KR100655258B1 - 용량 검출 회로 및 용량 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

입력 보호 회로를 갖추고, 또한, 높은 감도를 갖는 용량 검출 회로를 제공한다. 용량형 센서(Cs)의 용량을 검출하는 용량 검출 회로(20)로서, 용량형 센서(Cs)에 신호선(13)을 통해 접속되는 전압 증폭율이 1인 버퍼 앰프(12)와, 신호선(13)과 플러스 전원(+Vdd) 사이에 직렬로 접속된 다이오드(Dp1 및 Dp2)와, 신호선(13)과 마이너스 전원(-Vdd) 사이에 직렬로 접속된 다이오드(Dm1 및 Dm2)를 포함하고, 버퍼 앰프(12)의 출력 단자가, 다이오드(Dp1)와 다이오드(Dp2)와의 접속점(21a) 및 다이오드(Dm1)와 다이오드(Dm2)와의 접속점(21b)에 접속되어 있다.

Description

용량 검출 회로 및 용량 검출 방법{CAPACITANCE DETERMINING CIRCUIT AND CAPACITANCE DETERMINING METHOD}
본 발명은 정전용량을 검출하는 회로에 관한 것으로, 특히, 미소한 정전용량의 변화분에 대응한 신호를 출력하는 회로에 관한 것이다.
종래, 물리량의 변화에 따라서 정전용량(이하, 단순히 「용량」이라 함)이 변화하는 용량형 센서의 검출 회로로서, 도 1에 나타내어지는 용량 검출 회로(10)가 있다.
이 용량 검출 회로(10)는 용량형 센서(Cs)의 용량에 대응한 전압 신호를 출력하는 회로이며, 용량형 센서(Cs), 입력 보호 회로(11), 저항(Rh), 버퍼 앰프(12), 용량형 센서(Cs)와 버퍼 앰프(12)를 접속하는 신호선(13) 등으로 구성된다(입력 보호 회로로서는 예컨대, 일본 특허 공개 평5-335493호 공보 참조).
용량형 센서(Cs)의 하나의 전극에는 전압(Vb)이 인가되고, 다른 전극에는 신호선(13)을 통해 버퍼 앰프(12)의 입력 단자가 접속되어 있다. 입력 보호 회로(11)는 신호선(13)에 유도되는 정전기 등의 고전압을 전원 전압으로 클램프하는 회로이며, 신호선(13)과 플러스 전원(+Vdd) 및 마이너스 전원(-Vdd) 사이에 접속된 다이오드(Dp 및 Dm)로 이루어진다.
이러한 종래의 용량 검출 회로(10)의 동작은 다음과 같다.
여기서, 신호선(13)의 기생 용량(부유 용량)을 Ci라고 하면, 버퍼 앰프(12)의 입력 전압(Vin)은 용량형 센서(Cs)에 인가된 전압(Vb)이 용량형 센서(Cs)와 기생 용량(Ci)에 의해 결정되는 분압으로 되기 때문에,
Vin=Vb·(1/jωCi)/(1/jωCs+1/jωCi)
가 된다. 그런데, 버퍼 앰프(12)의 전압 증폭율은 1이기 때문에,
Vout=Vin
이 성립한다. 따라서, 상기 2개의 식으로부터 Vin을 소거하면, 출력 전압(Vout)은,
Vout=Vb·Cs/(Cs+ Ci)
가 된다. 여기서, 용량형 센서(Cs)의 용량이 물리량의 변화에 의존하는 성분(변화 용량(ΔC))과 의존하지 않는 성분(기준 용량(Cd))의 합, 즉,
Cs=Cd+ΔC
로 나타내어진다고 하면, 상기 출력 전압(Vout)은,
Vout=Vb·(Cd+ΔC)/(Cd+ΔC+Ci)
가 된다. 여기서, Vb가 직류 전압일 때, 출력 전압(Vout) 중, 물리량의 변화에 대응하는 교류분(Vo)만이 최종적인 신호로 되기 때문에, 그 교류분(Vo)은,
Vo=Vb·ΔC/(Cd+ΔC+Ci) (식 1)
이 된다(여기서, Vo는 물리량의 시간적 변화 「예컨대 ΔC」에 의존하는 성분에 의한 것이라고 할 수 있음).
상기 식 1로부터 알 수 있는 것과 같이, 이러한 용량 검출 회로에서, 감도를 향상시키기 위해서, ΔC, Cd, Vb가 일정하므로, 기생 용량(Ci)을 작게 하거나, 또는, 제로로 하는 것이 바람직하다.
그런데, 기생 용량(Ci)을 작게 하는 것은 쉬운 것이 아니다.
