JP2009058290A - チャージアンプ、チャージアンプ装置、及び、バイアス電流補償方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】チャージアンプ101は、圧電センサSnからの入力電荷をキャパシタC1のキャパシタンスC1eで除算した出力電圧に変換する。バイアス電流Ibが流れる場合、バイアス電流Ibを時間積分したバイアス電荷と入力電荷との和を出力電圧として変換する。出力電圧はバイアス電流Ibの影響を受けるので、測定ドリフトが発生する。補償電流Iaは、印加電圧Vaが印加されたキャパシタC2を介して反転入力端(―)に、バイアス電流Ibとしてすべて流れ込む。チャージアンプ101は、入力電荷のみを出力電圧に変換する。このため、測定ドリフトが低減する。
【選択図】図1
Description
前記構成によれば、入力電荷をキャパシタのキャパシタンスで除した電圧が演算増幅器から出力される。一方、接続点の漏れ電流により、キャパシタに入力される電荷が増減し、出力電圧が影響を受け、測定ドリフトが発生する。漏れ電流に相当する電流を高抵抗素子に流すことにより、キャパシタに入力される電荷の増減量が低減し、演算増幅器の出力に与える影響を抑えられる。このため、容易に測定ドリフトが低減する。
前記構成によれば、コンデンサの並列等価抵抗を利用することにより、高抵抗素子の選択が容易になる。すなわち、要求仕様を満たすような高抵抗素子が容易に入手可能である。
前記構成によれば、フィルムコンデンサの種類が多く、容易に選択条件を満足できるので、入手可能性が高い。
前記構成によれば、他のコンデンサに比して温度上昇に伴う絶縁抵抗値の減少する傾きが小さいため、接続点の漏れ電流に対応する電流が温度に対する変動が小さくなる。このため、測定ドリフトも良好な温度特性になる。
前記構成によれば、コンデンサの並列等価抵抗値(絶縁抵抗値)が大きいのものを容易に選択することができる。このため、バイアス電流が小さい演算増幅器に対して、並列等価抵抗値が大きくなることにより、印加電圧が最大オフセット電圧に比して大きくなるので、オフセット電圧の変化による影響を受け難くなる。
前記構成によれば、基準電源の電圧を調整すれば、容易にバイアス電流に略等しい補償電流を流すことができるので、バイアス電流を補償できる。さらに、バイアス電流による測定ドリフトを低減できるので、高精度の測定が可能となる。
前記構成によれば、最大オフセット電圧はオフセット電圧の最大値であり、この最大値から計算した値で、高抵抗素子に印加される電圧を決定することができる。このため、予めオフセット電圧を測定する必要がないので、設計及び製造が容易になる。
前記構成によれば、測定ドリフトを容易に低減できるので、検出器を選択して各種の物理量を高精度に測定できる。
前記構成によれば、直流から交流までの物理量を増幅できる。このため、測定ドリフトを低減し、検出器を使用して各種の物理量を高精度に測定することができる。
前記構成によれば、検出器が発生する電荷の変動である変動電荷がキャパシタに入力されて、このキャパシタ両端の電圧が演算増幅器から出力される。また、演算増幅器の単電源動作が可能となるので、チャージアンプの電源設計の制限が緩和される。
前記構成によれば、出力電圧の波形観測を行う波形観測ステップでは、出力電圧の電圧変化量が経過時間に比例するので、バイアス電流を計算する為の測定データを得ることができる。また、バイアス電流を演算する演算ステップでは、測定データに基づいて、キャパシタンスに電圧変化量を乗じて経過時間を除算する計算を行えば、バイアス電流の電流値を容易に計算できる。したがって、計算された電流値と等しい補償電流を流すようにすれば、バイアス電流の影響を容易に補償することができる。
