JPH0661764A - 電荷増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 変換利得を高くすると共に、低域遮断周波数
に対する設計を容易にした電荷増幅器を提供する。 【構成】 演算増幅器Ａの出力側に非反転増幅器Ａ１を
接続し、この反転増幅器Ａ１の出力の一部を帰還抵抗Ｒ
１，Ｒ２を介して高入力抵抗Ｒｇに負帰還させるように
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば振動振幅の測定
及び電荷誘導形コンデンサを使用する分野に適用される
電荷増幅器に関する。

【０００２】

【従来の技術】電荷増幅器の基本回路を図２に示す。同
図でＣｐはセンサとして動作する電荷誘導形コンデン
サ，ΔＱはこのコンデンサＣｐに発生する電荷，Ａは演
算増幅器，Ｃｆは帰還コンデンサ，Ｒｇは入力抵抗（高
抵抗），Ｃｉは演算増幅器Ａの入力容量と配線による分
布容量との和による入力コンデンサ，Ｇ（ω）は演算増
幅器Ａの利得である。

【０００３】この基本回路はラプラス演算子をＳとした
とき、その伝達関数は次式で示される。

【０００４】

【数１】 −｛Ｅｏ（Ｓ）／ΔＱ（Ｓ）｝＝｛ＳＧ／［Ｃｐ＋Ｃｉ＋Ｃｆ（１＋Ｇ）］／ Ｓ＋［１／Ｒｇ〈Ｃｐ＋Ｃｉ＋Ｃｆ（１＋Ｇ）〉］｝

【０００５】ここで、Ｇ（ω）》１，Ｃｆ》｛Ｃｐ＋Ｃ
ｉ）／Ｇ（ω）｝が満足されるときは、数１は次式のよ
うに示される。

【０００６】

【数２】

【０００７】但し、ΔＶ（Ｓ）＝ΔＱ（Ｓ）／Ｃｐ

【０００８】また、この基本回路で変換利得ηはη＝Ｃ
ｐ／Ｃｆ，時定数τはτ＝ＣｆＲｇＧで示される。

【０００９】この図２に示された電荷増幅器は、センサ
として動作する電荷誘導形コンデンサＣｐに発生した電
荷Δｑ（ｔ）を電圧ｅｏ（ｔ）に変換して出力するよう
に動作する。

【００１０】ここで、図２の電荷増幅器を実際に使用す
るためには直流帰還を行う必要がある。直流帰還の方法
には、次のような(1) 簡易帰還方式と(2) 広帯域帰還方
式との２通りの方法が用いられている。

【００１１】図３は簡易帰還方式を示すもので、図２の
基本構成において、帰還コンデンサＣｆに並列に帰還抵
抗Ｒｆ（高抵抗）を接続して帰還させる方式である。

【００１２】ここで、図３の回路の低域遮断周波数ｆ_L
は次式のように示される。

【００１３】

【数３】ｆ_L ＝（１／２πＣｆＲｆ） また、演算増幅器の利得Ｇ（ω）は次式のように示され
る。

【００１４】

【数４】Ｇ（ω）＝｛Ｇｏ／［１＋ｊ（ｆ／ｆ_Ho）］｝ 但し、ｆ_Ho：演算増幅器Ａの高域遮断周波数 Ｇｏ：直流利得

【００１５】さらに、回路の高域遮断周波数はｆ_H は次
式のように示される。

【００１６】

【数５】

【００１７】この図３の回路は一般に周波数特性が狭帯
域となる。

【００１８】図４は広帯域帰還方式を示すもので、図２
の基本構成において、演算増幅器Ａの入出力端子間に利
得１の反転増幅器ＡＯを接続すると共に、抵抗Ｒ１，Ｒ
２，コンデンサＣｏから構成される低域通過フィルタＦ
を接続して、低周波数の負帰還を行って周波数特性の広
帯域化を図るようにしたものである。

【００１９】ここで、この回路の低域遮断周波数ｆ_L は
次式のように示される。

【００２０】

【数６】

【００２１】但し、この前提として次式を満足すること
が条件となる。

【００２２】

【数７】Ｔｏ＝（２＋Ｊ＋Ｋ）² Ｔ₁ ／４ ここで、式の記号は次のように定義される。

【００２３】

【数８】

【００２４】

【数９】

【００２５】また、回路の高域遮断周波数ｆ_H は、前記
数５と同じとなる。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の電荷増
幅器では、変換利得が高くとれないだけでなく、低域遮
断周波数に対する設計が容易でないという問題がある。

【００２７】本発明は以上のような問題に対処してなさ
れたもので、変換利得を高くとれると共に低域遮断周波
数に対する設計を容易にするようにした電荷増幅器を提
供することを目的とするものである。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、演算増幅器の入力側にセンサとして動作さ
せる電荷誘導形コンデンサ及び高入力抵抗を接続した電
荷増幅器において、前記演算増幅器の出力側に非反転増
幅器を接続し、この非反転増幅器の出力の一部を帰還抵
抗を介して前記高入力抵抗に負帰還させることを特徴と
するものである。

