JPH11132787A - Electricity quantity detecting circuit - Google Patents

Electricity quantity detecting circuit

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JPH11132787A
JPH11132787A JP30119297A JP30119297A JPH11132787A JP H11132787 A JPH11132787 A JP H11132787A JP 30119297 A JP30119297 A JP 30119297A JP 30119297 A JP30119297 A JP 30119297A JP H11132787 A JPH11132787 A JP H11132787A
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capacitance
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健太朗 水野
Norikazu Ota
則一 太田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a large output with a simple circuit configuration in detecting the electric quantities of micro capacitance change and charge change. SOLUTION: The circuit for detecting electric quantities of capacitance change or charge change in a first capacitor 11 is provided with an operational amplifier 10, a time differential operation means which is connected to an non- inverting input terminal of the operational amplifier 10 and has the first capacitor 11 and a first resistance 21, and a time integrating operation means which is connected to an inverting input terminal of the operational amplifier 10 and has a second capacitor 23 and a second resistance 22 constituting a feedback capacity. The differential operation means in the non-inverting input terminal side differentially operates the minimum capacity change in the first capacitor and the integral operation means in the inverting input terminal side integrates this so that the micro capacitance change is converted into a voltage and to be detected. Even if the feedback capacity 23 is large, the enlargement of the ratio of the resistances 21, 22 can sufficiently enlarge the amplification factor of the operational amplifier 10.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電気量検出回路、
例えば静電容量型の物理量測定装置などに利用される回
路、特に微小な電気量の検出が可能な回路に関する。
The present invention relates to an electric quantity detection circuit,
For example, the present invention relates to a circuit used for a capacitance-type physical quantity measuring device and the like, particularly to a circuit capable of detecting a minute amount of electricity.

【0002】[0002]

【従来の技術】物理量測定などに利用される容量センサ
であるコンデンサにおける微小容量変化の検出には、図
3に示すような構成の検出回路が用いられている。この
検出回路は演算増幅器30を有し、演算増幅器30の反
転入力端子に容量センサCSが設けられ、この容量セン
サCSには電圧Vbbが印加されている。また、演算増幅
器30の出力端子と反転入力端子との間の帰還経路には
帰還容量CFが配置され、演算増幅器30の非反転入力
端子は接地されている。そして、演算増幅器30は、そ
の非反転入力端子に接続された容量センサCSにおける
容量変化ΔCSを電気信号に変換して出力電圧Voutを
発生する。
2. Description of the Related Art A detection circuit having a configuration as shown in FIG. 3 is used for detecting a minute change in capacitance of a capacitor which is a capacitance sensor used for physical quantity measurement and the like. The detection circuit has an operational amplifier 30, and a capacitive sensor CS is provided at an inverting input terminal of the operational amplifier 30, and a voltage Vbb is applied to the capacitive sensor CS. In addition, a feedback capacitance CF is arranged in a feedback path between the output terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 30, and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 30 is grounded. Then, the operational amplifier 30 converts the capacitance change ΔCS in the capacitance sensor CS connected to the non-inverting input terminal into an electric signal to generate an output voltage Vout.

【0003】容量センサCSにおける微小容量変化ΔC
Sと演算増幅器30の出力電圧Voutとの関係は次式
(1)のように表される。
[0003] Small capacitance change ΔC in capacitance sensor CS
The relationship between S and the output voltage Vout of the operational amplifier 30 is expressed by the following equation (1).

【0004】[0004]

【数1】 Vout=(ΔCS/CF)・Vbb ・・・(1) 上式(1)から明らかなように、帰還容量CFを小さく
できれば、この増幅器30の利得を大きくできるが、実
際には帰還容量CFと並列に存在する寄生容量CCの影
響を受けるため、所望の出力電圧Voutが得られない。
つまり、帰還容量CFに対して寄生容量CCが無視でき
ない大きさになってくると、式(1)は次式のようにな
る。
Vout = (ΔCS / CF) · Vbb (1) As is apparent from the above equation (1), if the feedback capacitance CF can be reduced, the gain of the amplifier 30 can be increased. The desired output voltage Vout cannot be obtained because of the influence of the parasitic capacitance CC existing in parallel with the feedback capacitance CF.
That is, when the parasitic capacitance CC becomes not negligible with respect to the feedback capacitance CF, the equation (1) becomes as follows.

【0005】[0005]

【数2】 Vout={ΔCS/(CF+CC)}・Vbb ・・・(2) 従って、微小容量変化ΔCSに対して得られる出力電圧
Voutの大きさは、寄生容量CCで制限されてしまう。
さらに、実際に得られる出力電圧が寄生容量CCに依存
することになってしまい、出力電圧Voutを任意に設定
することが困難となる。また、寄生容量CCが温度など
の環境に大きく依存する場合には、温度変化に対して非
常に不安定な利得となってしまう。
Vout = {ΔCS / (CF + CC)} · Vbb (2) Therefore, the magnitude of the output voltage Vout obtained for the small capacitance change ΔCS is limited by the parasitic capacitance CC.
Further, the actually obtained output voltage depends on the parasitic capacitance CC, which makes it difficult to arbitrarily set the output voltage Vout. Further, when the parasitic capacitance CC greatly depends on the environment such as the temperature, the gain becomes very unstable with respect to the temperature change.

