JPH09501798A - 電荷移送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電荷移送回路には、入力電荷Ｑ_in1、Ｑ_in2を受信する入力端子６８、７２と、反転入力を含む第１と第２の入力と、第１と第２の差分電流出力Ｉ_n1、Ｉ_p2あるいはＩ_n2、Ｉ_p2と、差分電流出力に応答して２つあるいはそれ以上の電流出力信号Ｉ_a1、Ｉ_b1あるいはＩ_a2、Ｉ_b2を発生させる複数出力ステ−ジ回路とが含まれており、前記電流出力信号の値は差分電流出力の値と関係がありかつ相互に関係がある。また、電流出力信号の１つを相互コンダクタンス増幅器の反転入力に送るフィードバックループＩ_f1、Ｉ_f2と、他の電流出力信号を積分して出力電荷Ｑ_o1、Ｑ_o2を発生させる積分器７６、８０とが含まれており、前記出力電荷の値は、入力電荷の値と関係がある。

Description

【発明の詳細な説明】 電荷移送装置発明の背景 本発明は、入力端子で受信された電荷に比例した電荷を、出力端子に移送ある いは送出する装置に関する。 電荷を測定するとか、電荷に応答することが必要な場合や、かかる電荷を１つ の位置から別の位置に正確に移送することが都合が良いとか、あるいはそれが必 要な場合に、電荷移送回路が適用される。そのような用途の例は、容量性位置セ ンサ、ピエゾ電気センサ、容量性湿度センサ、静電デジタイザ（electrostatic digitizing tablets）、静電界受信器（electrostatic field receivers）など である。 第１図に示す先行技術による電荷移送回路の代表事例には、「移送」すべき入 力電荷Ｑ_inを受信するコンデンサフィードバック電荷増幅器（capacitor feedba ck charge amplifier）Ａ₁が含まれている。図示のコンデンサＣ_sは、増幅器Ａ₁ の入力と大地電位との間に接続され、漂遊容量を表している。フィードバックコ ンデンサＣ_fは、増幅器Ａ₁の出力と入力との間に接続されており、スイッチＳ_i と並列である。この場合、増幅器Ａ₁の出力は、出力コンデンサＣ_oを介して、電 圧源Ｖ₁で示す出力負荷に接続されている。電荷移送回路は公知であり広く使用 されている。 先行技術による図１の電荷移送回路によれば、出力電圧が変化すると出力電荷 に誤差が生じうるが、この誤差は出力電荷がコンデンサに蓄積（積分）されてい ると発生することがある。また、従来の回路には、フィードバックコンデンサが 必要なため、この回路を組み立てるには、ある種の集積回路製造プロセスを使用 しなければならない。かかる製造プロセスは、回路にフィードバックコンデンサ を組込んではならない場合と比較すると、より多くの費用がかかるとともに煩雑 でもある。発明の要約 本発明の目的は、能率的で、製造が容易でかつ正確な電荷移送装置を提供する ことである。 本発明の別の目的は、フィードバックコンデンサを必要としない電荷移送装置 を提供することである。 本発明のさらに別の目的は、複数の出力電荷を発生させることができる電荷移 送装置を提供することであるが、これらの複数の出力電荷は、入力電荷と直線的 な関係があるとともに相互に直線的な関係がある。 本発明の一側面によれば、本発明のほかの目的は、差分入力電荷（differenti al input charge）から差分出力電荷（differential outout charge）を発生さ せることができる電荷移送装置を提供することである。 