JP2004340673A - Signal processing circuit and dynamic amount sensor - Google Patents

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JP2004340673A
JP2004340673A JP2003135977A JP2003135977A JP2004340673A JP 2004340673 A JP2004340673 A JP 2004340673A JP 2003135977 A JP2003135977 A JP 2003135977A JP 2003135977 A JP2003135977 A JP 2003135977A JP 2004340673 A JP2004340673 A JP 2004340673A
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capacitor
signal
switched
operational amplifier
input terminal
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Takaaki Kawai
孝明 河合
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Denso Corp
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Denso Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a signal processing circuit and a dynamic quantity sensor capable of obtaining an output which does not contain noises caused by the offset voltage of an operational amplifier. <P>SOLUTION: Electric charges (3C, Voff) which are based on the offset voltage and generated when charges are transferred from switched capacitors SC1, SC2 to a switched capacitor SC3, are accumulated in a switched capacitor SC4 by charging. Consequently, an influence of the offset voltage Voff is removed from an output voltage Vout which is determined by charges accumulated in the switched capacitors SC3 by charging. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微少な信号を検出する信号処理回路、及びその信号処理回路を用いた力学量センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、力学量センサの一つといて、一般的に車載センサとして使用される容量式加速度センサが知られている。
この容量式加速度センサ101は、図3に示すように、センサエレメント102と検出回路103と制御回路106とからなる。センサエレメント102は、基板上に形成され、加速度などの力学量が加えられると基板に対して変位する梁構造体を備えている。そして、梁構造体と一体に形成された可動電極2aと、その可動電極2aの両側にて基板上に固定された固定電極2b,2cとが差動コンデンサ21,22を形成するように構成されている。
【0003】
つまり、センサエレメント102を取り付けた物体に印加される加速度の大きさに応じて梁構造体が変位すると、それに伴って可動電極2aが変位することにより、その変位の大きさに応じて差動コンデンサ21,22の容量C1,C2が相補的に変化するようにされている。
【0004】
検出回路103は、差動コンデンサ21,22の容量C1,C2の変化を電圧に変換するCV変換回路104と、CV変換回路104の出力電圧(Vcout)をサンプリングして保持すると共に、その保持した電圧を所定の感度まで増幅するサンプルホールド(S/H)回路105とを備えている。
【0005】
このうち、CV変換回路104は、反転入力端子に可動電極2aが接続され、非反転入力端子に基準電圧Vref (ここでは電源電圧VDDの1/2)が印加された演算増幅器41と、この演算増幅器41の反転入力端子と出力端子との間に並列接続されたコンデンサ42(容量Cf)およびスイッチ43とからなる。
【0006】
つまり、CV変換回路104は、可動電極2aを、基準電圧Vref に保持すると共に、スイッチ43を開放することによってセンサエレメント102から供給される電荷をコンデンサ42に充電し、また、スイッチ43を閉じることによってコンデンサ42の両端を同電位(Vref =VDD/2)とし、コンデンサ42に蓄積された電荷を放電することができるように構成されている。
【0007】
そして、センサエレメント102を構成する固定電極2bへの印加電圧をFE1、固定電極2cへの印加電圧をFE2として、制御回路106は、図4に示すように、FE1=VDD,FE2=0となる区間D1と、FE1=0,FE2=VDDとなる区間D2とが交互に繰り返されるようにセンサエレメント102への印加電圧FE1,FE2を制御する。これと共に、制御信号Xcにより、区間D1中にスイッチ43を一端閉じることでコンデンサ42を放電させてから、スイッチ43を開放する。
【0008】
このような制御を行うことにより、CV変換回路104からは、区間D1中(スイッチ43の開放後)にCV変換回路104のオフセット電圧Vs1が出力され、また、区間D2中に差動コンデンサ21,22の容量変化に応じた電圧Vs2が出力されることになる。
【0009】
