JP5018920B2 - A/d変換器 - Google Patents
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Description
以下、本発明の第1の実施形態について図1〜図4を参照しながら説明する。
図1は、車載用制御ICに用いられる容量式加速度センサおよびそのセンサ出力をA/D変換する巡回型A/D変換器の構成を示している。容量式加速度センサのセンサエレメント1は、コンデンサCE1、CE2を備えている。コンデンサCE1、CE2の静電容量は、加速度が加わらない状態において何れもCEとなっている。コンデンサCE1、CE2は、加速度が加わると、その加速度に応じて相補的に静電容量が変化する。例えば、所定の加速度が加わったことにより、コンデンサCE1の静電容量がΔC/2だけ増加すると(+ΔC/2)、コンデンサCE2の静電容量がΔC/2だけ減少する(−ΔC/2)。コンデンサCE1、CE2の一方の端子はそれぞれ端子FE1、FE2に接続されている。これら端子FE1、FE2には、駆動電圧Vsp、Vsmが交互に印加される。コンデンサCE1、CE2の他方の端子(相互接続点)は、巡回型A/D変換器2の信号入力端子3に接続されている。
具体的には、基準電圧VrefpとVrefmの差電圧を抵抗R0、R1、R2で分圧し、抵抗R0とR1、抵抗R1とR2の各接続点は、それぞれコンパレータCMP1、CMP2の非反転入力端子に接続されている。コンパレータCMP1、CMP2の反転入力端子には、切替回路5を介して電圧が入力されている。ここで、抵抗R0、R1、R2の抵抗値としては、抵抗R1を所定の抵抗値R[Ω]としたときに、抵抗R0とR2を1.5R[Ω]となるように設定している。
巡回型A/D変換器2は、A/D変換を実行するために本来備えている切替回路5、マルチプライングD/A変換器6などを用いて信号電荷SinをC/V変換した上で増幅し、その後、A/D変換回路7も用いてA/D変換を実行する。制御回路8は、A/D変換回路7とスイッチS1〜S3およびスイッチS10〜S16を制御して、図3に示すように信号電荷SinのC/V変換を実行し、その後、C/V変換により得られた電圧(変換電圧)を1回巡回させて(マルチプライングD/A変換器6に2回通過させて)増幅動作を実行し、その後、その増幅電圧を9回巡回させて(A/D変換回路7にA/D変換を10回実行させて)10ビットのA/D変換動作を実行する。
制御回路8は、増幅動作およびA/D変換動作に先立ってC/V変換動作(電圧変換動作に相当)を実行する。すなわち、切替回路5をマルチプライングD/A変換器6側、スイッチS10、S11を切替回路5側に切り替え、スイッチS1、S2、S13、S14、S16をオン、スイッチS3、S12、S15をオフとし、コンデンサCG、CS10、CS11、CFの電荷を初期化する(sampling)。この電荷初期化動作は、C/V変換動作の「リセット」に相当する。図4(a)は、上記リセットの期間(リセット期間と称す)における巡回型A/D変換器2の構成のうち、C/V変換動作に関わる構成のみを概略的に示している。図4(a)および図3に示すように、リセット期間中、センサエレメント1の端子FE1には電圧Vspが印加され、端子FE2には電圧Vsmが印加されている。また、オペアンプ9の反転入力端子および出力端子は、スイッチS14を介して短絡されている。このため、リセット期間におけるオペアンプ9の反転入力端子の電荷Qrは、グランド電位(0V)をVcomとすると、下記(1)式により表される。
Qr=(CE+ΔC/2)(Vsp−Vcom)+(CE−ΔC/2)(Vsm−Vcom) …(1)
Qc=(CE+ΔC/2)(Vsm−Vcom)+(CE−ΔC/2)(Vsp−Vcom)+CG(Vo−Vcom)…(2)
Qr=Qc …(3)
上記(1)〜(3)式により、C/V変換後の出力電圧Voは、下記(4)式により表される。
Vo=(ΔC/CG)(Vsp−Vsm)+Vcom …(4)
制御回路8は、C/V変換動作に続いて増幅動作を実行する。すなわち、スイッチS1、S2、S13、S16をオフとした後、スイッチS10、S11をVrefm側に切り替え、スイッチS3、S12、S15をオンとし、マルチプライングD/A変換器6を増幅動作させる(Amp(1))。
(CF+2・CS)(Vin−0)=2・CS(0−0)+CF(Vo−0) …(5)
