JPH07311100A - トランスデューサ回路 - Google Patents
トランスデューサ回路Info
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- JPH07311100A JPH07311100A JP7088349A JP8834995A JPH07311100A JP H07311100 A JPH07311100 A JP H07311100A JP 7088349 A JP7088349 A JP 7088349A JP 8834995 A JP8834995 A JP 8834995A JP H07311100 A JPH07311100 A JP H07311100A
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- transducer circuit
- bridge
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- amplifier
- sensing
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
- G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
- G01K7/20—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer in a specially-adapted circuit, e.g. bridge circuit
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
- G01L1/225—Measuring circuits therefor
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 刺激に応じて増幅された信号を発生するため
のトランスデューサを改善する。 【構成】 このトランスデューサは刺激を感知するため
の及びその刺激に機能的に関係する信号を発生するため
の構造を含んでいる。単一の増幅器を使用して、増幅器
回路が予め決められた利得により信号を増幅する。その
増幅器回路内の抵抗性素子が感知構造と同じ基板上に形
成されて、増幅器回路の予め決められた利得を規定す
る。このトランスデューサが感知構造上の零圧力に応答
して零の大きさを有する信号を発生し、且つレーザトリ
ミングを必要とする7個より少ない抵抗を有している。
のトランスデューサを改善する。 【構成】 このトランスデューサは刺激を感知するため
の及びその刺激に機能的に関係する信号を発生するため
の構造を含んでいる。単一の増幅器を使用して、増幅器
回路が予め決められた利得により信号を増幅する。その
増幅器回路内の抵抗性素子が感知構造と同じ基板上に形
成されて、増幅器回路の予め決められた利得を規定す
る。このトランスデューサが感知構造上の零圧力に応答
して零の大きさを有する信号を発生し、且つレーザトリ
ミングを必要とする7個より少ない抵抗を有している。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はトランスデューサに関す
るものであり、且つもっと詳細には、全ブリッジ感知構
造とその感知構造へ接続された増幅器回路とを有するト
ランスデューサに関するものである。
るものであり、且つもっと詳細には、全ブリッジ感知構
造とその感知構造へ接続された増幅器回路とを有するト
ランスデューサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】トランスデューサ、特に、全ブリッジ
(「ホイートストンブリッジ」とも呼ばれる)感知構造
を組み込んだトランスデューサは、圧力、温度及びその
他のパラメータを測定するために自動車の及び工業的応
用を含んでいる種々の範囲において用いられている。例
えば自動車においては、圧力センサが、なかんずく、油
圧及びトランスミッション流体圧力を監視する。
(「ホイートストンブリッジ」とも呼ばれる)感知構造
を組み込んだトランスデューサは、圧力、温度及びその
他のパラメータを測定するために自動車の及び工業的応
用を含んでいる種々の範囲において用いられている。例
えば自動車においては、圧力センサが、なかんずく、油
圧及びトランスミッション流体圧力を監視する。
【0003】そのようなトランスデューサには、刺激に
応じて差動電圧出力を発生するための全ブリッジ感知構
造とその差動電圧出力を増幅するためのその感知装置へ
接続された増幅器回路とを含んでいることが知られてい
る。上記からの圧力センサ例を用いて、その感知構造が
システム内の圧力を感知して、その圧力に機能的に関係
する信号を発生する。その信号はそれから増幅されて、
トランスデューサの出力として与えられる。
応じて差動電圧出力を発生するための全ブリッジ感知構
造とその差動電圧出力を増幅するためのその感知装置へ
