KR100296979B1 - 센서회로 - Google Patents

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KR100296979B1
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카주노리 모토하시
쇼오민 린
마코토 야마모토
토시유키 마쯔모토
무네오 하라다
타카히코 오오아사
요시히로 히로타
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고지마 마타오
스미토모 긴조쿠 고교 가부시키가이샤
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Abstract

소형 전력절약 센서회로를 제공한다.
CMOS인버터로 된 반전증폭기를 홀수단에 직렬 접속하고, 이로인해 입출력관계의 선형성을 보증하고, 이 입출력간, 혹은 입력에 센서로서의 임피던스를 접속한다.

Description

센서회로
본 발명은 센서회로에 관한 것으로, 특성변화를 용량치 혹은 저항치로서 전기적으로 검출하는 센서회로에 관한 것이다.
차동트랜스의 차동형 센서는 소자의 상반하는 출력을 이용하여 높은 감도를 얻을 수 있고, 예컨대 변형게이지를 사용한 센서는 역방향 변형이 발생하는 위치에 변형게이지를 부착하여, 그 출력감도를 높인다. 이와같은 센서의 출력은 연산증폭기로 증폭하여 사용하는 일이 많다.
최근에는 자동차에 있어서 연소계통의 컴퓨터제어를 시작으로, 다양하고 대량의 센서정보처리의 필요성이 높아지고, 또 에코로지의 입장에서 전력절약화의 요구도 높다. 이 때문에 감도 확보 및 증폭을 위해 센서회로에 대하여 소형화, 전력절약화가 요구되어 있다(참고문헌 : (일본국)타카바시세이다 편저 「센서일렉트로닉스」 소화 59년 7월 20일 초판 1쇄 쇼오고오도오 발행).
종래 센서의 구체적인 예로서, 도 24에 표시하는 (일본국)특개소56-166411호 공보 기재의 용량형 센서회로가 있지만, 이것은 저항(R1)과 용량형 센서(C1)에 의하여 적분회로를 구성하며, C1의 용량변화에 따른 펄스를 발생하고, 이 펄스를 카운터 CNT에 의해서 카운트함과 아울러, CNT의 출력을 적분회로에 의하여 전압치로 변환한다.
더욱이 도 25에 표시하는 (일본국)특공평2-22338호 공보기재의 용량형 센서회로에서는, 저항(R2), 용량형 센서(C2)로 이루어진 제1적분회로와, 저항(R1), 정전용량(C1)로 이루어진 제2적분회로에 소정의 펄스를 입력하고, 양자출력신호의 차를 전압신호로서 출력하며, 이 출력으로부터 C2의 변화를 검출한다.
이상의 센서회로는 펄스를 항상 생성할 필요가 있기 때문에 전력소비가 크며, 더욱이 카운터회로, 작동증폭회로, 펄스발생회로의 복잡한 신호처리회로가 필요하고, 회로규모도 컸다. 따라서, 센서와의 일체화도 곤란하였다.
본 발명은 이와같은 배경에 의거하여 창안된 것이고, 소형 전력절약 센서회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 센서회로는, 1쌍의 저항 혹은 1쌍의 정전용량을 사용하고, 임피던스에 서로 반대되는 특성변화를 부여하며, 임피던스 상대의 각각을, 홀수단의 CMOS인버터의 입력 및 입출력 사이에 접속하고, 이로인하여 CMOS인버터의 입출력관계로 임피던스변화에 따른 닫힘 루프게인(loop gain)을 부여하고, 혹은, 임피던스 상대의 한쪽을 귀환임피던스를 포함하는 홀수단의 CMOS인버터에 접속하고, 이 CMOS인버터의 출력과 다른쪽의 임피던스를 용량결합에 의해 가산하는 것이다.
도 1은, 본 발명에 관한 센서회로를 표시하는 개념도.
도 2는, 1개의 센서회로를 표시하는 블록도.
도 3은, 1개 센서의 다른 회로를 표시하는 블록도.
도 4는, 도 3 회로의 구체예를 표시하는 회로도.
도 5는, 도 3의 회로의 다른 구체예를 표시하는 회로도.
도 6은, 센서회로의 제1실시예를 표시하는 회로도.
도 7은, CMOS를 표시하는 회로도.
도 8은, 센서회로의 제2실시예를 표시하는 회로도.
도 9는, 센서회로의 제3실시예를 표시하는 회로도.
도 10은, 센서회로의 제4실시예를 표시하는 회로도.
도 11은, 센서회로의 제5실시예를 표시하는 회로도.
도 12는, 센서회로의 제6실시예를 표시하는 회로도.
도 13은, 센서회로의 제7실시예를 표시하는 회로도.
도 14는, 센서회로의 제8실시예를 표시하는 회로도.
도 15는, 센서회로의 제9실시예를 표시하는 회로도.
도 16은, 센서회로의 제10실시예를 표시하는 회로도.
