JP2015125088A

JP2015125088A - 容量トリミング回路

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Publication number: JP2015125088A
Application number: JP2013270851A
Authority: JP
Inventors: 辻　信昭; Nobuaki Tsuji; 信昭辻
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-06
Also published as: WO2015098893A1

Abstract

【課題】全差動アンプを使用したＣＶ変換回路において簡単且つ高精度に静電容量の事前調整を行えるようにする。
【解決手段】容量トリミング回路７は、全差動アンプ２１の入力端子に対して接続又は切り離しが可能な複数のトリミングコンデンサ５１を用いて調整することにより、全差動アンプ２１の２つの入力端子のそれぞれに接続される静電容量を略同一の状態に調整する容量トリミング部５と、容量トリミング部５による静電容量の調整が行われるとき、第１フィードバックコンデンサＣｆ１の一端に基準電圧Ｖｃを印加することにより第１のコンデンサ８で容量分圧された電圧Ｖ１を生じさせると共に、第２フィードバックコンデンサＣｆ２の一端に基準電圧Ｖｃを印加することにより第２のコンデンサ９で容量分圧された電圧Ｖ２を生じさせる容量分圧発生部６とを備え、電圧Ｖ１，Ｖ２の比較結果を出力するコンパレータとして全差動アンプ２１を動作させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、静電容量型センサなどから出力される信号を検出するためのＣＶ変換回路における容量トリミング回路に関する。

従来、自動車や携帯端末装置などに搭載される加速度センサなどの各種センサとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造によって２つの固定電極の間に可動電極を配置した静電容量型センサが知られている。この種の静電容量型センサは、一般に、センサに作用する加速度などに応じて可動電極が変位することによって生じる静電容量の変化を検知するためのＣＶ変換回路を備えている（例えば特許文献１）。ＣＶ変換回路は、可動電極又は固定電極から転送される電荷量に基づいて静電容量の変化を例えば０．１〜１．０μＶ程度の微小な電圧変化として検知するため、外乱ノイズによって電荷移動が生じると、静電容量の変化量を正確に検知することができなくなる。

そのため、近年では、ＣＶ変換回路に全差動アンプを用いて信号検出を行うことにより、外乱ノイズをキャンセルして微小な静電容量変化を検知できるようにした回路構成が採用されつつある。例えば、全差動アンプの２つの入力端子のいずれか一方に静電容量型センサを接続し、他方に静電容量型センサと略同一の静電容量を有するダミーコンデンサを接続する場合、静電容量型センサに接続された信号線と、ダミーコンデンサが接続された信号線の双方に外乱ノイズが作用しても全差動アンプの２つの出力信号の差分によって外乱ノイズをキャンセルすることができるため、ノイズの影響を低減することができる。

特開平５−３４０９５８号公報

しかしながら、上述のように全差動アンプの２つの入力端子に互いに異なる構造の素子が接続されている場合、それらの静電容量を予め略同一の状態に形成することは難しい。また静電容量型センサに寄生する寄生容量とダミーコンデンサに寄生する寄生容量とは必ずしも一致しない。全差動アンプの２つの入力端子のそれぞれに接続される静電容量が互いに略同一ではない場合、外乱ノイズが作用すると２つの信号線のそれぞれに異なる電荷量の電荷移動が生じるため、外乱ノイズを良好にキャンセルすることができなくなる。

そのため、全差動アンプを用いてＣＶ変換回路を構成する場合には、多数のトリミングコンデンサを配置しておき、それら多数のトリミングコンデンサのうちから選択したコンデンサを全差動アンプの２つの入力端子の少なくとも一方に接続したり、或いは切り離したりすることにより、全差動アンプの２つの入力端子に接続される静電容量のアンバランスを予め解消するようにしている。すなわち、全差動アンプの２つの出力信号を後段回路によって増幅し、その増幅信号をＡＤ変換した値で実際のノイズ量の増減具合を判別しながらトリミングコンデンサの接続や切り離しを個別に行っていくことにより、全差動アンプの２つの入力端子に接続される静電容量が略同一の状態に調整される。

