JP5558388B2

JP5558388B2 - チャージアンプ

Info

Publication number: JP5558388B2
Application number: JP2011039544A
Authority: JP
Inventors: 新之助加納; 正行高橋
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: JP2012178649A

Description

本発明は、チャージアンプに関し、例えば、水晶振動子を有する振動型角速度センサの角振動検出用コンデンサの電荷量を電圧変換して角速度検出電圧波形として出力するチャージアンプに関する。

自動車の車体制御や、ハンディビデオカメラの手ぶれ補正用の検出センサとして、従来から、振動型ジャイロセンサのような振動型角速度センサが用いられている。振動型ジャイロセンサは、自励発振回路を用いて、例えば水晶からなる駆動振動子の駆動振動を、その水晶振動子上の検出電極からの出力を処理することによって回転角速度に対応する電圧値を得るものである。この電圧値を得るための回路がチャージアンプであり、水晶振動子から発生する電荷を、チャージアンプにより電圧変換し、角速度検出電圧波形として出力する。すなわち、チャージアンプは、水晶振動子の検出電極に発生する電荷を入力するオペアンプと、このオペアンプに帰還抵抗と帰還容量が並列接続されてなり、これら抵抗と容量によるフィードバックインピーダンスの抵抗値や容量値を、水晶振動子の出力周波数にあわせて適切に設定して出力電圧を得ている。

ところで、Ｓ／Ｎ比を高めるためには、換言すると出力ノイズを減少させるためには、帰還抵抗の抵抗値を大きくすればよいことが知られている。一般に、帰還抵抗としては、半導体基板上に形成した多結晶シリコン層をパターニングしたものを用いているが、多結晶シリコン層からなる帰還抵抗の抵抗値を大きくしようとすると、大きい面積が必要であるという不都合を生じる。例えば、比抵抗が５００Ω／□の多結晶シリコン層からなる帰還抵抗の抵抗値を３００ＭΩとする場合には、幅が１μｍでは長さは６００ｍｍとなり、正方形とした場合の面積は６００×１０^３μｍ^２となるので、半導体基板上での実用化は不可能である。

この不都合を解消して、半導体基板上での実用化が可能な面積の多結晶シリコン層で、大きな抵抗値の帰還抵抗を形成し、出力ノイズを小さくしたチャージアンプを実現するには、寄生容量が小さく、かつ、大きな抵抗値を有する帰還抵抗を、如何にして実現するかが重要であり、比抵抗と寄生容量を共に制御すること、または帰還抵抗と寄生容量とを共に制御することが重要であることを、本発明者らは確認した。そして、本発明者らは、既に、チャージアンプのノイズを５０ＫＨｚにおいて実用化レベルである約３５Ｖｒｍｓ／Ｈｚ^１／２を超えないようにするためには、比抵抗ρが２００ＫΩ／□、帰還抵抗Ｒｆの値が３２０ＭΩ、寄生容量Ｃの値が０．１２ｐＦの組み合わせが最適であるとの提案をしている（技術文献１）。

特開２００７−９６７５０号公報

しかしながら、上述の提案によると、比抵抗、帰還抵抗、寄生容量をそれぞれ所定の値に設定しなければならず、一つでも所定の値から外れると、所望の効果を得られないため、製造が容易ではないという不都合があった。本発明は、この不都合を解消して、半導体基板上での実用化が可能な出力ノイズを小さくしたチャージアンプを提供することを目的とする。

一般に、角速度センサに使用される水晶振動子は、高い周波数の検出出力信号を得ようとする場合には、動作が不安定となって、信頼性の面で大きな問題が生じるため、検出出力信号は５０ＫＨｚ付近で使用することが望ましい。本発明者らは、上記目的を達成するために、この点を考慮して、周波数が５０ＫＨｚ付近の検出出力信号が入力するチャージアンプで好適な帰還抵抗及びその寄生容量について考察し、シミュレーション及び実験を重ねた結果、次のような知見を得た。

図３に示す従来のチャージアンプでは、帰還抵抗Ｒｆ１，Ｒｆ２の寄生容量Ｃｐ１，ＣＰ２の基板電極がＶｓｓに接続された状態となるため零点が発生し、これによって熱雑音帯域が上がり、５０ＫＨｚ付近でのノイズ密度が増加し、ノイズ出力（Ｖｎｏｉｓｅ２）は、図４の細い実線で示すものとなる。一方、図２に示すチャージアンプのように、帰還抵抗Ｒｆ１の寄生容量Ｃｐ１の基板電極を反転入力端子に接続すると、前記零点の発生を抑制することができ、熱雑音帯域が下がってノイズ密度を減少させることができるため、ノイズ出力（Ｖｎｏｉｓｅ１）は、図４の太い実線で示すものとなり、５０ＫＨｚ付近で、図４に鎖線で示す熱雑音の理想特性に近づくものとなる。すなわち、帰還抵抗Ｒｆ１の寄生容量Ｃｐ１の悪影響をなくすには、寄生容量Ｃｐ１の基板電極を反転入力端子に接続することが有効である。

