JP6322060B2

JP6322060B2 - センサインターフェース装置とその方法

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Publication number: JP6322060B2
Application number: JP2014123231A
Authority: JP
Inventors: 賢一松永; 美濃谷　直志; 直志美濃谷; アハマドムサ; 森村　浩季; 浩季森村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: JP2016005067A

Description

本発明は、各種トランスデューサの電気出力を、センサ回路が測定し易い信号に変換するセンサインターフェース回路とその方法に関する。

現在、光や変位をはじめとする物理量を電気信号に変換するトランスデューサの価格は低廉化しつつある。よって、これまでの工業応用だけでなく、複雑な手順を踏むことなくより手軽に使用可能なトランスデューサのニーズが高まりつつある。

トランスデューサが普及するためには、トランスデューサを含めたセンサ回路の低コスト化が課題となっている。しかし、これまでは個別のトランスデューサに専用のセンサ回路が用意されるのが通常であった。よって、専用のセンサ回路の生産個数が少ないことによるコスト高が、トランスデューサの普及を阻害する一因になっていた。

この汎用化とコストの課題に対して、一つのセンサ回路を用いて多種のトランスデューサの計測が可能となる回路構成が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された技術は、多種のトランスデューサを接続した場合に生じるオフセットの調整機能に関するものである。

特開２００８−２９３５４１号公報

しかしながら、従来のトランスデューサを用いた汎用化と低コスト化を目的とした試みは、トランスデューサからの入力電圧はセンサ回路の電源電圧を超えないという暗黙の了解を前提としたものである。その為、電源電圧を超えた入力（トランスデューサ出力）が有った場合は、トランスデューサの出力が飽和して電源電圧に張り付くことで、トランスデューサ出力のダイナミックレンジが大きく劣化してしまう課題がある。この課題は、トランスデューサの特性を十分に知らない利用者が、センサ回路を構成する際に問題となる。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、センサ回路の電源電圧を超えた出力を出しうる未知のトランスデューサに対しても、トランスデューサ出力のダイナミックレンジを劣化させないようにしたセンサインターフェース装置とその方法を、提供することを目的とする。

本発明のセンサインターフェース装置は、基準電圧が反転入力端子に入力され、入力信号が非反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記非反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該非反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記非反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって電流が制御される可変電流源と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備し、前記可変電流源は、前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を増加させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を減少させるように動作し、前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を減少させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を増加させるように動作する。
また、本発明のセンサインターフェース装置は、基準電圧が非反転入力端子に入力され、入力信号が反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって電流が制御される可変電流源と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備し、前記可変電流源は、前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を減少させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を増加させるように動作し、前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を増加させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を減少させるように動作する。

また、本発明のセンサインターフェース装置は、基準電圧が反転入力端子に入力され、入力信号が非反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記非反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該非反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記非反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって抵抗値が制御される可変抵抗器と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備し、前記可変抵抗器は、前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が小さくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が大きくなるように動作し、前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が大きくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が小さくなるように動作する。
また、本発明のセンサインターフェース装置は、基準電圧が非反転入力端子に入力され、入力信号が反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって抵抗値が制御される可変抵抗器と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備し、前記可変抵抗器は、前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が大きくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が小さくなるように動作し、前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が小さくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が大きくなるように動作する。

また、本発明のセンサインターフェース装置は、前記抵抗素子を電流源に置き換えもよい。

また、本発明のインターフェース方法は、基準電圧が反転入力端子に入力され、入力信号が非反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記非反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該非反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記非反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって電流が制御される可変電流源と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備するセンサインターフェース装置のインターフェース方法であって、前記抵抗素子が、前記非反転入力端子にバイアスを与えるバイアスステップと、前記可変電流源が、前記非反転入力端子に入力される前記入力信号から電流を引き込む電圧抑制ステップと、を含み、前記電圧抑制ステップでは、前記可変電流源が、前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を増加させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を減少させるように動作し、前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を減少させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を増加させるように動作する。
また、本発明のインターフェース方法は、基準電圧が非反転入力端子に入力され、入力信号が反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって電流が制御される可変電流源と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備するセンサインターフェース装置のインターフェース方法であって、前記抵抗素子が、前記反転入力端子にバイアスを与えるバイアスステップと、前記可変電流源が、前記反転入力端子に入力される前記入力信号から電流を引き込む電圧抑制ステップと、を含み、前記電圧抑制ステップでは、前記可変電流源が、前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を減少させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を増加させるように動作し、前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を増加させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を減少させるように動作する。

