有する寄生ダイオードを選択し、抵抗として用いる。ダ
イオードは接合面積が大きくなると抵抗値が小さくなる
ので、低温時、ソースを有する寄生ダイオード、ドレイ
ンを有する寄生ダイオードの両方を用いることにより、
第３素子の抵抗値が大きくなりすぎるのを防ぐことがで
きる。これにより、低域遮断周波数が小さくなりすぎる
のを防ぐことができる。

【００２０】（４）本発明には次の態様がある。

【００２１】前記帰還容量は、複数の帰還容量から選択
された少なくとも一つから構成され、前記選択変更手段
により、前記複数の帰還容量の選択が変更される。

【００２２】本発明によれば、温度変化により物理量検
出回路の利得を可変にすることができる。温度が高くな
ると利得が大きくなるようにしてもよいし、逆に温度が
高くなると利得が小さくなるようにしてもよい。

【００２３】（５）本発明は、演算増幅器の反転入力端
子に接続された第１素子の電荷量の変化により物理量を
検出する、物理量検出回路であって、前記反転入力端子
と前記演算増幅器の出力端子との帰還経路に接続された
帰還容量と、前記反転入力端子と前記出力端子との帰還
経路に前記帰還容量と並列に接続されるように、そのソ
ース、ドレインが前記出力端子、前記反転入力端子に接
続される、第１電界効果トランジスタと、前記ソースと
前記ドレインとの間の電流を制御する制御手段と、を備
える。

【００２４】制御手段により、ソースとドレインとの間
の電流を、例えば、０．１ｍＡ〜１ｍＡのような微小電
流にすると、第１電界効果トランジスタを抵抗値５０Ｍ
Ω〜５００ＭΩの抵抗として機能させることができる。
このため、本発明によれば、低温から高温まで安定した
周波数特性を実現することができる。よって、例えば、
低温であっても、低域遮断周波数が低くなりすぎるのを
防ぐことができるので、スタートアップ時間を短縮する
ことができる。制御手段としては、温度による電流の変
化が小さいものであり、例えば、定電流回路、ＭＯＳ電
界効果トランジスタのインピーダンスをゲート電圧で制
御するゲート電圧制御回路がある。

【００２５】（６）本発明には次の態様がある。

【００２６】前記制御手段は、前記第１電界効果トラン
ジスタとでカレントミラー回路を構成する第２電界効果
トランジスタを含む。

【００２７】カレントミラー回路により、第１電界効果
トランジスタのソースとドレインとの間の電流を制御す
るので、微小電流であっても高精度な制御が可能とな
り、第１電界効果トランジスタの抵抗値を安定させるこ
とができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］図１は、本発明
の第１実施形態に係る物理量検出回路１００の回路図で
ある。第１実施形態の特徴を簡単に説明すると、物理量
検出回路１００はダイオード部１４０を抵抗器の代わり
に用いており、低温時はダイオード１４２、１４４を選
択して使用し、高温時はダイオード１４４を選択して使
用する。

【００２９】第１実施形態について詳細に説明する前
に、ダイオードを抵抗器の代わりに用いる物理量検出回
路について説明する。図２は、本願発明者によりなされ
た、特開２０００-３０４６３１号公報に記載された物
理量検出回路３０００の回路図である。物理量検出回路
２０００の構成要素と同一要素については同一符号を付
すことにより説明を省略する。物理量検出回路３０００
は、抵抗器１４００の代わりにダイオード１５００が用
いられる。ダイオード１５００は、演算増幅器１１００
の出力端子と反転入力端子の間の帰還経路に帰還容量１
３００と並列に接続されている。ダイオードは±数十ｍ
Ｖにおいて、順方向、逆方向ともに抵抗値が数百ＭΩと
することができる。物理量検出回路３０００は、ダイオ
ードのこの特性を利用して抵抗器の代わりとしている。
これにより、小面積で高抵抗値を実現できる。第１実施
形態では、ダイオードに±数十ｍＶが印加される範囲で
使用されるので、ダイオードの向きは問題とならない。