【0006】このような寄生容量CCによる問題を解消
するには、帰還容量CFを寄生容量CCよりも大きくな
るように設定し、つまり増幅器30で構成する検出回路
の利得を下げ、図4に示すように、もう一段増幅器を設
け、次段増幅器32で所望の利得となるようにすること
が考えられる。
In order to solve such a problem caused by the parasitic capacitance CC, the feedback capacitance CF is set to be larger than the parasitic capacitance CC, that is, the gain of the detection circuit formed by the amplifier 30 is reduced, and the feedback capacitance CF shown in FIG. Thus, it is conceivable to provide another stage amplifier so that the next stage amplifier 32 has a desired gain.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図4の
ように次段増幅器32を追加すると、部品点数及び回路
占有面積の増大を招く結果となる。例えば、容量センサ
としての微小ギャップが形成された半導体基板上に、こ
の微小ギャップにおける静電容量変化を検出するための
上述のような回路素子を形成する場合など、装置全体の
小型化が求められている。従って、次段増幅器32の追
加は、装置の小型化の要請に沿うことができない。
However, the addition of the next-stage amplifier 32 as shown in FIG. 4 results in an increase in the number of components and the area occupied by the circuit. For example, when a circuit element as described above for detecting a change in capacitance in this minute gap is formed on a semiconductor substrate on which a minute gap is formed as a capacitance sensor, a reduction in the size of the entire device is required. ing. Therefore, the addition of the next-stage amplifier 32 cannot meet the demand for miniaturization of the device.

【0008】また、使用する演算増幅器がオフセット電
圧を有する場合、演算増幅器の大きな開放利得のためオ
フセット電圧で出力電圧が飽和してしまうことが考えら
れる。そのような場合、図5に示すように、帰還容量C
Fと並列に帰還抵抗RFを追加して、直流的に帰還がか
かるようにする。このような場合、帰還容量CFと帰還
抵抗の抵抗値RFは次式のような設定が必要となる。
When the operational amplifier used has an offset voltage, the output voltage may be saturated by the offset voltage due to the large open gain of the operational amplifier. In such a case, as shown in FIG.
A feedback resistor RF is added in parallel with F so that direct feedback is applied. In such a case, the feedback capacitance CF and the resistance value RF of the feedback resistor need to be set as in the following equation.

【0009】[0009]

【数3】 RF >> 1/(ωL・CF) ωL :検出する容量変化の最低周波数 ・・・(3) 例えば、CF=1pF,ωL =1kHzとした場合、1
/(ωL・CF)≒16MΩとなり、抵抗RLとしては
それ以上に大きな抵抗値が必要となり、実使用において
扱いにくくなってしまう。扱い易さを優先するために抵
抗RFを小さくすると、帰還容量CFを大きくする必要
があり、式(1)から分かるように出力電圧Voutが低
下してしまう。
[Number 3] RF >> 1 / (ω L · CF) ω L: the lowest frequency ... of the capacitance change detection (3) For example, if you have CF = 1pF, and ω L = 1kHz, 1
/ (Ω L · CF) ≒ 16 MΩ, which requires a larger resistance value as the resistance RL, which makes it difficult to handle in actual use. If the resistance RF is reduced to give priority to ease of handling, it is necessary to increase the feedback capacitance CF, and as can be seen from the equation (1), the output voltage Vout decreases.

【0010】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、微小容量変化ΔCSをより大きな電圧
振幅として得ることを可能としつつ、従来必要であった
次段増幅器を不要として、電気量検出回路における部品
点数の削減、回路占有面積の低減、回路の安定動作を実
現することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problem, and it is possible to obtain a small capacitance change .DELTA.CS as a larger voltage amplitude while eliminating the need for a conventional next-stage amplifier. It is an object to reduce the number of components in a quantity detection circuit, reduce the area occupied by a circuit, and realize a stable operation of the circuit.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電気量検出回路は、第1コンデンサにおけ
る容量変化又は電荷変化の電気量を検出する回路におい
て、演算増幅器と、前記演算増幅器の非反転入力端子に
接続され、前記第1コンデンサ及び第1抵抗とを有する
時間的な微分演算手段と、前記演算増幅器の反転入力端
子に接続され、第2コンデンサ及び第2抵抗とを有する
時間的な積分演算手段と、を有し、前記第2コンデンサ
が前記演算増幅器の前記反転入力端子と出力端子との間
の帰還路に接続されている。
In order to achieve the above object, an electric quantity detection circuit according to the present invention is a circuit for detecting an electric quantity of a change in capacitance or a change in electric charge in a first capacitor. A temporal differential operation means connected to the non-inverting input terminal of the amplifier and having the first capacitor and the first resistor; and a second capacitor and a second resistance connected to the inverting input terminal of the operational amplifier. A second integration capacitor, and the second capacitor is connected to a feedback path between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier.

【0012】第1コンデンサにおける微小容量変化ΔC
Sに対して、微分演算手段で得られる電圧Vdは、次式
(4)のように表せる。
Small capacitance change ΔC in first capacitor
With respect to S, the voltage Vd obtained by the differential operation means can be expressed as the following equation (4).

