JPH0595237A - 電荷増幅器回路 - Google Patents

電荷増幅器回路

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JPH0595237A
JPH0595237A JP4080050A JP8005092A JPH0595237A JP H0595237 A JPH0595237 A JP H0595237A JP 4080050 A JP4080050 A JP 4080050A JP 8005092 A JP8005092 A JP 8005092A JP H0595237 A JPH0595237 A JP H0595237A
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diode
charge amplifier
input
switch
circuit
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Mario Giorgetta
ギオルゲツテ マリオ
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定結果に誤りを与える漏れ電流を最小化す
るための、リセット用の制御ループを有する電荷増幅器
回路を提供する。 【構成】 本電荷増幅器回路は、前記ループ内に逆平行
に接続され、集積回路(ISK)の入力保護ダイオード
を構成する2つのダイオード(D1 およびD2 )を含
む。動作(測定)相においては、ダイオード抵抗
(RD )は極めて大きく、ダイオード対における電圧降
下は小さいので、電荷増幅器の入力(INQ )へ通過す
る漏れ電流は無視できるようになる。一方、リセット相
においては、ダイオード抵抗(RDr)は実際上ゼロにな
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、演算増幅器、スイッ
チ、およびダイオードから成る、リセット用制御ループ
を有する電荷増幅器回路に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば圧電トランスジューサと併用され
る電荷増幅器回路は、出力基準点が電荷増幅器上におい
てふらつく欠点を有する。このふらつきはドリフトと呼
ばれる。準静的測定においては、ドリフトはその結果を
かなり誤ったものとする。ドリフトの主な原因は増幅器
の入力における漏れ電流である。電荷増幅器をリセット
するのに半導体スイッチが用いられる場合は、その漏れ
電流の大部分はこのスイッチング装置から発生する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の漏れ
電流を減少せしめることにより、実際に行なわれる最も
要求の厳しい準静的測定においてもそれが無視されうる
ようにすることを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的は、リセット用
制御ループ内に用いられるダイオードを、集積回路の入
力保護ダイオードとすることによって達成される。
【0005】
【実施例】以下、添付図面を参照しつつ、本発明を詳述
する。図1は、従来の電荷増幅器回路を示す。例えば、
圧電形トランスジューサは、荷重を受けると、その荷重
に比例する電荷QINを演算増幅器Op の−入力に与え
る。この演算増幅器の+入力は接地され、入力オフセッ
ト電圧はUo とされている。理想的な演算増幅器におい
ては、増幅器の入力には電流が流入せず、内部利得A
VOL はほとんど無限大であるので、測定中においては
(スイッチSは動作位置では開放されている)電荷QIN
は負帰還キャパシタンス上へ流れる。このようにして、
増幅器の出力には、次式による電圧UA が発生する。
【0006】
【数1】
【0007】従って、理想的な電荷増幅器においては、
出力電圧UA は、トランスジューサから供給される電荷
INに正比例し、従ってまた測定量(例えば力)にも比
例する。スイッチSが閉じられたとき(リセット位
置)、キャパシタは無限大となる、すなわちC=∞。従
って、
【0008】
【数2】 となる。すなわち、再びスイッチSを開放することによ
って、新しい測定を行なうと始動点はやはりUO とな
る。
【0009】実際の電荷増幅器においては、負帰還キャ
パシタンスCに流入する漏れ電流が存在し、これがUA
に対して、またそれに伴って測定結果に対して、誤りを
与える。スイッチSは高絶縁性のものでなくてはなら
ず、通常は極めて大形のリードリレーである。
【0010】図2は、リセット用の制御ループを有する
電荷増幅器回路を示す。原理的には、この回路は英国特
許第GB 1 330 497号に基づいており、従っ
て1973年以後本技術分野はその特許によりカバーさ
れている。以下の実施例は、全て図2に示された実施例
に依存している。図2の回路は、スイッチSが開放され
ている時(動作位置)は、図1の回路と正確に同様に機
能する。その理由は、リセット用の制御ループが遮断さ
れており、従って、例えば圧電効果によって生じた電荷
INが負帰還キャパシタンスC上へ流れ、そこで電圧
【数3】 を作るからである。スイッチSの開放後は、出力電圧U