ところが、静電容量を調整する際に、全差動アンプの出力信号を増幅した増幅信号をＡＤ変換した値で実際のノイズ量の増減を判別する手法を採用すると、静電容量の差が小さい場合にはノイズ量の増減具合を正確に判別することが難しくなる。そのため、静電容量のトリミングに時間がかかると共に、数ｆＦ（フェムトファラッド）程度の高精度なトリミング設定を行うことが困難であるという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決することを目的としてなされたものであり、全差動アンプを使用したＣＶ変換回路において、実際のノイズ量を検出することなく、簡単且つ高精度に静電容量のトリミングを行うことができるようにした容量トリミング回路を提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明が課題解決手段として採用したところは、全差動アンプを有し、全差動アンプの反転入力端子と非反転出力端子との間に第１フィードバックコンデンサが接続されると共に、非反転入力端子と反転出力端子との間に第１フィードバックコンデンサと静電容量が略同一の第２フィードバックコンデンサが接続されたＣＶ変換回路において、反転入力端子に接続される少なくとも１つの第１のコンデンサによる第１の静電容量と、非反転入力端子に接続される少なくとも１つの第２のコンデンサによる第２の静電容量との静電容量差をトリミングする容量トリミング回路であって、反転入力端子又は非反転入力端子に対して個別に接続又は切り離しが可能な複数のトリミングコンデンサを有し、複数のトリミングコンデンサを個別に反転入力端子又は非反転入力端子に対して接続又は切り離すことにより、第１の静電容量と第２の静電容量とを略同一の状態に調整する容量トリミング部と、容量トリミング部によって静電容量の調整が行われるとき、第１フィードバックコンデンサの一端に基準電圧を印加することにより第１フィードバックコンデンサと第１のコンデンサとの容量分圧に応じた電圧を反転入力端子に生じさせると共に、第２フィードバックコンデンサの一端に基準電圧を印加することにより第２フィードバックコンデンサと第２のコンデンサとの容量分圧に応じた電圧を非反転入力端子に生じさせ、反転入力端子に生じる電圧と非反転入力端子に生じる電圧との比較結果を出力する容量分圧発生部と、を備える構成にある。

また本発明が更なる課題解決手段として採用したところは、上記構成において、容量分圧発生部が、第１フォードバックコンデンサの一端を反転出力端子から切り離して基準電圧に接続すると共に、第２フォードバックコンデンサの一端を非反転出力端子から切り離して基準電圧に接続することにより、全差動アンプをコンパレータとして動作させ、反転入力端子に生じる電圧と非反転入力端子に生じる電圧との比較結果を反転出力端子及び非反転出力端子のそれぞれから出力させる構成にある。

また本発明が更なる課題解決手段として採用したところは、上記構成において、容量分圧発生部は、第１及び第２フィードバックコンデンサのそれぞれの一端に基準電圧を印加する前に、第１及び第２フィードバックコンデンサのそれぞれに全差動アンプのオフセット電圧に応じた初期電荷を蓄積する構成にある。

また本発明が更なる課題解決手段として採用したところは、上記構成において、反転入力端子及び非反転入力端子のいずれか一方には、静電容量型センサの出力端子が接続され、他方には、静電容量型センサの静電容量と略同一のダミーコンデンサが接続されることを特徴とする構成である。

本発明によれば、容量トリミング部による静電容量の調整が行われるときに容量分圧を生じさせ、その容量分圧で生じる電圧によって静電容量を比較することができるため、実際のノイズ量を検出する必要がなくなり、しかも簡単且つ高精度に静電容量のトリミングを行うことができるようになる。

容量トリミング回路を備えたセンサデバイスの一構成例を示す図である。センサ部の等価回路を示す図である。調整モードにおける第１の動作状態を示す図である。調整モードにおける第２の動作状態を示す図である。

以下、本発明に関する好ましい実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施形態において互いに共通する部材には同一符号を付しており、それらについての重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る容量トリミング回路７を備えたセンサデバイスの一構成例を示す図である。このセンサデバイスは、ＭＥＭＳによって構成された静電容量型センサ３を有するセンサ部１と、そのセンサ部１に接続され、静電容量型センサ３の静電容量を検知するＣＶ変換回路２と、そのＣＶ変換回路２に組み込まれる容量トリミング回路７とを備え、センサ部１に作用する加速度を検出するセンサとして構成される。

センサ部１に設けられる静電容量型センサ３は、バネ構造などによって支持された所定方向に変位可能な錘１３を有しており、この錘１３を挟んで静電容量可変の２つのコンデンサ１１，１２が直列に接続された構成である。これらコンデンサ１１，１２は、錘１３と連動して変位する可動電極とその可動電極に対向する固定電極とによって構成される。錘１３が中間位置にあるときには、各コンデンサ１１，１２は互いに等しい静電容量Ｃ１である。センサ部１に加速度が作用して錘１３が中間位置から所定方向に変位すると、その変位量に応じて各コンデンサ１１，１２の静電容量が変化する。例えば、一方のコンデンサ１１の静電容量が（Ｃ１＋ΔＣ）に増加すると、他方のコンデンサ１２の静電容量が（Ｃ１−ΔＣ）に減少する。また一方のコンデンサ１１の静電容量が（Ｃ１−ΔＣ）に減少すると、他方のコンデンサ１２の静電容量が（Ｃ１＋ΔＣ）に増加する。各コンデンサ１１，１２の可動電極は錘１３と同電位であり、錘１３を介してＣＶ変換回路２への出力端子ｍｂに接続される。またコンデンサ１１の固定電極は入力端子Ｘ１に接続され、コンデンサ１２の固定電極は入力端子Ｘ２に接続される。これら入力端子Ｘ１，Ｘ２には、例えば数百ｋＨｚ程度の高周波信号であって、互いに極性が反転する矩形波信号φ１，φ２が入力し、各コンデンサ１１，１２の固定電極に印加される。したがって、静電容量型センサ３は、各コンデンサ１１，１２の静電容量に応じた電荷信号であって、矩形波信号φ１，φ２によって変調された信号をＣＶ変換回路２へ出力する。

