JP4811987B2

JP4811987B2 - Ｃｖ変換回路

Info

Publication number: JP4811987B2
Application number: JP2005038180A
Authority: JP
Inventors: 稔須藤; 光男鎗田; 健二加藤
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: TW200600798A; TWI363875B; KR101074981B1; KR20060047823A; JP2005351885A

Description

この発明は、複数の静電容量の値を電圧に変換するＣＶ変換回路に関する。

従来のＣＶ変換回路としては、図7に示されるような回路が知られていた（例えば、特許文献１参照。）。

即ち、非反転入力端子が接地された演算増幅器１と、前記演算増幅器１の出力端子と、反転入力端子の間に接続された抵抗３と、一端が前記演算増幅器１の反転入力端子に接続され、他端が信号電圧源４に接続された、検出すべき容量２があり、前記信号電圧源４には、ある電圧振幅Ｖとある角周波数ωの信号が与えられている。すなわち、信号電圧源４の信号電圧をＶｓとすれば、（１）式で表される。

Ｖｓ＝Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ） …（１）
図７において、反転入力端子は仮想接地されているため、非反転入力端子の接地電位に等しくなっている。仮に、この接地電位を０Ｖとすれば、容量２に流れる電流Ｉは、容量２の値をＣとすれば、（２）式で与えられる。

Ｉ＝ｊωＣ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ） …（２）
従って、演算増幅器１の出力端子５には、抵抗３の抵抗値をＲとすれば、（３）式で与えられる電圧Ｖｏが発生する。

Ｖｏ＝−ｊωＣＲ・Ｖ・ｓｉｎ（ωｔ） …（３）
（３）式より、演算増幅器１の出力電圧の振幅Ｖｏは、容量２の値に比例するため、前記振幅Ｖｏを測定する事で、容量２の値を測定する事ができる。

図８に、図７のＣＶ変換回路の各部の時間に対する電圧・電流波形を示す。図８（Ａ）は、信号電圧源４の信号電圧を示している。ここでは、正弦波を与えている。図８（Ｂ）は、容量２及び抵抗３に流れる電流波形であり、図８（Ｃ）は、演算増幅器１の出力端子５に現れる電圧波形である。

複数の容量の値を測定する場合、図８の回路を、測定する容量の数だけ用意する事で、複数の容量値を測定する事ができる。
特開2001-124807号公報（第2図）

従来のＣＶ変換回路では、測定する容量の数だけ、ＣＶ変換回路が必要となり、複数の容量を測定すると回路の規模が大きくなるという課題があった。

そこで、この発明の目的は従来のこのような課題を解決するために、少ない回路規模で複数の容量を測定することを目的としている。

本願発明にかかるＣＶ変換回路は、反転入力端子が出力端子に接続された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が接地された抵抗と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源の反転出力に接続された第二の容量と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第三の容量と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源の反転出力に接続された第四の容量とを有するＣＶ変換回路において、
前記第一の信号電圧源と、前記第二の信号電圧源が、時分割的に信号パルスを発生し、前記信号パルスに同期して検波するＣＶ変換回路とした。
また、反転入力端子が出力端子に接続された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が接地された抵抗と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源の反転出力に接続された第二の容量と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第三の容量と、
を有するＣＶ変換回路において、
前記第一の信号電圧源と、前記第二の信号電圧源が、時分割的に信号パルスを発生し、前記信号パルスに同期して検波するＣＶ変換回路とした。
また、反転入力端子が出力端子に接続された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が接地された抵抗と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第二の容量と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源の反転出力に接続された第三の容量と、
を有するＣＶ変換回路において、
前記第一の信号電圧源と、前記第二の信号電圧源が、時分割的に信号パルスを発生し、前記信号パルスに同期して検波するＣＶ変換回路とした。
また、反転入力端子が出力端子に接続された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が接地された抵抗と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第二の容量と、
を有するＣＶ変換回路において、
前記第一の信号電圧源と、前記第二の信号電圧源が、時分割的に信号パルスを発生し、前記信号パルスに同期して検波するＣＶ変換回路とした。
さらに、上記ＣＶ変換回路において、前記信号電圧源が、３つ以上で、かつ、前記信号源に接続する容量が３つ以上であるCV変換回路とした。
さらに、前記反転入力端子に接続される全容量値の和Cと、前記抵抗の値RによるCRの時定数の値が、前記第一及び前期第二の信号電圧源の信号パルス時間よりも、小さいＣＶ変換回路とした。
さらに、前記抵抗の値を前記信号電圧源に同期して変更するＣＶ変換回路とした。
さらに、前記信号電圧源の振幅電圧値が異なるＣＶ変換回路とした。

