JPH10300571A - 焦電型赤外線検出装置における電流電圧変換回路 - Google Patents

焦電型赤外線検出装置における電流電圧変換回路

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JPH10300571A
JPH10300571A JP9106505A JP10650597A JPH10300571A JP H10300571 A JPH10300571 A JP H10300571A JP 9106505 A JP9106505 A JP 9106505A JP 10650597 A JP10650597 A JP 10650597A JP H10300571 A JPH10300571 A JP H10300571A
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光輝 畑谷
Yuji Takada
裕司 高田
Shinji Sakamoto
慎司 坂本
Toshio Fujimura
俊夫 藤村
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Abstract

(57)【要約】 【課題】演算増幅器に付加した帰還容量のインピーダン
ス特性を用いて電流電圧変換を行う回路において、抵抗
値が高いために、抵抗測定器では測定のできない入力抵
抗を回路に実装したままで容易に測定出来るようにす
る。 【解決手段】焦電素子が接続される帰還容量を付加した
演算増幅器と、この演算増幅器に入力抵抗を介して付加
接続された直流帰還回路と、帰還容量に設けた短絡用ス
イッチ回路を有した第1の試験パッドと、直流帰還回路
と上記入力抵抗との接続点に設けた第2の試験パッドと
を備えた構成としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、焦電素子を用い
て、人体から輻射される赤外線エネルギーを検出し、人
体の存在や移動の検知を行ったり、輻射エネルギー、室
温を検出することで放射温度計として働く、焦電型赤外
線検出装置、及びこれに使用される電流電圧変換回路の
改良に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の焦電型赤外線検出装置には、従
来よりFETを用いた電流電圧変換回路が使用されてい
る。この電流電圧変換回路は、図4に示したように、F
ETのゲートに焦電素子Csと高抵抗Rgを並列に接続
し、FETのソースとグランドに接続した出力抵抗Rs
より電圧信号を取り出すようになっており、熱線を感知
したとき焦電素子Csから出力される焦電流は高抵抗R
gで電圧に変換され、それをFETのゲートで受けてF
ETと抵抗Rsに電流を流すことによってFETのソー
ス電圧を変化させ、そのとき抵抗Rsに加わる電圧を信
号増幅回路に出力する構成となっている。
【0003】しかしながら、このようなFETバッファ
を用いた電流電圧変換回路では、熱雑音の影響を抑制
し、S/N比を改善するため、インピーダンス変換のた
めに抵抗値の極めて高い高抵抗が使用されているが、焦
電素子の最大のアプリケーションである人体検知に於け
る1Hz近傍に注目すれば、焦電センサに於ける動作の
安定性、つまり外来ノイズ、FETのバイアス電流変
動、高抵抗自身の抵抗値変化などを考慮すると、これ以
上S/N比の改善を望むことはほとんど限界に近い状況
になっている。
【0004】そこで、本発明者らは、このような現状を
考慮して、コンデンサのインピーダンスの周波数特性を
電流電圧変換に用いることを種々の観点から試験的に考
察した結果、S/N比の向上に更に有益でかつ実現可能
な電流電圧変換回路を知得し、特願平9−91047号
〜特願平9−91049号などにおいて提案している。
【0005】
【発明が解決しようとる課題】ところで、本発明者らが
既に提案したコンデンサのインピーダンスの周波数特性
を電流電圧変換に用いた電流電圧変換回路を実際に使用
する場合には、帰還容量を付加した基本となる演算増幅
器に、更に直流帰還回路を入力抵抗を介して付加接続し
て使用され、この場合の入力抵抗はインピーダンス変換
には使用されないため従来のFETを用いた電流電圧変
換回路のようにS/N比には直接影響しないが、やはり
熱雑音を抑制するために高い抵抗値のものが使用され
る。したがって、このような高抵抗を回路基板などに一
旦実装してしまうと、通常の抵抗測定器では測定でき
ず、簡易に測定できる方法が望まれていた。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の要請に
応えるもので、請求項1において提案する電流電圧変換
回路は、焦電素子が接続される帰還容量を付加した演算
増幅器と、この演算増幅器に入力抵抗を介して付加接続
された直流帰還回路と、上記帰還容量に設けた短絡用ス