도 17은, 센서회로의 제11실시예를 표시하는 회로도.
도 18은, 센서회로의 제12실시예를 표시하는 회로도.
도 19는, 센서회로의 제13실시예를 표시하는 회로도.
도 20은, 센서의 일례를 표시하는 종단면도.
도 21은, 도 20 센서의 등가회로를 표시하는 회로도.
도 22는, 다른 센서의 예를 표시하는 종단면도.
도 23은, 도 22 센서의 등가회로를 표시하는 회로도.
도 24는, 종래의 센서회로를 표시하는 회로도.
도 25는, 다른 종래예를 표시하는 회로도.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
AMP ------------------------------------------- 증폭회로,
Cap31, Cap32 ---------------------------------- 정전용량,
CC51, CC52, CC53, CC61, CC62, CC71, CC72 ------ 결합 정전용량,
CG51∼CG54, CG61, CG62, CG71, CG72, CG81∼CG84,
CG91, CG92 ------------------------------------ 접지 정전용량,
CF51, CF52, CF53, CF54, CF62, CF72 ------------ 귀환 정전용량,
I61∼I63, I81∼I83, I91∼I93, I101∼I103, I111∼I116,
I121∼I126, I131∼I133, I141∼I143, I511∼I513, I521∼I523,
I531∼I533, I541∼I543, I611∼I613, I621∼I623,I711∼I713, I811∼I813,
I821∼I823, I831∼I833, I841∼I843, I911∼I913, I921∼I923
----------------------------------------------- CMOS인버터,
MUX6, MUX7 ------------------------------------ 멀티플렉서,
R41, R42 -------------------------------------- 저항,
RE511, RE512, RE521, RE522, RE531, RE532, RE541, RE542,
RE611, RE612, RE621, RE622, RE711, RE712, RE721, RE722
----------------------------------------------- 평형저항,
RF81, RF82, RF83, RF84, RE91 ------------------ 귀환저항,
S11,…, S1n ----------------------------------- 센서,
SW51, SW52, SW53, SW54, SW62, SW63 ------------ 스위치,
Vin51, Vin52, Vin6, Vin7, Vin81, Vin82, Vin9 -- 입력전압,
Vout, Vout5∼Vout9 ---------------------------- 출력전압,
Z21,…, Z2n ----------------------------------- 임피던스.
다음에 본 발명에 관한 센서회로에 대하여 도면을 기준으로 설명한다. 도 1에서, 센서회로는 복수의 센서(S11∼S1n)가 접속된 증폭회로(AMP)를 갖고, AMP로부터는 각 센서에 대응한 출력신호(SIG11∼SIG1n)가 출력되 있다.
상기한 센서에는 2종의 타입이 존재하며, 우선 제1타입 센서(S11)에 대하여 설명하면, 도 2에 표시하듯이, S11은 1개의 임피던스(Z2)를 AMP에 접속하게 되고, 이 임피던스의 특성변화에 따른 출력전압(Vout)이 AMP로부터 출력되도록 되어있다.
또 제2 타입은, 도 3에 표시하듯이, 1개의 센서(S12)는 1쌍의 임피던스(Z31, Z32)를 AMP에 병렬로 접속하게 되고, 이 임피던스에 서로 반대되는 특성변화가 부여된다. 이 상반되는 특성변화의 비교에 의하여 고감도의 검출이 가능하게 되고, 검출결과는 AMP로부터 Vout로 출력된다.
이때에 상반하는 특성변화와는, 예컨대 아래와 같은 검출상태에서 발생한다.
(1) 병행 판스프링형의 검출부에 있어서, 압축측, 인장측 각각에 변형게이지를 부착하는 경우.(전게서 242페이지)
(2) 압력검출을 위한 다이어프램의 중앙부 및 주변부에 변형게이지를 부착하는 경우.(전게서 140페이지)
(3) 차동트랜스.(전게서 143∼145페이지)
(4) 1쌍의 홀소자(Hall device)를 직선적으로 배열하고, 이 홀소자열을 따라서, 측정대상에 고정된 영구자석을 이동시켜, 홀소자 저항치의 변화를 검출하는 경우.(전게서 127, 128페이지)
(5) 고정밀도 용량식 압력계에 있어서 다이어프램의 양측으로 전극을 배치해, 각 전극과 다이어프램간의 용량 변화를 하프브리지(Half Bridge)에 의하여 검출한다.(전게서 제142페이지)
(6) 도 20과 같은 가속도센서에 있어서, 가동전극(ME)에 대향하여 고정전극(FE1, FE2, FE3)을 배치하고, 가속도에 의한 중량(W)변화에 의하여 가동전극을 변형시켜, 이때의 각 고정전극과 가동전극간의 용량을 측정한다. 이때에 가속도센서의 등가회로는 도 21에 표시하는 병렬가변용량으로 되고, 가동전극(ME)과 고정전극(FE1)에 의한 가변용량(C1), 가동전극(ME)과 고정전극(FE2)에 의한 가변용량(C2)이 병렬로 접속된 구성으로 된다. 가속도센서에 고정전극(EF1, EF3)의 배열방향(도면의 Fx방향)가속도가 발생했을때, 가변용량(C1, C2)에는 상반하는 용량변화가 발생하며, 한쪽 용량이 증가해, 다른쪽의 용량이 감소한다. 또한 도면중, S, FS는 실리콘기초부, B는 글라스밑부분, GC는 유리커버이다.
