JP2013247396A - 電圧変換回路、センサーシステムおよび通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】差動増幅器の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させる。
【解決手段】差動増幅器ＯＰを少なくとも有するチャージアンプ１と、第１同相入力端子（＋）および第１積分出力端子がともに差動増幅器ＯＰの第１入力端子（−）と電気的に接続されたＤＣサーボ２ａと、第２同相入力端子（＋）および第２積分出力端子がともに差動増幅器ＯＰの第２入力端子（＋）と電気的に接続されたＤＣサーボ２ｂと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、容量変化型または電子励起型などの各種センサー、トランスデューサー、および通信デバイス等に接続されるチャージアンプ等の、差動増幅器を有する電圧変換回路、該電圧変換回路を備えたセンサーシステムおよび通信システム等に関する。

従来、チャージアンプ等の、差動増幅器を有する電圧変換回路に接続されるセンサーには、容量変化型のセンサーと電子励起型のセンサー等がある。容量変化型のセンサーの例としては、加速度センサーおよび衝撃センサー等があり、容量変化型のセンサーが接続されたチャージアンプは、容量変化（電荷変動）を捕捉する〔図５（ａ）参照〕。一方、電子励起型のセンサーとしては、放射線センサー、光受信センサー、および照度センサー等があり、電子励起型のセンサーが接続されたチャージアンプは、励起電子を捕捉する〔図５（ｂ）参照〕。

上記のいずれの場合でも、微少な電子の変化を捕捉するため、チャージアンプの入力端子に発生するリーク電流（またはリーク成分）が、センシング精度における課題となることが多い。例えば、図６に示すように、センサー本体（または図示しない、回路を構成する基板面、あるいは、増幅素子など）において、リーク成分による電子変動が存在すると、センサー応答由来の電子変化がリーク成分由来の電子変動に埋没してしまう可能性がある。このとき、センサーシステムの感度は、リーク成分で頭打ちとなってしまうという問題点がある。

ここで、リーク成分の発生要因としては、例えば、回路を構成する基板面の湿度が高いこと、システム内にダイオードやフォトダイオードなどを含むことなどを挙示できる。より具体的には、例えば、回路を構成する基板面の湿度が高い場合には、水分による電子の移動が生じて、リーク電流となる。また、増幅素子の入力端子の保護素子に利用するダイオードの暗電流が、リーク電流となる。さらに、センサー本体が、フォトダイオードの場合には、その暗電流がリーク電流となる。

このような、リーク電流を相殺する方法として、非特許文献１に開示されたダミーセンサーを用いてリーク電流を相殺する方法がある。

図７に示すように、この方法では、差動増幅器の逆相入力端子（−）および同相入力端子（＋）の２つの入力端子のそれぞれに、センサー本体と、ダミー用センサーとを接続する。これにより、差動増幅器の各入力端子における物理的な条件が揃うため、各入力端子で観測されるリーク成分は、ほぼ等しくなる。ここで、差動増幅器は、各入力端子に入力される電圧の差分のみを増幅して出力するので、差動増幅器からの出力電圧では、リーク成分は相殺されている。このため、センサーからの信号成分の差を増幅した結果を得ることができる。

また、図８に示すように、上記の方法では、各入力端子における物理的な条件が揃い易いため、外乱の影響を排除した増幅が可能となるというメリットを得ることもできる。例えば、各入力端子において、電磁波または物理的衝撃に対して誘起される電子は、ほぼ等しくなる。ここで、差動増幅器は、各入力端子に入力される電圧の差分のみを増幅するため、差動増幅器の出力電圧では、外乱成分は殆ど相殺され、センサーからの信号成分の差を増幅した結果を得ることができる。

しかしながら、以上の方法では、リーク電流と抵抗Ｒ（図７参照）の積が大きい場合、差動増幅器の入力電圧（例えば、同相入力電圧）が大きく変動してしまうという問題点がある。例えば、図７に示す差動増幅器の入力電圧は、ＶＣＭ±Ｒ×Ｉｌｅａｋとなる。ここで、差動増幅器の入力電圧の許容範囲は、通常、電源電圧の範囲を大きく超えることはできず、入力電圧の範囲を十分に大きくとることは困難である。このため、リーク電流と抵抗Ｒの積が、大きく変動した場合、差動増幅器の入力電圧の許容範囲を超えてしまう可能性がある。このような状態になると、差動増幅器は、増幅機能を喪失し、センサーシステムはセンシング不能になってしまうという問題点が生じる。

この問題点は、リーク電流Ｉｌｅａｋが抵抗Ｒに流れこむために生じる。このような問題点を解決する方法として、特許文献１に開示されたＤＣサーボを用いてリーク電流を相殺する方法がある。

図９に示すように、この方法では、チャージアンプの出力端子を、積分器を介して、チャージアンプの入力端子に電気的に接続し、負帰還を構成する。これにより、リーク成分を積分器に流しこみ、相殺できるようになる。この方法では、差動増幅器の入力電圧はほぼ固定され、上記の問題点は生じない。

