JP2017534171A - 擬似抵抗回路及び電荷検出回路 - Google Patents

擬似抵抗回路及び電荷検出回路 Download PDF

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Abstract

【課題】プロセスや温度の変動に伴う抵抗値の変動を抑制可能であり、調整が容易な擬似抵抗回路を提供する。【解決手段】擬似抵抗回路は、第1MOSFETと、第2MOSFETと、絶対温度に実質的に比例する第1電流を生成する第1電流源と、絶対温度の実質的に一次関数となる第1電圧を生成する電圧源と、を備え、第1MOSFETのゲートと、第2MOSFETのゲートとが接続され、第2MOSFETはダイオード接続され、第1電流が第2MOSFETのドレインに供給され、第1電圧が第2MOSFETのソースに印加され、第1MOSFETのドレイン−ソース間に、第1MOSFETのゲート電圧に応じた抵抗値の抵抗を形成する。【選択図】図1

Description

本発明は、擬似抵抗回路及び電荷検出回路に関する。
電子機器に搭載されるセンサには、センシング素子から出力される電荷に応じた電圧を出力する電荷検出回路を用いるものがある。例えば、特許文献1には、オペアンプの出力端子と入力端子との間に、並列に接続されたキャパシタ及び抵抗が設けられた、電荷検出回路が開示されている。
このような電荷検出回路を用いるセンサにおいて、生体信号等の比較的低周波数(例えば数ミリHz〜数Hz程度)の信号を検出するためには、キャパシタ及び抵抗によるハイパスフィルタのカットオフ周波数を低くすることが必要となる。即ち、この抵抗の抵抗値を大きくする(例えば10テラΩ程度にする)ことが求められる。
抵抗の抵抗値を大きくする際に、通常の抵抗素子を用いることは、回路サイズの観点から現実的ではないことが多い。そこで、例えば、特許文献2には、MOSFETの弱反転領域を利用することにより、大きい抵抗値を有する抵抗を形成する構成が開示されている。
ただし、MOSFETの弱反転領域を用いて抵抗を実現する際の欠点は、プロセスや温度の変動によって、抵抗値が大きく変動してしまうということである。そのため、MOSFETの弱反転領域を用いて抵抗を実現するにあたっては、プロセスや温度の変動の影響を抑制することが求められる。例えば、特許文献3には、温度依存性を有する複数の電流源を用いてMOSFETのゲート電圧を調整することにより、MOSFETのドレイン電流の温度依存性を抑制する構成が開示されている。
特開2008−224230号公報 国際公開第95/25349号 特表平8−509312号公報
特許文献3に開示されている構成において、MOSFETのドレイン電流の温度依存性を抑制するためには、実験的に求めた複数のパラメータを正確に設定する必要があり、調整が難しい。
ここで開示される本発明は従来技術の限界に鑑みてなされたものであり、プロセスや温度の変動に伴う抵抗値の変動を抑制可能であり、調整が容易な擬似抵抗回路を提供することを目的とする。
従って、開示される本発明の一側面に係る擬似抵抗回路は、第1MOSFETと、第2MOSFETと、絶対温度に実質的に比例する第1電流を生成する第1電流源と、絶対温度の実質的に一次関数となる第1電圧を生成する電圧源と、を備え、第1MOSFETのゲートと、第2MOSFETのゲートとが接続され、第2MOSFETはダイオード接続され、第1電流が第2MOSFETのドレインに供給され、第1電圧が第2MOSFETのソースに印加され、第1MOSFETのドレイン−ソース間に、第1MOSFETのゲート電圧に応じた抵抗値の抵抗を形成する。
本開示によれば、プロセスや温度の変動に伴う抵抗値の変動を抑制可能であり、調整が容易な擬似抵抗回路を提供することができる。
本発明の一実施形態である擬似抵抗回路の構成例を示す図である。 図1に示される回路の電流源及び電圧源の構成例を示す図である。 NチャネルMOSFETのみに着目した場合の抵抗値を説明するための図である。 NチャネルMOSFET及び電流源に着目した場合の抵抗値を説明するための図である。 本発明の一実施形態である電荷検出回路の構成例を示す図である。
なお、説明のため、全図において、図は必ずしも正確な縮尺で記載されているわけではなく、また、同様の構造又は機能は概して同様の符号で表されている。また、図は、ここで開示される様々な実施形態の説明のための便宜にすぎない。図は、ここで開示される内容の全ての側面を記載したものではなく、特許請求の範囲を限定するものでもない。
以下の記載では、説明だけを目的として、ここで開示される様々な実施形態の完全な理解を提供するために特定の用語が用いられている。しかしながら、これらの特定の詳細は、ここで開示される概念を実施するために必要とされないことは当業者にとって明らかである。
