JP5284875B2 - オフセット電圧補正回路 - Google Patents

Description

本発明は、センサや差動増幅回路などから出力する差動出力信号に含まれるオフセット電圧を除去するオフセット電圧補正回路に関する。

図４に従来の圧力センサ回路を示す（例えば、特許文献１）。この圧力サンサ回路は、圧力によって抵抗値が変化する抵抗Ｒ₁〜Ｒ₄からなる抵抗ブリッジ型の圧力センサ２０と、その圧力センサ２０に駆動電圧を供給するセンサ駆動回路３０とからなる。Ｒ₅，Ｒ₆はオフセット補正用の外付け抵抗、２１，２２はセンサ出力端子である。

圧力センサ２０に外部圧力が加わっていない状態の一方のセンサ出力端子２１の電圧をＶ₁、他方のセンサ出力端子２２の電圧をＶ₂とする。センサ出力端子２１の電圧を基準に考えると、センサ出力電圧は「Ｖ₂−Ｖ₁」となる。そして、外部から圧力（加圧または減圧）を加えると、ブリッジを構成している抵抗Ｒ₁〜Ｒ₄の抵抗値が変化し、このときのセンサ出力端子２１の電圧変化がΔＶ₁、センサ出力端子２２の電圧変化がΔＶ₂であるとすると、差動のセンサ出力電圧は、「（Ｖ₂＋ΔＶ₂）−（Ｖ₁＋ΔＶ₁）＝（Ｖ₂−Ｖ₁）＋（ΔＶ₂−ΔＶ₁）」となる。このうち、「Ｖ₂−Ｖ₁」は差動の無信号電圧、つまりオフセット電圧であり、「ΔＶ₂−ΔＶ₁」が差動の信号電圧となる。

通常、圧力センサ２０から出力する信号電圧「ΔＶ₂−ΔＶ₁」は、数ｍＶ〜数百ｍＶ程度であるため、その出力電圧を後段で所望の信号振幅に増幅する必要がある。しかし、出力オフセット電圧「Ｖ₂−Ｖ₁」が大きい圧力センサ（出力オフセット電圧が出力信号に比べて大きいセンサも存在する）の場合、出力電圧を後段の増幅器で所望の信号振幅まで増幅しようとすると、信号電圧「ΔＶ₂−ΔＶ₁」と同時に出力オフセット電圧「Ｖ₂−Ｖ₁」も増幅され、増幅器のダイナミックレンシを超えてしまい、結果として信号電圧についての所望の振幅が得られないという不都合が生じてしまう。

そのため、圧力センサ２０の出力電圧を所望の信号振幅まで増幅する以前に、出力オフセット電圧をゼロに補正する必要がある。そこで、オフセット電圧補正用の外付け抵抗Ｒ₅，Ｒ₆でブリッジの抵抗値自体を予め調整し、出力オフセット電圧をゼロに補正する方法が考えられる。しかしながら、外付け抵抗Ｒ₅，Ｒ₆の種類等を考慮せずに、単に出力オフセット電圧を補正した場合、補正前とセンサ感度が異なり、所望の特性が得られなくなる場合がある。

図５は、オフセット電圧補正用の外付け抵抗Ｒ₅，Ｒ₆を使用せず、圧力センサ２０の後段にオフセット補正機能付きの差動増幅回路５０を接続したものである（例えば、特許文献２）。差動増幅回路５０は、演算増幅器ＯＰ３、抵抗Ｒ₇〜Ｒ₁₀、電圧源Ｖ_Bで構成される。

しかし、このような回路構成であっても、圧力センサ２０の出力電圧を所望の信号振幅まで増幅すると、信号電圧と同時に増幅される出力オフセット電圧の影響で、増幅回路５０のダイナミックレンジを超えでしまい、所望の信号振幅が得られなくなる可能性がある。以上、図３、図４では圧力センサ２０の出力電圧に関して例示したが、差動出力を持つ回路全般に対して、同様のことが言える。

特開平０５−２０３５１８号公報 特開２００１−９１３７３号公報

以上のように、オフセット電圧を含む差動出力信号を後段の増幅器で所望の信号振幅まで増幅すると、信号と同時に増幅されるオフセット電圧の影響で、増幅器のダイナミックレンジを超えてしまい、所望の信号振幅が得られないという問題点があった。