またセンサ部１には、ＣＶ変換回路２からみた静電容量型センサ３の静電容量（コンデンサ１１，１２の合成容量）と略同一の静電容量Ｃ２のダミーコンデンサ４を有している。ダミーコンデンサ４は、互いに対向する一対の固定電極で構成され、静電容量Ｃ２が固定である。このダミーコンデンサ４は、一端がＣＶ変換回路２への出力端子ｍｂｖに接続され、他端が接地される。

ＣＶ変換回路２は、主として、全差動アンプ２１と、第１フィードバックコンデンサＣｆ１と、第２フィードバックコンデンサＣｆ２と、第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２の蓄積電荷をリセットするスイッチ２２，２３とを備えて構成される。第１フィードバックコンデンサＣｆ１は、全差動アンプ２１の反転入力端子と非反転出力端子との間に接続され、第２フィードバックコンデンサＣｆ２は、全差動アンプ２１の非反転入力端子と反転出力端子との間に接続される。スイッチ２２は、第１フィードバックコンデンサＣｆ１と並列に全差動アンプ２１の反転入力端子と非反転出力端子との間に接続される。またスイッチ２３は、第２フィードバックコンデンサＣｆ２と並列に全差動アンプ２１の非反転入力端子と反転出力端子との間に接続される。そして全差動アンプ２１の反転入力端子は、センサ部１の端子ｍｂに繋がる信号線Ｌ１を介して静電容量型センサ３の錘１３に接続され、非反転入力端子は、センサ部１の端子ｍｂｖに繋がる信号線Ｌ２を介してダミーコンデンサ４の一端に接続される。このような構成により、全差動アンプ２１は積分アンプとして動作する。

そしてＣＶ変換回路２は、所定のタイミングでスイッチ２２，２３を一時的にオンさせて第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２の蓄積電荷をリセットした後、静電容量型センサ３及びダミーコンデンサ４のそれぞれから出力される電荷信号を第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２のそれぞれに蓄積してＣＶ変換を行う。すなわち、ＣＶ変換回路２は、コンデンサ１１，１２の両端に矩形波信号φ１，φ２が印加されることによって静電容量型センサ３から出力される電荷信号を第１フィードバックコンデンサＣｆ１に蓄積し、全差動アンプ２１の非反転出力端子から各コンデンサ１１，１２の静電容量に応じた信号であって、所定の基準電圧Ｖｒｅｆを中心電圧とする出力信号Ｖｏｐを出力する。一方、ダミーコンデンサ４に印加される電圧が一定であれば、ダミーコンデンサ４と第２フィードバックコンデンサＣｆ２との間に電荷転送が生じないため、全差動アンプ２１は反転出力端子から所定の基準電圧Ｖｒｅｆに相当する出力信号Ｖｏｎを出力する。

上記構成において例えば信号線Ｌ１，Ｌ２に外乱ノイズが作用すると、全差動アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子のそれぞれの電圧Ｖｉｎ，Ｖｉｐがその外乱ノイズの影響によって変動する。このとき、外乱ノイズの影響によって信号線Ｌ１から第１フィードバックコンデンサＣｆ１に転送される電荷量と、信号線Ｌ２から第２フィードバックコンデンサＣｆ２に転送される電荷量とが互いに等しい状態であれば、全差動アンプ２１から出力される２つの出力信号Ｖｏｐ，Ｖｏｎの差分信号Ｖｏｕｔ（＝Ｖｏｐ−Ｖｏｎ）により、外乱ノイズをキャンセルすることができる。しかし、実際には、図１に示すようにセンサ部１に設けられた静電容量型センサ３に寄生する寄生容量Ｃｐ１とダミーコンデンサ４に寄生する寄生容量Ｃｐ２とが一致しない。そのため、ダミーコンデンサ４の静電容量Ｃ２が静電容量型センサ３の静電容量（コンデンサ１１，１２の合成容量）と略同一であっても、全差動アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子のそれぞれに接続されているセンサ部１の静電容量は略同一にはならない。