イッチ回路を有した第1の試験パッドと、上記直流帰還
回路と上記入力抵抗との接続点に設けた第2の試験パッ
ドとを備えた構成としている。この電流電圧変換回路
は、焦電素子を除いた構成となっており、焦電素子は演
算増幅器に接続され、実装される前段階において、入力
抵抗の高い抵抗値が測定できるようになっいる。
【0007】また、請求項2において提案する電流電圧
変換回路は、帰還容量を付加した演算増幅器には焦電素
子が接続されるとともに、この演算増幅器には更に入力
抵抗を介して直流帰還回路を付加接続されており、更に
帰還容量には第1の試験パッドを有した短絡用スイッチ
回路を設けるとともに、直流帰還回路と入力抵抗との接
続点には第2の試験パッドを設けた構成としている。こ
の電流電圧変換回路では、焦電素子と入力抵抗を実装し
た状態で高い抵抗値が測定できるようになっている。
【0008】請求項3において提案する電流電圧回路
は、演算増幅器は、第1、第2の試験パッドがグランド
に接続されたときに、入力抵抗の両端に電位差を生じさ
せる基準電圧を印加した構成としており、これによっ
て、第2の試験パッドに短絡用スイッチ回路をオフにす
る制御電圧を加えたときに、帰還容量から電荷が放出さ
れたときに入力抵抗を通じて流れる電流を一定にしてい
る。
【0009】請求項4では、直流帰還回路は、帰還容量
を付加接続した演算増幅器とは異なる別の演算増幅器に
コンデンサと抵抗を接続付加して構成された積分回路で
構成したものを提案している。
【0010】
【発明の実施の形態】
[回路の実施例]図1に本発明の要部をなす電流電圧変
換回路の基本構成を示す。図に見るように、演算増幅器
1は焦電素子2に接続される入力ノードを有した入力端
子と、基準電圧Vrを接続する基準端子とを有してい
る。図例では、演算増幅器1の入力端子は反転入力端
子、出力端子は非反転入力端子となっており、演算増幅
器1の入力端子と出力端子との間には帰還容量Cfが接
続され、この帰還容量Cfは第1の試験パッド41を有
した短絡用スイッチ回路3によってその両端が短絡でき
るようになっている。
【0011】演算増幅器1の出力端子には、出力ノード
が設けられており、この出力ノードには、直流帰還回路
5を構成する別の演算増幅器51の非反転入力端子が接
続され、演算増幅器51の反転入力端子には、抵抗R1
と他端をグランドに接続した基準電圧Vrが接続され、
抵抗R1は更に別の帰還容量C1を介して、演算増幅器
51の出力端と入力抵抗の接続点に接続され、その接続
点には第2の試験パッド42を設けている。
【0012】ここに、直流帰還回路5は、演算増幅器5
1にコンデンサC1と抵抗R1とを付加させた積分回路
として構成されているが、このような電流電圧変換回路
は、その殆どをIC化して半導体基板上に実装すること
ができ、焦電型赤外線検出装置を小型、薄型化できる。
このような構成の電流電圧変換回路によれば、帰還容量
Cfのインピーダンス特性を用いて、焦電素子が熱量の
変化を感知したときに生じる焦電流を電圧信号に変換す
る際、従来のFETバッファのように高抵抗でインピー
ダンス変換していないため、高抵抗による熱雑音の影響
が著しく排除される。そのため、ノイズ源を根本的にな
くすことが出来き、トータルノイズの低減化が図れ、結
果としてS/Nを向上させることができ、この点は、前
述した出願において開示した通りである。
【0013】ついで、本発明の電流電圧変換回路に実装
された入力抵抗の測定原理を説明する。図1を参照して
入力抵抗Riを測定する場合は、まず、第1の試験パッ
ド41と第2の試験パッド42をグランドに接続し、そ
の状態で演算増幅器1に電源を投入する。これによっ
て、短絡用スイッチ回路3は帰還容量Cfを短絡するの
で、負帰還の掛かった演算増幅器1はバッファとして作
用する。その結果、演算増幅器1の入力端子、出力端子
の電圧はいずれも基準電圧Vrに等しくなり、更に演算
増幅器51の出力端子と入力抵抗との接続点もグランド
に接続され、入力抵抗Riにはイマジナリーショトによ
って入力端子に生じる基準電圧Vrが加わり、その状態
で回路は安定する。
【0014】ついで、第1の試験パッド41を電源電圧
VDDに上げると、帰還容量Cfから電荷が放出され、
入力抵抗RiにはI=Vr/Riで求められる電流が流
れ、帰還容量Cfの両端には電位差△V=(I・t)/
Cfが生じ、演算増幅器1の出力ノードの電位は最後に
はVDDに達する。従って、出力ノードの電圧がVrか
らVDDに到達するまでにかかった時間tと、そのとき
の電位差を測定すれば、Ri=(Vr・t)/(Cf・
△V)の式より、入力抵抗Riの値を測定することが出
来る。
【0015】なお、図2は、焦電素子2を接続した電流
電圧変換回路の一例を示すものである。この例では、入
力抵抗Riには焦電素子の等価抵抗R2が並列に接続さ
れているため、それらの合成抵抗が測定出来きるので、