本発明の目的は、センサ等の差動出力信号を取り込みそこに含まれるオフセット電圧を除去できるようにしたオフセット電圧補正回路を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明のオフセット電圧補正回路は、差動信号の一方が入力する第１の入力端子に一端が接続される第３のキャパシタと、差動信号の他方が入力する第２の入力端子に一端が接続される第１のキャパシタと、反転入力端子に該第１のキャパシタの他端が接続され非反転入力端子に第１又は第２の基準電圧が接続される第１の演算増幅器と、反転入力端子に前記第３のキャパシタの他端が接続され非反転入力端子に第３又は第４の基準電圧が接続される第２の演算増幅器と、前記第１の演算増幅器の反転入力端子に一端が接続され前記第１の入力端子又は前記第１の演算増幅器の出力端子に他端が接続される第２のキャパシタと、前記第２の演算増幅器の反転入力端子に一端が接続され前記第２の入力端子又は前記第２の演算増幅器の出力端子に他端が接続される第４のキャパシタとを備え、前記差動信号として前記第１および第２の入力端子に無信号電圧が各々入力するとき、前記第１および第２の入力端子の各々の電圧に応じて前記第１乃至第４の基準電圧の値を各々設定し、前記差動信号として前記第１および第２の入力端子に前記無信号電圧に信号電圧が加算されて入力するとき、前記第２のキャパシタの他端を前記第１の入力端子に接続するとともに、前記第１の演算増幅器の非反転入力端子に前記第１の基準電圧を接続し、且つ、前記第４のキャパシタの他端を前記第２の入力端子に接続するとともに、前記第２の演算増幅器の非反転入力端子に前記第３の基準電圧を接続し、且つ、前記第１および第２の演算増幅器の反転入力端子と出力端子を各々接続し、その後、前記第２のキャパシタの他端を前記第１の演算増幅器の出力端子に接続するとともに、前記第１の演算増幅器の非反転入力端子に前記第２の基準電圧を接続し、且つ、前記第１の演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間の接続を開放し、前記第４のキャパシタの他端を前記第２の演算増幅器の出力端子に接続するとともに、前記第２の演算増幅器の非反転入力端子に前記第４の基準電圧を接続し、且つ、前記第２の演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間の接続を開放し、前記第１および第２の演算増幅器の出力端子に、前記第１および第２の入力端子に入力した前記無信号電圧に前記信号電圧が加算された差動信号から前記無信号電圧を除去した前記信号電圧の差動信号を出力させることを特徴とする。

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のオフセット電圧補正回路において、前記第１および第２のキャパシタを同値とし、前記第３および第４のキャパシタを同値とし、且つ、前記差動信号として前記第１および第２の入力端子に無信号電圧Ｖ₁、Ｖ₂が各々入力するとき、前記第１乃至第４の基準電圧Ｖ_REF1，Ｖ_REF2，Ｖ_REF3，Ｖ_REF4の値を、
２Ｖ_REF1＋２Ｖ_REF4−２Ｖ_REF2−２Ｖ_REF3＋Ｖ₂−Ｖ₁＝０
に設定することを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のオフセット電圧補正回路において、前記第１の基準電圧から前記第２の基準電圧を差し引いた電圧を前記第１の入力端子に入力する無信号電圧の１／２に設定し、前記第３の基準電圧から前記第４の基準電圧を差し引いた電圧を前記第２の入力端子に入力する無信号電圧の１／２に設定し、前記第１の出力端子に前記第１の入力端子に入力した前記信号電圧を出力させるとともに、前記第２の出力端子に前記第２の入力端子に入力した前記信号電圧を出力させることを特徴とする。

本発明によれば、入力する差動の無信号電圧に応じて第１乃至第４の基準電圧の値を設定し、その基準電圧に応じて発生した第１および第２の演算増幅器の反転入力端子（仮想接地点）の電圧を利用することで、電荷保存の法則が成立するキャパシタに電荷を蓄え移動させ、無信号電圧を除去する、つまりオフセット電圧を補正するので、ダイナミックレンジに影響を与えることなく、入力オフセット電圧を補正できる。

