JP4325072B2

JP4325072B2 - ゲイン可変増幅回路

Info

Publication number: JP4325072B2
Application number: JP2000110520A
Authority: JP
Inventors: 正紀青山; 博海有吉
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: JP2001298337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振幅のばらつきを持った入力信号（センサ素子出力信号）を増幅し、所定の信号振幅に調整するゲイン可変増幅回路に関するものである。特に、一定物理量を電気信号に変換するセンサ素子と信号処理回路とを有する半導体式センサなどにおいて、一定物理量に対して得られる電気信号に感度ばらつきを持つような微小信号を扱う信号処理回路にこの増幅回路が好適に適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、主にＭＯＳ工程で製造され、抵抗とスイッチ（ＭＯＳトランジスタを利用したアナログスイッチ）とを用いて抵抗値を切り換え、ゲイン（利得）を変化させるゲイン可変式の増幅回路がある。例えば、特開平９−３２６６５４号公報に開示された増幅回路では、ゲイン切換用の複数の抵抗を直列に接続すると共に、各抵抗に並列にアナログスイッチを接続し、このアナログスイッチを選択的にオンすることにより増幅回路のゲインを調整している。
【０００３】
この方式の場合、アナログスイッチのオン抵抗が無視できないため、必要とする調整精度以下になるようにゲイン切換用抵抗の値とアナログスイッチのオン抵抗値との比を設計する必要がある。その結果、アナログスイッチのサイズを大きくしてオン抵抗を下げる設計が不可欠となり、チップサイズが大きくなるというデメリットが発生する。
【０００４】
また別の従来技術として、特開平９−１３５１３２号公報が知られているが、同公報の増幅回路においても同様に、アナログスイッチのオン抵抗の影響からチップサイズが大きくなる等の問題が生ずる。
【０００５】
更に、特開昭６１−２４２４０５号公報の増幅回路では、アナログスイッチのオン抵抗によるゲイン誤差分や、オン抵抗の温度特性・電圧特性をキャンセルするために、ゲイン切換用の抵抗とアナログスイッチとからなる複数のユニット（直列回路）を組み合わせ、各アナログスイッチのサイズ比をゲイン切換用抵抗の抵抗値に応じて変更するよう構成している。しかしながらこの場合、アナログスイッチが同時にオン又はオフすることなどから抵抗値が変動し、ゲイン誤差を完全にキャンセルすることができない。また、値の異なる抵抗が複数必要となることから、回路規模が大きくなるという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、アナログスイッチのオン抵抗の影響を排除し、精度良く信号増幅を行うことができるゲイン可変増幅回路を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のゲイン可変増幅回路は、オペアンプと、固定抵抗からなる入力抵抗と、同じく固定抵抗からなる帰還抵抗と、これら入力抵抗及び帰還抵抗の間に設けられる（ｎ−１）個のゲイン調整抵抗が直列接続されるとともに、前記入力抵抗が信号入力端子に接続され、且つ前記帰還抵抗が前記オペアンプの出力端子に接続されて構成される（ｎ＋１）個の抵抗からなるゲイン切替用抵抗群と、前記ゲイン切換用抵抗群における隣接する抵抗同士の中間点とオペアンプの入力端子との間に各々接続されるｎ個のアナログスイッチと、前記ｎ個のアナログスイッチのうち何れか一つを選択的にオンする選択手段とを備えてなる。