【0013】[0013]

【数4】 Vd=K1・d/dt(ΔCS) 但し、K1は定数 ・・・(4) また、出力端子からの出力電圧Voutは、積分演算手段
により電圧Vdを積分した結果であり、次式(5)のよ
うになり、微小容量変化ΔCSに比例した出力電圧Vou
tが得られる。
Vd = K1 · d / dt (ΔCS) where K1 is a constant (4) Further, the output voltage Vout from the output terminal is the result of integrating the voltage Vd by the integration operation means. The output voltage Vou is proportional to the small capacitance change ΔCS as shown in the equation (5).
t is obtained.

【0014】[0014]

【数5】 また、本発明では、センサ容量CSの微小容量変化ΔC
Sを検出した場合の出力電圧Voutは次式(6)のよう
になる。
(Equation 5) Further, in the present invention, the small capacitance change ΔC of the sensor capacitance CS
The output voltage Vout when S is detected is as shown in the following equation (6).

【0015】[0015]

【数6】 また、上式(6)において、V’out及びKは、次式
(7)、(8)で表される。
(Equation 6) In the above equation (6), V′out and K are expressed by the following equations (7) and (8).

【0016】[0016]

【数7】 V’out=(ΔCS/CF)・Vbb ・・・(7)V′out = (ΔCS / CF) · Vbb (7)

【数8】 K=RL/R1 ・・・(8) 従って、本発明の電気量検出回路では、演算増幅器の非
反転入力端子側に微分演算手段を設け、反転入力端子側
に積分演算手段を設けることで、抵抗比K(=RL/R
1)を1より大きく設定すれば十分な増幅効果が得ら
れ、従来、必要としていた次段増幅器を不要にすること
ができる。また、抵抗比Kで利得を大きくできる分、コ
ンデンサCFも大きくできる。このため、コンデンサC
Fに並列な寄生容量CCが存在したとしても、コンデン
サCFを大きく出る分、寄生容量CCの影響を受けにく
くすることができ、その結果、安定な動作が可能にな
る。
K = RL / R1 (8) Therefore, in the electric quantity detection circuit of the present invention, the differential operation means is provided on the non-inverting input terminal side of the operational amplifier, and the integration calculating means is provided on the inverting input terminal side. The resistance ratio K (= RL / R
If 1) is set to be larger than 1, a sufficient amplification effect can be obtained, and the conventionally required next-stage amplifier can be eliminated. Further, as the gain can be increased by the resistance ratio K, the capacitor CF can also be increased. Therefore, the capacitor C
Even if there is a parasitic capacitance CC parallel to F, the large amount of the capacitor CF makes it less likely to be affected by the parasitic capacitance CC. As a result, stable operation can be achieved.

【0017】更に、本発明の回路では、抵抗比Kを大き
く設定すれば、その分第2コンデンサとして大きな容量
CFのものを使用することができるため、出力電圧Vou
tが低下することがない。また、例えば従来の図5に示
すような帰還抵抗RFを設けた場合に、この帰還抵抗と
して小さな抵抗値のものを使用することが可能となる。
Further, in the circuit of the present invention, if the resistance ratio K is set to a large value, a second capacitor having a large capacitance CF can be used correspondingly, so that the output voltage Vou
t does not decrease. Further, for example, when a conventional feedback resistor RF as shown in FIG. 5 is provided, it is possible to use a feedback resistor having a small resistance value.

【0018】この場合、第1コンデンサにおける電気量
変化を安定した(一定の)利得で増幅できる周波数帯域
として利得が制限される。低域遮断周波数FCL、広域
遮断周波数FCHとすると、これらは下記のように表す
ことができる。
In this case, the gain is limited as a frequency band in which a change in the amount of electricity in the first capacitor can be amplified with a stable (constant) gain. Assuming a low-band cutoff frequency FCL and a wide-band cutoff frequency FCH, these can be expressed as follows.

【0019】FCL=1/(2π・CS・RL) FCH=1/(2π・CF・RF) もしくは、 FCH=(オペアンプの周波数特性で決まる) したがって、安定した利得Gで検出可能な第1のコンデ
ンサの電気量変化の周波数fは、図6(a)に示すよう
に、おおむね FCL<F<FCH となる。
FCL = 1 / (2π · CS · RL) FCH = 1 / (2π · CF · RF) or FCH = (determined by the frequency characteristic of the operational amplifier) Therefore, the first detectable signal with a stable gain G As shown in FIG. 6A, the frequency f of the change in the amount of electricity of the capacitor is approximately FCL <F <FCH.

【0020】本発明では、上記構成に加え、更に、演算
増幅器の非反転入力端子に対し、容量センサなどからな
る第1コンデンサと並列に、基準容量を成す第3コンデ
ンサを備える構成も適用することができる。第3コンデ
ンサを第1コンデンサと並列させて設け、例えばこの2
つのコンデンサを初期状態における電荷量が等しくなる
ように設定し、第1コンデンサにおける容量変化や電荷
量変化等の電気量を第3コンデンサとの比較により検出
する。
In the present invention, in addition to the above configuration, a configuration is also provided in which a non-inverting input terminal of the operational amplifier is provided with a third capacitor serving as a reference capacitor in parallel with a first capacitor including a capacitance sensor. Can be. A third capacitor is provided in parallel with the first capacitor.
The two capacitors are set to have the same amount of charge in the initial state, and the amount of electricity such as a change in the capacity or the amount of charge in the first capacitor is detected by comparison with the third capacitor.