A1は、
【0011】
【数4】 となる。
【0012】図1の回路におけると同様に、これは出力
電圧がトランスジューサから供給される電荷に正比例
し、従って測定量(力)にも比例することを意味する。
【0013】リセットされた時は、負帰還キャパシタン
スC上の電荷は、その時閉成されているスイッチSを経
て流れ去り、キャパシタンスCにおける電圧はゼロにな
るので、
【0014】
【数5】 となる。
【0015】次の測定は、スイッチSを開く(動作位
置)ことによって、この基準点から開始される。この回
路においてもまた、スイッチSは開放状態において高絶
縁性のものである。従って、測定相(スイッチS開放の
動作相)において漏れ電流が電荷入力INQ へ流れて出
力電圧UA1、またそれによる測定結果に誤りを与えるの
を防止しなくてはならないことは明らかである。図2に
おいて、UO1はやはり演算増幅器Op1の入力オフセット
電圧を表わし、また、UA2は演算増幅器OP2からの出力
電圧であり、AVOL1およびAVOL2は演算増幅器Op1およ
びOp2の極めて高い開ループ利得である。
【0016】図3は、電気的に制御されるスイッチング
装置を有する電荷増幅回路を示す。用いられている記号
は、前図におけると同様の意味を有する。電気的に制御
されるスイッチ(鎖線の長方形により示されている)
は、例えば半導体スイッチである。このスイッチング装
置への供給電圧はUS で表わされている。この供給点か
らは、漏れ電流iS が絶縁抵抗RS を通って電荷増幅器
の電荷入力INQ へ流れる。もう1つの漏れ電流i
p は、(動作状態にある)開放されたスイッチSの絶縁
抵抗Rp を通って流れる。これら2つの電流は加算され
て全漏れ電流ib となる。それは次式により計算され
る。
【0017】
【数6】
【0018】測定中(スイッチS開放の動作状態)にお
いては、この全漏れ電流は電荷入力INQ へ流れ、前述
のように測定結果に誤差を与える。この現象によって生
じる単位時間あたりのUA1の電圧変化は、
【0019】
【数7】 となる。
【0020】例: 100pFのキャパシタンスCおよ
び10-11 Aの漏れ電流の場合(実際上極めてありうる
場合)には、上式によれば100mV/secのドリフ
トが存在し、これは10Vのフルスケール出力信号UA
の場合ならば、ドリフトが毎秒フルスケール出力の1%
になることを意味する。これは要求の厳しい測定におい
ては、大き過ぎる。
【0021】以上の推論においては、半導体スイッチか
ら発生して電荷増幅器の入力へ供給され、測定中にドリ
フトすることによって測定信号に誤差を与える漏れ電流
が主役を演じてきた。図4および図5には、電荷増幅器
回路における漏れ電流から生じる結果が、やはり簡単化
された形式で概略的に示されている。
【0022】図4においては、演算増幅器Op の−(反
転)入力は、接地に対し、抵抗RO 端においてUO の電
圧にある。このために、UO は事実上0に等しいものと
仮定されうる。従って、一定電流
【0023】
【数8】
【0024】が−(反転)入力へ流れ、これは同時に負
帰還キャパシタンスCを越えて、出力UA に、
【0025】
【数9】 による一定の電圧変化を与える。
【0026】時間に対するこのUA の変化は図5に示さ
れている。それは、電圧源Ue のスイッチオンの瞬間
(図におけるt=0)においてはゼロであり、その後、
キャパシタンスCへ流れ込む電流ib が一定であるため
に直線的に変化する。このようにして、図3の回路にお
いては、出力電圧UA のドリフトもまた起こる。
【0027】図6には、このドリフトを防止する1つの
可能な方法が示されている。そこには、スイッチ(例え
ば半導体スイッチ)と電荷増幅器の入力INQ との間に
ダイオードを含むリセット制御ループを有する電荷増幅
器が示されている。2つのダイオードD1 およびD2
逆平行に接続されている。ノード「a」および「b」
は、図8における基準点である。これらのダイオードの
機能は図7によって説明され、図7は、ダイオード対を
通る電流iD を、ダイオード電圧UD の関数として示し
ている。理想的には、2つの屈曲点電圧−Uk および+
k の間の特性は事実上水平で、すなわち両ダイオード
を通る電流iD は極めて小さく、それらの抵抗RD は極
めて大きい。すなわち、
【0028】
【数10】
【0029】これは、スイッチ位置SU (動作時)にお
いて、両ダイオードのノード「b」を演算増幅器Op1
+入力と同じ電位(ここでは接地されている)にするこ
とによって利用される。その時、これは、
【0030】
【数11】 を与える。
【0031】リセット相においては(スイッチSU はノ
ード「b」をUA2に接続している)、演算増幅器Op
十分に駆動されていることによりダイオード電圧|UD
|は常に|Uk |になっているので、その抵抗は実際上
ゼロになる。
【0032】以上においては、理想的な場合が示され
た。実際には、もちろんダイオードの特性は屈曲点電圧
の間において正確に水平にはならず、わずかに傾き、オ
ーム抵抗のようにゼロを通過する。従って抵抗は無限大
ではなく、漏れ電流は電荷入力INQ になお達すること
ができ、測定結果に誤差を与える。以上の説明から、こ