도 2는 도 1에 나타내어진 용량 검출 회로(10)의 통상 동작시(다이오드(Dp 및 Dm)가 역바이어스되고 있을 때)에 있어서의 등가 회로도이다. 여기서는, 다이오드(Dp 및 Dm)의 용량(역바이어스시에 있어서의 공핍층 용량)은 각각 콘덴서(Cdp 및 Cdm)로서, 버퍼 앰프(12)의 입력 용량은 콘덴서(Cg)로서 도시되어 있다. 기생 용량(Ci)은 이들 콘덴서(Cdp, Cdm, Cg)의 용량의 합계치, 즉,
Ci=Cdp+Cdm+Cg
가 되는데, 모두 필요 불가결한 회로로부터 생기는 기생 용량이다.
여기서, 만약에 용량 검출 회로(10) 전체를 원-칩 IC로 형성할 수 있다면, 입력 보호 회로(11)를 설치하지 않음으로써, 기생 용량(Ci)을 대폭 삭감할 수 있다. 그러나, 복수 종류의 부품을 조합시켜 제품을 제조할 필요가 있는 경우나 용량형 센서(Cs)와 검출 회로를 떨어진 위치에 실장하여야만 하는 경우 등에 있어서는, 용량형 센서(Cs)와 검출 회로가 분리된 구조로 용량 검출 회로를 실장하지 않으면 안되어, 버퍼 앰프(12)의 입력단에 입력 보호 회로(11)를 설치하는 것은 피할 수 없다. 그 때문에, 입력 보호 회로(11)에 기인하는 기생 용량이 가산되게 되어, 용량 검출 회로의 감도가 저하되는 문제가 있다.
그래서, 본 발명은 이러한 과제에 감안하여 이루어진 것으로, 입력 보호 회로를 갖추고, 또한, 높은 감도를 갖는 용량 검출 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 용량 검출 회로는, 입력 보호 회로를 구성하는 다이오드의 용량을 캔슬하는 고안을 하고 있다.
즉, 본 발명에 따른 용량 검출 회로는, 피검출 콘덴서의 용량을 검출하는 회로로서, 상기 피검출 콘덴서에 신호선을 통해 접속되는 제1 버퍼 앰프부와, 상기 신호선과 제1 전원 사이에 직렬로 접속된 제1 및 제2 다이오드와, 상기 신호선과 제2 전원 사이에 직렬로 접속된 제3 및 제4 다이오드를 포함하고, 상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 단자가, 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드와의 제1 접속점, 및, 상기 제3 다이오드와 상기 제4 다이오드와의 제2 접속점에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다. 이로써, 신호선에 접속된 제1 다이오드 및 제3 다이오드의 양단이 동전위로 되기 때문에, 다이오드의 용량이 캔슬되어, 기생 용량이 작아져, 용량 검출 회로의 감도가 커진다.
여기서, 제1 전원은 바람직하게는 플러스의 전위이며, 통상은, 회로 중의 플러스 전원을 이용한다. 또, 제2 전원은 바람직하게는 마이너스의 전위이며, 통상은, 회로 중의 마이너스 전원 또는 그라운드를 이용한다. 제1 버퍼 앰프부는 버퍼 앰프의 기능을 갖는다면 무엇이나 좋다. 제1 버퍼 앰프부의 전압 증폭율은 「1」이 가장 바람직하지만, 그 이외의 값이라도 가능하다. 또한, 피검출 콘덴서에 인가하는 바이어스 전압은 교류이거나, 직류이거나, 또는 직류가 실린 교류라도 좋다.
또한, 상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 단자와 상기 제1 및 제2 접속점을, 각각, 제1 및 제2 콘덴서를 통해 교류적으로 접속하고, 상기 제1 접속점에 대해서는, 제1 저항을 통해 상기 제1 전원의 전위와 상기 신호선의 전위와의 사이의 전위에 접속하고, 상기 제2 접속점에 대해서는, 제2 저항을 통해 상기 제2 전원의 전위와 상기 신호선의 전위와의 사이의 전위에 접속하더라도 좋다. 이 때, 상기 제1 및 제2 저항의 저항치와 상기 제1 및 제2 콘덴서의 용량치로서, 상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 신호 중, 상기 피검출 콘덴서의 변화 용량 및 그 피검출 콘덴서에 가하는 바이어스 전압의 교류분에 대응하는 주파수 성분을 통과시키는 저항치 및 용량치로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 제1 버퍼 앰프부의 출력 단자와 상기 제1 및 제2 접속점은 교류적으로 접속되게 되어, 신호선에 접속된 제1 다이오드 및 제3 다이오드의 양단이 교류적으로 동전위로 되기 때문에, 이들 다이오드의 용량이 캔슬되어, 기생 용량이 작아져, 피검출 콘덴서의 변화 용량을 검출하는 회로로서의 감도가 커진다.
