JP2012044260A - 電荷検出回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】差動アンプの入力側のゲイン調整を容易に行うことができる電荷検出回路を提供する。
【解決手段】電荷発生型センサ及び容量変化型センサの何れかで構成される物理量検出センサ1A,1Bの一端が差動アンプ3の負極入力端子に接続され、他端が前記差動アンプ3の正極入力端子に接続され、前記差動アンプ3の出力端子と前記負極入力端子との間にフィードバック抵抗Rf及びフィードバック容量Cfが並列に接続され、且つ前記差動アンプの正極入力端子と基準電圧との間にキャンセル抵抗Rc及びキャンセル容量Ccが並列に接続された差動型の電荷検出回路であって、前記差動アンプの負極入力端子及び正極入力端子の少なくとも一方に逆バイアス電源7,9によって逆バイアス電位が与えられた可変容量ダイオードD1,D2を接続してゲイン調整を可能とした。
【選択図】図1
【解決手段】電荷発生型センサ及び容量変化型センサの何れかで構成される物理量検出センサ1A,1Bの一端が差動アンプ3の負極入力端子に接続され、他端が前記差動アンプ3の正極入力端子に接続され、前記差動アンプ3の出力端子と前記負極入力端子との間にフィードバック抵抗Rf及びフィードバック容量Cfが並列に接続され、且つ前記差動アンプの正極入力端子と基準電圧との間にキャンセル抵抗Rc及びキャンセル容量Ccが並列に接続された差動型の電荷検出回路であって、前記差動アンプの負極入力端子及び正極入力端子の少なくとも一方に逆バイアス電源7,9によって逆バイアス電位が与えられた可変容量ダイオードD1,D2を接続してゲイン調整を可能とした。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧力センサ、マイクロフォン、加速度センサ、角速度センサ、歪ゲージ等の電荷発生型センサ又は容量変化型センサの検出回路に使用する電荷検出回路に関する。
電荷発生型センサとして代表的なものは、絶縁体の圧電素子を用いた歪ゲージや加速度センサなどがある。また、容量変化を検知するセンサとして錘を梁で保持して、固定電極を錘側面近傍に保持し、錘と固定電極間の容量を測定する加速度センサなどがある。これらのセンサはいずれも微小な電荷を測定しており、電荷−電圧変換のための電荷検出回路としてチャージアンプが用いられている。
図5に一般的なチャージアンプの構成例を示す。この構成例では、可変容量センサ又は電荷発生センサで構成されるセンサ100の一端がバイアス電圧回路101に接続され、他端が差動アンプ102の負極入力端子に接続され、この差動アンプ102の正極入力端子が接地されている。また、差動アンプ102の負極入力端子及び出力端子間にフィードバック抵抗Rf及びフィードバックコンデンサCfが並列に接続されたフィードバック回路103が接続されている。
この構成を有するチャージアンプでは、フィードバック抵抗Rfが無視できる速い時間では、センサ100で発生し、負極入力端子へ流れる正電荷Q-は差動アンプ102の負極入力端子の電位を上昇させるため、出力端子はマイナスへ動いていく。このとき、差動アンプ102の出力電圧Voutが、
Vout=−Q/Cf …………(1)
で表される電位まで下がると、センサ100から供給される電荷と、フィードバックコンデンサCfから供給される電荷とが釣り合うので、負極入力端子の電位上昇が停止され、出力電圧が安定する。
Vout=−Q/Cf …………(1)
で表される電位まで下がると、センサ100から供給される電荷と、フィードバックコンデンサCfから供給される電荷とが釣り合うので、負極入力端子の電位上昇が停止され、出力電圧が安定する。
そして、一旦釣り合った電荷はフィードバック抵抗Rfを通して開放されるので、Rf×Cfの時定数で徐々に元の電位に戻っていく。すなわち、フィードバック抵抗Rfは、直流での出力を安定させるためで、センサ100の出力には関係なく、フィードバック抵抗Rf及びフィードバックコンデンサCfで決まる周波数f0以上で回路が動作する。
f0=1/2πRfCf …………(2)
f0=1/2πRfCf …………(2)
一方、SNを向上させる目的で各種センサは、2つのペアとなる可変容量又は電荷発生部を設置して、同相信号を除去して、出力値を得る手法が一般的に行われている。最も単純な回路例では、図6に示すように、図5に示すペアとなる2個の可変容量センサ100A及び100Bとこれらに個別に接続されるチャージアンプ104A及び104Bとを用いて、2つのチャージアンプ104A及び104Bの出力値を差動アンプ105で引き算することにより、同相(コモンモード)信号を除去するようにしている。
