JP5104094B2 - 発振駆動回路、発振駆動装置、物理量測定回路、物理量測定装置および電子機器 - Google Patents
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Description
(1)発振ループの状態や動作モードに応じて、利得制御増幅回路(ゲインコントロールアンプ:GCA)の出力信号の電圧振幅を切り換える構成を採用すると共に、低消費電力モード(スリープモード)を採用することによって、回路の大型化を防止しつつ省電力化の徹底を図ることができる。
(2)ループ利得を1より大きくして物理量トランスデューサを励振することができるため、発振定常状態への高速な移行が可能である。低消費電力モード(スリープモード)時においても同様の励振状態を維持する構成を採ることによって、低消費電力モード(スリープモード)から通常動作モードへの高速な復帰も可能となる。
(3)電流制限回路を設けることによって、物理量トランスデューサに過剰な電流が流れることによる物理量トランスデューサの破壊を防止することができる。
(4)物理量トランスデューサとして水晶振動子を利用することにより、物理量の検出精度を向上させることができる。
(5)小型かつ軽量の電子機器に本発明にかかる装置(物理量測定装置等)を搭載することによって、電池の長寿命化を達成しつつ、例えば、高精度の手振れ補正を可能とすることができる。
本実施形態では、本発明の物理量測定装置(発振駆動回路、検出回路ならびに物理量トランスデューサを含む)の構成の一例および動作の一例の概要を説明する。
発振駆動回路200は、発振ループによって物理量トランスデューサ400を駆動する。本実施形態の発振駆動回路200では、高速な起動を可能とするため、発振起動時においてループゲインを1より大きく設定する。すなわち、発振起動時における発振条件は、ループゲイン>1、かつ、ループ内の位相=360度・n(nは整数)を満足することである。安定発振時の発振条件は、ループゲイン=1、かつ、ループ内の位相=360度・n(nは整数)を満足することである。
図1の発振駆動回路200は、VDD(高電位電源)とGND(接地電位:低電位電源)との間で動作する。但し、GND(接地電位)の代わりにアナロググランド(AGND:回路の基準電位であり、GNDと一致するとは限らない)を用いることもあり得る。具体的には、物理量トランスデューサ(振動子)400の種類に応じて、使用できる電源電位が異なる。
本発明では、物理量トランスデューサを矩形波で駆動する方式を採用する。この方式は、物理量トランスデューサを所定周波数の矩形波(3次、5次等の高調波成分が含まれる)で駆動した場合でも、物理量トランスデューサ自体がもつ周波数フィルタ作用によって、不要な高調波が低減され、目的とする周波数(共振周波数)の駆動信号が得られることを利用する。
図1に示されるように、物理量測定装置は、物理量トランスデューサ400を矩形波の駆動信号で発振駆動するための発振駆動回路200と、物理量トランスデューサ400からの検出信号(物理量の変化を示す電流信号)を検出する検出回路100と、を含む。
図1の発振駆動回路200では、利得制御増幅回路(GCA)50の出力部53の出力信号の電圧振幅を、発振起動過程と発振定常状態に応じて切換える。すなわち、発振起動過程では、発振ループ(RP1)の利得を1より大きくすることによって、発振定常状態への高速な移行が可能となる。
図1の発振駆動回路200では、過電流対策も施されている。すなわち、図1の発振駆動回路200において、発振起動過程時に出力部53の出力信号の電圧振幅を増大させて発振ループの利得(ゲイン)を1より大きくしたとき、過電流が物理量トランスデューサ(水晶振動子や圧電素子等)400に流れ、物理量トランスデューサ400において振動部分が折れる等の破壊が生じる場合がある。
上述のとおり、図1の発振駆動回路200はスリープモード制御回路70を有している。低消費電力モード(スリープモード:待機モードと呼ばれることもある。以下、スリープモードという)は、以下のように利用される。
本実施形態では、駆動用電圧/電流変換増幅回路(OPA)およびAGC回路40の具体的な構成例について説明する。図5は、駆動用電圧/電流変換増幅回路およびAGC回路の一例の具体的な回路構成を示す回路図である。
全波整流器42によって変換された電圧値をローパスフィルタにて平滑して直流電圧を得て、その直流電圧のレベルが所定値(Vref=VDD・{R6/(R5+R6)})と比較する。直流電圧のレベルが大きければ物理量トランスデューサ400を含む発振ループが発振状態であると判定する。そして、比較結果に対応したスイッチ制御信号SWCTLが出力される。
本実施形態では、図6および図7を参照して、発振駆動回路(ならびに物理量測定装置)の具体的な回路構成例とその動作について説明する。
図6において、利得制御増幅回路(ゲインコントロールアンプ:GCA)50は、定電流源と、差動部(差動回路:図1の参照符号51に相当)と、出力部(Pout1:図1の参照符号53に相当)と、を有する。
コンパレータ60は、GCA50と同様に、前段に定電流源と差動部(図1の参照符号61に相当)を有し、その後段に、出力部(出力回路:図1の参照符号63に相当)Pout2が設けられる。
発振起動過程では、図6において太い実線で示されるような経路が利用される。すなわち、AGC回路40の発振検出器44からのスイッチ制御信号(SWCTL)はLレベルとなり、これに伴って、第1のスイッチSW3がオフし、第2のスイッチSW4がオンする。
スリープモード(低消費電力モード)時には、図7において太い実線で示されるような経路が利用される。すなわち、スリープモード制御回路70から出力されるスリープ制御信号(SLEEP)はHレベル(アクティブレベル)となる。
本実施形態では、本発明の物理量測定装置(発振駆動回路、検出回路ならびに物理量トランスデューサを含む)を搭載した電子機器について説明する。