また、本発明のインターフェース方法は、基準電圧が反転入力端子に入力され、入力信号が非反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記非反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該非反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記非反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって抵抗値が制御される可変抵抗器と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備するセンサインターフェース装置のインターフェース方法であって、前記抵抗素子が、前記非反転入力端子にバイアスを与えるバイアスステップと、前記可変抵抗器が、前記非反転入力端子に入力される前記入力信号から電流を引き込む電圧抑制ステップと、を含み、前記電圧抑制ステップでは、前記可変抵抗器が、前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が小さくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が大きくなるように動作し、前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が大きくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が小さくなるように動作する。
また、本発明のインターフェース方法は、基準電圧が非反転入力端子に入力され、入力信号が反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって抵抗値が制御される可変抵抗器と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備するセンサインターフェース装置のインターフェース方法であって、前記抵抗素子が、前記反転入力端子にバイアスを与えるバイアスステップと、前記可変抵抗器が、前記反転入力端子に入力される前記入力信号から電流を引き込む電圧抑制ステップと、を含み、前記電圧抑制ステップでは、前記可変抵抗器が、前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が大きくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が小さくなるように動作し、前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が小さくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が大きくなるように動作する。

また、本発明のインターフェース方法は、前記抵抗素子を電流源に置き換えてもよい。

本発明のセンサインターフェース装置とその方法によれば、センサインターフェース回路の電源電圧を超えるような入力信号が入力されても、差動増幅器が飽和しないように入力信号の電流を引き込むので、トランスデューサ出力のダイナミックレンジが劣化しない。

本発明の第１の実施形態のセンサインターフェース装置１００の機能構成例を示す図。センサインターフェース装置１００において、トランスデューサのダイナミックレンジが劣化しないことを示す図。センサインターフェース装置１００の変形例の機能構成例を示す図。本発明の第２の実施形態のセンサインターフェース装置２００の機能構成例を示す図。センサインターフェース装置２００の変形例の機能構成例を示す図。本発明の第３の実施形態のセンサインターフェース装置３００の機能構成例を示す図。センサインターフェース装置３００の具体例の機能構成例を示す図。センサインターフェース装置３００の変形例の機能構成例を示す図。本発明の第４の実施形態のセンサインターフェース装置４００の機能構成例を示す図。ミキサ７０の具体例を示す図。センサインターフェース装置４００の変形例の機能構成例を示す図。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには
同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔第１の実施形態〕
図１に、第１の実施形態のセンサインターフェース装置１００の機能構成例を示す。センサインターフェース装置１００は、差動増幅器１０と、抵抗素子２０と、電流源３０と、を具備する。なお、センサインターフェース装置１００は、センサインターフェース回路１００と称しても良い。

差動増幅器１０の非反転入力端子（＋）には、一端を正電源（Ｖｄｄ）に接続した抵抗素子２０の他端が接続され、また、当該他端と負電源（Ｖｓｓ）との間に、差動増幅器１０の出力によって電流が制御される電流源３０が接続される。この例では、負電源（Ｖｓｓ）を接地電位としている。差動増幅器１０の出力信号は、電流源３０にフィードバックされると共に、出力端子を介して図示しないマイクロコンピュータやＡＤ変換器等のセンサ回路に出力される。