そして、（ｎ＋１）個の抵抗の抵抗値を入力抵抗側から順にＲ１、Ｒ２、・・・Ｒｎ、Ｒｎ＋１とするとき、選択手段により入力抵抗とこれに隣接する抵抗との間に接続されたアナログスイッチが選択的にオンされて設定されるゲインＧの最大値は、「Ｇ＝−（Ｒ２＋Ｒ３＋・・・＋Ｒｎ＋１）／Ｒ１」であり、帰還抵抗とこれに隣接する抵抗との間に接続されたアナログスイッチが選択的にオンされて設定されるゲインＧの最小値が、「Ｇ＝−Ｒｎ＋１／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋・・・＋Ｒｎ）」であって、ゲインの可変範囲はこれら最小値と最大値とにより決定され、その可変範囲内にてゲイン調整抵抗分に応じてゲインが多段階に調整される。このとき特に、オンされたアナログスイッチは、入力抵抗側と帰還抵抗側との間の接続点と、オペアンプの入力端子との間に設けられることになるので、このアナログスイッチのオン抵抗の影響を排除することができる。
【０００８】
すなわち、反転増幅回路の基本構成を示す図７において、同回路の電流経路を考えると、ＭＯＳ工程で製造されるオペアンプＯＰの入力バイアス電流は０に近いので入力抵抗Ｒａ及び帰還抵抗Ｒｂの接続点からオペアンプＯＰの反転入力端子（−端子）への接続ラインには電流が流れない。本発明では、この接続ラインにアナログスイッチを配置し、抵抗値の切り換えを行うので、アナログスイッチのオン抵抗の影響が無視できるようになる。その結果、本発明では、アナログスイッチのオン抵抗の影響を排除し、精度良く信号増幅を行うことができる。
また、上記請求項１では、前記ゲイン調整抵抗にあっては、配線とのコンタクト部の抵抗であるコンタクト抵抗を含んで構成された単位抵抗が前記入力抵抗側の抵抗ほどその抵抗値が小さくなるように並列接続されるかたちで当該ゲイン調整抵抗を構成するそれぞれの抵抗の抵抗値が設定されてなる。すなわち、ゲイン調整抵抗は、コンタクト抵抗を含めた形で単位抵抗により各々構成される。この場合、ゲイン調整抵抗の各値は単位抵抗どうしの比で設定されることとなり、抵抗値の工程ばらつきが生じても各値の比がばらつくことはない。しかも、こうした単位抵抗が、入力抵抗寄りの抵抗値が小さく、帰還抵抗寄りの抵抗値が大きくなるように並列接続されるかたちで当該ゲイン調整抵抗を構成しているため、抵抗切り換えによるゲイン調整に際し、ゲインの必要精度（線形性）を満たすことができる。それ故、ゲイン誤差を完全にキャンセルすることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけるゲイン可変増幅回路は、例えば、ギアの回転速度を検出する回転センサにおいて、同センサの素子部から信号を入力するセンサ信号処理回路に適用される。
【００１３】
図１には、本実施の形態におけるゲイン可変増幅回路の回路構成図を示す。本回路は、Ｒ１，Ｒ２，…，Ｒn-1 ，Ｒｎ，Ｒn+1 の全ｎ＋１個の抵抗が直列接続されてなるゲイン切換用抵抗群と、Ｓ１，Ｓ２，・・・，Ｓn-1 ，Ｓｎの全ｎ個のアナログスイッチと、オペアンプ１１と、アナログスイッチＳ１〜Ｓｎを選択的にオンするためのデコーダ１２と、基準電源１３とから構成されており、センサ素子から得られる入力信号を増幅し出力する。すなわち、基本的には反転増幅器が構成され、その入力抵抗及び帰還抵抗を切り換えることによりゲインが可変に調整される。また、本回路はＭＯＳ工程の素子より構成されている。
【００１４】
