JP5773807B2 - Arithmetic circuit, physical quantity sensor and detector circuit using the same - Google Patents

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Description

本発明は、演算回路、それを用いた物理量センサ及び検波回路に関し、特に、トランスリニア原理を用いた演算回路に関する。   The present invention relates to an arithmetic circuit, a physical quantity sensor and a detection circuit using the arithmetic circuit, and more particularly to an arithmetic circuit using a translinear principle.

アナログ量に関する演算は、デジタル演算回路又はアナログ演算回路を用いて行うことができる。デジタル演算回路を用いる構成では、アナログ信号である入力信号をA/D変換器(ADC:Analog−to−Digital Converter)でデジタルデータに変換してデジタル演算回路に入力する。デジタル演算回路は演算結果をデジタルデータで与える。   The calculation related to the analog quantity can be performed using a digital calculation circuit or an analog calculation circuit. In a configuration using a digital arithmetic circuit, an input signal which is an analog signal is converted into digital data by an A / D converter (ADC: Analog-to-Digital Converter) and input to the digital arithmetic circuit. The digital arithmetic circuit gives the arithmetic result as digital data.

デジタル演算の演算精度はADCの分解能に影響される。特に、非線形な関数の演算ではADCによる量子化誤差の影響も非線形となるので、ADCの分解能を設定するに際して単に所要精度だけでなく、関数の次数、入力信号の範囲を考慮する必要がある。例えば、入力データxのべき乗を含む関数演算にて所定の精度を得ようとした場合、xが大きいほど、またxの次数が高いほどxの量子化誤差を小さくする必要がありADCの負担が重くなる。また入力データのビット数の増加はデジタル演算回路の負担も大きくする。   The calculation accuracy of digital calculation is affected by the resolution of the ADC. In particular, in the calculation of a nonlinear function, the influence of the quantization error due to the ADC is also nonlinear. Therefore, when setting the resolution of the ADC, it is necessary to consider not only the required accuracy but also the order of the function and the range of the input signal. For example, when it is attempted to obtain a predetermined accuracy by a function calculation including a power of input data x, it is necessary to reduce the quantization error of x as x increases and the order of x increases. Become heavier. An increase in the number of input data bits also increases the burden on the digital arithmetic circuit.

一方、アナログ演算回路を用いる構成では、演算はアナログ信号処理で行われる。すなわち、入力信号はアナログ信号のままアナログ演算回路に入力され、アナログ演算回路は演算結果に相当する電圧、電流等の物理量を生成する。よって、この構成では、入力信号のA/D変換に伴う問題は生じない。なお、得られた物理量はアナログ信号のまま出力され利用される場合と、ADCでデジタルデータに変換されて出力される場合とがある。   On the other hand, in the configuration using the analog arithmetic circuit, the arithmetic is performed by analog signal processing. That is, the input signal is input to the analog arithmetic circuit as an analog signal, and the analog arithmetic circuit generates a physical quantity such as voltage and current corresponding to the arithmetic result. Therefore, this configuration does not cause a problem associated with A / D conversion of the input signal. The obtained physical quantity may be output and used as an analog signal or may be converted into digital data by an ADC and output.

アナログ演算回路の一つとしてトランスリニア回路を用いるものが存在する。トランスリニア回路はトランスリニア原理を用いたアナログ回路である。トランスリニア原理とは、複数のトランジスタのベース・エミッタを一巡するように結合したループにおいて、時計回り方向(CW)の極性の半導体接合の数と、反時計回り方向(CCW)の極性の半導体接合の数が同数である場合には、ベース電流が時計回り方向に流れるトランジスタのコレクタ電流の積とベース電流が反時計回り方向に流れるトランジスタのコレクタ電流の積とが等しくなる、というものである。次式はトランスリニア原理を表しており、左辺が時計回り方向(CW)の極性のベース−エミッタ接合を有するN個のトランジスタのコレクタ電流ICiの積、右辺が反時計回り方向(CCW)の極性のベース−エミッタ接合を有するN個のトランジスタのコレクタ電流ICjの積である。ここで、i,jは共にN以下の自然数である。 One analog operation circuit uses a translinear circuit. A translinear circuit is an analog circuit using the translinear principle. The translinear principle is the number of semiconductor junctions having a polarity in the clockwise direction (CW) and the semiconductor junction having a polarity in the counterclockwise direction (CCW) in a loop coupled so as to go around the base and emitter of a plurality of transistors. Are equal, the product of the collector current of the transistor in which the base current flows in the clockwise direction is equal to the product of the collector current of the transistor in which the base current flows in the counterclockwise direction. The following equation represents the translinear principle, where the left side is the product of the collector currents I Ci of N transistors having a base-emitter junction with a clockwise (CW) polarity, and the right side is counterclockwise (CCW). It is the product of the collector currents I Cj of N transistors with polar base-emitter junctions. Here, i and j are both natural numbers of N or less.

Figure 0005773807
Figure 0005773807

トランスリニア回路によって乗算回路、除算回路、二乗回路、平方根回路等を実現することができる。図12は従来のトランスリニア回路の例を示す回路図であり、4つのトランジスタQ1〜Q4がトランスリニアループを構成する。当該回路はトランジスタQ1〜Q3のコレクタ電流I1〜I3を入力電流として与えられ、トランジスタQ4のコレクタ電流を出力電流Ioutとして取り出すものであり、Ioutは次式で表される。
Iout=I1・I2/I3 ・・・・・・(2)
A translinear circuit can realize a multiplication circuit, a division circuit, a square circuit, a square root circuit, and the like. FIG. 12 is a circuit diagram showing an example of a conventional translinear circuit. Four transistors Q1 to Q4 constitute a translinear loop. The circuit receives the collector currents I1 to I3 of the transistors Q1 to Q3 as an input current and takes out the collector current of the transistor Q4 as an output current Iout. Iout is expressed by the following equation.
Iout = I1 / I2 / I3 (2)

すなわち、この例ではトランスリニア回路によりI1とI2との乗算及びI3による除算を行う回路が実現される。図12の回路は電流Ioutを抵抗Rで電圧に変換し、当該電圧をA/D変換して演算結果を示す演算値Doutを出力する。   That is, in this example, a circuit that performs multiplication of I1 and I2 and division by I3 is realized by a translinear circuit. The circuit of FIG. 12 converts the current Iout into a voltage with the resistor R, A / D converts the voltage, and outputs a calculated value Dout indicating the calculation result.

特開平11−120273号公報JP-A-11-120273

一般的に、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor; 相補型金属酸化膜半導体)プロセスで作られる半導体集積回路(Integrated Circuit:IC)は、バイポーラプロセスで作られるICより低消費電力で、また集積密度の向上が容易である。しかし、上述のようにトランスリニア原理はバイポーラトランジスタの特性を利用しているので、トランスリニア回路を内蔵するICは標準的なCMOSプロセスでは製造されない。そのため、ICを構成する回路がトランスリニア回路以外にCMOSで構成可能な回路部分を含んでいても、当該ICは基本的にはバイポーラプロセスを用いて製造され、消費電力や集積密度に関するCMOSプロセスのメリットを享有できないという問題があった。   Generally, a semiconductor integrated circuit (IC) manufactured by a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process has lower power consumption and higher integration density than an IC manufactured by a bipolar process. Is easy. However, since the translinear principle uses the characteristics of bipolar transistors as described above, an IC incorporating a translinear circuit is not manufactured by a standard CMOS process. Therefore, even if the circuit constituting the IC includes a circuit portion that can be constituted by CMOS in addition to the translinear circuit, the IC is basically manufactured by using a bipolar process, and the CMOS process related to power consumption and integration density is performed. There was a problem that the benefits could not be enjoyed.

ここで、Bi−CMOS(Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスを用いれば、バイポーラトランジスタを用いたトランスリニア回路とその他のCMOS回路とを同一半導体基板上に形成することができる。しかし、構造の異なるバイポーラトランジスタとCMOSとを同じ基板上に形成するBi−CMOSプロセスは標準的なCMOSプロセスと比較して工程が多く、かつ複雑であるため、製造コストが増加するという問題が生じる。   Here, if a Bi-CMOS (Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor) process is used, a translinear circuit using bipolar transistors and other CMOS circuits can be formed on the same semiconductor substrate. However, the Bi-CMOS process in which a bipolar transistor and a CMOS having different structures are formed on the same substrate is more complicated and complicated than a standard CMOS process, resulting in an increase in manufacturing cost. .

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、トランスリニア原理を用いてアナログ演算回路の利点を有しつつ、CMOSプロセスによって半導体装置として構成可能な演算回路を提供し、また、それを用いた物理量センサ及び検波回路を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides an arithmetic circuit that can be configured as a semiconductor device by a CMOS process while having the advantages of an analog arithmetic circuit using the translinear principle. It is an object to provide a physical quantity sensor and a detection circuit using the same.

本発明に係る演算回路は、入力トランジスタ又は出力トランジスタである偶数個のトランジスタのベース及びエミッタを辿るループでありベース−エミッタ接合が形成するダイオードの向きの正逆が当該ループ上にて同数であるトランスリニアループで表現される目的演算を行い、演算結果をデジタル値の演算値で出力する演算回路であって、前記トランスリニアループを有する回路において、当該トランスリニアループの接続を前記ダイオードの向きが正方向である前記トランジスタのエミッタと、逆方向である前記トランジスタのエミッタとの間で分断し、当該分断個所に電位比較回路を接続する改変を行った改変ループ回路と、前記入力トランジスタのエミッタに接続され、それぞれに前記目的演算の入力となる入力電流を供給する入力電流供給手段と、前記演算値についての試行値を生成する制御回路と、前記出力トランジスタのエミッタに接続され、前記試行値に応じた大きさの試行電流を生成し供給する試行電流生成手段と、を有し、前記電位比較回路は、前記分断個所の両側の電位を比較してその結果に応じた比較出力を生成し、前記制御回路は、前記比較出力に基づいて、前記分断個所での電位平衡状態に対応した前記試行値を探索して前記演算値として出力する。   The arithmetic circuit according to the present invention is a loop that traces the base and emitter of an even number of transistors that are input transistors or output transistors, and the forward and reverse directions of the diodes formed by the base-emitter junction are the same number on the loop. An arithmetic circuit that performs a target calculation expressed by a translinear loop and outputs a calculation result as a calculated value of a digital value. In the circuit having the translinear loop, the direction of the diode is connected to the connection of the translinear loop. A modified loop circuit in which a potential comparison circuit is connected between the emitter of the transistor in the forward direction and the emitter of the transistor in the reverse direction, and a potential comparison circuit is connected to the divided portion, and the emitter of the input transistor Connected to each other to supply an input current to be input to the target calculation. A current supply means; a control circuit that generates a trial value for the calculated value; a trial current generation means that is connected to the emitter of the output transistor and generates and supplies a trial current having a magnitude corresponding to the trial value; And the potential comparison circuit compares the potentials on both sides of the divided portion and generates a comparison output according to the result, and the control circuit generates a potential at the divided portion based on the comparison output. The trial value corresponding to the equilibrium state is searched and output as the calculated value.

