JP7063651B2 - 信号検出回路及び信号検出方法 - Google Patents

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Description

本発明は、信号の電圧レベルの変化を検出する信号検出回路及び信号検出方法に関する。
従来から、物理量を測定するセンサ素子が測定結果として出力する微小な電圧変化を検出する信号検出回路が用いられている。
例えば、図3には、センサ素子として焦電型赤外線検出素子(以下、焦電型検出素子と示す)の検出した電圧変化を検出する信号検出回路の構成が示されている(例えば、特許文献1参照)。
信号検出回路200は、焦電素子301の発生する電荷により、焦電型検出素子300の両端の微少な変化を検出し、検出信号を出力する。
焦電型検出素子300は、焦電素子301と抵抗302とが並列に接続されて形成されている。
また、信号検出回路200は、nチャネル型MOSトランジスタ204、抵抗205、抵抗206及びコンデンサ207を備えている。また、信号検出回路200は、出力端子208がコンパレータ400の入力に接続されている。コンパレータ400は、抵抗205の一端とnチャネル型MOSトランジスタ204のドレインとの接続点P(出力端子208)に入力が接続されている。
焦電型検出素子300は、赤外線を検出することにより、信号検出回路200の入力端子203に対して供給する電圧信号の電圧値が変化する。ここで、焦電型検出素子300は、赤外線の放射源が近づいた場合、電圧信号の電圧値が+(プラス)側に変化し、一方、赤外線の放射源が遠ざかる場合、電圧信号の電圧値が-(マイナス)側に変化する。
図4は、信号検出回路200における入力端子203の電圧変化の検出を説明する波形図である。図4においては、全てのグラフにおいて縦軸が電圧値で横軸が時間である。
ここで、nチャネル型MOSトランジスタ204には、抵抗206を介して所定のバイアス電流が流れている。このため、接続点Pの電圧は、所定のバイアス電流による抵抗205の電圧降下により、電源電圧VDDより電圧ΔV低下した電圧VHとなる。焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値が+側にΔVSIG_H上昇した場合、nチャネル型MOSトランジスタ204に流れる電流が増加し、この増加した電流がコンデンサ207の充電に用いられる。
このため、nチャネル型MOSトランジスタ204は、ゲートソース電圧VGSが、ドレイン電流IDとコンデンサ207の容量とで決まる所定の時間維持される。そして、nチャネル型MOSトランジスタ204には、所定の時間において増加したドレイン電流IDが流れる。これにより、接続点Pの電圧値は、増加した電流が抵抗205に流れるため、抵抗205における電圧降下の電圧が上昇することで低下する。そして、接続点Pからは、この維持されている時間に対応した時間幅Tの「L」レベルのパルスが出力される。そして、コンパレータ400は、接続点Pから出力されるパルスの波形を成形して出力信号として出力する。
一方、焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値が-側にΔVSIG_L低下した場合、nチャネル型MOSトランジスタ204がオフ状態となり、電流が流れなくなる。このため、接続点Pの電圧値は、抵抗205の電圧降下が無くなり、電源電圧のVDDとなる。しかしながら、信号検出回路200は、焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値が上昇した際を検知する構成である。このため、コンパレータ400は、接続点Pから入力するパルスの電圧が基準電圧値に比較して低い場合に波形を成形して出力信号を出力する。したがて、コンパレータ400は、基準電圧より高い電圧、例えば電圧VH、あるいは電源電圧VDDのパルスが入力されても、出力信号を出力しない。
このため、焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値が+側及び-側の各々の変化を検出したい場合、図3に示す信号検出回路200と、この信号検出回路200と同様な構成の-側の変化を検出する信号検出回路とを有する回路を構成する。
図5は、焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値における+側及び-側の各々の変化を検出する回路の構成例を示す図である。