【００３０】次に、温度が低くなると低域遮断周波数が
小さくなることをグラフにより説明する。図３は、図２
に示す物理量検出回路３０００において、容量センサ１
２００の容量変化ΔＣに対する物理量検出回路３０００
の出力振幅の周波数特性を示すグラフである。高い周波
数側において、出力振幅が飽和している。飽和したとき
の出力振幅の大きさを基準（１）とした場合の周波数特
性を示している。図３の特性曲線において、右上がりの
特性を示す線とフラットな特性を示す線との交点での周
波数が低域遮断周波数となる。図３の場合、８０℃では
約１００Ｈｚ、２５℃では約１０Ｈｚが低域遮断周波数
である。図３のグラフから分かるように温度が低くなる
と低域遮断周波数が小さくなる。

【００３１】さて、図１に示す物理量検出回路１００
は、演算増幅器１１０、容量センサ１２０、帰還容量１
３０、ダイオード部１４０、スイッチ１５０及び温度セ
ンサ１６０を備える。容量センサ１２０は第１素子の一
例であり、容量変化可能なコンデンサである。容量セン
サ１２０は、例えば、ダイヤフラムと、このダイヤフラ
ムと微小ギャップを隔てて対向している電極板と、を備
える。ダイヤフラム、電極板のうち一方が演算増幅器１
１０の反転入力端子に接続され、他方に電圧ＶＢＢが印
加される。容量センサ１２０は、例えば、半導体マイク
ロマシニング技術により形成することができる。

【００３２】ダイオード部１４０は、第３素子の一例で
あり、演算増幅器１１０の出力端子と反転入力端子との
帰還経路に帰還容量１３０と並列に接続されている。ダ
イオード部１４０は、第２素子の一例であるダイオード
１４２、１４４を含む。ダイオード１４２、１４４は、
演算増幅器１１０の出力端子と反転入力端子との帰還経
路に並列に接続されている。

【００３３】スイッチ１５０はダイオード部１４０と接
続されている。スイッチ１５０は選択変更手段の一例で
あり、第１実施形態ではｎ型またはｐ型ＭＯＳ電界効果
トランジスタが用いられる。スイッチ１５０のゲートは
温度センサ１６０により制御される。所定温度より低く
なるとスイッチ１５０がオンすることにより、ダイオー
ド１４２、１４４が選択されるので、帰還電流はダイオ
ード１４２、１４４に流れる。一方、所定温度より高く
なるとスイッチ１５０がオフすることにより、ダイオー
ド１４４が選択されるので、帰還電流はダイオード１４
４に流れ、ダイオード１４２には流れない。以上が物理
量検出回路１００の構成である。物理量検出回路１００
の物理量を検出する動作は従来例と同じなので説明を省
略する。

【００３４】次に、物理量検出回路１００による効果を
説明する。図４は、周波数と出力振幅との関係を示すグ
ラフである。線Ａは高温時にダイオード１４４のみに電
流を流した場合であり、低域遮断周波数はｆ_Aとなる。
線Ｂは低温時にダイオード１４４のみに電流を流した場
合であり、低域遮断周波数はｆ_Bとなる。線Ｃは低温時
にダイオード１４２、１４４の両方に電流を流した場合
であり、低域遮断周波数はｆ_Cとなる。第１実施形態に
おいて、低温時の低域遮断周波数はｆ_Cとなり、高温時
の低域遮断周波数はｆ_Aとなるので、低温時の低域遮断
周波数を高温時の低域遮断周波数に近づけることがで
き、低温時の低域遮断周波数が低くなりすぎるのを防ぐ
ことができる。

【００３５】次に、第１実施形態の温度と低域遮断周波
数との関係を説明する。図５は、第１実施形態の温度と
低域遮断周波数との関係を示すグラフである。所定温度
Ｔ_SWでスイッチ１５０のオン、オフを切り換えられる。
所定温度Ｔ_SW以下ではスイッチ１５０をオンし、ダイオ
ード１４２、１４４の両方に電流を流すので、線Ｄのよ
うになる。所定温度Ｔ_SW以上ではスイッチ１５０をオフ
し、ダイオード１４４のみに電流を流すので、線Ｅのよ
うになる。