【0021】本発明では、上記構成に加え、更に、演算
増幅器の非反転入力端子に対し、容量センサなどからな
る第1コンデンサと並列に、基準容量を成す第3コンデ
ンサを備える構成も適用することができる。例えば、第
1コンデンサの演算増幅器の非反転入力に接続しない側
である入力端子に電圧Vbb1を、第3コンデンサの入
力端子にVbb2を印加する。この時Vbb1、Vbb
2は、大きさが等しく極性が反対の正弦波交流電圧とす
る。
In the present invention, in addition to the above-described configuration, a configuration in which a non-inverting input terminal of the operational amplifier is provided with a third capacitor forming a reference capacitance in parallel with a first capacitor including a capacitance sensor is also applied. Can be. For example, the voltage Vbb1 is applied to the input terminal of the first capacitor which is not connected to the non-inverting input of the operational amplifier, and the voltage Vbb2 is applied to the input terminal of the third capacitor. At this time, Vbb1, Vbb
2 is a sine wave AC voltage having the same magnitude and opposite polarity.

【0022】Vbb1=Vbb・sin(ωs・t)=
Vbb・sin(2π・fs・t) Vbb2=−Vbb・sin(ωs・t)=−Vbb・
sin(2π・fs・t) このように2つのコンデンサを初期状態における電荷量
が等しくなるように設定し、第1のコンデンサにおける
容量変化や電荷量変化等の電気量を第3コンデンサとの
比較により検出する。これにより、第1コンデンサの電
気量変化に対して、直流(的な)成分からゆっくりとし
た変化する成分を検出することが可能となる。安定した
利得Gで検出可能な第1コンデンサの電気量の周波数変
化範囲は、図6(b)に示すように、おおむね、直流か
ら(fs/2)となる。
Vbb1 = Vbb · sin (ωs · t) =
Vbb · sin (2π · fs · t) Vbb2 = −Vbb · sin (ωs · t) = − Vbb ·
sin (2π · fs · t) In this way, the two capacitors are set so that the electric charge amounts in the initial state are equal, and the electric amount such as a change in capacitance or a change in electric charge amount in the first capacitor is compared with that of the third capacitor. Is detected by This makes it possible to detect a component that slowly changes from a direct current component in response to a change in the amount of electricity of the first capacitor. As shown in FIG. 6B, the frequency change range of the amount of electricity of the first capacitor that can be detected with a stable gain G is substantially from DC to (fs / 2).

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、図面を用いてこの発明の好
適な実施の形態(以下実施形態という)について説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings.

【0024】[実施形態1]図1は、この発明の実施形
態に係る電気量検出回路の構成例を示している。図1に
おいて、演算増幅器10の非反転入力端子(+)と、入
力端子1との間には、容量センサを成す第1コンデンサ
11が接続され、共通端子2とこの演算増幅器10の非
反転入力端子の間には第1抵抗21が接続されている。
演算増幅器10の反転入力端子(−)と共通端子2との
間には第2抵抗22が接続され、更に、演算増幅器10
の反転入力端子と出力端子3との間の帰還経路中には帰
還容量をなす第2コンデンサ23が接続されている。
[First Embodiment] FIG. 1 shows a configuration example of an electric quantity detection circuit according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a first capacitor 11 forming a capacitance sensor is connected between a non-inverting input terminal (+) of an operational amplifier 10 and an input terminal 1, and a common terminal 2 and a non-inverting input of the operational amplifier 10 are connected. A first resistor 21 is connected between the terminals.
A second resistor 22 is connected between the inverting input terminal (−) of the operational amplifier 10 and the common terminal 2.
In the feedback path between the inverting input terminal and the output terminal 3, a second capacitor 23 forming a feedback capacitance is connected.

【0025】このような構成において、演算増幅器10
の非反転入力端子に接続された第1コンデンサ11及び
第1抵抗21は、第1コンデンサ11における容量変化
や電荷変化等の電気量の時間的微分演算手段を構成し、
演算増幅器10の反転入力端子に接続された第2抵抗2
2及び第2コンデンサ23は時間的な積分演算手段を構
成する。また、入力端子1と共通端子2との間に電圧V
bbが印加され、上記微分演算手段が第1コンデンサ11
の微小容量変化を微分演算し、積分演算手段がこれを積
分することにより、第1コンデンサ11の微小容量変化
が出力端子3と共通端子2との間の電圧Voutに変換
し、出力端子3からこの電圧Voutを出力信号として出
力する。
In such a configuration, the operational amplifier 10
The first capacitor 11 and the first resistor 21 connected to the non-inverting input terminal of the first capacitor 11 constitute a time differential operation means of an electric quantity such as a change in capacitance or a change in charge in the first capacitor 11,
The second resistor 2 connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 10
The second and second capacitors 23 constitute a temporal integration calculating means. Further, the voltage V between the input terminal 1 and the common terminal 2
bb is applied, and the differential operation means
Is differentiated, and the integration operation means integrates the difference to convert the minute capacitance change of the first capacitor 11 into a voltage Vout between the output terminal 3 and the common terminal 2. This voltage Vout is output as an output signal.