抵抗Ｒ１〜Ｒn+1 からなるゲイン切換用抵抗群は、一端（１番目の抵抗Ｒ１）が信号入力端子に接続されると共に、他端（ｎ＋１番目の抵抗Ｒn+1 ）がオペアンプ１１の出力端子に接続されている。そのうち、抵抗Ｒ１は固定抵抗からなる入力抵抗（入力側固定抵抗）、抵抗Ｒn+1 は固定抵抗からなる帰還抵抗（帰還側固定抵抗）、抵抗Ｒ２〜Ｒｎはそれぞれゲイン調整抵抗である。つまり、抵抗Ｒ１とＲn+1 は、ゲインの可変範囲を決定する抵抗であり、抵抗Ｒ２〜Ｒｎはゲインの切換ステップを決める抵抗である。また、各抵抗Ｒ１〜Ｒn+1 の中間点は、各々アナログスイッチＳ１〜Ｓｎを介してオペアンプ１１の反転入力端子（−端子）に接続されている。
【００１５】
デコーダ１２にはｍビットの調整データが入力され、デコーダ１２は、入力した調整データにより切換信号のアドレス（０〜２^m−１）を決定し出力する。アナログスイッチＳ１〜Ｓｎは、デコーダ１２の切換信号により１箇所だけ選択的にオンされる。このとき、調整の必要ビット数をｍとすると、ゲイン切換用抵抗群として２^m＋１個の抵抗が必要となる。また、アナログスイッチは２^m個必要となる。
【００１６】
上記構成の増幅回路では、例えば、デコーダ１２から出力される切換信号のアドレスが「０」の場合、アナログスイッチＳ１がオンされ、入力抵抗はＲ１、帰還抵抗は（Ｒ２＋Ｒ３＋…＋Ｒn+1 ）となる。それ故、ゲインＧの式は、
Ｇ＝−（Ｒ２＋Ｒ３＋…＋Ｒn+1 ）／Ｒ１
となり、これによりゲインの最大値が設定できる。このとき、オンされるアナログスイッチＳ１は、入力抵抗側及び帰還抵抗側の接続点（Ｒ１，Ｒ２の接続点）と、オペアンプ１１の反転入力端子（−端子）との間の接続ラインに位置するので、アナログスイッチＳ１を通じて電流が流れることはなく、同スイッチＳ１のオン抵抗の影響が無視できる。
【００１７】
また、デコーダ１２のアドレスが「２^m−１（最大値）」の場合を考えると、アナログスイッチＳｎがオンされ、入力抵抗は（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋…＋Ｒｎ）、帰還抵抗はＲn+1 となる。それ故、ゲインＧの式は、
Ｇ＝−Ｒn+1 ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋…＋Ｒｎ）
となり、これによりゲインの最小値が設定できる。このときやはり、オンされるアナログスイッチＳｎは、入力抵抗側及び帰還抵抗側の接続点（Ｒｎ，Ｒn+1 の接続点）と、オペアンプ１１の反転入力端子（−端子）との間の接続ラインに位置するので、アナログスイッチＳｎを通じて電流が流れることはなく、同スイッチＳｎのオン抵抗の影響が無視できる。
【００１８】
ところで、ゲインＧの式から分かるように、抵抗Ｒ２〜Ｒｎの抵抗値を一定値とすると、ゲインの線形性が損なわれる。そこで、抵抗Ｒ２〜Ｒｎの抵抗値を重み付けして設計することで、線形性を保つことを考える。
【００１９】
以下には、線形性補正を行わない場合、すなわちゲイン調整抵抗（Ｒ２〜Ｒｎ）の値を一定値とする場合と、線形性補正を行う場合、すなわちゲイン調整抵抗（Ｒ２〜Ｒｎ）の値を重み付けする場合とについて、具体的な数値を示しながら図２〜図４により説明する。ここで、図２は、線形性補正を行わない場合においてゲインの数値を配列したもの、図３は、線形性補正を行う場合においてゲインの数値を配列したもの、図４（ａ），（ｂ）は、図２，図３のデータをグラフ化したものである。なお、図２，図３中、アドレス毎に上下２段に示す抵抗値は、上段が入力抵抗の値、下段が帰還抵抗の値である。またここでは一例として、
・ゲインの可変範囲＝約８〜５．５倍
・必要精度（線形性）＜１％
・切換ビット数＝４ビット（１６階調）
・ゲイン単調性＝単調減少
・ゲイン調整抵抗の単位抵抗値＝０．５ｋΩ
・入力抵抗と帰還抵抗の総抵抗値＞５０ｋΩ（オペアンプの能力による）
といった各条件を設定している。
【００２０】