또한, 상기 제1 저항과 상기 제1 콘덴서의 접속점과 상기 제1 접속점과의 사이에, 제2 버퍼 앰프부를 접속하는 동시에, 상기 제2 저항과 상기 제2 콘덴서의 접속점과 상기 제2 접속점과의 사이에, 제3 버퍼 앰프부를 접속하더라도 좋다. 여기서, 바람직하게는, 상기 제1 접속점의 전위와 상기 제2 접속점의 전위가 상기 신호선의 전위와 동일하게 되도록, 상기 제1∼제3 버퍼 앰프부의 각각의 전압 증폭율을 설정한다. 더욱 보다 바람직하게는, 제1∼제3 버퍼 앰프부의 전압 증폭율을 전부 1로 한다. 이로써, 보다 확실하게, 제1 다이오드 및 제3 다이오드의 양단이 동전위로 확보된다.
또한, 상기 제1 버퍼 앰프부는, 입력단의 회로로서, MOSFET를 포함하며, 상기 MOSFET의 게이트가 상기 제1 버퍼 앰프부의 입력 단자에 접속되어 있는 경우에는, 상기 MOSFET의 기판과 상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 단자를 접속하는 것이 바람직하다. 이로써, 제1 버퍼 앰프부의 입력 용량이 캔슬되어, 용량 검출 회로의 감도가 향상된다.
또한, 상기 용량 검출 회로는 또한, 테스트 신호를 입력하기 위한 테스트 단자와, 상기 제1 버퍼 앰프부의 입력 단자와 상기 테스트 단자 사이에 직렬로 접속된 테스트용 콘덴서와 스위치를 설치하더라도 좋다. 이로써, 용량 검출 회로를, 피검출 콘덴서와 분리된 회로로서 실현하는 경우에, 피검출 콘덴서가 접속되어 있지 않은 상태라도, 피검출 콘덴서가 접속되어 있는 것과 같은 상태로 하여, 용량 검출 회로 단일체로 동작 테스트를 할 수 있다.
한편, 본 발명은, 이러한 용량 검출 회로로서 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 입력 보호 회로의 다이오드의 용량을 캔슬함으로써 감도를 향상시키는 용량 검출 방법으로서 실현할 수도 있다.
본 발명에 따른 용량 검출 회로에 의하면, 입력 보호 회로를 구성하는 다이오드 중, 신호선에 접속된 다이오드의 용량이 캔슬되기 때문에, 신호선의 기생 용량이 작아져, 용량 검출 회로의 감도가 대폭 향상된다.
또한, 용량 검출 회로를 구성하는 버퍼 앰프부의 출력 신호 중, 용량형 센서의 용량 변화 및 그 피검출 콘덴서에 가하는 바이어스 전압의 교류분에 대응하는 주파수 성분을 입력 보호 회로의 다이오드에 인가시킴으로써, 입력 보호 회로를 구성하는 다이오드 중, 신호선에 접속된 다이오드의 양단의 전위가 교류적으로 동일 하게 되어, 용량이 캔슬되기 때문에, 신호선의 기생 용량이 작아져, 용량형 센서의 용량 변화를 검출하는 용량 검출 회로로서의 감도가 대폭 향상된다.
또한, 버퍼 앰프의 입력단에 있어서의 MOSFET의 기판과 버퍼 앰프의 출력 단자를 접속해 둠으로써, 버퍼 앰프의 입력 용량이 캔슬되기 때문에, 신호선의 기생 용량이 감소하여, 용량 검출 회로의 감도가 향상된다.
또한, 용량 검출 회로에 테스트용 콘덴서와 스위치를 내장해 둠으로써, 용량형 센서가 접속되어 있지 않은 상태라도, 용량 검출 회로에 용량형 센서가 접속된 것과 동일한 상태를 만들 수 있어, 회로의 동작 테스트를 하는 것이 가능해진다. 한편, 동작 테스트를 하고 있지 않을 때는, 테스트용 콘덴서를 버퍼 앰프부의 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속해 둘 수 있다.
도 1은 종래의 용량 검출 회로의 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 용량 검출 회로의 등가 회로의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 용량 검출 회로의 회로도이다.
도 4는 도 3에 도시된 용량 검출 회로의 등가 회로의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 용량 검출 회로의 회로도이다.
도 6은 도 5에 도시된 용량 검출 회로의 등가 회로의 회로도이다.
도 7은 도 6에 도시된 등가 회로에 신호 전압을 적은 회로도로, (a)는 회로가 정상(定常) 상태에 있는 경우, (b)는 회로가 변화 상태에 있는 경우의 회로도이 다.
도 8은 도 5에 도시된 용량 검출 회로에 2개의 버퍼 앰프를 부가한 용량 검출 회로의 회로도이다.
도 9는 버퍼 앰프의 입력단을 구성하는 MOSFET의 기판과 버퍼 앰프의 출력 단자를 접속한 회로도이다.