本願発明にかかるＣＶ変換回路は、複数の容量の値を少ない回路で測定できるという効果がある。

上記課題を解決するために、この発明ではＣＶ変換回路において、複数の測定する容量に対して時分割で信号パルスを容量に印加するようにした。さらに、駆動電圧に同期して、抵抗の値を変えるようにした。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第一の実施例を示すＣＶ変換回路である。第一の容量２Aと第二の容量２Bとがあり、２Aと２Bは、どちらか一方が基準容量で、他方の容量が、測定すべき容量である。同様に、第三の容量３Aと第四の容量３Bとがあり、どちらか一方が基準容量で、他方の容量が、測定すべき容量である。

前記４つの容量全ての一端が、共通になっており、それが演算増幅器１の非反転入力端子に接続されている。演算増幅器１は、出力端子１０と反転入力端子を接続した、ボルテージ・フォロアとなっている。演算増幅器１の非反転入力端子には、抵抗９が接続され、抵抗９の他端は、接地されている。

第一の容量２Aの他端は、第一の信号電圧源４に接続されている。インバータ６の入力は第一の信号電圧源４に接続されており、そのインバータ６の出力は、第二の容量２Bの他端に接続されている。すなわち、第一の容量２Aと第二の容量２Bは、逆相で駆動している。

第三の容量３Aの他端は、第二の信号電圧源５に接続されている。インバータ７の入力は第二の信号電圧源５に接続されており、そのインバータ７の出力は、第四の容量３Bの他端に接続されている。すなわち、第三の容量３Aと第四の容量３Bは、逆相で駆動している。

図２に、横軸を時間とした、図1のCV変換回路の各部の電圧波形を示す。
図２（Ａ）は、信号電圧源４及び５の基本となるクロックの波形を示している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のクロックを分周した波形を示している。図２（Ｃ）は、図１の第一の信号電圧源４の出力波形である。この波形は、図２（Ａ）と（Ｂ）のＡＮＤによって、簡単に生成することができる。図２（Ｄ）は、図２（Ｃ）の電圧波形にて、容量２Ａ及び２Ｂを駆動したときに、演算増幅器１の出力端子１０に現れる電圧波形である。

今、第一の容量２Ａの値をC_2A、第二の容量２Bの値をC_2Bとすると、その容量値の引き算を、Cxとする。すなわち、Cx=C_2A−C_2Bとする。

図２（Ｄ）の電圧波形は、Cxの値に依存し、Cxが正の場合は、図２（Ｄ）のように図２（Ｃ）の波形の立ち上がりで、上にスパイクが発生する。逆に、Ｃｘが負の場合は、図２（Ｄ）とは逆に、図２（Ｃ）の波形の立ち上がりで、下にスパイクが発生する。

図２（Ｄ）のスパイクの高さは、第一の信号電圧源４の信号パルス振幅及び、インバータ６の電源、すなわち、信号パルス振幅が一定であれば、Cxの値に依存し、Cxが大きければ、スパイクの高さは高くなり、Cxが小さければ、スパイクの高さは低くなる。

すなわち、このスパイクを計測することで、CV変換が可能となる。

また、図２（Ｄ）のスパイクの放電波形は、非反転入力端子の全容量をＣ_Ｔとし、抵抗９の抵抗値をＲとすれば、Ｃ_Ｔ・Ｒの時定数で、放電されることになる。
ここで、その時定数が、図２（Ｃ）の“Ｈ”となっている時間（駆動パルス時間）を超える場合、図２（Ｃ）の波形が“Ｈ”→“Ｌ”に下がる時点で、演算増幅器１の出力１０が接地電圧にならず、測定誤差が発生する。したがって、Ｃ_Ｔ・Ｒの値は、信号電圧源が、容量を駆動するときのパルス時間よりも、小さいことが必要である。

図２（Ｅ）は、図１の第二の信号電圧源５の出力波形である。この波形は、図２（Ａ）と（Ｂ）の反転波形のＡＮＤによって、簡単に生成することができる。図２（Ｆ）は、図２（Ｅ）の電圧波形にて、容量３Ａ及び３Ｂを駆動したときに、演算増幅器１の出力端子１０に現れる電圧波形である。