しかしながら、図９に示すＤＣサーボを用いる方法では、差動増幅器の各入力端子の物理的な条件がアンバランスとなってしまう。このため、差動増幅器の各入力端子に生じる、外乱由来の電子励起が増幅して出力されてしまう、という別の問題点が生じ得る。

米国公開特許公報 ＵＳ２００４／０１８３３９８Ａ１（２００４年０９月２３日公開）

http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/39-05/Web_Ch4_final.pdf, P4.60 Figure4-57, Walt Kester et al, "analog Dialogue volum39, 2005, chapter4 sensor signal condition"

そこで、図９に示すＤＣサーボを用いる方法と、図７または８に示すダミーセンサーを用いる方法と、を単純に組合せることが考えられるが、このような単純な組合せでは、差動増幅器の入力電圧（またはチャージアンプの動作点）の固定と外乱由来の雑音の除去とを同時に達成することはできないという問題点がある。

例えば、図７に示すチャージアンプの出力は、入力信号の差を増幅した結果であるため、チャージアンプの出力をＤＣサーボで負帰還した量は、各入力端子間の差の関数になってしまう。

一方、チャージアンプの各入力端子に対する入力には、それぞれのリーク成分が独立して存在する。言い換えると、チャージアンプの入力側には、負帰還で相殺できる量である、各入力端子間の差に相当する物理量は存在しない。このため、ＤＣサーボを用いる方法と、ダミーセンサーを用いる方法とを単純に組合せただけでは、チャージアンプの動作点を安定させることと、外乱由来の雑音を低減させることとを同時に達成することは困難である。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、差動増幅器の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させることができる電圧変換回路などを提供することにある。

本発明の電圧変換回路は、上記の課題を解決するために、第１入力端子、第２入力端子、および、少なくとも１つの出力端子を有する差動増幅器と、上記差動増幅器の上記少なくとも１つの出力端子および上記第１入力端子の間において並列に接続された容量および抵抗と、第１同相入力端子および第１積分出力端子を有し、上記第１同相入力端子および上記第１積分出力端子がともに上記差動増幅器の上記第１入力端子と電気的に接続された第１のＤＣサーボと、第２同相入力端子および第２積分出力端子を有し、上記第２同相入力端子および上記第２積分出力端子がともに上記差動増幅器の上記第２入力端子と電気的に接続された第２のＤＣサーボと、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、差動増幅器の第１入力端子側にリーク電流が生じても、第１同相入力端子を介して第１のＤＣサーボにすべて流れ込む。一方、差動増幅器の第２入力端子側にリーク電流が生じても、第２同相入力端子を介して第２のＤＣサーボにすべて流れ込む。このため、差動増幅器の動作点は、一定の電圧値に固定される。

換言すれば、差動増幅器の第１入力端子側を第１のＤＣサーボでセンシングし、第１入力端子側に負帰還を行う。また、差動増幅器の第２入力端子側を第２のＤＣサーボでセンシングし、第２入力端子側に負帰還を行う。以上の構造では、各入力端子のリーク電流が、差動増幅器に対して負帰還を構成する抵抗に流れ込んだ場合、電圧降下を引き起こす。ここで、第１のＤＣサーボまたは第２のＤＣサーボは、この電圧降下を差動増幅器の各入力端子の手前で検知し、該電圧降下を打ち消すように、電圧出力を行う。

このため、第１のＤＣサーボまたは第２のＤＣサーボの各積分出力端子は、それぞれ、リーク電流量とほぼ一致した電流を差動増幅器の第１入力端子または第２入力端子側に流し込む。すなわち、第１入力端子側または第２入力端子側に生じる不要なリーク電流は、第１のＤＣサーボまたは第２のＤＣサーボが全て差動増幅器の第１入力端子側または第２入力端子側に流し込まれて相殺されるので、差動増幅器の各入力端子への入力電圧は、ほぼ一定の電圧レベルとなり、差動増幅器の動作点は、一定の電圧値に固定される（安定する）。このため、リーク電流による変動や、動作不能状態を排除した状態で、微弱電荷のセンシングが可能となる。

また、上記構成では、差動増幅器の第１入力端子は、第１のＤＣサーボに接続され、差動増幅器の第２入力端子は、第２のＤＣサーボに接続された構成である。このため、差動増幅器の各入力端子における物理的な条件が揃い易いため、外乱要因の雑音は、ほぼ同相モードで第１入力端子および第２入力端子に重畳する。一方、差動増幅器は、差動モードでの増幅を行う。この結果、外乱要因の雑音の影響を非常に小さくできる。

以上により、差動増幅器の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させることができる。

また、本発明の電圧変換回路は、上記の構成に加えて、上記差動増幅器は、シングルエンド構造の増幅器であっても良く、上記少なくとも１つの出力端子としての第１出力端子の他、さらに第２出力端子を有し、上記差動増幅器の上記第２出力端子および上記第２入力端子の間において並列に接続された別の容量および別の抵抗を少なくとも備える（全差動構造の）全差動増幅器であっても良い。

全差動構造の全差動増幅器を有する電圧変換回路は、シングルエンド構造の差動増幅器を有する電圧変換回路と比較して出力される信号の処理を行う際のダイナミックレンジを倍に拡大することが可能となる。