【００２９】

【作用】本発明の構成によれば、電荷誘導形コンデンサ
で発生した電荷は、演算増幅器で電圧に変換された後、
非反転増幅器に入力されて増幅される。非反転増幅器か
ら出力された電圧の一部は、帰還抵抗を介して高入力抵
抗に負帰還されて、演算増幅器に入力される。

【００３０】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。

【００３１】図１は本発明の電荷増幅器の実施例を示す
結線図である。Ｃｐはセンサとして動作する電荷誘導形
コンデンサ，ΔＱはこのコンデンサＣｐに発生する電
荷，Ａは利得Ｇ（ω）を有する初段の高入力抵抗演算増
幅器（以下単に増幅器と称する），Ｃｆは帰還コンデン
サ，Ｒｇは高入力抵抗，Ｃｉは演算増幅器Ａの入力容量
と配線による分布容量との和による入力コンデンサであ
る。

【００３２】Ａ１は演算増幅器Ａの出力側に接続された
利得Ｍを有する非反転増幅器，Ｒ１は高入力抵抗Ｒｇに
直列接続された他の入力抵抗（帰還抵抗），Ｒ２は非反
転増幅器Ａ１の出力の一部を高入力抵抗Ｒｇに負帰還さ
せる帰還抵抗である。

【００３３】このような回路において、電荷誘導形コン
デンサＣｐで発生した電荷は、演算増幅器Ａの一端子と
十端子間に入力されて電圧に変換された後、非反転増幅
器Ａ１に入力されて増幅される。また、非反転増幅器Ａ
１から出力された電圧の一部は、帰還抵抗Ｒ２を介して
高入力抵抗Ｒｇに負帰還されて演算増幅器Ａに入力され
る。

【００３４】ここで、本実施例の回路の変換利得ηは次
式のように示される。

【００３５】

【数１０】η＝（Ｃｐ／Ｃｆ）Ｍ

【００３６】また、回路の低域遮断周波数ｆ_L は次式の
ように示される。

【００３７】

【数１１】 ｆ_L ＝｛［１／２πＣｆＲｆ］［Ｍ／（１＋Ｊ）］｝

【００３８】

【数１２】

【００３９】さらに、回路の高域遮断周波数ｆ_H は次式
のように示される。

【００４０】

【数１３】

【００４１】このように本実施例によれば、次の［表
１］に示したような効果を得ることができる。

【００４２】

【表１】

【００４３】すなわち、変換利得ηは従来のＭ倍に高め
ることができるようになる。また、低域遮断周波数に対
しては回路条件がなくなったので、設計が容易となる。

【００４４】この点、従来形によると、このような条件
を満足するには低域通過フィルタの時定数を大きくする
構成にする必要があるので、コンデンサと高抵抗２個を
別に用意しなければならなくなりコストアップとなる。
また、これらの素子値の精度の点から、希望する周波数
特性を得るのに困難な場合がある。さらに、従来では低
域特性に容量比Ｋが関ってくるので、分布容量が変化す
ると低域特性に影響を及ぼすようになる。

【００４５】本実施例によればこれらの点に関しては、
設計に必要とする低域遮断周波数と非反転増幅器の利得
Ｍを決定し、これに合わせて抵抗比ＪをＲ１，Ｒ２によ
って構成すれば低域通過フィルタは必要なくなる。さら
に、分布容量の影響もないので簡単に製作でき、かつ経
済的となる。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、演算
増幅器の出力側に非反転増幅器を接続し、この非反転増
幅器の出力の一部を帰還抵抗を介して入力側に負帰還さ
せるようにしたので、変換利得を高くとれるだけでな
く、低域遮断周波数に対する設計を容易にすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電荷増幅器の実施例を示す結線図であ
る。

【図２】従来の電荷増幅器を示す結線図である。

【図３】従来の他の電荷増幅器を示す結線図である。

【図４】従来のその他の電荷増幅器を示す結線図であ
る。

【符号の説明】

Ｃｐ 電荷誘導形コンデンサ Ａ 高入力抵抗演算増幅器 Ｃｆ 帰還コンデンサ Ａ１ 非反転増幅器 Ｒ１，Ｒ２ 帰還抵抗 Ｒｇ 高入力抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 演算増幅器の入力側にセンサとして動作
   させる電荷誘導形コンデンサ及び高入力抵抗を接続した
   電荷増幅器において、前記演算増幅器の出力側に非反転
   増幅器を接続し、この非反転増幅器の出力の一部を帰還
   抵抗を介して前記高入力抵抗に負帰還させることを特徴
   とする電荷増幅器。