接続された増幅器回路とを含んでいることが知られてい
る。上記からの圧力センサ例を用いて、その感知構造が
システム内の圧力を感知して、その圧力に機能的に関係
する信号を発生する。その信号はそれから増幅されて、
トランスデューサの出力として与えられる。
【0004】その回路内の抵抗のレーザトリミングの工
程によって、集積回路トランスデューサの出力を較正す
ることも、この技術では知られている。レーザトリミン
グはその回路内の抵抗の抵抗値を増大するために多結晶
珪素抵抗材料においてレーザカットをすること、及びそ
れにより正確な方法でその回路の特性を変更することに
より達成される。
程によって、集積回路トランスデューサの出力を較正す
ることも、この技術では知られている。レーザトリミン
グはその回路内の抵抗の抵抗値を増大するために多結晶
珪素抵抗材料においてレーザカットをすること、及びそ
れにより正確な方法でその回路の特性を変更することに
より達成される。
【0005】一つの既知の構造においては、感知構造と
増幅器回路とが不連続、すなわち別の集積回路要素とし
て与えられる。しかしながらこの構造は、感知ブリッジ
抵抗と増幅器バイアス抵抗との双方が完全なトランスデ
ューサ回路を形成するために回路を一緒に接続する前
に、レーザトリミングすなわち較正を必要とするので、
センサを製造する費用を実質的に増大する。更にその
上、一旦感知ブリッジと増幅器回路とが電気的に接続さ
れると、それら二つの回路が適切に整合されること及び
そのセンサが正しく機能していることを保証するため
に、試験及び付加的トリミングすなわち較正が要求され
る。
増幅器回路とが不連続、すなわち別の集積回路要素とし
て与えられる。しかしながらこの構造は、感知ブリッジ
抵抗と増幅器バイアス抵抗との双方が完全なトランスデ
ューサ回路を形成するために回路を一緒に接続する前
に、レーザトリミングすなわち較正を必要とするので、
センサを製造する費用を実質的に増大する。更にその
上、一旦感知ブリッジと増幅器回路とが電気的に接続さ
れると、それら二つの回路が適切に整合されること及び
そのセンサが正しく機能していることを保証するため
に、試験及び付加的トリミングすなわち較正が要求され
る。
【0006】上に確認された問題を解くための試みが、
モトローラ社の「MPX5050 」圧力センサを図解している
Motorola Semiconductor Technical Data Sheet に示さ
れたような完全に集積された圧力センサの発達に導い
た。しかしながら、その圧力センサ出力信号の精度を保
証するためには、増幅器回路が計装モードで接続された
複数の増幅器を必要とし、且つ高価なレーザトリミング
を要する少なくとも7個の集積された抵抗を含んでい
る。
モトローラ社の「MPX5050 」圧力センサを図解している
Motorola Semiconductor Technical Data Sheet に示さ
れたような完全に集積された圧力センサの発達に導い
た。しかしながら、その圧力センサ出力信号の精度を保
証するためには、増幅器回路が計装モードで接続された
複数の増幅器を必要とし、且つ高価なレーザトリミング
を要する少なくとも7個の集積された抵抗を含んでい
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、刺激に機能
的に関係する電気的出力を発生するために全ブリッジ感
知構造を有する回路、その感知構造へ接続された増幅器
及びその増幅器の利得を設定するための複数のバイアス
抵抗を含んでいるトランスデューサを提供する。
的に関係する電気的出力を発生するために全ブリッジ感
知構造を有する回路、その感知構造へ接続された増幅器
及びその増幅器の利得を設定するための複数のバイアス
抵抗を含んでいるトランスデューサを提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】全体の回路が、必ずでは
ないけれども、なるべく全体のトランスデューサ回路内
の抵抗のうちの2個だけがレーザトリミングすなわち較
正を必要とするように単一の基板上に形成されるほうが
よい。付加的に、この回路は3個だけの外部接続を必要
とする。すなわち、1個はシングルエンド電源へこの回
路を接続するためのものであり、1個は共通又は接地接
続へこの回路を接続するためのものであり、もう1個は
出力信号が与えられ且つ刺激に機能的に関係する出力信
号を受け取るための信号処理回路へ接続されるように適
合された出力接続である。
ないけれども、なるべく全体のトランスデューサ回路内
の抵抗のうちの2個だけがレーザトリミングすなわち較
正を必要とするように単一の基板上に形成されるほうが
よい。付加的に、この回路は3個だけの外部接続を必要
とする。すなわち、1個はシングルエンド電源へこの回
路を接続するためのものであり、1個は共通又は接地接
続へこの回路を接続するためのものであり、もう1個は
出力信号が与えられ且つ刺激に機能的に関係する出力信
号を受け取るための信号処理回路へ接続されるように適
