JPH02107011A - 電荷増幅回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ この発明は、有限抵抗値のコンデンサを有する帰還結合
回路を介して信号出力を信号入力端に帰還結合させてい
る演算増幅回路を装備した電荷増幅回路に関する。

〔従来の技術〕

この種の電荷増幅回路は、種々の構成にしであることが
知られていて、今日まで圧電測定技術の広い応用に寄与
している。何故なら、電位計に付随する問題を消去でき
るからである。演算増幅回路はできる限り大きな内部電
圧増幅率を有する直流増幅器として形成される。その場
合、出力電圧の極性は入力電圧の極性とは逆で、できる
限り高い入力抵抗にされる。この増幅器は（並列ＲＣ回
路に応じて）高い絶縁コンデンサに容量負帰還されてい
るので、入力インピダーンスは実際上零になるが、入力
端の絶縁抵抗は高い状態になっている。従って、理想的
な状況の下では、接続する測定検出器、ケーブル等の容
量を介して電圧が生じないので、入力回路の絶縁抵抗は
厳しくなく、入力容量は出力電圧に影響を与えない。更
に、出力電圧は測定値検出器又は類似なものによって出
力された電荷に直接比例するので、測定すべき測定値に
も比例し、負帰還容量に逆比例する。従って、対応する
容量値を繋ぎ込み簡単に任意の段階付けした測定範囲を
構成できる。

実際の状況（演算増幅器の内部増幅率は、無限でなり１
０５〜ｌＯ７の範囲の値に制限されていて、絶縁抵抗と
しては増幅器の入力端でも帰還コンデンサに対しても最
大約１００ＴΩであり、絶対にリーク電流のない回路が
ない等）を考慮に入れて、測定方法ないしは回路構成に
関して何らかの欠点がある。これ等の欠点は、特に精密
で敏感な測定ないしは準静的な測定に関連して非常に乱
れが顕著になる。最も重要なこれ等の欠点の一つは、演
算増幅器の容量帰還に使用されるＲＣ回路（Ｒがコンデ
ンサに並列な付加抵抗によって既知であるか、あるいは
コンデンサの内部抵抗によってのみ決まるかは、この場
合問題でない）は、電荷増幅回路の伝送特性中の屈折点
周波数を制限する。この増幅回路は、できる限り直線と
なる伝送特性の観点から、また非常な低周波がこの種の
装置の通常の測定課題の場合、いずれにせよ問題外にさ
れると言う観点で成る安全間隔を持って動作周波数以下
にある。従って、演算増幅器の帰還結合の積Ｒ−Ｃをで
きる限り大きくする必要性が直ちに生じる。帰還結合コ
ンデンサの値が大きくなると、回路の電荷感度が実際に
は逆比例して減少するので、帰還結合回路の抵抗をでき
る限り高くする可能性しか残らない。今日の技術レヘル
では、説明したように、これに関連して最大約１００Ｔ
Ωの抵抗値が実現可能である。このことは、もちろん最
も望ましい条件と回路構成時に入念な手作業による再加
工の補助手段の下でのみ実現できる。この高い抵抗値が
簡単に再現性を示さないか、恒久的でないことを別にす
れば、高抵抗値の場合に高い抵抗雑音に関し、また演算
増幅回路の電荷電圧変換が負帰還抵抗と人力抵抗の比に
依存することに関しても、不利が生じる（この点に関し
て、この発明に関連する従来技術は、例えば　“Ｔｔｃ
ｋｙ。

ＧａｕＬｓｃｈｉ：　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈ
　Ｍｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋ；ＳｐｒｉｎｇｅｒＶｅｒｌ
ａｇ、　Ｂｅｒｌｉｎ、　Ｉｌｅｉｄｅｌｂｅｒｇ、　
Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ。

１９８０”特に第１２章を参照）。

（発明の課題〕 この発明の課題は、上記の難点を解消し、特に簡単に、
高い電荷感度の場合にできる限り広い動作周波数範囲と
回路装置を簡単に実現できる可能性を提供する巻頭に述
べた種類に属する電荷増幅回路を構成することにある。

