JP2010505335A - 低電力センサシステム用の容量性インタフェース回路 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図4
Description
vo=(ΔC/CI)VS
ここで、voは静電容量検知回路の出力電圧であり、CIは、検知回路に関連付けられるフィードバック静電容量であり、ΔCは、可変キャパシタの静電容量の変化であり、VSは供給電圧である。
出力段54Aは図4において、増幅器17と、ホールドキャパシタ48と、フィードバックキャパシタ46とを備える。増幅器17及びホールドキャパシタ48は積分器を形成する一方、フィードバックキャパシタ46は負のフィードバックを相関トリプルサンプラ14’の出力に提供する。フィードバックキャパシタ46上に記憶される電圧は、スイッチ50A及び50Bによって制御される。特に、図4において、Φ1が高く且つΦ2が低いとき、スイッチ50Aはフィードバックキャパシタ46をVref/2に結合する。したがって、サンプリングキャパシタ34は、Φ1が高いときVrefを保つ。しかしながら、Φ2が高く且つΦ1が低いとき、スイッチ50Bはフィードバックキャパシタ46を増幅器17の出力に結合する。
A=2×Vref×[(dC/G)/(Ctot)]×Aina×Cs/Cfb
ここでAは利得であり、Vrefは基準電圧であり、dC/Gは、加速度G当たりの静電容量の変化であり、Ctotはセンサの総静電容量であり、Ainaは差動増幅器15の利得であり、Csはサンプリングキャパシタ34の静電容量であり、Cfbはフィードバックキャパシタ44の静電容量である。検知キャパシタ34のフィードバックキャパシタ46に対する比率(Cs/Cfb)が1.1である場合、これは、信号チェーンの出力において概ね100mV/Gの正味の変換比をもたらすことができる。
検知キャパシタ20Bの静電容量である。
Vout=Vdr(Ccm/Cfb)(Cs1−Cs2)[1+2((Ccm+Cfb)/(Cs1−Cs2))]
(1)
式1の[1+2((Ccm+Cfb)/(Cs1−Cs2))]成分は非線形である。非線形成分は、姿勢、運動、落下の検出のような用途では小さい場合がある。したがって、インタフェース回路12Bの帯域幅は、1次積分経路、すなわち、出力段54Aに関連付けられるホールドキャパシタ48及び出力段54Bに関連付けられる対応するホールドキャパシタの静電容量によって設定される。加えて、インタフェース回路12Bの精度は、励起キャパシタ64とフィードバックキャパシタ60との比、及びセンサ4の特性によって設定される。
(2)
図5のインタフェース12Bと同様に、積分器回路12Cの帯域幅は1次積分経路によって設定され、精度は、励起キャパシタ64とフィードバックキャパシタ60との比、及びセンサ4の特性によって設定される。
Claims (38)
- 回路であって、
差動センサ信号を増幅する手段であって、出力信号を生成する、増幅する手段と、
前記出力信号を記憶するサンプリングキャパシタと、
相関トリプルサンプリング処理を適用する手段であって、前記出力信号内の1つ又は複数のノイズ成分を低減する、適用する手段と、
を備える、回路。 - 前記増幅する手段は、前記差動センサ信号を増幅して前記出力信号を生成する差動増幅器を含み、前記相関トリプルサンプリング処理を適用する手段は、前記出力信号内の前記1つ又は複数のノイズ成分を低減する相関トリプルサンプリング回路を含む、請求項1に記載の回路。
- 前記差動増幅器は、第1の容量性センサ素子に結合される第1の入力と、第2の容量性センサ素子に結合される第2の入力と、前記サンプリングキャパシタの入力に結合される出力とを備える、請求項2に記載の回路。
- 前記相関トリプルサンプリング回路は、第1のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタの出力を接地に結合し、前記第1のクロック位相の第1の部分中、前記第1の入力及び前記第2の入力を接地に結合し、前記第1のクロック位相の第2の部分中、前記第1の入力及び前記第2の入力を接地から分離し、第2のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタの前記出力を接地から分離し、前記第2のクロック位相中、前記第1の容量性センサ素子及び前記第2の容量性センサ素子を基準電圧に結合し、前記第1のクロック位相中、前記第1の容量性センサ素子及び前記第2の容量性センサ素子を前記基準電圧から分離する、請求項3に記載の回路。
- 前記サンプリングキャパシタは、前記第1のクロック位相の前記第2の部分及び前記第2のクロック位相の両方の間、前記1つ又は複数のノイズ成分を受け取り、前記第2のクロック位相中、複数のノイズ成分のうちの前記1つの少なくとも一部をブロックして、前記出力信号内の前記1つ又は複数のノイズ成分を低減する、請求項4に記載の回路。
- 前記1つ又は複数のノイズ成分はkT/Cノイズを含む、請求項5に記載の回路。
- 前記1つ又は複数のノイズ成分は、kT/Cノイズ、増幅器オフセット、及びフリッカノイズのうちの少なくとも1つを含む、請求項5に記載の回路。
- 前記差動増幅器は、第1の容量性センサ素子に結合される第1の入力と、第2の容量性センサ素子に結合される第2の入力と、出力とを備え、