도 10은 용량 검출 회로에 테스트용 콘덴서를 부가한 회로도이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 버퍼 앰프의 일례를 도시하는 회로도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
(실시형태 1)
도 3은 본 발명의 일례로서 실시형태 1에 있어서의 용량 검출 회로(20)의 회로도를 예시한 것이다.
이 용량 검출 회로(20)는 용량형 센서(Cs)의 용량에 대응한 전압 신호를 출력하는 회로이며, 용량형 센서(Cs), 입력 보호 회로(21), 저항(Rh), 버퍼 앰프(12), 용량형 센서(Cs)와 버퍼 앰프(12)를 접속하는 신호선(13) 등으로 구성된다. 신호선(13)은 풀업 저항(Rh)을 통해 전원(Vh)에 접속되며, 직류 전위가 고정되어 있다. 버퍼 앰프(12)는 입력 임피던스가 높고, 또 출력 임피던스가 낮은 전압 증폭율이 1인 임피던스 변환기이다. 도 1에 도시된 종래의 용량 검출 회로(10)에 비하여, 입력 보호 회로(21)의 구성 및 버퍼 앰프(12)의 출력과 입력 보호 회로(21)가 접속되어 있는 점 등이 다르다. 이하, 종래의 용량 검출 회로와 동일한 구성 요소 에는 동일한 부호를 붙여 그 설명을 생략하고, 다른 점을 설명한다.
입력 보호 회로(21)는 신호선(13)과 플러스 전원(+Vdd) 사이에 신호선(13)으로부터 플러스 전원(+Vdd)으로 향하여 전류가 흐르는 방향이 되도록 접속된 2개의 다이오드(Dp1 및 Dp2)와, 신호선(13)과 마이너스 전원(-Vdd) 사이에 마이너스 전원(-Vdd)으로부터 신호선(13)으로 향하여 전류가 흐르는 방향이 되도록 접속된 2개의 다이오드(Dm1 및 Dm2)로 구성된다.
그리고, 버퍼 앰프(12)의 출력 단자는 입력 보호 회로(21)의 다이오드(Dp1)와 다이오드(Dp2)의 접속점(21a)에 접속되는 동시에, 다이오드(Dm1과 Dm2)의 접속점(21b)에 접속되어 있다.
이상과 같이 구성된 용량 검출 회로(20)의 동작은 다음과 같다.
도 4는 도 3에 도시된 용량 검출 회로(20)의 등가 회로이다. 여기서는, 다이오드(Dp2 및 Dm1)의 용량이 각각 콘덴서(Cdp 및 Cdm)로서, 버퍼 앰프(12)의 입력 용량이 콘덴서(Cg)로서 도시되어 있다.
콘덴서(Cdp)에 주목하면, 그 양단은 버퍼 앰프(12)의 입력 단자 및 출력 단자에 접속되어 있기 때문에, 동전위가 된다. 마찬가지로, 콘덴서(Cdm)의 양단도 동전위가 된다. 즉, 이들 콘덴서(Cdp 및 Cdm)는 모두, 그 양단이 동전위가 되어, 축적 전하가 제로로 되고, 외관상 용량(Cdp 및 Cdm)이 제로가 된다. 이것은, 콘덴서의 용량(C)과 축적 전하(Q)와 양 단자 사이의 전압(V)의 관계,
Q=C·V
에 있어서, V=0인 경우에 Q=0, 즉, 축적 전하가 제로로 되어, 외관상 용량(C)이 제 로인 경우와 같게 되므로 용이하게 이해할 수 있다.
이상의 점에서, 신호선(13)에 접속되어 있는 2개의 다이오드(Dp2 및 Dm1)의 용량(콘덴서 Cdp 및 Cdm)을 무시할 수 있기 때문에, 신호선(13)의 기생 용량(Ci)은 콘덴서(Cg)만, 즉,
Ci=Cg
가 된다. 따라서, 종래의 용량 검출 회로(10)에 있어서의 신호선(13)의 기생 용량(Ci)(=Cdp+Cdm+Cg)에 비하여, 입력 보호 회로에 기인하는 용량분이 삭감되게 되어, 그 만큼, 용량 검출 회로(20)의 감도가 향상된다. 즉, 전술한 식 1에 있어서의 분모에 포함되는 Ci가 대폭 작아져, 회로 게인,
ΔC/(Cd+ΔC+Ci)
가 종래보다도 대폭 커진다.
(실시형태 2)
도 5는 본 발명의 일례인 실시형태 2에 있어서의 용량 검출 회로(30)의 회로도를 예시한 것이다.