一方、S/H回路105は、非反転入力端子が基準電圧Vref を供給する基準電源に接続された演算増幅器51を中心に構成され、その演算増幅器51の反転入力端子には、CV変換回路104の出力をサンプリングし、そのサンプリングにより保持した電荷を出力する一対のスイッチトキャパシタSC1,SC2からなる電荷保持部52が接続されている。また、演算増幅器51の反転入力端子と出力端子との間には、スイッチトキャパシタSC1,SC2に保持された電荷を統合して保持するスイッチトキャパシタSC3からなる統合電荷保持部53と、スイッチトキャパシタSC3と共にローパスフィルタを形成するコンデンサ54とが並列接続されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0010】
なお、スイッチトキャパシタSC1〜SC3は、いずれも同様に構成されており、コンデンサCと、コンデンサの一端を信号の入力端子或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部S1と、コンデンサの他端を信号の出力端子或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部S2とからなる。なお、スイッチ部S1,S2は、制御回路106からの制御信号X1,X2に従って動作し、制御信号X1は、区間D1中のスイッチ43のオフ後の期間中に所定期間だけオン状態となり、また、制御信号X2は、区間D2中に所定期間だけオン状態となる。
【0011】
そして、スイッチトキャパシタSC1,SC3は、制御信号X1がオンした時に、コンデンサCの両端がそれぞれ信号の入力端子及び出力端子に接続され、制御信号X2がオンした時に、コンデンサCの両端がいずれも基準電源に接続される。それ以外では、スイッチ部S1,S2は、いずれにも接続されない未接続の状態となる。このような動作を以下では「第1動作」と称する。
【0012】
また、スイッチトキャパシタSC2は、制御信号X2がオンした時に、コンデンサCの一端が基準電源、他端が出力端子に接続される第1の状態となり、制御信号X1がオンした時に、コンデンサの一端が入力端子、他端が基準電源に接続される。それ以外では、スイッチ部S1,S2は、いずれにも接続されない未接続の状態となる。このような動作を以下では「第2動作」と称する。
【0013】
つまり、制御信号X1がオンした時には、図5(a)に示す接続状態となり、また、制御信号X2がオンした時には、図5(b)に示す接続状態となる。
そして、第1動作をするように制御されるスイッチトキャパシタSC1では、区間D1にて、コンデンサの充電と、スイッチトキャパシタSC3への電荷(自身のコンデンサと同極性で充電するような電荷)の供給とを同時に行い、区間D2にて、コンデンサに蓄積された電荷の放電のみを行う。また、第2動作をするように制御されるスイッチトキャパシタSC2は、区間D1にて、コンデンサに蓄積された電荷の放電と、スイッチトキャパシタSC3への電荷(自身のコンデンサとは逆極性で充電するような電荷)の供給とを同時に行い、区間D2にて、コンデンサの充電のみを行う。
【0014】
但し、充電電荷の極性は、S/H回路105への入力電圧、即ちCV変換回路104のオフセット電圧Vs1及び検出電圧Vs2と基準電圧Vref との大小関係で決まる。
従って、スイッチトキャパシタSC3には、区間D1(制御信号X1がオン)のときに、スイッチトキャパシタSC1,SC2に充電された電荷を統合したもの(即ちS/H回路5への入力電圧Vs1,Vs2の差分に応じた電荷)が供給され、その結果、S/H回路105の出力電圧Vout は、このスイッチトキャパシタSC3の充電電荷に応じた大きさ、即ち、CV変換回路104の出力電圧Vs1,Vs2の差分に応じた大きさのものとなる。
【0015】
【特許文献1】
特開平6−224696号公報(図1)
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように構成されたS/H回路105の出力電圧Vout は、演算増幅器51の反転入力端子と非反転入力端子との間に発生するオフセット電圧Voff に基づく誤差が重畳されてしまうという問題があった。
【0017】
即ち、スイッチトキャパシタSCi(i=1〜3)において、区間D1のときにコンデンサCに蓄積される電荷Qi1、区間D2の時にコンデンサCに蓄積される電荷Qi2は、(1)〜(6)式で示される。
Q11=C{Vs1−(Vref+Voff)} (1)
Q12=C(Vref−Vref)=0 (2)
Q21=C{Vref−(Vref+Voff)} (3)
Q22=C(Vs2−Vref) (4)
Q31=C{(Vref+Voff)−Vout] (5)
Q32=C(Vref−Vref)=0 (6)
そして、区間D1の時に、各スイッチトキャパシタSC1,SC2から、スイッチトキャパシタSC3に供給される電荷Q1,Q2、及びスイッチトキャパシタSC3に充電される電荷Q3は、(7)〜(9)式で示される。
【0018】
Q1=Q11−Q12=C(Vs1−Vref−Voff) (7)
Q2=Q21−Q22=C(−Vs2+Vref−Voff) (8)
Q3=Q31−Q32=C(Vref+Voff−Vout) (9)
なお、Q1+Q2=Q3の関係から、出力電圧Vout は(10)式で示される。
【0019】
Vout=Vref+(Vs2−Vs1)+3・Voff (10)
つまり、S/H回路105の出力電圧Vout には、3・Voff もの誤差が重畳されてしまうのである。
そこで本発明は、上記問題点を解決するために、演算増幅器のオフセット電圧に起因するノイズを除去した出力が得られる信号処理回路及び力学量センサを提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の信号処理回路では、第1のスイッチングキャパシタが、第1入力信号をサンプリングし、そのサンプリングにより保持した電荷を演算増幅器の反転入力端子へ供給すると共に、第2のスイッチングキャパシタが、第2入力信号をサンプリングし、そのサンプリングにより保持した電荷を演算増幅器の反転入力端子へ供給する。
【0021】
そして、演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続された第3のスイッチングキャパシタが、これら第1及び第2の電荷保持部から供給される電荷を統合して保持することにより、第1入力信号と第2入力信号との差に応じた出力電圧を生成する。
【0022】
このとき、第1〜第3のスイッチトキャパシタの合計容量に等しい容量を有し、第1及び第2のスイッチトキャパシタが第3のスイッチトキャパシタに電荷を供給する際に、一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続される第4のスイッチトキャパシタが、前記演算増幅器の反転入力端子と非反転入力端子との間に生じるオフセット電圧にて充電される。