(7) 도 22와 같은 가속도센서에 있어서, 캔틸레버(CL)의 선단에 설치한 가동전극(ME)과, ME의 상하로 배치된 고정전극(FE1,FE2)과의 사이로 가변용량이 형성된다. 도 23에 표시하듯이, 가속도센서의 등가회로는 가변용량(C1,C2)의 직렬회로이고, 도 22의 상하방향 가속도에 의한 ME의 변위에 의해, C1, C2에는 상반하는 변화를 발생한다. 또한 도면중, B는 실리콘기초부, GS는 유리커버이다.
(실시예)
도 3의 임피던스는, 도 4에 표시하듯이 1쌍의 정전용량(Cap41,Cap42)이고, 혹은 도 5에 표시하듯이 한쌍의 저항(Res51,Res52)이다.
도 2는 1개의 임피던스로서 정전용량을 사용한 구성을 도 6에 표시한다. 도 6에 있어서, 용량형 센서로서의 정전용량(Cap32)은, 3단 CMOS인버터(I61, I62, I63)로 된 반전증폭기의 입출력 사이로 접속되며, 이 반전증폭기의 입력에는 입력정전용량(C6)이 접속되어 있다. C6에는 입력전압(Vin)이 접속되고, I63에서 출력전압(Vout)이 출력되 있다. 이와같은 귀환루프를 포함하는 구성과, I61∼I63의 활짝 열린 루프게인에 의하여, 반전증폭부는 입출력관계의 양호한 선형특성이 보증되어 있고, CMOS인버터의 한계치전압을 Vb로 하면, 그 입출력관계는,
Figure pat00001
로 된다.
CMOS인버터(I61∼I63)는 도 7과 같이 구성되며, p형의 MOS트랜지스터(T1)의 드레인에 n형의 MOS트랜지스터(T2)의 드레인을 접속하고, T1, T2의 게이트에 공통된 입력전압(Vin)을 접속하고, T1 소스에 고전압, T2 소스에 저전압을 접속하게된다. 이 CMOS의 출력전압(Vout)은 T1, T2의 드레인으로부터 출력된다.
도 8은 1개의 임피던스로서 정전용량을 사용한 다른 구성을 표시한다.
도 8에 있어서, 3단 CMOS인버터(I81, I82, I83)로 된 반전증폭기의 입출력 사이로 귀환정전용량(C8)이 접속되고, 이 반전증폭기의 입력에는 용량형 센서로서 정전용량(Cap32)이 접속되어 있다.
Cap32에는 입력전압(Vin)이 접속되며, I83으로부터 출력전압(Vout)이 출력되어 있다. 도 6의 회로와 마찬가지로, 반전증폭부는 입출력 관계가 양호한 선형특성이 보증되어 있고, CMOS인버터의 한계치전압을 Vb로 하면, 그 입출력 관계는,
Figure pat00002
로 된다.
도 9는, 도 6의 구성에 기준정전용량(C92)를 부가한 구성이고, CMOS인버터 I91∼I93으로 된 반전증폭기의 입력에는 입력정전용량(C91)이 접속되며, 또 반전증폭기의 입력에는 Cap32와 병렬로 기준정전용량(C92)이 접속되어 있다. Cap32, C92는 멀티플렉서(MUX9)를 중개하여 반전증폭기의 출력에 접속되고, 통상적인 센서동작시에는 Cap32를 반전증폭기에 접속하며, 기준상태를 확인할 때는 C92를 접속한다. 또한, 멀티플렉서(MUX9)의 접속위치는 반전증폭기의 입력측도 좋지만, 입력정전용량에 대한 영향을 고려하면 출력측에 설치하는 것이 바람직하다. 통상적인 센서동작시에는 Cap32를 반전증폭기에 접속하고, 기준상태를 확인할 때에는 C92를 접속한다. 예컨대 Cap32에 전하가 축적하는, 식(1)의 관계가 성립하지 않는 상황이 발생한 경우, 일단 Cap32를 분리하고, C92를 접속하므로서, 미리 알고있는 용량에 의한 출력전압이 발생하고, 측정치의 교정을 실시할 수 있다.