이 용량 검출 회로(30)는 용량형 센서(Cs)의 용량에 대응한 전압 신호를 출력하는 회로이며, 용량형 센서(Cs), 입력 보호 회로(31), 저항(Rh), 버퍼 앰프(12), 콘덴서(Cp), 콘덴서(Cm), 용량형 센서(Cs)와 버퍼 앰프(12)를 접속하는 신호선(13) 등으로 구성된다. 도 3에 도시된 실시형태 1의 용량 검출 회로(20)에 비하여, 2개의 콘덴서(Cp 및 Cm)와 2개의 저항(Rp 및 Rm)이 추가되어 있는 점이 다르다. 이하, 실시형태 1의 용량 검출 회로(20)와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호 를 붙여, 그 설명을 생략하고, 다른 점을 설명한다.
입력 보호 회로(31)의 다이오드(Dp1)와 다이오드(Dp2)의 접속점(31a)에는 고정 전압(Vp)과의 사이에 저항(Rp)이 접속되는 동시에, 버퍼 앰프(12)의 출력 단자와의 사이에 콘덴서(Cp)가 접속되고 있다. 마찬가지로, 입력 보호 회로(31)의 다이오드(Dm1)와 다이오드(Dm2)의 접속점(31b)에는, 고정 전압(Vm)과의 사이에 저항(Rm)이 접속되는 동시에, 버퍼 앰프(12)의 출력 단자와의 사이에 콘덴서(Cm)가 접속되고 있다.
콘덴서(Cp)와 저항(Rp)은 버퍼 앰프(12)의 출력 전압을 입력으로 하고, 이들의 접속점을 출력으로 하는 하이 패스 필터를 구성하고 있는데, 용량형 센서(Cs)의 변화 용량(ΔC) 및 바이어스 전원의 전압(Vb)(교류분)에 대응하는 주파수 대역의 신호를 통과시키는 시상수가 되도록, 그 용량치 및 저항치가 설정되어 있다. 마찬가지로, 콘덴서(Cm)와 저항(Rm)에 대해서도, 같은 주파수 대역의 신호를 통과시키는 시상수가 되도록, 그 용량치 및 저항치가 설정되고 있다. 따라서, 버퍼 앰프(12)의 출력 전압의 교류분이 콘덴서(Cm)를 통과하여 입력 보호 회로(31)의 접속점(31b)에 인가되게 된다.
고정 전압(Vp)은 신호선(13)의 전위(Vh)와 플러스 전원(+Vdd) 사이의 값이며, 다이오드(Dp1 및 Dp2)가 모두 통상 동작에 있어서 역바이어스가 되도록 바이어스해 두기 위한 직류 전위이다. 마찬가지로, 고정 전압(Vm)은 신호선(13)의 전위(Vh)와 마이너스 전원(-Vdd) 사이의 값이며, 다이오드(Dm1 및 Dm2)가 모두 통상 동작에 있어서 역바이어스가 되도록 바이어스해 두기 위한 직류 전위이다.
이상과 같이 구성된 용량 검출 회로(30)의 동작은 다음과 같다.
도 6은 도 5에 도시된 용량 검출 회로(30)의 등가 회로이다. 여기서는, 다이오드(Dp2 및 Dm1)의 용량이 각각 콘덴서(Cdp 및 Cdm)로서, 버퍼 앰프(12)의 입력 용량이 콘덴서(Cg)로서 도시되어 있다.
신호선(13)에 있어서의 전압의 교류분은 버퍼 앰프(12)로부터 출력되어, 콘덴서(Cp 및 Cm)를 통과하여, 입력 보호 회로(31)의 접속점(31a 및 31b)에 인가된다. 즉, 교류분에 주목하면, 콘덴서(Cdp 및 Cdm)는 각각, 양단의 전위가 동일하게 되고, 실시형태 1과 마찬가지로, 외관상 용량(Cdp 및 Cdm)이 제로가 된다.
이상의 점에서, 신호선(13)에 접속되어 있는 2개의 다이오드(Dp2 및 Dm1)의 용량(콘덴서 Cdp 및 Cdm)을 무시할 수 있기 때문에, 신호선(13)의 기생 용량(Ci)은 콘덴서(Cg)만으로 되어, 실시형태 1과 동일한 효과가 발휘된다.
이상의 동작을 해석식을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 7(a)는 용량 검출 회로(30)가 정상 상태, 즉, 용량형 센서(Cs)의 용량이 정상치(Cd)와 같을(변화 용량(ΔC)=0) 때의 각 부위에서의 전압치를 기입한 회로도이다. 여기서 전압(Vb)을 직류로 한다. 즉, 신호선(13)의 전압은 Vh이며, 버퍼 앰프(12)의 출력 전압은 Vh이며, 입력 보호 회로(31)의 접속점(31a)의 전압은 Vp이며, 입력 보호 회로(31)의 접속점(31b)의 전압은 Vm이다.
