JP2012073168A

JP2012073168A - 容量センサ回路

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Publication number: JP2012073168A
Application number: JP2010219242A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Sasaki; 宏昭佐々木
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP5643046B2

Abstract

【課題】測定時の温度に依存せず容量素子の電圧を得ることが可能な容量センサ回路を提供する。
【解決手段】電源とグラウンドの間に接続されるｎ個の容量素子各々の電圧に応じた信号を検出する容量センサ回路であって、ｎ個の容量素子の各々にソース端が接続される略同一のサイズのｎ個のトランジスタからなるスイッチング部２と、ｎ個のトランジスタの各々のドレイン端と電源の間に接続される定電流源３と、ｎ個のトランジスタの各々のドレイン端と電源の間に接続されるリーク電流キャンセル用トランジスタＭ０と、ｎ個のトランジスタの各々のドレイン端に接続される検出器５と、スイッチング部２のｎ個のトランジスタの１つをオンしたときにその他のトランジスタをオフする制御信号を発生する制御信号発生回路４と、を備え、オフされたｎ−１個のトランジスタから生じるリーク電流は、リーク電流キャンセル用トランジスタＭ０から生じるリーク電流によりキャンセルされることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は容量センサ回路に関する。

容量素子の電圧に応じた信号を検出する容量センサ回路として、図１に示すような回路が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この容量センサ回路における４個の容量素子の各々の容量を測定するために、制御信号発生回路４によってスイッチング部２の４個のトランジスタのうちの１つがオンになり残りがオフとなるように逐次制御される。例えば、図１には、Ｍ１をオンとして、残りをオフとするように制御される様子が示されている。

そして、オンとなったトランジスタＭ１に接続される容量素子Ｃ₁の電圧Ｖ_C1は、容量素子Ｃ₁に流れる電流Ｉ₁及びトランジスタＭ１のオン時間Ｔ_CHGより、次の式１によって測定される。

そして、オンするトランジスタをＭ１→Ｍ２→Ｍ３→Ｍ４→Ｍ１→・・・と逐次切り替えていくことにより、容量素子Ｃ₁〜Ｃ₄の状態を監視することができる。

特開平０６−２４２１５９号公報

図１に示す従来の容量センサ回路において、スイッチング部２の４個のトランジスタのうちのＭ１をオンにしてＭ２，Ｍ３，Ｍ４をオフとなるように制御したとき、検出器に流れる電流Ｉ₁には、次の式２の関係が成り立つ。

（Ｉ_C：定電流源から流れる電流、Ｉ１：オンとなったＭ１を介して流れるドレイン電流、Ｉ２〜Ｉ４：オフとなったＭ２〜Ｍ４を介して流れるリーク電流）

ここで、オフするように制御したトランジスタ、すなわちカットオフ領域（Ｖ_GS＜Ｖ_T）のトランジスタには次の式３で表されるリーク電流が流れる。なお、ドレイン−ソース間電圧Ｖ_DSが十分に大きい場合（一般的には０．１Ｖ以上の場合）、式３は式４に近似することが出来る。

（μ：キャリアの移動度、Ｃ_OX：単位面積あたりのゲート酸化膜容量、Ｗ：実効ゲート幅、Ｌ：実効ゲート長、Ｖ_GS：ゲート−ソース間電圧、Ｖ_T：閾値電圧、Ｖ_DS：ドレイン−ソース間電圧、β＝（Ｗ／Ｌ）＊μＣｏｘで表される定数、γ：定数、ｅ：電子の電荷、ｋＢ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度［Ｋ］）

なお、定電流源としては、温度に依存しないバンドギャップ回路等が用いられる。

Ｍ１〜Ｍ４が略同一のサイズおよび特性であれば、μ、Ｃ_OX、Ｗ、Ｌ、Ｖ_T，β、γ、はＭ１〜Ｍ４間で一定となる。Ｍ１のＶ_DSおよびＶ_GS、Ｍ２〜Ｍ４のＶ_DSおよびＶ_GSが一定の値である場合、一定の温度で測定するのであればカットオフ領域で動作するＭ２〜Ｍ４に流れるリーク電流Ｉ２〜Ｉ４は常に一定の値となるため、一定のＩ１が得られ、これにより、測定したい容量素子の電位Ｖ_C1を一義的に求めることが出来る。