合された出力接続である。
【0009】このトランスデューサ回路の動作に必須で
はないけれども、バッファ増幅器が感知ブリッジ及び増
幅器と共にこの集積回路チップ上に形成されてもよい。
このバッファ増幅器は電圧フォロワーモードで接続され
た演算増幅器である。その全ブリッジの一方側の過度の
負荷を防止するように、このバッファ増幅器がその増幅
器回路へ供給される電圧を絶縁する。
はないけれども、バッファ増幅器が感知ブリッジ及び増
幅器と共にこの集積回路チップ上に形成されてもよい。
このバッファ増幅器は電圧フォロワーモードで接続され
た演算増幅器である。その全ブリッジの一方側の過度の
負荷を防止するように、このバッファ増幅器がその増幅
器回路へ供給される電圧を絶縁する。
【0010】本発明の主要な利点は、同じ基板上に感知
構造及び増幅器回路を有するトランスデューサ回路の提
供である。
構造及び増幅器回路を有するトランスデューサ回路の提
供である。
【0011】シングルエンド電源のみを必要とする全ブ
リッジトランスデューサ用の回路を提供することが本発
明のもう一つの利点である。
リッジトランスデューサ用の回路を提供することが本発
明のもう一つの利点である。
【0012】そのブリッジのいかなるアームも演算増幅
器へ反転入力端子により負荷されない、全ブリッジトラ
ンスデューサ用の回路を提供することが本発明のもう一
つの利点である。
器へ反転入力端子により負荷されない、全ブリッジトラ
ンスデューサ用の回路を提供することが本発明のもう一
つの利点である。
【0013】簡単で且つ安価に製造できるトランスデュ
ーサ回路を提供することが本発明のもう一つの利点であ
る。
ーサ回路を提供することが本発明のもう一つの利点であ
る。
【0014】刺激に機能的に関係する正確な電子的信号
を発生するための単純な2個の増幅器回路設計を用いる
完全に集積されたトランスデューサ回路を提供すること
が本発明のもう一つの利点である。
を発生するための単純な2個の増幅器回路設計を用いる
完全に集積されたトランスデューサ回路を提供すること
が本発明のもう一つの利点である。
【0015】完全に集積された圧力センサ又は温度セン
サを提供することが本発明のもう一つの利点であり、そ
のセンサは最小限の量のレーザトリミング、すなわち較
正を必要とする。
サを提供することが本発明のもう一つの利点であり、そ
のセンサは最小限の量のレーザトリミング、すなわち較
正を必要とする。
【0016】以下の詳細な説明、特許請求の範囲及び図
面の閲覧によって、本発明の特徴及び利点がこの技術に
熟達した人々に明らかになるであろう。
面の閲覧によって、本発明の特徴及び利点がこの技術に
熟達した人々に明らかになるであろう。
【0017】
【実施例】本発明の一実施例が詳細に説明される前に、
本発明が以下の説明に述べられ又は図面に図解された構
造の詳細及び構成要素の配置に対する本発明の応用に制
限されないことは理解されねばならない。本発明は他の
態様が可能であり、また種々の方法で実施されあるいは
実行されることができる。また、ここに用いられる言葉
遣い及び学術用語は説明の目的のためのものであって、
制限するものとみなされるべきではないことは理解され
ねばならない。
本発明が以下の説明に述べられ又は図面に図解された構
造の詳細及び構成要素の配置に対する本発明の応用に制
限されないことは理解されねばならない。本発明は他の
態様が可能であり、また種々の方法で実施されあるいは
実行されることができる。また、ここに用いられる言葉
遣い及び学術用語は説明の目的のためのものであって、
制限するものとみなされるべきではないことは理解され
ねばならない。
【0018】本発明を使用するトランスデューサは図1
において参照符号10により指示されている。このトラン
スデューサは4個の抵抗アーム14、16、18及び20を有す
る抵抗ブリッジ12を含んでいる。好適な実施例において
は、このブリッジがホイートストンブリッジから成って
おり且つ、本発明の回路が(例えば、温度センサのよう
な)他の種類の全ブリッジ感知構造を使用するトランス
デューサによって使用するために同様に応用できるけれ
ども、この図面に示されたトランスデューサは圧力セン
サである。そのような圧力センサは、ここに参考文献に
より組み込まれる米国特許明細書第4,744,863 号、第4,
853,669 号及び第4,996,082 号に示され且つ記載されて
いる。
において参照符号10により指示されている。このトラン
スデューサは4個の抵抗アーム14、16、18及び20を有す
る抵抗ブリッジ12を含んでいる。好適な実施例において
は、このブリッジがホイートストンブリッジから成って
おり且つ、本発明の回路が(例えば、温度センサのよう
な)他の種類の全ブリッジ感知構造を使用するトランス
デューサによって使用するために同様に応用できるけれ
ども、この図面に示されたトランスデューサは圧力セン
サである。そのような圧力センサは、ここに参考文献に
より組み込まれる米国特許明細書第4,744,863 号、第4,