しかしながら、図6の構成では、最低3個の差動アンプが必要になり、回路が複雑になってしまう。
この未解決の課題を解決するために、特許文献1及び2に記載されているように、1つの差動アンプを適用して、同相信号(コモンモード)信号を除去することができる。この特許文献1及び2に記載された従来例は、センサ100にバイアス電圧回路101からバイアス電圧が印加されているものとすると、図7に示すように、ペアとなる2つの可変容量センサ100A及び100Bの一端がバイアス電圧回路101に接続され、他端が差動アンプ102の負極入力端子及び正極入力端子に接続され、可変容量センサ100Bと差動アンプ102の正極入力端子との接続点と接地との間にキャンセルコンデンサCc及びキャンセル抵抗Rcを並列に接続したキャンセル回路106を接続し、このキャンセル回路106で同相信号ノイズをキャンセルするようにしている。
この未解決の課題を解決するために、特許文献1及び2に記載されているように、1つの差動アンプを適用して、同相信号(コモンモード)信号を除去することができる。この特許文献1及び2に記載された従来例は、センサ100にバイアス電圧回路101からバイアス電圧が印加されているものとすると、図7に示すように、ペアとなる2つの可変容量センサ100A及び100Bの一端がバイアス電圧回路101に接続され、他端が差動アンプ102の負極入力端子及び正極入力端子に接続され、可変容量センサ100Bと差動アンプ102の正極入力端子との接続点と接地との間にキャンセルコンデンサCc及びキャンセル抵抗Rcを並列に接続したキャンセル回路106を接続し、このキャンセル回路106で同相信号ノイズをキャンセルするようにしている。
ところで、上記特許文献1及び2に記載された従来例にあっては、1つの差動アンプを適用して同相信号を除去することができるものであるが、実際にどの程度同相信号が除去できるかを考察してみる。
先ず、フィードバックコンデンサCfとキャンセルコンデンサCcとは同一静電容量である必要があるが、静電容量の製造のバラツキを考慮すると、5〜10%程度の誤差が発生してしまう。また、入力側の電荷発生型センサ又は容量変化型センサのバラツキも同程度見込まれるので、およそ、20dBの信号除去率が見込まれる。すなわち、1/10程度の同相信号が残ることになる。
先ず、フィードバックコンデンサCfとキャンセルコンデンサCcとは同一静電容量である必要があるが、静電容量の製造のバラツキを考慮すると、5〜10%程度の誤差が発生してしまう。また、入力側の電荷発生型センサ又は容量変化型センサのバラツキも同程度見込まれるので、およそ、20dBの信号除去率が見込まれる。すなわち、1/10程度の同相信号が残ることになる。
この程度の除去率で十分な場合もあるが、高感度なセンサの場合、チャージアンプ後のゲインが百倍を超えるものもあり、回路が飽和してしまい、結果としてダイナミックレンジが減少してしまうという未解決の課題がある。
したがって、差動アンプ102の負極入力端子及び正極入力端子のマイナスゲイン及びプラスゲインの微調整が必要になる。このゲイン調整を行う場合に、図8に示すように、センサ100A及び差動アンプ102の負極入力端子の接続点と接地との間に半固定可変容量Cv1を介挿し、センサ100Bとキャンセル回路106との接続点と接地との間に半固定可変容量Cv2を介挿することが考えられる。
したがって、差動アンプ102の負極入力端子及び正極入力端子のマイナスゲイン及びプラスゲインの微調整が必要になる。このゲイン調整を行う場合に、図8に示すように、センサ100A及び差動アンプ102の負極入力端子の接続点と接地との間に半固定可変容量Cv1を介挿し、センサ100Bとキャンセル回路106との接続点と接地との間に半固定可変容量Cv2を介挿することが考えられる。
この図8のように半固定可変容量Cv1及びCb2を接続して、差動アンプ102の負極入力端子及び正極入力端子に入力される入力容量を調整することにより、ゲインの微調整が原理的には可能となる。
しかしながら、センサ用のチャージアンプは微小な電荷(たとえば10-18C程度)を測定できるように構成されているので、外部の電界等の影響を受けやすく、実際の回路では、図8で破線図示のように、センサ100A及び100B、差動アンプ102、フィードバック回路、キャンセル回路106、半固定可変容量Cv1及びCv2をシールドする必要がある。半固定可変容量Cv1及びCv2もシールド内に含まれるので、これら半固定可変容量Cv1及びCv2の容量調整を行うためにドライバーが触れると、出力が不安定になり、現実の調整は殆ど不可能である。