他の本発明に係る演算回路においては、前記電位比較回路は、前記比較出力として、前記分断個所の両側の電位の大小関係に応じて2種類の出力状態のいずれかを出力するコンパレータを有し、前記制御回路は、クロックパルスを入力され、当該クロックパルスごとにカウント値を順次、増加又は減少させ、当該カウント値を前記試行値として出力するカウンタと、前記比較出力の前記出力状態の変化を検出し、当該変化時に対応した前記試行値を前記演算値とする判定回路と、を有する。   In another arithmetic circuit according to the present invention, the potential comparison circuit includes, as the comparison output, a comparator that outputs one of two types of output states according to the magnitude relationship between the potentials on both sides of the divided portion. The control circuit receives a clock pulse, sequentially increments or decrements the count value for each clock pulse, outputs the count value as the trial value, and changes the output state of the comparison output. And a determination circuit that detects and uses the trial value corresponding to the change as the operation value.

別の本発明に係る演算回路においては、前記電位比較回路は、前記比較出力として、前記分断個所の両側の電位差に応じた電流を生成する電圧−電流変換回路を有し、前記制御回路は、前記比較出力の前記電流を充電するキャパシタと、オン状態にて選択的に前記キャパシタを放電させるスイッチと、前記キャパシタの端子間電圧を入力され、その出力に応じて前記スイッチのオン/オフ状態を切り換え前記キャパシタの充電/放電を交互に繰り返させるヒステリシスコンパレータと、前記ヒステリシスコンパレータの出力パルスごとにカウント値を順次、増加又は減少させ、当該カウント値を前記試行値として出力するカウンタと、前記ヒステリシスコンパレータの出力の変化の周期に基づいて前記電位平衡状態への到達を判定し、当該到達時に対応した前記試行値を前記演算値とする判定回路と、を有する。   In another arithmetic circuit according to the present invention, the potential comparison circuit includes, as the comparison output, a voltage-current conversion circuit that generates a current according to a potential difference between both sides of the divided portion, and the control circuit includes: A capacitor for charging the current of the comparison output, a switch for selectively discharging the capacitor in an on state, and a voltage between terminals of the capacitor are input, and an on / off state of the switch is set according to the output. A hysteresis comparator that alternately repeats charging / discharging of the capacitor, a counter that sequentially increases or decreases a count value for each output pulse of the hysteresis comparator, and outputs the count value as the trial value, and the hysteresis comparator The potential equilibrium state is determined based on the period of change in output of the Having a determination circuit of the calculated value of the trial value corresponding to time.

本発明に係る物理量センサは、励振された状態にて励振強度に応じた検出感度で目的物理量を検出し、励振周波数の搬送波を振幅変調した検出信号を出力するセンサ部と、発振信号により前記センサ部を励振駆動する駆動回路と、同期検波回路によって前記検出信号を前記発振信号で同期検波し、検波出力から前記目的物理量に応じた出力信号を生成する検出回路と、を有し、前記同期検波回路は、前記検出信号と前記発振信号との積をとって同期検波する前記目的演算を行い前記演算値を出力する上記本発明に係る演算回路のいずれかを有し、前記演算値に基づいて前記検波出力を得る。   The physical quantity sensor according to the present invention detects a target physical quantity with a detection sensitivity corresponding to the excitation intensity in an excited state, outputs a detection signal obtained by amplitude-modulating a carrier wave of the excitation frequency, and the sensor using the oscillation signal. A drive circuit for exciting and driving a part, and a detection circuit for synchronously detecting the detection signal with the oscillation signal by a synchronous detection circuit and generating an output signal corresponding to the target physical quantity from a detection output, and the synchronous detection The circuit includes any one of the arithmetic circuits according to the present invention that performs the target calculation for performing synchronous detection by taking the product of the detection signal and the oscillation signal and outputs the calculation value, and based on the calculation value The detection output is obtained.

本発明に係る検波回路は、発振信号に基づく強度及び周波数の搬送波を振幅変調した信号となる検出信号に対し上記本発明に係る演算回路のいずれかを用いて当該検出信号と前記発振信号との積をとって同期検波する前記目的演算を行い、前記演算値に基づいて前記振幅変調の変調信号を抽出するものである。   The detection circuit according to the present invention uses any of the arithmetic circuits according to the present invention to detect a detection signal that is a signal obtained by amplitude-modulating a carrier wave having an intensity and a frequency based on the oscillation signal. The objective calculation for synchronous detection using a product is performed, and the modulation signal of the amplitude modulation is extracted based on the calculation value.

CMOSプロセスにおいてはバイポーラトランジスタを、当該プロセスにて副産物として半導体基板に生じる寄生トランジスタの構造を利用して形成できる。当該バイポーラトランジスタは半導体基板をコレクタとする構造であるので、これを用いてトランスリニア原理を利用した回路を構成しようとすると各トランジスタのコレクタが共通電位となるという制約を受ける。本発明によれば当該制約の下でトランスリニア原理を用いたアナログ演算回路の利点を有する演算回路を構成することができる。例えば、アナログ演算回路と同様の利点として入力信号に対するADCが不要であり、デジタル演算回路について上述した、演算内容に応じてADCの量子化誤差が非線形に増加する問題を生じない。   In the CMOS process, a bipolar transistor can be formed by utilizing the structure of a parasitic transistor generated in a semiconductor substrate as a by-product in the process. Since the bipolar transistor has a structure in which a semiconductor substrate is used as a collector, if a circuit using the translinear principle is used by using this bipolar transistor, there is a restriction that the collector of each transistor becomes a common potential. According to the present invention, an arithmetic circuit having the advantages of an analog arithmetic circuit using the translinear principle can be configured under the restriction. For example, as an advantage similar to that of an analog arithmetic circuit, an ADC for an input signal is unnecessary, and the above-described problem that the quantization error of the ADC increases nonlinearly according to the arithmetic contents described above for the digital arithmetic circuit does not occur.

本発明の実施形態に係る演算回路を用いた物理量センサである振動型のジャイロスコープの概略のブロック構成図である。1 is a schematic block configuration diagram of a vibration gyroscope that is a physical quantity sensor using an arithmetic circuit according to an embodiment of the present invention. AGC部の構成例を示す概略の模式的な回路図である。FIG. 3 is a schematic circuit diagram schematically illustrating a configuration example of an AGC unit. 本発明の実施形態に係る演算回路を用いた同期検波回路の概略のブロック構成図である。1 is a schematic block configuration diagram of a synchronous detection circuit using an arithmetic circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る演算回路を用いた同期検波回路の概略のタイミング図である。It is a schematic timing diagram of the synchronous detection circuit using the arithmetic circuit which concerns on embodiment of this invention. CMOSプロセスを用いてn型半導体基板に形成されるバイポーラトランジスタの構造を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the bipolar transistor formed in an n-type semiconductor substrate using a CMOS process. 同期検波回路に用いる演算回路の一例の基本構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the basic composition of an example of the arithmetic circuit used for a synchronous detection circuit. 電位比較回路及び制御回路の構成の一例を示す模式的なブロック図である。It is a typical block diagram which shows an example of a structure of an electric potential comparison circuit and a control circuit. 電位比較回路及び制御回路の構成の他の例を示す模式的な回路図である。It is a schematic circuit diagram which shows the other example of a structure of an electric potential comparison circuit and a control circuit. 図6に示す演算回路を4象限動作可能とした構成を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration in which the arithmetic circuit shown in FIG. 6 can operate in four quadrants. 図6及び図9に示す演算回路の変形例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a modification of the arithmetic circuit illustrated in FIGS. 6 and 9. 本発明の実施形態である演算回路の他の例の概略の回路図である。It is a schematic circuit diagram of the other example of the arithmetic circuit which is embodiment of this invention. 従来のトランスリニア回路の例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example of the conventional translinear circuit.

以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.

図1は実施形態に係る演算回路を用いた物理量センサである振動型のジャイロスコープ30の概略のブロック構成図である。ジャイロスコープ30は、センサ素子32、駆動回路34、及び検出回路36を含んで構成される。   FIG. 1 is a schematic block diagram of a vibration gyroscope 30 that is a physical quantity sensor using an arithmetic circuit according to the embodiment. The gyroscope 30 includes a sensor element 32, a drive circuit 34, and a detection circuit 36.

センサ素子32は、水晶等の圧電体からなる振動子40、互いに対をなす駆動電極42,44、及び互いに対をなす検出電極46,48からなる。駆動電極42,44は駆動回路34からの発振信号を振動子40に印加して、逆圧電効果により振動子40を励振する。励振された振動子40は角速度が加わるとコリオリ力により振動を生じ、圧電効果により電荷を生じる。検出電極46,48は当該振動により生じた電荷を電流として取り出し、検出回路36へ出力する。   The sensor element 32 includes a vibrator 40 made of a piezoelectric material such as quartz, drive electrodes 42 and 44 paired with each other, and detection electrodes 46 and 48 paired with each other. The drive electrodes 42 and 44 apply the oscillation signal from the drive circuit 34 to the vibrator 40 and excite the vibrator 40 by the inverse piezoelectric effect. When an angular velocity is applied to the excited vibrator 40, the vibrator 40 vibrates due to Coriolis force and generates electric charges due to the piezoelectric effect. The detection electrodes 46 and 48 take out the electric charge generated by the vibration as a current and output it to the detection circuit 36.

駆動回路34は電流電圧変換回路(以下、I/V変換回路)50及び増幅部52を有し、振動子40と共に帰還型発振回路を構成し所定周波数の発振信号である駆動信号を生成する。駆動回路34は駆動信号S1を振動子40の駆動電極42に印加し、振動子40の振動に応じて駆動電極44から流れ出す電流をモニタして、駆動信号の振幅をフィードバック制御する。   The drive circuit 34 includes a current-voltage conversion circuit (hereinafter referred to as an I / V conversion circuit) 50 and an amplifier 52, and forms a feedback oscillation circuit together with the vibrator 40 to generate a drive signal that is an oscillation signal having a predetermined frequency. The drive circuit 34 applies the drive signal S1 to the drive electrode 42 of the vibrator 40, monitors the current flowing out of the drive electrode 44 according to the vibration of the vibrator 40, and feedback-controls the amplitude of the drive signal.