【0023】
つまり、第1及び第2のスイッチトキャパシタから第3のスイッチトキャパシタへの電荷供給前に、これら第1〜第3のスイッチトキャパシタに充電されている電荷は、それぞれオフセット電圧に基づく電荷分を含んだものとなっている。そして、第1及び第2のスイッチトキャパシタから第3のスイッチトキャパシタに電荷を供給する際に、第1〜第3のスイッチトキャパシタに保持される電荷のうちオフセット電圧に基づく電荷分は、第4のスイッチトキャパシタの充電に使用されるため、第3のスイッチトキャパシタに充電される電荷は、オフセット電圧に基づく電荷分を含まないものとなる。
【0024】
従って、本発明の信号処理回路によれば、演算増幅器のオフセット電圧に起因するノイズを除去した出力を得ることができる。
ところで、第1及び第2入力信号は、別々の信号線を介して供給されるように構成してもよいが、単一の信号線を介して時分割で交互に供給されるように構成してもよい。
【0025】
なお、上述の信号処理回路は、例えば、力学量センサを構成する際に好適に用いることができる。この場合、印加される力学量に応じて容量値が変化する可変容量の容量変化を、CV変換回路が電圧信号に変換する。そして、信号処理回路は、CV変換回路のオフセットレベルを示す信号を第1入力信号とし、CV変換回路にて変換された電圧レベルを示す信号を第2入力信号とするように構成すればよい。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1は、実施形態の容量式加速度センサの構成を示すブロック図である。
本実施形態の加速度センサ1は、図1に示すように、センサエレメント2、検出回路3、制御回路6からなり、また、検出回路3は、CV変換回路4、サンプルホールド(S/H)回路5からなる。
【0027】
このうち、センサエレメント2及びCV変換回路4については、従来装置のセンサエレメント102及びCV変換回路104と全く同様に構成されているため、ここでは説明を省略する。
また、S/H回路5も、演算増幅器51の反転入力端子に、スイッチトキャパシタSC4からなるオフセット補正部55が接続されている以外は、従来装置のS/H回路105と全く同様に構成されている。
【0028】
なお、スイッチトキャパシタSC1〜SC3は、いずれも同様に構成され、コンデンサ(容量C)と、コンデンサの一端を信号の入力端子或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部S1と、コンデンサの他端を信号の出力端子或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部S2とからなる。
【0029】
また、スイッチトキャパシタSC4は、一端が基準電源に接続され、スイッチトキャパシタSC1〜SC3を構成する各コンデンサの合計容量に等しい容量を有するコンデンサ(容量3C)と、コンデンサの他端を信号の出力端子(演算増幅器51の反転入力端子)或いは基準電源のいずれかに接続するスイッチ部S2とからなる。
【0030】
そして、各スイッチ部S1,S2は、制御回路6からの制御信号X1,X2に従って動作するように構成されている。
具体的には、スイッチトキャパシタSC1,SC3は、制御信号X1がオンした時に、コンデンサCの両端がそれぞれ信号の入力端子及び出力端子に接続され、制御信号X2がオンした時に、コンデンサCの両端がいずれも基準電源に接続され、それ以外では未接続となる。
【0031】
スイッチトキャパシタSC2は、制御信号X1がオンした時に、コンデンサCの一端が基準電源、他端が出力端子に接続され、制御信号X2がオンしたときに、コンデンサの一端が入力端子、他端が基準電源に接続され、それ以外では未接続となる。
【0032】
スイッチトキャパシタSC4は、制御信号X1がオンした時に、コンデンサCの一端が基準電源、他端が出力端子に接続され、制御信号X2がオンした時に、コンデンサの両端とも基準電源に接続され、それ以外では未接続となる。
つまり、制御信号X1,X2に従って動作するスイッチトキャパシタSC1〜SC4は、制御信号X1がオンした時には図2(a)に示す接続状態、制御信号X2がオンした時には図2(b)に示す接続状態となる。
【0033】
なお、制御回路6は、従来装置の制御回路106と全く同様に動作するので、ここでは説明を省略する。
このように構成された本実施形態の加速度センサ1では、CV変換回路4からは、区間D1中(スイッチ43の開放後)にCV変換回路4のオフセット電圧Vs1が出力され、また、区間D2中に差動コンデンサ21,22の容量変化に応じた電圧Vs2が出力される。
【0034】
そして、S/H回路5では、区間D1の時に、入力電圧Vs1によりスイッチトキャパシタSC1のコンデンサ(容量C)が充電され、区間D2の時に、入力電圧Vs2によりスイッチトキャパシタSC2のコンデンサ(容量C)が充電される。
【0035】
また、区間D1の時には、スイッチトキャパシタSC1,SC2のコンデンサに充電された電荷が、スイッチトキャパシタSC3,SC4に供給される。この電荷により、スイッチトキャパシタSC4のコンデンサ(容量C3)は、オフセット電圧分だけ充電される。
【0036】
このため、スイッチトキャパシタSC3のコンデンサ(容量C)に充電される電荷は、オフセット電圧に基づく電荷を含まず、S/H回路5への入力電圧Vs1,Vs2の差分に応じた電荷のみとなる。
即ち、スイッチトキャパシタSCi(i=1〜3)において、区間D1のときにコンデンサ(容量C)に蓄積される電荷Qi1、区間D2の時にコンデンサに蓄積される電荷Qi2は、上述の(1)〜(6)式で示される。
【0037】
また、スイッチトキャパシタSC4において、区間D1のときにコンデンサ(容量3C)に蓄積される電荷Q41、区間D2の時にコンデンサに蓄積される電荷Q42は、(11)〜(12)式で示される。
Q41=3C(Vref−(Vref+Voff)) (11)
Q42=3C(Vref−Vref)=0 (12)
そして、区間D1の時に、各スイッチトキャパシタSC1,SC2から、スイッチトキャパシタSC3,SC4に供給される電荷Q1,Q2、及びスイッチトキャパシタSC3に充電される電荷Q3は、上述の(7)〜(9)式で示され、スイッチトキャパシタSC4に充電される電荷Q4は、(13)式で示される。