しかしながら、センサ用のチャージアンプは微小な電荷(たとえば10-18C程度)を測定できるように構成されているので、外部の電界等の影響を受けやすく、実際の回路では、図8で破線図示のように、センサ100A及び100B、差動アンプ102、フィードバック回路、キャンセル回路106、半固定可変容量Cv1及びCv2をシールドする必要がある。半固定可変容量Cv1及びCv2もシールド内に含まれるので、これら半固定可変容量Cv1及びCv2の容量調整を行うためにドライバーが触れると、出力が不安定になり、現実の調整は殆ど不可能である。
また、たとえ調整できたとしても、温度変化などによって、微妙に同相信号の除去率が変化した場合、再度調整する必要があり、この再調整も容易に行うことはできないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、差動アンプの入力側のゲイン調整を容易に行うことができる電荷検出回路を提供することを目的としている。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、差動アンプの入力側のゲイン調整を容易に行うことができる電荷検出回路を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、一の形態に係る電荷検出回路は、電荷発生型センサ及び容量変化型センサの何れかで構成される物理量検出センサの一端が差動アンプの負極入力端子に接続され、他端が前記差動アンプの正極入力端子に接続され、前記差動アンプの出力端子と前記負極入力端子との間にフィードバック抵抗及びフィードバック容量が並列に接続され、且つ前記差動アンプの正極入力端子と基準電圧との間にキャンセル抵抗及びキャンセル容量が並列に接続された差動型の電荷検出回路であって、前記差動アンプの負極入力端子及び正極入力端子の少なくとも一方に逆バイアス電源によって逆バイアス電位が与えられた可変容量ダイオードを接続してゲイン調整を可能としたことを特徴としている。
この構成によると、逆バイアス電源で可変容量ダイオードに与える逆バイアス電位を変化させることにより、可変容量ダイオードの静電容量を変化させて、差動アンプの負極入力端子及び正極入力端子の少なくとも一方のゲインを容易且つ正確に調整することができる。
この構成によると、逆バイアス電源で可変容量ダイオードに与える逆バイアス電位を変化させることにより、可変容量ダイオードの静電容量を変化させて、差動アンプの負極入力端子及び正極入力端子の少なくとも一方のゲインを容易且つ正確に調整することができる。
また、他の形態に係る電荷検出回路は、前記可変容量ダイオードと前記逆バイアス電源との間にローパスフィルタを介挿したことを特徴としている。
この構成によると、ローパスフィルタで逆バイアス電源の逆バイアス電圧の揺らぎを抑制することができ、可変容量ダイオードの静電容量変動を防止することができる。
この構成によると、ローパスフィルタで逆バイアス電源の逆バイアス電圧の揺らぎを抑制することができ、可変容量ダイオードの静電容量変動を防止することができる。
また、他の形態に係る電荷検出回路は、前記物理量検出センサで発生する電荷のバラツキをδQ、発生電荷の平均値をQm、フィードバック容量をCfとしたとき、電荷バラツキを容量へ見立てた値δQ・Cf/Qmとし、前記フィードバック容量Cfの製造バラツキをδCfとし、センサ容量の製造バラツキをδCsとし、前記差動アンプの入力容量のバラツキをδCinとして、前記δQ・Cf/Qm、δCf、δCs及びδCinを比較して、最も大きな値をΔCmaxとし、且つ前記可変容量ダイオードの容量可変幅をΔCdとしたとき、
ΔCmax≦ΔCd≦10×ΔCmax
の条件を満足する前記可変容量ダイオードを用いることを特徴としている。
ΔCmax≦ΔCd≦10×ΔCmax
の条件を満足する前記可変容量ダイオードを用いることを特徴としている。
この構成によると、可変容量ダイオードの容量可変幅ΔCdをΔCmax≦ΔCd≦10×ΔCmaxの範囲に設定することにより、物理量検出センサで発生する電荷のバラツキを容量に見立てた値、センサ容量のバラツキ、フィードバック容量のバラツキ、差動アンプの入力容量パラツキの最大値を可変容量ダイオードの容量可変幅ΔCdで安定して吸収することが可能となる。
本発明によれば、電荷発生型センサ又は容量変化型センサで構成される物理量検出センサの電荷を検出する差動アンプを有する電荷検出回路であって、逆バイアス電源で可変容量ダイオードに与える逆バイアス電位を変化させることにより、可変容量ダイオードの静電容量を変化させて、差動アンプの負極入力端子及び正極入力端子の少なくとも一方のゲインを容易に調整することができるという効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明に係るチャージアンプ構成を有する電荷検出回路の一実施形態を示すブロック図であって、図中、1A及び1Bはペアとなる2つの容量変化型センサで構成される物理量検出センサである。ここで、容量変化型センサとしては錘を梁で保持して固定電極を錘側面近傍に保持し、錘と固定電極間の容量を測定する加速度センサなどがあり、各物理量検出センサ1A及び1Bはいずれも微小な電荷(例えば10-18C程度)を測定している。