I/V変換回路50は、駆動電極44から流れ出す帰還電流S2を入力され、電流電圧変換を行って増幅部52へ帰還信号S3として出力する。   The I / V conversion circuit 50 receives the feedback current S2 flowing out from the drive electrode 44, performs current-voltage conversion, and outputs it to the amplifier 52 as a feedback signal S3.

増幅部52は可変利得増幅回路54及び自動利得制御(AGC)部56を備える。   The amplifying unit 52 includes a variable gain amplifying circuit 54 and an automatic gain control (AGC) unit 56.

AGC部56は帰還信号S3の振幅に応じた直流のモニタ電圧Viを生成し、モニタ電圧Viと参照信号とに基づいて、発振回路の励振レベルを安定させるように可変利得増幅回路54の利得を制御する信号S4を生成する。本実施形態のAGC部56は、参照信号として参照電圧生成回路58から入力される参照電圧Vrefを用い、モニタ電圧Viと参照電圧Vrefとの差に基づいて信号S4を生成する。なお、参照信号として電流信号を用いる構成とすることもでき、その場合、当該電流信号を発振信号の振幅に応じた参照電流Irefとして、後述する同期検波回路72にて利用することができる。   The AGC unit 56 generates a DC monitor voltage Vi corresponding to the amplitude of the feedback signal S3, and based on the monitor voltage Vi and the reference signal, the gain of the variable gain amplifier circuit 54 is adjusted so as to stabilize the excitation level of the oscillation circuit. A signal S4 to be controlled is generated. The AGC unit 56 of the present embodiment uses the reference voltage Vref input from the reference voltage generation circuit 58 as a reference signal, and generates a signal S4 based on the difference between the monitor voltage Vi and the reference voltage Vref. Note that a current signal may be used as the reference signal. In this case, the current signal can be used as a reference current Iref corresponding to the amplitude of the oscillation signal by the synchronous detection circuit 72 described later.

可変利得増幅回路54はAGC部56からの制御信号S4によって利得を制御され、当該利得で帰還信号S3を増幅する。   The gain of the variable gain amplifier circuit 54 is controlled by the control signal S4 from the AGC unit 56, and amplifies the feedback signal S3 with the gain.

検出回路36は、検出増幅部70、同期検波回路72及びLPF76を有し、センサ素子32が出力する検出信号S5,S6を信号処理して、検出対象とする物理量である角速度に応じた出力信号を生成する。   The detection circuit 36 includes a detection amplification unit 70, a synchronous detection circuit 72, and an LPF 76. The detection circuit 36 processes the detection signals S5 and S6 output from the sensor element 32 and outputs an output signal corresponding to an angular velocity that is a physical quantity to be detected. Is generated.

検出増幅部70は、検出電極46,48に接続され、それらから入力される検出信号S5,S6をそれぞれ電圧値に変換する。また、検出増幅部70は差動増幅回路を備え、電圧に変換された検出信号S5,S6に対して差動増幅を行う。   The detection amplification unit 70 is connected to the detection electrodes 46 and 48, and converts the detection signals S5 and S6 input from them into voltage values, respectively. The detection amplification unit 70 includes a differential amplification circuit, and performs differential amplification on the detection signals S5 and S6 converted into voltages.

同期検波回路72は検出増幅部70の出力信号S7(増幅信号X)を入力され、駆動回路34の発振信号Yに基づいて同期検波(乗積検波)を行い、検波出力S8を生成する。本実施形態では駆動回路34の発振信号YとしてI/V変換回路50から出力される帰還信号S3を用い、当該信号S3を位相調整して同期検波回路72に入力する。同期検波回路72は後述するように、参照電圧生成回路58から入力される参照電圧Vrefを利用する。また、同期検波回路72は検波出力S8をデジタルデータで出力する。   The synchronous detection circuit 72 receives the output signal S7 (amplified signal X) of the detection amplifier 70, performs synchronous detection (product detection) based on the oscillation signal Y of the drive circuit 34, and generates a detection output S8. In the present embodiment, the feedback signal S3 output from the I / V conversion circuit 50 is used as the oscillation signal Y of the drive circuit 34, and the phase of the signal S3 is adjusted and input to the synchronous detection circuit 72. The synchronous detection circuit 72 uses the reference voltage Vref input from the reference voltage generation circuit 58, as will be described later. The synchronous detection circuit 72 outputs the detection output S8 as digital data.

LPF76はデジタルフィルタで構成され、同期検波回路72が出力するデジタル信号から高周波成分を除去して、振動子40に印加される角速度に応じた信号である角速度出力S9を抽出し出力端子78から出力する。   The LPF 76 is composed of a digital filter, removes high frequency components from the digital signal output from the synchronous detection circuit 72, extracts an angular velocity output S 9 that is a signal corresponding to the angular velocity applied to the transducer 40, and outputs it from the output terminal 78. To do.

駆動回路34、検出回路36はシリコン基板等を用いたICとして形成される。当該ICには、上述した出力端子78の他に、駆動回路34を駆動電極42,44に接続するための端子(又はパッド)80,82及び、検出回路36を検出電極46,48に接続するための端子(又はパッド)84,86が設けられる。また、参照電圧Vrefを入力するための制御端子88も設けられる。   The drive circuit 34 and the detection circuit 36 are formed as an IC using a silicon substrate or the like. In the IC, in addition to the output terminal 78 described above, terminals (or pads) 80 and 82 for connecting the drive circuit 34 to the drive electrodes 42 and 44 and the detection circuit 36 are connected to the detection electrodes 46 and 48. Terminals (or pads) 84 and 86 are provided. A control terminal 88 for inputting the reference voltage Vref is also provided.

参照電圧生成回路58は、電源電圧から電圧供給を受け、当該電源電圧に依存しない参照電圧Vrefを生成する。   The reference voltage generation circuit 58 receives a voltage supply from the power supply voltage and generates a reference voltage Vref that does not depend on the power supply voltage.

図2はAGC部56の構成例を示す概略の模式的な回路図である。AGC部56は実効値回路100及び制御電圧生成回路102を有する。実効値回路100は、帰還信号S3を入力され、その振幅に応じた直流のモニタ電圧Viとして、帰還信号S3の実効値電圧を生成する。制御電圧生成回路102はモニタ電圧Viと参照電圧Vrefとの差に基づいて制御信号S4を生成する。制御電圧生成回路102は例えば、演算増幅器104を用いた反転増幅回路からなる。演算増幅器104の反転入力端子(−)は、実効値回路100との間に入力抵抗Riを接続され、演算増幅器104の出力端子との間に帰還抵抗Rfを接続され、また参照電圧Vrefの入力端子との間に抵抗Rrefを接続される。演算増幅器104の非反転入力端子(+)は接地される。演算増幅器104の出力端子から出力される制御信号S4の電圧をVoと表すと、反転入力端子(−)でのキルヒホッフの電流保存則から次式が成り立つ。
Vi/Ri+Vref/Rref=−Vo/Rf ・・・・・・(3)
FIG. 2 is a schematic schematic circuit diagram showing a configuration example of the AGC unit 56. The AGC unit 56 includes an effective value circuit 100 and a control voltage generation circuit 102. The effective value circuit 100 receives the feedback signal S3 and generates an effective value voltage of the feedback signal S3 as a DC monitor voltage Vi corresponding to the amplitude. The control voltage generation circuit 102 generates a control signal S4 based on the difference between the monitor voltage Vi and the reference voltage Vref. The control voltage generation circuit 102 includes, for example, an inverting amplifier circuit using an operational amplifier 104. The inverting input terminal (−) of the operational amplifier 104 is connected to the input resistance Ri between the rms value circuit 100, the feedback resistance Rf is connected to the output terminal of the operational amplifier 104, and the reference voltage Vref is input. A resistor Rref is connected between the terminals. The non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier 104 is grounded. When the voltage of the control signal S4 output from the output terminal of the operational amplifier 104 is expressed as Vo, the following equation is established from Kirchhoff's current conservation law at the inverting input terminal (−).
Vi / Ri + Vref / Rref = -Vo / Rf (3)

通常、RfはRi、Rrefに比べて十分に大きいことから(3)式の右辺を0と見なせば、(3)式は、励振レベルを示すモニタ電圧Viが実質的に|Vref|に比例し、発振回路の励振レベルがVrefを基準として設定されることを示している。   Usually, Rf is sufficiently larger than Ri and Rref. Therefore, assuming that the right side of equation (3) is 0, equation (3) indicates that monitor voltage Vi indicating the excitation level is substantially proportional to | Vref |. This indicates that the excitation level of the oscillation circuit is set with reference to Vref.

なお、参照信号として参照電流(Irefとする)を用いる場合の制御電圧生成回路102の構成は、図2に示す、演算増幅器104の反転入力端子(−)に抵抗Rrefを介して参照電圧Vrefを印加する構成に代えて、反転入力端子(−)に参照電流Irefを供給する構成とする。Irefは反転入力端子(−)から引き込む向きに供給し、実効値回路100から反転入力端子(−)に流れ込む電流を相殺するように構成する。   Note that when the reference current (Iref) is used as the reference signal, the control voltage generation circuit 102 is configured such that the reference voltage Vref is connected to the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 104 shown in FIG. Instead of the applied configuration, the reference current Iref is supplied to the inverting input terminal (−). Iref is supplied in the direction of drawing from the inverting input terminal (−), and is configured to cancel the current flowing from the effective value circuit 100 to the inverting input terminal (−).

上述のように参照電圧生成回路58は参照電圧Vrefを一定に保つように設計されるが、実際にはVrefは温度や電源電圧の変動などに起因して変化する。この参照電圧Vrefの変動は、駆動信号の信号レベルを変動させ、それに応じてセンサ素子32の検出信号S5,S6の信号レベルが変化し、さらには角速度出力S9の信号レベルが変化する。本実施形態における同期検波回路72は、この基準信号であるべき参照電圧Vrefや参照電流といった参照信号の変動によって生じる角速度出力S9の変動を低減する。   As described above, the reference voltage generation circuit 58 is designed to keep the reference voltage Vref constant, but in reality, Vref changes due to variations in temperature, power supply voltage, and the like. This change in the reference voltage Vref changes the signal level of the drive signal, the signal levels of the detection signals S5 and S6 of the sensor element 32 change accordingly, and further the signal level of the angular velocity output S9 changes. The synchronous detection circuit 72 in this embodiment reduces the fluctuation of the angular velocity output S9 caused by the fluctuation of the reference signal such as the reference voltage Vref and the reference current that should be the reference signal.