図1は、第1実施形態のチャージアンプ装置の回路図である。チャージアンプ装置は、検出器である圧電センサSn、チャージアンプ101、及び、図示されない感度設定器を備える。チャージアンプ101は、演算増幅器Ap、及び、キャパシタC1、C2を備える。キャパシタC2は、並列等価抵抗器Ra、及び、並列等価キャパシタCaを有し、並列等価抵抗器Raは、高抵抗素子として機能する。圧電センサSnは、加速度センサ、圧力センサ、又は、力センサ等として使用され、外部に設置されて、測定対象の物理量に比例する電荷を発生する。チャージアンプ101は、この発生した電荷をすべてキャパシタC1の一方の極に入力させて、他方の極に逆極性の電荷が誘起することにより、キャパシタC1の両端に電圧が発生する。これにより、チャージアンプ101は、このキャパシタC1に入力された電荷(以下、入力電荷と呼ぶ)をキャパシタンスC1eで除した電圧に変換する。
圧電センサSnの2つの電極は、夫々外部端子12、13に接続される。外部端子12は、ノードn1に接続される。外部端子13は、グランドに接続される。例えば、圧電センサSnの一方の電極と外部端子12とは、直接接続され、圧電センサSnの他方の電極と外部端子13とは直接接続されることに代えて、計測器等のアース又は筐体を介して同電位にすることにより接続される場合もある。測定環境や圧電センサSnの構造上等の条件に対応するためである。
また、圧電センサSnは、3成分力センサが使用され、直交3成分(Fx、Fy、Fz)の各方向のチャージ信号の何れかがチャージアンプ101に入力される。各方向について絶縁抵抗値が10[TΩ]以上あり、Fx及びFy方向の感度が−8.1[pC/N]であり、Fz方向の検出器感度が−3.8[pC/N]である。
チャージアンプ101は、圧電センサSnが発生した入力電荷を電圧に変換し、バイアス電荷を電圧に変換して、双方の電圧の和を出力電圧として出力する。バイアス電荷を変換した電圧は、入力電荷を変換した電圧に対して影響を与えるので、測定ドリフトが発生する。バイアス電流Ibは、所定の電流が継続して流れる。バイアス電荷による影響は、高精度の測定に対して、特に問題となる。
Va = (Ia × Rae) + Vos (1)
但し、RaeはキャパシタC2の並列等価抵抗器Raの抵抗値(高抵抗素子の抵抗値)である。
チャージアンプ装置は、直流から交流までの物理量を増幅できる。このため、測定ドリフトを低減し、圧電センサSnを使用して各種の物理量を高精度に測定することができる。
誘電率εが一定の場合、コンデンサのキャパシタンスは、極板の面積Sに比例し極板間の距離Lに反比例する。一方、コンデンサの絶縁抵抗値は、極板の面積Sに反比例し極板間の距離Lに比例する。したがって、コンデンサのキャパシタンスが小さい程、コンデンサの絶縁抵抗値は大きくなる傾向がある。
特に、フィルムコンデンサは、種類が多く容易に選択条件を満足できるので、入手可能性が高い。温度補償用セラミックコンデンサ及びマイカコンデンサは、他のコンデンサに比して、温度上昇に伴う絶縁抵抗値の減少する傾きが小さいので好ましい。補償電流Iaは、温度に対する変動が小さく良好な温度特性になる。
最初に、基準電源とノードn1との間にあるキャパシタC2を未接続にし、外部端子12と外部端子13との間の圧電センサSnを未接続にする(ステップS1)。次に、演算増幅器Apに電源電圧を供給した状態で、キャパシタC1の両方の電極をショートしてキャパシタC1の電荷を放電し、放電後にキャパシタC1の両方の電極をオープンにする(ステップS2)。
出力電圧はバイアス電荷を電圧に変換したものであるので、バイアス電流Ibは式(2)で算出される。
Ib = C1e × (ΔV / ΔT) (2)
但し、C1eは、キャパシタC1のキャパシタンスである。
製造者等は、式(2)にΔT及びΔVの測定データを代入して、バイアス電流Ibの電流値を計算する(ステップS4(演算ステップ))。バイアス電流Ibの電流値は、計算機を用いて容易に計算される。製造者等は、演算されたバイアス電流Ibと電流値が等しい補償電流Iaを流すようにする。
そして、高抵抗素子として要求仕様を満たし入手可能なコンデンサをキャパシタC2に選択する(ステップS5)。最後に、式(1)の計算により印加電圧Vaを決定して(ステップS6)、方法の処理を終了する。製造者等は、基準電源から印加電圧VaをキャパシタC2に印加して、補償電流Iaを流す。