853,669 号及び第4,996,082 号に示され且つ記載されて
いる。
【0019】抵抗アーム14は接合点24と26とを相互接続
する圧電抵抗素子22を含んでいる。この圧電抵抗素子22
の抵抗値はその素子22に及ぼされる圧力の増加により線
形に増加する。
する圧電抵抗素子22を含んでいる。この圧電抵抗素子22
の抵抗値はその素子22に及ぼされる圧力の増加により線
形に増加する。
【0020】第2の圧電抵抗素子28が抵抗アーム16に含
まれている。圧電抵抗素子28が接合点30と32とを相互接
続する。圧電抵抗素子22と同じく、圧電抵抗素子28の抵
抗値はブリッジ12に及ぼされる圧力の増加により線形に
増加する。
まれている。圧電抵抗素子28が接合点30と32とを相互接
続する。圧電抵抗素子22と同じく、圧電抵抗素子28の抵
抗値はブリッジ12に及ぼされる圧力の増加により線形に
増加する。
【0021】第1定抵抗素子34が接合点26と32とを相互
接続する。接合点32は大地33へ接続されている。第2定
抵抗素子36が接合点24と30とを相互接続している。接合
点24は線38により電源電圧VCCへ接続されている。
接続する。接合点32は大地33へ接続されている。第2定
抵抗素子36が接合点24と30とを相互接続している。接合
点24は線38により電源電圧VCCへ接続されている。
【0022】接合点26は線44により演算増幅器42の正
(非反転)入力端子40へも接続されている。演算増幅器
42の出力が接合点46へ供給される。線48が接合点46を演
算増幅器42上の負(反転)入力端子50と相互接続してい
る。接合点46は入力抵抗RINにより接合点52へも相互接
続されている。
(非反転)入力端子40へも接続されている。演算増幅器
42の出力が接合点46へ供給される。線48が接合点46を演
算増幅器42上の負(反転)入力端子50と相互接続してい
る。接合点46は入力抵抗RINにより接合点52へも相互接
続されている。
【0023】正(非反転)入力端子56と負(反転)入力
端子58とを有する第2演算増幅器54が設けられている。
正端子56は線60によりブリッジ12の接合点30へ接続され
ている。負端子58は線62により接合点52へ接続さてい
る。演算増幅器54の出力端子は線66により接合点64へ接
続されている。線68がトランスデューサ10の出力信号を
接合点64からあらゆる適当な信号監視回路まで輸送す
る。前述のように、今後差動増幅器と呼ばれる、演算増
幅器54が、接合点46での電圧と接合点30での電圧との間
の差を増幅するように差動モードで接続されている。
端子58とを有する第2演算増幅器54が設けられている。
正端子56は線60によりブリッジ12の接合点30へ接続され
ている。負端子58は線62により接合点52へ接続さてい
る。演算増幅器54の出力端子は線66により接合点64へ接
続されている。線68がトランスデューサ10の出力信号を
接合点64からあらゆる適当な信号監視回路まで輸送す
る。前述のように、今後差動増幅器と呼ばれる、演算増
幅器54が、接合点46での電圧と接合点30での電圧との間
の差を増幅するように差動モードで接続されている。
【0024】フィードバック抵抗RF が接合点64と接合
点70とを相互接続している。接合点70と接合点52とは線
72によって接続されている。オフセット抵抗ROFFSETを
通して、接合点70が電源電圧VCCへも接続されている。
好適な実施例においては、オフセット抵抗ROFFSETはフ
ィードバック抵抗RF の抵抗値とほぼ等しい抵抗値を有
している。図2に示したように、抵抗RIN、ROFFSET及
びRF は、集積回路チップの感知ブリッジ12及び演算増
幅器54と同じ基板上に多結晶珪素の薄膜により形成され
ている。この回路の単純性の故に、抵抗ROFFSET及びR
F のみがレーザトリミングによる較正を必要とする。
点70とを相互接続している。接合点70と接合点52とは線
72によって接続されている。オフセット抵抗ROFFSETを
通して、接合点70が電源電圧VCCへも接続されている。
好適な実施例においては、オフセット抵抗ROFFSETはフ
ィードバック抵抗RF の抵抗値とほぼ等しい抵抗値を有
している。図2に示したように、抵抗RIN、ROFFSET及
びRF は、集積回路チップの感知ブリッジ12及び演算増
幅器54と同じ基板上に多結晶珪素の薄膜により形成され
ている。この回路の単純性の故に、抵抗ROFFSET及びR
F のみがレーザトリミングによる較正を必要とする。
【0025】動作においては、トランスデューサ回路10
を含む基板74が測定されるべき圧力のシステム内に置か
れる。零圧力においては、圧電抵抗素子22及び28が定抵
抗素子34及び36と同じ抵抗値を有している。ブリッジの
電圧分割動作の結果として、接合点26での電圧は電源電
圧VCCの半分と等しいはずである。同様に、圧電抵抗素
子28と定抵抗素子36とが零圧力では同じ抵抗値を有する
ので、接合点30での電圧は電源電圧VCCの半分と等し