ところで、上記の全差動構造の全差動増幅器を有する電圧変換回路（以下、「全差動電圧変換回路」という）では、ＤＣオフセットに関する別の副次的な問題点が生じる。以下、この副次的な問題点について説明する。

まず、リーク電流を流す雑音源のインピーダンス（この場合は、絶縁抵抗）が、電圧変換回路の抵抗（帰還抵抗）よりも、十分に大きい場合、全差動電圧変換回路（全差動増幅器）の各入力端子間に発生する、ＤＣオフセットは、電圧変換回路の抵抗を通して抑圧される。よって、このような場合には、ＤＣオフセットに関する問題点が生じることはない。

しかしながら、リーク電流を流す雑音源のインピーダンスが、電圧変換回路の抵抗と比較して、同等のオーダーか、小さい場合には、全差動電圧変換回路（全差動増幅器）の各入力端子間に発生する、ＤＣオフセットは、電圧変換回路の抵抗を通して、抑圧される効果が小さくなってしまう。このため、このような場合には、全差動増幅器は、ＤＣオフセットを増幅してしまい、全差動増幅器は増幅機能を喪失する。その結果、電圧変換回路はセンシング不能になってしまうという問題点が生じる。

次に、全差動電圧変換回路では、リーク成分の除去は、第１のＤＣサーボまたは第２のＤＣサーボで除去できる。しかしながら、２つのＤＣサーボに、ＤＣ的なオフセットバラつきがあった場合に、全差動増幅器でＤＣ成分が増幅されてしまい、全差動増幅器は増幅機能を喪失する。その結果、上記と同様に、電圧変換回路はセンシング不能になってしまうという問題点が生じる。

以上のような副次的な問題点を解決するため、本発明の電圧変換回路は、上記の構成に加えて、第３入力端子および第３出力端子、ならびに、第４入力端子および第４出力端子を有し、上記第３入力端子が、上記全差動増幅器の上記第１出力端子に接続され、上記第３出力端子が、上記全差動増幅器の上記第１入力端子に接続され、上記第４入力端子が、上記全差動増幅器の上記第２出力端子に接続され、上記第４出力端子が、上記全差動増幅器の上記第２入力端子に接続された積分器を有するＤＣオフセット除去回路を備えることが好ましい。

上記構成によれば、全差動増幅器の第１出力端子および第２出力端子の間に生じた、ＤＣオフセット量は、積分器で検知し、全差動増幅器の第１入力端子および第２入力端子に負帰還することにより、ＤＣオフセット除去（ＤＣＯＣ）ループを構成できる。このため、ＤＣオフセットが増幅されるのを抑制でき、全差動増幅器は増幅機能を喪失することを回避できる。その結果、電圧変換回路がセンシング不能になってしまうという問題点も生じない。

また、本発明のセンサーシステムは、上記の構成に加え、上記のいずれかの電圧変換回路、センサー、および、ダミーセンサーを備え、上記差動増幅器の上記第１入力端子に上記センサーが接続され、上記第２入力端子に上記ダミーセンサーが接続されていても良い。

上記の構成によれば、差動増幅器の第１入力端子および第２入力端子における物理的な条件をほぼ完全に揃えることができる。このため、この結果、外乱要因の雑音の影響をより小さくできる。

また、本発明のセンサーシステムまたは通信システムは、上記の構成に加え、上記のいずれかの電圧変換回路と、上記電圧変換回路の上記第１入力端子および上記第２入力端子と電気的に接続されたセンシングデバイス（または受信デバイス）とを備えていても良い。

上記の構成によれば、差動増幅器の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させることができるセンサーシステムまたは通信システムを実現できる。

本発明の電圧変換回路は、以上のように、第１入力端子、第２入力端子、および、少なくとも１つの出力端子を有する差動増幅器と、上記差動増幅器の上記少なくとも１つの出力端子および上記第１入力端子の間において並列に接続された容量および抵抗と、第１同相入力端子および第１積分出力端子を有し、上記第１同相入力端子および上記第１積分出力端子がともに上記差動増幅器の上記第１入力端子と電気的に接続された第１のＤＣサーボと、第２同相入力端子および第２積分出力端子を有し、上記第２同相入力端子および上記第２積分出力端子がともに上記差動増幅器の上記第２入力端子と電気的に接続された第２のＤＣサーボと、を備える構成である。

それゆえ、差動増幅器の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させることができるという効果を奏する。