図1は本発明に係るチャージアンプ構成を有する電荷検出回路の一実施形態を示すブロック図であって、図中、1A及び1Bはペアとなる2つの容量変化型センサで構成される物理量検出センサである。ここで、容量変化型センサとしては錘を梁で保持して固定電極を錘側面近傍に保持し、錘と固定電極間の容量を測定する加速度センサなどがあり、各物理量検出センサ1A及び1Bはいずれも微小な電荷(例えば10-18C程度)を測定している。
各物理量検出センサ1A及び1Bは、一端は互いに接続されてバイアス電圧回路2に接続され、物理量検出センサ1Aの他端は、オペアンプで構成される差動アンプ3の負極入力端子に接続され、物理量検出センサ1Bの他端は、差動アンプ3の正極入力端子に接続されている。
この差動アンプ3の出力端子及び負極入力端子間には、抵抗値が例えば100MegaΩに設定されたフィードバック抵抗Rfと静電容量が例えば1pFに設定されたフィードバック容量Cfとを並列に接続したフィードバック回路4が接続されている。また、差動アンプ3の正極入力端子と基準電圧となる例えば接地との間には、抵抗値が例えば100MegaΩに設定されたキャンセル抵抗Rc及び静電容量が例えば1pFに設定されたキャンセル容量Ccを並列に接続したキャセル回路5が接続されている。
この差動アンプ3の出力端子及び負極入力端子間には、抵抗値が例えば100MegaΩに設定されたフィードバック抵抗Rfと静電容量が例えば1pFに設定されたフィードバック容量Cfとを並列に接続したフィードバック回路4が接続されている。また、差動アンプ3の正極入力端子と基準電圧となる例えば接地との間には、抵抗値が例えば100MegaΩに設定されたキャンセル抵抗Rc及び静電容量が例えば1pFに設定されたキャンセル容量Ccを並列に接続したキャセル回路5が接続されている。
そして、差動アンプ3の負極入力端子には、可変容量ダイオードD1のアノードが接続され、この可変容量ダイオードD1のカソードがローパスフィルタ6を介して逆バイアス電源としての直流バイアス電圧回路7に接続されている。
また、差動アンプ3の正極入力端子にも、電圧制御可変容量素子としての可変容量ダイオードD2のアノードが接続され、この可変容量イオードD2のカソードがローパスフィルタ8を介して逆バイアス電源としての直流バイアス電圧回路9に接続されている。
また、差動アンプ3の正極入力端子にも、電圧制御可変容量素子としての可変容量ダイオードD2のアノードが接続され、この可変容量イオードD2のカソードがローパスフィルタ8を介して逆バイアス電源としての直流バイアス電圧回路9に接続されている。
ここで、ローパスフィルタ6及び8は、直流バイアス電圧回路9の逆バイアス電圧の揺らぎを抑制するものであり、直流バイアス電圧回路7及び9と可変容量ダイオードD1及びD2との間に直列に接続された抵抗値が例えば100kΩに設定された抵抗Rと、この抵抗Rと可変容量ダイオードD1及びD2との接続点と接地との間に介挿された静電容量が例えば1uFに設定されたコンデンサCとで構成されている。このローパスフィルタ6及び8のカットオフ周波数は、センシング周波数より低くなければならず、理想的にはセンシング周波数の1/100以下に設定するのが望ましい。本実施形態では、カットオフ周波数は1.6Hzに設定されているが、カットオフ周波数をあまり低く設定すると、応答性が悪くなるので、後段回路の特性を考慮して、適宜設定すればよい。
また、直流バイアス回路7及び9は、その直流逆バイアス電圧が差動アンプ3の負極入力端子側に接続された直流バイアス回路7については1.3V固定とし、正極入力端子側に接続された直流バイアス回路9については直流逆バイアスを変化させるようにしている。
また、前述したセンサ1A及び1Bとしては、容量変化型の加速度センサを使用し、バイアス電圧回路2によるバイアス電圧は6Vとし、この加速度センサを1kHz、1Gの加速度で振動させて、同相信号の除去を行った。このときの加速度センサから出力される振幅と差動アンプ3の正極入力端子側の可変容量ダイオードD2に加えた逆バイアス電圧Vrとの関係を図2に示す。この図2において、縦軸の符号は位相が180deg回転する様子を示しており、丁度、逆バイアス電圧Vrが1.05Vで同相の加速度が除去されて、振幅がゼロになっている。なお、加速度センサは、同相信号を全く除去しない場合には出力信号が1Vを発生するようなセンサとなっており、±35%の範囲で信号調整することができる。電荷検出回路での容量バラツキとセンサのバラツキを考慮すると、可変範囲は±10%程度であれば良いので、図2の可変範囲はもう少し小さくすることができる。