【0026】このような検出回路において、第1コンデ
ンサ11はよく知られた半導体容量センサとして構成す
ることができる。例えば、半導体基板に微小ギャップを
隔てたダイヤフラムと、微小ギャップの対向面に位置す
るように電極を形成したものである。測定する物理量が
圧力の場合に、形成された微小ギャップが圧力によって
変化することで微小ギャップの容量が変化し、この容量
変化を検出することで物理量である圧力を測定すること
が可能となっている。また、微小ギャップにおける電気
量の検出によって測定することのできる物理量として
は、上記圧力の他、加速度や角速度等が一例として挙げ
られる。また、本実施形態1において演算増幅器10
は、上記容量センサと同一の半導体基板上に形成するこ
ともできる。
In such a detection circuit, the first capacitor 11 can be configured as a well-known semiconductor capacitance sensor. For example, a diaphragm is formed on a semiconductor substrate with a minute gap therebetween, and electrodes are formed so as to be located on the surface facing the minute gap. When the physical quantity to be measured is pressure, the capacity of the minute gap changes due to the change in the formed minute gap due to the pressure, and it is possible to measure the pressure, which is the physical quantity by detecting this change in capacity. I have. Examples of the physical quantity that can be measured by detecting the quantity of electricity in the minute gap include acceleration, angular velocity, and the like in addition to the above pressure. In the first embodiment, the operational amplifier 10
Can be formed on the same semiconductor substrate as the capacitance sensor.

【0027】次に、本実施形態の回路における第1コン
デンサの容量CSの微小容量変化ΔCSの検出方法につ
いて説明する。第1抵抗21の抵抗値RLと第2抵抗2
2の抵抗値R1は、
Next, a method of detecting a small capacitance change ΔCS of the capacitance CS of the first capacitor in the circuit of the present embodiment will be described. The resistance value RL of the first resistor 21 and the second resistor 2
2 has a resistance value R1

【数9】 RL>R1 ・・・(9) であるとする。It is assumed that RL> R1 (9)

【0028】また、検出したい微小容量変化ΔCSの最
低周波数をωL とし、第1抵抗21の抵抗値RLと第1
コンデンサ11の容量CSは、次式(10)のような関
係であるとする。
The minimum frequency of the small capacitance change ΔCS to be detected is ω L, and the resistance value RL of the first resistor 21 is
It is assumed that the capacitance CS of the capacitor 11 has a relationship such as the following equation (10).

【0029】[0029]

【数10】 RL >> 1/(ωL×CS) ・・・(10) 入力端子1と共通端子2の間には適当な定電圧Vbbが印
加され、共通端子2は接地されている。従って、定常状
態において、演算増幅器10の非反転入力端子と反転入
力端子の電圧は共通端子2と同電位になるので、第1コ
ンデンサ11に印加される電圧は電圧Vbbとなる。
RL >> 1 / (ω L × CS) (10) An appropriate constant voltage Vbb is applied between the input terminal 1 and the common terminal 2, and the common terminal 2 is grounded. Therefore, in the steady state, the voltage of the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the operational amplifier 10 have the same potential as the common terminal 2, so that the voltage applied to the first capacitor 11 becomes the voltage Vbb.

【0030】このような状態において、第1コンデンサ
11の容量CSに微小容量変化ΔCSが生ずると、その
微小容量変化ΔCSにより、第1コンデンサ11に次式
(11)に示すような電荷変化ΔQSが生じる。
In this state, when a small capacitance change ΔCS occurs in the capacitance CS of the first capacitor 11, a charge change ΔQS expressed by the following equation (11) is generated in the first capacitor 11 by the small capacitance change ΔCS. Occurs.

【0031】[0031]

【数11】 ΔQS= ΔCS・Vbb ・・・(11) 電荷変化ΔQSは、第1抵抗21を介して共通端子2へ
の充放電電流ΔISになる。そして、電荷変化ΔQSの
時間的変化が、第1コンデンサ11の充放電電流ΔIS
となる。このΔISは、次式(12)のように表すこと
ができる。
ΔQS = ΔCS · Vbb (11) The charge change ΔQS is a charge / discharge current ΔIS to the common terminal 2 via the first resistor 21. The time change of the charge change ΔQS is caused by the charge / discharge current ΔIS of the first capacitor 11.
Becomes This ΔIS can be expressed as the following equation (12).

【0032】[0032]

【数12】 ΔIS= d/dt(ΔQS) ・・・(12) この充放電電流ΔISが第1抵抗21に流れることで第
1抵抗21に電圧変化ΔVSが生じ、演算増幅器10の
非反転入力端子に次式(13)のような電圧変化ΔVS
が生じることになる。
ΔIS = d / dt (ΔQS) (12) When the charging / discharging current ΔIS flows through the first resistor 21, a voltage change ΔVS occurs in the first resistor 21, and the non-inverting input of the operational amplifier 10 is obtained. A voltage change ΔVS as shown in the following equation (13) is applied to the terminal.
Will occur.

