JP2710183B2 - スイッチトキャパシタ読出回路 - Google Patents

スイッチトキャパシタ読出回路

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JP2710183B2
JP2710183B2 JP3382992A JP3382992A JP2710183B2 JP 2710183 B2 JP2710183 B2 JP 2710183B2 JP 3382992 A JP3382992 A JP 3382992A JP 3382992 A JP3382992 A JP 3382992A JP 2710183 B2 JP2710183 B2 JP 2710183B2
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capacitance
capacitor
gate
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博之 岡田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、物理量を微少な容量の
変化で検出するセンサの信号処理回路におけるスイッチ
トキャパシタ読出回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、容量の微少な変化を検出する回路
として、スイッチトキャパシタ回路を用いたものが知ら
れている。この回路を用いた例として、1983年の
“IEEE Custom Circuit Con
f.”の論文集の380頁から384頁に記載されたワ
イ・イー・パーク(Y.E.Park)等による論文
“AnMOS switched−capacitiv
e readout amplifier for c
apacitive pressure sensor
s”がある。
【0003】この論文の回路は、容量型圧力センサの読
出回路として使用されており、室温で1fcの分解能を
持っている。この回路の動作原理を図6の回路図と図7
のタイムチャートを用いて説明する。ここで、センサ1
0のセンサ容量Cs11は圧力に応じて変化する容量、
参照容量Cr12は参照用の容量、容量Ci16は帰還
容量、容量Cps15は寄生容量である。また、クロッ
クジェネレータ20からのクロックがインバータ22,
23を介してセンサ容量11,12に供給され、このセ
ンサ10の出力が、スイッチングトランジスタ13と帰
還容量Ciとを接続したオペアンプ14に供給される。
【0004】時刻t=t0の時、センサ容量Csにイン
バータ22の出力電圧Vpが印加されると、センサ容量
Csの両端に電荷Qs=CsVpが蓄積される。次にt
=t1で、スイッチングトランジスタ13がターンオフ
し、オペアンプ14の入出力が直流的に開放状態とな
る。t=t2では、参照容量CrにVpが印加されるた
め、参照容量Crの両端に電荷Qr=CrVpが蓄積さ
れる。この時、電荷Qo=Qs−Qrが帰還容量Ciに
蓄積される。結局出力Voutは帰還容量CiにQoが
蓄積される電位Vout=Qo/Ciで安定する。つぎ
にt=t3で、リセットがかかり、また同様なことを繰
り返す。この回路の入出力関係は、 Vout=Vp(Cs−Cr)/Ci と表わされる。
【0005】この式から分かるように、この回路の特徴
は、出力がオペアンプ14の入力側に浮遊する寄生容量
Cpsに依存しない点と、周囲温度に依存しない点であ
る。従って、この回路を用いることにより微少な容量の
検出を安定に行うことができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述した前式から分か
るように、この従来の回路ではインバータ22の出力電
圧を大きくするか、帰還容量Ci16を小さくすること
により容易に微少な容量変化を検出することができる。
一般に、インバータの出力電圧は決まっているので、こ
こでは帰還容量Ci16を小さくすればよい。ところ
が、この回路では帰還容量Ci16をスイッチングトラ
ンジスタ13のゲート容量と同程度の値まで小さくする
と、スイッチングトランジスタ13のゲート容量の影響
が無視できなくなり、出力にオフセットとして表われて
しまうという問題がある。
【0007】これは、スイッチングトランジスタ13の
ゲート電位が急速に下がると、ゲート直下では、蓄積さ
れた電荷がインピーダンスの低い出力側に放出される前
にチャネルが消滅してしまうため、オペアンプ14の入
力側に電荷が残ってしまうためである。
【0008】本発明の目的は、このような問題を解決
し、スイッチングトランジスタのゲート容量の影響で発
生するオフセットを減少したスイットキャパシタ読出回
路を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の構成は、クロッ
クにより駆動されるセンサの容量検出用出力を、入出力
端間にスイッチングトランジスタを接続した演算増幅器
を介して出力するスイッチトキャパシタ読出回路におい
て、前記スイッチングトランジスタのゲートに前記クロ
ックを遅延させる遅延回路を配設したことを特徴とす
る。
【0010】また、本発明において、遅延回路の代り
に、電荷を蓄積するデバイスをスイッチングトランジス
タと直列に配設し、このデバイスと前記スイッチングト
ランジスタがクロックの逆位相でドライブされるように
構成することもできる。
【0011】
【作用】本発明の構成によれば、スイッチングトランジ
スタのスイッチング速度を遅らせることにより、スイッ
チングトランジスタのチャネルが完全に消滅する前にゲ
ート下で蓄積された電荷をインピーダンスが低い出力側
へ追い出すことが出来る。すなわち、スイッチングトラ
ンジスタのゲートに遅延回路を接続することにより、ゲ