【0038】
Q4=Q41−Q42=−3C×Voff (13)
なお、Q1+Q2=Q3+Q4の関係から、出力電圧Vout は(14)式で示される。
Vout=Vref+(Vs2−Vs1) (10)
このように、本実施形態の加速度センサ1によれば、スイッチトキャパシタSC1,SC2から、スイッチトキャパシタSC3に電荷を転送する際に発生するオフセット電圧に基づく電荷分(3C・Voff )を、スイッチトキャパシタSC4に充電することで、スイッチトキャパシタSC3の充電電荷で決まる出力電圧Vout から、オフセット電圧Voff の影響を除去している。このため、このオフセット電圧Voff に起因するノイズが除去された出力電圧Vout を得ることができ、精度の高い加速度の測定結果を得ることができる。
【0039】
なお、本実施形態において、センサエレメント2が可変容量、S/H回路5が信号処理回路、制御回路6が制御部に相当し、CV変換回路4の期間D1における出力Vs1が第1入力信号、期間D2における出力Vs2が第2入力信号に相当する。
【0040】
また、上記実施形態では、スイッチトキャパシタSC1〜SC3の各コンデンサとして、全て同じ容量のものを用いているが、スイッチトキャパシタSC3と、スイッチトキャパシタSC1,SC2とでは、コンデンサの容量を異ならせてもよい。この場合、両者の容量比を適宜調整することで、増幅率を調整することができる。
【0041】
更に、上記実施形態では、本発明を加速度センサに適用した例を示したが、センサエレメント2の検出対象は、加速度に限らず、可変コンデンサの容量を変化させることのできる力学量であれば何でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態の加速度センサの構成を示す回路図である。
【図2】サンプルホールド回路の動作を示す説明図である。
【図3】従来の加速度センサの構成を示す回路図である。
【図4】従来の加速度センサの動作、及び問題点を説明するためのタイミング図である。
【図5】従来の加速度センサにおけるサンプルホールド回路の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
1…加速度センサ、2…センサエレメント、2a…可動電極、2b,2c…固定電極、3…検出回路、4…CV変換回路、5…サンプルホールド(S/H)回路、6…制御回路、21…差動コンデンサ、41,51…演算増幅器、42,54…コンデンサ、43…スイッチ、52…電荷保持部、53…統合電荷保持部、55…オフセット補正部、SC1〜SC4…スイッチトキャパシタ。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a signal processing circuit for detecting a small signal, and a dynamic quantity sensor using the signal processing circuit.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as one of the physical quantity sensors, a capacitive acceleration sensor generally used as a vehicle-mounted sensor has been known.
As shown in FIG. 3, the capacitive acceleration sensor 101 includes a sensor element 102, a detection circuit 103, and a control circuit 106. The sensor element 102 includes a beam structure formed on a substrate and displaced with respect to the substrate when a mechanical amount such as acceleration is applied. The movable electrode 2a formed integrally with the beam structure, and the fixed electrodes 2b and 2c fixed on the substrate on both sides of the movable electrode 2a are configured to form differential capacitors 21 and 22. ing.
[0003]
That is, when the beam structure is displaced in accordance with the magnitude of the acceleration applied to the object to which the sensor element 102 is attached, the movable electrode 2a is displaced accordingly, so that the differential capacitor is displaced in accordance with the magnitude of the displacement. The capacitances C1 and C2 of the capacitors 21 and 22 are configured to change complementarily.
[0004]
The detection circuit 103 samples and holds an output voltage (Vcout) of the CV conversion circuit 104 and a CV conversion circuit 104 that converts a change in the capacitances C1 and C2 of the differential capacitors 21 and 22 into a voltage. A sample and hold (S / H) circuit 105 for amplifying the voltage to a predetermined sensitivity.