도 10은 도 8의 구성에 기준정전용량(C102)을 부가한 구성이고, CMOS인버터(I101∼I103)로 된 반전증폭기의 입력간에는 귀환정전용량(C102)가 접속되고, 또 반전증폭기의 입력에는 Cap32와 병렬로 기준정전용량(C102)이 멀티플렉서(MUX10)를 중개하여 접속되어 있다. 보통의 센서동작시에는 Cap32를 반전증폭기에 접속하고, 기준상태를 확인할 때에는 C101을 접속한다. 예컨대 Cap32에 전하가 축적하는, 식(2)의 관계가 성립하지 않는 상황이 발생한 경우, 일단 Cap32를 분리하고, C102를 접속하므로서, 미리 알고있는 용량에 의한 출력전압이 발생하며, 측정치의 교정을 실시할 수 있다.
도 11은 도 6 회로를 한쌍 설치하고, 한쪽의 회로에 있어서 귀환정전용량을 기준정전용량으로 한 것이다. 제1회로는 3단 CMOS인버터(I111∼I113)로 된 반전증폭기의 입출력을 용량형 센서(Cap32)에 의하여 접속하고, 반전증폭기의 입력에 입력정전용량(C111)을 접속하게된다. 제2회로는 CMOS인버터(I114∼I116)로 된 반전증폭기의 입출력을 기준정전용량(Cref)에 의하여 접속하고, 반전증폭기의 입력에 입력정전용량(C112)을 접속하게 된다. 이들 회로의 입력정전용량(C111, C112)에는 공통된 입력전압(Vin)이 접속되고, 제1회로의 출력(Vout)은 센서에 의한 측정결과이고, 제2회로에 의한 출력전압(VoutR)은 기준정전용량에 의한 기준전압이다. 이로인해 항상 기준출력을 관찰하면서 센서에 의한 측정을 실행할 수 있다.
도 12는 도 8 회로를 1쌍 설치하고, 한쪽 회로에 있어서 입력정전용량을 기준정전용량으로 한 것이다. 제1회로는 3단 CMOS인버터(I121∼I123)로 된 반전증폭기의 입출력을 귀환정전용량(C121)에 의하여 접속하며, 반전증폭기의 입력에 용량형 센서인 정전용량(Cap32)을 접속하게 된다. 한편 제2회로는 CMOS인버터(I124∼I126)로 된 반전증폭기의 입출력을 귀환정전용량(C122)에 의해 접속하고, 반전증폭기의 입력에 기준정전용량(Cref)를 접속하게 된다. 그리고 Cap32, Cref에는 공통된 입력전압(Vin)이 접속되며, 제1회로의 출력(Vout)은 센서에 의한 측정결과이며, 제2회로에 의한 출력전압(VoutR)은 기준정전용량에 의한 기준전압이다. 이로인해 항상 기준출력을 관찰하면서 센서에 의한 측정을 실행할 수 있다.
도 13은 2개의 용량형 센서(Cap31, Cap32)를 사용한 센서회로이고, 3단 CMOS인버터(I131∼I133)로 된 반전증폭기의 입출력을 Cap32에 의하여 접속하고, 반전증폭기의 입력에 Cap31를 접속하게 된다. Cap31에 대한 입력전압을 Vin, 반전증폭기에서 출력전압을 Vout으로 하면, 입출력관계는 아래와 같다.
Figure pat00003
따라서, 출력전압은 Cap31, Cap32의 비에 비례하고, Cap31, Cap32에 상반하는 변화가 발생할 때에는 변화가 증폭되 출력된다.
도 14는 2개의 용량형 센서(Cap31,Cap32)를 사용한 센서회로이고, 3단 CMOS인버터(I131∼I133)으로 된 반전증폭기의 입출력을 귀환정전용량(C14)에 의하여 접속되며, 반전증폭기의 입력에 Cap31, Cap32를 병렬로 접속하게 된다. Cap31에 대한 입력전압을 Vin1, Cap32에 대한 입력전압을 Vin2, 반전증폭기에서의 출력전압을 Vout으로 하면, 입출력관계는 아래와 같다.
Figure pat00004
따라서, 각 입력전압과 Cap31, Cap32의 산승적의 합에 비례한 출력전압이 발생하며, 분산된 측정치의 통합에 유효하다.
도 15에 있어서, Cap31은, 3단 CMOS인버터(I511, I512, I513)의 입력에 접속되고, Cap32는 3단 CMOS인버터(I531, I532, I533)의 입력에 접속되어 있다. I513의 출력은 귀환정전용량(CF51)을 중개하여 I511의 입력에 접속되어, I511∼I513의 높이 열린 루프게인에 의하여 Cap31의 출력 반전이 양호한 선형특성을 갖고 I513의 출력으로 발생하도록 되어 있다. I533의 출력은 귀환정전용량(CF53)를 중개하여 I531의 입력에 접속되고, I531∼I533의 활짝 열린 루프게인에 의하여 Cap32의 출력 반전이 양호한 선형특성을 갖고 I533의 출력으로 발생하도록 되어 있다.