抵抗素子２０の他端と電流源３０の一端とが接続される非反転入力端子（＋）は、センサインターフェース装置１００の入力端子とされ、図示しないトランスデューサの出力が接続される。差動増幅器１０の反転入力端子（−）には、基準電圧Ｖ_ＲＥＦが接続される。基準電圧Ｖ_ＲＥＦは、通常は正電源（Ｖｄｄ）と負電源（Ｖｓｓ）との間の中間の電圧に設定される。

センサインターフェース装置１００の動作を説明する。入力端子の電圧（非反転入力端子（＋））は、差動増幅器１０の反転入力端子（−）の電圧（基準電圧Ｖ_ＲＥＦ）と同一になるように動作する。この差動増幅器１０による制御動作は、仮想接地あるいはイマジナリーショトと称される動作である。

例えば、入力端子の電圧が、基準電圧Ｖ_ＲＥＦよりもプラス方向に上昇すると、差動増幅器１０の出力信号はプラス方向に変化する。差動増幅器１０の出力信号がプラス方向に変化すると電流源３０は、電流を増加させるように動作する。この結果、電流源３０は、入力端子からより多くの電流を引き込むように動作するので、入力端子の電圧増加を抑制することができる。

逆に、入力端子の電圧が、基準電圧Ｖ_ＲＥＦよりもマイナス方向に低下すると、差動増幅器１０の出力信号はマイナス方向に変化する。差動増幅器１０の出力信号がマイナス方向に変化すると電流源３０は、電流を減少させるように動作する。この結果、電流源３０は、入力端子からの電流を減少させるように動作するので、入力端子の電圧低下を抑制することができる。

このように、トランスデューサ出力が、入力端子の電圧をプラス方向又はマイナス方向変化させても、入力端子の電圧を、上昇又は下降させないようにフィードバックが掛かるため、差動増幅器１０の入力端子（非反転入力端子（＋））の電圧が、差動増幅器１０の出力を飽和させない範囲に制限される。このように動作するセンサインターフェース装置１００は、トランスデューサ出力のダイナミックレンジを有効に利用することを可能にする。

図２に、トランスデューサ出力とセンサインターフェース装置１００の出力との関係を示す。図２の横軸はセンサインターフェース装置１００の入力信号であるトランスデューサ出力電圧（入力電圧）であり、縦軸はセンサインターフェース装置１００の出力電圧である。図２の横軸は、縦軸よりも広い電圧範囲（スケールが大きい）を表す。

横軸に併記する実線で示す矢印は、トランスデューサ出力電圧のダイナミックレンジが、センサインターフェース装置１００の電源電圧とほぼ等しい場合を示す。破線で示す矢印と、一点鎖線で示す矢印は、それらの電圧の関係が、約６倍、又はそれ以上である場合を示す。

センサ出力電圧の変化範囲が、センサインターフェース装置１００の電源電圧とほぼ等しい場合、トランスデューサ出力電圧の変化範囲に対する差動増幅器１０の出力電圧は、正電源（Ｖｄｄ）と負電源（Ｖｓｓ）との間で振幅し、その傾きは大きく（急峻に）なる。トランスデューサ出力電圧の変化範囲が、センサインターフェース装置１００の電源電圧範囲の約６倍の場合、差動増幅器１０の出力電圧が正電源（Ｖｄｄ）と負電源（Ｖｓｓ）との間で振幅する点は同じであるが、トランスデューサ出力電圧の変化範囲に対する差動増幅器１０の出力電圧の傾きは小さく（緩やかに）なる。これは、トランスデューサ出力電圧が電源電圧を超えると入力端子に流れ込む電流の引き込み量が増加することで、電流源３０に流れるバイアス電流が増加するからである。

更に、トランスデューサ出力電圧の変化範囲が、センサインターフェース装置１００の電源電圧範囲を大きく超えると、トランスデューサ出力電圧の変化範囲に対する差動増幅器１０の出力電圧の傾きは、更に小さくなる。傾きが小さくなる分、電流源３０に流れるバイアス電流は更に増加することになる。このように電流源３０に流れるバイアス電流が増加することで、入力端子の電圧の上昇を抑制するので、第１の実施形態のセンサインターフェース装置１００は、トランスデューサ出力のダイナミックレンジを劣化させることがない。