図1は、本発明の一実施形態である擬似抵抗回路の構成例を示す図である。擬似抵抗回路100は、NチャネルMOSFET110,120、電流源130、及び電圧源140を含む。
NチャネルMOSFET110(第2MOSFET)は、ダイオード接続され、ゲートがNチャネルMOSFET120のゲートと接続されている。NチャネルMOSFET110のドレインには、電流源130からの電流IPTATが供給される。また、NチャネルMOSFET110のソースには、電圧源140からの電圧Vbiasが印加される。
NチャネルMOSFET120(第1MOSFET)は、ゲートがNチャネルMOSFET110のゲートと接続されている。擬似抵抗回路100では、NチャネルMOSFET120が弱反転領域で動作することにより、NチャネルMOSFET120のドレイン−ソース間に、ゲート電圧VGに応じた抵抗値Reffの抵抗が形成される。
電流源130は、絶対温度に実質的に比例する電流IPTAT(第1電流)を生成する。電流源130の構成例については後述する。
電圧源140は、絶対温度の実質的に一次関数となる電圧Vbias(第1電圧)を生成する。本実施形態では、NチャネルMOSFET120のソース電圧VS=VCMとすると、Vbias=VCM−A・Tの関係が成立する。ここで、Aは定数、Tは絶対温度である。電圧源140の構成例については後述する。
図2は、図1に示される回路の電流源130及び電圧源140の構成例を示す図である。
示されるように、電流源130は、電流源210及びPチャネルMOSFET220を含む。電流源130では、PチャネルMOSFET220のドレインから、電流IPTATが出力される。
電流源210(第3電流源)は、NチャネルMOSFET230,231、PチャネルMOSFET232,233、及び抵抗器234を含む。電流源210の出力電流は、NチャネルMOSFET231の電流IDS2(第3電流)である。
さらに示されるように、NチャネルMOSFET230は、ダイオード接続され、ソースが接地されている。NチャネルMOSFET231は、ゲートがNチャネルMOSFET230のゲートと接続され、ソースが抵抗器234を介して接地されている。NチャネルMOSFET230,231のサイズ比は、例えば、1:nPTATである。
PチャネルMOSFET232は、ソースに電源電圧VDDが印加され、ドレインがNチャネルMOSFET230のドレインと接続され、ゲートがPチャネルMOSFET233のゲートと接続されている。PチャネルMOSFET233は、ダイオード接続され、ソースに電源電圧VDDが印加され、ドレインがNチャネルMOSFET231のドレインと接続されている。PチャネルMOSFET220は、ソースに電源電圧VDDが印加され、ゲートがPチャネルMOSFET233のゲートと接続されている。PチャネルMOSFET232,233,220のサイズ比は、例えば、1:1:1/nである。
電流源130において、NチャネルMOSFET230のゲート−ソース間電圧VGS1は、次式(1)により表される。
Figure 2017534171
・・・(1)
ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電子電荷、κはκ近似パラメータである。また、IDS1は、NチャネルMOSFET230に流れる電流であり、I0S1は、NチャネルMOSFET230のサイズに応じた電流である。
また、電圧VGS1は、NチャネルMOSFET231のゲート電圧でもあるため、次式(2)により表すことができる。
Figure 2017534171
・・・(2)
ここで、VGS2は、NチャネルMOSFET231のゲート−ソース間電圧である。また、IDS2は、NチャネルMOSFET231に流れる電流、即ち、電流源210の出力電流である。また、RPTATは、抵抗器234の抵抗値である。
式(1)及び(2)より、次式(3)が導出される。
Figure 2017534171
・・・(3)
ここで、I0S2は、NチャネルMOSFET231のサイズに応じた電流である。
また、IDS2は、次式(4)により表される。
Figure 2017534171
・・・(4)
電流源130において、PチャネルMOSFET231を流れる電流はIDS2である。また、PチャネルMOSFET220は、PチャネルMOSFET233と電流ミラー接続されているから、電流IPTATは、次式(5)により表される。
Figure 2017534171
・・・(5)
ここで、Bは定数である。式(5)より、電流源130から出力される電流IPTATは、絶対温度に実質的に比例する電流である。