図3は同期検波回路72の概略のブロック構成図である。同期検波回路72は電圧−電流変換回路(以下、V/I変換回路)110a,110b,110c、演算回路112、サンプルホールド回路114a,114b及び移相器116を有する。既に述べたように、同期検波回路72は検出増幅部70からの増幅信号X、駆動回路34からの発振信号Y、及び参照電圧生成回路58からの参照電圧Vrefを入力される。増幅信号Xはサンプルホールド回路114aに入力され、発振信号Yはサンプルホールド回路114b及び移相器116に入力される。また参照電圧VrefはV/I変換回路110cに入力される。   FIG. 3 is a schematic block diagram of the synchronous detection circuit 72. The synchronous detection circuit 72 includes voltage-current conversion circuits (hereinafter referred to as V / I conversion circuits) 110a, 110b, 110c, an arithmetic circuit 112, sample hold circuits 114a, 114b, and a phase shifter 116. As already described, the synchronous detection circuit 72 is supplied with the amplified signal X from the detection amplifier 70, the oscillation signal Y from the drive circuit 34, and the reference voltage Vref from the reference voltage generation circuit 58. The amplified signal X is input to the sample hold circuit 114a, and the oscillation signal Y is input to the sample hold circuit 114b and the phase shifter 116. The reference voltage Vref is input to the V / I conversion circuit 110c.

図4は同期検波回路72の概略のタイミング図である。移相器116は入力された発振信号Yに対して位相が90°シフトしたクロックCKを生成する。例えば、移相器116は電圧信号Yの極性が正の期間から負の期間にわたる1周期に対してクロックCKのH(High)レベルの期間からL(Low)レベルの期間にわたる1周期を90°進んだ位相で設定する。生成されたクロックCKはサンプルホールド回路114a,114bのトリガに入力される。クロックCKの立ち下がりのタイミングは発振信号Yの電圧のピーク点に対応し、サンプルホールド回路114bは当該ピーク点の電圧をサンプリングして保持する。また、サンプルホールド回路114aはサンプルホールド回路114bと同じタイミングで、すなわち、発振信号Yのピークに同期したタイミングで増幅信号Xの電圧をサンプリングして保持する。   FIG. 4 is a schematic timing chart of the synchronous detection circuit 72. The phase shifter 116 generates a clock CK having a phase shifted by 90 ° with respect to the input oscillation signal Y. For example, the phase shifter 116 shifts one period from the H (High) level period to the L (Low) level period of the clock CK by 90 ° with respect to one period from the positive period to the negative period of the voltage signal Y. Set with advanced phase. The generated clock CK is input to the triggers of the sample and hold circuits 114a and 114b. The falling timing of the clock CK corresponds to the peak point of the voltage of the oscillation signal Y, and the sample hold circuit 114b samples and holds the voltage at the peak point. The sample hold circuit 114a samples and holds the voltage of the amplified signal X at the same timing as the sample hold circuit 114b, that is, at a timing synchronized with the peak of the oscillation signal Y.

V/I変換回路110a,110bはそれぞれサンプルホールド回路114a,114bから信号X,Yのホールド電圧を入力され、それら電圧信号X,Yを電流信号Ix,Iyに変換して演算回路112へ入力する。参照電圧VrefはDC信号であるのでサンプルホールド回路を経ずに、直接、V/I変換回路110cに入力され、V/I変換回路110cは参照電圧Vrefを電流信号Irefに変換して演算回路112へ入力する。   The V / I conversion circuits 110a and 110b receive the hold voltages of the signals X and Y from the sample hold circuits 114a and 114b, respectively, convert the voltage signals X and Y into current signals Ix and Iy, and input them to the arithmetic circuit 112. . Since the reference voltage Vref is a DC signal, it is directly input to the V / I conversion circuit 110c without passing through the sample-and-hold circuit. The V / I conversion circuit 110c converts the reference voltage Vref into a current signal Iref and calculates the arithmetic circuit 112. Enter.

演算回路112は、センサ素子32の検出信号に応じた電流信号Ix、駆動回路34の発振信号に応じた電流信号Iy及び発振信号の振幅に応じた参照電流Irefを入力され、次式で表される出力電流Ioutを表すデジタルデータである出力データDoutを求める。
Iout=Ix・Iy/Iref ・・・・・・(4)
The arithmetic circuit 112 receives the current signal Ix corresponding to the detection signal of the sensor element 32, the current signal Iy corresponding to the oscillation signal of the drive circuit 34, and the reference current Iref corresponding to the amplitude of the oscillation signal, and is expressed by the following equation: Output data Dout, which is digital data representing the output current Iout.
Iout = Ix / Iy / Iref (4)

なお、図4に示す動作では、発振信号Yの1周期ごとにDoutを求めているが、1回のDoutの演算に信号Yの周期より長い時間を要する場合は、当該演算時間に合わせて例えば、クロックCKを分周するなどして信号Yの複数周期ごとに信号X,Yのサンプリングを行う構成とする。   In the operation shown in FIG. 4, Dout is obtained for each cycle of the oscillation signal Y. However, when a single calculation of Dout requires a time longer than the cycle of the signal Y, In this configuration, the signals X and Y are sampled every plural cycles of the signal Y by dividing the clock CK.

演算回路112はトランスリニア原理を用いており、後述するように擬似的にトランスリニアループを構成するものと言える。このトランスリニア原理を用いる部分は本来のトランスリニアループと同様、バイポーラトランジスタを用いて構成される。本実施形態では、当該バイポーラトランジスタはCMOSプロセスで形成する。図5は、当該バイポーラトランジスタの構造を示す模式図であり、半導体基板に垂直な断面が示されている。図5にはICを形成する半導体基板が、n型不純物を導入されn型導電性(第1導電型)を与えられたn型サブストレート(以下、n−sub)200である例を示している。n−sub200の表面にp型不純物を導入されp型導電性(第2導電型)とされた半導体領域であるpウェル(p−well)202が形成される。さらにpウェル202内にn型領域204が形成される。これによりn−sub200をコレクタ(C)、pウェル202をベース(B)、n型領域204をエミッタ(E)とするnpn型トランジスタが形成される。ちなみに、CMOSプロセスにおいてpウェル202はn型MOSトランジスタのチャネルとなる領域を形成する工程により形成され、具体的にはpウェル202を形成する領域に開口を有するマスクをフォトレジスト等で形成してp型不純物をイオン注入・熱拡散することにより形成される。n型領域204はnチャネルMOSトランジスタのソース、ドレインの拡散層領域を形成する工程により形成され、具体的にはマスクを形成した後、n型不純物をイオン注入して形成される。このCMOSプロセスで形成されるバイポーラトランジスタはコレクタが基板電位Vsubに固定される。n型基板に対してはVsubは正電位Vとすることができる。 The arithmetic circuit 112 uses the translinear principle, and can be said to constitute a translinear loop in a pseudo manner as will be described later. The part using the translinear principle is configured using a bipolar transistor as in the original translinear loop. In this embodiment, the bipolar transistor is formed by a CMOS process. FIG. 5 is a schematic view showing the structure of the bipolar transistor, and shows a cross section perpendicular to the semiconductor substrate. FIG. 5 shows an example in which the semiconductor substrate for forming an IC is an n-type substrate (hereinafter referred to as n-sub) 200 to which n-type impurities are introduced and n-type conductivity (first conductivity type) is given. Yes. A p-type well (p-well) 202, which is a semiconductor region made of p-type conductivity (second conductivity type), is formed on the surface of the n-sub 200 by introducing p-type impurities. Further, an n-type region 204 is formed in the p well 202. As a result, an npn-type transistor having the n-sub 200 as the collector (C), the p-well 202 as the base (B), and the n-type region 204 as the emitter (E) is formed. Incidentally, in the CMOS process, the p-well 202 is formed by a step of forming a region that becomes a channel of the n-type MOS transistor. Specifically, a mask having an opening in the region where the p-well 202 is formed is formed of a photoresist or the like. It is formed by ion implantation and thermal diffusion of p-type impurities. The n-type region 204 is formed by the step of forming the diffusion layer regions of the source and drain of the n-channel MOS transistor. Specifically, the n-type region 204 is formed by ion-implanting n-type impurities after forming a mask. In the bipolar transistor formed by this CMOS process, the collector is fixed at the substrate potential Vsub. For an n-type substrate, Vsub can be a positive potential V + .

図6はCMOSプロセスで作られる上述のバイポーラトランジスタを用いた演算回路112の一例の基本構成を示す回路図である。演算回路112は電源V,Vを供給されて動作する。それら電源の電位はV>Vとする。この演算回路112は4つのトランジスタQ1〜Q4を有する。これらトランジスタQ1〜Q4は、Q2のエミッタとQ4のエミッタとが自律的に同電位になる構成であれば、トランスリニアループを形成する。しかし、本実施形態ではQ2のエミッタとQ4のエミッタとの間は分断され、それらの電位関係は当該ループ外から制御される点で本来のトランスリニアループと相違している。この相違ゆえ、ここではトランジスタQ1〜Q4及びその制御機構を準トランスリニアループと称することにする。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a basic configuration of an example of the arithmetic circuit 112 using the above-described bipolar transistor made by a CMOS process. The arithmetic circuit 112 operates by being supplied with power supplies V + and V . The potentials of these power sources are V + > V . The arithmetic circuit 112 has four transistors Q1 to Q4. These transistors Q1 to Q4 form a translinear loop if the emitter of Q2 and the emitter of Q4 are autonomously at the same potential. However, in this embodiment, the emitter of Q2 and the emitter of Q4 are divided, and their potential relationship is different from the original translinear loop in that it is controlled from outside the loop. Because of this difference, the transistors Q1 to Q4 and their control mechanism are referred to as quasi-translinear loops.

図6の構成ではトランジスタQ1〜Q3は演算回路112における演算の入力となる入力電流を当該演算回路112の外部から供給される入力トランジスタであり、Q4は演算回路112における演算結果となる出力電流を与える出力トランジスタである。各トランジスタQ1〜Q4のコレクタは上述のようにn−sub200であり、共通の電位Vsubに設定される。そのため、各トランジスタQ1〜Q4のコレクタは入力電流の供給や出力電流の取り出しには利用することができないという制約を課される。   In the configuration of FIG. 6, the transistors Q <b> 1 to Q <b> 3 are input transistors supplied from outside the arithmetic circuit 112 as input for calculation in the arithmetic circuit 112. This is an output transistor. The collectors of the transistors Q1 to Q4 are the n-sub 200 as described above, and are set to the common potential Vsub. For this reason, there is a restriction that the collectors of the transistors Q1 to Q4 cannot be used for supplying the input current or extracting the output current.