また、前述したセンサ1A及び1Bとしては、容量変化型の加速度センサを使用し、バイアス電圧回路2によるバイアス電圧は6Vとし、この加速度センサを1kHz、1Gの加速度で振動させて、同相信号の除去を行った。このときの加速度センサから出力される振幅と差動アンプ3の正極入力端子側の可変容量ダイオードD2に加えた逆バイアス電圧Vrとの関係を図2に示す。この図2において、縦軸の符号は位相が180deg回転する様子を示しており、丁度、逆バイアス電圧Vrが1.05Vで同相の加速度が除去されて、振幅がゼロになっている。なお、加速度センサは、同相信号を全く除去しない場合には出力信号が1Vを発生するようなセンサとなっており、±35%の範囲で信号調整することができる。電荷検出回路での容量バラツキとセンサのバラツキを考慮すると、可変範囲は±10%程度であれば良いので、図2の可変範囲はもう少し小さくすることができる。
また、可変容量ダイオードD1及びD2の逆バイアス電圧Vr(V)に対する静電容量Cd(pF)の関係は、図3に示すように、逆バイアス電圧Vrが約0.3Vであるときに静電容量Cdが約6.5pF程度となり、この状態から逆バイアス電圧Vrが増加するにつれて静電容量Cdが比較的大きな変化量で低下し、逆バイアス電圧Vrが約3Vを超えると逆バイアス電圧Vrが増加するにつれて比較的小さな変化量で低下する特性となっている。本実施形態では、静電容量の可変範囲を6.5〜1.5pFとなる可変容量ダイオードD1及びD2を適用したが、これに限定されるものではなく、本実施形態の1/4程度の静電容量の可変範囲で十分に対応することができる。
ここで、可変容量ダイオードD1,D2にどのような静電容量の可変範囲が必要になるかを、本実施形態の基本となる従来例である図7のチャージアンプ回路に寄生容量を考慮した図4に示す回路に基づいて説明する。
この図4の寄生容量は、差動アンプ3に実装されているフィードバック容量Cfの他に、差動アンプ3の負極入力端子及び正極入力端子に寄生容量Cp-及びCp+が存在し、さらに正極入力端子に回路に実装されているグランド容量Cgが存在する。
この図4の寄生容量は、差動アンプ3に実装されているフィードバック容量Cfの他に、差動アンプ3の負極入力端子及び正極入力端子に寄生容量Cp-及びCp+が存在し、さらに正極入力端子に回路に実装されているグランド容量Cgが存在する。
差動アンプ3の正極入力端子に供給された電荷Q+について考えると、正極入力端子に供給された電荷は、接地した容量Cgに蓄積され、正極入力端子の電位をQ+/(Cg+Cp+)まで上昇させる。正極入力端子の電位が上昇するので、差動アンプ3の出力端子電圧も上昇するが、その値は寄生容量Cp-とフィードバック容量Cfとで分割された負極入力端子の電位が、正極入力端子の電位と等しい値のところで安定化する。すなわち、
Q+/(Cp++Cg)={Cf/(Cp-+Cf)}Vout …………(3)
なる関係が成立し、これを変換すると、
Vout={(Cp-+Cf)/(Cp++Cg)}×Q+/Cf …………(4)
となる。
Q+/(Cp++Cg)={Cf/(Cp-+Cf)}Vout …………(3)
なる関係が成立し、これを変換すると、
Vout={(Cp-+Cf)/(Cp++Cg)}×Q+/Cf …………(4)
となる。
ところで、寄生容量Cpは、電荷発生源であるセンサ自身の容量、差動アンプ3の入力容量が考えられるので、それぞれの容量をCs、Cinとおき、なおかつ、正極入力端子側と負極入力端子側の違いを符号により区別すると、
Vout={(Cs-+Cin-+Cf)/(Cs++Cin++Cg)}×Q+/Cf …(5)
となる。
この(5)式を、改めて、負極入力端子へ入力された電荷式である前述した(1)式と比較すると、Cs+=Cs-且つCp+=Cp-且つCf=Cgであるとき、電荷−電圧変換式の係数が一致し、なおかつ物理量検出センサ1A及び1Bからの発生電荷が等しいとき、完全な同相信号除去が可能となる。
これには当然製造バラツキがあるので、この製造バラツキを可変容量ダイオードD1,D2で吸収することになる。
Vout={(Cs-+Cin-+Cf)/(Cs++Cin++Cg)}×Q+/Cf …(5)
となる。
この(5)式を、改めて、負極入力端子へ入力された電荷式である前述した(1)式と比較すると、Cs+=Cs-且つCp+=Cp-且つCf=Cgであるとき、電荷−電圧変換式の係数が一致し、なおかつ物理量検出センサ1A及び1Bからの発生電荷が等しいとき、完全な同相信号除去が可能となる。
