JP2008122186A - 検出装置、センサ及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】検出装置30は検出回路60と基準電圧供給回路20を含み、検出回路60は増幅回路70と同期検波回路100とフィルタ部110を含む。基準電圧供給回路20は、基準電圧用の第1型のオペアンプOP1を有し、増幅回路70に対してアナログ基準電圧(AGND)を供給する第1の供給回路21と、基準電圧用の第2型のオペアンプOP2を有し、フィルタ部110に対してアナログ基準電圧を供給する第2の供給回路22を含む。第1型のオペアンプOP1の差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1aとし、チャネル長をL1aとし、差動部に流れるバイアス電流をIaとし、第2型のオペアンプOP2の差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1bとし、チャネル長をL1bとし、差動部に流れるバイアス電流をIbとした場合に、W1b×L1b>W1a×L1a、Ia>Ibとなる。
【選択図】図1
Description
図1に本実施形態の検出装置30の構成例を示す。この検出装置30は駆動回路40と検出回路60を含む。更に基準電圧供給回路20を含む。なお検出装置30は図1の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。例えば、振動子10からの検出信号に基づいて同期信号を抽出できる場合等には、駆動回路40の構成を省略してもよい。
2.1 ノイズ解析
図4(A)に本実施形態で使用されるオペアンプの構成例を示す。このオペアンプは差動部200と出力部210を含む。
(P1)差動段トランジスタM1、M2のWL積W1×L1(ゲート面積)をできるだけ大きくする。これにより上式(10)の第1項が小さくなり、SvgFlcが小さくなる。
(P2)L1/L3の比率をなるべく小さくする。即ち例えばL1<L3とする。これにより、上式(10)の第2項が小さくなり、SvgFlcが小さくなる。また結果的に、能動負荷段トランジスタM3、M4のWL積W3×L3も大きくなる。
(P3)フリッカノイズSvgFlcはIdsには依存しない。従って、フリッカノイズだけを考慮するならば、Idsを小さくすることで、低消費電力化を図れる。
(Q1)電流Ids(IBD)をできるだけ大きくする。これにより上式(16)の第1項及び第2項が小さくなり、SvgThmが小さくなる。
(Q2)差動段トランジスタM1、M2のWL比RT1=W1/L1をできるだけ大きくし、能動負荷段トランジスタM3、M4のWL比RT3=W3/L3をできるだけ小さくする。即ち例えばRT1>RT3とする。
(Q3)熱ノイズSvgThmはWL積W1×L1やW3×L3には依存しない。従って、熱ノイズだけを考慮するならば、W1×L1やW3×L3を小さくすることで、オペアンプの小面積化を図れる。
上述の(P1)(Q1)から明らかなように、オペアンプのノイズを低減するためには、差動段トランジスタのWL積W1×L1を大きくしてフリッカノイズを低減し、差動部のバイアス電流IBDを大きくして熱ノイズを低減すればよい。
本実施形態では、周波数f1、f2、コーナ周波数fcrが例えば図6(B)、図6(C)のような関係になるように、第1型、第2型のオペアンプOP1、IP2のトランジスタのサイジングを行っている。
図5(C)や前述の式(10)に示すように、差動段トランジスタのWL積W1b×L1bをなるべく大きくすると共に、チャネル長L1bをなるべく小さくすることで、フリッカノイズ低減できる。従って、WL比W1b/L1bが大きくなるようなサイジングを行えば、フリッカノイズを効率的に低減できると考えられる。
次に、第1型、第2型のオペアンプOP1、OP2のレイアウト手法について説明する。図11(A)は第1型のオペアンプOP1のレイアウト例であり、図11(B)は第2型のオペアンプOP2のレイアウト例である。
図13に基準電圧供給回路20の詳細な構成例を示す。なお基準電圧供給回路20は図13の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。
図14に本実施形態の第1の変形例を示す。この第1の変形例では、フィルタ部110が出力回路116を含み、基準電圧供給回路20が第4の供給回路24を含む。
図17に本実施形態の第2の変形例を示す。この第2の変形例は検出回路60の詳細な構成例を示すものである。
図17の増幅回路70は、Q/V変換回路72、74、差動増幅回路76を含む。Q/V(I/V)変換回路72、74は、振動子10で発生した電荷(電流)を電圧に変換する。差動増幅回路76は、Q/V変換回路72、74からの出力信号VS1P、VS1Mの差動増幅を行う。
図17では、検出回路60が、同期検波回路100の前段側に設けられ、ゲインを可変に制御して感度(出力電圧の単位角速度当たりの変化量)の調整を行う感度調整回路80を含む。
同期検波回路100は、駆動回路40からの同期信号CLKに基づいて同期検波を行う。この同期検波回路100は、同期信号CLKでオン・オフ制御されるスイッチング素子SE1と、反転同期信号CLKNでオン・オフ制御されるスイッチング素子SE2を含み、シングルバランス・ミキサ方式で同期検波を行う。スイッチング素子SE1には信号VS5が入力され、スイッチング素子SE2には、信号VS5の反転信号VS5Nが入力される。