【００３６】所定温度Ｔ_SW以下において、帰還電流はダ
イオード１４２、１４４の両方に流れるので、ダイオー
ド１４４の接合面積にダイオード１４２の接合面積を加
えた値の接合面積をもつダイオードに電流を流している
ことになる。ダイオードは接合面積が大きくなると、抵
抗が小さくなる。よって、低温時、ダイオード１４２、
１４４の抵抗値が大きくなっても、ダイオード部１４０
の抵抗値が大きくなりすぎるのを防ぐことができる。こ
の結果、低域遮断周波数が小さくなりすぎるのを防ぐこ
とができる。

【００３７】また、所定温度Ｔ_SW以上において、帰還電
流はダイオード１４４のみに流れるので、低域遮断周波
数が高くなりすぎるのを防ぐことができる。図３をみれ
ば分かるように、低域遮断周波数が高くなりすぎると、
低い周波数の測定ができなくなるのである。例えば、８
０℃条件下、約５００Ｈｚ以下の周波数の測定を精度良
くできない。

【００３８】以上説明したように、第１実施形態によれ
ば、低域遮断周波数が小さくなりすぎるのを防ぐことが
できるので、スタートアップ時間を短くすることができ
る。また、低温から高温まで安定した周波数特性を実現
することができる。これらの効果は以下に説明する他の
実施形態にも当てはまる。

【００３９】なお、第１実施形態において、ダイオード
１４４の接合面積を比較的小さくしているのは、高温時
であってもダイオード部１４０（ダイオード１４４）の
抵抗値を高抵抗（数ＭΩ）にするためである。一方、ダ
イオード１４２の接合面積を比較的大きくしているの
は、低温時に、ダイオード部１４０（ダイオード１４
２、１４４）の抵抗値が高くなりすぎるのを防ぐためで
ある。よって、ダイオード１４２の接合面積は、ダイオ
ード１４４の接合面積より、例えば、１０〜１００倍大
きくする。

【００４０】［第２実施形態］図６は、本発明の第２実
施形態に係る物理量検出回路２００の回路図である。第
１実施形態に係る物理量検出回路１００の構成要素と同
一要素については同一符号を付している。第２実施形態
の特徴を簡単に説明すると、物理量検出回路２００はダ
イオード部１４０及びスイッチ１５０を半導体基板に形
成している。

【００４１】図７は、第２実施形態のダイオード部１４
０及びスイッチ１５０が形成されたｎ型の半導体基板
（ＳＵＢ）の平面図である。図８は、図７のＸ１-Ｘ２
線に沿った断面図である。半導体基板（ＳＵＢ）にはバ
ルク（Ｂ）となるｐウェルが形成され、ｐウェルにはｎ
⁺のドレイン（Ｄ）、ｎ⁺のソース（Ｓ）が互いに間を設
けて形成され、半導体基板（ＳＵＢ）上にはゲート
（Ｇ）が形成されている。ゲート（Ｇ）、ドレイン
（Ｄ）、ソース（Ｓ）により構成されるＭＯＳ電界効果
トランジスタがスイッチ１５０となる。ｎ⁺のソース
（Ｓ）はフローティングである。

【００４２】ダイオード１４２は、ｎ⁺のソース（Ｓ）
とｐウェルにより形成される寄生ダイオードである。ダ
イオード１４４は、ｎ⁺のドレイン（Ｄ）とｐウェルに
より形成される寄生ダイオードでありる。ダイオード１
４２の接合面積を比較的大きくするためにｎ⁺のソース
（Ｓ）の面積が大きくされている。ダイオード１４４の
接合面積を比較的小さくするために、ｎ⁺のドレイン
（Ｄ）の面積が小さくされている。ダイオードの等価的
な抵抗値の調節に重要なことは、接合面積と接合部の周
囲長であり、形状に関しては問題とならない。