[0005]
Among them, the CV conversion circuit 104 has an operational amplifier 41 in which the movable electrode 2a is connected to the inverting input terminal and the reference voltage Vref (here, 1/2 of the power supply voltage VDD) is applied to the non-inverting input terminal, and this operational amplifier 41 It comprises a capacitor 42 (capacitance Cf) and a switch 43 connected in parallel between the inverting input terminal and the output terminal of the amplifier 41.
[0006]
That is, the CV conversion circuit 104 holds the movable electrode 2 a at the reference voltage Vref, and charges the capacitor 42 with the charge supplied from the sensor element 102 by opening the switch 43, and closes the switch 43. Thus, both ends of the capacitor 42 are set to the same potential (Vref = VDD / 2), and the electric charge accumulated in the capacitor 42 can be discharged.
[0007]
Then, the control circuit 106 sets FE1 = VDD and FE2 = 0, as shown in FIG. 4, assuming that the voltage applied to the fixed electrode 2b and the voltage applied to the fixed electrode 2c of the sensor element 102 are FE1 and FE2, respectively. The voltages FE1 and FE2 applied to the sensor element 102 are controlled so that the section D1 and the section D2 where FE1 = 0 and FE2 = VDD are alternately repeated. At the same time, the capacitor 43 is discharged by closing the switch 43 once during the section D1 according to the control signal Xc, and then the switch 43 is opened.
[0008]
By performing such control, the offset voltage Vs1 of the CV conversion circuit 104 is output from the CV conversion circuit 104 during the section D1 (after the switch 43 is opened), and the differential capacitor 21, The voltage Vs2 corresponding to the change of the capacitance 22 is output.
[0009]
On the other hand, the S / H circuit 105 mainly includes an operational amplifier 51 whose non-inverting input terminal is connected to a reference power supply that supplies a reference voltage Vref, and the inverting input terminal of the operational amplifier 51 has a CV conversion circuit 104. Is connected, and a charge holding unit 52 composed of a pair of switched capacitors SC1 and SC2 for sampling the output of the sampling capacitor and outputting the charges held by the sampling is connected. In addition, between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 51, an integrated charge holding unit 53 including a switched capacitor SC3 that integrates and holds the charges held in the switched capacitors SC1 and SC2, and together with the switched capacitor SC3. A capacitor 54 forming a low-pass filter is connected in parallel (for example, see Patent Document 1).
[0010]
Each of the switched capacitors SC1 to SC3 has the same configuration, and includes a capacitor C, a switch unit S1 for connecting one end of the capacitor to either a signal input terminal or a reference power supply, and a switch C1 for connecting the other end of the capacitor to a signal. And a switch section S2 connected to one of the output terminal of the reference power supply and the reference power supply. The switches S1 and S2 operate according to the control signals X1 and X2 from the control circuit 106, and the control signal X1 is turned on for a predetermined period during a period after the switch 43 is turned off in the section D1, and The control signal X2 is turned on for a predetermined period during the section D2.
[0011]
When the control signal X1 is turned on, both ends of the capacitor C are connected to a signal input terminal and an output terminal, respectively. When the control signal X2 is turned on, both ends of the capacitor C are connected to the switched capacitors SC1 and SC3. Connected to power supply. In other cases, the switch units S1 and S2 are not connected to any of them. Such an operation is hereinafter referred to as a “first operation”.
[0012]
When the control signal X2 is turned on, the switched capacitor SC2 is in a first state in which one end of the capacitor C is connected to the reference power supply and the other end is connected to the output terminal. When the control signal X1 is turned on, one end of the capacitor is turned off. The input terminal and the other end are connected to a reference power supply. In other cases, the switch units S1 and S2 are not connected to any of them. Such an operation is hereinafter referred to as a “second operation”.
[0013]
That is, when the control signal X1 is turned on, the connection state shown in FIG. 5A is obtained, and when the control signal X2 is turned on, the connection state shown in FIG. 5B is obtained.
Then, in the switched capacitor SC1 controlled to perform the first operation, in section D1, charging of the capacitor and supply of charge to the switched capacitor SC3 (charge to be charged with the same polarity as the own capacitor) are performed. Are performed at the same time, and only the electric charge accumulated in the capacitor is discharged in the section D2. In the section D1, the switched capacitor SC2 controlled to perform the second operation discharges the charge accumulated in the capacitor and charges the switched capacitor SC3 (to charge the switched capacitor SC3 with a polarity opposite to that of its own capacitor). Are supplied at the same time, and only the capacitor is charged in the section D2.
[0014]
However, the polarity of the charge is determined by the input voltage to the S / H circuit 105, that is, the magnitude relation between the offset voltage Vs1 and the detection voltage Vs2 of the CV conversion circuit 104 and the reference voltage Vref.