しかし、Ｖ_Tは温度依存性を有するパラメータであるので、式４に近似出来る場合であってもリーク電流であるＩ２〜Ｉ４は温度依存性を有するため、式２より測定時の温度によってＩ１の値が変動し、これによりＶ_C1を一義的に求めることが出来ないという問題がある。

なお、Ｍ１をオンし、Ｍ２〜Ｍ４をオフした場合について説明したが、Ｍ１〜Ｍ４のいずれか一つをオンし、その他をオフにする場合にも同様の問題が生じる。

したがって、測定時の温度に依存することなく容量素子の電圧を得ることが可能な容量センサ回路を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、電源とグラウンドの間に接続されるｎ個の容量素子各々の電圧を検出する容量センサ回路であって、前記ｎ個の容量素子の各々にソース端が接続される略同一のサイズのｎ個のトランジスタからなるスイッチング部と、前記ｎ個のトランジスタの各々のドレイン端と電源の間に接続される定電流源と、前記ｎ個のトランジスタの各々のドレイン端と電源の間に接続され、かつ、ゲート端、ソース端およびバックゲート端がそれぞれ接続されたリーク電流キャンセル用トランジスタと、前記ｎ個のトランジスタの各々のドレイン端に接続されて、前記ｎ個の容量素子各々の電圧を検出する検出器と、前記スイッチング部のｎ個のトランジスタの１つをオンしたときにその他のトランジスタをオフするための制御信号を発生する制御信号発生回路と、を備え、オフされたｎ−１個のトランジスタから生じるリーク電流は、前記リーク電流キャンセル用トランジスタから生じるリーク電流によりキャンセルされる容量センサ回路により上記課題を解決することを見出し、本発明を完成させた。

本発明によれば、測定時の温度に依存することなく容量素子の電圧を得る。

従来の容量センサ回路を示す回路図である。本発明の第１の実施形態に係る容量センサ回路を示す回路図である。本発明の第２の実施形態に係る容量センサ回路を示す回路図である。リーク電流キャンセル用トランジスタとして、スイッチング部のトランジスタと同一のトランジスタを用いる場合の一例を示す図である。

［第１の実施形態］
以下、図２を参照しつつ、本発明の第１の実施形態に係る容量センサ回路について説明する。

図２に示す容量センサ回路は、電源とグラウンドの間に接続される４個の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の各々の容量に応じた信号を検出する。そして、容量センサ回路は、４個の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の各々にソース端が接続される略同一のサイズの４個のトランジスタからなるスイッチング部２と、４個のトランジスタの各々のドレイン端と電源の間に接続されて定電流ＩＣを流す定電流源３と、４個のトランジスタの各々のドレイン端と電源の間に接続されるリーク電流キャンセル用トランジスタＭ０と、４個のトランジスタの各々のドレイン端に接続される検出器５と、スイッチング部２の４個のトランジスタのうちの１つをオンし、それ以外のトランジスタをオフするための制御信号を発生する制御信号発生回路４と、を備える。

ここで、略同一のサイズとは、例えば、トランジスタそれぞれのソース面積、ドレイン面積、ゲート長、ゲート幅、および酸化膜圧等を同一のサイズとし、ドーパントの種類やドーズ量を揃えることにより形成されるトランジスタ素子の大きさが同一であることである。また、このように形成されたサイズを有するトランジスタ素子のそれぞれは、略同一の特性を有するものである。

なお、図示はしないが、容量センサ回路の内部または外部に容量素子の電荷を任意に放電することが可能な放電手段をさらに備えることができる。この放電手段は、少なくとも、測定される容量素子以外の容量素子を測定前に放電し、測定開始時において測定されない容量素子に接続されるトランジスタのソース電位を揃えるものである。この放電手段は、好ましくは測定される容量素子以外の容量素子を常に放電し、かつリーク電流が容量素子ではなく該放電手段に流れ込むようにするものである。