図２は、ＣＶ変換回路２からセンサ部１をみた場合のセンサ部１の等価回路を示す図である。図２に示すように、ＣＶ変換回路２からみた場合、センサ部１は、端子ｍｂに第１のコンデンサ８による第１の静電容量Ｃｓが接続されており、また端子ｍｂｖに第２のコンデンサ９による第２の静電容量Ｃｖが接続されているのと等価である。ここで、第１の静電容量Ｃｓはコンデンサ１１，１２と寄生容量Ｃｐ１とを合成した静電容量である。また第２の静電容量Ｃｖはダミーコンデンサ４と寄生容量Ｃｐ２とを合成した静電容量である。そして寄生容量Ｃｐ１，Ｃｐ２が互いに異なるため、第１の静電容量Ｃｓと第２の静電容量Ｃｖとは互いに略同一の状態にはならない。そのような状況で、信号線Ｌ１，Ｌ２に外乱ノイズが作用すると、信号線Ｌ１，Ｌ２のそれぞれからセンサ部１側に吸収される電荷量が等しくならず、外乱ノイズによって第１フィードバックコンデンサＣｆ１に蓄積される電荷量と、第２フィードバックコンデンサＣｆ２に蓄積される電荷量とが一致しなくなる。それ故、全差動アンプ２１から出力される２つの出力信号Ｖｏｐ，Ｖｏｎの差分を算出しても外乱ノイズを良好にキャンセルすることができない。すなわち、第１の静電容量Ｃｓと第２の静電容量Ｃｖとのアンバランスが外乱ノイズを良好にキャンセルすることができない要因となる。

そこで本実施形態のＣＶ変換回路２は、容量トリミング回路７を備えており、全差動アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子のそれぞれに接続されているセンサ部１の第１の静電容量Ｃｓと第２の静電容量Ｃｖとのアンバランスを予め解消できるようにしている。この容量トリミング回路７は、信号線Ｌ２に設けられる容量トリミング部５と、ＣＶ変換回路２における第１フィードバックコンデンサＣｆ１と全差動アンプ２１の非反転出力端子との間、及び、第２フィードバックコンデンサＣｆ２と全差動アンプ２１の反転出力端子との間のそれぞれに設けられる容量分圧発生部６とを備えて構成される。

容量トリミング部５は、複数のトリミングコンデンサ５１を有し、全差動アンプ２１の非反転入力端子に接続される信号線Ｌ２に対してそれら複数のトリミングコンデンサ５１を個別に接続したり、切り離すことができる。すなわち、容量トリミング部５は、信号線Ｌ２と接地点との間に、トリミングコンデンサ５１とスイッチ５２とが直列に接続された構成のトリミング素子５３を複数備えており、それら複数のトリミング素子５３から選択した素子のスイッチ５２をオンすることにより、全差動アンプ２１の非反転入力端子に接続された信号線Ｌ２に任意の静電容量を付与する。そして信号線Ｌ２に付与する静電容量をトリミングすることにより、全差動アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子のそれぞれに接続される静電容量を予め略同一の状態に設定する。尚、複数のトリミングコンデンサ５１は、それぞれ同一の静電容量であっても良いし、それぞれ異なる静電容量であっても良い。

例えば、容量トリミング部５に設けられる各スイッチ５２は、図示を省略するメモリに外部から書き込まれた情報に基づきオンオフする。そのため、センサデバイスの製造後、出荷前に静電容量を調整し、全差動アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子のそれぞれに接続される静電容量が略同一となる各スイッチ５２のオンオフ状態を予めメモリに書き込んでおけば、センサデバイスの出荷後に静電容量を調整する必要はない。

容量分圧発生部６は、容量トリミング部５による静電容量の調整が行われるとき、全差動アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子のそれぞれに接続される静電容量が略同一であるか否かを高精度に判別できるようにする回路である。この容量分圧発生部６は、容量トリミング部５による静電容量の調整が行われるときに動作する複数のスイッチ６１〜６６を備えている。スイッチ６１〜６３は、全差動アンプ２１の非反転出力端子と第１フィードバックコンデンサＣｆ１との間に設けられる。スイッチ６１は、第１フィードバックコンデンサＣｆ１の一端を全差動アンプ２１の非反転出力端子に接続したり、非反転出力端子から開放したりするスイッチである。スイッチ６２は、第１フィードバックコンデンサＣｆ１の一端を接地点に接続したり、接地点から開放するスイッチである。スイッチ６３は、第１フィードバックコンデンサＣｆ１の一端を基準電圧Ｖｃに接続したり、基準電圧Ｖｃから開放するスイッチである。またスイッチ６４〜６６は、全差動アンプ２１の反転出力端子と第２フィードバックコンデンサＣｆ２との間に設けられる。スイッチ６４は、第２フィードバックコンデンサＣｆ２の一端を全差動アンプ２１の反転出力端子に接続したり、反転出力端子から開放したりするスイッチである。スイッチ６５は、第２フィードバックコンデンサＣｆ２の一端を接地点に接続したり、接地点から開放するスイッチである。スイッチ６６は、第２フィードバックコンデンサＣｆ２の一端を基準電圧Ｖｃに接続したり、基準電圧Ｖｃから開放するスイッチである。

そしてスイッチ６１，６４は、通常、第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２の一端を全差動アンプ２１の非反転出力端子及び反転出力端子に接続したオン状態となっており、外部から入力する制御信号によって第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２の一端を全差動アンプ２１の非反転出力端子及び反転出力端子から開放するオフ状態となる。またスイッチ６２，６５は、通常、第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２の一端を接地点から開放したオフ状態となっており、外部から入力する制御信号によって第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２の一端を接地点に接続するオン状態となる。さらにスイッチ６３，６６は、通常、第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２の一端を基準電圧Ｖｃから開放したオフ状態となっており、外部から入力する制御信号によって第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２の一端を基準電圧Ｖｃに接続するオン状態となる。以下、容量分圧発生部６の動作について詳しく説明する。