図３に、センサインターフェース装置１００の変形例であるセンサインターフェース装置１００′の機能構成例を示す。センサインターフェース装置１００′は、センサインターフェース装置１００の抵抗素子２０と、電流源３０との、配置を逆にしたものである。

センサインターフェース装置１００′では、電流源３１が正電源側に接続されている。電流源３１は、差動増幅器１０の出力電圧がプラス方向に増加すると電流が減少する方向に動作する上記した電流源３０（図１）とは反対の特性を持つ。センサインターフェース装置１００′も、センサインターフェース装置１００と同様の効果を奏する。

なお、電流源３０を正電源側に接続する場合は、差動増幅器１０の入力を逆転させても良い。つまり、基準電圧Ｖ_ＲＥＦを非反転入力端子（＋）、トランスデューサを反転入力端子（−）に接続するようにすれば、センサインターフェース装置１００と同じように動作する。

要するに、第１の実施形態のセンサインターフェース装置１００は、基準電圧Ｖ_ＲＥＦと入力信号とが入力される差動増幅器１０と、入力信号が入力される差動増幅器１０の入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該入力端子にバイアスを与える抵抗素子２０と、入力端子と前記一方の極性の電源と異なる極性の電源との間に接続され、差動増幅器１０の出力信号によって電流が制御される電流源３０，３１と、を具備するものである。

〔第２の実施形態〕
図４に、第２の実施形態のセンサインターフェース装置２００の機能構成例を示す。センサインターフェース装置２００は、第１の実施形態のセンサインターフェース装置１００の電流源３０を、可変抵抗器４０に置き換えたものである。可変抵抗器４０は、具体的には、例えばＮＭＯＳトランジスタやＮＰＮトランジスタである。

可変抵抗器４０は、差動増幅器１０の出力信号の電圧がプラス方向に変化すると、抵抗値が小さくなるように動作する。よって、可変抵抗器４０は、入力端子からより多くの電流を引き込むように動作するので、入力端子の電圧増加を抑制することができる。この入力端子の電圧増加を抑制する動作は、センサインターフェース装置１００と同じである。

図５に、センサインターフェース装置２００の変形例であるセンサインターフェース装置２００′の機能構成例を示す。センサインターフェース装置２００′は、センサインターフェース装置２００の抵抗素子２０と、可変抵抗器４０と、の配置を逆にしたものであり、正電源側に可変抵抗器４１が接続される。センサインターフェース装置２００と２００′との関係は、上記したセンサインターフェース装置１００と１００′との関係と同じである。よって、その詳しい説明は省略する。可変抵抗器４１は、具体的には、例えばＰＭＯＳトランジスタやＰＮＰトランジスタである。

要するに、第２の実施形態のセンサインターフェース装置２００は、基準電圧Ｖ_ＲＥＦと入力信号とが入力される差動増幅器１０と、入力信号が入力される差動増幅器１０の入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該入力端子にバイアスを与える抵抗素子２０と、入力端子と前記一方の極性の電源と異なる極性の電源との間に接続され、差動増幅器１０の出力信号によって抵抗値が制御される可変抵抗器４０，４１と、を具備するものである。なお、可変抵抗器４０，４０′は、例えば、抵抗ラダー回路で構成するようにしても良い。

〔第３の実施形態〕
図６に、第３の実施形態のセンサインターフェース装置３００の機能構成例を示す。センサインターフェース装置３００は、第１の実施形態のセンサインターフェース装置１００の抵抗素子２０を、第２の電流源５０に置き換えたものである。ここでは、上記した電流源３０（図１）を、第２の電流源５０と区別する目的で第１の電流源３０と称する。