これには当然製造バラツキがあるので、この製造バラツキを可変容量ダイオードD1,D2で吸収することになる。
また、センサ1A,1Bから発生する電荷のバラツキをδQとし、発生電荷の平均値をQmとして、電荷のバラツキを容量に見立てると、δQCf/Qmとなる。
さらに、センサ1A,1Bの静電容量のバラツキをδCsとし、フィードバック容量Cf及びグランド容量CgのバラツキをδCfとし、差動アンプ3の入力容量のバラツキをδCinとすれば、これら4つの容量のバラツキの最大値をΔCmaxとし、この最大値ΔCmaxを可変容量ダイオードD1,D2の静電容量の可変幅ΔCdで吸収することになる。したがって、可変容量ダイオードD1,D2の静電容量の可変幅ΔCdは、
ΔCmax≦ΔCd …………(6)
を満足する値に設定する必要がある。また、可変容量ダイオードD1,D2の静電容量の可変幅ΔCdが大きすぎると、回路が不安定となるので、上限値は最大値ΔCmaxの10倍程度が望ましい。
さらに、センサ1A,1Bの静電容量のバラツキをδCsとし、フィードバック容量Cf及びグランド容量CgのバラツキをδCfとし、差動アンプ3の入力容量のバラツキをδCinとすれば、これら4つの容量のバラツキの最大値をΔCmaxとし、この最大値ΔCmaxを可変容量ダイオードD1,D2の静電容量の可変幅ΔCdで吸収することになる。したがって、可変容量ダイオードD1,D2の静電容量の可変幅ΔCdは、
ΔCmax≦ΔCd …………(6)
を満足する値に設定する必要がある。また、可変容量ダイオードD1,D2の静電容量の可変幅ΔCdが大きすぎると、回路が不安定となるので、上限値は最大値ΔCmaxの10倍程度が望ましい。
このため、可変容量ダイオードD1,D2の静電容量の可変幅ΔCdは、
ΔCmax≦ΔCd≦10×ΔCmax …………(7)
を満足する値に設定する。
なお、本実施形態でも、外部電界の影響を抑制するように、図1で破線図示のように、センサ1A,1B、差動アンプ3、フィードバック回路4、キャンセル回路5、可変容量ダイオードD1,D2及びローパスフィルタ6及び7を含めてシールドが施されている。
ΔCmax≦ΔCd≦10×ΔCmax …………(7)
を満足する値に設定する。
なお、本実施形態でも、外部電界の影響を抑制するように、図1で破線図示のように、センサ1A,1B、差動アンプ3、フィードバック回路4、キャンセル回路5、可変容量ダイオードD1,D2及びローパスフィルタ6及び7を含めてシールドが施されている。
次に、上記実施形態の動作を説明する。
差動アンプ3の出力端子及び負極入力端子間に接続されたフィードバック回路4と差動アンプ3の正極入力端子及び接地間に接続されたキャンセル回路5との回路定数を一致させることにより、差動アンプ3の負極入力端子に接続されるラインと正極入力端子に接続されるラインとを近接させることで、同相ノイズをある程度キャンセルことができる。
しかしながら、前述したように、フィードバックコンデンサCfとキャンセルコンデンサCcとは同一静電容量である必要があるが、静電容量の製造のバラツキを考慮すると、5〜10%程度の誤差が発生してしまう。また、入力側の容量変化型センサのバラツキも同程度見込まれるので、およそ、20dBの信号除去率が見込まれる。すなわち、1/10程度の同相(コモンモード)信号が残ることになる。
差動アンプ3の出力端子及び負極入力端子間に接続されたフィードバック回路4と差動アンプ3の正極入力端子及び接地間に接続されたキャンセル回路5との回路定数を一致させることにより、差動アンプ3の負極入力端子に接続されるラインと正極入力端子に接続されるラインとを近接させることで、同相ノイズをある程度キャンセルことができる。
しかしながら、前述したように、フィードバックコンデンサCfとキャンセルコンデンサCcとは同一静電容量である必要があるが、静電容量の製造のバラツキを考慮すると、5〜10%程度の誤差が発生してしまう。また、入力側の容量変化型センサのバラツキも同程度見込まれるので、およそ、20dBの信号除去率が見込まれる。すなわち、1/10程度の同相(コモンモード)信号が残ることになる。
このため、差動アンプ3の負極入力端子及び正極入力端子にそれぞれ可変容量ダイオードD1及びD2のアノードが接続され、これら可変容量ダイオードD1及びD2のカソードに直流バイアス電圧回路7及び9が接続されている。このうち、直流バイアス電圧回路9については出力される直流バイアス電圧Vrが1.3Vに固定され、これによって、可変容量ダイオードD2の静電容量が、図3に示すように、4.4pF程度に設定される。この可変容量ダイオードD2の静電容量Cd2がキャンセル回路5のコンデンサCcの静電容量と並列に介挿されるので、差動アンプ3の正極入力端子側の静電容量が大きくなる。