電圧源140は、抵抗器240及び電流源250を含む。電圧源140では、抵抗器240と電流源250の間から、電圧Vbiasが出力される。
抵抗器240(第1抵抗器)は、一端に電圧VCM(第2電圧:NチャネルMOSFET120のソース電圧と略同一の電圧)が印加され、他端がNチャネルMOSFET261のドレインに接続されている。
さらに示されるように、電流源250(第2電流源)は、NチャネルMOSFET260,261、及びPチャネルMOSFET262を含む。電流源250では、NチャネルMOSFET261に流れる電流が出力電流IPTAT2(第2電流)となる。
NチャネルMOSFET260は、ダイオード接続され、ドレインがPチャネルMOSFET262のドレインに接続され、ソースが接地されている。NチャネルMOSFET261は、ゲートがNチャネルMOSFET260のゲートに接続され、ソースが接地されている。NチャネルMOSFET260,261のサイズ比は、例えば、1:1/nbiasである。
PチャネルMOSFET262は、ソースに電源電圧VDDが印加され、ゲートがPチャネルMOSFET233のゲートに接続されている。PチャネルMOSFET233,262のサイズ比は、例えば、1:1である。
電流源250は、電流源130と同様に、絶対温度に実質的に比例する電流IPTAT2を生成する。本実施形態では、IPTAT2=(1/nbias)IDS2である。従って、抵抗器240の抵抗値をRbiasとすると、電圧Vbiasは、次式(6)により表される。
Figure 2017534171
・・・(6)
ここで、Aは定数である。
次に、図1に示される擬似抵抗回路100における抵抗値Reffについて説明する。
まず、図3に示すように、NチャネルMOSFET120のみに着目する。NチャネルMOSFET120が弱反転領域で動作する場合、NチャネルMOSFET120に流れる電流IDSは、次式(7)により表される。
Figure 2017534171
・・・(7)
ここで、VGSは、NチャネルMOSFET120のゲート−ソース間電圧、VDSは、NチャネルMOSFET120のドレイン−ソース間電圧である。また、I0Sは、NチャネルMOSFET120のサイズに応じた電流であり、次式(8)により表される。
Figure 2017534171
・・・(8)
ここで、μは電子移動度、Coxは単位面積あたりの酸化物容量、Wはチャネル幅、Lはチャネル長、κsaは弱反転領域におけるκ近似パラメータである。また、VTSは閾値電圧である。
式(7)及び(8)より、NチャネルMOSFET120のドレイン−ソース間の抵抗値Reffは、次式(9)により表される。
Figure 2017534171
・・・(9)
式(9)には、温度Tが含まれている。また、式(9)には、プロセスによって変動する閾値電圧VTSが含まれている。そこで、本実施形態の擬似抵抗回路100では、以下に説明するように、電流源130及び電圧源140により、プロセス及び温度の変動に伴う抵抗値Reffの変動を抑制している。
まず、図4に示すように、電流源130の作用に着目する。NチャネルMOSFET120が弱反転領域で動作する場合、電圧VGは、次式(10)により表される。
Figure 2017534171
・・・(10)
式(7)において、VGS=VG−VCMであるから、式(10)のVGを式(7)に代入することにより、電流IDSは次式(11)により表される。
Figure 2017534171
・・・(11)
式(11)より、抵抗値Reffは、次式(12)により表される。
Figure 2017534171
・・・(12)
式(12)に、式(5)の電流IPTATを代入すると、抵抗値Reffは、次式(13)により表される。
Figure 2017534171
・・・(13)
式(13)には、閾値電圧VTSが含まれていない。さらに具体的には、電流源130の作用により、プロセスの変動による抵抗値Reffへの影響が抑制される。ただし、式(13)には、温度Tが残っている。本実施形態では、電圧源140の作用により、さらに、温度の変動に伴う抵抗値Reffの変動を抑制している。
式(13)に、式(6)のVbiasを代入すると、抵抗値Reffは、次式(14)により表される。
Figure 2017534171
・・・(14)
ここで、NチャネルMOSFET120において、次式(15)を仮定する。
Figure 2017534171
・・・(15)
従って、式(14)及び式(15)より、抵抗値Reffは、次式(16)により表される。
Figure 2017534171
・・・(16)
また、電圧Vbiasは、次式(17)により表すことができる。
Figure 2017534171
・・・(17)