先ず線形性補正を行わない場合について、図２及び図４（ａ）を用いて説明する。ここで、入力側固定抵抗Ｒ１の抵抗値を８ｋΩ、ゲイン調整抵抗Ｒ２〜Ｒ１６の抵抗値をそれぞれ０．２ｋΩ、帰還側固定抵抗Ｒ１７の抵抗値を６０ｋΩとして構成した場合、ゲインの可変範囲は仕様（約８〜５．５倍）を満足できるが、必要精度（線形性）の仕様（１％未満）を満足できない。
【００２１】
つまり、ゲイン調整抵抗Ｒ２〜Ｒ１６の値を一定とした場合、上記のゲインＧの式からも分かるように、数値の小さいアドレスを選択して入力抵抗及び帰還抵抗を切り換えた場合と、数値の大きいアドレスを選択して入力抵抗及び帰還抵抗を切り換えた場合とを比較すると、１アドレス分（１ＬＳＢ）のアドレス間誤差（ゲイン変化量）が大きく異なり、アドレス間誤差はアドレスが小さい方が大きくなる。よって、アドレスに対するゲインの特性は下に凸の弓状（双曲線状）になり、アドレスの中心付近（アドレス７，８）で誤差率（％）が大きくなってしまう。図２によれば、最大２．９４％の誤差が発生することが分かる。
【００２２】
これに対して、線形性補正を行う図３及び図４（ｂ）では、各アドレスに対応するゲイン調整抵抗に重み付けを持たせることにより、必要精度（線形性）の仕様を満足することが可能となる。この場合、前述の通りアドレスが小さい方がアドレス間誤差が大きく、ゲイン変化への影響が大きいことから、基本的にアドレスが小さいゲイン調整抵抗の値を小さくし、アドレスが大きくなるのに従いゲイン調整抵抗の値を大きく設定する。なお図３では、抵抗Ｒ２〜Ｒ７の値は０．１６７ｋΩ、抵抗Ｒ８〜Ｒ１２の値は０．２ｋΩ、抵抗Ｒ１３〜Ｒ１６の値は０．２５ｋΩ、としている。
【００２３】
またこのとき、ゲイン調整抵抗の値をリニアに設定することで設計値として誤差率０％を達成できるが、抵抗の構造及び製造上、抵抗値にはばらつきが必ずあり、それが誤差となって必要精度が満足できなくなる。具体的にはまず構造上、抵抗は、半導体の拡散抵抗やポリシリコンなどの抵抗を有すると共に、配線層であるＡＬと接続する場合に必ずコンタクト抵抗を有する。なお、抵抗の設計値は、そのシート抵抗値ρｓと幅Ｗと長さＬで決定され、前述のコンタクト抵抗を考慮しない場合は、ρｓが一定とすると、ＷとＬのみで設計される。
【００２４】
つまり、図５（ａ），（ｂ）に示す通り、ゲイン調整抵抗をリニアで設計する場合、拡散抵抗（又はポリシリコン抵抗）２１とＡＬ配線２２とが接触するコンタクト部２３においてコンタクト抵抗Ｒｃが存在し、そのＲｃ分がゲイン調整抵抗の値に含まれる。そのため、コンタクト抵抗Ｒｃの値を考慮してゲイン調整抵抗を設計しなければならない。また、コンタクト抵抗分を合わせ込んで設計したとしても、コンタクト抵抗の工程ばらつき、拡散抵抗（又はポリシリコン抵抗）の工程ばらつきにより誤差が生じ、ゲイン調整抵抗が設計値から外れてしまう。
【００２５】
そこで、図６（ａ），（ｂ）に示す通り、コンタクト抵抗を含めた形で単位抵抗３１を構成し、リニアに近い形で設計する。図６において、個々の単位抵抗３１は、コンタクト抵抗Ｒｃを含み、同一工程・同一サイズで作製されている。そして、この単位抵抗３１が並列接続されることにより、リニアに近い形でゲイン調整抵抗が設計されている。なお図中、符号２１，２２，２３は図５と同様、拡散抵抗（又はポリシリコン抵抗）、ＡＬ配線、コンタクト部である。図６の場合、単位抵抗３１どうしの比でゲイン調整抵抗が設計されることから、抵抗値の工程ばらつきが生じても誤差の発生がキャンセルされる。
【００２６】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