い。
を含む基板74が測定されるべき圧力のシステム内に置か
れる。零圧力においては、圧電抵抗素子22及び28が定抵
抗素子34及び36と同じ抵抗値を有している。ブリッジの
電圧分割動作の結果として、接合点26での電圧は電源電
圧VCCの半分と等しいはずである。同様に、圧電抵抗素
子28と定抵抗素子36とが零圧力では同じ抵抗値を有する
ので、接合点30での電圧は電源電圧VCCの半分と等し
い。
【0026】演算増幅器42はバッファ増幅器として働く
ように電圧フォロワー形態で接続さている。バッファ増
幅器42が、接合点26の超過電流負荷を防止するように、
差動増幅器54から線44における電圧を絶縁している。接
合点46におけるバッファ増幅器42の出力電圧は、バッフ
ァ増幅器42の端子40における入力電圧と実質的に等し
い。
ように電圧フォロワー形態で接続さている。バッファ増
幅器42が、接合点26の超過電流負荷を防止するように、
差動増幅器54から線44における電圧を絶縁している。接
合点46におけるバッファ増幅器42の出力電圧は、バッフ
ァ増幅器42の端子40における入力電圧と実質的に等し
い。
【0027】差動増幅器54はブリッジ12の接合点26と接
合点30とにおける電圧の間の差に対応する増幅された信
号を生じるように設計されている。次の式が接合点64に
おける差動増幅器54の出力電圧を表現している。
合点30とにおける電圧の間の差に対応する増幅された信
号を生じるように設計されている。次の式が接合点64に
おける差動増幅器54の出力電圧を表現している。
【数1】
【0028】ここで、 ROFFSET=ROFFSETの抵抗値 RIN=RINの抵抗値 RF =RF の抵抗値
【数2】 Vpbridge =ブリッジ12の接合点30における電圧 Vnbridge =接合点46における電圧 VCC=電源電圧
【0029】前に討論したように、零圧力では、接合点
46における電圧は電源電圧VCCの半分とほぼ等しい。同
様に、接合点30における電圧は電源電圧VCCの半分とほ
ぼ等しい。フィードバック抵抗RF の抵抗値はすべての
圧力においてオフセット抵抗ROFFSETの抵抗値と等し
い。フィードバック抵抗の抵抗値は所望の利得を掛けら
れた入力抵抗RINにも等しい。上記の式に代入すること
によって、零圧力において、回路が接合点64における零
電圧の出力信号を生じるように設計されることが決定さ
れる。それだけで、零圧力において、接合点64における
出力信号が初期化される。トランスデューサ回路10が温
度を測定するために用いられる場合には、感知構造が平
衡され且つ出力(OUT) が零電圧である基準温度が選択さ
れ得る。
46における電圧は電源電圧VCCの半分とほぼ等しい。同
様に、接合点30における電圧は電源電圧VCCの半分とほ
ぼ等しい。フィードバック抵抗RF の抵抗値はすべての
圧力においてオフセット抵抗ROFFSETの抵抗値と等し
い。フィードバック抵抗の抵抗値は所望の利得を掛けら
れた入力抵抗RINにも等しい。上記の式に代入すること
によって、零圧力において、回路が接合点64における零
電圧の出力信号を生じるように設計されることが決定さ
れる。それだけで、零圧力において、接合点64における
出力信号が初期化される。トランスデューサ回路10が温
度を測定するために用いられる場合には、感知構造が平
衡され且つ出力(OUT) が零電圧である基準温度が選択さ
れ得る。
【0030】再びブリッジ12を参照して、圧力の増加が
圧電抵抗素子22及び28の抵抗値を増加させる。圧電抵抗
素子28の抵抗値が増大された場合には、接合点30におけ
る電圧も増大される。それに反して、圧電抵抗素子22の
抵抗値が増大されるので、接合点26における電圧は減少
するはずである。今度は、これが接合点46における電圧
を低下させる。接合点30における電圧を増大することに
より及び接合点46における電圧を低減することにより、
接合点64における差動増幅器54の出力電圧は線型に増加
することが上記の式から判る。差動増幅器54の最大出力
電圧は電源電圧VCCと等しいように設計されている。電
源電圧VCCは通常は直流5ボルトであって且つ、この回
路が正確に較正された場合には、トランスデューサが測
定するように設計されている最大圧力(又は他のパラメ
ータ)、例えば50〜3000psia (絶対ポンド/平方イン
チ、但し1ポンドは 0.454kgであり、1インチは2.54cm
である)においてこの回路は直流5ボルトを出力するは
ずである。
圧電抵抗素子22及び28の抵抗値を増加させる。圧電抵抗
素子28の抵抗値が増大された場合には、接合点30におけ
る電圧も増大される。それに反して、圧電抵抗素子22の
抵抗値が増大されるので、接合点26における電圧は減少
するはずである。今度は、これが接合点46における電圧
を低下させる。接合点30における電圧を増大することに
より及び接合点46における電圧を低減することにより、
接合点64における差動増幅器54の出力電圧は線型に増加
することが上記の式から判る。差動増幅器54の最大出力