Therefore, the switched capacitor SC3 integrates the charges charged in the switched capacitors SC1 and SC2 during the section D1 (when the control signal X1 is on) (that is, the input voltages Vs1 and Vs2 of the S / H circuit 5). As a result, the output voltage Vout of the S / H circuit 105 has a magnitude corresponding to the charge of the switched capacitor SC3, that is, the output voltage Vs1, Vs2 of the CV conversion circuit 104. The size according to the difference is obtained.
[0015]
[Patent Document 1]
JP-A-6-224696 (FIG. 1)
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, the output voltage Vout of the S / H circuit 105 configured as described above has a problem that an error based on the offset voltage Voff generated between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 51 is superimposed. was there.
[0017]
That is, in the switched capacitor SCi (i = 1 to 3), the charge Qi1 stored in the capacitor C during the section D1 and the charge Qi2 stored in the capacitor C during the section D2 are expressed by the following equations (1) to (6). Indicated by
Q11 = C {Vs1- (Vref + Voff)} (1)
Q12 = C (Vref-Vref) = 0 (2)
Q21 = C {Vref- (Vref + Voff)} (3)
Q22 = C (Vs2-Vref) (4)
Q31 = C {(Vref + Voff) -Vout] (5)
Q32 = C (Vref-Vref) = 0 (6)
Then, in the section D1, the charges Q1, Q2 supplied to the switched capacitor SC3 from the switched capacitors SC1, SC2 and the charge Q3 charged to the switched capacitor SC3 are represented by the equations (7) to (9). .
[0018]
Q1 = Q11-Q12 = C (Vs1-Vref-Voff) (7)
Q2 = Q21−Q22 = C (−Vs2 + Vref−Voff) (8)
Q3 = Q31-Q32 = C (Vref + Voff-Vout) (9)
Note that the output voltage Vout is expressed by equation (10) from the relationship of Q1 + Q2 = Q3.
[0019]
Vout = Vref + (Vs2−Vs1) + 3 · Voff (10)
That is, an error of 3 · Voff is superimposed on the output voltage Vout of the S / H circuit 105.
Therefore, an object of the present invention is to provide a signal processing circuit and a dynamic quantity sensor capable of obtaining an output from which noise due to an offset voltage of an operational amplifier has been removed, in order to solve the above problems.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In the signal processing circuit of the present invention made to achieve the above object, the first switching capacitor samples the first input signal, and supplies the charge held by the sampling to the inverting input terminal of the operational amplifier. The second switching capacitor samples the second input signal and supplies the charge held by the sampling to the inverting input terminal of the operational amplifier.
[0021]
Then, the third switching capacitor connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier integrally holds the charges supplied from the first and second charge holding units, and An output voltage is generated according to a difference between the first input signal and the second input signal.
[0022]
At this time, the first and second switched capacitors have a capacity equal to the total capacity of the first to third switched capacitors, and when the first and second switched capacitors supply charges to the third switched capacitor, one end is inverted by the operational amplifier. A fourth switched capacitor connected to the input terminal is charged with an offset voltage generated between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier.
[0023]
That is, before the charge is supplied from the first and second switched capacitors to the third switched capacitor, the charges charged in the first to third switched capacitors each include a charge component based on the offset voltage. It has become something. When supplying charges from the first and second switched capacitors to the third switched capacitor, the charge component based on the offset voltage among the charges held in the first to third switched capacitors becomes the fourth component. Since it is used for charging the switched capacitor, the charge charged to the third switched capacitor does not include the charge based on the offset voltage.
[0024]
Therefore, according to the signal processing circuit of the present invention, it is possible to obtain an output from which noise due to the offset voltage of the operational amplifier has been removed.
Incidentally, the first and second input signals may be configured to be supplied via separate signal lines, but may be configured to be supplied alternately in a time-division manner via a single signal line. You may.
[0025]
The above-described signal processing circuit can be suitably used, for example, when configuring a physical quantity sensor. In this case, the CV conversion circuit converts a change in the capacitance of the variable capacitor whose capacitance value changes according to the applied mechanical quantity into a voltage signal. The signal processing circuit may be configured so that a signal indicating the offset level of the CV conversion circuit is used as the first input signal, and a signal indicating the voltage level converted by the CV conversion circuit is used as the second input signal.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the capacitive acceleration sensor according to the embodiment.
As shown in FIG. 1, the acceleration sensor 1 according to the present embodiment includes a sensor element 2, a detection circuit 3, and a control circuit 6, and the detection circuit 3 includes a CV conversion circuit 4, a sample hold (S / H) circuit. Consists of five.
[0027]
Among them, the sensor element 2 and the CV conversion circuit 4 are configured in exactly the same manner as the sensor element 102 and the CV conversion circuit 104 of the conventional device, and therefore, the description is omitted here.
The S / H circuit 5 is also configured in exactly the same way as the S / H circuit 105 of the conventional device, except that the offset correction unit 55 composed of the switched capacitor SC4 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 51. I have.
[0028]
Each of the switched capacitors SC1 to SC3 has the same configuration, and includes a capacitor (capacitance C), a switch unit S1 for connecting one end of the capacitor to either a signal input terminal or a reference power supply, and a second end of the capacitor. And a switch section S2 connected to either a signal output terminal or a reference power supply.