容量トリミング部５による静電容量の調整が行われる調整モードが指定されると、容量分圧発生部６は、はじめに外部から入力する制御信号に基づいて、図３に示すようにスイッチ６１，６３，６４，６６をオフにし、スイッチ６２，６５をオンにする。このときＣＶ変換回路２に設けられたスイッチ２２，２３はオン状態となる。この調整モードでは、センサ部１に加速度は作用せず、錘１３が中間位置にある状態を保持する。また調整モードでは、センサ部１の入力端子Ｘ１，Ｘ２が接地された状態となる。

図３に示す状態では、全差動アンプ２１がバッファアンプとして動作する。ここで全差動アンプ２１のオフセット電圧をＶｏｆｆとし、そのオフセット電圧Ｖｏｆｆが出力信号Ｖｏｐのみに含まれていると仮定した場合、全差動アンプ２１の出力信号ＶｏｐはＶｏｐ＝Ｖｒｅｆ＋Ｖｏｆｆとなり、出力信号ＶｏｎはＶｏｎ＝Ｖｒｅｆとなる。このとき、第１フィードバックコンデンサＣｆ１及び第１のコンデンサ８には電圧（Ｖｒｅｆ＋Ｖｏｆｆ）が印加され、第２フィードバックコンデンサＣｆ２及び第２のコンデンサ９には電圧Ｖｒｅｆが印加される。つまり、図３に示す状態では、全差動アンプ２１のオフセット電圧Ｖｏｆｆを含んで各コンデンサ８，９，Ｃｆ１，Ｃｆ２に初期電荷が蓄積される。

上記のようにして初期電荷を蓄積すると、次に容量分圧発生部６は、外部から入力する制御信号に基づいて、図４に示すようにスイッチ６１，６２，６４，６５をオフにし、スイッチ６３，６６をオンにする。このときＣＶ変換回路２に設けられたスイッチ２２，２３はオフ状態となる。すなわち、容量分圧発生部６は、第１フィードバックコンデンサＣｆ１の一端を全差動アンプ２１の非反転出力端子から切り離し、その一端に基準電圧Ｖｃを印加することにより、第１フィードバックコンデンサＣｆ１と第１のコンデンサ８との容量分圧に応じた電圧Ｖ１を全差動アンプ２１の反転入力端子に生じさせる。これにより、全差動アンプ２１の反転入力端子に生じる容量分圧に基づく電圧Ｖ１は、Ｖ１＝Ｃｆ１／（Ｃｆ１＋Ｃｓ）＊Ｖｃとなる。また容量分圧発生部６は、同様に、第２フィードバックコンデンサＣｆ２の一端を全差動アンプ２１の反転出力端子から切り離し、その一端に基準電圧Ｖｃを印加することにより、第２フィードバックコンデンサＣｆ２と第２のコンデンサ９との容量分圧に応じた電圧Ｖ２を全差動アンプ２１の非反転入力端子に生じさせる。これにより、全差動アンプ２１の非反転入力端子に生じる容量分圧に基づく電圧Ｖ２は、Ｖ２＝Ｃｆ２／（Ｃｆ２＋Ｃｖ）＊Ｖｃとなる。

また図４に示す状態では、全差動アンプ２１の帰還パスが開放されるため、全差動アンプ２１はコンパレータとして動作する。そのため、全差動アンプ２１は、反転入力端子に入力する電圧Ｖ１と、非反転入力端子に入力する電圧Ｖ２とを比較した結果を出力信号Ｖｏｐ，Ｖｏｎとして出力する。

例えば、基準電圧Ｖｃを１．３Ｖ、第１フィードバックコンデンサＣｆ１の静電容量Ｃｆ１を２００ｆＦ、第１のコンデンサ８の静電容量Ｃｓを２０００ｆＦとした場合、全差動アンプ２１の反転入力端子に入力する電圧Ｖ１は、Ｖ１＝２００／（２００＋２０００）＊１．３＝０．１１８１８２Ｖとなる。また同様に、基準電圧を１．３Ｖ、第２フィードバックコンデンサＣｆ２の静電容量Ｃｆ２を２００ｆＦ、第２のコンデンサ９の静電容量Ｃｖを１９９８ｆＦとした場合、全差動アンプ２１の非反転入力端子に入力する電圧Ｖ２は、Ｖ２＝２００／（２００＋１９９８）＊１．３＝０．１１８２８９Ｖとなる。このとき、コンパレータとして動作する全差動アンプ２１に入力する電圧Ｖ１，Ｖ２の差分（Ｖ２−Ｖ１）は、（Ｖ２−Ｖ１）＝０．１０７ｍＶとなるため、全差動アンプ２１のＤＣゲインが１００ｄＢであると仮定すれば、全差動アンプ２１の出力信号Ｖｏｐ，Ｖｏｎは、Ｖｏｐ−Ｖｏｎ＝１０．７Ｖとなる。したがって、全差動アンプ２１はコンパレータとして十分機能し、コンパレータ出力である出力信号Ｖｏｐは「Ｈｉｇｈ」となり、出力信号Ｖｏｎは「Ｌｏｗ」となる。