【００４３】ｎ型の半導体基板（ＳＵＢ）とｐウェルに
より寄生ダイオード１７０が形成される。ｎ型の半導体
基板（ＳＵＢ）は、通常、回路において最も高い電位に
固定され、ｐウェルは演算増幅器１１０の出力端子と接
続されるため、寄生ダイオード１７０は回路動作上無視
することができる。なお、スイッチ１５０としてｎＭＯ
Ｓ電界効果トランジスタの代わりにｐＭＯＳ電界効果ト
ランジスタを用いることもできる。第２実施形態では、
ダイオード部１４０及びスイッチ１５０を半導体基板に
形成しているが、演算増幅器１１０、容量センサ１２
０、帰還容量１３０、温度センサ１６０の少なくとも一
つをこの半導体基板に形成してもよい。

【００４４】［第３実施形態］図９は、本発明の第３実
施形態に係る物理量検出回路３００の回路図である。第
１実施形態に係る物理量検出回路１００の構成要素と同
一要素については同一符号を付している。第３実施形態
では、ダイオード部１４０に第２素子の一例であるダイ
オード１４５、１４６、１４７、１４８が配置されてい
る。ダイオード１４５、１４６、１４７、１４８は、演
算増幅器１１０の出力端子と反転入力端子との帰還経路
に並列に接続されている。スイッチ１５１、１５２、１
５３は、選択変更手段の一例であり、ダイオード１４
５、１４６、１４７、１４８の選択を変更する。スイッ
チ１５１、１５２、１５３は、ｎ型またはｐ型ＭＯＳ電
界効果トランジスタが用いられる。図１０は、第３実施
形態のダイオード１４５、１４６、１４７、１４８及び
スイッチ１５１、１５２、１５３が形成されたｎ型の半
導体基板（ＳＵＢ）の断面図である。

【００４５】図１１は、第３実施形態の温度と低域遮断
周波数との関係を示すグラフである。図９、１０、１１
を用いてこの関係について説明する。スイッチ１５１、
１５２、１５３のゲートは温度センサ１６０により制御
される。温度Ｔが、温度Ｔ＞所定温度Ｔ_SW１の場合、ス
イッチ１５１、１５２、１５３がオフすることにより、
ダイオード１４５が選択される。これにより、帰還電流
はダイオード１４５のみに流れるので、線Ａのようにな
る。温度Ｔが、所定温度Ｔ_SW１＞温度Ｔ＞所定温度Ｔ_SW
２の場合、スイッチ１５１のみがオンすることにより、
ダイオード１４５、１４６が選択される。これにより、
帰還電流はダイオード１４５、１４６に流れるので、線
Ｂのようになる。温度Ｔが、所定温度Ｔ_SW２＞温度Ｔ＞
所定温度Ｔ_SW３の場合、スイッチ１５１、１５２がオン
することにより、ダイオード１４５、１４６、１４７が
選択される。これにより、帰還電流はダイオード１４
５、１４６、１４７に流れるので、線Ｃのようになる。
温度Ｔが、所定温度Ｔ_SW３＞温度Ｔの場合、スイッチ１
５１、１５２、１５３がオンすることにより、ダイオー
ド１４５、１４６、１４７、１４８が選択される。これ
により、帰還電流はダイオード１４５、１４６、１４
７、１４８に流れるので、線Ｄのようになる。

【００４６】以上説明したように、第３実施形態によれ
ば第１実施形態よりもダイオードの選択の種類が多いの
で、低域遮断周波数のバラツキを小さくすることができ
る。よって、環境温度変動に対して、より安定動作させ
ることができる。

【００４７】物理量検出回路３００の物理量を検出する
動作は従来例と同じなので説明を省略する。なお、第３
実施形態において、ダイオードの接合面積は、ダイオー
ド１４５、１４６、１４７、１４８の順で大きくなる
が、これに限定されず、ダイオード１４５、１４６、１
４７、１４８の接合面積は使用条件に応じて決めること
ができる。また、第３実施形態では、四つのダイオード
を用いているが、四つより多くてもよいし、三つでもよ
い。

【００４８】［第４実施形態］図１２は、本発明の第４
実施形態に係る物理量検出回路４００の回路図である。
第２実施形態に係る物理量検出回路２００の構成要素と
同一要素については同一符号を付している。第４実施形
態では帰還容量１３１、１３２が演算増幅器１１０の出
力端子と反転入力端子の間の帰還経路に並列に接続され
ている。高温時、低温時の出力電圧Ｖｏは以下の通りで
ある。