のダイオード回路において求められるべき改善の方向が
明らかになり、それは
【0033】
【数12】 とすることである。
【0034】これは、極めて大きいRD0を与える、すな
わち屈曲点電圧間においてできるだけ水平な特性を与え
る解決法を求めるべきであることを意味する。この種の
解決法は見出され、図8に示されている。図8は、上述
の要求を満たす特殊なダイオードを有する。図7のグラ
フに示された特性を有するダイオード回路部分を示す。
本発明によれば、用いられるダイオードは集積回路の入
力保護ダイオードである。これらのダイオードは、例え
ば静電的な放電によって生じる過電圧から、敏感な回路
の入力を保護するのに役立ち、それらは、高い逆バイア
スまたは高い電流負荷容量のような、一般のダイオード
に対する通常の要求を満たす必要はない。
【0035】破線によって示されているのは集積回路I
SKであり、これは集積されたダイオード対D1 および
2 を含む。この集積回路には、3つの入力INおよび
供給接続−US および+US が提供されている。入力I
Nは点「a」を経て電荷増幅器INQ と接続され、一方
供給接続−US および+US はいっしょに連結され、点
「b」を経てスイッチSU (図6)と接続される。図6
の回路のダイオード部分との類似は明らかである。
【0036】図6のSU として半導体スイッチが用いら
れる時は、動作相中において漏れ電流はもはや電荷増幅
器入力INQ へは流れず、図3に従って接地へ導かれ
る。入力保護ダイオードは阻止方向へバイアスされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の電荷増幅器回路を示す図。
【図2】リセット用の制御ループを有する電荷増幅器回
路を示す図。
【図3】図2に類似した制御ループと、電気的に制御さ
れるスイッチとを有する電荷増幅器回路における入力漏
れ電流の原因を示す図。
【図4】図3に対する説明回路図。
【図5】図4の回路における、時間対出力電圧のグラフ
を示す図。
【図6】図2に類似したリセット用制御ループを有する
が、スイッチと電荷増幅器入力との間にダイオードをさ
らに追加された電荷増幅器回路を示す図。
【図7】図6に示されたダイオード回路の電流−電圧特
性を示す図。
【図8】集積回路の入力保護ダイオードを用いている、
図6の電荷増幅器回路の、本発明によるダイオード部分
を示す図。
【符号の説明】
S スイッチ(断続器) SU 転極スイッチ Operate 測定動作用スイッチ整定位置 Reset リセット用スイッチ位置 C 負帰還キャパシタンス Op 演算増幅器 QIN 入力電荷 INQ 電荷増幅器入力 UO 演算増幅器の入力オフセット電圧 UA 出力電圧 OP1 第1演算増幅器 OP2 第2演算増幅器 UO1 第1演算増幅器の入力オフセット電圧 UA1 第1演算増幅器の出力電圧 UO2 第2演算増幅器の入力オフセット電圧 UA2 第2演算増幅器の出力電圧 AVOL 演算増幅器の開ループ利得 RS ,Rp 電気的に制御される半導体スイッチの絶縁
抵抗 is ,ip ,ib 漏れ電流 +/− US 供給電圧 RO 入力抵抗 t 時間 UD ダイオード電圧 −UD 負のダイオード電圧 +UD 正のダイオード電圧 +iD 正のダイオード電流 −iD 負のダイオード電流 Uk ダイオードの限界電圧すなわち屈曲点電圧 RDO 動作時のダイオード抵抗 RDr リセット時のダイオード抵抗 a,b 回路の接続点 IN 入力接続 −US ,+US 供給電圧接続 ISK 入力保護ダイオードを有する集積回路 ISK 回路

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 演算増幅器、スイッチ、およびダイオー
    ドから成る、リセット用制御ループを有する電荷増幅器
    回路であって、該ダイオード(D1 ,D2 )が集積回路
    (ISK)の入力保護ダイオードであることを特徴とす
    る電荷増幅器回路。
  2. 【請求項2】 前記入力保護ダイオードが阻止方向に電
    気的にバイアスされていることを特徴とする請求項1記
    載の電荷増幅器回路。
  3. 【請求項3】 前記スイッチ(SU )が電気的に制御さ
    れる半導体スイッチであることを特徴とする請求項1ま
    たは請求項2記載の電荷増幅器。
JP4080050A 1991-04-02 1992-04-01 電荷増幅器回路 Withdrawn JPH0595237A (ja)

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CH00969/91-9 1991-04-02
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EP (1) EP0507728B1 (ja)
JP (1) JPH0595237A (ja)
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CH (1) CH682276A5 (ja)
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