図７に、第１の電流源３０と第２の電流源５０の、具体例を示す。第１の電流源３０は、ＮＭＯＳトランジスタ３３０（以降トランジスタの表記は省略する。）で構成される。ＮＭＯＳ３３０のゲート電極は、差動増幅器１０の出力端子と接続される。ＮＭＯＳ３３０のソース電極は負電源（Ｖｓｓ）に接続され、ドレイン電極は、センサインターフェース装置３００の入力端子（差動増幅器の非反転入力（＋））に接続される。ＮＭＯＳ３３０は、ゲート電極の電圧がプラス方向に大きくなると、流れる電流が大きくなる。

第２の電流源５０は、ＰＭＯＳ３５０と、ＰＭＯＳ３５２と、定電流源３５１とで構成される。ＰＭＯＳ３５０のソース電極は、正電源（Ｖｄｄ）に接続され、ゲート電極とドレイン電極とが定電流源３５１に接続される。定電流源３５１のＰＭＯＳ３５０と反対側の端子は負電源（Ｖｓｓ）に接続される。そして、ＰＭＯＳ３５０のゲート電極が、ＰＭＯＳ３５２のゲート電極に接続され、ＰＭＯＳ３５２のソース電極が正電源（Ｖｄｄ）に接続され、ＰＭＯＳ３５２のドレイン電極が第２の電流源５０の出力となる。

第２の電流源５０は、いわゆるカレントミラー回路と称されるものであり、ＰＭＯＳ３５０とＰＭＯＳ３５２のチャネル長と幅の大きさを同じにすると、ＰＭＯＳ３５０に流れる電流と同じ大きさの電流（定電流源３５１で設定した電流値）をＰＭＯＳ３５２に流すことができる。

図８に、センサインターフェース装置３００の変形例であるセンサインターフェース装置３００′の機能構成例を示す。センサインターフェース装置３００′は、センサインターフェース装置３００の第１の電流源３０と、第２の電流源５０と、の配置を逆にしたものである。センサインターフェース装置３００と３００′との関係は、上記したセンサインターフェース装置１００（２００）と１００′（２００′）との関係と同じである。よって、その詳しい説明は省略する。

要するに、第３の実施形態のセンサインターフェース装置３００は、基準電圧Ｖ_ＲＥＦと入力信号とが入力される差動増幅器１０と、入力信号が入力される差動増幅器１０の入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該入力端子にバイアスを与える第２の電流源５０と、入力端子と前記一方の極性の電源と異なる極性の電源との間に接続され、差動増幅器１０の出力信号によって電流が制御される第１の電流源３０，３１と、を具備するものである。

〔第４の実施形態〕
図９に、第４の実施形態のセンサインターフェース装置４００の機能構成例を示す。センサインターフェース装置４００は、図７に示したセンサインターフェース装置３００の差動増幅器１０を、チョッピング方式で動作させるようにしたものである。なお、チョッピング方式は周知である。

センサインターフェース装置４００は、センサインターフェース装置３００′に対して更に、基準周波数源６０と、ミキサ７０と、乗算器８０と、を具備する。ミキサ７０は、基準電圧Ｖ_ＲＥＦと入力信号（トランスデューサ出力）とを、基準周波数源６０の生成する基準周波数ｆ_０でミキシングすることで高周波数側に周波数変換して、差動増幅器１０の入力差動対に入力する。

図１０に、ミキサ７０の具体例を示す。ミキサ７０は、４個のＮＭＯＳ７０，７１，７２，７３で構成される。例えば、トランスデューサ出力を伝達するＮＭＯＳ７１と、基準電圧Ｖ_ＲＥＦを伝達するＮＭＯＳ７０との出力側の端子同士が接続（出力１）され、差動増幅器１０の非反転入力端子（＋）に接続される。反転入力端子（−）には、トランスデューサ出力を伝達するＮＭＯＳ７２と基準電圧Ｖ_ＲＥＦを伝達するＮＭＯＳ７３との出力側の端子同士が接続（出力２）される。そして、ＮＭＯＳ７０とＮＭＯＳ７２のゲート電極には、例えば基準周波数ｆ_０が入力され、ＮＭＯＳ７１とＮＭＯＳ７３のゲート電極には、基準周波数ｆ_０を反転した信号が入力される。よって、差動増幅器１０の入力差動対には、トランスデューサ出力と基準電圧Ｖ_ＲＥＦとが、基準周波数ｆ_０でミキシングされた信号が入力される。