上に述べた本発明の各種目的は、電荷移送装置の特定のわかりやすい実施例で 実現されるが、この電荷移送装置には、入力電荷を受信する入力端子と、第１と 第２の差分入力と、第１と第２の差分電流出力（differential current output ）とを備え、第１の入力は入力端子に接続され、第２の入力は大地電位に接続さ れている相互コンダクタンス（transconductance）増幅器と、差分電流出力に応 答し、２つあるいはそれ以上の電流出力信号であって、その値が差分電流出力の 値と直線的な関係がありかつその値が相互に直線的な関係がある電流出力信号を 発生させる複数出力ステ−ジ（multiple output stage）と、が含まれている。 フィードバックループは、電流出力信号の１つを相互コンダクタンス増幅器の第 １の差分入力に供給するようになっている。 本発明の一側面によれば、電流出力信号の別のひとつを積分するため、電流積 分器が複数出力ステ−ジに接続され出力電荷を蓄積するが、この出力電荷の値は 入力電荷の値と関係がある。図面の簡単な説明 上に述べた本発明の各種目的、特徴、利点は、以下に述べる詳細な説明の検討 から明らかになるであろう。 第１図は、既に説明した先行技術による電荷移送回路の模式図である。 第２図は、本発明の原理に従ってつくられた電荷移送装置の模式図である。 第３図は、第２図の複数出力ステ−ジの代表的な実施例の模式図である。 第４図は、本発明の原理に従ってつくられた差分電荷移送回路の模式図である 。詳細な説明 第１図は、電荷移送回路に対する先行技術による方法を示しており、既に考察 済みである。 第２図は、本発明の原理に従ってつくられた電荷移送回路を示しているが、こ の電荷移送回路は、出力端子４に移送される電荷Ｑ_inをノードｘで受信する。こ の回路には、ノードｘに接続された反転入力１２と、ＡＣ大地に接続された非反 転入力１６とを備えた相互コンダクタンス増幅器８が含まれている。ノードｘと 大地との間に接続され、入力ノードに存在しうる漂遊容量を表すコンデンサＣ_s が示されている。相互コンダクタンス増幅器８は利得Ｇの相互コンダクタンスを 有し、（入力電圧から）差分電流出力Ｉ_n、Ｉ_pを出力端子２０に発生させる。こ れらの電流出力は、次式に示すように、ノードｘに発生する電圧と関係がある。 Ｉ_p＝Ｇ×（Ｖ₁₆−Ｖ_x） および Ｉ_n＝−Ｉ_p ここにＶ₁₆は非反転入力１６における電圧、Ｖ_xはノードｘの電圧である。 相互コンダクタンス増幅器８の電流出力は、複数出力ステ−ジ回路２４に供給 され、複数出力ステ−ジ回路２４は自身から複数の出力電流信号Ｉ_f、Ｉ_o1、． ．．．Ｉ_onを発生させる。電流出力信号Ｉ_fはノードｘと相互コンダクタンス増 幅器８の反転入力１２とにフィードバックされる。このフィードバック電流は、 入力電荷Ｑ_inを「中和する（neutralizes）」ので、入力電荷の値の尺度（measu re）になる。 他の電流出力信号I_o1、．．．、I_onが、コンデンサＣ₁、．．．、Ｃ_nによって 積分されてそれぞれ出力電荷Ｑ_o1、．．．、Ｑ_onを発生させると、これらの出力 電荷は出力端子４に供給される。出力電荷Ｑ_o1、．．．、Ｑ_onはすべて、入力電 荷Ｑ_inと直線的な関係がある。 相互コンダクタンス増幅器８は公知の装置である。第２図の回路では、増幅器 ８の代わりに、反転入力だけを備えた相互コンダクタンス増幅器を使用してもよ い。また、増幅器８の出力２０は、出力Ｉ_pだけを備えた「シングルエンド型」 であってもよいが、この場合は複数出力ステ−ジ回路２４に対する入力が１つし かないことは勿論である。複数出力ステ−ジ回路２４は各種の構成をとることが できるが、その１つが第３図に示されているので、あとでごく短い説明を行う。 第２図の電荷移送回路の動作を説明する場合、初期においてはノードｘの電圧 はゼロであり、正電荷Ｑ_inがこのノードに印加されていると想定されたい。この ためノードｘの電圧は、入力Ｑ_inの大きさに対応する量だけ増加する。そうなる と、リード線Ｉ_pに負の電流が、出力２０に正の電流Ｉ_nが発生する。