図5に示す回路は、正側変化検出回路(信号検出回路)200、負側変化検出回路250、コンパレータ400、コンパレータ450及びオア回路550を備えている。
端子560に焦電型検出素子300が接続されており、焦電型検出素子300から電圧信号が正側変化検出回路200及び負側変化検出回路250の各々に供給される。
そして、正側変化検出回路200は、上述したように、焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値が+側に変化すると検出結果として、負パルス(Hレベル→Lレベル→Hレベルと遷移するパルス)を出力する。コンパレータ400は、正側変化検出回路200からの上記負パルスを整形して、正パルス(Lレベル→Hレベル→Lレベルと遷移するパルス)の出力信号を出力する。
また、負側変化検出回路250は、上述したように、焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値が-側に変化すると検出結果として正パルスを出力する。コンパレータ400は、正側変化検出回路200からの上記正パルスを整形して、正パルスの出力信号を出力する。
オア回路500は、焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値が+側及び-側の各々の変化した場合、いずれにおいても正パルスを出力する。
特開2015-49043号公報
しかしながら、図5に示す回路の場合、電圧信号の電圧値が+側に変化したことを検出する構成として、正側変化検出回路200及びコンパレータ400が必要となり、焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値が-側に変化したことを検出する構成として、負側変化検出回路250及びコンパレータ450が必要となる。
また、コンパレータ400及びコンパレータ450の各々の出力信号を合成するため、オア回路550が必要となる。
この結果、電圧信号の電圧値の+側への変化及び-側への変化の双方を検出する構成とする場合、図5に示すように回路規模が大きくなり、消費電流も増加する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、回路規模及び消費電流の増加を抑制し、電圧信号の電圧値が+側及び-側の各々の変化を検出することが可能であり、回路規模及び消費電流の増加を抑制した構成の信号検出回路及び信号検出方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、ソースが電源端子に第1電流制限部を介して接続され、ゲートに入力電圧の電圧レベルの変化に応じて変化する電圧が入力され、ドレインが電流電圧変換部を介して接地された第1pチャネル型MOSトランジスタと、ドレインが前記電源端子に抵抗を介して接続され、ゲートに前記入力電圧の電圧レベルの変化に応じて変化する電圧が入力され、ソースが第2電流制限部を介して接地された第1nチャネル型MOSトランジスタと、ドレインが前記抵抗と前記第1nチャネル型MOSトランジスタのドレインとの第1接続点と接続され、ゲートが前記第1pチャネル型MOSトランジスタのドレインと前記電流電圧変換部との第2接続点に接続され、ソースが接地された第2nチャネル型MOSトランジスタとを備えることを特徴とする信号検出回路である。
本発明の一態様は、ソースが電源端子に第1電流制限部を介して接続され、ゲートに入力電圧の電圧レベルの変化に応じて変化する電圧が入力され、ドレインが電流電圧変換部を介して接地された第1pチャネル型MOSトランジスタと、ドレインが前記電源端子に抵抗を介して接続され、ゲートに前記入力電圧の電圧レベルの変化に応じて変化する電圧が入力され、ソースが第2電流制限部を介して接地された第1nチャネル型MOSトランジスタと、ドレインが前記抵抗と前記第1nチャネル型MOSトランジスタのドレインとの第1接続点と接続され、ゲートが前記第1pチャネル型MOSトランジスタのドレインと前記電流電圧変換部との第2接続点に接続され、ソースが接地された第2nチャネル型MOSトランジスタとを備える信号検出回路を用いた信号検出方法であり、前記抵抗、前記第1nチャネル型MOSトランジスタ、及び前記第2nチャネル型MOSトランジスタから構成されたノア型のソース接地増幅回路により、前記第1nチャネル型MOSトランジスタと前記抵抗との回路により、入力端子から入力される信号電圧の正電圧側への変化を増幅し、前記第2nチャネル型MOSトランジスタと前記抵抗との回路により、前記入力端子から入力される信号電圧の負電圧側への変化を増幅することを特徴とする信号検出方法である。