デコーダ１２によりアナログスイッチＳ１〜Ｓｎの一つが選択的にオンされて入力信号が増幅される際、オンされたアナログスイッチは、入力抵抗側と帰還抵抗側との間の接続点と、オペアンプ１１の入力端子との間に設けられることになるので、このアナログスイッチのオン抵抗の影響を排除することができる。その結果、本増幅回路では、温度特性や電圧特性によらず、精度良く信号増幅を行うことができる。またこのとき、アナログスイッチのオン抵抗の影響を受けないので、各アナログスイッチＳ１〜Ｓｎのサイズを最小サイズに設計することができる。また、アナログスイッチＳ１〜Ｓｎが最小サイズになることから、同スイッチＳ１〜Ｓｎを構成するトランジスタの高温時におけるリーク電流の影響も最小となる。
【００２７】
ゲイン調整抵抗（図１のＲ２〜Ｒｎ）、個々の抵抗値の重み付けがそれぞれ変更されてなり、特に入力側固定抵抗（図１のＲ１）寄りの抵抗値が小さく、帰還側固定抵抗（図１のＲn+1 ）寄りの抵抗値が大きくなるよう個々の抵抗値が設定されるので、ゲイン調整に際し必要精度（線形性）を満たすことができる。また、単位抵抗によりゲイン調整抵抗が構成されるので、抵抗値の工程ばらつきが生じても誤差の発生がキャンセルされ、所望の抵抗比を設定することができる。それ故、ゲイン誤差を完全にキャンセルすることが可能となる。
【００２８】
なお上記実施の形態では、本発明を反転増幅回路として具体化したが、非反転増幅回路や差動増幅回路として具体化することも勿論可能である。また、ギアの回転速度を検出するためのセンサ信号処理回路以外の用途にも適宜適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるゲイン可変増幅回路の概要を示す電気回路図。
【図２】線形性補正を行わない場合においてゲインの数値を配列した図。
【図３】線形性補正を行う場合においてゲインの数値を配列した図。
【図４】図２及び図３のデータをグラフ化した図。
【図５】抵抗をリニアに可変した場合の構成を説明する図。
【図６】抵抗を単位抵抗で構成した場合の構成を説明する図。
【図７】一般的な反転増幅回路を示す電気回路図。
【符号の説明】
１１…オペアンプ、１２…選択手段としてのデコーダ、３１…単位抵抗、Ｒ１〜Ｒn+1 …抵抗、Ｓ１〜Ｓｎ…アナログスイッチ。

Claims

オペアンプと、
固定抵抗からなる入力抵抗と、同じく固定抵抗からなる帰還抵抗と、これら入力抵抗及び帰還抵抗の間に設けられる（ｎ−１）個のゲイン調整抵抗が直列接続されるとともに、前記入力抵抗が信号入力端子に接続され、且つ前記帰還抵抗が前記オペアンプの出力端子に接続されて構成される（ｎ＋１）個の抵抗からなるゲイン切換用抵抗群と、
前記ゲイン切換用抵抗群における隣接する抵抗同士の中間点とオペアンプの入力端子との間に各々接続されるｎ個のアナログスイッチと、
前記ｎ個のアナログスイッチのうち何れか一つを選択的にオンする選択手段と、
を備え、
前記（ｎ＋１）個の抵抗の抵抗値を前記入力抵抗側から順にＲ１、Ｒ２、・・・Ｒｎ、Ｒｎ＋１とするとき、前記入力抵抗とこれに隣接する抵抗との間に接続されたアナログスイッチがオンされて設定されるゲインＧの最大値が、
Ｇ＝−（Ｒ２＋Ｒ３＋・・・＋Ｒｎ＋１）／Ｒ１
であり、且つ前記帰還抵抗とこれに隣接する抵抗との間に接続されたアナログスイッチがオンされて設定されるゲインＧの最小値が、
Ｇ＝−Ｒｎ＋１／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋・・・＋Ｒｎ）
であって、
前記ゲイン調整抵抗は、配線とのコンタクト部の抵抗であるコンタクト抵抗を含んで構成された単位抵抗が前記入力抵抗側の抵抗ほどその抵抗値が小さくなるように並列接続されるかたちで当該ゲイン調整抵抗を構成するそれぞれの抵抗の抵抗値が設定されてなる
ことを特徴とするゲイン可変増幅回路。
請求項１に記載のゲイン可変増幅回路において、
回路は半導体工程、特にＭＯＳ工程で製造されるものであるゲイン可変増幅回路。