〔課題の解決］ 上記の課題は、この発明により以下のようにして解決さ
れている。即ち、演算増幅回路の信号出力端を後続する
他の伝達回路の入力端に連結し、前記伝達回路は演算増
幅回路の帰還結合回路によって定まる屈折点周波数ｆ、
（＝１／（２πＲＣ））の少なくとも近くで、屈折点周
波数ｆ、に少なくともほぼ等しい屈折点周波数ｒ＋＋の
比例・積分伝送特性を有する回路によって解決されてい
る。

〔作用・効果〕

この簡単で、しかも以下に好適実施例に基づき更に説明
するように、容易に実現できる構成により、直接次のこ
とが実現する。即ち、固有な電荷増幅器の演算増幅回路
の帰還結合ＲＣ回路によって定まる屈折点周波数ｆ１の
動作周波数範囲に対する位置が全く敏感でないため、演
算増幅回路の帰還部にあるＲもＣも広い範囲で任意に、
しかも互いに無関係に最適に設定できることによって実
現する。Ｃの値を小さくすると、それに応じて、Ｒの値
を高くする必要なしに、小さな電荷を測定するのに望ま
しい様な電荷増幅回路の高い電荷感度が生じる。この発
明による電荷増幅回路では、演算増幅回路の帰還結合回
路の抵抗値Ｒを節単に１００　ｋΩまでの値に制限でき
る。このことには、この種の抵抗を難無く正確に作製し
て再現させる利点がある。更に、演算増幅回路の入力抵
抗、又は接続している電荷発生器又は信号導線の絶縁抵
抗より小いさい又は僅かに大きいＲの値の場合、演算増
幅回路の電荷・電圧伝送は入力端自体の間にある有効抵
抗と容量（絶縁抵抗、ケーブル容量）に無関係である。

意識的に形成されていようと、又は有限な絶縁値によっ
て生じようと、抵抗値Ｒによって生じる抵抗雑音は、Ｒ
の値が小さくなると、それに応じて少なくなるので、当
然抵抗が、特に小さい電荷を測定するためにΩの範囲に
あると非常に有利である。結局、広い限界で自由に屈折
点周波数１１を選択することによって、通常の電荷増幅
回路の場合演算増幅回路の帰還結合コンデンサによって
生じる経年変化効果を非常に強（抑制できる。従って、
この発明による回路を用いて全体として、感度、利用可
能な動作周波数範囲、直線性、構造及び製造に関して通
常の装置を温かにうらまわる電荷増幅器を最も簡単に設
計できる。

両方の屈折点周波数Ｆ、、ｆ、□は、この発明の特に有
利な構成では、問題にしている主動作周波数範囲の上部
にある。これが可能な最大周波数範囲の内部にあるか外
部にあるは、この場合上に述べた理由により問題ではな
い。従って、状況によって完全に均一化してない回路素
子等のために残っている僅かな直線からのずれを屈折点
周波数の範囲で測定に対して直接影響を及ぼさないこと
が確認される。従って、積Ｒ−Ｃが小さい。このことは
上で既に詳しく説明した回路構造に関する利点を与える
。

後続伝達回路には、この発明の有利な構成によれば、他
の演算増幅回路が配設しである。この増幅回路の出力は
抵抗Ｒ１に直列接続しているコンデンサＣＩを経由して
入力端に帰還される。このことは、電荷増幅回路を非常
な低価格にする後続伝達回路の非常に簡単なアナログ形
成をもたらすことになる。この電荷増幅回路はこの発明
の前に述べた全利点を有し、更に極端に低価格で形成で
きる。

この発明の他の構成によれば、この場合、少なくとも後
続伝達回路の他の演算増幅回路は、演算増幅回路と帰還
結合コンデンサＣと共に一体に集積して形成される。こ
の場合、コンデンサＣと二つの抵抗Ｒ，Ｒ，の一方を調
節抵抗として外部に接続する。今日まで電荷増幅器をＩ
Ｃとして形成できない何故できないかと言うただ一つの
重要な理由は、演算増幅回路の帰還結合回路に非常に高
い抵抗を使用することに起因する巻頭に述べた問題にあ
る。この発明により構成を用いて、前記抵抗が組み込ん
でも問題なく使用できる大きさに低減できるので、電荷
増幅回路の前記非常に有利な構成を実現できる。種々の
目的のため、後調節が不要であるならば、当然Ｒ，とＣ
６を含めた全体の電荷増幅回路も一個のＩＣに形成でき
る。