したがって、チャージアンプ101(図1)について、決定された補償電流Iaをノードn1から演算増幅器Apの反転入力端(−)に流すことにより、補償電流Iaがバイアス電流Ibに対応するので、バイアス電流Ibの影響を補償することができる。
なお、基準電源から印加電圧VaをキャパシタC2に印加することに代えて、補償電流Iaが流れるように回路設計又はプリント基板レイアウトすることもできる。かかる場合、バイアス電流Ibの影響を補償する効果は、同じである。
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
オフセット電圧Vos及びバイアス電流Ibは、演算増幅器Apの製造バラツキや使用温度等の原因で変化する。設計時に式(1)を満足する電圧値に印加電圧Vaが調整されていても、使用中に変化してIa=Ibの関係が成立しなくなる場合がある。かかる場合であっても、Ia≒Ibの関係が成立すれば、バイアス電流Ibの出力電圧への影響が少ないので、測定ドリフトが低減する。
式(1)について、Iaに最大バイアス電流Ibmの値を設定し、Vosに最大オフセット電圧Vosmの値を設定することもできる。
最大オフセット電圧Vosmは、オフセット電圧の最大値であり、最大バイアス電流Ibmは、バイアス電流Ibの最大値である。例えば、オフセット電圧Vosが大きく変化した場合でも、最大オフセット電圧Vosm以下であり、バイアス電流Ib大きく変化した場合でも、最大バイアス電流Ibm以下である。このため、印加電圧Vaの電圧方向及び補償電流Iaの電流方向が逆方向に変化することはない。
補償電流Iaとバイアス電流Ibとの電流値が等しくなくても、バイアス電流Ibの影響を低減できればよい。かかる場合には、物理量の測定に影響を与えない程度に、補償電流Iaがバイアス電流Ibに対応し、測定ドリフトが低減するからである。また、予めバイアス電流Ib及びオフセット電圧Vosを測定する必要がないので、設計及び製造が容易になる。
さらに、高抵抗素子として、絶縁体から成る素子を利用することもできる。所定の並列等価抵抗値Raeを有するものを選択すればよいからである。
演算増幅器Apの反転入力端(−)からノードn1の方向に、バイアス電流Ibが流れる場合がある。かかる場合について、補償電流Iaは、バイアス電流Ibと電流の方向及び電流値が等しくなり、バイアス電流Ibに対応する。
バイアス電流Ibは、すべて補償電流IaとしてキャパシタC2を介して基準電源に流れ込む。したがって、補償電流Iaがバイアス電流Ibを相殺するように作用するので、バイアス電荷は電圧に変換されない。チャージアンプ101が入力電荷のみを出力電圧として変換するので、測定ドリフトが低減する。
正又は負の所定電位は、夫々正又は負の直流電源とグランドとの間に接続された2つの抵抗器の直列回路が分圧した電位である。印加電圧Vaは、式(1)に所定電位を加算した値になる。
かかる場合には、圧電センサSnが発生する電荷の変動である変動電荷がキャパシタC1に入力されて、このキャパシタC1両端の電圧が演算増幅器Apから出力される。また、演算増幅器Apの単電源動作が可能となるので、チャージアンプ101の電源設計の制限が緩和される。
図4は、比較例のチャージアンプ901の回路図である。MOSトランジスタTrを用いてキャパシタC1の電荷を放電する場合について説明する。チャージアンプ901は、キャパシタC1の電荷をリセットする回路が必要な場合がある。
図1とは、MOSトランジスタTrを有する点が異なる。ダイオードDiを使用する。抵抗器R1は、ゲートを負電位に設定し、MOSトランジスタTrをオフさせる。MOSトランジスタTrのゲートに正の信号電圧Vgが入力されると、MOSトランジスタTrはオンされる。キャパシタC1は、両端の電極が短絡され、電荷がリセットされる。
MOSトランジスタTrは、ゲートとドレイン・ソースとの間に絶縁抵抗分がある。漏れ電流Irは、キャパシタC1からMOSトランジスタTr及び抵抗器R1を介して、負の直流電圧を供給する電圧源に流れる。