【0033】[0033]

【数13】 一方、演算増幅器10の反転入力端子は、非反転入力端
子の電圧に追従するので、反転入力端子の電圧、即ち第
2抵抗22の両端にも電圧変化ΔVSが生じる。その結
果、第2抵抗22には式(14)に示すような電流ΔI
1が流れ、この電流ΔI1が第2コンデンサ23の充放
電電流となりコンデンサ23には式(15)に示すよう
な電荷変化ΔQFが生ずる。その結果、演算増幅器10
の出力端子3には式(16)に示すような出力電圧Vou
tが発生する。
(Equation 13) On the other hand, since the inverting input terminal of the operational amplifier 10 follows the voltage of the non-inverting input terminal, a voltage change ΔVS also occurs at the voltage of the inverting input terminal, that is, at both ends of the second resistor 22. As a result, the current ΔI as shown in Expression (14) is applied to the second resistor 22.
1 flows, and this current ΔI1 becomes a charge / discharge current of the second capacitor 23, and a charge change ΔQF as shown in Expression (15) occurs in the capacitor 23. As a result, the operational amplifier 10
The output voltage Vou as shown in equation (16)
t occurs.

【0034】[0034]

【数14】 [Equation 14]

【数15】 (Equation 15)

【数16】 ただし、上式(16)において、Kは、次式(17)(Equation 16) However, in the above equation (16), K is given by the following equation (17)

【数17】 K= RL/R1 ・・・(17) のようになる。K = RL / R1 (17)

【0035】式(17)で示した第1抵抗21(RL)
と第2抵抗22(R1)の抵抗比Kを1以上に設定する
ことは容易である。従って、本実施形態1の回路構成に
よれば、抵抗比K倍の増幅効果を容易に得られることに
なり、図1の回路に更に次段の増幅器を設ける必要がな
い。
The first resistor 21 (RL) shown in equation (17)
It is easy to set the resistance ratio K of the second resistor 22 (R1) to 1 or more. Therefore, according to the circuit configuration of the first embodiment, it is possible to easily obtain an amplification effect of K times the resistance ratio, and it is not necessary to provide a further amplifier in the circuit of FIG.

【0036】また、図示する第2コンデンサ23と並列
に、更に寄生容量CCが存在する場合には、上式(1
6)は次式(18)のようになる。
When there is a parasitic capacitance CC in parallel with the second capacitor 23 shown in FIG.
6) is expressed by the following equation (18).

【0037】[0037]

【数18】 本施形態1による回路構成では、第2コンデンサ23の
容量を寄生容量CCよりも大きく設定し、その分抵抗比
Kを1より大きく設定することによって、寄生容量CC
の影響を受けずに安定的に動作させることができる。ま
た、同時に大きな出力電圧Voutを得ることができる。
(Equation 18) In the circuit configuration according to the first embodiment, the capacitance of the second capacitor 23 is set to be larger than the parasitic capacitance CC, and the resistance ratio K is set to be larger than 1 by that.
Operation can be performed stably without being affected by the above. At the same time, a large output voltage Vout can be obtained.

【0038】なお、第1コンデンサの静電容量CSに蓄
えられる電荷QSの変化量ΔQSを検出する場合につい
ても上記同様に考えることができる。例えば、第1コン
デンサ11の静電容量CSが一定であり、入力端子1と
共通端子2の間の電圧Vbbの電圧変化ΔVbbにより、第
1コンデンサ11の電荷変化量ΔQSが生じる場合、電
荷変化量ΔQSは、次式(19)のように表される。
The case where the variation ΔQS of the charge QS stored in the capacitance CS of the first capacitor is detected can be considered in the same manner as described above. For example, when the capacitance CS of the first capacitor 11 is constant and the voltage change ΔVbb of the voltage Vbb between the input terminal 1 and the common terminal 2 causes the charge change ΔQS of the first capacitor 11, the charge change ΔQS is represented by the following equation (19).

【0039】[0039]

【数19】 ΔQS= CS・ΔVbb ・・・(19) そして、上述の式(11)をこの式(19)に置き換え
れば、次式(20)のように電圧変化ΔVbbに応じた出
力電圧Voutが得られることとなる。
ΔQS = CS · ΔVbb (19) Then, if the above equation (11) is replaced with this equation (19), the output voltage Vout according to the voltage change ΔVbb as in the following equation (20) Is obtained.

【0040】[0040]

【数20】 Vout=ΔQF/CF =K・(CS/CF)・ΔVbb ・・・(20) 式(20)において、上述のように第1抵抗21と第2
抵抗22の抵抗比Kを1以上に設定することは容易であ
り、寄生容量CCの影響を受けずに安定的な動作が可能
であるとともに、大きな出力電圧Voutを得ることがで
きる。
Vout = ΔQF / CF = K · (CS / CF) · ΔVbb (20) In the equation (20), the first resistor 21 and the second resistor 21 are used as described above.
It is easy to set the resistance ratio K of the resistor 22 to 1 or more, stable operation can be performed without being affected by the parasitic capacitance CC, and a large output voltage Vout can be obtained.

【0041】なお、本実施形態1に係る回路では、図6
(a)に示すように、おおむね、低域遮断周波数FC
L、広域遮断周波数FCHの間の中間的な周波数帯域に
おいて、安定した利得Gでその変化を検出することが可
能である。
In the circuit according to the first embodiment, FIG.
As shown in (a), generally, the lower cutoff frequency FC
It is possible to detect the change with a stable gain G in an intermediate frequency band between L and the wide cutoff frequency FCH.