本発明におけるセンサーシステムの実施の一形態を示す回路図である。 本発明におけるセンサーシステムの他の実施形態を示す回路図である。 本発明におけるセンサーシステムのさらに他の実施形態を示す回路図であり、（ａ）は、シングルエンド構造のセンサーシステムを示し、（ｂ）は、全差動構造のセンサーシステムを示す。 本発明における通信システムの実施の一形態を示す回路図であり、（ａ）は、シングルエンド構造の通信システムを示し、（ｂ）は、全差動構造の通信システムを示す。 チャージアンプに接続されるセンサーの類型を説明するための図であり、（ａ）は、容量変化（電荷変動）型の電圧変換手段（チャージアンプ）を示し、（ｃ）は、電子励起型の電圧変換手段を示す。 チャージアンプの入力端子側に生じるリーク成分とセンサー応答との関係を説明するための図である。 ダミーセンサーを用いたリーク成分の相殺方法（従来のセンサーシステム）を説明するための図である。 図７に示すセンサーシステムの外乱耐性を説明するための図である。 ＤＣサーボを用いたリーク成分の相殺方法（従来のセンサーシステム）を説明するための図である。

本発明の一実施形態について図１〜図４に基づいて説明すれば、次の通りである。以下の特定の実施形態で説明する構成以外の構成については、必要に応じて説明を省略する場合があるが、他の実施形態で説明されている場合は、その構成と同じである。また、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。さらに、後述する各構成の仕様等（例えば、抵抗の抵抗値やコンデンサの容量など）は、本発明の本質とはあまり関係がなく、必要に応じて適宜設定すれば良いので、以下の説明では省略する。

なお、以下の説明では、本発明の電圧変換回路の実施の一形態として本発明をチャージアンプに適用した形態、該チャージアンプを備えたセンサーシステムおよび通信システム等の各形態について説明する。しかしながら、本発明を適用可能な形態は、これらの形態に限られない。すなわち、本発明は、検出信号や受信信号を出力する２つの信号出力端子を有する信号出力デバイスに接続され、シングルエンド構造または全差動構造で変換電圧を出力する、任意の帰還抵抗を有する差動増幅器を備えた電圧変換回路などに適用することができる。

〔実施の形態１〕
まず、図１に基づき、本発明の実施の一形態であるセンサーシステム（電圧変換回路）１０（シングルエンド構造）の構成について説明する。図１は、センサーシステム１０の概要構成を示す回路図である。

なお、以下では、本実施形態のセンサーシステム１０からセンサーＳ１およびダミーセンサーＳ２を除外した形態も、本発明の電圧変換回路の実施の一形態であるものとして説明する。すなわち、後述する差動増幅器ＯＰの第１入力端子および第２入力端子における物理的な条件を揃え易くするという観点からは、本実施形態のダミーセンサーＳ２の存在は必ずしも必須の構成ではない。例えば、本発明のセンサーシステムまたは通信システムは、後述するセンシングデバイス（トランスデューサー）３や、受信デバイス５などのように、検出信号や受信信号を出力する２つの信号出力端子を有する任意の信号出力デバイスに接続された形態に適用することが可能である。なお、後述するセンサーシステム２０についても同様であるので、以下では同様の説明は省略する。

（センサーシステム１０）
同図に示すように、本実施形態のセンサーシステム１０は、センサーＳ１、ダミーセンサーＳ２、チャージアンプ１、ＤＣサーボ（第１のＤＣサーボ）２ａ、およびＤＣサーボ（第２のＤＣサーボ）２ｂを備えている。

（チャージアンプ１）
また、同図に示すように、チャージアンプ１は、差動増幅器ＯＰ、抵抗Ｒ１およびＲ２、ならびに、コンデンサ（容量）Ｃ１およびＣ２を備えている。

差動増幅器ＯＰの第１入力端子（−；逆相入力端子）は、入力端子Ｔｉｎ１に接続され、第２入力端子（＋；同相入力端子）は、入力端子Ｔｉｎ２に接続されている。また、差動増幅器ＯＰの出力端子は、出力端子Ｔｏｕｔに接続されている。また、差動増幅器ＯＰの第１入力端子および出力端子間には、負帰還を構成する抵抗Ｒ１（負帰還抵抗）およびコンデンサＣ１（負帰還容量）が並列に接続されている。なお、差動増幅器ＯＰの第２入力端子側には、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ２が接続されているが、これらの構成は、本発明の本質とはあまり関係がない構成なので、その説明は省略する。

（ＤＣサーボ２ａ、ＤＣサーボ２ｂ）
ＤＣサーボ２ａは、積分器であり、差動増幅器ＡＭＰ１、トランジスタＭ１、コンデンサＣ３、および抵抗Ｒ３を備えている。

差動増幅器ＡＭＰ１の出力端子（第１積分出力端子）は、トランジスタＭ１のゲート端子に接続され、トランジスタＭ１のドレイン端子を介して差動増幅器ＯＰの第１入力端子および入力端子Ｔｉｎ１間の接続点に接続されている。なお、トランジスタＭ１のソース端子は接地されている。

差動増幅器ＡＭＰ１の同相入力端子（＋；第１同相入力端子）は、差動増幅器ＯＰの第１入力端子および入力端子Ｔｉｎ１間の接続点に接続され、これにより、差動増幅器ＯＰの入力端子側で負帰還を構成している。

差動増幅器ＡＭＰ１の逆相入力端子（−）および出力端子間には、負帰還容量であるコンデンサＣ３が接続されている。これにより、ＤＣサーボ２ａは、積分器としての機能を有する。