한편, 도 7(b)는 용량 검출 회로(30)의 용량형 센서(Cs)의 용량이 변화하고 있을 때의 각 부위에서의 전압치를 기입한 회로도이다. 즉, 신호선(13)의 전압은 (Vsig+Vh)이며, 버퍼 앰프(12)의 출력 전압은 (Vsig+Vh)이며, 입력 보호 회로(31) 의 접속점(31a)의 전압은 (Vsig+Vp)이며, 입력 보호 회로(31)의 접속점(31b)의 전압은 (Vsig+Vm)이다.
여기서, 저항(Rh) 및 버퍼 앰프(12)의 입력 저항이 매우 높고, 신호선(13)의 전하량이 보존된다고 하면, 도 7(a)에 도시된 정상 상태에 있어서의 신호선(13)의 전하량(Q1)과 도 7(b)에 도시된 변화 상태에 있어서의 신호선(13)의 전하량(Q2)이 같아진다.
여기서, 도 7(a)에 도시된 정상 상태에 있어서의 신호선(13)의 전하량(Q1)은,
Q1=Cd·(Vh-Vb)+Cdp·(Vh-Vp)+Cdm(Vh-Vm)+Cg·Vh
이다. 한편, 도 7(b)에 도시된 변화 상태에 있어서의 신호선(13)의 전하량(Q2)은,
Q2=(Cd+ΔC)·(Vsig+Vh-Vb)+Cdp·(Vsig+Vh-Vsig-Vp)+Cdm(Vsig+Vh-Vsig-Vm)+Cg·(Vsig+Vh)
이다. 그리고,
Q1=Q2
가 성립한다. 이들 식으로부터, 용량형 센서(Cs)의 용량 변화에 대응하는 신호 성분(Vsig)은,
Vsig=(ΔC/(Cd+ΔC+Cg))·(Vb-Vh)
으로 나타내어진다. 이 식으로부터, 버퍼 앰프(12)의 출력 신호의 교류분은 입력 보호 회로(31)의 2개의 다이오드(Dp2 및 Dm1)의 용량(콘덴서 Cdp 및 Cdm)의 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 즉, 신호선(13)의 기생 용량(Ci)은 외관상, 콘덴서(Cg)만 으로 되어, 종래보다도 감도가 커진다.
이상, 본 발명에 따른 용량 검출 회로에 대해, 2개의 실시형태를 이용하여 설명했지만, 본 발명은 이들 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 바이어스 전원의 전압(Vb)을 교류나 직류가 탄 교류로 하여도 좋다. 또한, 도 8에 도시되는 용량 검출 회로(40)와 같이, 버퍼 앰프(42 및 43)를 2개의 다이오드의 접속점과 버퍼 앰프(12)의 출력 단자로부터 콘덴서(Cp 또는 Cm)를 통해 접속하더라도 좋다. 이 용량 검출 회로(40)는 실시형태 2에 있어서의 용량 검출 회로(30)의 접속점(31a)과 저항(Rp)과의 사이, 및 접속점(31b)과 저항(Rm)과의 사이에, 입력 임피던스가 높고, 또, 출력 임피던스가 낮은 전압 증폭율이 1인 임피던스 변환기(각각, 버퍼 앰프(42 및 43))를 삽입한 회로에 상당한다. 이로써, 버퍼 앰프(12)의 출력 부하로부터 입력 보호 회로(41)가 분리되는 동시에, 버퍼 앰프(42 및 43)를 통해 입력 보호 회로(41)의 접속점(41a 및 41b)에 전압이 공급되기 때문에, 콘덴서(Cdp 및 Cdm)의 양단의 전위가 보다 확실하게 동전위로 유지될 수 있다.
또한, 도 9의 회로도에 도시된 바와 같이, 버퍼 앰프(12)의 내부의 회로에 있어서, 입력 단자가 MOSFET의 게이트에 접속되어 있는 경우에는, 버퍼 앰프(12)의 입력 용량(콘덴서(Cg))은 그 MOSFET의 게이트 용량이며, 그 대부분이 게이트 기판 사이의 용량이다. 따라서, 이러한 경우에 있어서는, MOSFET의 기판과 버퍼 앰프(12)의 출력 단자를 접속하더라도 좋다. 이로써, 게이트 기판 사이의 용량이 캔슬되어, 기생 용량(Ci)이 작아져, 용량 검출 회로의 감도가 향상된다.