I513의 출력에는 결합정전용량(CC51)를 중개하여 3단 CMOS인버터(I521, I522, I523)가 접속되며, I523의 출력은 귀환정전용량(CF52)를 중개하여 I521의 입력에 접속되어 있다. 이로인해 I513의 출력이 더욱 반전되고, Cap31의 출력은 비반전 상태로 복귀된다. I523, I533의 출력은 정전용량(CC52, CC53)에 각각 접속되며, 이들 CC52, CC53은 그 출력이 통합되어 용량결합(CP5)을 구성하고 있다.
CP5의 출력에는 3단 CMOS인버터(I541, I542, I543)의 입력에 접속되며, I543의 출력은 귀환정전용량(CF54)을 중개하여 I541의 입력에 접속되고, I541∼I543의 활짝 열린 루프게인에 의하여 CP51의 출력 반전이 양호한 선형특성을 갖고 I543의 출력으로 발생하도록 되어 있다.
이때에, Cap31, Cap32의 입력전압을 각각 Vin51, Vin52, CMOS인버터의 한계치전압(Vb)으로 하면, I543의 출력(Vout5)은,
Figure pat00005
이다. 또, 정전용량 용량비 및 입력전압에 관하여,
CC51＝CF52 (2)
CC52＝CC53＝CF54/2 (3)
CF51＝CF53 (4)
Vin51＝Vin52＝V (5)
로 설정되어 있고, CF51＝CF53＝C0로 놓으면, 식(1)은 식(6)으로 고쳐쓸 수 있다. 또한, 식(5)의 전압 V는 외부에서 공급되는 알고있는 전압이다.
Figure pat00006
따라서, Cap32, Cap31의 변화는 식(7)에 표시하듯이, 양자의 차이 형식으로 검출되며, 양자에 상반하는 변화가 발생 하면, 변화량을 2배로 증폭한 검출이 가능하다. 더욱이 C0의 값과 V의 값 설정에 의하여 적당한 게인을 조정할 수 있다.
Figure pat00007
상기한 3단 CMOS인버터의 최종단(출력단) I63, I83, I93, I103, I113, I116, I123, I126, I133, I143, I513, I523, I533, I543의 출력에는, 로우패스필터(Low Pass Filter)로서 접지정전용량(CG6, CG8, CG9, CG10, CG111, CG112, CG121, CG122, CG13, CG14, CG51, CG52, CG53, CG54)가 각각 접속되며, 더욱이 중간의 I62, I82, I92, I102, I112, I114, I122, I125, I132, I142, I512, I522, I532, I542의 출력에는 게인의 억제로 인해 평형저항(RE61, RE62, RE81, RE82, RE91, RE92, RE101, RE102, RE111, RE112, RE113, RE114, RE511, RE512, RE521, RE522, RE531, RE532, RE541, RE542)가 각각 접속되어 있다. RE511, RE521, RE531, RE541은 전원전압(Vdd)에 접속되고, RE512, RE522, RE532, RE542는 접지되어 있다. 이와같은 구성에 의하여, 피이드백(Feedback)계를 포함하는 반전증폭회로의 발진이 방지되어 있다.
상기한 CF51, CF52, CF53, Cap32, CF54의 양단은 스위치(SW51, SW52, SW53,SW54)에 의하여 개폐가능하게 접속되어 있고, 또, Cap31, Cap32에는 멀티플렉서(MUX51, MUX52)에 의해 입력전압(Vin51, Vin52)으로 바꿔서 기준전압(Vstd)을 입력할 수 있도록 되어있다. 콘트롤신호(CTL)에 의해서, 상기한 스위치를 동시에 폐성(閉成)하고 또한 Cap31, Cap32에 Vstd를 접속하여, 각 정전용량에 잔류한 전하를 해소할 수 있다. 이 잔류전하는 출력전압에 대한 오프셋전압을 발생시키므로, 전하해소에 의한 리프레시(refresh)처리에 의하여 출력정밀도의 열화를 방지할 수 있다. 또한 CTL은 예컨대 「1」(높은 레벨)일 때에 리프레시를 실시하고, 보통의 검출동작시에는 「0」(낮은 레벨)으로 설정되어 있다.
도 16은 증폭회로(AMP)의 제2실시예를 표시하는 것이고, Cap31은, 3단 CMOS인버터(I611, I612, I613)의 입력에 접속되며, Cap32는, I613의 출력과 I611의 입력간에 귀환정전용량으로서 접속되어 있다. Cap31에는 멀티플렉서(MUX6)를 중개하여 입력전압(Vin6)이 입력되고, I613의 출력에는 Vin6의 반전출력이 선형특성을 갖고 발생한다. I613의 출력에는 결합정전용량(CC61)을 중개하여 3단 CMOS인버터(I621, I622, I623)가 접속되고, I623의 출력은 귀환정전용량(CF62)를 중개하여 I621의 입력에 접속되어 있다. 이로인하여 I613의 출력이 더욱 반전되며, I623의 출력은 비반전상태로 복귀된다.