本発明の第１の実施例のオフセット電圧補正回路の回路図である。 (a),(b)は図１のオフセット電圧補正回路の動作説明用の回路図である。 本発明の第２の実施例の信号処理装置のブロック図である。 従来の圧力センサの回路図である。 従来の圧力センサの後段にオフセット補正機能付き差動増幅回路を接続したブロック図である。

＜第１の実施例＞
図１に本発明の第１の実施例のオフセット電圧補正回路１０を示す。１１，１２はオフセット電圧を含む差動信号が入力する入力端子、１３，１４はオフセット電圧を除去した差動信号が出力する出力端子、１５は差動の入力端子１１，１２に入力する無信号電圧を検出する電圧検出回路、ＯＰ１，ＯＰ２はそれぞれ演算増幅器である。また、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４、ＳＷ５，ＳＷ６は接点ａ，ｂをもつスイッチ、Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄はキャパシタ、Ｖ_REF1，Ｖ_REF2，Ｖ_REF3，Ｖ_REF4は基準電圧源の基準電圧である。

一般的に、キャパシタは注意深くレイアウトすることで高精度にマッチングをとることができることが知られている。そのため、ここではキャパシタＣ₁とＣ₂、キャパシタＣ₃とＣ₄は、それぞれ完全にマッチングがとられていて、
Ｃ₁＝Ｃ₂＝Ｃ_A …(1)
Ｃ₃＝Ｃ₄＝Ｃ_B …(2)
の関係にあるものとする。

次に、無信号時の入力端子１１の無信号電圧をＶ₁、入力端子１２の無信号電圧をＶ₂とし、これを電圧検出回路１５が検出して、その検出結果により、各基準電圧Ｖ_REF1，Ｖ_REF2，Ｖ_REF3，Ｖ_REF4の値を、
２Ｖ_REF1＋２Ｖ_REF4−２Ｖ_REF2−２Ｖ_REF3＋Ｖ₂−Ｖ₁＝０ …(3)
が成立するように、制御する。この設定方法としては、例えば、各無信号電圧Ｖ₁、Ｖ₂をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換し、そのデシタル信号で各基準電圧Ｖ_REF1，Ｖ_REF2，Ｖ_REF3，Ｖ_REF4を設定する方法が考えられる。

次に、信号電圧ΔＶ₁、ΔＶ₂が入力し、入力端子１１に電圧「Ｖ₁＋ΔＶ₁」、入力端子１２に電圧「Ｖ₂＋ΔＶ₂」が入力されている状態において、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６を切り替えて、出力端子１３，１４の電圧Ｖ_out1、Ｖ_out2をサンプリングする。

演算増幅器ＯＰ１，ＯＰ２の入力オフセット電圧をそれぞれΔＶ_OP1，ΔＶ_OP2とし、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６をａ側に接続したとき、図１の回路は図２(a)に示すようになり、キャパシタＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄のそれぞれに蓄えられる電荷Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₃，Ｑ₄は、
Ｑ₁＝Ｃ_A（Ｖ₂＋ΔＶ₂−Ｖ_REF1−ΔＶ_OP1）
Ｑ₂＝Ｃ_A（Ｖ₁＋ΔＶ₁−Ｖ_REF1−ΔＶ_OP1）
Ｑ₃＝Ｃ_B（Ｖ₁＋ΔＶ₁−Ｖ_REF3−ΔＶ_OP2）
Ｑ₄＝Ｃ_B（Ｖ₂＋ΔＶ₂−Ｖ_REF3−ΔＶ_OP2） …(4)
となる。

次に、スイッチＳＷ１〜ＳＷ６をｂ側に接続したとき、図１の回路は図２(b)に示すようになり、キャパシタＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄のそれぞれに蓄えられる電荷Ｑ₅，Ｑ₆，Ｑ₇，Ｑ₈は、
Ｑ₅＝Ｃ_A（Ｖ₂＋ΔＶ₂−Ｖ_REF2−ΔＶ_OP1）
Ｑ₆＝Ｃ_A（Ｖ_out1−Ｖ_REF2−ΔＶ_OP1）
Ｑ₇＝Ｃ_B（Ｖ₁＋ΔＶ₁−Ｖ_REF4−ΔＶ_OP2）
Ｑ₈＝Ｃ_B（Ｖ_out2−Ｖ_REF4−ΔＶ_OP2） …(5)
が成立する。