従って、抵抗値Reffは、式(5)及び式(17)を考慮すると、次式(18)により表すこともできる。
Figure 2017534171
・・・(18)
そして、式(15)を適用すると、抵抗値Reffは、次式(19)により表すことができる。
Figure 2017534171
・・・(19)
式(16)及び式(19)には、閾値電圧VTS及び温度Tが含まれていない。従って、図1に示される擬似抵抗回路100では、電流源130及び電圧源140により、プロセス及び温度の変動に伴う抵抗値Reffの変動が抑制される。
上述したとおり、本実施形態の擬似抵抗回路100では、絶対温度に実質的に比例する電流IPTATを生成する電流源130と、絶対温度の実質的に一次関数となる電圧Vbiasを生成する電圧源140とにより、式(13)に示したように、プロセスの変動に伴う抵抗値Reffの変動を抑制することができる。
図1に示された例示的な実施形態の擬似抵抗回路100では、電圧源によって生成される電圧Vbiasを、絶対零度において、NチャネルMOSFET120のソース電圧と略同一とすること(即ち、Vbias=VCM−A・T)により、温度の変動に伴う抵抗値Reffの変動を抑制することができる。
従って、擬似抵抗回路100では、プロセスや温度の変動に伴う抵抗値Reffの変動を抑制するために、実験的に求めた複数のパラメータを正確に設定する必要がなく、調整が容易である。
例示的な実施形態の擬似抵抗回路100では、電流源130及び電流源250における電流生成が、同一の電流源210に基づいて行われる。従って、式(19)に示されるように、電流源130及び電流源250における抵抗比及び電流比によって、抵抗値Reffを調整することができる。
図5は、例示的な実施形態に係る電荷検出回路の実施例を示す図である。電荷検出回路500は、図1に示した擬似抵抗回路100と、オペアンプ510及びキャパシタ520を含む。
オペアンプ510は、非反転入力端子が接地され、反転入力端子に電荷QINが入力される。電荷QINは、例えば、センシング素子から出力される電荷である。擬似抵抗回路100は、オペアンプ510の出力端子と反転入力端子との間に接続される。また、キャパシタ520は、擬似抵抗回路100に並列に接続される。
電荷検出回路500は、反転入力端子に入力される電荷QINに応じた出力電圧VOUTを、オペアンプ510の出力端子から出力する。電荷検出回路500では、MOSFETの弱反転領域を利用した擬似抵抗回路100を用いることにより、擬似抵抗回路100の抵抗値を、例えば10テラΩ程度の大きな値とすることができる。従って、電荷検出回路500を、生体信号等の比較的低周波数の信号の検出に適したものとすることができる。そして、前述したように、擬似抵抗回路100は、プロセスや温度の変動に伴う抵抗値の変動が抑制される。従って、プロセスや温度の変動に伴う電荷検出回路500の出力電圧の変動を抑制することが可能となる。
特定の例及びサブシステムに関して様々な実施形態が記載されたが、当業者にとって、本実施形態が、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではないことは明らかである。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更/改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。
100 擬似抵抗回路
110,120,230,231,260,261 NチャネルMOSFET
130,210,250 電流源
140 電圧源
220,232,233,362 PチャネルMOSFET
234,240 抵抗器
500 電荷検出回路
510 オペアンプ
520 キャパシタ

Claims (16)

  1. ドレイン、ソース、及びゲートを有する第1MOSFETと、
    ドレイン、ソース、及び前記第1MOSFETの前記ゲートに接続されたゲートを有する第2MOSFETであって、ダイオード接続された第2MOSFETと、
    前記第2MOSFETの前記ドレインに接続され、絶対温度に実質的に比例する第1電流を生成する第1電流源と、
    前記第2MOSFETの前記ソースに接続され、絶対温度の実質的に一次関数となる第1電圧を生成する電圧源と、
    を備え、
    前記第1MOSFETのゲート電圧に基づく抵抗値を有する前記第1MOSFETのドレイン−ソース間に抵抗が形成される、
    擬似抵抗回路。
  2. 請求項1に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記電圧源により生成される前記第1電圧は、絶対零度において、前記第1MOSFETのソース電圧と略同一である、