또한, 용량형 센서(Cs)를 제외한 용량 검출 회로가 원 칩 IC나 브레드보드 등으로 실현되는 경우에 있어서는, 도 10의 회로도에 도시된 바와 같이, 용량 검출 회로를 테스트하기 위한 회로를 부가해 두더라도 좋다. 도 10의 회로도에서는, 버퍼 앰프(12)의 입력 단자는 테스트용 콘덴서(50)와 스위치(51)를 통해, 테스트용 PAD(IC의 전극 단자)(52)에 접속되고, 스위치(51)의 제어 단자는 전환용 PAD(53)(혹은, 스위치 전환 제어 회로)에 접속되고 있다. 이러한 구성에 의해서, 테스트할 때에는, 전환용 PAD(53)로부터 소정의 제1 전압을 인가하고 스위치(51)를 테스트용 PAD(52)에 접속하여 테스트 상태로 함으로써, 용량 검출 회로에 용량형 센서(테스트용 콘덴서(50))가 접속된 상태가 되어, 테스트용 PAD(52)에 테스트 신호를 입력하는 등에 의해서 용량 검출 회로를 테스트할 수 있다. 한편, 테스트를 완료한 후에는 전환용 PAD(53)로부터 소정의 제2 전압을 인가하고 스위치(51)를 버퍼 앰프(12)의 출력 단자에 접속하여 테스트용 콘덴서(50)의 양단을 동전위로 하여, 감도 저하를 일으키지 않도록 해 둘 수도 있다.
또한, 실시형태 1 및 2에 있어서의 버퍼 앰프(12, 42, 43)는 도 11(a)에 도시되는 OP 앰프(연산 증폭기)에 의한 전압 팔로워(follwer)로 구성하더라도 좋고, 도 11(b)에 도시되는 MOSFET를 이용한 회로로 구성하더라도 좋다.
또한, 콘덴서(Cdp 및 Cdm)의 양단의 전압에 위상차가 생기는 경우에는, 콘덴서(Cdp 및 Cdm)의 일단에서 타단까지의 루프 회로 상에 위상 보상 회로를 삽입하여, 위상차가 생기지 않도록 조정하더라도 좋다. 혹은, 실시형태 2에 있어서의 용량 검출 회로(30)의 저항(Rp 및 Rm)을 가변 저항으로 하고, 콘덴서(Cp 및 Cm)를 가변 용량으로 함으로써, 위상 보상과 통과 대역의 조정을 동시에 행하도록 하더라도 좋다.
본 발명은 용량 검출 회로로서, 특히, 미소한 정전용량의 변화분에 대응한 신호를 출력하는 회로로서 이용할 수 있으며, 예컨대, 콘덴서 마이크로폰 등의 물리량의 변화에 따라서 용량이 변화되는 용량형 센서의 검출 회로로서 이용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 피검출 콘덴서의 용량을 검출하는 회로로서,
    상기 피검출 콘덴서에 신호선을 통해 접속되는 제1 버퍼 앰프부와,
    상기 신호선과 제1 전원 사이에 직렬로 접속된 제1 및 제2 다이오드와,
    상기 신호선과 제2 전원 사이에 직렬로 접속된 제3 및 제4 다이오드를 포함하고,
    상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 단자가, 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드와의 제1 접속점 및, 상기 제3 다이오드와 상기 제4 다이오드와의 제2 접속점에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 버퍼 앰프부의 전압 증폭율이 1인 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 단자는 상기 제1 및 제2 접속점과, 각각 제1 및 제2 콘덴서를 통해 교류적으로 접속되고,
    상기 제1 접속점은 제1 저항을 통해 상기 제1 전원의 전위와 상기 신호선의 전위 사이의 전위에 접속되고,
    상기 제2 접속점은 제2 저항을 통해 상기 제2 전원의 전위와 상기 신호선의 전위 사이의 전위에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 저항과 상기 제1 콘덴서는, 상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 신호 중, 상기 피검출 콘덴서의 변화 용량 및 그 피검출 콘덴서에 가하는 바이어스 전압의 교류분에 대응하는 주파수 성분을 통과시키는 저항치 및 용량치이며,
    상기 제2 저항과 상기 제2 콘덴서는, 상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 신호 중, 상기 피검출 콘덴서의 변화 용량 및 그 피검출 콘덴서에 가하는 바이어스 전압의 교류분에 대응하는 주파수 성분을 통과시키는 저항치 및 용량치인 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 저항과 상기 제1 콘덴서의 접속점과 상기 제1 접속점과의 사이에는 제2 버퍼 앰프부가 접속되고,
    상기 제2 저항과 상기 제2 콘덴서의 접속점과 상기 제2 접속점과의 사이에는 제3 버퍼 앰프부가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 접속점의 전위와 상기 제2 접속점의 전위가 상기 신호선의 전위와 동일하게 되도록 상기 제1∼제3 버퍼 앰프부의 각각의 전압 증폭율이 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 버퍼 앰프부는 입력단의 회로로서 MOSFET를 포함 하고,
    상기 MOSFET의 게이트는 상기 제1 버퍼 앰프부의 입력 단자에 접속되고,