これに対して、差動アンプ3の負極入力側端子に接続されている可変容量ダイオードD1のカソードに接続された直流バイアス電圧回路7では、任意の直流バイアス電圧Vrの出力が可能である。このため、フィードバック容量Cfとキャンセル容量Ccとの静電容量のバラツキと物理量検出センサ1A及び1Bのバラツキとによる差動アンプ3の負極入力端子及び正極入力端子間の静電容量差が生じている場合に、両者間の静電容量差を補償するように、直流バイアス電圧回路7から出力される直流バイアス電圧Vrを調整する。これにより、差動アンプ3の負極入力端子及び正極入力端子のゲインを正確に調整して、S/N比を高めた状態で、同相信号ノイズを完全に除去することができる。
しかも、差動アンプ3の負極入力端子及び正極入力端子のフィードバックコンデンサCf及びキャンセルコンデンサCcの静電容量バラツキと、容量変化型センサ1A及び1Bの静電容量のバラツキとを相殺するための静電容量の調整を直流バイアス電圧回路7及び9の少なくとも一方の直流バイアス電圧Vrを調整して可変容量ダイオードD1及びD2の少なくとも一方の静電容量を調整するので、センサ1A,1B、差動アンプ3、フィードバック回路4、キャンセル回路5、可変容量ダイオードD1,D2及びローパスフィルタ6及び7を含めてシールドが施されている場合でも、静電容量の調整を安価な可変容量ダイオードを使用して正確に行うことができる。
また、可変容量ダイオードD1及びD2の容量可変幅ΔCdをΔCmax≦ΔCd≦10×ΔCmaxの範囲に設定することにより、センサ1A,1Bで発生する電荷のバラツキを静電容量に見立てた値、センサ静電容量のバラツキ、フィードバック容量のバラツキ、差動アンプの入力静電容量バラツキの最大値を可変容量ダイオードD1及びD2の容量可変幅ΔCdで安定して吸収することが可能となる。
また、各可変容量ダイオードD1及びD2に直流バイアス電圧回路7及び9の逆バイアス電圧Vrがローパスフィルタ6及び8を介して供給されるので、逆バイアス電圧Vrの揺らぎを抑制することができ、可変容量ダイオードD1及びD2の静電容量変動を防止することができる。
また、各可変容量ダイオードD1及びD2に直流バイアス電圧回路7及び9の逆バイアス電圧Vrがローパスフィルタ6及び8を介して供給されるので、逆バイアス電圧Vrの揺らぎを抑制することができ、可変容量ダイオードD1及びD2の静電容量変動を防止することができる。
なお、上記実施形態においては、差動アンプ3の負極入力端子及び正極入力端子のそれぞれに可変容量ダイオードD1及びD2と直流バイアス電圧回路7及び9とを接続し、直流バイアス電圧回路9の逆バイアス電圧Vrを固定した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、直流バイアス電圧回路7の逆バイアス電圧Vrを固定して、直流バイアス電圧回路9の逆バイアス電圧Vrを変化させるようにしてもよく、両直流バイアス電圧回路7及び9の逆バイアス電圧Vrを変化させるようにしてもよく、さらには、差動アンプ3の負極入力端子及び正極入力端子の何れか一方の可変容量ダイオード及び直流バイアス電圧回路を省略するようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、容量変化型センサに本発明を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、絶縁体の圧電素子を用いた圧力センサ、マイクロフォン、加速度センサ、角速度センサ、歪みゲージ等の電荷発生型センサに本発明のチャージアンプを適用するようにしてもよい。この場合には、電荷発生型センサの一端を差動アンプ3の負極入力端子に、他端を差動アンプ3の正極入力端子に接続する構成とすることを除いては前述した第1の実施形態と同様の構成とすることにより、差動アンプ3の負極入力端子及び正極入力端子の静電容量調整を行って、両者のゲインを調整すればよい。
1A,1B…物理量検出センサ、2…バイアス電圧回路、3…差動アンプ、4…フィードバック回路、Cf…フィードバックコンデンサ、Rf…フィードバック抵抗、5…キャンセル回路、Cc…キャンセルコンデンサ、Rc…キャンセル抵抗、D1,D2…可変容量ダイオード、6,8…ローパスフィルタ、7,9…直流バイアス電圧回路
Claims (3)
- 電荷発生型センサ及び容量変化型センサの何れかで構成される物理量検出センサの一端が差動アンプの負極入力端子に接続され、他端が前記差動アンプの正極入力端子に接続され、
前記差動アンプの出力端子と前記負極入力端子との間にフィードバック抵抗及びフィードバック容量が並列に接続され、且つ前記差動アンプの正極入力端子と基準電圧との間にキャンセル抵抗及びキャンセル容量が並列に接続された差動型の電荷検出回路であって、