Vo=(CF+2・CS)/CF・Vin=2・Vin …(6)
制御回路8は、A/D変換回路7のラッチ回路12に対しハイレベルのラッチ信号を出力する。そして、スイッチS10、S11を切替回路5側に切り替え、スイッチS13をオンしてコンデンサCS10、CS11に増幅電圧で電荷設定をする(Sampling)。電荷設定が完了すると、スイッチS13をオフし、その後スイッチS12をオンするとともにA/D変換回路7のA/D変換値に応じてスイッチS10、S11をVrefp側またはVrefm側に切り替えて電荷再分配を実行する(MD/A(1))。
以下、本発明の第2の実施形態について図5を参照しながら説明する。
図5は、第1の実施形態における図3相当図であり、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。第1の実施形態では、巡回型A/D変換器2は、信号電荷SinをC/V変換した上で増幅し、その後、A/D変換を実行していた。しかし、例えば、信号電荷SinをC/V変換して得られる電圧が、既にA/D変換のダイナミックレンジに適している場合などには、増幅動作を省略することも考えられる。そこで、本実施形態の巡回型A/D変換器2は、信号電荷SinをC/V変換し、その後、C/V変換後の電圧のA/D変換を実行する。
図5に示すように、制御回路8は、A/D変換動作に先立って、第1の実施形態と同様のC/V変換動作を実行する(Sampling)。
図5に示すように、制御回路8は、C/V変換動作に続いてA/D変換動作を実行する。すなわち、A/D変換回路7のラッチ回路12に対しハイレベルのラッチ信号を出力する。そして、スイッチS1、S2、S16をオフとし、スイッチS3、S15をオンとしてコンデンサCS10、CS11にC/V変換後の出力電圧Voで電荷設定をする(Sampling)。電荷設定が完了すると、スイッチS13をオフし、その後スイッチS12をオンするとともにA/D変換回路7のA/D変換値に応じてスイッチS10、S11をVrefp側またはVrefm側に切り替えて電荷再分配を実行する(MD/A(1))。
以下、本発明の第3の実施形態について図6および図7を参照しながら説明する。
図6および図7は、第1の実施形態における図1および図4相当図であり、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。本実施形態では、図6に示すように、排ガスセンサ21からの検出電流Iinが信号入力端子3を介して巡回型A/D変換器2に入力されている。排ガスセンサ21は、例えば車両に搭載されるエンジンの排ガス中に含まれるNoxの濃度に応じて変化する検出電流Iinを出力する。なお、電流は単位時間あたりの電荷の移動量である。このため、本実施形態では、検出電流Iinが外部信号電荷に相当する。
Vo=Vcom−(Iin/CG)・t …(7)
以下、本発明の第4の実施形態について図8〜図10を参照しながら説明する。
図8、図9および図10は、それぞれ第1の実施形態における図1、図3および図4相当図であり、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。センサエレメント1のコンデンサCE1、CE2の一方の端子はそれぞれ端子FE1、FE2に接続されている。これら端子FE1、FE2は、それぞれ巡回型A/D変換器31の信号入力端子3p、3mに接続されている。コンデンサCE1、CE2の他方の端子(相互接続点)は、端子FEに接続されている。端子FEには、駆動電圧Vsp、Vsmが交互に印加される。
図9は、上記構成を有する巡回型A/D変換器31の動作タイミングを示している。この図9に示すように、巡回型A/D変換器31の動作タイミングは、図3に示した巡回型A/D変換器2の動作タイミングとほぼ同様となる。ただし、A/D変換動作における電荷再分配時において、スイッチS10p、S11pはA/D変換回路32から出力されるA/D変換コードnに基づいて切り替えられ、スイッチS10m、S11mは(2−n)に基づいて切り替えられる。こうした一連の動作において、非反転信号側と反転信号側における各スイッチの切り替えは同タイミングで行われるようになっている。
Qrp=(CE+ΔC/2)(Vsm−Vcom) …(8)
Qrm=(CE−ΔC/2)(Vsm−Vcom) …(9)