この発明によれば、電圧信号の電圧値が+側及び-側の各々の変化を検出することが可能であり、回路規模及び消費電流の増加を抑制することができる信号検出回路及び信号検出方法を提供することができる。
本発明の一実施形態による信号検出回路の構成例を示す概略ブロック図である。 信号検出回路1における入力端子101の電圧信号電圧変化の検出を説明する波形図である。 焦電型赤外線検出素子の検出した電圧変化を検出する信号検出回路の構成を示す概念図である。 信号検出回路200における入力端子203の電圧変化の検出を説明する波形図である。 焦電型検出素子300の電圧信号の電圧値における+側及び-側の各々の変化を検出する回路の構成例を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図1は、この本発明の一実施形態による信号検出回路の構成例を示す概略ブロック図である。
この図1において、信号検出回路1は、コンデンサ102、抵抗103、抵抗104、コンデンサ105、電流制限回路106、pチャネル型MOSトランジスタ(以下、pMOSトランジスタ)107、nチャネル型MOSトランジスタ(以下、nMOSトランジスタ)108、抵抗109、nMOSトランジスタ110、電流制限回路111、コンデンサ112、nMOSトランジスタ113、pMOSトランジスタ114、及び電流制限回路115を備えている。
抵抗103は、一端がVDD(電源電圧)端子に接続され、他端が抵抗104の一端と接続点P1で接続されている。抵抗104は、他端がGND(接地)端子に接続されている。コンデンサ102は、一端が入力端子101へ接続され、他端が接続点P1に接続されている。これにより、コンデンサ102、抵抗103及び抵抗104は、入力回路の機能を有するバイアス回路1Aを構成している。このコンデンサ102は、直流阻止コンデンサであり、電圧信号の電圧値の変化分をバイアス電圧に反映させる。
pMOSトランジスタ107は、ソースが接続点P2に接続され、ゲートが接続点P1に接続され、ドレインが接続点P3に接続されている。コンデンサ105及び電流制限回路106は、VDD端子と接続点P2の間に並列に接続されている。コンデンサ105と電流制限回路106とは、電流制限部を構成している。nMOSトランジスタ108は、ドレイン及びゲートが接続点P3と接続され、ソースがGND端子に接続されている。nMOSトランジスタ108は、pMOSトランジスタ107のドレイン電流IDを電圧に変換する電流電圧変換部として動作する。これにより、コンデンサ105、電流制限回路106、pMOSトランジスタ107及びnMOSトランジスタ108の各々は、入力端子101に入力される電圧信号の-側への変化を検出する負側変化検出回路1Bを構成している。電流制限回路106とnMOSトランジスタ108とは、バイアス回路1Aの出力するバイアス電圧に対応して、pMOSトランジスタ107に流れるバイアス電流を制御している。
nチャネルMOSトランジスタ110は、ドレインが接続点P4に接続され、ゲートが接続点P1に接続され、ソースが接続点P5に接続されている。抵抗109は、一端がVDD端子に接続され、他端が接続点P4に接続されている。電流制限回路111及びコンデンサ112は、接続点P5とGND端子の間に並列に接続されている。電流制限回路111とコンデンサ112とは、電流制限部を構成している。これにより、抵抗109、nMOSトランジスタ110、電流制限回路111及びコンデンサ112は、入力端子101に入力される電圧信号の+側への変化を検出する正側変化検出回路1Cを構成している。抵抗109及びnMOSトランジスタ110は、ソース接地増幅回路を構成している。抵抗109と電流制限回路111とは、バイアス回路1Aの出力するバイアス電圧に対応して、nMOSトランジスタ110に流れるバイアス電流を制御している。
また、負側変化検出回路1Bにおいて、電流制限回路106により、pMOSトランジスタ107に流れるバイアス電流を調整している。そして、コンデンサ105を設けることで、電圧信号の電圧値変化により増加するドレイン電流IDがコンデンサ105の充電に用いることにより、コンデンサ105の容量に応じた時間の間、pMOSトランジスタ107のゲート/ソース電圧VGSを、電圧値変化で上昇した電圧値に維持する。