ここで、演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子（−）は仮想接地点であり、電荷保存則が成立するので、
Ｑ₁＋Ｑ₂＝Ｑ₅＋Ｑ₆ …(6)
となり、この式(6)に式(4)、(5)を代入すると、
Ｃ_A（Ｖ₂＋ΔＶ₂−Ｖ_REF1−ΔＶ_OP1）＋Ｃ_A（Ｖ₁＋ΔＶ₁−Ｖ_REF1−ΔＶ_OP1）
＝Ｃ_A（Ｖ₂＋ΔＶ₂−Ｖ_REF2−ΔＶ_OP1）＋Ｃ_A（Ｖ_out1−Ｖ_REF2−ΔＶ_OP1） …(7)
となる。この式(7)を出力電圧Ｖ_out1について解くと、
Ｖ_out1＝２Ｖ_REF2−２Ｖ_REF1＋Ｖ₁＋ΔＶ₁ …(8)
となる。

同様に、演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子（−）も仮想接地点であり、電荷保存則が成立するので、
Ｑ₃＋Ｑ₄＝Ｑ₇＋Ｑ₈ …(9)
となり、この式(9)に式(4)、(5)を代入すると、
Ｃ_B（Ｖ₁＋ΔＶ₁−Ｖ_REF3−ΔＶ_OP2）＋Ｃ_B（Ｖ₂＋ΔＶ₂−Ｖ_REF3−ΔＶ_OP2）
＝Ｃ_B（Ｖ₁＋ΔＶ₁−Ｖ_REF4−ΔＶ_OP2）＋Ｃ_B（Ｖ_out2−Ｖ_REF4−ΔＶ_OP2） …(10)
となる。この式(10)を出力電圧Ｖ_out2について解くと、
Ｖ_out2＝２Ｖ_REF4−２Ｖ_REF3＋Ｖ₂＋ΔＶ₂ …(11)
となる。

従って、出力端子１３，１４の電圧Ｖ_out1とＶ_out2の差である差動出力電圧は、
Ｖ_out2−Ｖ_out1＝(２Ｖ_REF4−２Ｖ_REF3＋Ｖ₂＋ΔＶ₂）−(２Ｖ_REF2−２Ｖ_REF1＋Ｖ₁＋ΔＶ₁）
＝(２Ｖ_REF1＋２Ｖ_REF4−２Ｖ_REF2−２Ｖ_REF3＋Ｖ₂−Ｖ₁）＋ΔＶ₂−ΔＶ₁
…(12)
となる。式(12)下段のカッコ内は式(3)によりゼロであるので、
Ｖ_out2−Ｖ_out1＝ΔＶ₂−ΔＶ₁ …(13)
となって、差動入力信号の信号電圧ΔＶ₂，ΔＶ₁の差分のみを、出力端子１３，１４に取り出すことができる。

ここで、式(3)の条件の一例として、
Ｖ_REF1−Ｖ_REF2＝Ｖ₁／２ …(14)
Ｖ_REF3−Ｖ_REF4＝Ｖ₂／２ …(15)
に設定すると、式(14)を式(8)に代入して解くと、
Ｖ_out1＝ΔＶ₁ …(16)
となり、(15)を式(11)に代入して解くと、
Ｖ_out2＝ΔＶ₂ …(17)
となる。

このように、各基準電圧Ｖ_REF1，Ｖ_REF2，Ｖ_REF3，Ｖ_REF4を無信号電圧Ｖ₂，Ｖ₁に応じて、式(14)、(15)のように定めると、無信号電圧Ｖ₂，Ｖ₁をキャンセルした、つまりオフセット電圧をキャンセルした差動の信号電圧ΔＶ₁、ΔＶ₂を、それぞれ独立して取り出すこともできる。

＜第２の実施例＞
図３に本発明の実施例２を示す。本実施例は、オフセットを有する差動出力段の一例として、抵抗ブリッジ型の圧力センサ回路２０を想定したもので、そのセンサ回路２０の出力電圧を図１に示した実施例のオフセット電圧補正回路１０で受ける構成となっている。そして、このオフセット電圧補正回路１０でオフセット補正を行った出力電圧Ｖ_out1、Ｖ_out2を後段の差動増幅器４０に出力する構成としている。