Qcp=(CE+ΔC/2)(Vsp−Vx)+CGp(Vop−Vx) …(10)
Qcm=(CE−ΔC/2)(Vsp−Vx)+CGm(Vom−Vx) …(11)
Qrp=Qcp …(12)
Qrm=Qcm …(13)
Vop−Vom=−(ΔC/(CE+CG))(Vsp−Vsm) …(14)
すなわち、C/V変換後のオペアンプ34の差動出力(Vop−Vom)は、コンデンサCE1、CE2の静電容量の変化ΔCを-(1/(CE+CG))(Vsp−Vsm)というゲインで増幅したものに相当する。
以下、本発明の第5の実施形態について図11および図12を参照しながら説明する。
図11および図12は、それぞれ第1の実施形態における図1および図3相当図であり、第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。図12に示す巡回型A/D変換器41は、図1に示した巡回型A/D変換器2に対し、コンデンサCGおよびスイッチS2、S3が省かれている点と、マルチプライングD/A変換器6に代えてマルチプライングD/A変換器42を備えている点とが異なる。マルチプライングD/A変換器42(残余電圧生成回路に相当)は、図1に示したマルチプライングD/A変換器6に対し、スイッチS15、S16が省かれている点が異なる。スイッチS15の削除に伴い、コンデンサCFの一方の端子をオペアンプ9の反転入力端子に接続している。
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した各実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
上述した各実施形態では、変換電圧をマルチプライングD/A変換器6、33に2回通過(1回巡回)させることにより増幅したが、1回通過させた後にA/D変換を実行させてもよいし、3回以上通過(2回以上巡回)させた後にA/D変換を実行させてもよい。この通過回数(巡回数)を適宜設定することにより、A/D変換器にプログラマブルな可変ゲイン増幅器としての機能を持たせることができる。
増幅動作中、マルチプライングD/A変換器6、33に被増幅信号を通過させるごとに増幅率を変更してもよい。この場合、変換電圧の増幅動作における増幅率とその後のA/D変換動作における増幅率とをそれぞれ独立して設定する。増幅動作における増幅率は1倍以下であってもよい。
例えば第1の実施形態において、増幅動作時にコンデンサCF、CS10、CS11に電荷設定をしたが、コンデンサCFとコンデンサCS10、CS11のうちの少なくとも1つに電荷設定する構成としてもよい。また、増幅動作の電荷再分配時にスイッチS10、S11の少なくとも1つをVrefm側ではなく切替回路5側に切り替えてもよい。このようにすれば多種類の増幅率を実現できる。
各実施形態において、増幅動作時にオフセット電圧を与える構成としてもよい。すなわち、変換電圧または増幅電圧をマルチプライングD/A変換器6、33に通過させるごとに、本発明でいうアナログ電圧の規定値を異なる値に設定してもよい。例えば、第1の実施形態では、増幅動作時の電荷再分配に際しスイッチS10、S11の少なくともいずれか1つをVrefp側に切り替えればよい。
増幅動作を行うか否かを変更可能にするとともに、増幅動作を行う場合の巡回数を変更可能とし、C/V変換動作時および増幅動作時にもA/D変換回路7、32にA/D変換を実行させ、その変換結果に基づいて変換電圧または増幅電圧がA/D変換に適したダイナミックレンジにまで増幅されたか否かを判断して巡回動作を停止するように構成してもよい。この場合、制御回路8、35は、巡回数(マルチプライングD/A変換器6、33への通過回数)と各回の増幅率とを記憶し、得られたA/D変換値に対する補正処理を行えばよい。
Claims (5)
- A/D変換回路と、
このA/D変換回路の入力電圧と所定のアナログ電圧との差電圧を増幅した残余電圧を生成するものであって、アレイコンデンサ、演算増幅器および積分コンデンサを備える残余電圧生成回路と、
前記残余電圧生成回路から出力される電圧を前記A/D変換回路および前記残余電圧生成回路に入力する入力回路と、
外部信号電荷を前記残余電圧生成回路の前記演算増幅器の入力端子に入力するか否かを切り替える入力切替回路と、