더욱이 MUX6의 출력은 결합정전용량(CC6)을 중개하여 I621에 접속되고, I613의 반전출력과 Vin6이 가산된다. 이때에 CMOS인버터의 한계치전압을 Vb로 하면, I623의 출력(Vout6)은,
Figure pat00008
이다. 또, 정전용량 용량비 및 입력전압에 관해서,
CC61＝CC62＝CF62 (9)
로 설정되어 있고, Vin6에는 식(6)과 마찬가지로 미리 알고있는 입력전압이 부여된다. 즉,
Vin6＝V (10)
이고, 식(8)은 식(11)과 같이 고쳐 쓸 수 있다.
Figure pat00009
따라서, Cap32, Cap31의 변화는 식(11)에 표시하듯이, 양자의 비 형태로 검출되고, 양자에 상반하는 변화가 발생 하면, 변화량을 2배로 증폭된 검출이 가능하다. 더욱이 CC61≠CF62로 하며 혹은 V의 값을 변경하면, 양자의 비 설정에 따라 적당 게인을 조정할 수 있다.
또한 본 실시예에 있어서도, 발진을 방지하기 위한 접지정전용량(CG61, CG62), 평형저항 RE611, RE612 및 RE621, RE622가 설치되어 있고, 더욱이, Cap32, CF62의 양단에 리프레시를위한 스위치(SW62,SW63)가 접속되어 있다. 또 상기한 멀티플렉서(MUX6)에는 기준전압(Vstd)이 입력되며, 리프레시할 때에는 Cap31에 Vstd를 입력한다. 이때에 Vstd＝Vb이고, I611의 입력도 Vb인 점에서, Cap31이 리프레시된다. 이 리프레시는 도 15와 마찬가지로 콘트롤신호(CTL)에 의해 실행된다.
도 16의 Vstd는 증폭회로(AMP) 이외의 부분, 혹은 집적회로의 외부에서 생성되는 것이지만, Vstd＝Vb로 설정되므로, AMP내부 전압(Vb)을 사용할 수도 있다. 도 17은, 도 16에 있어서 Vstd로 변경한 변형예이고, 도 16 각부의 부호에 있어서 「6」을 「7」로 바꿔 표시하고 있다. 도 17에 있어서, 멀티플렉서(MUX7)의 입력에는 Vstd로 바꿔서, I711의 입력(Cap31의 출력)이 접속되어 있다. 이것은 Cap31을 단락하는 것과 같으며, Cap31을 리프레시할 수 있다. 이와같이 별단의 Vstd를 사용하지 않으므로서, Vstd를 발생하는 회로는 불필요하게 된다.
도 5는 임피던스로서 저항(Res41,Res42)를 사용한 제3실시예를 표시하고, 도 18은 그 증폭회로(AMP)를 표시한다.
도 18에 있어서, Res41은, 3단 CMOS인버터(I811,I812,I813)의 입력에 접속되고, Res42는, 3단 CMOS인버터(I831,I832,I833)의 입력에 접속되어 있다. I813의 출력은 귀환정전용량(RF81)를 중개하여 I811의 입력에 접속되며, I811∼I813의 높이 열린 루프게인에 의하여 Res41의 출력 반전이 양호한 선형특성을 갖고 I813의 출력에 발생하도록 되어 있다. I833의 출력은 귀환정전용량(RF83)를 중개하여 I831의 입력에 접속되고, I831∼I833의 높이 열린 루프게인에 의하여 Res42의 출력 반전이 양호한 선형특성을 갖고 I833의 출력으로 발생하도록 되어 있다.
I813출력에는 결합정전용량(CR81)를 중개하여 3단 CMOS인버터(I821, I822, I823)가 접속되며, I823의 출력은 귀환정전용량(RF82)를 중개하여 I821의 입력에접속되어 있다. 이로인해 I813의 출력이 더욱 반전되고, Res41의 출력은 비반전상태로 복귀된다. I823, I833의 출력은 저항(CR82,CR83)에 각각 접속되고, 이 CR82, CR83은 그 출력이 통합되어서 저항결합(RP8)을 구성하고 있다.
RP8의 출력에는 3단 CMOS인버터(I841,I842,I843)의 입력에 접속되며, I843의 출력은 귀환저항(RF84)을 중개하여 I841의 입력에 접속되고, I841∼I843의 활짝 열린 루프게인에 의하여 RP8의 출력 반전이 양호한 선형특성을 갖고 I843의 출력으로 발생하도록 되어있다.
이때에, Res41, Res42의 입력전압을 각각 Vin81, Vin82, CMOS인버터의 한계치전압(Vb)으로 하면, I843의 출력(Vout8)은,
Figure pat00010
이다. 또, 저항의 저항비 및 입력전압에 관하여,
CR81＝RF82 (13)
CR82＝CR83＝2RF84 (14)
RF81＝RF83 (15)
Vin81＝Vin82＝V (16)
로 설정되어 있고, RF81＝RF83＝R0으로 놓으면, 식(12)는 식(17)로 고쳐쓸 수 있다.