以上と同様な方法によって合成抵抗を測定した後、並列
に接続された焦電素子の等価抵抗R2を除けば、入力抵
抗Riのみを算出することが出来ることはいうまでもな
い。 [シュミレーション例]図3は、本発明の電流電圧変換
回路において、VDD=2V,Vr=1V,Cf=10
pFとした時のシミュレーション結果を示している。図
2のVgは、第1の試験パッド41に与えた制御電圧を
示しており、Voutは出力ノードの電位を示してい
る。第1,第2の試験パッド41,42をグランドに接
続して、t=10秒間の間、回路を安定化させてから、
第1の試験パッド41の制御電圧Vgを0Vから2Vに
立ち上あげて、短絡用スイッチ回路3をオフさせる。こ
のスイッチ回路3をオフさせた時点では、出力ノードの
電圧は、演算増幅器1の基準電圧Vrに等しく1Vとな
っているが、t=10秒後には出力ノードの電圧Vou
tが基準電圧Vr=1Vから電源電圧であるVDD=2
Vに達し、飽和している。つまり、この図3では△V=
1V、t=10秒となっている。従って、Ri=(Vr
・t)/(Cf・△V)=(1V・10秒)/(10p
F・1V)=1TΩとして入力抵抗Riは測定出来るこ
とがわかる。
【0016】なお、以上の例では、演算増幅器1の出力
ノード電圧Voutが、第1、第2の試験パッド41,
42をグランドに接続した時点から、第2の試験パッド
42に制御電圧Vgを加えて、電源電圧に飽和するまで
の時間tと、その場合の電位差△Vを求めて、入力抵抗
の抵抗値を測定しているが、演算増幅器1の出力ノード
の電圧が飽和するまでの途中における電位差(電圧変
化)と、その電位差に至るまでの時間を求めることによ
って、入力抵抗の抵抗値を求めてもよく、この場合、抵
抗値が極めて大きい場合でも迅速な測定が可能となる。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、第1、第2の試験パッ
ドに電圧変化を加えるだけで、演算増幅器と、直流増幅
回路との間に接続された抵抗値の高い、通常の抵抗測定
器では測定できないような入力抵抗であっても、回路基
板に実装した状態で容易に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例(請求項1)の回路図であ
る。
【図2】本発明の一実施例(請求項2)の回路図であ
る。
【図3】本発明の動作のシミュレーション結果を示すグ
ラフである。
【図4】FETバッファを用いた従来の電流電圧変換回
路を示す図である。
【符号の説明】
1・・・演増幅器 2・・・焦電素子 3・・・短絡用スイッチ回路 41・・・第1の試験パッド 42・・・第2の試験パッド 5・・・直流帰還回路 51・・・演算増幅器 Cf・・・帰還容量 Ri・・・入力抵抗(高抵抗) R1・・・抵抗 C1・・・コンデンサ
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G01R 27/02 G01R 27/02 R (72)発明者 藤村 俊夫 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電工 株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】焦電素子が接続される帰還容量を付加した
    演算増幅器と、 この演算増幅器に入力抵抗を介して付加接続された直流
    帰還回路と、 上記帰還容量に設けた短絡用スイッチ回路を有した第1
    の試験パッドと、 上記直流帰還回路と上記入力抵抗との接続点に設けた第
    2の試験パッドとを備えた焦電型赤外線検出装置におけ
    る電流電圧変換回路。
  2. 【請求項2】帰還容量を付加した演算増幅器には焦電素
    子が接続されるとともに、この演算増幅器には更に入力
    抵抗を介して直流帰還回路を付加接続されており、上記
    帰還容量には第1の試験パッドを有した短絡用スイッチ
    回路を設け、かつ上記直流帰還回路と上記入力抵抗との
    接続点には第2の試験パッドを設けた構成とした焦電型
    赤外線検出装置における電流電圧変換回路。
  3. 【請求項3】請求項1,2のいずれかにおいて、 上記演算増幅器は、上記第1、第2の試験パッドがグラ
    ンドに接続されたときに、上記入力抵抗の両端に電位差
    を生じさせる基準電圧を印加した構成としている電流電
    圧変換回路。
  4. 【請求項4】請求項1,2のいずれかにおいて、 上記直流帰還回路は、上記帰還容量を付加接続した演算
    増幅器とは異なる別の演算増幅器に、コンデンサと抵抗
    を接続付加して構成された積分回路で構成されている電
    流電圧変換回路。
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