電圧は電源電圧VCCと等しいように設計されている。電
源電圧VCCは通常は直流5ボルトであって且つ、この回
路が正確に較正された場合には、トランスデューサが測
定するように設計されている最大圧力(又は他のパラメ
ータ)、例えば50〜3000psia (絶対ポンド/平方イン
チ、但し1ポンドは 0.454kgであり、1インチは2.54cm
である)においてこの回路は直流5ボルトを出力するは
ずである。
【0031】いかにしてこのトランスデューサ回路が較
正されるかを説明するために、圧力センサが500psia ま
でを測定するように設計されており、且つそれが psia
当たり40μVの代表感度を有すると仮定しよう。二つの
圧力がトランスデューサに加えられて、差動増幅器54の
結果としての出力が測定される。これらの測定が圧力曲
線に対する線型出力電圧を生じる。実際の切片(零圧力
における電圧出力)及び圧力曲線に対する電圧出力の実
際の傾斜が計算されて(この例の目的に対しては、実際
の傾斜がm=0.008 であると計算されたと仮定しよ
う)、所望の又は理想の傾斜と比較され、それは 所望の傾斜=VCC/psiamax=5.0 ボルト/500 psia=
0.01 である。利得乗数(k)はこの時所望の傾斜を実際の傾
斜で割ることにより計算される。 k=(所望の傾斜)/(実際の傾斜)=0.01/0.008=
1.25 それ故に、k=1.25の係数により利得を増大することに
より、所望の最大出力応答が達成される。 利得=RF /RIN であるから、この利得はk=1.25の係数により増大され
得る。これはフィードバック抵抗RF に対して所望の抵
抗値を達成するようにフィードバック抵抗RF をレーザ
トリミングすることにより達成される。
正されるかを説明するために、圧力センサが500psia ま
でを測定するように設計されており、且つそれが psia
当たり40μVの代表感度を有すると仮定しよう。二つの
圧力がトランスデューサに加えられて、差動増幅器54の
結果としての出力が測定される。これらの測定が圧力曲
線に対する線型出力電圧を生じる。実際の切片(零圧力
における電圧出力)及び圧力曲線に対する電圧出力の実
際の傾斜が計算されて(この例の目的に対しては、実際
の傾斜がm=0.008 であると計算されたと仮定しよ
う)、所望の又は理想の傾斜と比較され、それは 所望の傾斜=VCC/psiamax=5.0 ボルト/500 psia=
0.01 である。利得乗数(k)はこの時所望の傾斜を実際の傾
斜で割ることにより計算される。 k=(所望の傾斜)/(実際の傾斜)=0.01/0.008=
1.25 それ故に、k=1.25の係数により利得を増大することに
より、所望の最大出力応答が達成される。 利得=RF /RIN であるから、この利得はk=1.25の係数により増大され
得る。これはフィードバック抵抗RF に対して所望の抵
抗値を達成するようにフィードバック抵抗RF をレーザ
トリミングすることにより達成される。
【0032】この利得調節は差動増幅器54の出力に「零
オフセット」を加える(すなわち、零psiaにおいて、出
力電圧は零と等しくない)。これはフィードバック抵抗
RFの抵抗値を乗ずるのに用いられる同じ係数(ゲイン
乗数(k))によりオフセット抵抗ROFFSETを増大する
ことにより除去される。
オフセット」を加える(すなわち、零psiaにおいて、出
力電圧は零と等しくない)。これはフィードバック抵抗
RFの抵抗値を乗ずるのに用いられる同じ係数(ゲイン
乗数(k))によりオフセット抵抗ROFFSETを増大する
ことにより除去される。
【0033】利得を増大させる代わりに、利得を減少す
ることが必要であることが決められた場合には、入力抵
抗RINの抵抗値がフィードバック抵抗RF の抵抗値の代
わりに調節されても(増大されても)よい。入力抵抗R
INの調節は差動増幅器54の出力のなんらの零オフセット
にはならない。
ることが必要であることが決められた場合には、入力抵
抗RINの抵抗値がフィードバック抵抗RF の抵抗値の代
わりに調節されても(増大されても)よい。入力抵抗R
INの調節は差動増幅器54の出力のなんらの零オフセット
にはならない。
【0034】この回路が変化する温度を受ける環境で使
用される場合には、感知構造の差動出力の温度誘起変動
に対する補償の幾つかの方法が設けられねばならない。
多くの既知の温度補償回路が適当であるけれども、好適
な態様の方法及び装置が米国特許出願一貫番号第08/22
8,963号の一部継続出願である米国特許出願一貫番号第0
8/291,878号に示され且つ説明されており、その出願は
「Improved Method AndApparatus For Compensating Fo
r Temperature Pluctuations In The Input ToA Gain C
ircuit」と表題を付され、発明者はMichael Mattes及び
James Seefeldtの名義であり、1994年4月15日に出願さ