後続伝達回路は、この発明の他の構成によれば、デジタ
ル回路技術で形成できるか、上記の構成に応じて演算増
幅回路と一緒に一体集積させて形成することもできる。

アナログで形成した後続伝達回路の場合には、帰還結合
コンデンサＣＩの絶縁抵抗に限界があるため、この「比
例積分」伝達回路は実際上−次の共通有理伝達回路であ
る位相遅延回路（ＬＡＧ）である。しかし、後続伝達回
路をここに述べたデジタルで形成した場合、理想的なＰ
１回路を全動作周波数範囲にわたって簡単に実現できる
。このことは、種々の応用に利点をもたらす。

種々な応用に特に有利なこの発明の他の有利な構成によ
れば、演算増幅回路と後続伝達回路の間にオフセット・
ドリフト補償装置が中間接続しである。この種の補償装
置は、それ自体例えばオーストリア特許筒３７７．１３
２号公報、又はヨーロッパ特許筒２５３０１６号公報か
らも公知であり、個々の測定期間に通常、測定信号の零
点のずれを補償させることができる。

〔実施例〕

この発明を以下に図面に模式的に示した実施例と信号の
流れに基づきより詳しく説明する。

第１図には、演算増幅回路１を有するこの発明による電
荷増幅回路の原理図が示しである。この演算増幅回路の
信号出力端２は並列結合ＲＣ回路３を経由して信号入力
端４に連結している。演算増幅回路１の他の入力端は接
地されている。

演算増幅回路１は、ここでは反転回路にして形成しであ
る。この発明の目的には、演算増幅回路が反転されてい
るか、あるいは非反転接続されているかは重要でない。

念のため、ここで以下のことも指摘しておく。即ち、第
１図から第５図までの全回面は機能を記載する部分を有
する各回路を模式的にのみ示してあり、バイアス回路、
電源回路及び保護回路等は簡単のため、ないしは見通し
を良くするため省略しである。

後続する他の伝達回路６は、第１図に第二段として示し
てあり、その特徴とする立ち上がり応答性のみで模式的
に示しである。ＰＩ（比例・積分）回路の立ち上がり応
答は、第７図にも示しである。１＞０に対する直線の傾
斜は、Ｋ／Ｔに等しい。ここで、Ｋは比例係数である。

時定数Ｔは巻頭で何度も述べた２１回路の屈折点周波数
を決め、例えば第２図と第５図に示したアナログ構成で
は、Ｒ１・Ｃ１によって定まる。この時定数は少なくと
も第一段、つまり演算増幅回路１のＲ・Ｃにほぼ等しい
。言い換えると、Ｒ・Ｃ＝ＰＣＩになる。

第２図には、今度は第１図の演算増幅回路１がその典型
的な立ち上がり応答を用いて示してあり、第一段として
記しである。後続する他の伝達回路ないいし第二段は再
び記号６で示してあり、アナログ構成で示しである。こ
の伝達回路は実質上池の演算増幅回路７で構成され、演
算増幅回路の出力端８は抵抗Ｒ５に直列接続したコンデ
ンサＣ１を経由して入力端９に帰還されている。演算増
幅器７の他の入力端１０は接地されている。ここでも、
反転又は非反転演算増幅器として形成すること及び他の
要素に関して第１図で上に既に述べたことが当て嵌まる
。

記号Ｓを付けた回路は、例えばオフセット電圧のドリフ
トを補償するオフセット・ドリフト補償装置を意味する
。一般に、記号Ｓを付けた回路はここでも、また他の図
でもそれぞれ信号の条件付けに使用される。記号■を用
いて、入力信号の予備条件付は装置（例えば、入力保護
用等）を表している。

第２図のＲ１とＣ２の値とそれ等によって定まる後続す
る他の伝達回路の屈折点周波数に関して、上で既に説明
したことが再び当てはまる。

第３図には、第２図のように演算増幅回路、つまり第一
段１が立ち上がり応答でのみ再び示しである。後続する
他の伝達回路、つまり第二段６はことえはデジタルで形
成しである。第一段の後には、信号は先ずアナログで未
だコンデイショ゛ニングされる。この操作は回路Ｓで行
われる。回路Ｓはここでは、例えば増幅とエリアイシン
グ・フィルター機能を有すると有利である。この回路に
は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）が接続してい
る。デジタルＰ１回路ないしは後続伝達回路６はここで
は、説明したように点状の立ち上がり応答によって示し
である。電荷増幅回路の形成様式に応じて、この回路は
デジタル出力端１１に直接行くか、あるいは、場合によ
って更に、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）を介し
て出力端１２にアナログ信号を出力する。