Figure pat00011
따라서, Res41, Res42의 변화는 식(18)로 표시하듯이, 양자의 역수의 차 형식으로 검출되고, 양자에 상반하는 변화가 발생 하면, 변화량을 2배로 증폭한 검출이 가능하다. 더욱이 R0와 V 값의 설정에 의해서 적당한 게인을 조정할 수 있다.
Figure pat00012
또한 본 실시예에 있어서도, 각 3단 CMOS인버터 최종단에 접지정전용량 CG81, CG82, CG83, CG84가 접속되며, 제2단에 평형저항 RE811, RE812, RE821, RE822, RE831, RE832, RE841, RE842가 설치되어 있고, 발진방지대책이 설비되어 있다. 또 본 실시예와 같이 저항을 기본요소로 하는 회로에서는 전하잔류 문제는 발생하지 않으므로, 리프레시는 불필요하다.
도 19는 증폭회로(AMP)의 제4실시예를 표시하는 것이고, Res41은, 3단 CMOS인버터(I911, I912, I913)의 입력에 접속되며, Res42는, I913의 출력과 I911의 입력간에 귀환저항으로서 접속되어 있다. Res41에는 입력전압(Vin9)이 입력되고, I913의 출력에는 Vin9의 반전출력이 양호한 선형특성을 갖고 발생한다. I913의 출력에는 결합저항(CR91)을 중개하여 3단 CMOS인버터(I921,I922, I923)가 접속되고, I923의 출력은 귀환저항(RF91)을 중개하여 I921의 입력에 접속되어 있다. 이로인해 I913의 출력이 더욱 반전되어, 비반전상태로 복귀된다.
더욱이 Vin9는 결합저항(CR92)을 중개하여 I921에 접속되며, I913의 반전출력과 가산된다. 이때에 CMOS인버터의 한계치전압을 Vb로 하면, I923의 출력 Vout9는,
Figure pat00013
이다. 또, 저항의 저항비 및 입력전압에 관하여,
CR91＝CR92＝RF91 (20)
Vin9＝V (21)
로 설정되어 있고, 식(19)는 식(22)으로 고쳐 쓸 수 있다.
Figure pat00014
따라서, Res42, Res41의 변화는 식(22)에 표시하듯이, 양자의 비 형태로 검출되며, 양자에 상반하는 변화가 발생하면, 변화량을 2배로 증폭한 검출이 가능하다. 더욱이 CR91≠CR92로 하고 혹은 V의 값을 변경하면, 양자의 비 설정에 의해 적당한 게인을 조정할 수 있다.
또한 본 실시예에 있어서도, 발진방지를 위한 접지정전용량(CG91, CG92), 평형저항(RE911, RE912 및 RE921, RE922)가 설치되어 있다.
전술한 바와같이, 본 발명에 관한 센서회로는, 임피던스 상대의 각각을, 홀수단 CMOS인버터의 입력, 및 입출력간에 접속하고, 이로인해 CMOS인버터의 입출력관계에 임피던스변화에 따른 닫힌 루프게인을 부여하고, 혹은, 임피던스 상대의 한쪽을 귀환임피던스를 포함하는 홀수단의 CMOS인버터에 접속하고, 이 CMOS인버터의 출력과 다른쪽의 임피던스를 용량결합에 의하여 가산하므로, 회로를 소형화, 전력 절약화 할 수 있는 우수한 효과를 갖는다.

Claims (12)

  1. 제1정전용량 및 제2정전용량에 대하여 상반하는 특성변화를 부여하고, 이 특성변화를 전기적으로 검출하는 센서회로에 있어서,
    제1정전용량에 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제1반전증폭기와, 이 제1반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제1귀환정전용량을 갖는 제1반전증폭부와,
    제2정전용량에 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제2반전증폭기와, 이 제2반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제2귀환정전용량을 갖는 제2반전증폭부와,
    이 제1반전증폭부의 출력에 접속된 제1중간정전용량과,
    이 중간정전용량에 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제3반전증폭기와, 이 제3반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제3귀환정전용량을 갖는 제3반전증폭부와,
    제2반전증폭부의 출력과 제3반전증폭부의 출력을 병렬 정전용량에 의하여 통합하는 용량결합과,
    이 용량결합의 출력이 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제4반전증폭기와,
    이 제4반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제4귀환정전용량을 갖는 제4반전증폭부,
    를 구비한 것을 특징으로 하는 센서회로.