【0042】[実施形態2]図2は、実施形態2に係る
電気量検出回路の回路構成例を示す図であり、この例で
は上記実施形態1の容量センサである第1コンデンサ1
1に対し、並列に基準容量をなす第3コンデンサ12を
追加している。なお、第3コンデンサ12は第2入力端
子4と演算増幅器10の非反転入力端子との間に配置さ
れている。この実施形態2の構成では、入力端子4と共
通端子2との間に電圧Vbb2が印加され、入力端子1と
共通端子2との間に電圧Vbb1が印加されている場合
に、出力端子3と共通端子2との間の電圧Voutを出力
信号として出力する。
[Second Embodiment] FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration example of an electric quantity detection circuit according to a second embodiment. In this example, the first capacitor 1 which is the capacitance sensor of the first embodiment is used.
A third capacitor 12, which forms a reference capacitance in parallel with 1, is added. Note that the third capacitor 12 is disposed between the second input terminal 4 and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 10. In the configuration of the second embodiment, when the voltage Vbb2 is applied between the input terminal 4 and the common terminal 2 and the voltage Vbb1 is applied between the input terminal 1 and the common terminal 2, the output terminal 3 A voltage Vout between the common terminal 2 is output as an output signal.

【0043】ここでは動作を単純化するために、電圧V
bb2は、式(21)、式(22)に示すように、その大
きさが電圧Vbb1と等しくかつ極性が反対の正弦波交流
電圧であるとする(なお、Vbb1とVbb2とが互いに極性
が逆の直流電圧の場合の動作は、検出信号周波数の点
で、実施形態1と同様な動作となる)。
Here, in order to simplify the operation, the voltage V
bb2 is a sine-wave AC voltage having the same magnitude as the voltage Vbb1 and the opposite polarity as shown in the equations (21) and (22) (note that Vbb1 and Vbb2 have opposite polarities). The operation in the case of the DC voltage is similar to that of the first embodiment in terms of the detection signal frequency.)

【0044】[0044]

【数21】 Vbb1=Vbb・sin(ωs・t) ・・・(21)Vbb1 = Vbb · sin (ωs · t) (21)

【数22】 Vbb2=−Vbb・sin(ωs・t) ・・・(22) 更に、第1コンデンサ11の初期静電容量CSと第3コ
ンデンサ12の静電容量CRが等しいとし、また、電圧
Vbb1,Vbb2の周波数ωsと、第1抵抗21の抵抗値
RLと第1コンデンサ11の容量CSが次式(23)の
ような関係であるとする。
Vbb2 = −Vbb · sin (ωs · t) (22) Further, it is assumed that the initial capacitance CS of the first capacitor 11 is equal to the capacitance CR of the third capacitor 12, and the voltage is It is assumed that the frequency ωs of Vbb1 and Vbb2, the resistance value RL of the first resistor 21, and the capacitance CS of the first capacitor 11 have the following relationship (23).

【0045】[0045]

【数23】 RL >> 1/(ωs・CS) ・・・(23) 第1コンデンサ11の電荷量QSと第3コンデンサ12
の電荷量QRを計算すると、それぞれ式(24)、式
(25)のようになる。
RL >> 1/1 / (ωs · CS) (23) The charge amount QS of the first capacitor 11 and the third capacitor 12
When the charge amount QR is calculated, the equations (24) and (25) are obtained, respectively.

【0046】[0046]

【数24】 QS=CS・Vbb1 =CS・Vbb・sin(ωs・t) ・・・(24)QS = CS · Vbb1 = CS · Vbb · sin (ωs · t) (24)

【数25】 QR=CS・Vbb2 =−CS・Vbb・sin(ωs・t) ・・・(25) そこで、演算増幅器10の非反転入力端子における電荷
量変化ΔQは次式(26)のようになり、
## EQU25 ## QR = CS.Vbb2 = -CS.Vbb.sin (.omega.s.t) (25) Then, the charge amount change .DELTA.Q at the non-inverting input terminal of the operational amplifier 10 is expressed by the following equation (26). become,

【数26】 ΔQ=QS+QR =0 ・・・(26) 電荷量変化ΔQは相殺されて零となる。ΔQ = QS + QR = 0 (26) The charge amount change ΔQ is canceled out to zero.

【0047】このような条件において、容量センサ11
に微小容量変化ΔCSが生じた場合、演算増幅器10の
非反転入力端子における電荷量変化ΔQを求めると、
Under such conditions, the capacitance sensor 11
When a small capacitance change ΔCS occurs at the non-inverting input terminal of the operational amplifier 10,

【数27】 ΔQ=ΔCS・Vbb ・・・(27) となる。ΔQ = ΔCS · Vbb (27)

【0048】電荷量変化ΔQは、抵抗21を流れる電流
ΔIとなり、演算増幅器10の非反転入力端子に次式
(28)で示されるような電圧変化ΔVを生じさせる。
The change in charge amount ΔQ becomes a current ΔI flowing through the resistor 21, and causes a voltage change ΔV as shown in the following equation (28) at the non-inverting input terminal of the operational amplifier 10.