【００４９】（１）スイッチ１５０がオフの場合（高温
時）選択される帰還容量は帰還容量１３２であり、選択され
るダイオードはダイオード１４４である。よって、物理
量検出回路４００の出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝（ΔＣ／ＣＦ₁₃₂）ＶＢＢとなる。

【００５０】ΔＣ：容量センサ１２０の微小容量変化ＣＦ₁₃₂：帰還容量１３２の容量値（２）スイッチ１５０がオンの場合（低温時）選択される帰還容量は帰還容量１３１、１３２であり、
選択されるダイオードはダイオード１４２、１４４であ
る。よって、物理量検出回路４００の出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝｛ΔＣ／（ＣＦ₁₃₁＋ＣＦ₁₃₂）｝ＶＢＢとなる。

【００５１】ΔＣ：容量センサ１２０の微小容量変化ＣＦ₁₃₁：帰還容量１３１の容量値ＣＦ₁₃₂：帰還容量１３２の容量値以上のように、温度センサ１６０により出力電圧を変え
ることができるので、物理量検出回路４００の利得を温
度により可変にすることができる。

【００５２】［第５実施形態］図１３は、本発明の第５
実施形態に係る物理量検出回路５００の回路図である。
第４実施形態に係る物理量検出回路４００の構成要素と
同一要素については同一符号を付している。第５実施形
態は第４実施形態と同様に、温度により出力電圧を変え
ることができ、また、低温時はダイオード１４２、１４
４を選択し、高温時はダイオード１４４を選択する制御
ができる。

【００５３】第５実施形態では帰還容量１３３、１３４
の接続箇所が第４実施形態と異なる。スイッチ１５０が
オンの場合、選択される帰還容量は帰還容量１３４であ
る。スイッチ１５０のオンにより帰還容量１３３の両端
がショートするので、帰還容量１３３は動作しない。一
方、スイッチ１５０がオフの場合、選択される帰還容量
は、直列に接続された帰還容量１３３、１３４である。
よって、第５実施形態は、スイッチ１５０のオン、オフ
による出力電圧Ｖｏを第４実施形態と異ならせることが
できる。

【００５４】［第６実施形態］図１４は、本発明の第６
実施形態に係る物理量検出回路６００の回路図である。
第１実施形態に係る物理量検出回路１００の構成要素と
同一要素については同一符号を付している。第６実施形
態の特徴を簡単に説明すると、物理量検出回路６００
は、ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９１を抵抗器の代わ
りにしている。ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９１は、
第１電界効果トランジスタの一例である。

【００５５】ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９１は、演
算増幅器１１０の出力端子と反転入力端子との帰還経路
に帰還容量１３０と並列に接続されている。ＭＯＳ電界
効果トランジスタ１９１は、第２電界効果トランジスタ
の一例であるＭＯＳ電界効果トランジスタ１９３とカレ
ントミラー回路を構成している。これにより、ＭＯＳ電
界効果トランジスタ１９１の電流Ｉ₁₉₁の制御を高精度
に行うことができるので、ＭＯＳ電界効果トランジスタ
１９１の抵抗値の変動を小さくすることができる。

【００５６】ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９３には、
電流源２１０から電流が供給される。電流源２１０は、
ＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１、２１２、２１３、
２１４、２１５、抵抗器２１６を含む。ＭＯＳ電界効果
トランジスタ２１２、２１３、２１４、２１５、抵抗器
２１６で一般的な定電流回路を構成している。カレント
ミラー回路（ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９１、１９
３）と電流源２１０で制御手段の一例を構成している。

【００５７】さて、ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９１
を抵抗器の代わりに用いると述べたが、これを具体的数
値で説明する。ＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１、２
１２、２１３の（ゲート幅Ｗ／ゲート長Ｌ）を、（Ｗ／Ｌ）₂₁₁：（Ｗ／Ｌ）₂₁₂：（Ｗ／Ｌ）₂₁₃＝１：
１０：１０とし、ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９１、１９３の
（ゲート幅Ｗ／ゲート長Ｌ）を、（Ｗ／Ｌ）₁₉₁：（Ｗ／Ｌ）₁₉₃＝１：１０とする。