なお、図２〜図４において、Ｒｆは帰還抵抗、Ｃｆは帰還容量、Ｃｌ１は保護素子容量、Ｃｌ２はアンプ入力容量、Ｖｍはアンプ入力換算雑音であり、また、図４中、Ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。

さらに本発明者らは、寄生容量Ｃｐの反転入力端子への接続についてより詳細に考察するため、帰還抵抗Ｒｆ、寄生容量Ｃｐをｎ分割したモデルを考えた。ｎは帰還抵抗Ｒｆ全体に対してどの部分に対応位置する寄生容量Ｃｐであるかを示し、０以上１以下の係数（０≦ｎ≦１）であって、０に近いとオペアンプの入力端子側であり、１に近いとオペアンプの出力端子側であることを意味する。

図５は従来の回路構成であり、ΔＣｐはｎ分割した寄生容量の一つであり、Ａ点は寄生容量ΔＣｐの基板電極の接続先で、ＧＮＤ、電源、基準電圧、その他の信号線のいずれかである。周波数が５０ＫＨｚの場合、図７に細い実線で示すように、ｎが小さいほど、換言するとオペアンプの入力側に近い寄生容量ほどノイズ悪化の影響が大きいことがわかる。なお、ｎ＝０の場合は、オペアンプの仮想接地効果により、寄生容量への充放電が発生しないため、寄生容量の存在を無視できる。また、ｎ＝１の場合は、オペアンプの出力負荷となるだけで、帰還回路の一部にはならない。

図６は、図５のＡ点に換えて、寄生容量ΔＣｐの基板電極をオペアンプの反転入力端子に接続した回路構成である。周波数が５０ＫＨｚの場合、図７に太い実線で示すように、ｎが大きいほど、換言するとオペアンプの出力側に近い寄生容量ほどノイズ悪化の影響が大きいことがわかる。なお、ｎ＝０の場合は、寄生容量の両電極が短絡であるので、電気回路素子としての動作を無視できる。また、ｎ＝１の場合は、ノイズ係数は小さくなるものの、寄生容量が帰還容量と並列になり、帰還利得自体が変化することになる。

そして、図７で理解できるように、図５の回路構成と図６の回路構成のノイズ特性は、同一周波数５０ＫＨｚにおいてｎ＝０．５の付近で交差し、ｎの大小に関し逆の関係を有している。すなわち、図５の回路構成では０．５＜ｎ＜１の範囲で出力ノイズが低い一方、図６の回路構成では０＜ｎ≦０．５の範囲で出力ノイズが低いものである。したがって、図８に示すように、帰還抵抗Ｒｆの寄生容量Ｃｐのうちオペアンプの入力端子側ほぼ半分（前述の０＜ｎ≦０．５に対応）の基板電極をオペアンプの反転入力端子に接続し、オペアンプの出力端子側ほぼ半分（前述の０．５＜ｎ＜１に対応）の基板電極を従来同様にＧＮＤなどのＡ点に接続することによって、図７に鎖線で示す寄生容量が存在しない状態の理想特性に近いものとなる。

上述のノイズ低減は、寄生静電容量の両電極間の電圧変化を小さくすることで、寄生静電容量の充放電電荷量を小さくし、寄生静電容量値が小さい場合とほぼ等価な電気特性を得ているものと考えられる。そして、上述のオペアンプの反転入力端子に接続するオペアンプの入力端子側ほぼ半分に対応する基板電極の一部を、帰還抵抗の途中に接続することによってもほぼ同様のノイズ特性が得られることを確認した。

また、上述の回路を半導体基板上で実現するには、例えば、図９〜図１１に示すように寄生容量Ｃｐの接続関係を構成すればよい。この際、寄生容量Ｃｐは極力低減化しておくことが望ましい。図９は、ポリシリコンなどからなる帰還抵抗ＲｆとＮ型半導体層との間に生じる寄生容量Ｃｐについて、オペアンプの入力端子側の帰還抵抗ｎＲｆの寄生容量ｎＣｐは、Ｎ型半導体層を介して帰還抵抗Ｒｆのオペアンプ入力側の電極である前記帰還抵抗ｎＲｆの電極側に接続し、オペアンプの出力端子側の帰還抵抗（１−ｎ）Ｒｆの寄生容量（１―ｎ）Ｃｐは、Ｎ型半導体層を介してＧＮＤ、電源、基準電圧のいずれかに接続するＡ点に接続したものである。なお、この図９に示す構成に対応する従来の構成を図１２に示す。図１２においては、帰還抵抗Ｒｆの寄生容量ＣｐのすべてがＡ点に接続されたものとなる。

図１０は、オペアンプの入力端子側の帰還抵抗ｎＲｆの寄生容量ｎＣｐについては図９と同じであるが、オペアンプの出力端子側の帰還抵抗（１−ｎ）Ｒｆの寄生容量（１―ｎ）Ｃｐは、Ｐ型半導体層を介してＧＮＤに接続したものである。図１１は、帰還抵抗ＲｆをＮ型半導体層中に形成したＰ型半導体層で形成したもので、前記Ｐ型半導体層と前記Ｎ型半導体層との間に生じる寄生容量Ｃｐについて、オペアンプの入力端子側の帰還抵抗ｎＲｆの寄生容量ｎＣｐは、Ｎ型半導体層を介して前記帰還抵抗ｎＲｆの電極側に接続し、オペアンプの出力端子側の帰還抵抗（１−ｎ）Ｒｆの寄生容量（１―ｎ）Ｃｐは、Ｎ型半導体層を介してＧＮＤ、電源、基準電圧のいずれかに接続するＡ点に接続したものである。なお、図９〜図１２において、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との位置関係が逆の場合には、ＧＮＤと電源とを逆にして構成すればよい。