今、第三の容量３Ａの値をC_3A、第四の容量３Bの値をC_3Bとすると、その容量値の引き算を、Cyとする。すなわち、Cy=C_3A−C_3Bとする。図２（Ｆ）の波形は、図２（Ｃ）と同様に、Cyの値に依存する。
図２（Ｇ）は、信号電圧源４と５によって、容量２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂが駆動された結果、演算増幅器１の出力端子１０に現れる電圧波形で、図２（Ｄ）及び（Ｆ）の和である。

図２（Ｈ）〜（Ｋ）は、演算増幅器１の出力端子１０の電圧波形を検波するときの信号を示している。図２（Ｈ）は（Ｃ）と同じで、（Ａ）と（Ｂ）のＡＮＤによって、簡単に生成することができる。図２（Ｉ）は、（Ａ）の反転と、（Ｂ）のＡＮＤによって、簡単に生成することができる。図２（Ｊ）は、（Ｅ）と同じで、（Ａ）と（Ｂ）の反転のＡＮＤによって、簡単に生成することができる。図２（Ｋ）は、（Ａ）の反転と、（Ｂ）の反転のＡＮＤによって、簡単に生成することができる。

図３に、同期検波回路の例を示す。スイッチS1〜S4があり、S1とS3及び、S2とS4は相補的にON/OFFする。すなわち、S1がONの時には、S3がOFF、S2がOFFの時には、S4がONとなるように動作する。

図１の演算増幅器１の出力端子１０が、図３の同期検波回路の入力端子ＩＮに接続される。

図３の同期検波回路は、測定しようとする容量の数だけ必要になる。

今、第一の容量２Ａと第二の容量２Ｂによる容量差Ｃｘを測定する場合、図２（Ｈ）の信号が“Ｈ”の時、Ｓ２とＳ３をＯＮ（Ｓ１とＳ４をＯＦＦ）し、図２（Ｉ）の信号が“Ｈ”の時、Ｓ１とＳ４をＯＮ（Ｓ２とＳ３をＯＦＦ）する。

これによって、第一の容量２Ａと第二の容量２Ｂによる容量差Ｃｘによって発生する演算増幅器１の出力を検出することが可能となる。

別の同期検波回路によって、第三の容量３Ａと第四の容量３Ｂによる容量差Ｃyを測定する場合、図２（Ｊ）の信号が“Ｈ”の時、Ｓ２とＳ３をＯＮ（Ｓ１とＳ４をＯＦＦ）し、図２（Ｋ）の信号が“Ｈ”の時、Ｓ１とＳ４をＯＮ（Ｓ２とＳ３をＯＦＦ）する。

これによって、第三の容量３Ａと第四の容量３Ｂによる容量差Ｃｙによって発生する演算増幅器１の出力を検出することが可能となる。

同期検波後は、図３のOUT端子の出力を必要に応じてロー・パス・フィルタにかけ、必要に応じて増幅することで、CV変換が可能となる。

すなわち、一つの演算増幅器と一つの抵抗で、２つの容量値の測定が可能となる。

尚、前述の説明では、簡単化のため、第一の容量２Aと第二の容量２Bの、どちらか一方が基準容量で、他方の容量が、測定すべき容量とし、同様に、第三の容量３Aと第四の容量３Bのどちらか一方が基準容量で、他方の容量が、測定すべき容量と述べたが、本回路は、あくまでも、第一の容量２Ａと第二の容量２Bの容量差、または、第三の容量３Aと第四の容量３Bの容量差を検出する回路であり、必ずしも、どちらか一方を基準容量とする必要は無いことは、明白である。

また、前述の説明では、一組の容量の差を検出すると記載しているが、片側の容量がなくとも、すなわち片側の容量値がゼロであっても容量の差として検出可能なことは明白である。

図４は、本発明の第二の実施例を示すＣＶ変換回路である。図１との違いは、第五の容量１２Ａと第六の容量１２Ｂの一端が演算増幅器１の非反転入力端子に接続されており、第五の容量１２Ａの他端は第三の信号電圧源１４に接続されている。また、インバータ１６の入力は第三の信号電圧源１４に接続されており、そのインバータ１６の出力は、第六の容量１２Bの他端に接続されている。すなわち、第五の容量１２Aと第六の容量１２Bは、逆相で駆動している。また、第一の信号電圧源４と、第二の信号電圧源５と第三の信号電圧源１４は、時分割的に信号パルスを発生している。それ以外は、図１と同様である。