また、コンデンサＣ３と差動増幅器ＡＭＰ１の逆相入力端子との接続点は、抵抗Ｒ３を介して基準電圧レベルＶＣＭに接続されている。

次に、ＤＣサーボ２ｂは、ＤＣサーボ２ａと同様、積分器であり、差動増幅器ＡＭＰ２、トランジスタＭ２、コンデンサＣ４、および抵抗Ｒ４を備えている。

ＤＣサーボ２ｂは、以下の２点が、ＤＣサーボ２ａと異なっているのみであり、その他の構成は、ＤＣサーボ２ａとほぼ同様である。よって、以下、この異なる点のみを示す。

すなわち、ＤＣサーボ２ｂは、
（１）差動増幅器ＡＭＰ２の出力端子（第２積分出力端子）が、トランジスタＭ２のゲート端子に接続され、トランジスタＭ２のドレイン端子を介して差動増幅器ＯＰの第２入力端子および入力端子Ｔｉｎ２間の接続点に接続されている点。
（２）差動増幅器ＡＭＰ２の同相入力端子（第２同相入力端子）が、差動増幅器ＯＰの第２入力端子および入力端子Ｔｉｎ２間の接続点に接続されている点。

（センサーＳ１、ダミーセンサーＳ２）
センサーＳ１は、入力端子Ｔｉｎ１を介して、差動増幅器ＯＰの第１入力端子（−）に接続され、ダミーセンサーＳ２は、入力端子Ｔｉｎ２を介して差動増幅器ＯＰの第２入力端子（＋）に接続されている。なお、リーク電流ＩＬ１およびリーク電流ＩＬ２は、それぞれ、入力端子Ｔｉｎ１、入力端子Ｔｉｎ２に流れ込むリーク電流（またはリーク成分）を仮想的に示している。

上記の構成によれば、差動増幅器ＯＰの第１入力端子および第２入力端子における物理的な条件をほぼ完全に揃えることができる。このため、この結果、外乱要因の雑音の影響をより小さくできる。

（センサーシステム１０の効果）
センサーシステム１０によれば、差動増幅器ＯＰの第１入力端子側にリーク電流ＩＬ１が生じても、第１同相入力端子を介してＤＣサーボ２ａにすべて流れ込む。一方、差動増幅器ＯＰの第２入力端子側にリーク電流ＩＬ２が生じても、第２同相入力端子を介してＤＣサーボ２ｂにすべて流れ込む。このため、チャージアンプ１の動作点は、一定の電圧値（基準電圧レベルＶＣＭ）に固定される。

換言すれば、差動増幅器ＯＰの第１入力端子側をＤＣサーボ２ａでセンシングし、第１入力端子側に負帰還を行う。また、差動増幅器ＯＰの第２入力端子側をＤＣサーボ２ｂでセンシングし、第２入力端子側に負帰還を行う。以上の構造では、チャージアンプ１の各入力端子にリーク電流ＩＬ１またはＩＬ２が流れこむと、チャージアンプ１の抵抗Ｒ１で、電圧降下を引き起こす。

ここで、ＤＣサーボ２ａまたはＤＣサーボ２ｂは、この電圧降下を差動増幅器ＯＰの各入力端子の手前で検知し、基準電圧レベルＶＣＭと比較し、該電圧降下を打ち消すように、電圧出力を行う。

このため、ＤＣサーボ２ａまたはＤＣサーボ２ｂの各出力端子は、それぞれ、トランジスタＭ１またはＭ２を介して、リーク電流量とほぼ一致した電流を差動増幅器ＯＰの第１入力端子側または第２入力端子側に流し込む。すなわち、第１入力端子側または第２入力端子側に生じる不要なリーク電流ＩＬ１またはＩＬ２は、ＤＣサーボ２ａまたはＤＣサーボ２ｂ（トランジスタＭ１またはＭ２）が全て差動増幅器ＯＰの第１入力端子側または第２入力端子側に流し込まれて相殺されるので、チャージアンプ１の第１入力端子への入力電圧は、ほぼ一定の電圧レベルとなり、チャージアンプ１（または差動増幅器ＯＰ）の動作点は、一定の電圧値（基準電圧レベルＶＣＭ）に固定される（安定する）。このため、リーク電流による変動や、動作不能状態を排除した状態で、微弱電荷のセンシングが可能となる。

また、上記構成では、差動増幅器ＯＰの第１入力端子は、ＤＣサーボ２ａに接続され、差動増幅器ＯＰの第２入力端子は、ＤＣサーボ２ｂに接続された構成である。このため、差動増幅器ＯＰの各入力端子における物理的な条件が揃い易いため、外乱要因の雑音は、ほぼ同相モードで差動増幅器ＯＰの第１入力端子および第２入力端子に重畳する。一方、チャージアンプ１は、差動モードでの増幅を行う。この結果、外乱要因の雑音の影響を非常に小さくできる。

以上により、チャージアンプ１（または差動増幅器ＯＰ）の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させることができる。

〔実施の形態２〕
次に、図２に基づき、本発明の他の実施形態であるセンサーシステム（電圧変換回路）２０（全差動構造）の構成について説明する。図２は、センサーシステム２０の概要構成を示す回路図である。