本発明は上述した知見に基づいてなされたもので、請求項１に係るチャージアンプは、オペアンプの非反転入力端子を増幅基準電圧に接続し、その反転入力端子に５０ＫＨｚ付近の周波数信号が入力するとともに、その出力端子は並列接続された帰還抵抗及び帰還容量を介して反転入力端子に接続したチャージアンプであって、前記帰還抵抗の寄生容量における前記オペアンプの入力端子側に対応する基板電極を前記反転入力端子に接続してなるものである。

前記帰還抵抗の寄生容量における前記オペアンプの入力端子側の基板電極を前記反転入力端子に接続することによって、前記寄生容量の悪影響をなくして、零点の発生を抑制し、熱雑音帯域を下げることにより、ノイズ密度が減少する。

また、本発明の請求項２に係るチャージアンプは、前記寄生容量の前記反転入力端子への接続は、前記帰還抵抗の寄生容量における前記オペアンプの前記反転入力端子側ほぼ半分に対応する基板電極を接続してなるものである。

前記反転入力端子側のほぼ半分の前記寄生容量の基板電極を前記反転入力端子へ接続することで、ノイズ密度の減少はより勝れたものとなる。

本発明によれば、半導体基板上で実用化が可能な、出力ノイズの小さいチャージアンプを提供することができる。

本発明の好適な実施形態におけるチャージアンプと振動型角速度センサ及び増幅基準電圧との接続関係を示す概略的な回路図。本発明に係るチャージアンプの出力ノイズの発生状態を説明する等価回路図。従来のチャージアンプの出力ノイズの発生状態を説明する等価回路図。従来例と本発明における周波数と出力ノイズの関係を比較したグラフ。帰還抵抗及び寄生容量をｎ分割した場合の従来構成のシミュレーション回路。帰還抵抗及び寄生容量をｎ分割した場合の改良構成のシミュレーション回路。従来例と改良例における出力ノイズと分割部分の関係を比較したグラフ。帰還抵抗及び寄生容量をｎ分割した場合の本発明に係る構成のシミュレーション回路。本発明を半導体基板上で実施する一例を示す構成図。同じく他の例を示す構成図。同じくさらに他の例を示す構成図。図９に対応する従来例を示す構成図。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面の図１に示す回路図に基づいて説明する。チャージアンプ１は、オペアンプ２に帰還容量３と帰還抵抗４，５とを並列的に接続してなり、その非反転入力端子には増幅基準電圧６を接続する一方、反転入力端子には水晶振動子を有する振動型角速度センサ７の出力端を接続して、５０ＫＨｚの周波数信号が入力するように構成している。また、前記帰還抵抗４，５の各寄生容量８，９のうち、前記オペアンプ２の反転入力端子側のほぼ半分に対応する寄生容量８の基板電極を前記反転入力端子に接続している。また、前記オペアンプ２の出力端子側のほぼ半分に対応する寄生容量９の基板電極はＧＮＤに接続している。なお、図中、１０は保護素子容量、１１はアンプ入力容量である。

帰還抵抗４，５は多結晶シリコン層からなるもので、前記帰還抵抗４の寄生容量８の基板電極の反転入力端子との接続は、アルミ配線によって行なうものである。そして、前記帰還抵抗４における前記反転入力端子との接続端からほぼ半分に対応する部分の寄生容量８の基板電極を、前記反転入力端子と接続すればよいものである。

本実施形態のチャージアンプ１は、従来と同様に、水晶振動子を有する振動型角速度センサ７の振動検出用容量（図示せず）の電荷量を電圧変換することにより、角速度検出電圧波形として出力するものである。そして、出力ノイズは実用化レベルである約３５Ｖｒｍｓ／Ｈｚ^１／２を超えることはないので、前記出力に悪影響を与えることはなく、安定した動作が実現できる。

１チャージアンプ
２オペアンプ
３帰還容量
４，５帰還抵抗
６増幅基準電圧
７振動型角速度センサ
８，９寄生容量

Claims

非反転入力端子を増幅基準電圧に接続し、反転入力端子に５０ＫＨｚの周波数信号が入力するとともに、その出力端子は並列接続された帰還抵抗及び帰還容量を介して反転入力端子に接続したチャージアンプであって、前記帰還抵抗の寄生容量における前記反転入力端子側の基板電極を前記反転入力端子に接続してなることを特徴とするチャージアンプ。
前記寄生容量の基板電極の前記反転入力端子への接続は、前記帰還抵抗の寄生容量における前記反転入力端子側ほぼ半分に対応する基板電極を接続してなることを特徴とする請求項１記載のチャージアンプ。