チャージアンプ101は、入力電荷のみを出力電圧として変換する。漏れ電荷は電圧に変換されず、入力電荷が変換された電圧に対して影響を与えないので、測定ドリフトが発生しない。
しかし、回路設計上の制限が多く、Id=Irを満足するダイオードDiの選択、及び、印加電圧Vaの調整が難しい。
また、漏れ電流Ir及びバイアス電流Ibの和を予め測定し、双方の電流による測定ドリフトを低減することも容易である。
12、13 外部端子
101、901 チャージアンプ
C1、C2 キャパシタ
C1e キャパシタンス
Ca 並列等価キャパシタ
Ra 並列等価抵抗器
Rae 並列等価抵抗値
Ap 演算増幅器
Sn 圧電センサ(検出器)
Di ダイオード
Tr MOSトランジスタ
Va 印加電圧
Vg 信号電圧
Vos オフセット電圧
Vosm 最大オフセット電圧
Ib バイアス電流
Ibm 最大バイアス電流
Ia 補償電流
Ir 漏れ電流
Id 逆バイアス電流
Claims (11)
- 反転入力端と正転入力端との間の電位差を増幅する演算増幅器と、この演算増幅器の出力端と前記反転入力端との間に接続されるキャパシタとを備え、このキャパシタに入力される入力電荷に比例する電圧を前記出力端に出力するチャージアンプであって、
前記反転入力端と前記キャパシタとの接続点に高抵抗素子が接続され、
前記高抵抗素子には、前記反転入力端と前記キャパシタとの接続点の漏れ電流に対応する電流が流れることを特徴とするチャージアンプ。 - 前記高抵抗素子は、コンデンサの並列等価抵抗であることを特徴とする請求項1に記載のチャージアンプ。
- 前記コンデンサは、フィルムコンデンサであることを特徴とする請求項2に記載のチャージアンプ。
- 前記コンデンサは、温度補償用セラミックコンデンサ又はマイカコンデンサであることを特徴とする請求項2に記載のチャージアンプ。
- 前記演算増幅器は、オフセット電圧を有することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のチャージアンプ。
- 前記漏れ電流は、前記演算増幅器のバイアス電流であり、
前記高抵抗素子には、前記バイアス電流に略等しい電流を流す基準電源が接続されたことを特徴とする請求項1に記載のチャージアンプ。 - 前記高抵抗素子に印加される電圧は、前記高抵抗素子の抵抗値に前記バイアス電流を乗じた値に前記演算増幅器の最大オフセット電圧を加算した値であることを特徴とする請求項6に記載のチャージアンプ。
- 請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載のチャージアンプと、
前記反転入力端に接続され、物理量に比例する電荷を発生する検出器とを備えたことを特徴とするチャージアンプ装置。 - 前記検出器は、前記反転入力端と前記正転入力端との間に接続されていることを特徴とする請求項8に記載のチャージアンプ装置。
- 前記検出器は、前記反転入力端と、接地端子との間に接続され、
前記正転入力端は、所定電位に設定されていることを特徴とする請求項8に記載のチャージアンプ装置。 - 反転入力端と正転入力端との間の電位差を増幅する演算増幅器と、この演算増幅器の出力端と前記反転入力端との間に接続されるキャパシタとを備え、このキャパシタに入力される入力電荷に比例する出力電圧を前記出力端に出力するチャージアンプを用い、前記演算増幅器のバイアス電流の影響を補償するバイアス電流補償方法であって、
前記キャパシタをショートして前記出力電圧を前記正転入力端と略同電位の仮想電位にし、その後前記キャパシタをオープンした直後からの経過時間と、前記仮想電位からの前記出力電圧の電圧変化量とを測定する前記出力電圧の波形観測を行う波形観測ステップと、
前記キャパシタのキャパシタンスに前記電圧変化量を乗じた値に前記経過時間を除算して前記バイアス電流を演算する演算ステップとを備え、
前記演算ステップで演算したバイアス電流の値に略等しい補償電流を、前記反転入力端と前記キャパシタとの接続点に流すことを特徴とするバイアス電流補償方法。
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