演算回路112はトランジスタQ1〜Q3のエミッタに入力電流を供給する電流入力手段として電流源I1〜I3を有する。図6に示す回路では、電流源I1〜I3はそれぞれV/I変換回路110a,110b,110cの出力電流を用いて電流Ix,Iy,IrefをトランジスタQ1〜Q3のエミッタに供給する。ここでは電流源I1〜I3はコレクタからエミッタへ向かうように入力電流を供給する。例えば、V/I変換回路110cが生成する電流IrefがV/I変換回路110cへ流れ込む向きである場合には、電流源I3としてQ3のエミッタにV/I変換回路110cの出力端を接続すればよい。一方、IrefがV/I変換回路110cから流れ出る向きである場合には、当該電流を例えば、カレントミラー回路を用いて、Q3のエミッタと所定の負電圧の電源Vとを結ぶ経路に複製する。他の入力電流Ix,Iyについても同様に構成される。 The arithmetic circuit 112 has current sources I1 to I3 as current input means for supplying an input current to the emitters of the transistors Q1 to Q3. In the circuit shown in FIG. 6, current sources I1-I3 supply currents Ix, Iy, Iref to the emitters of transistors Q1-Q3 using output currents of V / I conversion circuits 110a, 110b, 110c, respectively. Here, the current sources I1 to I3 supply the input current from the collector to the emitter. For example, when the current Iref generated by the V / I conversion circuit 110c is directed to flow into the V / I conversion circuit 110c, the output terminal of the V / I conversion circuit 110c is connected to the emitter of Q3 as the current source I3. Good. On the other hand, when Iref is oriented flowing from V / I conversion circuit 110c is the current example, by using a current mirror circuit, Q3 the emitter and the power supply V in predetermined negative voltage - to replicate path connecting the . The other input currents Ix and Iy are similarly configured.

トランジスタQ4のエミッタには電流出力型のD/A変換器(DAC:Digital−to−Analog Converter)210が接続され、Q4のエミッタに電流を供給する。   A current output type D / A converter (DAC: Digital-to-Analog Converter) 210 is connected to the emitter of the transistor Q4 to supply current to the emitter of Q4.

Q1及びQ3のベースはn−sub200に接続され、Q1のエミッタとQ2のベースが例えば基板上に形成される配線により接続され、Q3のエミッタとQ4のベースが同様に配線により接続される。すなわちQ1及びQ2はダーリントン接続を構成し、Q3及びQ4もダーリントン接続を構成する。ここで、Q1〜Q4は全てnpn型であり、このように同じタイプのトランジスタで構成されるトランスリニアループ上には、ダイオードの向きが正方向であるトランジスタのエミッタと逆方向であるトランジスタのエミッタとを接続する個所が生じる。   The bases of Q1 and Q3 are connected to the n-sub 200, the emitter of Q1 and the base of Q2 are connected by, for example, wiring formed on the substrate, and the emitter of Q3 and the base of Q4 are similarly connected by wiring. That is, Q1 and Q2 constitute a Darlington connection, and Q3 and Q4 also constitute a Darlington connection. Here, Q1 to Q4 are all npn-type, and on the translinear loop composed of transistors of the same type in this way, the emitter of the transistor whose direction of the diode is the reverse direction to the emitter of the transistor whose direction is the forward direction. There is a place to connect the.

本実施形態では、Q2とQ4との接続が当該個所に当たる。Q1〜Q4からなるトランスリニアループは上述したようにQ2のエミッタとQ4のエミッタとを接続し自律的に同電位となるようにすることで完成される。これに対して、演算回路112における準トランスリニアループは当該個所でトランスリニアループの接続を分断し、当該分断個所に電位比較回路212を接続する改変を施した回路構成(改変ループ回路)となっている。電位比較回路212は、当該分断個所の両側の電位を比較してその結果に応じた比較出力を生成する。   In the present embodiment, the connection between Q2 and Q4 corresponds to this point. As described above, the translinear loop composed of Q1 to Q4 is completed by connecting the emitter of Q2 and the emitter of Q4 so as to have the same potential autonomously. On the other hand, the quasi-translinear loop in the arithmetic circuit 112 has a circuit configuration (modified loop circuit) in which the connection of the translinear loop is divided at the corresponding portion and the potential comparison circuit 212 is connected to the divided portion. ing. The potential comparison circuit 212 compares the potentials on both sides of the divided portion and generates a comparison output corresponding to the result.

さらに、演算回路112は制御回路214を有する。制御回路214は、電位比較回路212の出力に基づいて、電流DAC210を制御すると共に、本来のトランスリニアループが表現する上記(4)式の演算についてその演算結果をデジタル値で出力する。制御回路214は演算結果を表すデジタルデータである演算値として想定した値を設定し、その値が演算値であるか否かを評価し、その値が演算値でない場合は、値を変えて評価を繰り返して演算値を探索する。ここでは演算値として試しに設定する値を試行値を呼ぶ。   Further, the arithmetic circuit 112 has a control circuit 214. The control circuit 214 controls the current DAC 210 based on the output of the potential comparison circuit 212 and outputs the calculation result of the above expression (4) expressed by the original translinear loop as a digital value. The control circuit 214 sets a value assumed as a calculation value, which is digital data representing the calculation result, and evaluates whether the value is a calculation value. If the value is not a calculation value, the value is changed and evaluated. To search for the calculated value. Here, a value to be set as a trial as an operation value is called a trial value.

具体的には、制御回路214は試行値Ntを生成し、電流DAC210に入力する。電流DAC210は試行値に相当する電流(試行電流)Itを生成し、出力トランジスタQ4のエミッタに供給する。ここで、試行電流Itは電流DAC210の離散化電流(1LSB当たりの電流)をΔIとして次式で与えられる。
It=Nt・ΔI ・・・・・・(5)
Specifically, the control circuit 214 generates a trial value Nt and inputs it to the current DAC 210. The current DAC 210 generates a current (trial current) It corresponding to the trial value and supplies it to the emitter of the output transistor Q4. Here, the trial current It is given by the following equation, where the discretized current of the current DAC 210 (current per 1 LSB) is ΔI.
It = Nt · ΔI (5)

試行電流Itが(4)式で表されるIoutに等しければ、準トランスリニアループは(1)式のトランスリニア原理が成立した状態と同じ状態とみなせる。すなわち、本来のトランスリニアループと均等な状態が実現され、Q4のエミッタ電位VαとQ2のエミッタ電位Vβとは平衡状態となる。一方、ItがIoutより少なければ、Q4のベース−エミッタ間電圧VBEがトランスリニアループより小さくなり、VαはVβより高くなり、逆にItがIoutより多ければ、VαはVβより低くなる。 If the trial current It is equal to Iout represented by the equation (4), the quasi-translinear loop can be regarded as the same state as the state where the translinear principle of the equation (1) is established. That is, a state equivalent to the original translinear loop is realized, and the emitter potential Vα of Q4 and the emitter potential Vβ of Q2 are in an equilibrium state. On the other hand, if It is less than Iout, the base-emitter voltage V BE of Q4 is smaller than that of the translinear loop, and Vα is higher than Vβ. Conversely, if It is greater than Iout, Vα is lower than Vβ.

電位比較回路212はこのVαとVβとを入力されその比較出力を生成し、制御回路214は比較出力からVαとVβとの平衡状態に対応した試行値を検出し、これを演算値Doutとして演算回路112から出力する。   The potential comparison circuit 212 receives the Vα and Vβ and generates a comparison output. The control circuit 214 detects a trial value corresponding to the equilibrium state of Vα and Vβ from the comparison output, and calculates this as the operation value Dout. Output from the circuit 112.

演算回路112はトランスリニア原理を用いているが、バイポーラプロセスやBi−CMOSプロセスではなく標準的なCMOSプロセスで製造可能である。すなわち、電流DAC210、電位比較回路212、制御回路214だけでなく、トランスリニア原理にかかわるバイポーラトランジスタQ1〜Q4も上述のようにCMOSプロセスで作製される。よって、検出回路36、又は駆動回路34及び検出回路36を内蔵するICをCMOSプロセスで製造可能とし、消費電力の低減、集積密度向上及び製造コストの低減を図ることが可能となる。   The arithmetic circuit 112 uses the translinear principle, but can be manufactured by a standard CMOS process instead of a bipolar process or a Bi-CMOS process. That is, not only the current DAC 210, the potential comparison circuit 212, and the control circuit 214 but also the bipolar transistors Q1 to Q4 related to the translinear principle are manufactured by the CMOS process as described above. Therefore, the detection circuit 36 or an IC incorporating the drive circuit 34 and the detection circuit 36 can be manufactured by a CMOS process, and power consumption can be reduced, integration density can be improved, and manufacturing cost can be reduced.

図7は電位比較回路212及び制御回路214の構成の一例を示す模式的なブロック図である。電位比較回路212はコンパレータ220を用いる。制御回路214は、カウンタ222とレジスタ224とを有する。   FIG. 7 is a schematic block diagram showing an example of the configuration of the potential comparison circuit 212 and the control circuit 214. The potential comparison circuit 212 uses a comparator 220. The control circuit 214 includes a counter 222 and a register 224.

コンパレータ220は電位Vα及びVβを入力され、それらの大小関係に応じて、HレベルとLレベルとの2種類の電位のいずれかを出力する。ここでは、コンパレータ220は比較出力Vcmpとして、Vα>VβのときLレベルを出力し、Vα≦VβのときHレベルを出力する。   The comparator 220 receives the potentials Vα and Vβ, and outputs one of two types of potentials of H level and L level depending on the magnitude relationship between them. Here, as the comparison output Vcmp, the comparator 220 outputs an L level when Vα> Vβ, and outputs an H level when Vα ≦ Vβ.

カウンタ222は外部からのクロック信号CLKを入力され、そのクロックパルスを計数する。カウンタ222のカウント値は電流DAC210に試行値Ntとして入力されると共に、レジスタ224へも出力される。例えば、カウンタ222はジャイロスコープ30の動作状態にて周期的にカウントアップ動作を繰り返す。   The counter 222 receives an external clock signal CLK and counts the clock pulses. The count value of the counter 222 is input to the current DAC 210 as the trial value Nt and also output to the register 224. For example, the counter 222 periodically repeats the count-up operation in the operation state of the gyroscope 30.

レジスタ224は例えば、レジスタクロックRCKの立ち上がりで、カウント値をロードし、演算回路112の出力データDoutとする。レジスタクロックRCKとして比較出力Vcmpが入力される。すなわち、レジスタ224は比較出力の出力状態の変化を検出し、当該変化時に対応した試行値Ntを演算値Doutとする判定回路として機能する。   For example, the register 224 loads the count value at the rising edge of the register clock RCK and sets it as output data Dout of the arithmetic circuit 112. The comparison output Vcmp is input as the register clock RCK. That is, the register 224 functions as a determination circuit that detects a change in the output state of the comparison output and uses the trial value Nt corresponding to the change as the operation value Dout.