また上記と同様の条件下で、例えば第２のコンデンサ９の静電容量Ｃｖを２００２ｆＦとした場合、全差動アンプ２１の非反転入力端子に入力する電圧Ｖ２は、Ｖ２＝２００／（２００＋２００２）＊１．３＝０．１１８０７４Ｖとなる。このとき、コンパレータとして動作する全差動アンプ２１に入力する電圧Ｖ１，Ｖ２の差分（Ｖ２−Ｖ１）は、（Ｖ２−Ｖ１）＝−０．１０８ｍＶとなるため、全差動アンプ２１のＤＣゲインが１００ｄＢであると仮定すれば、全差動アンプ２１の出力信号Ｖｏｐ，Ｖｏｎは、Ｖｏｐ−Ｖｏｎ＝−１０．８Ｖとなる。したがって、全差動アンプ２１は上記と同様にコンパレータとして十分機能し、コンパレータ出力である出力信号Ｖｏｐは「Ｌｏｗ」となり、出力信号Ｖｏｎは「Ｈｉｇｈ」となる。

このように容量分圧発生部６は、第１フィードバックコンデンサＣｆ１の一端に基準電圧Ｖｃを印加して第１フィードバックコンデンサＣｆ１と第１のコンデンサ８との容量分圧に応じた電圧Ｖ１を生じさせると共に、第２フィードバックコンデンサＣｆ２の一端に基準電圧Ｖｃを印加して第２フィードバックコンデンサＣｆ２と第２のコンデンサ９との容量分圧に応じた電圧Ｖ２を生じさせ、全差動アンプ２１をコンパレータとして動作させてそれら電圧Ｖ１，Ｖ２の比較結果を出力する。これにより、第１のコンデンサ８の静電容量Ｃｓと第２のコンデンサ９の静電容量Ｃｖとの差が、上記の通り、２ｆＦ程度の僅かな差であっても良好に検知することができる。したがって、容量トリミング部５による静電容量のトリミングを行うときには、全差動アンプ２１のコンパレータ出力である出力信号Ｖｏｐ，Ｖｏｎのいずれか一方が「Ｈｉｇｈ」から「Ｌｏｗ」へ、又は、「Ｌｏｗ」から「Ｈｉｇｈ」へ切り替わるところで細かなトリミングを行うことにより、第１のコンデンサ８の静電容量Ｃｓと第２のコンデンサ９の静電容量Ｃｖとの差を２ｆＦ程度以下の範囲に抑えることができ、高精度なトリミングを行うことが可能である。

特に、容量分圧発生部６は、基準電圧Ｖｃを容量分圧した電圧Ｖ１，Ｖ２を生じさせるのに先立ち、各コンデンサ８，９，Ｃｆ１，Ｃｆ２のそれぞれに全差動アンプ２１のオフセット電圧Ｖｏｆｆを加味した初期電荷を蓄積し、その後、基準電圧Ｖｃを容量分圧した電圧Ｖ１，Ｖ２を生じさせるようにしている。そのため、第１のコンデンサ８の静電容量Ｃｓと第２のコンデンサ９の静電容量Ｃｖとの差を検出するときには、全差動アンプ２１のオフセット電圧Ｖｏｆｆに相当する電荷が蓄積された状態で検出することができる。これにより、全差動アンプ２１を積分アンプとして動作させる状態と同じ状態で静電容量の差を検出することができるため、トリミングが完了した後に調整モードから通常の動作モードに切り替わったときでも、全差動アンプ２１の反転入力端子に接続された静電容量と、非反転入力端子に接続された静電容量とが略同一に調整されたバランス状態が保持される。尚、全差動アンプ２１のコンパレータ出力（Ｈｉｇｈ又はＬｏｗ）に基づいて容量トリミング部５による静電容量の調整を行った後、反転入力端子に接続された静電容量と、非反転入力端子に接続された静電容量とのバランス状態を再度確認するときには、その都度、全差動アンプ２１のオフセット電圧Ｖｏｆｆを加味した初期電荷を蓄積してから基準電圧Ｖｃを容量分圧した電圧Ｖ１，Ｖ２を生じさせるようにすることが好ましい。