このような構成にすることで、オフセット電圧をゼロに補正してから差動増幅器４０に無信号電圧の差動信号を入力できるので、差動増幅器４０のダイナミックレンジに余裕を持たせることができ、圧力センサ２０の出力信号を所望の信号振幅に増幅することができる。

１０：オフセット電圧補正回路、１１，１２：入力端子、１３，１４：出力端子、１５：電圧検出回路
２０：圧力センサ
３０：センサ駆動回路
４０：差動増幅器
５０：オフセット電圧補正機能付き差動増幅回路

Claims (3)

1. 差動信号の一方が入力する第１の入力端子に一端が接続される第３のキャパシタと、差動信号の他方が入力する第２の入力端子に一端が接続される第１のキャパシタと、反転入力端子に該第１のキャパシタの他端が接続され非反転入力端子に第１又は第２の基準電圧が接続される第１の演算増幅器と、反転入力端子に前記第３のキャパシタの他端が接続され非反転入力端子に第３又は第４の基準電圧が接続される第２の演算増幅器と、前記第１の演算増幅器の反転入力端子に一端が接続され前記第１の入力端子又は前記第１の演算増幅器の出力端子に他端が接続される第２のキャパシタと、前記第２の演算増幅器の反転入力端子に一端が接続され前記第２の入力端子又は前記第２の演算増幅器の出力端子に他端が接続される第４のキャパシタとを備え、
   前記差動信号として前記第１および第２の入力端子に無信号電圧が各々入力するとき、前記第１および第２の入力端子の各々の電圧に応じて前記第１乃至第４の基準電圧の値を各々設定し、
   前記差動信号として前記第１および第２の入力端子に前記無信号電圧に信号電圧が加算されて入力するとき、前記第２のキャパシタの他端を前記第１の入力端子に接続するとともに、前記第１の演算増幅器の非反転入力端子に前記第１の基準電圧を接続し、且つ、前記第４のキャパシタの他端を前記第２の入力端子に接続するとともに、前記第２の演算増幅器の非反転入力端子に前記第３の基準電圧を接続し、且つ、前記第１および第２の演算増幅器の反転入力端子と出力端子を各々接続し、
   その後、前記第２のキャパシタの他端を前記第１の演算増幅器の出力端子に接続するとともに、前記第１の演算増幅器の非反転入力端子に前記第２の基準電圧を接続し、且つ、前記第１の演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間の接続を開放し、前記第４のキャパシタの他端を前記第２の演算増幅器の出力端子に接続するとともに、前記第２の演算増幅器の非反転入力端子に前記第４の基準電圧を接続し、且つ、前記第２の演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間の接続を開放し、
   前記第１および第２の演算増幅器の出力端子に、前記第１および第２の入力端子に入力した前記無信号電圧に前記信号電圧が加算された差動信号から前記無信号電圧を除去した前記信号電圧の差動信号を出力させることを特徴とするオフセット電圧補正回路。
2. 請求項１に記載のオフセット電圧補正回路において、
   前記第１および第２のキャパシタを同値とし、前記第３および第４のキャパシタを同値とし、且つ、前記差動信号として前記第１および第２の入力端子に無信号電圧Ｖ₁、Ｖ₂が各々入力するとき、前記第１乃至第４の基準電圧Ｖ_REF1，Ｖ_REF2，Ｖ_REF3，Ｖ_REF4の値を、
   ２Ｖ_REF1＋２Ｖ_REF4−２Ｖ_REF2−２Ｖ_REF3＋Ｖ₂−Ｖ₁＝０
   に設定することを特徴とするオフセット電圧補正回路。
3. 請求項１又は２に記載のオフセット電圧補正回路において、
   前記第１の基準電圧から前記第２の基準電圧を差し引いた電圧を前記第１の入力端子に入力する無信号電圧の１／２に設定し、
   前記第３の基準電圧から前記第４の基準電圧を差し引いた電圧を前記第２の入力端子に入力する無信号電圧の１／２に設定し、
   前記第１の出力端子に前記第１の入力端子に入力した前記信号電圧を出力させるとともに、前記第２の出力端子に前記第２の入力端子に入力した前記信号電圧を出力させることを特徴とするオフセット電圧補正回路。

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