カウンタ222のカウントアップ動作により、試行値Ntは0から1ずつ増加し、電流DAC210からQ4へ供給される試行電流ItはΔIずつ増加する。それと共に、Q4のVBEは順次増加し、Vαは順次低下する。カウントアップの開始時には基本的にVα>Vβであり、カウントアップが進むにつれてVαはVβに近づく。この状態では比較出力VcmpはLレベルである。さらにカウントアップが進み、(4)式で表されるIoutに対してIt≧IoutとなるとVα≦Vβとなり、平衡状態を通過するときに比較出力VcmpはHレベルに立ち上がる。RCKに当該立ち上がりを入力されたレジスタ224はこのときのNtを保持する。このレジスタ224に保持された値が入力Ix,Iy,Irefに対する演算結果を表す演算値Doutとして演算回路112から出力される。 By the count-up operation of the counter 222, the trial value Nt increases from 0 by 1, and the trial current It supplied from the current DAC 210 to Q4 increases by ΔI. At the same time, V BE of Q4 increases sequentially, and Vα decreases sequentially. Basically, Vα> Vβ at the start of the count-up, and Vα approaches Vβ as the count-up proceeds. In this state, the comparison output Vcmp is at the L level. When the count-up further proceeds and when It ≧ Iout with respect to Iout represented by the equation (4), Vα ≦ Vβ is established, and the comparison output Vcmp rises to the H level when passing through the equilibrium state. The register 224 to which the rising edge is input to RCK holds Nt at this time. The value held in the register 224 is output from the arithmetic circuit 112 as the arithmetic value Dout representing the arithmetic result for the inputs Ix, Iy, and Iref.

なお、カウンタ222をカウントダウン動作させて演算値Doutを探索するように、コンパレータ220、カウンタ222及びレジスタ224を構成することもできる。   Note that the comparator 220, the counter 222, and the register 224 may be configured to search the calculation value Dout by causing the counter 222 to perform a countdown operation.

また、制御回路214が二分探索法で試行値Ntを生成し、演算値Doutを探索する構成とすることもできる。   Further, the control circuit 214 may generate the trial value Nt by the binary search method and search for the calculated value Dout.

図8は電位比較回路212及び制御回路214の構成の他の例を示す模式的な回路図である。電位比較回路212はV/I変換回路240を用いる。制御回路214はキャパシタC、スイッチSW、ヒステリシスコンパレータ242、カウンタ244、レジスタ246及び平衡検出回路248を有する。   FIG. 8 is a schematic circuit diagram showing another example of the configuration of the potential comparison circuit 212 and the control circuit 214. The potential comparison circuit 212 uses a V / I conversion circuit 240. The control circuit 214 includes a capacitor C, a switch SW, a hysteresis comparator 242, a counter 244, a register 246, and a balance detection circuit 248.

V/I変換回路240はトランスコンダクタンスアンプ(OTA:Operational Transconductance Amplifier)で構成され、差動入力端子(+)及び(−)への入力電圧差ΔVに応じた電流Icmpを出力する。具体的にはトランスコンダクタンスをgmで表すと、
Icmp=gm・ΔV
である。当該電流Icmpが電位比較回路212の比較出力となる。差動入力端子(+)は電位Vαを入力され、差動入力端子(−)は電位Vβを入力され、
ΔV=Vα−Vβ
である。
The V / I conversion circuit 240 is composed of a transconductance amplifier (OTA) and outputs a current Icmp corresponding to the input voltage difference ΔV to the differential input terminals (+) and (−). Specifically, when transconductance is expressed in gm,
Icmp = gm · ΔV
It is. The current Icmp becomes a comparison output of the potential comparison circuit 212. The differential input terminal (+) receives a potential Vα, the differential input terminal (−) receives a potential Vβ,
ΔV = Vα−Vβ
It is.

キャパシタCはV/I変換回路240の出力端と接地GNDとの間に接続され、電流Icmpを充電する。   The capacitor C is connected between the output terminal of the V / I conversion circuit 240 and the ground GND, and charges the current Icmp.

スイッチSWはオン状態にて選択的にキャパシタCを放電させる。具体的には、スイッチSWはキャパシタCに並列に接続され、オン状態にてキャパシタCの両端を短絡する。例えば、スイッチSWはMOSトランジスタからなり、ゲートに印加されるヒステリシスコンパレータ242の出力電圧Vschでオン/オフを制御される。ここではスイッチSWはVschがHレベルのときオン状態となり、Lレベルのときオフ状態となる。   The switch SW selectively discharges the capacitor C in the on state. Specifically, the switch SW is connected in parallel to the capacitor C and shorts both ends of the capacitor C in the on state. For example, the switch SW is formed of a MOS transistor, and is turned on / off by the output voltage Vsch of the hysteresis comparator 242 applied to the gate. Here, the switch SW is turned on when Vsch is at H level, and is turned off when Vsch is at L level.

ヒステリシスコンパレータ242はキャパシタCの端子間電圧Vcapを入力され、その出力電圧Vschに応じてスイッチSWのオン/オフ状態を切り換え、キャパシタCの充電/放電を交互に繰り返させる。ヒステリシスコンパレータ242はその2つの閾値VthH,VthLをVthH>VthL>0に設定され、VcapがVthH以上となるとVschをLレベルからHレベルに切り換え、VcapがVthL以下となるとVschをHレベルからLレベルに切り換える。   The hysteresis comparator 242 receives the inter-terminal voltage Vcap of the capacitor C, switches the on / off state of the switch SW in accordance with the output voltage Vsch, and alternately repeats charging / discharging of the capacitor C. The hysteresis comparator 242 sets the two threshold values VthH and VthL to VthH> VthL> 0, and switches Vsch from L level to H level when Vcap becomes VthH or more, and changes Vsch from H level to L level when Vcap becomes VthL or less. Switch to.

平衡検出回路248はヒステリシスコンパレータ242の出力の変化の周期に基づいてVαとVβとの平衡状態への到達を検出する回路である。平衡検出回路248はヒステリシスコンパレータ242からVschを入力され、Vschが所定時間変化しないことを以て電位平衡状態と判定し、出力VeqをLレベルからHレベルに立ち上げる。   The balance detection circuit 248 is a circuit that detects the arrival of Vα and Vβ in an equilibrium state based on the period of change in the output of the hysteresis comparator 242. The balance detection circuit 248 receives Vsch from the hysteresis comparator 242, determines that the potential is in a balanced state when Vsch does not change for a predetermined time, and raises the output Veq from L level to H level.

カウンタ244、レジスタ246は図7に示した構成のカウンタ222、レジスタ224と同様の構成である。カウンタ244はヒステリシスコンパレータ242の出力パルスを0からカウントアップする。レジスタ246は平衡検出回路248の出力VeqをレジスタクロックRCKに入力される。ちなみに、平衡検出回路248及びレジスタ246が、ヒステリシスコンパレータ242の出力の変化の周期に基づいて電位平衡状態への到達を判定し、当該到達時に対応した試行値Ntを演算値Doutとする判定回路を構成する。   The counter 244 and the register 246 have the same configuration as the counter 222 and the register 224 configured as shown in FIG. The counter 244 counts up the output pulse of the hysteresis comparator 242 from zero. The register 246 receives the output Veq of the balance detection circuit 248 as the register clock RCK. Incidentally, a determination circuit in which the balance detection circuit 248 and the register 246 determine the arrival of the potential equilibrium state based on the change cycle of the output of the hysteresis comparator 242, and sets the trial value Nt corresponding to the arrival as the calculation value Dout. Configure.

演算値Doutの探索開始時にはカウンタ244のカウント値は0にリセットされ、基本的にVα>Vβとなる。V/I変換回路240はΔVに応じたIcmpを出力する。キャパシタC、スイッチSW及びヒステリシスコンパレータ242は発振回路を構成し、ヒステリシスコンパレータ242の出力に周期的にパルスを生じる。   At the start of the search for the calculation value Dout, the count value of the counter 244 is reset to 0, and basically Vα> Vβ. The V / I conversion circuit 240 outputs Icmp corresponding to ΔV. The capacitor C, the switch SW, and the hysteresis comparator 242 constitute an oscillation circuit, and periodically generate pulses at the output of the hysteresis comparator 242.

カウンタ244はヒステリシスコンパレータ242の出力パルスをカウントアップする。これに、試行値Ntは0から1ずつ増加し、電流DAC210からQ4へ供給される試行電流ItはΔIずつ増加する。それと共に、Q4のVBEは順次増加し、Vαは順次低下する。カウントアップが進むにつれてVαはVβに近づき、Icmpは減少する。Icmpが減少するにつれ、キャパシタCの充電に要する時間が長くなってヒステリシスコンパレータ242の出力パルスの周期が長くなり、理想的には最後にVαとVβとが平衡して発振が停止する。この状態での試行値Ntが演算値Doutに相当する。 The counter 244 counts up the output pulse of the hysteresis comparator 242. In addition, the trial value Nt increases from 0 by 1, and the trial current It supplied from the current DAC 210 to Q4 increases by ΔI. At the same time, V BE of Q4 increases sequentially, and Vα decreases sequentially. As the count-up proceeds, Vα approaches Vβ, and Icmp decreases. As Icmp decreases, the time required for charging the capacitor C increases and the period of the output pulse of the hysteresis comparator 242 increases. Ideally, Vα and Vβ finally balance and oscillation stops. The trial value Nt in this state corresponds to the calculated value Dout.

実際には、Vαは離散的にしか変えられないので一般には発振は完全には停止せず、またVβに等しいVαを設定できる場合であっても発振の完全な停止までには長い時間がかかり得る。よって、平衡検出回路248は所定時間τを設定され、ヒステリシスコンパレータ242の直近の出力パルスからの期間がτに達すると電位平衡と判定する。例えば、(Vα−Vβ)の許容値に対するIcmpでの充電の時定数に基づいてτを設定することができる。また、Vαの調整精度は電流DAC210のΔIに依存するので、τもΔIに応じて設定することができる。   In practice, Vα can only be changed discretely, so oscillation generally does not stop completely, and even when Vα equal to Vβ can be set, it takes a long time to completely stop oscillation. obtain. Therefore, the balance detection circuit 248 sets the predetermined time τ, and determines that the potential is balanced when the period from the most recent output pulse of the hysteresis comparator 242 reaches τ. For example, τ can be set based on the time constant of charging at Icmp with respect to the allowable value of (Vα−Vβ). Since the adjustment accuracy of Vα depends on ΔI of the current DAC 210, τ can also be set according to ΔI.

平衡検出回路248は電位平衡状態への到達を検出すると、VeqをLレベルからHレベルに立ち上げ、RCKに当該立ち上がりを入力されたレジスタ224はこのときのNtを保持する。このレジスタ224に保持された値が演算値Doutとして演算回路112から出力される。   When the balance detection circuit 248 detects the arrival of the potential equilibrium state, Veq is raised from the L level to the H level, and the register 224 to which the rise is inputted to RCK holds Nt at this time. The value held in the register 224 is output from the arithmetic circuit 112 as the arithmetic value Dout.