センサーシステム２０は、上述したセンサーシステム１０と比較して、
（１）シングルエンド構造の差動増幅器ＯＰが、全差動構造の全差動増幅器ＯＰ‐ｂに置換されている点。
（２）センサーシステム１０で差動増幅器ＯＰの第２入力端子側に接続されていた、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ２に変えて、ＤＣＯＣ（ＤＣオフセット除去回路）１ｂが接続されて負帰還を構成している点が異なるものの、それ以外の構成は、上述したセンサーシステム１０の構成と概ね同じである。よって、以下、上記の異なる点のみについて説明する。

（全差動チャージアンプ１ａ）
全差動チャージアンプ１ａは、全差動増幅器ＯＰ‐ａ、抵抗Ｒ１ａおよびコンデンサＣ１ａ、ならびに、抵抗（別の抵抗）Ｒ１ｂおよびコンデンサ（別の容量）Ｃ１ｂを備えている。

全差動増幅器ＯＰ‐ａは、全差動構造の差動増幅器であり、全差動増幅器ＯＰ‐ａの第１入力端子（−；逆相入力端子）は、入力端子Ｔｉｎ１に接続され、第２入力端子（＋；同相入力端子）は、入力端子Ｔｉｎ２に接続されている。

また、差動増幅器ＯＰの第１出力端子（＋；同相出力端子）は、出力端子（第１出力端子）Ｔｏｕｔ１に接続され、第２出力端子（−；逆相出力端子）は、出力端子（第２出力端子）Ｔｏｕｔ２に接続されている。また、全差動増幅器ＯＰ‐ａの第１入力端子および第１出力端子間には、負帰還を構成する抵抗Ｒ１ａおよびコンデンサＣ１ａが並列に接続され、さらに、負帰還を構成する抵抗Ｒ１ｂおよびコンデンサＣ１ｂが並列に接続されている。

（センサーシステム２０の効果）
全差動構造の全差動増幅器ＯＰ‐ａを有するセンサーシステム２０（全差動チャージアンプ１ａ）は、シングルエンド構造の差動増幅器ＯＰを有するセンサーシステム１０（チャージアンプ１）と比較して出力される信号の処理を行う際のダイナミックレンジを倍に拡大することが可能となる。

（ＤＣＯＣ１ｂ）
ところで、上記の全差動チャージアンプ１ａでは、ＤＣオフセットに関する別の副次的な問題点が生じる。以下、この副次的な問題点について説明する。

まず、リーク電流を流す雑音源のインピーダンス（この場合は、絶縁抵抗）が、抵抗Ｒ１ａまたはＲ１ｂよりも、十分に大きい場合、全差動チャージアンプ１ａの各入力端子間に発生する、ＤＣオフセットは、抵抗Ｒ１ａまたはＲ１ｂを通して抑圧される。よって、このような場合には、ＤＣオフセットに関する問題点が生じることはない。

しかしながら、リーク電流を流す雑音源のインピーダンスが、抵抗Ｒ１ａまたはＲ１ｂと比較して、同等のオーダーか、小さい場合には、全差動増幅器ＯＰ‐ａの各入力端子間に発生する、ＤＣオフセットは、抵抗Ｒ１ａまたはＲ１ｂを通して、抑圧される効果が小さくなってしまう。このため、このような場合には、全差動増幅器ＯＰ‐ａは、ＤＣオフセットを増幅してしまい、全差動増幅器ＯＰ‐ａは増幅機能を喪失する。その結果、センサーシステムはセンシング不能になってしまうという問題点が生じる。

次に、全差動チャージアンプ１ａでは、リーク成分の除去は、ＤＣサーボ２ａまたはＤＣサーボ２ｂで除去できる。しかしながら、２つのＤＣサーボに、ＤＣ的なオフセットバラつきがあった場合に、全差動チャージアンプ１ａでＤＣ成分が増幅されてしまい、全差動増幅器ＯＰ‐ａは増幅機能を喪失する。その結果、上記と同様に、センサーシステムはセンシング不能になってしまうという問題点が生じる。

以上のような副次的な問題点を解決するため、本実施形態のセンサーシステム２０では、ＤＣＯＣ１ｂを設けている。

図２に示すようにＤＣＯＣ１ｂは、全差動増幅器ＯＰ‐ｂ、コンデンサＣ２ａ、コンデンサＣ２ｂ、抵抗Ｒ２ａ、抵抗Ｒ２ｂ、トランジスタＭ３、および、トランジスタＭ４を備えている。

全差動増幅器ＯＰ‐ｂは、逆相入力端子（−；第３入力端子）、同相入力端子（＋；第４入力端子）、同相出力端子（＋；第３出力端子）、および、逆相出力端子（−；第４出力端子）を有している。

全差動増幅器ＯＰ‐ｂの第３入力端子は、全差動増幅器ＯＰ‐ａの第１出力端子に抵抗Ｒ２ａを介して接続されている。また、全差動増幅器ＯＰ‐ｂの第３出力端子は、トランジスタＭ３のゲート端子に接続され、トランジスタＭ３のドレイン端子を介して、全差動増幅器ＯＰ‐ａの第１入力端子に接続されている。