nMOSトランジスタ113は、ドレインが接続点P4に接続され、ゲートが接続点P3に接続され、ソースがGND端子に接続されている。
本実施形態において、nMOSトランジスタ113は、負側変化検出回路1BにおけるnMOSトランジスタ108とカレントミラー回路を構成している。これにより、nMOSトランジスタ113には、負側変化検出回路1Bにおいて電圧信号の-側の変化を検出した際の出力電流が複製されて流れる。
また、nMOSトランジスタ113は、正側変化検出回路1Cにおける抵抗109を用いて、ソース接地増幅回路を形成している。すなわち、nMOSトランジスタ113は、nMOSトランジスタ110と抵抗109を共通に用いて、ノア(ワイア-ドノア)型のソース接地増幅回路1Dを構成している。これにより、本実施形態においては、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタとの特性がばらつき、バイアス電流の違いによる感度のずれがある場合でも、入力端子101が供給される電圧信号の+側及び-側変化を、同一の抵抗を用いたソース接地増幅回路により、精度良く検出することができる。
また、正側変化検出回路1Cにおいて、電流制限回路111により、nMOSトランジスタ110に流れるバイアス電流を調整している。そして、コンデンサ112を設けることで、電圧信号の電圧値変化により増加するドレイン電流IDがコンデンサ112の充電に用いられることにより、コンデンサ112の容量に応じた時間の間、nMOSトランジスタ110のゲート/ソース電圧VGSを、電圧値変化で上昇した電圧値に維持する。
pMOSトランジスタ114は、ソースがVDD端子に接続され、ゲートが接続点P4に接続され、ドレインが接続点P6に接続されている。電流制限回路115は、一端が接続点P6に接続され、他端がGND端子に接続されている。また、接続点P6は、出力端子116に接続されている。これにより、pMOSトランジスタ114及び電流制限回路115は、波形整形を行う出力回路1Eを構成している。
次に、図1に示す本実施形態による信号検出回路1の動作を説明する。図2は、信号検出回路1における入力端子101の電圧信号電圧変化の検出を説明する波形図である。図2においては、全てのグラフにおいて縦軸が電圧値で横軸が時間である。上から順に、入力端子に供給されている入力電圧信号、接続点P4の電圧、接続点P6の電圧を示す。
時刻t1において、入力端子101に供給されている電圧信号が+側に電圧値ΔVSIG_H変化する。これにより、バイアス回路1Aの出力するバイアス電圧が+側に変化する。
そして、負側変化検出回路1B及び正側変化検出回路1Cの各々に対して供給するバイアス電圧の+側への変化分が伝達される。
pMOSトランジスタ107においては、バイアス電圧が上昇することにより、ゲート/ソース間電圧VGSが低下し、流れるドレイン電流IDが減少する。
一方、nMOSトランジスタ110においては、バイアス電圧が上昇することにより、ゲート/ソース間電圧VGSが上昇し、流れるドレイン電流IDが増加する。
これにより、nMOSトランジスタ110のドレイン電流IDが増加することにより、接続点P4の電圧が低下する。このとき、増加したドレイン電流IDがコンデンサ112が充電される。これにより、コンデンサ112の容量に対応した時間、nMOSトランジスタ110のゲートに対するゲート電圧VGSは、電圧信号が+側に変化することで上昇した電圧値に維持される。
そして、接続点P4の電圧値が低下することにより、pMOSトランジスタ114のゲート/ソース電圧VGSが上昇する。このため、pMOSトランジスタ114に流れるドレイン電流IDが増加し、接続点P6の電圧値が上昇し、出力端子116がVDD端子の電源電圧(Hレベル)となる。
次に、nMOSトランジスタ110の増加したドレイン電流IDによりコンデンサ112の充電が進み、nMOSトランジスタ110のゲート電圧VGSが低下することにより、nMOSトランジスタ110のドレイン電流IDが減少する。これにより、接続点P4の電圧が上昇し、pMOSトランジスタ114のゲート/ソース電圧VGSが低下する。そして、pMOSトランジスタ114に流れるドレイン電流IDが減少し、接続点P6の電圧値が低下し、出力端子116がGND端子の接地電圧(Lレベル)となる。
時刻t2において、入力端子101に供給されている電圧信号が-側に電圧値ΔVSIG_L変化する。これにより、入力回路1Aの出力するバイアス電圧が-側に変化する。そして、負側変化検出回路1B及び正側変化検出回路1Cの各々に対して供給するバイアス電圧の-側への変化分が伝達される。