この図8に示す構成では制御回路214は外部からのクロック信号CLKを必要としない。   In the configuration shown in FIG. 8, the control circuit 214 does not require an external clock signal CLK.

以上、同期検波回路72の演算回路112における準トランスリニアループの制御機構及び動作を説明した。   The control mechanism and operation of the quasi-translinear loop in the arithmetic circuit 112 of the synchronous detection circuit 72 has been described above.

ちなみに、センサ素子32の検出信号は駆動回路34によるセンサ素子32の励振レベルに比例する。(3)式に関して説明したように駆動信号S1の励振レベルはVrefに基本的に比例する。つまり、増幅信号X、発振信号Yに応じた電流Ix,Iyの積(Ix・Iy)はVrefの二乗に比例するが、同期検波回路72は、演算回路112を用いて、Vrefに比例するIrefで除算した結果をIoutとして取り出す。すなわち、IoutはVrefに単純に(つまり一乗で)比例する。よって、このIoutに基づいて得られる角速度出力S9は従来の発振信号Yを乗じる同期検波よりも参照電圧Vrefの誤差の影響を受けにくい。   Incidentally, the detection signal of the sensor element 32 is proportional to the excitation level of the sensor element 32 by the drive circuit 34. As described with respect to equation (3), the excitation level of the drive signal S1 is basically proportional to Vref. In other words, the product (Ix · Iy) of the currents Ix and Iy corresponding to the amplified signal X and the oscillation signal Y is proportional to the square of Vref, but the synchronous detection circuit 72 uses the arithmetic circuit 112 to increase Iref proportional to Vref. The result of dividing by is taken out as Iout. That is, Iout is simply proportional to Vref (ie, to the first power). Therefore, the angular velocity output S9 obtained based on this Iout is less susceptible to the error of the reference voltage Vref than the conventional synchronous detection multiplied by the oscillation signal Y.

このように、演算回路112を用いた同期検波回路72は、参照電圧Vrefの誤差の影響を低減し、かつ高次振動モードによるノイズを低減できるので、角速度出力の精度向上が図れる。   As described above, the synchronous detection circuit 72 using the arithmetic circuit 112 can reduce the influence of the error of the reference voltage Vref and reduce noise due to the higher-order vibration mode, so that the accuracy of the angular velocity output can be improved.

さて、実際には同期検波回路72は4象限動作可能に構成される。すなわち、増幅信号X及び発振信号Yの符号にかかわらずトランジスタQ1,Q2のコレクタ電流の向きは一定として、同期検波回路72を信号X,Yの位相にかかわらず常時動作させる。   Actually, the synchronous detection circuit 72 is configured to be operable in four quadrants. That is, regardless of the signs of the amplified signal X and the oscillation signal Y, the directions of the collector currents of the transistors Q1 and Q2 are fixed, and the synchronous detection circuit 72 is always operated regardless of the phases of the signals X and Y.

図9は、図6に示す演算回路112を4象限動作可能とした構成を示す回路図である。図6の回路に対する図9の回路の相違点は、V/I変換回路110a〜110cにて生成される入力電流Ix,Iy,Irefの演算回路112への入力の仕方、及び出力トランジスタQ4への電流の供給の仕方にある。Q1のエミッタに接続する電流源I1は(Ix+Iref)を供給し、Q2のコレクタに接続する電流源I2は(Iy+Iref)を供給する。4象限動作させるために、Irefは(Ix+Iref)>0及び(Iy+Iref)>0となるように設定される。Q3のエミッタに接続する電流源I3は図6と同様、Irefを供給する。各入力電流(Ix+Iref),(Iy+Iref)及びIrefはV/I変換回路110a〜110cの出力電流を用いて生成され、例えば、カレントミラー回路を用いて電流源I1〜I3の位置に複製される。Q4のコレクタ電流をIηと表すと、演算回路112の準トランスリニアループが模擬しようとするトランスリニアループについてトランスリニア原理により次式が成り立つ。
(Ix+Iref)・(Iy+Iref)=Iη・Iref ・・・・・・(6)
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration in which the arithmetic circuit 112 shown in FIG. 6 can operate in four quadrants. The circuit of FIG. 9 differs from the circuit of FIG. 6 in that the input currents Ix, Iy, and Iref generated by the V / I conversion circuits 110a to 110c are input to the arithmetic circuit 112 and to the output transistor Q4. It is in the way of supplying current. The current source I1 connected to the emitter of Q1 supplies (Ix + Iref), and the current source I2 connected to the collector of Q2 supplies (Iy + Iref). In order to perform the four-quadrant operation, Iref is set so that (Ix + Iref)> 0 and (Iy + Iref)> 0. A current source I3 connected to the emitter of Q3 supplies Iref as in FIG. The input currents (Ix + Iref), (Iy + Iref) and Iref are generated using the output currents of the V / I conversion circuits 110a to 110c, and are replicated at the positions of the current sources I1 to I3 using, for example, a current mirror circuit. When the collector current of Q4 is expressed as Iη, the following equation is established according to the translinear principle for the translinear loop to be simulated by the quasi-translinear loop of the arithmetic circuit 112.
(Ix + Iref) · (Iy + Iref) = Iη · Iref (6)

(4)式及び(6)式から次式が導かれる。
Iη=Iout+Ix+Iy+Iref ・・・・・・(7)
The following equation is derived from equations (4) and (6).
Iη = Iout + Ix + Iy + Iref (7)

すなわち、Iηは(4)式で示すIoutに電流(Ix+Iy+Iref)が重畳された電流となる。   That is, Iη is a current obtained by superimposing a current (Ix + Iy + Iref) on Iout expressed by the equation (4).

出力トランジスタQ4のエミッタと電源Vとの間には電流源I5が接続され、電流DAC210はこれに並列な電流供給手段として設けられる。電流源I5は電流(Ix+Iy)をトランジスタQ4のエミッタに供給する。電流源I5は電流源I1〜I3と同様、Q4のベースからエミッタへ向かうように電流を供給する。この構成では、制御回路214は試行電流Itが電流(Iout+Iref)に応じた大きさとなる試行値Ntを探索する。ここで、Irefを加算することにより(Iout+Iref)>0とすることができ、Ioutの極性にかかわらず試行値Ntを0以上の範囲で探索する構成とすることができ、また電流DAC210が0以上の範囲で試行電流Itを発生させる構成にできる。なお、この構成では、探索された試行値NtからIrefに相当するオフセット分を減算してIoutに対応する演算値Doutを得る。 The output emitter of transistor Q4 and the power source V - current source I5 is connected between the current DAC210 is provided as a parallel current supply means thereto. The current source I5 supplies a current (Ix + Iy) to the emitter of the transistor Q4. Similarly to the current sources I1 to I3, the current source I5 supplies a current from the base of Q4 toward the emitter. In this configuration, the control circuit 214 searches for a trial value Nt at which the trial current It has a magnitude corresponding to the current (Iout + Iref). Here, by adding Iref, (Iout + Iref)> 0 can be established, and the trial value Nt can be searched in a range of 0 or more regardless of the polarity of Iout, and the current DAC 210 is 0 or more. In this range, the trial current It can be generated. In this configuration, the calculated value Dout corresponding to Iout is obtained by subtracting the offset corresponding to Iref from the searched trial value Nt.

ここで、トランスリニアループを構成するトランジスタ群の中で、出力電流を得るトランジスタは自由に選択できる。例えば、図6及び図9の回路構成ではQ1〜Q3に入力電流を供給し、Q4から出力電流を取り出したが、当該回路のQ1〜Q4のうちQ3から出力電流を取り出す構成とすることもできる。図10は当該構成の演算回路112の回路図であり、図9の構成と同様、4象限動作可能な構成を示している。図10の回路では、図9の回路においてQ4のエミッタに接続されていた電流源I5及び電流DAC210がQ3のエミッタに接続され、また、図9の回路においてQ3のエミッタに接続されていた電流源I3がQ4のエミッタに接続される。この回路においても、Q2,Q4のエミッタ間に電位比較回路212を接続し、制御回路214が電位比較回路212の出力に基づいて、Q2,Q4のエミッタ間での電位平衡状態に対応した試行値Ntを探索して、出力トランジスタQ3における電流成分Ioutを表す演算値Doutを得ることができる。   Here, a transistor for obtaining an output current can be freely selected from a group of transistors constituting the translinear loop. For example, in the circuit configurations of FIGS. 6 and 9, the input current is supplied to Q1 to Q3 and the output current is extracted from Q4. However, the output current can be extracted from Q3 of Q1 to Q4 of the circuit. . FIG. 10 is a circuit diagram of the arithmetic circuit 112 having the configuration described above, and shows a configuration capable of four-quadrant operation, similar to the configuration of FIG. In the circuit of FIG. 10, the current source I5 and the current DAC 210 connected to the emitter of Q4 in the circuit of FIG. 9 are connected to the emitter of Q3, and the current source connected to the emitter of Q3 in the circuit of FIG. I3 is connected to the emitter of Q4. Also in this circuit, the potential comparison circuit 212 is connected between the emitters of Q2 and Q4, and the control circuit 214 is based on the output of the potential comparison circuit 212 and is a trial value corresponding to the potential equilibrium state between the emitters of Q2 and Q4. By searching for Nt, a calculated value Dout representing the current component Iout in the output transistor Q3 can be obtained.

上述のように、図9,図10の構成によっても、図6の回路に関して説明した本発明の効果を有する同期検波回路72を実現できる。   As described above, the synchronous detection circuit 72 having the effects of the present invention described with reference to the circuit of FIG. 6 can also be realized by the configurations of FIGS.

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図6、図9及び図10の演算回路112はn型基板上に形成するnpn型トランジスタを用いた例を説明したが、CMOSプロセスを用いて同様に、p型基板上にpnp型トランジスタを形成でき、当該pnp型トランジスタを用いて演算回路112を構成することができる。   In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible. For example, although the arithmetic circuit 112 in FIGS. 6, 9, and 10 has been described using an npn transistor formed on an n-type substrate, a pnp transistor is similarly formed on a p-type substrate using a CMOS process. The arithmetic circuit 112 can be formed using the pnp transistor.

また、演算回路112は本発明を適用した演算回路の例に過ぎず、例えば、他のアナログ演算を行う構成を有した演算回路にも本発明を適用することができる。例えば、トランスリニアループを構成するトランジスタの数は4個以上であってもよい。   The arithmetic circuit 112 is merely an example of an arithmetic circuit to which the present invention is applied. For example, the present invention can also be applied to an arithmetic circuit having a configuration for performing other analog operations. For example, the number of transistors constituting the translinear loop may be four or more.