一方、全差動増幅器ＯＰ‐ｂの第４入力端子は、抵抗Ｒ２ｂを介して、全差動増幅器ＯＰ‐ａの第２出力端子に接続されている。また、全差動増幅器ＯＰ‐ｂの第４出力端子は、トランジスタＭ４のゲート端子に接続され、トランジスタＭ４のドレイン端子を介して、全差動増幅器ＯＰ‐ａの第２入力端子に接続されている。

また、全差動増幅器ＯＰ‐ｂの第３入力端子および第３出力端子間には、負帰還容量であるコンデンサＣ２ａが接続され、第４入力端子および第４出力端子間には、負帰還容量であるコンデンサＣ２ｂが接続されている。これにより、ＤＣＯＣ１ｂは、積分器としての機能を有する。なお、トランジスタＭ３およびＭ４のそれぞれのソース端子は、ともに接地されている。

上記構成によれば、全差動チャージアンプ１ａ（全差動増幅器ＯＰ‐ａ）の第１出力端子および第２出力端子の間に生じた、ＤＣオフセット量は、全差動増幅器ＯＰ‐ｂ（積分器）で検知し、全差動チャージアンプ１ａの第１入力端子および第２入力端子に負帰還することにより、ＤＣオフセット除去（ＤＣＯＣ）ループを構成できる。このため、ＤＣオフセットが増幅されるのを抑制でき、全差動増幅器ＯＰ‐ａは増幅機能を喪失することを回避できる。その結果、センサーシステムがセンシング不能になってしまうという問題点も生じない。

〔実施の形態３〕
次に、図３に基づき、本発明の他の実施形態であるセンサーシステム３０および４０の構成について説明する。図３は、センサーシステム３０および４０の概要構成を示す回路図である。図３（ａ）は、シングルエンド構造のセンサーシステム３０を示し、図３（ｂ）は、全差動構造のセンサーシステム４０を示す。なお、以下では、センサーシステム３０および４０からセンシングデバイス（トランスデューサー）３および信号処理回路４を除外した形態が、本発明の電圧変換回路の実施の一形態に対応しているものとして説明する。

図３（ａ）センサーシステム３０は、シングルエンド構造のセンサーシステム１０からセンサーＳ１およびダミーセンサーＳ２を除外し、入力端子Ｔｉｎ１および入力端子Ｔｉｎ２をセンシングデバイス３の２つの信号出力端子に接続し、出力端子Ｔｏｕｔに信号処理回路４を接続したものである。

上記の構成によれば、チャージアンプ１（差動増幅器ＯＰ）の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させることができるセンサーシステム３０を実現できる。

図３（ｂ）センサーシステム４０は、全差動構造のセンサーシステム２０からセンサーＳ１およびダミーセンサーＳ２を除外し、入力端子Ｔｉｎ１および入力端子Ｔｉｎ２をセンシングデバイス３の２つの信号出力端子に接続し、出力端子Ｔｏｕｔ１および出力端子Ｔｏｕｔ２に信号処理回路４を接続したものである。

上記の構成によれば、チャージアンプ１ａ（全差動増幅器ＯＰ‐ａ）の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させることができるセンサーシステム４０を実現できる。また、上記構成によれば、ＤＣＯＣ１ｂを備えているため、ＤＣオフセットが増幅されるのを抑制でき、全差動増幅器ＯＰ‐ａは増幅機能を喪失することを回避できる。その結果、センサーシステムがセンシング不能になってしまうという問題点も生じない。

〔実施の形態４〕
次に、図４に基づき、本発明のさらに他の実施形態である通信システム５０および６０の構成について説明する。図４は、通信システム５０および６０の概要構成を示す回路図である。図４（ａ）は、シングルエンド構造の通信システム５０を示し、図４（ｂ）は、全差動構造の通信システム６０を示す。なお、以下では、通信システム５０および６０から信号処理回路４および受信デバイス５を除外した形態が、本発明の電圧変換回路の実施の一形態に対応しているものとして説明する。

図４（ａ）通信システム５０は、シングルエンド構造のセンサーシステム１０からセンサーＳ１およびダミーセンサーＳ２を除外し、入力端子Ｔｉｎ１および入力端子Ｔｉｎ２を受信デバイス５の２つの信号出力端子に接続し、出力端子Ｔｏｕｔに信号処理回路４を接続したものである。

なお、通信システム５０は、通信路ＮＴを介して外部通信システム６と通信可能となっている。この通信路ＮＴは、通信信号を伝送可能であればよく、特に限定されない。例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＩＳＤＮ（Integrated Services Digital Network）、ＶＡＮ（Value Added Network）、ＣＡＴＶ（Community Antenna TV）通信網、仮想専用網（Virtual Private Network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、この通信路ＮＴを構成する伝送媒体も、通信信号を伝送可能な媒体であればよく、特定の構成または種類のものに限定されない。例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ（Asymmetric Digital Subscriber Line）回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＩＥＥＥ８０２．１１無線、ＨＤＲ（High Data Rate）、ＮＦＣ（Near Field Communication）、ＤＬＮＡ（Digital Living Network Alliance）、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。