第４図には、完全に一体化して集積した電荷増幅器が示
しである。この場合、演算増幅回路、つまり第一段１は
後続する伝達回路−１つまり第二段６と同じ様にその固
有な立ち上がり応答で暗示しである。記号■を用いて、
再び入力信号の予備コンディシニング装置が示しである
。記号Ｓ１を付けた装置は、中間増幅機能、制御機能及
び濾波機能を有する。装置Ｓ２は、出力信号のコンディ
ショニングｌ能（ＡＤＣ，ＤＡＣ，フォーマット化等）
を含む。他の伝達回路、つまり第二段６がアナログであ
るかデジタルであるかは、ここでは問題ではない。

第５図には、部分的に一体化集積仕上げした電荷増幅回
路が示しである。この回路では、後続する他の伝達回路
６はアナログで形成してあり、コンデンサＣ１とこのコ
ンデンサに並列に作用する絶縁抵抗Ｒ１によって決まる
全系の時定数を長くするため、コンデンサＣ５と可変抵
抗Ｒ３が外部に接続しである。

第６図と第７図には、説明したように、演算増幅回路、
つまり第一段（第６図）と後続する他の伝達回路、つま
り第二段（第７図）の典型的な立ち上がり応答が、これ
等に関連する重要な計算式と一緒に示しである。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図は、この発明による電荷増幅回路のブ
ロック回路図である。 第６図と第７図は、立ち上がり応答、つまりそれぞれ演
算増幅回路と後続する伝達回路の信号伝送特性を示すグ
ラフである。 図中引用記号： ■・・・演算増幅回路（第一段の回路）、３・・・帰還
結合ＲＣ回路、 ６・・・他の伝達回路（第二段の回路）、７・・・他の
演算回路、 ｓ、Ｓｔ、３２　　・・・信号コンディショニング回路
、ｆ　＋、　ｒ　＋＋・・・屈折点周波数。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、信号出力を有限抵抗を有するコンデンサを具備する
   帰還結合回路を介して信号入力端に帰還させる演算増幅
   回路を装備した電荷増幅回路において、 演算増幅回路（１）の信号出力端（２）を後続する他の
   伝達回路（６）の入力端（９）に連結し、前記伝達回路
   は演算増幅回路（１）の帰還結合回路（３）によって定
   まる屈折点周波数ｆ＿１（＝１／（２πＲＣ））の少な
   くとも近くで、屈折点周波数ｆ＿１に少なくともほぼ等
   しい屈折点周波数ｆ＿１＿１の比例・積分伝送特性を有
   することを特徴とする回路。 ２、両方の屈折点周波数ｆ＿１、ｆ＿１＿１は主動作周
   波数の上部に位置することを特徴とする請求項１記載の
   回路。 ３、後続伝達回路（６）には、出力端（８）を抵抗（Ｒ
   ＿１）に直列接続したコンデンサ（Ｃ＿１）を介して入
   力端（９）に帰還結合している他の演算増幅回路（７）
   が配設してあることを特徴とする請求項１又は２記載の
   回路。 ４、後続伝達回路（６）の少なくとも他の演算増幅回路
   （７）は、演算増幅回路（１）と帰還結合コンデンサ（
   Ｃ）と一緒に一体集積化してあり、コンデンサ（Ｃ＿１
   ）と可変抵抗である両抵抗（Ｒ、Ｒ＿１）の一方は外部
   に接続してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
   か１項に記載の回路。 ５、後続伝達回路（６）は、デジタル回路技術で構成し
   てあることを特徴とする請求項１又は２記載の回路。 ６、後続伝達回路（６）は、演算増幅回路（１）と一緒
   に一体集積化してあることを特徴とする請求項５記載の
   回路。 ７、演算増幅回路（１）と後続伝達回路（６）の間には
   、オフセット・ドリフト補償装置（Ｓ）が中間接続して
   あることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記
   載の回路。