【００５８】また、ＭＯＳ電界効果トランジスタ２１２
のソースとドレインとの間の電流をＩ₂₁₂とする。電流
Ｉ₂₁₂は、定電流回路により発生する電流でる。また、
ＭＯＳ電界効果トランジスタ２１１のソースとドレイン
との間の電流をＩ₂₁₁、ＭＯＳ電界効果トランジスタ１
９３のソースとドレインとの間の電流をＩ₁₉₃、ＭＯＳ
電界効果トランジスタ１９１のソースとドレインとの間
の電流をＩ₁₉₁とする。

【００５９】ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９１、１９
３でカレントミラー回路を構成しているので、電流Ｉ
₁₉₁と電流Ｉ₁₉₃とはほぼ等しい。ＭＯＳ電界効果トラン
ジスタ２１１の電流Ｉ₂₁₁が微小電流の場合、電流Ｉ₂₁₁
と電流Ｉ₁₉₃とはほぼ等しいので、電流Ｉ₂₁₁と電流Ｉ
₁₉₁とはほぼ等しくなる。よって、電流Ｉ₂₁₂、電流Ｉ
₂₁₁、電流Ｉ₁₉₃、電流Ｉ₁₉₁の関係は次式となる。

【００６０】Ｉ₂₁₂：Ｉ₂₁₁：Ｉ₁₉₃：Ｉ₁₉₁＝１００：１０：１０：１Ｉ₂₁₂＝０．１μＡとすると、Ｉ₂₁₂：Ｉ₂₁₁：Ｉ₁₉₃：Ｉ₁₉₁＝０．１μＡ：１０ｍＡ：
１０ｍＡ：１ｍＡとなる。

【００６１】一般的に、ＭＯＳ電界効果トランジスタの
オン抵抗ｒｏｎは、次式の様に計算できる。

【００６２】

【数１】Ｗ：チャネル幅、Ｌ：チャネル長、μ：移動度、Ｃｏ
ｘ：単位面積当たりのゲート容量、Ｖｇｓ：ゲート-ソ
ース間電圧、Ｖｔｈ：しきい値電圧、Ｉｄｓ：ドレイン
電流ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９３において、Ｉ₁₉₃＝
１０ｎＡ、Ｖｇｓ−Ｖｔｈ＝０．１とすると、ＭＯＳ電
界効果トランジスタ１９３のインピーダンス（オン抵
抗）は５ＭΩとなるので、ＭＯＳ電界効果トランジスタ
１９１のインピーダンス（オン抵抗）は５０ＭΩとな
る。また、上記のように計算では示さないが、同様の構
成によりＭＯＳ電界効果トランジスタのサブスレッショ
ルド領域を利用してもよい。

【００６３】以上のように、ＭＯＳ電界効果トランジス
タ１９１を高抵抗にすることができる。物理量検出回路
６００は、ＭＯＳ電界効果トランジスタ１９１のこの特
性を利用して抵抗器の代わりとしている。これにより、
小面積で高抵抗値を実現できる。

【００６４】電流源２１０の定電流回路（ＭＯＳ電界効
果トランジスタ２１２、２１３、２１４、２１５、抵抗
器２１６）により発生する電流は、ダイオードのインピ
ーダンスと比較すると、温度変化の影響を受けにくい。
例えば、電流Ｉ₂₁₂の変化幅は、マイナス４０℃からプ
ラス８０℃で２〜３倍程度に設定できる。したがって、
インピーダンス（抵抗）の変化も数倍となるので、温度
変化による低域遮断周波数の変動を小さくすることがで
きる。図１５は、温度と低域遮断周波数との関係を示す
グラフである。線Ａは物理量検出回路６００の場合を示
し、線Ｂは図２に示す物理量検出回路３０００の場合を
示している。グラフから分かるように、物理量検出回路
６００によれば、温度が低下しても低域遮断周波数が下
がりすぎるのを防ぐことができる。さらに、電流源２１
０を、温度に対してより安定（電流が変化しない）にす
ることで、温度変化による低域遮断周波数の変動をより
小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る物理量検出回路の
回路図である。