    擬似抵抗回路。
  3. 請求項2に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記電圧源は、
    第1端及び第2端を有する第1抵抗器であって、第1端に第2電圧が印加される第1抵抗器と、
    前記第1抵抗器の前記第2端と接地との間に接続され、絶対温度に実質的に比例する第2電流を生成する第2電流源と、
    を含む、
    擬似抵抗回路。
  4. 請求項3に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記電圧源は、前記第1電圧を前記第1抵抗器の前記第2端に出力する、
    擬似抵抗回路。
  5. 請求項4に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記第1電流源は、絶対温度に比例する第3電流を生成する第3電流源を含む、
    擬似抵抗回路。
  6. 請求項5に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記第1電流源は、前記第3電流に基づいて前記第1電流を生成する、
    擬似抵抗回路。
  7. 請求項6に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記第2電流源は、前記第3電流に基づいて前記第2電流を生成する、
    擬似抵抗回路。
  8. 請求項7に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記第2電流源は、
    ドレイン、ソース及びゲートを有する第3MOSFETと、
    ダイオード接続された第4MOSFETであって、ドレインが前記第3MOSFETの前記ドレインに接続され、ソースが接地された第4MOSFETと、
    ゲートが前記第4MOSFETのゲートに接続され、ドレインが前記第1抵抗器の前記第2端に接続され、ソースが接地された第5MOSFETと、
    を備える擬似抵抗回路。
  9. 請求項1に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記第1電流源は、
    ドレイン、ソース及びゲートを有する第3MOSFETと、
    ドレイン、ソース及びゲートを有する第4MOSFETと、
    ドレイン、ソース及びゲートを有する第5MOSFETと、
    ドレイン、ソース及びゲートを有する第6MOSFETと、
    を備える擬似抵抗回路。
  10. 請求項9に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記第3MOSFETの前記ソースに電源電圧が印加される、
    擬似抵抗回路。
  11. 請求項10に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記第4MOSFETは、ダイオード接続され、前記第4MOSFETの前記ドレインは前記第3MOSFETの前記ドレインに接続される、
    擬似抵抗回路。
  12. 請求項11に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記第5MOSFETは、ダイオード接続され、前記電源電圧が前記第5MOSFETの前記ソースに印加され、前記第5MOSFETの前記ゲートが前記第3MOSFETの前記ゲートに接続される、
    擬似抵抗回路。
  13. 請求項12に記載の擬似抵抗回路であって、
    前記第6MOSFETの前記ドレインが前記第5MOSFETの前記ドレインに接続され、前記第6MOSFETの前記ゲートが前記第4MOSFETの前記ゲートに接続され、前記第6MOSFETの前記ソースが接地される第1抵抗器に接続される、
    擬似抵抗回路。
  14. 請求項1に記載の擬似抵抗回路と、
    前記擬似抵抗回路の前記抵抗と並列に接続されたキャパシタと、
    前記抵抗の第1端及び前記キャパシタの第1端に接続された出力端子と、前記抵抗の第2端及び前記キャパシタの第2端に接続された反転入力端子とを有するオペアンプと、
    を備える電荷検出回路。
  15. 請求項14に記載の電荷検出回路であって、
    前記オペアンプの反転入力端子に入力される電荷に基づく電圧を前記オペアンプの出力端子から出力する、
    電荷検出回路。
  16. 請求項14に記載の電荷検出回路であって、
    前記オペアンプの非反転入力端子は接地される、
    電荷検出回路。
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