トリミングが完了して調整モードを終了し、通常の動作モードへ切り替えると、容量分圧発生部６は、図１に示すようにスイッチ６１，６４をオンにし、スイッチ６２，６３，６５，６６をオフにする。また容量トリミング部５は、調整モードにおいて調整された静電容量を常に信号線Ｌ２に付与する状態に固定する。そのため、通常の動作モードにおいて加速度に応じた錘１３の変位を検出するときには、全差動アンプ２１の反転入力端子及び非反転入力端子のそれぞれに接続される静電容量が互いに略同一の状態である。したがって、信号線Ｌ１，Ｌ２に外乱ノイズが作用した場合に、その外乱ノイズの影響によって信号線Ｌ１から第１フィードバックコンデンサＣｆ１に転送される電荷量と、信号線Ｌ２から第２フィードバックコンデンサＣｆ２に転送される電荷量とが略同一になるため、全差動アンプ２１から出力される２つの出力信号Ｖｏｐ，Ｖｏｎの差分信号Ｖｏｕｔ（＝Ｖｏｐ−Ｖｏｎ）により、そのような外乱ノイズを良好にキャンセルすることができるようになる。

また上述した調整モードにおいてコンパレータとして動作する全差動アンプ２１から電圧Ｖ１，Ｖ２の比較結果を高速で出力できるようにするためには、全差動アンプ２１に接続される図示省略の位相補償容量を全差動アンプ２１から切り離した状態でコンパレータとして動作させることが好ましい。この場合、調整モードが終了して通常の動作モードへ切り替えるときには、再び位相補償容量を全差動アンプ２１に接続することにより発振を防止する。

以上のように本実施形態の容量トリミング回路７は、全差動アンプ２１の反転入力端子に接続される第１の静電容量Ｃｓと全差動アンプ２１の非反転入力端子に接続される第２の静電容量Ｃｖとが略同一の状態となるように調整する容量トリミング部５と、その容量トリミング部５によって静電容量の調整が行われるときに、第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２のそれぞれに基準電圧Ｖｃを印加することによって容量分圧に応じた電圧Ｖ１，Ｖ２を反転入力端子及び非反転入力端子のそれぞれに生じさせ、それら電圧Ｖ１，Ｖ２の比較結果を出力する容量分圧発生部６とを備えている。このような構成によれば、容量トリミング部５による静電容量の調整が行われるときに、実際のノイズ量を検出する必要がないため、静電容量の調整に時間はかからない。また容量分圧によって生成される電圧Ｖ１，Ｖ２の大小比較によって静電容量のアンバランスを判別することが可能であるため、簡単に且つ高精度に静電容量を調整することが可能である。

また容量分圧発生部６は、上述のように、第１フォードバックコンデンサＣｆ１の一端を全差動アンプ２１の非反転出力端子から切り離してその一端に基準電圧Ｖｃに接続すると共に、第２フォードバックコンデンサＣｆ２の一端を全差動アンプ２１の反転出力端子から切り離してその一端に基準電圧Ｖｃに接続することにより、全差動アンプ２１をコンパレータとして動作させ、反転入力端子に生じる電圧Ｖ１と非反転入力端子に生じる電圧Ｖ２との比較結果を反転出力端子及び非反転出力端子のそれぞれから出力させる構成である。そのため、電圧Ｖ１，Ｖ２を比較するために全差動アンプ２１とは異なる別のコンパレータを設ける必要はなく、センサデバイスの回路規模を縮小できるという利点がある。

また容量分圧発生部６は、上述のように、容量トリミング部５による静電容量の調整が行われるときには、第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２のそれぞれの一端に基準電圧Ｖｃを印加する前に、第１及び第２フィードバックコンデンサＣｆ１，Ｃｆ２のそれぞれに全差動アンプ２１のオフセット電圧Ｖｏｆｆに応じた初期電荷を蓄積するようにしている。これにより、全差動アンプ２１のオフセット電圧Ｖｏｆｆを反映させた状態で静電容量の調整を行うことができるため、調整モード終了後の通常の動作モードにおいても静電容量が略同一に調整された状態を保持することができ、外乱ノイズを良好にキャンセルすることができるようになる。

以上、本発明に関する一実施形態について説明したが、本発明は上述した内容に限定されるものではなく、種々の変形例を適用することが可能である。

例えば上記実施形態では、容量トリミング部５を、全差動アンプ２１の非反転入力端子に繋がる信号線Ｌ２に設けた場合を例示した。しかし、これに限られるものではなく、容量トリミング部５を、全差動アンプ２１の反転入力端子に繋がる信号線Ｌ１に設けても構わない。また容量トリミング部５を、全差動アンプ２１の非反転入力端子及び反転入力端子のそれぞれに繋がる信号線Ｌ１，Ｌ２のそれぞれに設けても良い。信号線Ｌ１，Ｌ２のそれぞれに容量トリミング部５を設ければ静電容量の微妙な調整が可能になるため、より高精度な調整が可能になる。

また上記実施形態では、センサ部１に１軸の静電容量型センサ３が設けられる場合を例示した。しかし、これに限られるものでもなく、例えばセンサ部１に、互いに直交する３軸方向の加速度を検知するための３つの静電容量型センサ３が設けられたものであっても構わない。この場合、それら３つの静電容量型センサ３の錘１３が端子ｍｂに接続されるため、ダミーコンデンサ４の静電容量Ｃ２は、それら３つの静電容量型センサ３を合成した静電容量と略同一となるように形成される。