た米国特許出願一貫番号第08/228,511号の一部継続出願
である米国特許出願一貫番号第08/291,871号と同時に出
願されたものである。
用される場合には、感知構造の差動出力の温度誘起変動
に対する補償の幾つかの方法が設けられねばならない。
多くの既知の温度補償回路が適当であるけれども、好適
な態様の方法及び装置が米国特許出願一貫番号第08/22
8,963号の一部継続出願である米国特許出願一貫番号第0
8/291,878号に示され且つ説明されており、その出願は
「Improved Method AndApparatus For Compensating Fo
r Temperature Pluctuations In The Input ToA Gain C
ircuit」と表題を付され、発明者はMichael Mattes及び
James Seefeldtの名義であり、1994年4月15日に出願さ
た米国特許出願一貫番号第08/228,511号の一部継続出願
である米国特許出願一貫番号第08/291,871号と同時に出
願されたものである。
【0035】本発明の種々の特徴及び利点は特許請求の
範囲に述べられている。
範囲に述べられている。
【図1】本発明を用いているトランスデューサの電気的
な図式的図面である。
な図式的図面である。
【図2】図1のトランスデューサの部分的な等角投影図
である。
である。
10 トランスデューサ 12 抵抗ブリッジすなわち感知ブリッジ 14, 16, 18, 20 抵抗アーム 22 圧電抵抗素子 24, 26 接合点 28 第2の圧電抵抗素子 30, 32 接合点 33 大地 34 第1定抵抗素子 36 第2定抵抗素子 38 線 40 正(非反転)入力端子 42 演算増幅器すなちバッファ増幅器 44 線 46 接合点 48 線 50 負(反転)入力端子 52 接合点 54 第2の演算増幅器すなわち差動増幅器 56 正(非反転)入力端子 58 負(反転)入力端子 60, 62 線 64 接合点 66, 68 線 70 接合点 72 線 74 基板 OUT 出力 RF フィードバック抵抗 RIN 入力抵抗 ROFFSET オフセット抵抗 VCC 電源電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート エル チャオ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94089 サニーヴェイル タスマン ドラ イブ 415
Claims (19)
- 【請求項1】 刺激に応じて且つその刺激に機能的に関
係する、増幅された信号を発生するトランスデューサ回
路であって、該トランスデューサ回路は、 電源へ活動的に接続されるように適合された感知ブリッ
ジであって、前記刺激に機能的に関係する差動電圧出力
を与える感知ブリッジと、 前記感知ブリッジの差動電圧出力を増幅し且つ出力とし
て増幅された信号を与えるための増幅器と、 トリミングを必要とする7個より少ない抵抗と、を具え
ているトランスデューサ回路。 - 【請求項2】 全体のトランスデューサ回路が単一の基
板上に形成されるように、前記増幅器、感知ブリッジ及
び抵抗が単一の基板上に形成されている、請求項1記載
のトランスデューサ回路。 - 【請求項3】 前記感知ブリッジが少なくとも2個の感
知素子を含んでいる請求項1記載のトランスデューサ回
路。 - 【請求項4】 前記感知素子が圧電抵抗であり、前記感
知ブリッジの差動電圧出力が前記圧電抵抗上の圧力に機
能的に関係するように、前記圧電抵抗の抵抗値が前記圧
電抵抗へ印加される圧力に応じて変化する、請求項3記
載のトランスデューサ回路。 - 【請求項5】 前記感知素子は集積された抵抗であり、
前記感知ブリッジの差動電圧出力が前記抵抗の温度に機
能的に関係するように、前記抵抗の抵抗値が前記抵抗の
温度に関連して変化する、請求項3記載のトランスデュ
ーサ回路。 - 【請求項6】 前記感知ブリッジの差動電圧出力を緩衝
するように、前記感知ブリッジと前記増幅器とへ活動的
に接続されたバッファ増幅器を更に具えている、請求項
1記載のトランスデューサ回路。 - 【請求項7】 前記回路がレーザトリミングを必要とす
るわずか2個の抵抗を含んでいる、請求項1記載のトラ
ンスデューサ回路。 - 【請求項8】 前記増幅器の利得が入力抵抗、及びフィ
ードバック抵抗により規定され、且つオフセット抵抗と
フィードバック抵抗とが前記増幅器に対するフィードバ
ック通路と活動的に関連している、請求項1記載のトラ
ンスデューサ回路。 - 【請求項9】 オフセット抵抗の抵抗値がフィードバッ
ク抵抗の抵抗値と実質的に等しい、請求項8記載のトラ
ンスデューサ回路。 - 【請求項10】 刺激に機能的に関係する増幅された信
号を発生するトランスデューサ回路でって、該トランス
デューサ回路は、 電源へ活動的に接続されるように適合され、且つ前記刺
激に機能的に関係する感知ブリッジ出力を発生する感知
ブリッジと、 前記感知ブリッジ出力を増幅し且つ出力として増幅され