  2. 특성변화를 용량치로 검출하는 센서회로로서,
    홀수단의 CMOS인버터로 된 제1반전증폭기로서, 입력에 제1정전용량이 접속되고, 입출력간에 제2정전용량이 접속된 제1반전증폭기와,
    이 제1반전증폭기의 출력과 상기한 제1정전용량의 입력이 접속된 병렬정전용량의 출력을 통합하는 용량결합과,
    이 용량결합의 출력이 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제2반전증폭기와,
    이 제2반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 귀환정전용량을 갖는 제2반전증폭부,
    를 구비한 것을 특징으로 하는 센서회로.
  3. 특성변화를 저항치로서 검출하는 센서회로로서,
    제1저항에 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제1반전증폭기와, 이 제1반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제1귀환저항을 갖는 제1반전증폭부와,
    제2저항에 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제2반전증폭기와, 이 제2반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제2귀환저항을 갖는 제2반전증폭부,
    이 제1반전증폭부의 출력에 접속된 제1중간저항과,
    이 중간저항에 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제3반전증폭기와,
    이 제3반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제3귀환저항을 갖는 제3반전증폭부와,
    제2반전증폭부의 출력과 제3반전증폭부의 출력을 병렬 저항에 의하여 통합하는 저항결합과,
    이 용량결합의 출력이 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제4반전증폭기와,
    이 제4반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제4귀환저항을 갖는 제2반전증폭부,
    을 구비한 것을 특징으로 하는 센서회로.
  4. 특성변화를 저항치로서 검출하는 센서회로로서,
    홀수단의 CMOS인버터로 된 제1반전증폭기로서, 입력에 제1저항이 접속되며, 입출력간에 제2저항이 접속된 제1반전증폭기와,
    이 제1반전증폭기의 출력과 상기한 제1저항의 입력이 접속된 병렬 저항의 출력을 통합하는 저항결합과,
    이 저항결합의 출력이 접속된 입력저항와, 이 입력저항에 접속된 홀수단의 CMOS인버터로 된 제2반전증폭기와, 이 제2반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 귀환저항을 갖는 제2반전증폭부,
    를 구비한 것을 특징으로 하는 센서회로.
  5. 홀수단의 CMOS인버터로 된 반전증폭기와,
    이 반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 귀환정전용량과,
    상기한 반전증폭기의 입력에 접속된 입력정전용량을 구비하며,
    상기한 귀환정전용량은 용량형 센서로 되어 있는 것을 특징으로 하는 센서회로.
  6. 홀수단의 CMOS인버터로 된 반전증폭기와,
    이 반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 귀환정전용량과,
    상기한 반전증폭기의 입력에 접속된 입력정전용량을 구비하고,
    상기한 입력정전용량은 용량형 센서로 되어 있는 것을 특징으로 하는 센서회로.
  7. 홀수단의 CMOS인버터로 된 반전증폭기와,
    이 반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 귀환정전용량과,
    상기한 반전증폭기의 입력에 접속된 입력정전용량을 구비하고,
    상기한 귀환정전용량과 입력정전용량은 용량형 센서로 되어 있는 것을 특징으로 하는 센서회로.
  8. 제5항에 있어서, 귀환정전용량과 병렬로 반전증폭기에 접속된 기준정전용량과,
    반전증폭기의 입력에 대하여, 기준정전용량 또는 귀환정전용량을 선택 접속하는 스위치,을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 센서회로.
  9. 제5항에 있어서, 귀환정전용량과 병렬로 반전증폭기에 접속된 기준정전용량과,
    반전증폭기의 출력에 대하여, 기준정전용량 또는 귀환정전용량을 선택 접속하는 스위치,
    를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 센서회로.
  10. 제6항에 있어서, 입력정전용량의 입력에 병렬로 접속된 기준정전용량과,
    반전증폭기의 입력에 대하여 기준정전용량 또는 입력정전용량을 선택 접속하는 스위치,
    를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 센서회로.
  11. 홀수단의 CMOS인버터로 된 제1반전증폭기와,
    홀수단의 CMOS인버터로 된 제2반전증폭기와,
    제1반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제1귀환정전용량과,
    제2반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제2귀환정전용량과,
    제1반전증폭기의 입력에 접속된 제1입력정전용량과,
    제2반전증폭기의 입력에 접속된 제2입력정전용량,
    을 구비하고, 제1, 제2입력정전용량에는 공통된 입력전압이 접속되며, 제1귀환정전용량은 용량형 센서로 되고, 제2귀환정전용량은 기준정전용량으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 센서회로.
  12. 홀수단의 CMOS인버터로 된 제1반전증폭기와,
    홀수단의 CMOS인버터로 된 제2반전증폭기와,
    제1반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제1귀환정전용량과,
    제2반전증폭기의 출력을 입력에 접속하는 제2귀환정전용량과,
    제1반전증폭기의 입력에 접속된 제1입력정전용량과,
    제2반전증폭기의 입력에 접속된 제2입력정전용량,
    을 구비하고, 제1, 제2입력정전용량에는 공통된 입력전압이 접속되며, 제1입력정전용량은 용량형 센서로 되고, 제2입력정전용량은 기준정전용량으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 센서회로.
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