また上記実施形態では、調整モードにおいて全差動アンプ２１をコンパレータとして動作させる場合を例示したが、これに限られるものではなく、調整モードにおいて使用するコンパレータを全差動アンプ２１とは別に設けても構わない。ただし、この場合は、センサデバイスの回路規模が大型化する。そのため、センサデバイスの小型化が望まれる場合には、コンパレータを全差動アンプ２１とは別に設けるよりも、上述したように全差動アンプ２１をコンパレータとして利用する方がより好ましい。

また上記実施形態では、全差動アンプ２１の反転入力端子に静電容量型センサ３の出力端子が接続され、非反転入力端子に静電容量型センサ３の静電容量と略同一のダミーコンデンサ４が接続された状態を例示した。しかし、これに限られるものではなく、全差動アンプ２１の非反転入力端子に静電容量型センサ３を接続し、反転入力端子にダミーコンデンサ４を接続したものであっても構わない。

更には、ダミーコンデンサ４を設けることなく、静電容量型センサ３のコンデンサ１１の固定電極を端子ｍｂに接続し、コンデンサ１２の固定電極を端子ｍｂｖに接続したものであっても良い。この場合、高周波の矩形波信号は錘１３に印加され、静電容量型センサ３の２つの固定電極のそれぞれから各コンデンサ１１，１２の静電容量に応じた電荷信号がＣＶ変換回路２に出力される。そのような構成であっても、寄生容量Ｃｐ１，Ｃｐ２にバラツキがあれば、上述した容量トリミング回路７によって寄生容量Ｃｐ１，Ｃｐ２のバラツキを高精度に調整することができる。

また上記実施形態では、一例として静電容量型センサ３が加速度を検知するセンサである場合を例示したが、これに限られるものではなく、加速度以外の物理量（例えば角速度）を検知するセンサとして構成されるものであっても構わない。

２ＣＶ変換回路、３静電容量型センサ、４ダミーコンデンサ、５容量トリミング部、６容量分圧発生部、７容量トリミング回路、８第１のコンデンサ、９第２のコンデンサ、２１全差動アンプ、Ｃｆ１第１フィードバックコンデンサ、Ｃｆ２第２フィードバックコンデンサ、５１トリミングコンデンサ。

Claims

全差動アンプを有し、前記全差動アンプの反転入力端子と非反転出力端子との間に第１フィードバックコンデンサが接続されると共に、非反転入力端子と反転出力端子との間に前記第１フィードバックコンデンサと静電容量が略同一の第２フィードバックコンデンサが接続されたＣＶ変換回路において、前記反転入力端子に接続される少なくとも１つの第１のコンデンサによる第１の静電容量と、前記非反転入力端子に接続される少なくとも１つの第２のコンデンサによる第２の静電容量との静電容量差をトリミングする容量トリミング回路であって、
前記反転入力端子又は前記非反転入力端子に対して個別に接続又は切り離しが可能な複数のトリミングコンデンサを有し、前記複数のトリミングコンデンサを個別に前記反転入力端子又は前記非反転入力端子に対して接続又は切り離すことにより、前記第１の静電容量と前記第２の静電容量とを略同一の状態に調整する容量トリミング部と、
前記容量トリミング部によって静電容量の調整が行われるとき、前記第１フィードバックコンデンサの一端に基準電圧を印加することにより前記第１フィードバックコンデンサと前記第１のコンデンサとの容量分圧に応じた電圧を前記反転入力端子に生じさせると共に、前記第２フィードバックコンデンサの一端に前記基準電圧を印加することにより前記第２フィードバックコンデンサと前記第２のコンデンサとの容量分圧に応じた電圧を前記非反転入力端子に生じさせ、前記反転入力端子に生じる電圧と前記非反転入力端子に生じる電圧との比較結果を出力する容量分圧発生部と、
を備えることを特徴とする容量トリミング回路。
前記容量分圧発生部は、前記第１フォードバックコンデンサの一端を前記非反転出力端子から切り離して前記基準電圧に接続すると共に、前記第２フォードバックコンデンサの一端を前記反転出力端子から切り離して前記基準電圧に接続することにより、前記全差動アンプをコンパレータとして動作させ、前記反転入力端子に生じる電圧と前記非反転入力端子に生じる電圧との比較結果を前記反転出力端子及び前記非反転出力端子のそれぞれから出力させることを特徴とする請求項１に記載の容量トリミング回路。
前記容量分圧発生部は、前記第１及び第２フィードバックコンデンサのそれぞれの一端に前記基準電圧を印加する前に、前記第１及び第２フィードバックコンデンサのそれぞれに前記全差動アンプのオフセット電圧に応じた初期電荷を蓄積することを特徴とする請求項１又は２に記載の容量トリミング回路。
前記反転入力端子及び前記非反転入力端子のいずれか一方には、静電容量型センサの出力端子が接続され、他方には、前記静電容量型センサの静電容量と略同一のダミーコンデンサが接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の容量トリミング回路。