乗算器８０は、差動増幅器１０の出力信号に基準周波数源６０の生成する基準周波数ｆ_０を乗じて当該出力信号を元々の低い周波数帯にダウンコンバートして、差動増幅器１０の出力信号とする。ダウンコンバートされた差動増幅器１０の出力信号は、第１の電流源３０にフィードバックされる。

差動増幅器１０には、大きく分けて熱ノイズと１／ｆノイズが存在する。特に低周波数域で動作するセンサ回路においては、１／ｆノイズが問題となる。センサインターフェース装置４００では、ミキサ７０によって入力差動対に入力される基準電圧Ｖ_ＲＥＦと入力信号とが、高周波数域の信号に変換されるため、１／ｆノイズの影響を避けることができる。

図１１に、センサインターフェース装置４００の変形例であるセンサインターフェース装置４００′の機能構成例を示す。センサインターフェース装置４００′は、センサインターフェース装置４００の差動増幅器１０を差動出力を持つタイプの差動増幅器１０′に変更し、更に、乗算器８０をダウンコンバートミキサ９０に変更したものである。

ダウンコンバートミキサ９０で、差動増幅器１０′の差動出力間の差を取ってダウンコンバートすることで基準周波数ｆ_０の漏れの影響を削減することができる。なお、差動増幅器１０を、チョッピング方式で動作させて１／ｆノイズの影響を避ける図９と図１０に示した考えは周知であるので、詳しい説明は省略する。

以上説明したように第１〜第４実施形態のセンサインターフェース装置によれば、センサインターフェース回路の電源電圧を超えるような入力信号が入力されても、差動増幅器が飽和しないように入力信号の電流を引き込むので、トランスデューサ出力のダイナミックレンジを劣化させない効果を奏する。第１の実施形態のセンサインターフェース装置は、入力端子の入力電流を電流源で引き込む。第２の実施形態のセンサインターフェース装置は、入力端子の入力電流を可変抵抗器で引き込む。第３の実施形態のセンサインターフェース装置は、入力端子の入力電流を第１の電流源で引き込む。

また、第４の実施形態のセンサインターフェース装置４００は、差動増幅器１０をチョッピング方式で動作させるようにしたものである。センサインターフェース装置４００は、トランスデューサ出力のダイナミックレンジを劣化させない効果に加えて、１／ｆノイズの影響を避ける効果を奏する。このセンサインターフェース装置４００の考えは、上記したセンサインターフェース装置１００，２００，３００の何れにも適用することが可能である。

このように、上記した第１の実施形態〜第４の実施形態を示して説明したように、本発明は、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１０：差動増幅器
２０：抵抗素子
３０：電流源
４０：可変抵抗器
５０：第２の電流源
６０：基準周波数源
７０：ミキサ
８０：乗算器
１００，２００，３００，４００：センサインターフェース装置