[0029]
One end of the switched capacitor SC4 is connected to the reference power supply, and a capacitor (capacitance 3C) having a capacitance equal to the total capacitance of the capacitors constituting the switched capacitors SC1 to SC3, and a signal output terminal ( And a switch unit S2 connected to either the inverting input terminal of the operational amplifier 51) or the reference power supply.
[0030]
Each of the switch units S1 and S2 is configured to operate according to control signals X1 and X2 from the control circuit 6.
Specifically, when the control signal X1 is turned on, both ends of the capacitor C are connected to the signal input terminal and the output terminal, respectively. When the control signal X2 is turned on, the switched capacitors SC1 and SC3 are connected to both ends of the capacitor C. Both are connected to the reference power source, and are not connected otherwise.
[0031]
When the control signal X1 is turned on, one end of the capacitor C is connected to the reference power supply, and the other end is connected to the output terminal. When the control signal X2 is turned on, the switched capacitor SC2 has one end connected to the input terminal and the other end connected to the reference terminal. Connected to power supply, otherwise unconnected.
[0032]
When the control signal X1 is turned on, one end of the capacitor C is connected to the reference power supply and the other end is connected to the output terminal. When the control signal X2 is turned on, both ends of the capacitor are connected to the reference power supply. Is not connected.
That is, the switched capacitors SC1 to SC4 that operate according to the control signals X1 and X2 have the connection state shown in FIG. 2A when the control signal X1 is turned on, and the connection state shown in FIG. 2B when the control signal X2 is turned on. It becomes.
[0033]
Since the control circuit 6 operates in exactly the same manner as the control circuit 106 of the conventional device, the description is omitted here.
In the acceleration sensor 1 of the present embodiment configured as described above, the offset voltage Vs1 of the CV conversion circuit 4 is output from the CV conversion circuit 4 during the section D1 (after the switch 43 is opened), and during the section D2. A voltage Vs2 corresponding to the change in the capacitance of the differential capacitors 21 and 22 is output to the output terminal.
[0034]
In the S / H circuit 5, the capacitor (capacitance C) of the switched capacitor SC1 is charged by the input voltage Vs1 during the section D1, and the capacitor (capacitance C) of the switched capacitor SC2 is charged by the input voltage Vs2 during the section D2. Charged.
[0035]
In the section D1, the charges charged in the capacitors of the switched capacitors SC1 and SC2 are supplied to the switched capacitors SC3 and SC4. With this charge, the capacitor (capacitance C3) of the switched capacitor SC4 is charged by the offset voltage.
[0036]
For this reason, the electric charge charged to the capacitor (capacitance C) of the switched capacitor SC3 does not include the electric charge based on the offset voltage, but becomes only the electric charge according to the difference between the input voltages Vs1 and Vs2 to the S / H circuit 5.
That is, in the switched capacitor SCi (i = 1 to 3), the charge Qi1 stored in the capacitor (capacitance C) in the section D1 and the charge Qi2 stored in the capacitor in the section D2 are (1) to (1) described above. It is shown by equation (6).
[0037]
In the switched capacitor SC4, the electric charge Q41 stored in the capacitor (capacitance 3C) in the section D1 and the electric charge Q42 stored in the capacitor in the section D2 are expressed by the equations (11) to (12).
Q41 = 3C (Vref- (Vref + Voff)) (11)
Q42 = 3C (Vref-Vref) = 0 (12)
In the section D1, the charges Q1 and Q2 supplied to the switched capacitors SC3 and SC4 and the charge Q3 charged to the switched capacitor SC3 from each of the switched capacitors SC1 and SC2 are as described in (7) to (9) above. The charge Q4 charged in the switched capacitor SC4 as shown in the equation is shown in the equation (13).
[0038]
Q4 = Q41−Q42 = −3C × Voff (13)
Note that the output voltage Vout is expressed by equation (14) from the relationship of Q1 + Q2 = Q3 + Q4.
Vout = Vref + (Vs2-Vs1) (10)
As described above, according to the acceleration sensor 1 of the present embodiment, the charge (3C · Voff) based on the offset voltage generated when the charge is transferred from the switched capacitors SC1 and SC2 to the switched capacitor SC3 is converted to the switched capacitor SC4. , The influence of the offset voltage Voff is removed from the output voltage Vout determined by the charge of the switched capacitor SC3. Therefore, it is possible to obtain the output voltage Vout from which the noise caused by the offset voltage Voff has been removed, and it is possible to obtain a highly accurate acceleration measurement result.
[0039]
In this embodiment, the sensor element 2 corresponds to a variable capacitor, the S / H circuit 5 corresponds to a signal processing circuit, the control circuit 6 corresponds to a control unit, and the output Vs1 of the CV conversion circuit 4 during a period D1 is a first input signal. The output Vs2 in the period D2 corresponds to the second input signal.