(1)発振ループの状態や動作モードに応じて、利得制御増幅回路(ゲインコントロールアンプ:GCA)の出力信号の電圧振幅を切り換える構成を採用すると共に、低消費電力モード(スリープモード)を採用することによって、回路の大型化を防止しつつ省電力化の徹底を図ることができる。
(2)ループ利得を1より大きくして物理量トランスデューサを励振することができるため、発振定常状態への高速な移行が可能である。低消費電力モード(スリープモード)時においても同様の励振状態を維持する構成を採ることによって、低消費電力モード(スリープモード)から通常動作モードへの高速な復帰も可能となる。
(3)電流制限回路を設けることによって、物理量トランスデューサに過剰な電流が流れることによる物理量トランスデューサの破壊を防止することができる。
(4)物理量トランスデューサとして水晶振動子を利用することにより、物理量の検出精度を向上させることができる。
(5)小型かつ軽量の電子機器に本発明にかかる装置(物理量測定装置等)を搭載することによって、電子機器の小型化、低消費電力化、高性能化が可能となる。すなわち、電池の長寿命化を達成しつつ、例えば、高精度の手振れ補正が可能となる。
40 AGC(自動利得制御)回路、42 全波整流回路、46 積分器、
50 複合型コンパレータ(差動部共通の2段出力型コンパレータ)、
53(Pout1) 出力部(第1の出力部)、
63(Pout2) 出力部(第2の出力部)、 100 検出回路、 106 移相器、
108 同期検波回路、110 ローパスフィルタ(LPF)、200 発振駆動回路、
400 物理量トランスデューサ(水晶振動子等)、
Ia(DET),Ib(DET) 物理量トランスデューサからの検出信号
V(DET) 物理量の検出出力、VCT ゲイン制御信号、
S1,S2 物理量トランスデューサの発振駆動端子、
S3,S4 物理量トランスデューサの検出端子、
SW3,SW4 第1/第2のスイッチ
Claims (11)
- 物理量トランスデューサに接続されることによって発振ループを構成すると共に、前記物理量トランスデューサを駆動して駆動振動を励振する発振駆動回路であって、
前記物理量トランスデューサからの電流信号を電圧信号に変換する駆動用電流/電圧変換増幅回路と、
前記駆動用電流/電圧変換増幅回路からの電圧信号を所定電圧と比較する差動部と、前記差動部の出力信号の電圧レベルを可変に調整して出力する出力部と、を含む利得制御増幅回路と、
通常動作モードと低消費電力モードを切り換えるための動作モード制御回路と、を含み、
通常動作モード時において、
前記利得制御増幅回路の出力信号の電圧振幅を、前記発振ループが発振定常状態であるときには前記発振ループの利得が1になるように制御し、前記発振ループが発振起動過程にあるときには前記発振ループの利得が1より大きくなるように制御し、
低消費電力モード時において、
前記発振駆動回路の一部をオフすると共に、前記利得制御増幅回路の出力信号の電圧振幅を、前記発振ループの利得が1より大きくなるように制御する、
ことを特徴とする発振駆動回路。 - 請求項1記載の発振駆動回路であって、
前記発振ループ内の利得を自動調整する自動利得制御回路と、
前記自動利得制御回路に設けられた発振検出器からの発振検出信号に基づいてオン/オフが制御され、オン状態のときに、前記利得制御増幅回路に、前記自動利得制御回路からの利得制御信号を供給する第1のスイッチと、
前記発振ループの発振検出信号に基づいてオン/オフが制御され、オン状態のときに、前記利得制御増幅回路に、前記発振ループの利得を1より大きくするための電圧を供給する第2のスイッチと、
を有することを特徴とする発振駆動回路。 - 請求項2記載の発振駆動回路であって、
前記自動利得制御回路からの利得制御信号ならびに前記発振ループの利得を1より大きくするための電圧は、前記利得制御増幅回路の高電位電源電圧として供給されることを特徴とする発振駆動回路。 - 請求項1〜請求項3のいずれか記載の発振駆動回路であって、
前記駆動用電流/電圧変換増幅回路に基づいて同期検波用参照信号を生成するコンパレータをさらに有し、
前記低消費電力モード時には、前記自動利得制御回路および前記コンパレータに含まれる回路の少なくとも一部をオフすることを特徴とする発振駆動回路。 - 請求項1〜請求項4のいずれか記載の発振駆動回路であって、
前記利得制御増幅回路は、前記出力部における高電位電源ノードと出力ノードを結ぶ電流経路、および低電位電源ノードと出力ノードとを結ぶ電流経路の少なくとも一方の電流量を制限する電流制限回路を有する、
ことを特徴とする発振駆動回路。 - 請求項1〜請求項5いずれか記載の発振駆動回路と、
前記発振駆動回路によって励振される前記物理量トランスデューサと、
を有することを特徴とする発振駆動装置。 - 請求項1〜請求項5のいずれか記載の発振駆動回路と、
前記物理量トランスデューサからの電流信号を電圧信号に変換する検出用電流/電圧変換増幅回路と、前記検出用電流/電圧変換増幅回路の後段に設けられた、前記発振駆動回路からの同期検波用参照信号に基づいて同期検波を行う同期検波回路と、を含む検出回路と、
を有することを特徴とする物理量測定回路。 - 請求項7記載の物理量測定回路であって、
低消費電力モード時において、前記検出回路の少なくとも一部をオフすることを特徴とする物理量測定回路。 - 請求項7または請求項8記載の物理量測定回路と、
前記発振駆動回路によって励振される前記物理量トランスデューサと、
を有することを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項6記載の発振駆動装置を搭載した電子機器。
- 請求項9記載の物理量測定装置を搭載した電子機器。
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