リーク電流キャンセル用トランジスタＭ０は、ゲート端、ソース端およびバックゲート端がそれぞれ接続されている。また、リーク電流キャンセル用トランジスタＭ０は、スイッチング部２のトランジスタＭ１〜Ｍ４の略３倍のリーク電流を流すサイズとなる。

例えばリーク電流キャンセル用トランジスタＭ０をスイッチング部２のトランジスタの略（ｎ−１）倍のサイズにすることで、リーク電流キャンセル用トランジスタＭ０は、スイッチング部２のトランジスタＭ１〜Ｍ４の略（ｎ−１）倍のリーク電流を流すトランジスタとなる。これにより、オフされたｎ−１個のトランジスタから生じるリーク電流が、リーク電流キャンセル用トランジスタＭ０から生じるリーク電流によりキャンセルされるようにすることが可能となる。

前記式３および４より、同一のβでゲート数だけが異なるトランジスタのゲート、ソース、およびドレインに同じバイアスを加えて各々のトランジスタをオフした時に流れるリーク電流は、そのトランジスタのゲート数に比例する。よって、リーク電流キャンセル用トランジスタのサイズをスイッチング部２のトランジスタの（ｎ−１）倍のサイズにするためには、リーク電流キャンセル用トランジスタとして、スイッチング部２のトランジスタのゲートのβと同一であり、かつ、ゲート数が（ｎ−１）倍のトランジスタを用いればよい。例えば、スイッチング部２のトランジスタのゲートのβと同一であり、かつ、ゲート数が（ｎ−１）倍のトランジスタとしては、図４に示すように、スイッチング部２のトランジスタＭ１〜Ｍ４のゲートと略同一のゲート（すなわち、ベータの値が略同一のゲート）を３つ備えたトランジスタを（ｎ−１）つ並列接続したものを用いることが可能である。

次に、第１の実施形態に係る容量センサ回路の動作について説明する。

まず、制御信号発生回路４から発生する制御信号によって、スイッチング部２のトランジスタＭ１をオンし、トランジスタＭ２〜Ｍ４をオフにする。このとき、測定される容量素子であるＣ１以外の容量素子Ｃ２〜４は、前述の放電手段によって電荷が放電されている。

Ｍ１をオンした直後にＶ_C1は０．１Ｖ以上になるため、オフされたトランジスタＭ２〜Ｍ４を介してＣ２〜Ｃ４に流れる電流Ｉ２〜Ｉ４は、式４で表される電流が流れる。一方、リーク電流キャンセル用トランジスタＭ０を介して流れる電流Ｉ_Lは、ゲート−ソース間が短絡されているのでＶ_GS＝０であるので、同様に式４で表される電流が流れる。

したがって、容量素子Ｃ１に流れる電流Ｉ１は、式２にＩ_Lが加わった以下の式５で表される。

ここで、リーク電流キャンセル用トランジスタＭ０はスイッチング部２のトランジスタＭ１〜Ｍ４の３倍のサイズであるので次の式６が成り立つ。

式５に式６を代入すると、電流Ｉ１は次の式７となる。

Ｉ_Cを流す電流源が、バンドギャップ特性等を利用して予め温度特性を持たないように設計された電流源であれば、Ｉ_Cは温度特性を有さないので、結果として容量素子Ｃ１に流れる電流Ｉ１も温度特性を有さなくなる。したがって、Ｉ１が温度特性を有さないので、検出器５により測定される電圧Ｖ_C1から求まる容量素子の容量を、温度特性に依存することなく式１に基づいて算出することができる。

例えば、検出器５により測定される電圧Ｖ_C1と、制御信号発生回路４により出力される制御信号に含まれるトランジスタをオンするためのオン時間と、温度特性に依存しない電流値Ｉ_Cとを取得することにより、式１に基づいて容量素子の容量を算出することができる。