図５に図４のＣＶ変換回路の横軸時間に対する各部の電圧波形を示す。
図５（Ａ）は、基本となるクロックの波形を示している。図５（Ｂ）は、図４の第一の信号電圧源４の出力波形である。図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）の電圧波形にて、容量２Ａ及び２Ｂを駆動したときに、演算増幅器１の出力端子１０に現れる電圧波形である。
図５（Ｄ）は、図４の第二の信号電圧源５の出力波形である。図５（Ｅ）は、図５（Ｄ）の電圧波形にて、容量３Ａ及び３Ｂを駆動したときに、演算増幅器１の出力端子１０に現れる電圧波形である。
図５（Ｆ）は、図４の第三の信号電圧源１４の出力波形である。図５（Ｇ）は、図５（Ｆ）の電圧波形にて、容量１２Ａ及び１２Ｂを駆動したときに、演算増幅器１の出力端子１０に現れる電圧波形である。

図５（Ｈ）は、信号電圧源４と５と１４によって、容量２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、１２Ａ、１２Ｂが駆動された結果、演算増幅器１の出力端子１０に現れる電圧波形で、図５（Ｃ）及び（Ｅ）及び（Ｇ）の和である。

図５（Ｊ）〜（Ｐ）は、演算増幅器１の出力端子１０の電圧波形を検波するときの信号を示している。図５（Ｊ）〜（Ｍ）は、実施例１と同様である。
同期検波回路によって、第五の容量１２Ａと第六の容量１２Ｂによる容量差Ｃzを測定する場合、図５（O）の信号が“Ｈ”の時、図３のＳ２とＳ３をＯＮ（Ｓ１とＳ４をＯＦＦ）し、図５（P）の信号が“Ｈ”の時、図３のＳ１とＳ４をＯＮ（Ｓ２とＳ３をＯＦＦ）する。

これによって、第五の容量１２Ａと第六の容量１２Bによる容量差Ｃzによって発生する演算増幅器１の出力を検出することが可能となる。

すなわち、一つの演算増幅器と一つの抵抗で、３つの容量値の測定が可能となる。

以上、説明から判るように、測定する容量の数だけ、時分割でその容量を駆動することで、３つ以上の容量値を一つの演算増幅器と一つの抵抗で、測定することが可能となることは、明白である。

図６は、本発明の第三の実施例を示すＣＶ変換回路である。図１との違いは、抵抗９が、９Aと９Bの２つの抵抗となっており、９Bに並列に、スイッチ２１が付加されており、前記スイッチ２１は、第一の信号電圧源４の信号と、第二の信号電圧源５の信号を入力とするロジック回路２０の出力によって、制御されている。（ロジック回路２０の入力は、第一の信号電圧源４の信号と、第二の信号電圧源５の信号そのものである必要はなく、第一の信号電圧源４の信号または、第二の信号電圧源５の信号と同期した信号が得られれば良い。）
非反転入力端子の全容量をＣ_Ｔとし、抵抗９Aの抵抗値をR_9A、抵抗９Bの抵抗値をR_9Bとすれば、スイッチ２１がONしているときは、容量検出時のスパイク電圧がＣ_Ｔ・R_9Aの時定数で放電され、スイッチ２１がOFFしているときは、容量検出時のスパイク電圧がＣ_Ｔ・（R_9A+R_9B）の時定数で放電さることになる。

仮に、第一の容量２Aと第二の容量２Bの容量差Cxの値が大きいときは、第一の電圧信号源４及び、インバータ６で、容量を駆動したときに、図２（Ｄ）のピーク電圧が大きくなる。一方、第三の容量３Aと第四の容量３Bの容量差Cyの値が小さいときは、第二の電圧信号源５及び、インバータ７で、容量を駆動したときに、図２（Ｆ）のピーク電圧が小さくなる。その場合、非反転入力端子と接地電位間に接続されている抵抗の値を大きくすれば、図２（Ｄ）の波形が歪むことになり、抵抗の値を小さくすれば、図２（Ｆ）の波形が、ほとんど得られない（ノイズにうもれる）という問題が発生する。

しかし、図２（Ｂ）が“Ｈ”の時に、図６のスイッチ２１を、ONするようにすることで容量差が大きいときには、非反転入力端子と接地電位間の抵抗値を小さくし（R_9A）、容量差が小さいときには、非反転入力端子と接地電位間の抵抗値を大きく（R_9A+R_9B）することで、良好なCV変換を行うことが可能となる。