この結果、 複数出力ステ−ジ回路２４によってリード線Ｉ_fに負の電流が発生し、この電流 はフィードバックループを流れて相互コンダクタンス増幅器８の反転入力１２に 戻る。この負の電流が流れると、ノードｘの電圧がゼロに低下して、フィードバ ック電流Ｉ_fとともに差分電流出力Ｉ_p、Ｉ_nもすべてゼロに戻る。このことが起 こっている時間中に、フィードバックループの電流が積分されて、−Ｑ_inに等し いＱ_fになる。複数出力ステ−ジ回路２４の他の出力の電流が積分されると、 Ｑ_o1＝−Ｋ₁×Ｑ_in ・・・・・・ Ｑ_on＝−Ｋ_n×Ｑ_in になる。ここでＫ₁、．．．、Ｋ_nは定数である。したがって、複数出力ステ−ジ 回路２４の出力のそれぞれに移送された電荷は、入力電荷Ｑ_inと直線的な関係が ある。 第３図は、複数出力ステ−ジ回路の一実施例を示しているが、この回路は第２ 図の複数出力ステ−ジ回路２４で利用できる。本回路には、複数の電流ミラー３ ０、３４、３８、４２、４６が含まれているが、電流ミラー３０、３４は供給側 （sourcing）電流ミラーであり、電流ミラー３８、４２、４６はシンク側（sink ing）電流ミラーである。これが意味していることは、供給側電流ミラーは電流 の供給源として動作し（シンク側電流ミラーは電流のシンクとして動作し）、こ れらは各基準電流に対し正比例（in direct ratio）している。たとえば、シン ク側電流ミラー３８では、電流Ｉ_pがミラーの基準入力ｒに供給されると、電流 ミラーは電流Ｉ₁を受け取るが、この場合、１：１の指定が示すように、電流Ｉ₁ は正しく基準電流に等しい。つまり、「１：１」の表示は、１対１の比率を意味 している。異なる電流ミラーの比率が選ばれると、複数のリード線５０に供給さ れる出力電流の間に特定セットの関係が生じる。第３図に示す特定 の電流ミラーに対して、電流ミラー３８はＩ₁＝Ｉ_pを、電流ミラー３０はＩ₂＝ ４×１₁、Ｉ₃＝Ｉ₁／２、Ｉ₄＝Ｉ₁／２を、電流ミラー４６はＩ₉＝Ｉ₄を、電流 ミラー４２はＩ₇＝４×Ｉ_p、Ｉ₈＝Ｉ_p／２、Ｉ₅＝Ｉ_p／２を、電流ミラー３４は Ｉ₆＝Ｉ₅を指定する（dictates）。これらの方程式を組合わせると、以下に示す 電流の値を求めることができる。 Ｉ_f ＝４×（Ｉ_p−Ｉ_n） Ｉ₀₁＝（Ｉ_p−Ｉ_n）／２＝Ｉ_f／８ Ｉ₀₂＝（Ｉ_n−Ｉ_p）／２＝−Ｉ_f／８ したがって、この回路が「移送」する出力電荷（が積分された場合）は、 Ｑ₀₁＝（−１／８）×Ｑ_in Ｑ₀₂＝（１／８）×Ｑ_in となる。 電流ミラーの各種組合わせを使用して他の比率をつくり出し、異なる利得で電 荷を移送することができることは明瞭である。 第４図は、本発明の原理にもとづいてつくられ、差分構成に配列された電荷移 送回路の模式図である。すなわち、出力電荷の差は入力電荷の差と関係がある。 差分回路構成は、雑音に対する不感度（insensitivity）が高いことは公知であ る。第４図の差分構成には共通モード除去機能（common mode rejection）があ る。雑音が両入力電荷に同じように影響する（すなわち、共通モードの）場合、 そのノイズは「除去」され、（回路素子が理想素子であってかつ完全に整合して いるほど）出力電荷に影響を与えない。その上、意図せずに（by unintended co upling）何らかの供給源から共通モード雑音が結合された場合、出力電荷におけ る差分は影響を受けず、前のまま残っている。 第４図の回路には、２つのセクション６０、６４が含まれており、各セクショ ンには、相互コンダクタンス増幅器（Ｇ₁、Ｇ₂）と、第２図に示す構成と同様で あるが、それぞれ３つの出力を備えた複数出力ステ−ジとがそれぞれ含まれてい る。セクション６０、６４の複数出力ステ−ジは、分かりやすく第３図に示す回 路にすればよいであろう。 それぞれ入力電荷Ｑ_in1、Ｑ_in2を受信する２つの入力端子６８、７２が備え られている。