なお、上記説明は各トランジスタがｎ型ＭＯＳＦＥＴである場合について行ったが、電源電圧と接地の関係を逆転させればｐ型ＭＯＳＦＥＴである場合にも同様に動作する。

［第２の実施形態］
次に、図３を参照しつつ、本発明の第２の実施形態に係る容量センサ回路について説明する。

図３に示す容量センサ回路は、図２に示す回路においてスイッチング部２と容量素子の各々の間にドレインが接続され、グラウンドにソースが接続され、制御信号を反転した信号がゲートに入力される４個のトランジスタＭ５〜Ｍ８からなる放電手段６を更に備える。

図３に示す容量センサ回路において、図２に示す第１の実施形態と同様に制御信号発生回路４から発生する制御信号によってＭ１をオンし、Ｍ２〜Ｍ４をオフするように制御したとき、該放電手段を構成するトランジスタＭ５〜Ｍ８は、Ｍ１〜Ｍ４の状態に応じて相補的に制御される。すなわち、この場合、Ｍ５をオフし、Ｍ６〜Ｍ８をオンするように制御される。

Ｍ６〜Ｍ８がオンすることにより、Ｍ２〜Ｍ４をオフしたときにＣ２〜Ｃ４に電荷が残留まっていた場合でもＭ６〜Ｍ８を介して該電荷を放電する制御が容易になる。また、Ｍ２〜Ｍ４を介して流れる電流Ｉ２〜Ｉ４もＭ６〜Ｍ８を介してグラウンドに流れるので容量素子Ｃ２〜Ｃ４に電荷が溜まることも防止することが出来るのでより高精度なセンシングが可能になる。

なお、本発明の各実施形態において、リーク電流キャンセル用トランジスタＭ０の素子サイズがトランジスタＭ１〜Ｍ４の３倍であるものとして説明した。しかし、これに限定されずに、例えば、オフされるトランジスタＭ１〜Ｍ４のリーク電流がそれぞれ等しく、また、オフされるトランジスタのリーク電流の合計がリーク電流キャンセル用トランジスタのリーク電流と同一になるようにトランジスタ素子を設計することにより本願発明を実施することができることに注意されたい。

本発明は、容量素子の電圧を監視する容量センサ回路として好適であり、容量式のタッチセンサ等に好適に用いることが出来る。

１容量素子
２スイッチング部
３定電流源
４制御信号発生回路
５検出器
６放電手段
７容量センサ回路

Claims

電源とグラウンドの間に接続されるｎ個の容量素子各々の電圧を検出する容量センサ回路であって、
前記ｎ個の容量素子の各々にソース端が接続される略同一のサイズのｎ個のトランジスタからなるスイッチング部と、
前記ｎ個のトランジスタの各々のドレイン端と電源の間に接続される定電流源と、
前記ｎ個のトランジスタの各々のドレイン端と電源の間に接続され、かつ、ゲート端、ソース端およびバックゲート端がそれぞれ接続されたリーク電流キャンセル用トランジスタと、
前記ｎ個のトランジスタの各々のドレイン端に接続されて、前記ｎ個の容量素子各々の電圧を検出する検出器と、
前記スイッチング部のｎ個のトランジスタの１つをオンしたときにその他のトランジスタをオフするための制御信号を発生する制御信号発生回路と、
を備え、
オフされたｎ−１個のトランジスタから生じるリーク電流は、前記リーク電流キャンセル用トランジスタから生じるリーク電流によりキャンセルされる
ことを特徴とする容量センサ回路。
前記リーク電流キャンセル用トランジスタは前記スイッチング部のトランジスタの略（ｎ−１）倍のサイズであることを特徴とする請求項１に記載の容量センサ回路。
放電手段を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の容量センサ回路。
前記スイッチング部のソース端各々にドレイン端が接続され、グラウンドにソース端が接続されるｎ個のトランジスタからなる放電部を更に有し、
該放電部のｎ個のトランジスタは、前記スイッチング部のｎ個のトランジスタの制御状態と相補的に制御される
ことを特徴とする請求項１または２に記載の容量センサ回路。