nMOSトランジスタ110においては、バイアス電圧が低下することにより、ゲート/ソース間電圧VGSが低下し、流れるドレイン電流IDが減少する。
一方、pMOSトランジスタ107においては、バイアス電圧が上昇することにより、ゲート/ソース間電圧VGSが上昇し、流れるドレイン電流IDが増加する。
これにより、pMOSトランジスタ107のドレイン電流IDが増加することにより、接続点P2の電圧が低下する。このとき、増加したドレイン電流IDによりコンデンサ105が充電される(コンデンサ105の端子間の電圧差が増加する)。これにより、コンデンサ105の容量に対応した時間、pMOSトランジスタ107のゲートに対するゲート電圧VGSは、電圧信号が-側に変化することで上昇した電圧値に維持される。
そして、pMOSトランジスタ107に流れるドレイン電流IDが増加することにより、同様にnMOSトランジスタ108に流れるドレイン電流IDが増加する。このとき、nMOSトランジスタ113は、nMOSトランジスタ108とカレントミラー回路を構成しているため、nMOSトランジスタ108のドレイン電流IDが複製されて流れる。
これにより、nMOSトランジスタ113のドレイン電流IDが増加し、接続点P4の電圧が低下する。
そして、接続点P4の電圧値が低下することにより、pMOSトランジスタ114のゲート/ソース電圧VGSが上昇する。このため、pMOSトランジスタ114に流れるドレイン電流IDが増加し、接続点P6の電圧値が上昇し、出力端子116がVDD端子の電源電圧(Hレベル)となる。
次に、pMOSトランジスタ107の増加したドレイン電流IDによりコンデンサ105が充電が進み、pMOSトランジスタ107のゲート電圧VGSが低下することにより、pMOSトランジスタ107のドレイン電流IDが減少する。そして、pMOSトランジスタ107に流れるドレイン電流IDが減少することにより、同様にnMOSトランジスタ108に流れるドレイン電流IDが減少する。このとき、nMOSトランジスタ108のドレイン電流IDが複製されて流れるため、nMOSトランジスタ113のドレイン電流IDも減少し、接続点P4の電圧が上昇する。
接続点P4の電圧が上昇することで、pMOSトランジスタ114のゲート/ソース電圧VGSが低下する。そして、pMOSトランジスタ114に流れるドレイン電流IDが減少し、接続点P6の電圧値が低下し、出力端子116がGND端子の接地電圧(Lレベル)となる。
上述したように、本実施形態によれば、電圧信号の+側及び-側の各々に対する電圧変化を検出することができる。
また、本実施形態においては、入力回路の機能を有するバイアス回路1Aを、負側変化検出回路1Bと正側変化検出回路1Cとで同一の回路を共用しているが、負側変化検出回路1Bと正側変化検出回路1Cとで個別にバイアス回路を備えても良い。この場合、回路規模は大きくなるが、負側変化検出回路1Bと正側変化検出回路1Cとで、それぞれに最適のバイアス電圧を設定できる。
また、本実施形態においては、pMOSトランジスタ107と同様のドレイン電流をnMOSトランジスタ113に対して流し、抵抗109、nMOSトランジスタ110及びnMOSトランジスタ113の各々により、ノア型のソース接地増幅回路を形成し、pMOSトランジスタ107と同様のドレイン電流をnMOSトランジスタ113に対して流す構成とすることにより、半導体素子の製造プロセスにおいてnMOSトランジスタ及びpMOSトランジスタの特性(閾値電圧など)がばらついた場合においても、電圧信号の+側及び-側の各々の電圧変化の検出に対して、同様の検出精度を得ることができる。
また、本実施形態においては、上述したように、ノア型のソース接地増幅回路を構成し、電圧信号の+側及び-側の各々の電圧変化の検出を同一回路で行い、検出結果の信号を同一の出力回路1Eで波形整形することにより、図5に示すように、従来の信号検出回路を元に、正側変化検出回路及び負側変化検出回路の各々に増幅回路を備え、それぞれの出力を異なるコンペレータにより波形整形する構成の信号検出回路に比較し、回路規模を小さくし、かつ消費電流を減少させることができる。
また、上述した電流制限回路106、電流制限回路111及び電流制限回路115の各々は、電流制限抵抗、あるいはMOSトランジスタ等を用いた電流制限回路のいずれを用いてもよい。