【0049】[0049]

【数28】 ΔV=RL・d/dt(ΔQ)=RL・Vbb・d/dt(ΔCS) ・・・(28) 演算増幅器10の反転入力端子では、非反転入力端子の
この電圧変化ΔVに追従した電圧変化ΔVが発生する。
従って、反転入力端子側の第2抵抗22に電流変化ΔI
が生じ、この電流変化ΔIによってコンデンサ23が充
放電される。その結果、演算増幅器10の出力端子3の
出力電圧Voutは次式(29)のようになる。
ΔV = RL · d / dt (ΔQ) = RL · Vbb · d / dt (ΔCS) (28) At the inverting input terminal of the operational amplifier 10, the voltage change ΔV at the non-inverting input terminal is A tracked voltage change ΔV occurs.
Therefore, the current change ΔI is applied to the second resistor 22 on the inverting input terminal side.
Occurs, and the capacitor 23 is charged and discharged by the current change ΔI. As a result, the output voltage Vout at the output terminal 3 of the operational amplifier 10 is as shown in the following equation (29).

【0050】[0050]

【数29】 但し、上式(29)において、Kは、K=RL/R1で
ある。
(Equation 29) However, in the above equation (29), K is K = RL / R1.

【0051】式(29)から明らかなように、第1抵抗
21と第2抵抗22の抵抗比Kを1以上に設定すれば、
第1コンデンサ11における微小容量変化ΔCSは、本
実施形態2の回路により任意のK倍に増幅され、出力端
子3より出力電圧Voutとして出力される。
As is apparent from the equation (29), if the resistance ratio K between the first resistor 21 and the second resistor 22 is set to 1 or more,
The small capacitance change ΔCS in the first capacitor 11 is amplified by an arbitrary K times by the circuit of the second embodiment, and is output from the output terminal 3 as the output voltage Vout.

【0052】また、コンデンサ23と並列に寄生容量C
Cが存在する場合、式(29)は次式のようになる。
The parasitic capacitance C is connected in parallel with the capacitor 23.
If C exists, equation (29) becomes:

【0053】[0053]

【数30】 本実施形態2に係る回路構成においても、上述の実施形
態1と同様、第2コンデンサ23の容量を寄生容量CC
よりも大きく設定し、その分、抵抗比Kを1より大きく
設定すれば寄生容量CCの影響を受けずに安定動作する
ことができ、同時に大きな出力電圧Voutを得ることが
できる。
[Equation 30] Also in the circuit configuration according to the second embodiment, similarly to the first embodiment, the capacitance of the second capacitor 23 is changed to the parasitic capacitance CC.
If the resistance ratio K is set to a value larger than 1, a stable operation can be performed without being affected by the parasitic capacitance CC, and a large output voltage Vout can be obtained at the same time.

【0054】また、本実施形態2に係る回路では、図6
(b)に示すように、おおむね直流からfs/2の周波
数範囲において、安定した利得Gでその変化を検出する
ことが可能である。なお、実施形態2では、基準容量を
なす第3コンデンサを備えることにより、回路内分の個
別部品で発生するノイズへの耐性効果を備える。
In the circuit according to the second embodiment, FIG.
As shown in (b), it is possible to detect the change with a stable gain G in a frequency range from DC to fs / 2. In the second embodiment, the provision of the third capacitor serving as the reference capacitance provides an effect of withstanding noise generated by individual components in the circuit.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の実施形態1に係る電気量検出回路の
回路構成例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration example of an electric quantity detection circuit according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の実施形態2に係る電気量検出回路の
回路構成例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration example of an electric quantity detection circuit according to a second embodiment of the present invention.

【図3】 従来の容量センサの微小容量検出のための回
路構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration for detecting a minute capacitance of a conventional capacitance sensor.

【図4】 図3の構成に次段増幅器を追加して出力電圧
振幅を増幅する場合の従来の回路構成を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a conventional circuit configuration when an output voltage amplitude is amplified by adding a next-stage amplifier to the configuration of FIG. 3;

【図5】 帰還容量CFと並列に帰還抵抗RFを追加す
る場合の従来の回路構成を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a conventional circuit configuration when a feedback resistor RF is added in parallel with a feedback capacitor CF.

【図6】 本発明による電気量検出回路によって検出可
能な周波数帯域を説明する図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a frequency band that can be detected by the electric quantity detection circuit according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 入力端子、2 共通端子、3 出力端子、4 第2
入力端子、10 演算増幅器、11 第1コンデンサ
(容量センサ)、12 第3コンデンサ(基準容量)、
21 第1抵抗、22 第2抵抗、23 第2コンデン
サ(帰還容量)。
1 input terminal, 2 common terminal, 3 output terminal, 4 second
Input terminal, 10 operational amplifier, 11 first capacitor (capacitance sensor), 12 third capacitor (reference capacitance),
21 first resistor, 22 second resistor, 23 second capacitor (feedback capacitance).

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1コンデンサにおける容量変化又は電
荷変化の電気量を検出する回路において、 演算増幅器と、 前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、前記第1
コンデンサ及び第1抵抗とを有する時間的な微分演算手
段と、 前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、第2コンデ
ンサ及び第2抵抗とを有する時間的な積分演算手段と、
を有し、 前記第2コンデンサが前記演算増幅器の前記反転入力端
子と出力端子との間の帰還路に接続された電気量検出回
路。
1. A circuit for detecting an electric quantity of a capacitance change or a charge change in a first capacitor, comprising: an operational amplifier connected to a non-inverting input terminal of the operational amplifier;
A temporal differential calculating means having a capacitor and a first resistor; a temporal integrating calculating means connected to the inverting input terminal of the operational amplifier and having a second capacitor and a second resistor;
An electric quantity detection circuit comprising: a second capacitor connected to a feedback path between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier.
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