[0040]
In the above embodiment, the switched capacitors SC1 to SC3 all have the same capacitance, but the switched capacitors SC3 and the switched capacitors SC1 and SC2 may have different capacitances. . In this case, the amplification ratio can be adjusted by appropriately adjusting the capacitance ratio between the two.
[0041]
Further, in the above embodiment, the example in which the present invention is applied to the acceleration sensor has been described. However, the detection target of the sensor element 2 is not limited to the acceleration, and may be any mechanical quantity that can change the capacitance of the variable capacitor. Good.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a configuration of an acceleration sensor according to an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an operation of a sample and hold circuit.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional acceleration sensor.
FIG. 4 is a timing chart for explaining an operation of the conventional acceleration sensor and a problem.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an operation of a sample and hold circuit in a conventional acceleration sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Acceleration sensor, 2 ... Sensor element, 2a ... Movable electrode, 2b, 2c ... Fixed electrode, 3 ... Detection circuit, 4 ... CV conversion circuit, 5 ... Sample hold (S / H) circuit, 6 ... Control circuit, 21 .., Differential capacitors, 41, 51, operational amplifiers, 42, 54, capacitors, 43, switches, 52, charge holding units, 53, integrated charge holding units, 55, offset correction units, SC1 to SC4, switched capacitors.

Claims (3)

第1入力信号と第2入力信号との差に応じた出力電圧を生成する信号処理回路であって、
非反転入力端子に基準電圧が印加され出力端子から前記出力電圧を出力する演算増幅器と、
前記第1入力信号をサンプリングし、該サンプリングにより保持した電荷を、前記基準電圧に対する前記第1入力信号の極性と同極性のまま前記演算増幅器の反転入力端子へ供給する第1のスイッチトキャパシタと、
前記第2入力信号をサンプリングし、該サンプリングにより保持した電荷を、前記基準電圧に対する前記第2入力信号の極性とは極性を反転させて前記演算増幅器の反転入力端子へ供給する第2のスイッチトキャパシタと、
前記演算増幅器の反転入力端子と出力端子との間に接続され、前記第1及び第2電荷保持部から供給される電荷を統合して保持する第3のスイッチトキャパシタと、
前記第1〜第3のスイッチトキャパシタの合計容量に等しい容量を有し、前記第1及び第2のスイッチトキャパシタが前記第3のスイッチトキャパシタに電荷を供給する際に、一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、前記演算増幅器の反転入力端子と非反転入力端子との間に生じるオフセット電圧にて充電される第4のスイッチトキャパシタと、
を備えることを特徴とする信号処理回路。
A signal processing circuit that generates an output voltage according to a difference between a first input signal and a second input signal,
An operational amplifier to which a reference voltage is applied to a non-inverting input terminal and outputs the output voltage from an output terminal;
A first switched capacitor that samples the first input signal and supplies the charge held by the sampling to the inverting input terminal of the operational amplifier while maintaining the same polarity as the polarity of the first input signal with respect to the reference voltage;
A second switched capacitor that samples the second input signal and supplies the charge held by the sampling to the inverting input terminal of the operational amplifier by inverting the polarity of the second input signal with respect to the reference voltage; When,
A third switched capacitor that is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier and that integrally holds the charges supplied from the first and second charge holding units;
The first and second switched capacitors have a capacitance equal to the total capacitance of the first to third switched capacitors, and have one end connected to the operational amplifier when the first and second switched capacitors supply charges to the third switched capacitor. A fourth switched capacitor connected to an input terminal and charged with an offset voltage generated between an inverting input terminal and a non-inverting input terminal of the operational amplifier;
A signal processing circuit comprising:
前記第1及び第2入力信号は、単一の信号線を介して時分割で交互に供給されることを特徴とする請求項1に記載の信号処理回路。The signal processing circuit according to claim 1, wherein the first and second input signals are alternately supplied in a time-division manner via a single signal line. 印加される力学量に応じて容量値が変化する可変容量と、
該可変容量の容量変化を電圧信号に変換するCV変換回路と、
請求項1又は2に記載の信号処理回路と、
を備え、前記信号処理回路は、前記CV変換回路のオフセットレベルを示す信号を前記第1入力信号とし、前記CV変換回路にて変換された電圧レベルを示す信号を前記第2入力信号とすることを特徴とする力学量センサ。
A variable capacitance whose capacitance value changes according to the applied mechanical quantity;
A CV conversion circuit for converting a change in the capacitance of the variable capacitor into a voltage signal;
A signal processing circuit according to claim 1 or 2,
Wherein the signal processing circuit uses a signal indicating an offset level of the CV conversion circuit as the first input signal, and a signal indicating a voltage level converted by the CV conversion circuit as the second input signal. The physical quantity sensor characterized by the above.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010185795A (en) * 2009-02-12 2010-08-26 Toyota Central R&D Labs Inc Capacitive sensor apparatus
JP2011017590A (en) * 2009-07-08 2011-01-27 Denso Corp Capacitance type sensor device
JP2014527637A (en) * 2011-08-29 2014-10-16 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh Readout circuit for self-balancing capacitor bridge

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