前記外部信号電荷を前記入力切替回路を介して前記残余電圧生成回路に入力し、その残余電圧生成回路から前記外部信号電荷に応じた電圧を出力させる電圧変換動作を実行し、その後、前記残余電圧生成回路におけるアナログ電圧を前記A/D変換回路から出力されるデジタル変換値のD/A変換値とした上で、前記外部信号電荷の変換電圧を前記入力回路、前記A/D変換回路および前記残余電圧生成回路通して巡回させることによりA/D変換するA/D変換動作を実行する制御回路とを備えていることを特徴とするA/D変換器。 - 前記残余電圧生成回路は、
1または複数のアレイコンデンサを備え、当該各アレイコンデンサの一端が共通側電極としてコモンラインに接続され、他端が非共通側電極として複数の基準電圧線に接続されるコンデンサアレイ回路と、
前記コモンラインの電圧を入力とする演算増幅器と、
前記コモンラインから前記演算増幅器に至る信号経路に介在するスイッチ回路と、
前記演算増幅器の入出力端子間に接続可能な第1および第2の積分コンデンサとを備えて構成され、
前記制御回路は、
前記第1の積分コンデンサを初期化し、続いて前記第1の積分コンデンサを前記演算増幅器の入出力端子間に接続するとともに前記スイッチ回路を開いた状態で前記演算増幅器の入力端子に向けて前記外部信号電荷を入力することで当該外部信号電荷に応じた電荷を前記第1の積分コンデンサに設定して前記演算増幅器から前記第1の積分コンデンサの端子電圧に応じた変換電圧を出力する電圧変換動作を実行し、その後、前記入力回路を介して前記第2の積分コンデンサと前記アレイコンデンサとの中から選択したコンデンサに対し前記変換電圧に応じた電荷を設定するとともに残るコンデンサを初期化し、続いて前記第2の積分コンデンサを前記演算増幅器の入出力端子間に接続するとともに前記スイッチ回路を閉じた状態で前記A/D変換回路の変換結果に応じて前記各アレイコンデンサの非共通側電極をそれぞれ前記複数の基準電圧線の何れかに接続することにより前記アレイコンデンサと前記第2の積分コンデンサとの間で電荷再分配を行い、その後必要回数だけ前記演算増幅器から出力される残余電圧に応じた前記電荷設定と初期化それに続く前記電荷再分配を行うことにより前記変換電圧をA/D変換するA/D変換動作を実行することを特徴とする請求項1記載のA/D変換器。 - 前記制御回路は、
前記電圧変換動作を実行した後、前記入力回路を介して前記第2の積分コンデンサと前記アレイコンデンサとの中から選択したコンデンサに対し前記変換電圧に応じた電荷を設定するとともに残るコンデンサを初期化し、続いて前記第2の積分コンデンサを前記演算増幅器の入出力端子間に接続するとともに前記スイッチ回路を閉じた状態で前記アレイコンデンサの非共通側電極をそれぞれ前記複数の基準電圧線の所定の何れかに接続することにより前記アレイコンデンサと前記第2の積分コンデンサとの間で電荷再分配を行い、その後必要に応じて前記演算増幅器から出力される電圧に応じた前記電荷設定と初期化それに続く前記電荷再分配を行うことにより前記変換電圧を増幅する増幅動作を実行し、その後、前記入力回路を介して前記第2の積分コンデンサと前記アレイコンデンサとの中から選択したコンデンサに対し前記増幅した電圧に応じた電荷を設定するとともに残るコンデンサを初期化し、続いて前記第2の積分コンデンサを前記演算増幅器の入出力端子間に接続するとともに前記スイッチ回路を閉じた状態で前記A/D変換回路の変換結果に応じて前記各アレイコンデンサの非共通側電極をそれぞれ前記複数の基準電圧線の何れかに接続することにより前記アレイコンデンサと前記積分コンデンサとの間で電荷再分配を行い、その後必要回数だけ前記演算増幅器から出力される残余電圧に応じた前記電荷設定と初期化それに続く前記電荷再分配を行うことにより前記増幅した電圧をA/D変換するA/D変換動作を実行することを特徴とする請求項2記載のA/D変換器。 - 前記第1の積分コンデンサおよび前記第2の積分コンデンサは、1つのコンデンサであることを特徴とする請求項2または3記載のA/D変換器。
- 前記A/D変換回路、前記残余電圧生成回路、前記入力回路および前記入力切替回路は、それぞれ差動動作可能に構成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のA/D変換回路。
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