前記サンプリングキャパシタは、前記差動増幅器の前記出力に結合される入力を有し、前記出力信号を受け取り、
前記相関トリプルサンプリング回路は、
前記第1のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタの出力を接地に結合すると共に、前記第2のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタの前記出力を接地から分離する第1のスイッチと、
前記第1のクロック位相の前記第1の部分中、前記増幅器の前記第1の入力を接地に結合すると共に、前記第1のクロック位相の第2の部分中、前記増幅器の前記第1の入力を接地から分離する第2のスイッチと、
前記第1のクロック位相の前記第1の部分中、前記増幅器の前記第2の入力を接地に結合すると共に、前記第1のクロック位相の前記第2の部分中、前記増幅器の前記第2の入力を接地から分離する第3のスイッチと、
前記第2のクロック位相中、基準電圧を前記第1の容量性センサ素子及び前記第2の容量性センサ素子に結合すると共に、前記第1のクロック位相中、前記基準電圧を前記第1の容量性センサ素子及び前記第2の容量性センサ素子から分離する第4のスイッチと、
を備える、請求項2に記載の回路。 - 前記相関トリプルサンプリング回路は、前記差動増幅器への入力を制御し、それによって、前記差動増幅器は第1のクロック位相の少なくとも一部において前記1つ又は複数のノイズ成分を増幅し、第2のクロック位相中、前記1つ又は複数のノイズ成分を有する前記センサ信号を増幅する、請求項2に記載の回路。
- 前記サンプリングキャパシタは、前記第1のクロック位相の少なくとも一部において前記差動増幅器からの前記1つ又は複数の増幅ノイズ成分を記憶し、前記第2のクロック位相中、前記差動増幅器から、前記1つ又は複数の増幅ノイズ成分を有する前記増幅センサ信号を受け取り、該1つ又は複数の増幅ノイズ信号をブロックして、前記出力信号内の前記1つ又は複数のノイズ成分を低減する、請求項9に記載の回路。
- 前記差動増幅器は、1対の容量性センサ素子から前記センサ信号を受け取り、前記センサ素子のそれぞれは、前記増幅器の入力に結合される第1のキャパシタプレートと、基準電圧に結合される第2のキャパシタプレートとを有する、請求項2に記載の回路。
- 前記差動増幅器は、1対の容量性センサ素子から前記センサ信号を受け取り、前記センサ素子のそれぞれは、前記増幅器の入力に結合される第1のキャパシタプレートと、接地に結合される第2のキャパシタプレートとを有する、請求項2に記載の回路。
- 第1の出力段及び第2の出力段において交互に前記サンプリングキャパシタの出力をサンプルホールドするピンポン復調器をさらに備える、請求項1に記載の回路。
- 前記出力段のそれぞれは、少なくとも幾つかの望ましくない過渡現象が落ち着くのを可能にするのに十分な時間にわたって前記サンプリングキャパシタの前記出力をホールドする、請求項13に記載の回路。
- 前記ピンポン復調器の出力と該ピンポン復調器への入力との間のフィードバック経路をさらに備える、請求項13に記載の回路。
- 前記回路は、第1の差動フィードバック経路及び第2の差動フィードバック経路をさらに備え、該第1の差動フィードバック経路は、前記ピンポン復調器の出力と前記差動増幅器の第1の入力との間に結合され、該第2の差動フィードバック経路は、前記ピンポン復調器の出力と前記差動増幅器の第2の入力との間に結合される、請求項13に記載の回路。
- 前記相関トリプルサンプリング回路は、実質的に500Hz未満のクロックレートにおいて動作する、請求項2に記載の回路。
- 前記相関トリプルサンプリング回路は、実質的に300Hz未満のクロックレートにおいて動作する、請求項2に記載の回路。
- 前記回路は実質的に2マイクロアンペア未満の電流を消費する、請求項2に記載の回路。
- 前記回路は実質的に1マイクロアンペア未満の電流を消費する、請求項2に記載の回路。
- 前記回路は埋め込み可能医療デバイス内に格納される、請求項2に記載の回路。
- センサデバイスであって、センサと、請求項1〜21のいずれか一項に記載の回路とを備え、前記センサは前記センサ信号を生成する、センサデバイス。
- 差動センサ信号を増幅することであって、出力信号を生成する、増幅すること、
サンプリングキャパシタ上に前記出力信号を記憶すること、及び
相関トリプルサンプリング処理を適用することであって、前記出力信号内の1つ又は複数のノイズ成分を低減する、適用すること、
を含む、方法。 - 前記差動増幅器は、第1の容量性センサ素子に結合される第1の入力と、第2の容量性センサ素子に結合される第2の入力と、前記サンプリングキャパシタの入力に結合される出力とを備える、請求項23に記載の方法。
- 前記相関トリプルサンプリング回路は、第1のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタの出力を結合し、前記第1のクロック位相の第1の部分中、前記第1の入力及び前記第2の入力を接地に結合し、前記第1のクロック位相の第2の部分中、前記第1の入力及び前記第2の入力を接地から分離し、第2のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタの前記出力を接地から分離し、前記第2のクロック位相中、前記第1の容量性センサ素子及び前記第2の容量性センサ素子を基準電圧に結合し、前記第1のクロック位相中、前記第1の容量性センサ素子及び前記第2の容量性センサ素子を前記基準電圧から分離する、請求項24に記載の方法。