ートに印加される矩形波のターンオン、ターンオフ時間
を制御することが出来、スイッチングトランジスタのゲ
ート容量と同程度の容量の変化を検出しようとした場合
に発生するオフセットを著しく低減することができる。
【0012】また本発明の他の構成によれば、スイッチ
ングトランジスタがターンオフするとき、同時に余った
電荷を蓄積する動作をさせることが可能となる。すなわ
ち、スイッチングトランジスタと直列に適当なゲート容
量を持つトランジスタを接続し、ドレインとソースを短
絡してMOSキャパシタとして用い、スイッチングトラ
ンジスタのゲートと逆位相でドライブすることにより、
スイッチングトランジスタがターンオフする時だけ電荷
を蓄積する事ができ、スイッチングトランジスタのゲー
ト容量と同程度の容量の変化を検出しようとした場合に
発生するオフセットを著しく低減することができる。
【0013】
【実施例】図1は本発明の第1の実施例を示す回路図で
あり、図2は図1の動作を説明するタイムチャートであ
る。Cs11とCr12はそれぞれセンサ10の物理量
検出用容量および参照用容量である。抵抗17とコンデ
ンサ18が本発明の特徴となる遅延回路21を構成す
る。この回路の動作は基本的には従来例の図6と同様で
あるが、容量11と容量12の差がスイッチングトラン
ジスタ13のゲート容量と同様な値になったときに効果
が現われる。
【0014】前述したようにスイッチングトランジスタ
13がターンオフするとトランジスタ13のゲート容量
に蓄積された電荷の一部がオペアンプ14の入力側へ放
出されてオフセットの原因になってしまうが、図2のタ
イミングのように、遅延回路21があるためスイッチン
グトランジスタ13のリセット信号の立上り、立下り時
間に遅れが生じている。
【0015】この結果、スイッチングトランジスタ13
のゲート下の蓄積電荷はインピーダンスが低い出力側へ
放出される。これにより、スイッチングトランジスタ1
3のゲート容量によるオフセットを減少することができ
る。
【0016】図3は本発明の第2の実施例を示す回路図
で、図1の遅延回路21の代りに、インバータ25とM
OSキャパシタのトランジスタ26とからなるオフセッ
ト補償回路24が用いられている。図6と同様に、Cs
11とCr12はそれぞれセンサの物理量検出用容量お
よび参照用容量である。MOSキャパシタとして用いて
いるトランジスタ26はリセットトランジスタ13を急
速にターンオフする際にソース側に流れ込む電荷を吸収
するゲート容量として働く。インバータ25はスイッチ
ングトランジスタ13とトランジスタ26とを逆位相で
ドライブするための素子である。
【0017】この回路の動作は基本的には図6と同様で
あるが、容量11と容量12の差がスイッチングトラン
ジスタ13のゲート容量と同様な値になったときに、効
果が現われてくる。前述したようにスイッチングトラン
ジスタ13がターンオフすると、ゲート容量に蓄積され
た電荷の一部がオペアンプ14の入力側へ放出されてオ
フセットの原因になってしまうが、トランジスタ26を
スイッチングトランジスタ13と逆位相でドライブする
事により、オペアンプ14の入力側へ放出される電荷を
トランジスタ26のゲートで吸収する。これにより、ス
イッチングトランジスタ13のゲート容量によるオフセ
ットを減少することができる。
【0018】図4,図5は本発明の第3,第4の実施例
の回路図で、オフセット補償回路24a,24bとして
MOSキャパシタトランジスタ26の代わりにダイオー
ド27またはコンデンサ28を用いたものである。これ
らの回路も同様にしてオフセットを減少することができ
る。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、センサな
どに用いられるわずかな容量の微少な変化を読取る検出
回路のオフセットを軽減することができるという効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の回路図
【図2】図1の動作を説明するタイムチャート
【図3】本発明の第2の実施例の回路図
【図4】本発明の第3の実施例の回路図
【図5】本発明の第4の実施例の回路図
【図6】従来例の容量検出回路の回路図
【図7】図6の動作を説明するタイムチャート
【符号の説明】
10 センサ 11 センサ圧力容量Cs 12 センサ参照容量Cr 13 スイッチングトランジスタ 14 オペアンプ 16 帰還容量 17 遅延抵抗 18 遅延コンデンサ 20 クロックジェネレータ 21 遅延回路 22,23,25 インバータ 24,24a,24b オフセット補償回路 26 MOSトランジスタ 27 ダイオード 28 キャパシタ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 クロックにより駆動されるセンサの容量
    検出用出力を、入出力端間にスイッチングトランジスタ
    を接続した演算増幅器を介して出力するスイットキャパ
    シタ読出回路において、前記スイッチングトランジスタ
    のゲートに前記クロックを遅延させる遅延回路を配設し
    たことを特徴とするスイッチトキャパシタ読出回路。
  2. 【請求項2】 遅延回路の代りに、電荷を蓄積するデバ
    イスをスイッチングトランジスタと直列に配設し、この
    デバイスと前記スイッチングトランジスタがクロックの
    逆位相でドライブされるようにした請求項1記載のスイ
    ッチトキャパシタ読出回路。
  3. 【請求項3】 電荷を蓄積するデバイスが、MOSキャ
    パシタ,ダイオード,あるいはコンデンサである請求項
    2記載のスイッチトキャパシタ読出回路。
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