図11は、本発明の実施形態である演算回路の他の例の概略の回路図である。この演算回路260は図6に示した演算回路112と似た構成であるので図6の回路と同様の構成要素には同一の符号を付し、以下、相違点を中心に説明する。この演算回路260においてはQ1,Q2が入力トランジスタであり、Q3,Q4が出力トランジスタである。入力トランジスタQ1のエミッタには入力電流Ix、またQ2のエミッタには入力電流Iyが供給される。   FIG. 11 is a schematic circuit diagram of another example of the arithmetic circuit according to the embodiment of the present invention. Since the arithmetic circuit 260 has a configuration similar to that of the arithmetic circuit 112 shown in FIG. 6, the same components as those in the circuit of FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and the differences will be mainly described below. In this arithmetic circuit 260, Q1 and Q2 are input transistors, and Q3 and Q4 are output transistors. An input current Ix is supplied to the emitter of the input transistor Q1, and an input current Iy is supplied to the emitter of Q2.

出力トランジスタQ3,Q4それぞれのエミッタには電流DAC210が接続される。電流DAC210は制御回路214からの試行値Ntを入力され、同じ試行電流Itを2系統生成する。   A current DAC 210 is connected to the emitters of the output transistors Q3 and Q4. The current DAC 210 receives the trial value Nt from the control circuit 214 and generates two systems of the same trial current It.

この演算回路260の準トランスリニアループが模擬しようとするトランスリニアループは、
Iout=Ix・Iy
という演算、すなわち、IxとIyとの積の平方根を求めてIoutとして出力する演算を表現している。この演算に対して構成された演算回路260は、図6に示した演算回路112と同様にしてIoutを表す演算値Doutを求めて出力することができる。
The translinear loop to be simulated by the quasi-translinear loop of the arithmetic circuit 260 is
Iout 2 = Ix ・ Iy
That is, an operation for obtaining the square root of the product of Ix and Iy and outputting it as Iout is expressed. The arithmetic circuit 260 configured for this calculation can obtain and output an arithmetic value Dout representing Iout in the same manner as the arithmetic circuit 112 shown in FIG.

30 ジャイロスコープ、32 センサ素子、34 駆動回路、36 検出回路、40 振動子、42,44 駆動電極、46,48 検出電極、50 I/V変換回路、52 増幅部、54 可変利得増幅回路、56 AGC部、58 参照電圧生成回路、70 検出増幅部、72 同期検波回路、76 LPF、78 出力端子、88 制御端子、100 実効値回路、102 制御電圧生成回路、104 演算増幅器、110a,110b,110c,240 V/I変換回路、112,260 演算回路、114a,114b サンプルホールド回路、116 移相器、200 n型サブストレート、202 pウェル、204 n型領域、210 電流DAC、212 電位比較回路、214 制御回路、220 コンパレータ、222,244 カウンタ、224,246 レジスタ、242 ヒステリシスコンパレータ、248 平衡検出回路。   30 gyroscope, 32 sensor element, 34 drive circuit, 36 detection circuit, 40 transducer, 42, 44 drive electrode, 46, 48 detection electrode, 50 I / V conversion circuit, 52 amplification unit, 54 variable gain amplification circuit, 56 AGC unit, 58 reference voltage generation circuit, 70 detection amplification unit, 72 synchronous detection circuit, 76 LPF, 78 output terminal, 88 control terminal, 100 rms value circuit, 102 control voltage generation circuit, 104 operational amplifier, 110a, 110b, 110c , 240 V / I conversion circuit, 112, 260 arithmetic circuit, 114a, 114b sample hold circuit, 116 phase shifter, 200 n-type substrate, 202 p-well, 204 n-type region, 210 current DAC, 212 potential comparison circuit, 214 control circuit, 220 comparator, 222, 244 count 224, 246 registers, 242 hysteresis comparator, 248 balance detection circuit.

Claims (5)

入力トランジスタ又は出力トランジスタである偶数個のトランジスタのベース及びエミッタを辿るループでありベース−エミッタ接合が形成するダイオードの向きの正逆が当該ループ上にて同数であるトランスリニアループで表現される目的演算を行い、演算結果をデジタル値の演算値で出力する演算回路であって、
前記トランスリニアループを有する回路において、当該トランスリニアループの接続を前記ダイオードの向きが正方向である前記トランジスタのエミッタと、逆方向である前記トランジスタのエミッタとの間で分断し、当該分断個所に電位比較回路を接続する改変を行った改変ループ回路と、
前記入力トランジスタのエミッタに接続され、それぞれに前記目的演算の入力となる入力電流を供給する入力電流供給手段と、
前記演算値についての試行値を生成する制御回路と、
前記出力トランジスタのエミッタに接続され、前記試行値に応じた大きさの試行電流を生成し供給する試行電流生成手段と、
を有し、
前記電位比較回路は、前記分断個所の両側の電位を比較してその結果に応じた比較出力を生成し、
前記制御回路は、前記比較出力に基づいて、前記分断個所での電位平衡状態に対応した前記試行値を探索して前記演算値として出力すること、
を特徴とする演算回路。
The purpose of this is a loop that traces the base and emitter of an even number of transistors that are input transistors or output transistors, and is represented by a translinear loop in which the direction of the diode formed by the base-emitter junction is the same number on the loop. An arithmetic circuit that performs an operation and outputs the operation result as a digital operation value,
In the circuit having the translinear loop, the connection of the translinear loop is divided between the emitter of the transistor whose forward direction is the diode and the emitter of the transistor whose reverse direction is the reverse direction, and A modified loop circuit that has been modified to connect the potential comparison circuit;
An input current supply means connected to the emitter of the input transistor and for supplying an input current to each of which is an input of the target calculation;
A control circuit for generating a trial value for the calculated value;
Trial current generating means connected to the emitter of the output transistor and generating and supplying a trial current having a magnitude corresponding to the trial value;
Have
The potential comparison circuit compares the potentials on both sides of the divided portion and generates a comparison output according to the result,
The control circuit searches for the trial value corresponding to the potential equilibrium state at the divided location based on the comparison output and outputs the trial value as the calculated value.
An arithmetic circuit characterized by.
請求項1に記載の演算回路において、
前記電位比較回路は、前記比較出力として、前記分断個所の両側の電位の大小関係に応じて2種類の出力状態のいずれかを出力するコンパレータを有し、
前記制御回路は、
クロックパルスを入力され、当該クロックパルスごとにカウント値を順次、増加又は減少させ、当該カウント値を前記試行値として出力するカウンタと、
前記比較出力の前記出力状態の変化を検出し、当該変化時に対応した前記試行値を前記演算値とする判定回路と、
を有することを特徴とする演算回路。
The arithmetic circuit according to claim 1,
The potential comparison circuit includes, as the comparison output, a comparator that outputs one of two types of output states according to the magnitude relationship between the potentials on both sides of the divided portion,
The control circuit includes:
A counter that receives a clock pulse, sequentially increases or decreases the count value for each clock pulse, and outputs the count value as the trial value;
A determination circuit that detects a change in the output state of the comparison output and uses the trial value corresponding to the change as the operation value;
An arithmetic circuit comprising:
請求項1に記載の演算回路において、
前記電位比較回路は、前記比較出力として、前記分断個所の両側の電位差に応じた電流を生成する電圧−電流変換回路を有し、
前記制御回路は、
前記比較出力の前記電流を充電するキャパシタと、
オン状態にて選択的に前記キャパシタを放電させるスイッチと、
前記キャパシタの端子間電圧を入力され、その出力に応じて前記スイッチのオン/オフ状態を切り換え前記キャパシタの充電/放電を交互に繰り返させるヒステリシスコンパレータと、
前記ヒステリシスコンパレータの出力パルスごとにカウント値を順次、増加又は減少させ、当該カウント値を前記試行値として出力するカウンタと、
前記ヒステリシスコンパレータの出力の変化の周期に基づいて前記電位平衡状態への到達を判定し、当該到達時に対応した前記試行値を前記演算値とする判定回路と、
を有することを特徴とする演算回路。
The arithmetic circuit according to claim 1,
The potential comparison circuit includes, as the comparison output, a voltage-current conversion circuit that generates a current corresponding to a potential difference between both sides of the divided portion,
The control circuit includes:
A capacitor for charging the current of the comparison output;
A switch for selectively discharging the capacitor in an ON state;
A hysteresis comparator that receives the voltage between the terminals of the capacitor and switches the on / off state of the switch according to the output to alternately and repeatedly charge / discharge the capacitor;
A counter that sequentially increases or decreases the count value for each output pulse of the hysteresis comparator and outputs the count value as the trial value;
A determination circuit that determines whether the potential equilibrium state has been reached based on a period of change in the output of the hysteresis comparator, and a determination circuit that uses the trial value corresponding to the arrival time as the calculated value;
An arithmetic circuit comprising:
励振された状態にて励振強度に応じた検出感度で目的物理量を検出し、励振周波数の搬送波を振幅変調した検出信号を出力するセンサ部と、
発振信号により前記センサ部を励振駆動する駆動回路と、
同期検波回路によって前記検出信号を前記発振信号で同期検波し、検波出力から前記目的物理量に応じた出力信号を生成する検出回路と、
を有し、
前記同期検波回路は、前記検出信号と前記発振信号との積をとって同期検波する前記目的演算を行い前記演算値を出力する請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の演算回路を有し、前記演算値に基づいて前記検波出力を得ること、
を特徴とする物理量センサ。
A sensor unit that detects a target physical quantity with detection sensitivity according to the excitation intensity in an excited state, and outputs a detection signal obtained by amplitude-modulating a carrier wave of the excitation frequency;
A drive circuit for exciting and driving the sensor unit by an oscillation signal;
A detection circuit that synchronously detects the detection signal with the oscillation signal by a synchronous detection circuit, and generates an output signal corresponding to the target physical quantity from a detection output;
Have
4. The arithmetic circuit according to claim 1, wherein the synchronous detection circuit performs a target operation for performing synchronous detection by taking a product of the detection signal and the oscillation signal and outputs the calculated value. 5. And obtaining the detection output based on the calculated value,
A physical quantity sensor characterized by
発振信号に基づく強度及び周波数の搬送波を振幅変調した信号となる検出信号に対し請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の演算回路を用いて当該検出信号と前記発振信号との積をとって同期検波する前記目的演算を行い、前記演算値に基づいて前記振幅変調の変調信号を抽出する検波回路。   A product of the detection signal and the oscillation signal by using the arithmetic circuit according to any one of claims 1 to 3 for a detection signal that is a signal obtained by amplitude-modulating a carrier wave having an intensity and frequency based on the oscillation signal. A detection circuit that performs the target calculation for synchronous detection and extracts the modulation signal of the amplitude modulation based on the calculation value.
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