【図２】特開２０００-３０４６３１号公報に記載され
た物理量検出回路の回路図である。

【図３】図２に示す物理量検出回路の周波数と出力振幅
の関係を示すグラフである。

【図４】物理量検出回路の周波数と出力振幅との関係を
示すグラフである。

【図５】第１実施形態に係る物理量検出回路の温度と低
域遮断周波数との関係を示すグラフである。

【図６】本発明の第２実施形態に係る物理量検出回路の
回路図である。

【図７】第２実施形態のダイオード部及びスイッチが形
成されたｎ型の半導体基板（ＳＵＢ）の平面図である。

【図８】図７のＸ１-Ｘ２線に沿った断面図である。

【図９】本発明の第３実施形態に係る物理量検出回路の
回路図である。

【図１０】第３実施形態のダイオード部及びスイッチが
形成されたｎ型の半導体基板（ＳＵＢ）の断面図であ
る。

【図１１】第３実施形態に係る物理量検出回路の温度と
低域遮断周波数との関係を示すグラフである。

【図１２】本発明の第４実施形態に係る物理量検出回路
の回路図である。

【図１３】本発明の第５実施形態に係る物理量検出回路
の回路図である。

【図１４】本発明の第６実施形態に係る物理量検出回路
の回路図である。

【図１５】本発明の第６実施形態に係る物理量検出回路
の温度と低域遮断周波数との関係を示すグラフである。

【図１６】従来の物理量検出回路の一例の回路図であ
る。

【図１７】従来の物理量検出回路の他の例の回路図であ
る。

【符号の説明】

１００物理量検出回路１１０演算増幅器１２０容量センサ１３０、１３１、１３２、１３３、１３４帰還容量１４０ダイオード部１４２、１４４、１４５、１４６、１４７、１４８ダ
イオード１５０、１５１、１５２、１５３スイッチ１６０温度センサ１７０ダイオード１９１、１９３ＭＯＳ電界効果トランジスタ２００物理量検出回路２１０電流源２１１、２１２、２１３、２１４、２１５ＭＯＳ電界
効果トランジスタ２１６抵抗器３００、４００、５００、６００物理量検出回路１０００物理量検出回路１１００演算増幅器１２００容量センサ１３００帰還容量１４００抵抗器１５００ダイオード２０００物理量検出回路３０００物理量検出回路

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】演算増幅器の反転入力端子に接続された
第１素子の電荷量の変化により物理量を検出する、物理
量検出回路であって、前記反転入力端子と前記演算増幅器の出力端子との帰還
経路に接続された帰還容量と、抵抗として機能する複数の第２素子から選択された少な
くとも一つから構成され、かつ、前記反転入力端子と前
記出力端子との帰還経路に前記帰還容量と並列に接続さ
れる、第３素子と、温度変化により前記複数の第２素子の選択を変更する、
選択変更手段と、を備える、物理量検出回路。
【請求項２】請求項１において、前記複数の第２素子は、並列接続された複数のダイオー
ドを含む、物理量検出回路。
【請求項３】請求項１または２において、前記選択変更手段は、電界効果トランジスタであり、前記複数の第２素子は、前記電界効果トランジスタのソ
ースを有する寄生ダイオードおよび前記電界効果トラン
ジスタのドレインを有する寄生ダイオードを含む、物理
量検出回路。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、前記帰還容量は、複数の帰還容量から選択された少なく
とも一つから構成され、前記選択変更手段により、前記複数の帰還容量の選択が
変更される、物理量検出回路。
【請求項５】演算増幅器の反転入力端子に接続された
第１素子の電荷量の変化により物理量を検出する、物理
量検出回路であって、前記反転入力端子と前記演算増幅器の出力端子との帰還
経路に接続された帰還容量と、前記反転入力端子と前記出力端子との帰還経路に前記帰
還容量と並列に接続されるように、そのソース、ドレイ
ンが前記出力端子、前記反転入力端子に接続される、第
１電界効果トランジスタと、前記ソースと前記ドレインとの間の電流を制御する制御
手段と、を備える、物理量検出回路。
【請求項６】請求項５において、前記制御手段は、前記第１電界効果トランジスタとでカ
レントミラー回路を構成する第２電界効果トランジスタ
を含む、物理量検出回路。