図3(A)〜図3(C)で説明した不要信号のうち、離調周波数Δf=|fd−fs|に起因する不要信号は、ジャイロの検出信号に検出側共振周波数fsの信号が混入し、この検出信号が同期検波回路100により同期検波されることにより発生する。例えばジャイロセンサの応答を良くするために、検出用振動子をアイドリング的に微少振幅で固有共振周波数fsにて振動させる場合がある。或いは、ジャイロセンサの外部からの外部振動が振動子に加わることで、検出用振動子が固有共振周波数fsにて振動してしまう場合がある。そしてこのように検出用振動子が周波数fsで振動すると、同期検波回路100に入力される信号VS5に周波数fsの信号が混入される。そして同期検波回路100は、周波数fdの同期信号CLKに基づき同期検波を行うため、周波数fdとfsの差に相当する離調周波数Δf=|fd−fs|の不要信号が生成されてしまう。
図17のようにフィルタ部110にSCF114を設けた場合、SCF114では離散時間で信号をサンプリングするため、サンプリングによる周波数の折り返し現象であるエイリアシングが生じる。
図23に本実施形態の検出装置30を含むジャイロセンサ510(広義にはセンサ)と、ジャイロセンサ510を含む電子機器500の構成例を示す。なお電子機器500、ジャイロセンサ510は図23の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。また本実施形態の電子機器500としては、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機、カーナビゲーションシステム、ロボット、ゲーム機、携帯型情報端末等の種々のものが考えられる。
16、17 検出側振動子、20 基準電圧供給回路、21 第1の供給回路、
22 第2の供給回路、23 第3の供給回路、24 第4の供給回路、
26 基準電圧発生回路、30 検出装置、40 駆動回路、42 増幅回路、
44 AGC回路、46 2値化回路、60 検出回路、70 増幅回路、
72、74 Q/V変換回路、76 差動増幅回路、80 感度調整回路、
90 オフセット調整回路、92 D/A変換回路、94 加算回路、
100 同期検波回路、110 フィルタ部、112 プリフィルタ、114 SCF、
116 出力回路(ポストフィルタ)、500 電子機器、510 ジャイロセンサ、
520 処理部、530 メモリ、540 操作部、550 表示部
Claims (18)
- 駆動信号により駆動される物理量トランスデューサから検出信号を受け、前記検出信号から所望信号を検出する検出回路と、
前記検出回路に対してアナログ基準電圧を供給する基準電圧供給回路とを含み、
前記検出回路は、
前記物理量トランスデューサからの前記検出信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路により増幅された信号に対する同期検波を行う同期検波回路と、
前記同期検波回路の後段側に設けられたフィルタ部とを含み、
前記基準電圧供給回路は、
基準電圧用の第1型のオペアンプを有し、前記増幅回路に対してアナログ基準電圧を供給する第1の供給回路と、
基準電圧用の第2型のオペアンプを有し、前記フィルタ部に対してアナログ基準電圧を供給する第2の供給回路を含み、
前記基準電圧用の第1型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1aとし、チャネル長をL1aとし、前記基準電圧用の第1型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIaとし、前記基準電圧用の第2型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1bとし、チャネル長をL1bとし、前記基準電圧用の第2型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIbとした場合に、W1b×L1b>W1a×L1a、Ia>Ibであることを特徴とする検出装置。 - 請求項1において、
キャリア信号の周波数をf1とし、キャリア信号により搬送される所望信号の周波数をf2とし、周波数−ノイズ特性におけるフリッカノイズと熱ノイズのコーナ周波数をfcrとした場合に、前記基準電圧用の1型のオペアンプでは、f1−fcr<fcr−f2であり、前記基準電圧用の第2型のオペアンプでは、fcr−f2<f1−fcrであることを特徴とする検出装置。 - 請求項1又は2において、
前記増幅回路は、
前記物理量トランスデューサからの第1、第2の検出信号の増幅を行う第1、第2の電荷/電圧変換回路又は第1、第2の電流/電圧変換回路と、
前記第1、第2の電荷/電圧変換回路又は前記第1、第2の電流/電圧変換回路からの第1、第2の出力信号の差動増幅を行う差動増幅回路を含み、
前記第1の供給回路は、
前記基準電圧用の第1型のオペアンプを用いて、前記第1、第2の電荷/電圧変換回路又は前記第1、第2の電流/電圧変換回路と前記差動増幅回路とに対してアナログ基準電圧を供給することを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記検出回路は、
前記同期検波回路の前段側に設けられ、ゲインを可変に制御して感度調整を行う感度調整回路を含み、
前記第1の供給回路は、
前記基準電圧用の第1型のオペアンプを用いて、前記感度調整回路に対してアナログ基準電圧を供給することを特徴とする検出装置。 - 請求項4において、
前記感度調整回路は、
可変ゲインアンプとして動作すると共にハイパスフィルタとして動作することを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記フィルタ部は、
離散時間型フィルタと、
前記離散時間型フィルタの前段側に設けられた連続時間型フィルタを含み、
前記第2の供給回路は、