    상기 MOSFET의 기판은 상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 단자에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 용량 검출 회로는,
    테스트 신호를 입력하기 위한 테스트 단자와,
    상기 제1 버퍼 앰프부의 입력 단자와 상기 테스트 단자 사이에 직렬로 접속된 테스트용 콘덴서와 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  9. 피검출 콘덴서의 용량을 검출하는 회로로서,
    상기 피검출 콘덴서에 신호선을 통해 접속되는 전압 증폭율이 1인 버퍼 앰프부와,
    상기 신호선과 제1 전원 사이에, 상기 신호선에서 상기 제1 전원으로 향하여 전류가 흐르는 방향으로 직렬 접속된 제1 및 제2 다이오드와,
    상기 신호선과 제2 전원 사이에, 상기 제2 전원에서 상기 신호선으로 향하여 전류가 흐르는 방향으로 직렬 접속된 제3 및 제4 다이오드와,
    상기 신호선과 상기 제1 전원의 전위 이하이며 상기 제2 전원의 전위 이상인 전위와의 사이에 접속된 저항을 포함하고,
    상기 버퍼 앰프부의 출력 단자는 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드와 의 접속점 및, 상기 제3 다이오드와 상기 제4 다이오드와의 접속점에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  10. 피검출 콘덴서의 용량을 검출하는 회로로서,
    상기 피검출 콘덴서에 신호선을 통해 접속되는 전압 증폭율이 1인 버퍼 앰프부와,
    상기 신호선과 제1 전원 사이에, 상기 신호선에서 상기 제1 전원으로 향하여 전류가 흐르는 방향으로 직렬 접속된 제1 및 제2 다이오드와,
    상기 신호선과 제2 전원 사이에, 상기 제2 전원에서 상기 신호선으로 향하여 전류가 흐르는 방향으로 직렬 접속된 제3 및 제4 다이오드와,
    상기 제1 전원의 전위 이하이며 상기 제2 전원의 전위 이상인 전위와 상기 신호선과의 사이에 접속된 저항과,
    상기 버퍼 앰프부의 출력 단자와, 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드와의 제1 접속점과의 사이에 접속된 콘덴서와,
    상기 제1 접속점과, 상기 제1 전원의 전위와 상기 신호선의 전위 사이의 전위에 접속된 저항과,
    상기 버퍼 앰프부의 출력 단자와, 상기 제3 다이오드와 상기 제4 다이오드의 제2 접속점과의 사이에 접속된 콘덴서와,
    상기 제2 접속점과, 상기 제2 전원의 전위와 상기 신호선의 전위 사이의 전위에 접속된 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  11. 피검출 콘덴서의 용량을 검출하는 회로로서,
    상기 피검출 콘덴서에 신호선을 통해 접속되는 전압 증폭율이 1인 제1 버퍼 앰프부와,
    상기 신호선과 제1 전원 사이에, 상기 신호선에서 상기 제1 전원으로 향하여 전류가 흐르는 방향으로 직렬 접속된 제1 및 제2 다이오드와,
    상기 신호선과 제2 전원 사이에, 상기 제2 전원에서 상기 신호선으로 향하여 전류가 흐르는 방향으로 직렬 접속된 제3 및 제4 다이오드와,
    상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 단자와, 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드의 제1 접속점과의 사이에 직렬로 접속된 제1 콘덴서 및 제2 버퍼 앰프부와,
    상기 제1 콘덴서와 상기 제2 버퍼 앰프부의 접속점과, 상기 제1 전원의 전위와 상기 신호선의 전위 사이의 전위에 접속된 제1 저항과,
    상기 제1 버퍼 앰프부의 출력 단자와, 상기 제3 다이오드와 상기 제4 다이오드의 제2 접속점과의 사이에 직렬로 접속된 제2 콘덴서 및 제3 버퍼 앰프부와,
    상기 제2 콘덴서와 상기 제3 버퍼 앰프부의 접속점과, 상기 제2 전원의 전위와 상기 신호선의 전위 사이의 전위에 접속된 제2 저항과,
    상기 제1 전원의 전위 이하이며 상기 제2 전원의 전위 이상인 전위와 상기 신호선 사이에 접속된 제3 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 용량 검출 회로.
  12. 피검출 콘덴서의 용량을 검출하는 방법으로서,
    상기 피검출 콘덴서와 전압 증폭율이 1인 버퍼 앰프부를 신호선으로 접속하고,
    상기 신호선과 제1 전원 사이에 제1 및 제2 다이오드를 직렬로 접속하는 동시에, 상기 신호선과 제2 전원 사이에 제3 및 제4 다이오드를 직렬로 접속하고,
    상기 버퍼 앰프부의 출력 단자를, 상기 제1 다이오드와 상기 제2 다이오드와의 접속점 및, 상기 제3 다이오드와 상기 제4 다이오드와의 접속점에 접속함으로써, 상기 신호선에 접속된 상기 제1 다이오드 및 상기 제3 다이오드의 용량을 캔슬시키는 것을 특징으로 하는 용량 검출 방법.
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