た信号を与えるための増幅器と、 前記増幅器をバイアスするために基板上に形成されたわ
ずか3個の抵抗器と、を具えており、且つ該トランスデ
ューサ回路内の7個より少ない抵抗がトリミングを必要
とする、トランスデューサ回路。 - 【請求項11】 全体のトランスデューサ回路が前記基
板上にあるように、前記感知ブリッジ、増幅器、及び抵
抗が前記基板上に形成される、請求項10記載のトラン
スデューサ回路。 - 【請求項12】 前記感知ブリッジが少なくとも2個の
感知素子を含んでいる、請求項10記載のトランスデュ
ーサ回路。 - 【請求項13】 前記感知素子が圧電抵抗であり、前記
感知ブリッジの差動電圧出力が前記圧電抵抗上の圧力に
機能的に関係するように、前記圧電抵抗の抵抗値が前記
圧電抵抗へ印加される圧力に応じて変化する、請求項1
2記載のトランスデューサ回路。 - 【請求項14】 前記感知素子が集積された抵抗であっ
て、前記感知ブリッジの差動電圧出力が前記抵抗の温度
に機能的に関係するように、前記抵抗の抵抗値が前記抵
抗の温度に関連して変化する、請求項12記載のトラン
スデューサ回路。 - 【請求項15】 2個の前記抵抗性素子の抵抗値が実質
的に等しい、請求項10記載のトランスデューサ回路。 - 【請求項16】 前記回路がわずか2個のトリミングを
必要とする抵抗を含んでいる、請求項10記載のトラン
スデューサ回路。 - 【請求項17】 刺激に機能的に関係する大きさを有す
る増幅された信号を発生するトランスデューサ回路であ
って、該トランスデューサ回路が、 基板上に形成され且つ電源へ活動的に接続されるように
適合された感知ブリッジであり、該感知ブリッジは前記
刺激に機能的に関係する第1及び第2出力電圧を発生し
且つ前記感知素子の抵抗値がそれぞれ第1及び第2出力
電圧を変えるために前記刺激に応じて変わるような第1
及び第2抵抗性感知素子を含んでいる感知ブリッジと、 前記基板上に形成されたわずか1個のバッファであっ
て、該バッファは出力接合点を有し且つ入力として第1
出力電圧を受け取るために前記感知ブリッジへ接続され
ており且つ前記感知ブリッジの超過電流負荷を防止する
ように出力接合点上にバッファ出力を発生するバッファ
と、 増幅器が第1及び第2出力電圧の間の差を増幅し且つ前
記刺激に機能的に関係する増幅された出力を与えるよう
に、前記基板上に形成され且つバッファ出力接合点へ接
続された第1入力端子と第2出力電圧を受け取るために
前記感知ブリッジへ接続された第2入力端子を有するわ
ずか1個の増幅器と、 全体のトランスデューサ回路が基板上にあり、且つそこ
で各抵抗が前記増幅器の利得を規定するために予め決め
られた抵抗値を有するように抵抗性素子が前記増幅器へ
活動的に接続され、且つそこで該回路がわずか2個のト
リミングを必要とする抵抗を含むように、基板上に形成
された複数の抵抗性素子と、を含んでいるトランスデュ
ーサ回路。 - 【請求項18】 前記感知素子が圧電抵抗であり、前記
感知ブリッジの差動電圧出力が前記圧電抵抗上の圧力に
機能的に関係するよに、前記感知素子の抵抗値が前記圧
電抵抗へ印加される圧力に応じて変化する、請求項17
記載のトランスデューサ回路。 - 【請求項19】 前記感知素子が集積された抵抗であ
り、前記感知ブリッジの差動電圧出力が前記抵抗の温度
に機能的に関係するように、前記感知素子の抵抗値が前
記抵抗の温度に関連して変化する、請求項17記載のト
ランスデューサ回路。
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US22851194A | 1994-04-15 | 1994-04-15 | |
US08/291871 | 1994-08-17 | ||
US08/228511 | 1994-08-17 | ||
US08/291,871 US5507171A (en) | 1994-04-15 | 1994-08-17 | Electronic circuit for a transducer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07311100A true JPH07311100A (ja) | 1995-11-28 |
Family
ID=26922425
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7088349A Pending JPH07311100A (ja) | 1994-04-15 | 1995-04-13 | トランスデューサ回路 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5507171A (ja) |
EP (1) | EP0677725A1 (ja) |
JP (1) | JPH07311100A (ja) |
CA (1) | CA2145698C (ja) |
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