前記差動アンプの負極入力端子及び正極入力端子の少なくとも一方に逆バイアス電源によって逆バイアス電位が与えられた可変容量ダイオードを接続してゲイン調整を可能としたことを特徴とする電荷検出回路。 - 前記可変容量ダイオードと前記逆バイアス電源との間にローパスフィルタを介挿したことを特徴とする請求項1に記載の電荷検出回路。
- 前記物理量検出センサで発生する電荷のバラツキをδQ、発生電荷の平均値をQm、フィードバック容量をCfとしたとき、電荷バラツキを容量へ見立てた値δQ・Cf/Qmとし、前記フィードバック容量Cfの製造バラツキをδCfとし、センサ容量の製造バラツキをδCsとし、前記差動アンプの入力容量のバラツキをδCinとして、前記δQ・Cf/Qm、δCf、δCs及びδCinを比較して、最も大きな値をΔCmaxとし、且つ前記可変容量ダイオードの容量可変幅をΔCdとしたとき、
ΔCmax≦ΔCd≦10×ΔCmax
の条件を満足する前記可変容量ダイオードを用いる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電荷検出回路。
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Cited By (5)
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---|---|---|---|---|
CN102927960A (zh) * | 2012-11-07 | 2013-02-13 | 昆山北极光电子科技有限公司 | 一种低功耗高灵敏度的应变放大装置 |
CN104539254A (zh) * | 2014-12-30 | 2015-04-22 | 苏州优谱德精密仪器科技有限公司 | 信号滤波模块 |
CN107438962A (zh) * | 2015-03-30 | 2017-12-05 | 高通股份有限公司 | 在音频放大器环路中通过噪声抵消来改进电源抑制率 |
CN108702137A (zh) * | 2016-03-30 | 2018-10-23 | 德克萨斯仪器股份有限公司 | 用于放大器的共模增益微调 |
JP2019114903A (ja) * | 2017-12-22 | 2019-07-11 | ローム株式会社 | 増幅回路、半導体装置及びモータドライバ装置 |
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2010
- 2010-08-12 JP JP2010180987A patent/JP2012044260A/ja active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102927960A (zh) * | 2012-11-07 | 2013-02-13 | 昆山北极光电子科技有限公司 | 一种低功耗高灵敏度的应变放大装置 |
CN104539254A (zh) * | 2014-12-30 | 2015-04-22 | 苏州优谱德精密仪器科技有限公司 | 信号滤波模块 |
CN107438962A (zh) * | 2015-03-30 | 2017-12-05 | 高通股份有限公司 | 在音频放大器环路中通过噪声抵消来改进电源抑制率 |
CN108702137A (zh) * | 2016-03-30 | 2018-10-23 | 德克萨斯仪器股份有限公司 | 用于放大器的共模增益微调 |
JP2019514275A (ja) * | 2016-03-30 | 2019-05-30 | 日本テキサス・インスツルメンツ合同会社 | 増幅器のための同相利得トリミング |
JP7104275B2 (ja) | 2016-03-30 | 2022-07-21 | テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド | 増幅器のための同相利得トリミング |
CN108702137B (zh) * | 2016-03-30 | 2023-06-27 | 德克萨斯仪器股份有限公司 | 用于放大器的共模增益微调 |
JP2019114903A (ja) * | 2017-12-22 | 2019-07-11 | ローム株式会社 | 増幅回路、半導体装置及びモータドライバ装置 |
JP7028631B2 (ja) | 2017-12-22 | 2022-03-02 | ローム株式会社 | 増幅回路、半導体装置及びモータドライバ装置 |
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