２つの入力端子６８、７２は２極双投スイッチＳ１に接続されてい るので、入力電荷Ｑ_in1、Ｑ_in2は、（スイッチＳ₁が上方にある場合）相互コン ダクタンス増幅器Ｇ₁と相互コンダクタンス増幅器Ｇ₂か、あるいは、（スイッチ Ｓ₁が下方にある場合）相互コンダクタンス増幅器Ｇ₂と相互コンダクタンス増幅 器Ｇ₁か、のいずれかにそれぞれ供給される。出力端子７６、８０に接続するた め、セクション６０、６４の出力に第２の２極双投スイッチＳ₂がある。特にセ クション６０の複数出力ステ−ジ回路の出力Ｉ_a1は、スイッチＳ２の上極（uppe r pole）と、セクション６４の出力Ｉ_b2とに接続される。また、セクション６４ の出力Ｉ_a2は、スイッチＳ₂の下極（lower pole）と、セクション６０の出力Ｉ_{b 1} とに接続される。以上の説明からわかることは、スイッチＳ₂を適切にセットす ると、セクション６０、６４の出力が、出力端子７６、８０か、あるいは、出力 端子８０、７６か、のいずれかに、それぞれ接続されるという事である。 これらのスイッチが一度セットされて、たとえば、両方とも上にセットされた ままになっていると、差分出力は、Ｑ₀₁−Ｑ₀₂＝２×ｋ×（Ｑ_in1−Ｑ_in2）にな る。ここにｋは、複数出力ステ−ジ６０、６４内の比率で決まる定数である。 スイッチＳ₁、Ｓ₂は、リード線８４が供給するチョッパ信号によって、両方と も上の位置になるように動くか、両方とも下の位置になるように動くことができ る。上の位置で１つの電荷移送を実行し、つぎに下の位置でもう１つの電荷移送 を実行することにより、２つの電荷移送の合計である最終電荷移送（net charge transfer）で（整合していない）非理想部品（non-ideal components）の効果 を打ち消すことができる。整合していない部品による効果の一例を挙げると、上 の位置における電荷移送によって生じた差分出力は、 Ｑ_o1−Ｑ_o2＝（Ｋ₁×Ｑ_in1−Ｋ₂×Ｑ_in2）＋ｅ になる。ここにｋ₁、ｋ_sは、６０、６４の中の複数出力ステ−ジによって決まる 定数であり、ｅはオフセットエラーの項である。この１回だけの移送で、差分入 力に正比例していることを示すことができないことは明かである。前回の移送と 同じ入力電荷だと仮定すると、スイッチが下の位置になっているときの移送の結 果は次式に示す差分出力になる。 Ｑ_o1−Ｑ_o2＝（Ｋ₂×Ｑ_in1−Ｋ₁ＸＱ_in2）−ｅ 両移送の最終である差分出力電荷は、前に示した２つの式の右辺を合計すること により与えられ、 Ｑ_o1−Ｑ_o2＝（Ｋ₁＋Ｋ₂）×（Ｑ_in1−×Ｑ_in2） になる。この式は差分出力電荷が差分入力に正比例していることを示している。 理解されたいことは、上に説明した装置は、本発明の原理の応用の一例に過ぎ ない、ということである。当業者ならば、本発明の主旨と範囲から逸脱せずに、 数多くの修正や代替回路を考案することが可能であり、添付の請求の範囲は、か かる修正や代替回路をカバーするように意図されている。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９４年１１月１４日 【補正内容】 補正された請求の範囲 ［１９９４年１１月１４日に国際事務局が受領した補正された請求の範囲であり 、当初の請求項１が補正されている。その他の請求項に変更はない。］ １．入力電荷を受信する入力端子と、 少なくとも１つの反転入力と、少なくとも１つの差分電流出力を有する相互コ ンダクタンス増幅器手段であって、前記入力は前記入力端子に接続される相互コ ンダクタンス増幅器手段と、 前記差分電流出力に応答して、２つあるいはそれ以上の電流出力信号を発生さ せる手段であって、前記電流出力信号の値は、前記差分電流出力の値と直線的な 関係がありかつ相互に直線的な関係がある手段と、 前記電流出力信号の１つを前記増幅器手段の入力に送出するフィードバック手 段と、 を含むことを特徴とする電荷移送回路。 ２．請求項１記載の回路であって、別の電流出力信号を積分して出力電荷を発 生させる手段をさらに含み、前記出力電荷の値は入力電荷と関係があることを特 徴とする回路。 ３．請求項２記載の回路であって、正の入力電荷に対する差分電流出力は正で あり、前記１つの電流出力信号は負であることを特徴とする回路。 ４．請求項１記載の回路であって、前記電流出力を発生させる手段は、複数の 電流出力を発生させる複数の電流ミラーを含み、前記複数の電流出力の値は、差 分電流出力の値と関係がありかつ相互に関係があることを特徴とする回路。 ５．請求項２記載の回路であって、前記積分手段はコンデンサを含むことを特 徴とする回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．入力電荷を受信する入力端子と、 少なくとも１つの反転入力と、少なくとも１つの差分電流出力を有する相互コ ンダクタンス増幅器手段であって、前記入力は前記入力端子に接続される相互コ ンダクタンス増幅器手段と、 前記差分電流出力に応答して、２つあるいはそれ以上の電流出力信号を発生さ せる手段であって、前記電流出力信号の値は、前記差分電流出力の値と関係があ りかつ相互に関係がある手段と、 前記電流出力信号の１つを前記増幅器手段の入力に送出するフィードバック手 段と、 を含むことを特徴とする電荷移送回路。 ２．請求項１記載の回路であって、別の電流出力信号を積分して出力電荷を発 生させる手段をさらに含み、前記出力電荷の値は入力電荷と関係があることを特 徴とする回路。 ３．請求項２記載の回路であって、正の入力電荷に対する差分電流出力は正で あり、前記１つの電流出力信号は負であることを特徴とする回路。 ４．請求項１記載の回路であって、前記電流出力を発生させる手段は、複数の 電流出力を発生させる複数の電流ミラーを含み、前記複数の電流出力の値は、差 分電流出力の値と関係がありかつ相互に関係があることを特徴とする回路。 ５．請求項２記載の回路であって、前記積分手段はコンデンサを含むことを特 徴とする回路。 ６．それぞれ第１と第２の入力電荷を受信する第１と第２の個別電荷移送回路 ステ−ジ、 それぞれの入力電荷を受信する反転入力と差分電流出力とを備えた相互コンダ クタンス増幅器と、 少なくとも３つの電流出力信号を発生させる複数出力ステ−ジ手段であって、 前記電流出力信号の値は、相互に関係があり、かつ前記差分電流出力の大きさに よって決まる、複数出力ステ−ジ手段と、 相互コンダクタンス増幅器の前記反転入力に、第１の電流出力信号を供給するフ ィードバックループと、 を含む第１と第２の個別電荷移送回路と、 第１の個別電荷移送回路の複数出力ステ−ジ手段からの第２の電流出力信号と 、第２の個別電荷移送回路の複数出力ステ−ジ手段からの第３の電流出力信号と を合計して、第１の合計された電流信号を発生させる第１の手段と、 第１の個別電荷移送回路の複数出力ステ−ジ手段からの第３の電流出力信号と 、第２の個別電荷移送回路の複数出力ステ−ジ手段からの第２の電流出力信号と を合計して、第２の合計された電流信号を発生させる第２の手段と、 を含むことを特徴とする差分電荷移送装置。 ７．請求項６記載の装置であって、第１と第２の合計された信号にそれぞれ比 例する第１と第２の電荷を発生させる、第１と第２の積分器手段をさらに含むこ とを特徴とする装置。 ８．請求項７記載の装置であって、 第１と第２の個別電荷移送回路と、第２と第１の個別電荷移送回路とに、第１ と第２の入力電荷を交互にそれぞれ供給する第１のスイッチ手段と、 第１と第２の積分器手段と、第２と第３の積分器手段とに、第１と第２の合計 された電流信号を交互にそれぞれ供給する第２のスイッチ手段と、 をさらに含むことを特徴とする装置。