- 前記第1のクロック位相の前記第2の部分及び前記第2のクロック位相の両方の間、前記サンプリングキャパシタにおいて前記1つ又は複数のノイズ成分を受け取ること、並びに前記第2のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタを介して複数のノイズ成分のうちの1つの少なくとも一部をブロックすることであって、前記出力信号内の前記1つ又は複数のノイズ成分を低減する、ブロックすることをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記1つ又は複数のノイズ成分は、kT/Cノイズ、増幅器オフセット、及びフリッカノイズのうちの少なくとも1つを含む、請求項26に記載の方法。
- 前記差動増幅器は、第1の容量性センサ素子に結合される第1の入力と、第2の容量性センサ素子に結合される第2の入力と、出力とを備え、
前記サンプリングキャパシタは、前記差動増幅器の前記出力に結合される入力を有し、前記出力信号を受け取り、
前記相関トリプルサンプリング処理は、
前記第1のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタの出力を接地に結合すると共に、前記第2のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタの前記出力を接地から分離すること、
前記第1のクロック位相の前記第1の部分中、前記増幅器の前記第1の入力を接地に結合すると共に、前記第1のクロック位相の第2の部分中、前記増幅器の前記第1の入力を接地から分離すること、
前記第1のクロック位相の前記第1の部分中、前記増幅器の前記第2の入力を接地に結合すると共に、前記第1のクロック位相の前記第2の部分中、前記増幅器の前記第2の入力を接地から分離すること、及び
前記第2のクロック位相中、基準電圧を前記第1の容量性センサ素子及び前記第2の容量性センサ素子に結合すると共に、前記第1のクロック位相中、前記基準電圧を前記第1の容量性センサ素子及び前記第2の容量性センサ素子から分離すること、
を含む、請求項23に記載の方法。 - 前記相関トリプルサンプリング処理は、前記差動増幅器への入力を制御することであって、それによって、前記差動増幅器が第1のクロック位相の少なくとも一部において前記1つ又は複数のノイズ成分を増幅し、第2のクロック位相中、前記1つ又は複数のノイズ成分を有する前記センサ信号を増幅する、制御することを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記第1のクロック位相の少なくとも一部において、前記サンプリングキャパシタ内に前記差動増幅器からの前記1つ又は複数の増幅ノイズ成分を記憶すること、前記第2のクロック位相中、前記サンプリングキャパシタにおいて、前記差動増幅器から、前記1つ又は複数の増幅ノイズ成分を有する前記増幅センサ信号を受け取ること、及び前記サンプリングキャパシタを介して前記1つ又は複数の増幅ノイズ信号をブロックすることであって、前記出力信号内の前記1つ又は複数のノイズ成分を低減する、ブロックすることをさらに含む、請求項29に記載の方法。
- 1対の容量性センサ素子から前記センサ信号を受け取ることをさらに含み、該容量性センサ素子のそれぞれは、前記増幅器の入力に結合される第1のキャパシタプレートと、基準電圧に結合される第2のキャパシタプレートとを有する、請求項23に記載の方法。
- 1対の容量性センサ素子から前記センサ信号を受け取ることをさらに含み、該容量性センサ素子のそれぞれは、前記増幅器の入力に結合される第1のキャパシタプレートと、接地に結合される第2のキャパシタプレートとを有する、請求項23に記載の方法。
- ピンポン復調器の第1の出力段及び第2の出力段において交互に前記サンプリングキャパシタの出力をサンプルホールドすることをさらに含み、前記出力段のそれぞれは、少なくとも幾つかの望ましくない過渡現象が落ち着くのを可能にするのに十分な時間にわたって前記サンプリングキャパシタの前記出力をホールドする、請求項23に記載の方法。
- 前記ピンポン復調器の出力から該ピンポン復調器への入力にフィードバック信号を印加することをさらに含む、請求項33に記載の方法。
- 前記ピンポン復調器の出力と前記差動増幅器の第1の入力との間に結合される第1の差動フィードバック経路、及び前記ピンポン復調器の出力と前記差動増幅器の第2の入力との間に結合される第2の差動フィードバック経路を介してフィードバック信号を印加することをさらに含む、請求項33に記載の方法。
- 前記相関トリプルサンプリング処理を、実質的に500Hz未満のクロックレートにおいて動作させることをさらに含む、請求項37に記載の方法。
- 前記相関トリプルサンプリング処理を、実質的に500Hz未満のクロックレートにおいて動作させることをさらに含む、請求項37に記載の方法。
- 前記差動増幅器及び前記サンプリングキャパシタは、埋め込み可能医療デバイス内に格納される、請求項37に記載の方法。
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