Claims

基準電圧が反転入力端子に入力され、入力信号が非反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、
前記非反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該非反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、
前記非反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって電流が制御される可変電流源と、
前記出力信号を出力する出力端子と、
を具備し、
前記可変電流源は、
前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、
前記出力信号が正方向に変化したときに電流を増加させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を減少させるように動作し、
前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を減少させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を増加させるように動作する
ことを特徴とするセンサインターフェース装置。
基準電圧が非反転入力端子に入力され、入力信号が反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、
前記反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、
前記反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって電流が制御される可変電流源と、
前記出力信号を出力する出力端子と、
を具備し、
前記可変電流源は、
前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を減少させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を増加させるように動作し、
前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を増加させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を減少させるように動作する
ことを特徴とするセンサインターフェース装置。
基準電圧が反転入力端子に入力され、入力信号が非反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、
前記非反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該非反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、
前記非反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって抵抗値が制御される可変抵抗器と、
前記出力信号を出力する出力端子と、
を具備し、
前記可変抵抗器は、
前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が小さくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が大きくなるように動作し、
前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が大きくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が小さくなるように動作する
ことを特徴とするセンサインターフェース装置。
基準電圧が非反転入力端子に入力され、入力信号が反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、
前記反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、
前記反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって抵抗値が制御される可変抵抗器と、
前記出力信号を出力する出力端子と、
を具備し、
前記可変抵抗器は、
前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が大きくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が小さくなるように動作し、
前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が小さくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が大きくなるように動作する
ことを特徴とするセンサインターフェース装置。
請求項１乃至４の何れかに記載したセンサインターフェース装置において、
前記抵抗素子を電流源に置き換えた
ことを特徴とするセンサインターフェース装置。
基準電圧が反転入力端子に入力され、入力信号が非反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記非反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該非反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記非反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって電流が制御される可変電流源と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備するセンサインターフェース装置のインターフェース方法であって、
前記抵抗素子が、前記非反転入力端子にバイアスを与えるバイアスステップと、
前記可変電流源が、前記非反転入力端子に入力される前記入力信号から電流を引き込む電圧抑制ステップと、
を含み、
前記電圧抑制ステップでは、前記可変電流源が、
前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を増加させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を減少させるように動作し、
前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を減少させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を増加させるように動作する
ことを特徴とするインターフェース方法。
基準電圧が非反転入力端子に入力され、入力信号が反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって電流が制御される可変電流源と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備するセンサインターフェース装置のインターフェース方法であって、
前記抵抗素子が、前記反転入力端子にバイアスを与えるバイアスステップと、
前記可変電流源が、前記反転入力端子に入力される前記入力信号から電流を引き込む電圧抑制ステップと、
を含み、
前記電圧抑制ステップでは、前記可変電流源が、
前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を減少させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を増加させるように動作し、
前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに電流を増加させ、前記出力信号が負方向に変化したときに電流を減少させるように動作する
ことを特徴とするインターフェース方法。
基準電圧が反転入力端子に入力され、入力信号が非反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記非反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該非反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記非反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって抵抗値が制御される可変抵抗器と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備するセンサインターフェース装置のインターフェース方法であって、
前記抵抗素子が、前記非反転入力端子にバイアスを与えるバイアスステップと、
前記可変抵抗器が、前記非反転入力端子に入力される前記入力信号から電流を引き込む電圧抑制ステップと、
を含み、
前記電圧抑制ステップでは、前記可変抵抗器が、
前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が小さくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が大きくなるように動作し、
前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が大きくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が小さくなるように動作する
ことを特徴とするインターフェース方法。
基準電圧が非反転入力端子に入力され、入力信号が反転入力端子に入力され、出力信号を出力する差動増幅器と、前記反転入力端子と一方の極性の電源との間に接続され当該反転入力端子にバイアスを与える抵抗素子と、前記反転入力端子と前記一方の極性の電源と異なる他方の極性の電源との間に接続され、前記出力信号によって抵抗値が制御される可変抵抗器と、前記出力信号を出力する出力端子と、を具備するセンサインターフェース装置のインターフェース方法であって、
前記抵抗素子が、前記反転入力端子にバイアスを与えるバイアスステップと、
前記可変抵抗器が、前記反転入力端子に入力される前記入力信号から電流を引き込む電圧抑制ステップと、
を含み、
前記電圧抑制ステップでは、前記可変抵抗器が、
前記一方の極性の電源が正電源であり前記他方の極性の電源が負電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が大きくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が小さくなるように動作し、
前記一方の極性の電源が負電源であり前記他方の極性の電源が正電源である場合には、前記出力信号が正方向に変化したときに抵抗値が小さくなり、前記出力信号が負方向に変化したときに抵抗値が大きくなるように動作する
ことを特徴とするインターフェース方法。
請求項６乃至９の何れかに記載したインターフェース方法において、
前記抵抗素子を電流源に置き換えた
ことを特徴とするインターフェース方法。