上記の構成によれば、チャージアンプ１（差動増幅器ＯＰ）の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させることができる通信システム５０を実現できる。

図４（ｂ）通信システム６０は、全差動構造のセンサーシステム２０からセンサーＳ１およびダミーセンサーＳ２を除外し、入力端子Ｔｉｎ１および入力端子Ｔｉｎ２を受信デバイス５の２つの信号出力端子に接続し、出力端子Ｔｏｕｔ１および出力端子Ｔｏｕｔ２に信号処理回路４を接続したものである。

上記の構成によれば、チャージアンプ１ａ（全差動増幅器ＯＰ‐ａ）の動作点を安定させ、かつ、外乱由来の雑音を低減させることができる通信システム６０を実現できる。また、上記構成によれば、ＤＣＯＣ１ｂを備えているため、ＤＣオフセットが増幅されるのを抑制でき、全差動増幅器ＯＰ‐ａは増幅機能を喪失することを回避できる。その結果、通信システムがセンシング不能になってしまうという問題点も生じない。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、容量変化型または電子励起型などの各種センサーに接続されるチャージアンプ等の、帰還抵抗を有する差動増幅器を備えた電圧変換回路、ならびに、該電圧変換回路を備えたセンサーシステムおよび通信システム等に適用できる。より具体的には、本発明は、加速度センサー、衝撃センサー、放射線センサー、光受信センサー、トランスデューサー、および通信デバイスなどに接続されたチャージアンプ等の電圧変換回路などに利用することができる。

１ｂ ＤＣＯＣ（ＤＣオフセット除去回路）
２ａ ＤＣサーボ（第１のＤＣサーボ）
２ｂ ＤＣサーボ（第２のＤＣサーボ）
３ センシングデバイス（トランスデューサー）
５ 受信デバイス
１０ センサーシステム（電圧変換回路）
２０ センサーシステム（電圧変換回路）
３０ センサーシステム
４０ センサーシステム
５０ 通信システム
６０ 通信システム
Ｃ１ コンデンサ（容量）
Ｃ１ａ コンデンサ（容量）
Ｃ１ｂ コンデンサ（別の容量）
ＯＰ 差動増幅器
ＯＰ‐ａ 全差動増幅器
Ｒ１ 抵抗
Ｒ１ａ 抵抗
Ｒ１ｂ 抵抗（別の抵抗）
Ｓ１ センサー
Ｓ２ ダミーセンサー
Ｔｉｎ１ 入力端子（第１入力端子）
Ｔｉｎ２ 入力端子（第２入力端子）
Ｔｏｕｔ 出力端子
Ｔｏｕｔ１ 出力端子（第１出力端子）
Ｔｏｕｔ２ 出力端子（第２出力端子）

Claims (6)

1. 第１入力端子、第２入力端子、および、少なくとも１つの出力端子を有する差動増幅器と、
   上記差動増幅器の上記少なくとも１つの出力端子および上記第１入力端子の間において並列に接続された容量および抵抗と、
   第１同相入力端子および第１積分出力端子を有し、上記第１同相入力端子および上記第１積分出力端子がともに上記差動増幅器の上記第１入力端子と電気的に接続された第１のＤＣサーボと、
   第２同相入力端子および第２積分出力端子を有し、上記第２同相入力端子および上記第２積分出力端子がともに上記差動増幅器の上記第２入力端子と電気的に接続された第２のＤＣサーボと、を備えることを特徴とする電圧変換回路。
2. 上記差動増幅器は、
   上記少なくとも１つの出力端子としての第１出力端子の他、さらに第２出力端子を有し、上記差動増幅器の上記第２出力端子および上記第２入力端子の間において並列に接続された別の容量および別の抵抗を少なくとも備える全差動増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の電圧変換回路。
3. 第３入力端子および第３出力端子、ならびに、第４入力端子および第４出力端子を有し、
   上記第３入力端子が、上記全差動増幅器の上記第１出力端子に接続され、
   上記第３出力端子が、上記全差動増幅器の上記第１入力端子に接続され、
   上記第４入力端子が、上記全差動増幅器の上記第２出力端子に接続され、
   上記第４出力端子が、上記全差動増幅器の上記第２入力端子に接続された積分器を有するＤＣオフセット除去回路を備えることを特徴とする請求項２に記載の電圧変換回路。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の電圧変換回路、センサー、および、ダミーセンサーを備え、
   上記差動増幅器の上記第１入力端子に上記センサーが接続され、上記第２入力端子に上記ダミーセンサーが接続されていることを特徴とするセンサーシステム。
5. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の電圧変換回路と、
   上記差動増幅器の上記第１入力端子および上記第２入力端子と電気的に接続されたセンシングデバイスとを備えることを特徴とするセンサーシステム。
6. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の電圧変換回路と、
   上記差動増幅器の上記第１入力端子および上記第２入力端子と電気的に接続された受信デバイスとを備えることを特徴とする通信システム。

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