抵抗値を変えることは、CV変換の感度を変えることになるため、同期検波後の出力は、フィルタにかけた後、抵抗値に応じて、必要があれば増幅率を変えてCV変換の出力をとりだす。

また、第一の容量２Aと第二の容量２Bの容量差Cxの値が大きいときは、第一の電圧信号源４及び、インバータ６の電源振幅を小さくし、第三の容量３Aと第四の容量３Bの容量差Cyの値が小さいときは、第二の電圧信号源５及び、インバータ７の電源振幅を大きくすることで、図２（Ｄ）及び図２（Ｆ）のピーク電圧をある程度の範囲内に設定することが可能となる。すなわち、容量差に応じて、容量を駆動する電圧の振幅を変えることで、良好なCV変換を行うことが可能となる。

容量を駆動する電圧の振幅を変えることは、CV変換の感度を変えることになるため、同期検波後の出力は、フィルタにかけた後、容量を駆動する電圧の振幅に応じて、必要があれば増幅率を変えてCV変換の出力をとりだす。

以上、実施例１〜３では、演算増幅器１の非反転入力端子は全て、０Ｖに接地しているが、０Ｖである必要はなく、ある任意の電圧であれば、その任意の電圧を基準に、演算増幅器１の出力電圧が発生する。

また、第一の容量２Aと第二の容量２B、第三の容量３Aと第四の容量３B、第五の容量１２Aと第６の容量１２Bのどちらか片方が必ずしも、基準容量である必要はなく、本発明のCV変換回路は、２つの容量差を検出することができる。

以上説明したように、本発明によればＣＶ変換回路おいて、少ない回路で複数の容量を測定することが可能となる。

本発明の第一の実施例のＣＶ変換回路である。本発明の第一の実施例のＣＶ変換回路の電圧波形である。同期検波回路の例である。本発明の第二の実施例のＣＶ変換回路である。本発明の第二の実施例のＣＶ変換回路の電圧波形である。本発明の第三の実施例のＣＶ変換回路である。従来のＣＶ変換回路である。従来のＣＶ変換回路の電圧電流波形である。

符号の説明

１演算増幅器
２Ａ、２Ｂ、３A、３B、１２A、１２B 容量
９、９A、９B 抵抗
４、５、１４信号電圧源
６、７、１６インバータ

Claims

反転入力端子が出力端子に接続された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が接地された抵抗と、
一端が前記非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源の反転出力に接続された第二の容量と、
一端が前記非反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第三の容量と、
を有するＣＶ変換回路において、
前記第一の信号電圧源と、前記第二の信号電圧源が、時分割的に信号パルスを発生するとともに、前記信号パルスに同期して検波することを特徴とするＣＶ変換回路。
反転入力端子が出力端子に接続された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が接地された抵抗と、
一端が前記非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記非反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第二の容量と、
一端が前記非反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源の反転出力に接続された第三の容量と、
を有するＣＶ変換回路において、
前記第一の信号電圧源と、前記第二の信号電圧源が、時分割的に信号パルスを発生するとともに、前記信号パルスに同期して検波することを特徴とするＣＶ変換回路。
反転入力端子が出力端子に接続された演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、他端が接地された抵抗と、
一端が前記非反転入力端子に接続され、他端が第一の信号電圧源に接続された第一の容量と、
一端が前記非反転入力端子に接続され、他端が第二の信号電圧源に接続された第二の容量と、
を有するＣＶ変換回路において、
前記第一の信号電圧源と、前記第二の信号電圧源が、時分割的に互いに他の反転出力とはなっていない信号パルスを発生するとともに、前記信号パルスに同期して検波することを特徴とするＣＶ変換回路。
さらに、一端が前記非反転入力端子に接続され、他端が第三の信号電圧源に接続された容量を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＣＶ変換回路。
前記非反転入力端子に接続される全容量値の和Ｃと、前記抵抗の値ＲによるＣＲの時定数の値が、前記第一及び前記第二の信号電圧源の信号パルス時間よりも、小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載のＣＶ変換回路。
前記抵抗の値を前記信号電圧源に同期して変更することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＣＶ変換回路。
前記第一の信号電圧源と第二の信号電圧源の振幅電圧値が異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＣＶ変換回路。