前記基準電圧用の第2型のオペアンプを用いて、前記離散時間型フィルタに対してアナログ基準電圧を供給することを特徴とする検出装置。 - 請求項6において、
前記物理量トランスデューサは、駆動信号により駆動されて励振する振動子であり、
前記離散時間型フィルタは、
前記振動子の駆動側共振周波数fdと検出側共振周波数fsとの差に対応する離調周波数Δf=|fd−fs|の成分を除去し、所望信号の周波数成分を通過させる周波数特性を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項7において、
前記連続時間型フィルタは、
前記同期検波回路による同期検波により周波数k×fd(kは自然数)の周波数帯域に現れる不要信号の振幅を、所望信号の振幅以下に減衰する周波数特性を有し、
前記第2の供給回路は、
前記基準電圧用の第2型のオペアンプを用いて、前記連続時間型フィルタに対してアナログ基準電圧を供給することを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至8のいずれかにおいて、
前記第1の供給回路は、
前記基準電圧用の第1型のオペアンプを用いて、電圧のインピーダンス変換を行う回路であり、
前記第2の供給回路は、
前記基準電圧用の第2型のオペアンプを用いて、電圧のインピーダンス変換を行う回路であることを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至9のいずれかにおいて、
前記基準電圧供給回路は、
前記第1、第2の供給回路の前段側に設けられ、基準電圧用の第3型のオペアンプを有し、前記第1、第2の供給回路に対して電圧を供給する第3の供給回路を含み、
前記基準電圧用の第3型のオペアンプの差動部の差動段トランジスタのチャネル幅をW1cとし、チャネル長をL1cとし、前記基準電圧用の第3型のオペアンプの差動部に流れるバイアス電流をIcとした場合に、W1c×L1c>W1a×L1a、Ic>Ibであることを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至10のいずれかにおいて、
前記第1の供給回路からのアナログ基準電圧を供給するための第1のアナログ基準電圧線と、前記第2の供給回路からのアナログ基準電圧を供給するための第2のアナログ基準電圧線とが、前記基準電圧供給回路から前記検出回路に対して分離されて配線されることを特徴とする検出装置。 - 請求項11において、
前記フィルタ部は、出力信号のインピーダンス変換を行う出力回路を含み、
前記基準電圧供給回路は、
前記基準電圧用の第2型のオペアンプを有し、前記出力回路に対してアナログ基準電圧を供給する第4の供給回路を含み、
前記第1のアナログ基準電圧線と、前記第2のアナログ基準電圧線と、前記第4の供給回路からのアナログ基準電圧を供給するための第3のアナログ基準電圧線とが、前記基準電圧供給回路から前記検出回路に対して分離されて配線されることを特徴とする検出装置。 - 駆動信号により駆動される物理量トランスデューサから検出信号を受け、前記検出信号から所望信号を検出する検出回路と、
前記検出回路に対してアナログ基準電圧を供給する基準電圧供給回路とを含み、
前記検出回路は、
前記物理量トランスデューサからの前記検出信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路により増幅された信号に対する同期検波を行う同期検波回路と、
前記同期検波回路の後段側に設けられたフィルタ部とを含み、
前記基準電圧供給回路は、
基準電圧用の第1型のオペアンプを有し、前記増幅回路に対してアナログ基準電圧を供給する第1の供給回路と、
基準電圧用の第2型のオペアンプを有し、前記フィルタ部に対してアナログ基準電圧を供給する第2の供給回路を含み、
前記基準電圧用の第1型のオペアンプは、前記基準電圧用の第2型のオペアンプよりもキャリア信号の周波数での熱ノイズが低いオペアンプであり、前記基準電圧用の第2型のオペアンプは、前記基準電圧用の第1型のオペアンプよりも所望信号の周波数でのフリッカノイズが低いオペアンプであることを特徴とする検出装置。 - 請求項13において、
キャリア信号の周波数をf1とし、キャリア信号により搬送される所望信号の周波数をf2とし、周波数−ノイズ特性におけるフリッカノイズと熱ノイズのコーナ周波数をfcrとした場合に、前記基準電圧用の第1型のオペアンプでは、f1−fcr<fcr−f2であり、前記基準電圧用の第2型のオペアンプでは、fcr−f2<f1−fcrであることを特徴とする検出装置。 - 請求項13又は14において、
前記基準電圧供給回路は、
前記第1、第2の供給回路の前段側に設けられ、基準電圧用の第3型のオペアンプを有し、前記第1、第2の供給回路に対して電圧を供給する第3の供給回路を含み、
前記基準電圧用の第3型のオペアンプは、前記基準電圧用の第2型のオペアンプよりもキャリア信号の周波数での熱ノイズが低く、前記基準電圧用の第1型のオペアンプよりも所望信号の周波数でのフリッカノイズが低いオペアンプであることを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至15のいずれかにおいて、
前記物理量トランスデューサは、駆動信号により駆動されて励振する振動子であることを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至16のいずれかに記載の検出装置と、
前記物理量トランスデューサと、
を含むことを特徴とするセンサ。 - 請求項17に記載のセンサと、
前記センサの検出情報に基づいて処理を行う処理部と、
を含むことを特徴とする電子機器。
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