また、本実施形態においては、nMOSトランジスタ113のゲート/ソース電圧VGSの制御に、nMOSトランジスタ108によるカレントミラー回路を用いているが、nMOSトランジスタ108を電流制限抵抗に換えた構成としても良い。
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
1…信号検出回路
1A…バイアス回路
1B…負側変化検出回路
1C…正側変化検出回路
1D…ノア型ソース接地増幅回路
1E…出力回路
101…入力端子
102,105,112…コンデンサ
103,104,109…抵抗
106,111,115…電流制限回路
107,114…pMOSトランジスタ(pチャネル型MOSトランジスタ)
108,110,113…nMOSトランジスタ(nチャネル型MOSトランジスタ)
116…出力端子

Claims (6)

  1. ソースが電源端子に第1電流制限部を介して接続され、ゲートに入力電圧の電圧レベルの変化に応じて変化する電圧が入力され、ドレインが電流電圧変換部を介して接地された第1pチャネル型MOSトランジスタと、
    ドレインが前記電源端子に抵抗を介して接続され、ゲートに前記入力電圧の電圧レベルの変化に応じて変化する電圧が入力され、ソースが第2電流制限部を介して接地された第1nチャネル型MOSトランジスタと、
    ドレインが前記抵抗と前記第1nチャネル型MOSトランジスタのドレインとの第1接続点と接続され、ゲートが前記第1pチャネル型MOSトランジスタのドレインと前記電流電圧変換部との第2接続点に接続され、ソースが接地された第2nチャネル型MOSトランジスタと
    を備えることを特徴とする信号検出回路。
  2. 前記第1電流制限部は並列接続された第1電流制限回路と第1コンデンサを備え、
    前記第2電流制限部は並列接続された第2電流制限回路と第2コンデンサを備える
    ことを特徴とする請求項1に記載の信号検出回路。
  3. 前記電流電圧変換部が第3nチャネル型MOSトランジスタであり、ゲート及びドレインが前記第1pチャネル型MOSトランジスタのドレインと前記第2nチャネル型MOSトランジスタのゲートに接続され、ソースが接地されており、
    前記第3nチャネル型MOSトランジスタと前記第2nチャネル型MOSトランジスタとがカレントミラー回路を構成している
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の信号検出回路。
  4. ソースが前記電源端子に接続され、ゲートが前記第1接続点と接続され、ドレインが第3電流制限部を介して接地された第2pチャネル型MOSトランジスタと
    をさらに備える
    ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の信号検出回路。
  5. ソースが電源端子に第1電流制限部を介して接続され、ゲートに入力電圧の電圧レベルの変化に応じて変化する電圧が入力され、ドレインが電流電圧変換部を介して接地された第1pチャネル型MOSトランジスタと、
    ドレインが前記電源端子に抵抗を介して接続され、ゲートに前記入力電圧の電圧レベルの変化に応じて変化する電圧が入力され、ソースが第2電流制限部を介して接地された第1nチャネル型MOSトランジスタと、
    ドレインが前記抵抗と前記第1nチャネル型MOSトランジスタのドレインとの第1接続点と接続され、ゲートが前記第1pチャネル型MOSトランジスタのドレインと前記電流電圧変換部との第2接続点に接続され、ソースが接地された第2nチャネル型MOSトランジスタと
    を備える
    信号検出回路を用いた信号検出方法であり、
    前記抵抗、前記第1nチャネル型MOSトランジスタ、及び前記第2nチャネル型MOSトランジスタから構成されたノア型のソース接地増幅回路により、
    前記第1nチャネル型MOSトランジスタと前記抵抗との回路により、入力端子から入力される信号電圧の正電圧側への変化を増幅し、前記第2nチャネル型MOSトランジスタと前記抵抗との回路により、前記入力端子から入力される信号電圧の負電圧側への変化を増幅する
    ことを特徴とする信号検出方法。
  6. 前記第1電流制限部は並列接続された第1電流制限回路と第1コンデンサを備え、
    前記第2電流制限部は並列接続された第2電流制限回路と第2コンデンサを備える
    ことを特徴とする請求項5に記載の信号検出方法。
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