JP3664041B2 - 電荷型センサ用増幅回路 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加速度センサ等の電荷型センサの出力を増幅して出力する電荷型センサ用増幅回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、検出出力が電荷の形で現れるセンサを用いたセンサ装置として、圧電型加速度センサ装置や、焦電型赤外線センサ装置等がある。これらのセンサ装置では、加速度や赤外線等に感応したときに発生する電荷量が微小、例えば0.01〜数1000pC、であることから、センサの出力を増幅して電圧信号で取り出す増幅回路が利用されている。また、圧電型加速度センサ装置は自動車のエアバッグの作動検出(衝突検出)、自動車の回転時における角加速度の検出、ハードディスクドライブの衝撃検出等に用いられている。
【0003】
従来の増幅回路は、センサの出力をチャージアンプで増幅するものであった(特開平8−338781号公報)。図5に、従来の増幅回路の構成を示す。この増幅回路は、オペアンプAmpの反転入力端子と出力端子との間に抵抗(フィードバック抵抗)R11が接続されている。また、この抵抗R11に並列にコンデンサ(フィードバックコンデンサ)C11が接続されている。加速度センサG sensorの一端は上記オペアンプの反転入力端子に接続され、他端は基準電圧Vrefに接続されている。オペアンプの正転入力端子は基準電圧Vrefに接続されている。
【0004】
この増幅回路では、加速度センサに振動が加わり、該加速度センサにおいて発生した加速度や振動の大きさに応じた電荷Qを、オペアンプで増幅して出力する。加速度センサの電荷感度をd〔pC/G〕とすると、加速度Gに対する出力電圧Vout(G)は、
【0005】
【数7】
Figure 0003664041
【0006】
で表される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の増幅回路では以下に示すように加速度センサの出力に重畳している同相ノイズを十分にキャンセルした出力(オペアンAmpの出力)Voutを得ることができなかった。図6に、従来の増幅回路における同相ノイズ混入モデルを示す。図6において、Vn11、Cn11、Vn12、Cn12がノイズ源である。ノイズ電圧Vn12はコンデンサCn12によって基準電圧Vrefに接続されるので、オペアンプAmpの出力Voutに影響を及ぼさないが、ノイズ電圧Vn11はコンデンサCn11によってオペアンプAmpの反転入力端子に接続されるのでオペアンプAmpの出力Voutに影響を及ぼす。したがって、同相ノイズによるオペアンプAmpの出力Vout(N)は、
【0008】
【数8】
Figure 0003664041
【0009】
である。
【0010】
上記〔数7〕および〔数8〕から、オペアンプAmpの出力Voutにおける信号対雑音比(S/N比)は、
【0011】
【数9】
Figure 0003664041
【0012】
である。
【0013】
一方、加速度センサの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされた出力が得られる回路構成として、図7に示すような差動増幅回路を使用することがすでに提案されているが、回路構成が複雑であり、コストアップという問題があった。
【0014】
また、加速度センサの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされた出力が得られる技術として、特開平5−188081号では圧電素子(加速度センサ)の一方の面に複数の帯状電極を設けるとともに、隣接する帯状電極の分極方向を逆向きとし、さらに圧電素子の他方の面にアース電極を設けることが提案されている。この技術では加速度センサの検出出力を増幅する増幅回路については簡単な回路構成で良いのであるが、複雑な素子構造の圧電素子を用いなければならず、結果的にコストアップという問題があった。
【0015】
この発明の目的は、簡単な回路構成で同相ノイズを十分にキャンセルすることができる電荷型センサ用増幅回路を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
この発明の圧電型センサ用増幅回路は、上記課題を解決するために以下の構成を備えている。
【0019】
(1)電荷型センサの一端が反転入力端子に接続され、該電荷型センサの他端が正転入力端子に接続されるオペアンプと、
上記オペアンプの出力電圧を分圧した分圧点を有する分圧器と、
上記オペアンプの反転入力端子と上記分圧器が有する分圧点との間に接続したフィードバック抵抗および該フィードバック抵抗に並列に接続されたフィードバックコンデンサを有する負帰還回路と、
上記オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間に接続された抵抗および、該抵抗に並列接続されたコンデンサを有するキャンセル回路と、を備えている。
【0020】
上記回路構成では、オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間に接続したキャンセル回路により圧電型センサの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされたオペアンプの出力を得ることができる。しかも、オペアンプの出力電圧を分圧する分圧器によりオペアンプの増幅率、すなわち感度調整、が簡単に行える。
【0022】
(3)上記電荷型センサの一端が上記オペアンプの反転入力端子に接続されるラインと該電荷型センサの他端が上記オペアンプの正転入力端子に接続されるラインとを近接させている。
【0023】
上記(3)の回路構成では、圧電型センサの出力に重畳している同相ノイズが効果的にキャンセルされる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態にかかる加速度センサ用増幅回路の実施形態について説明する。なお、以下の説明における個々の電気部品、特に抵抗やコンデンサ、は所望の電気的特性が得られるように複数の電気部品を電気的に接続した構成に置き換えてもよい。
【0025】
図1は、この発明の実施形態である加速度センサ用増幅回路を示す回路図である。この実施形態の加速度センサ用増幅回路では、オペアンプAmpの反転入力端子に加速度センサG sensorの一端が接続されている。また、オペアンプAmpの反転入力端子と出力端子との間には、フィードバック抵抗R1とフィードバックコンデンサC1とを並列接続したフィードバック回路(この発明で言う負帰還回路)が接続されている。さらに、オペアンプAmpの正転入力端子と基準電圧Vrefとの間には、キャンセル抵抗R2とキャンセルコンデンサC2とを並列接続したキャンセル回路が接続されている。なお、オペアンプAmpには駆動用電源電圧±Vが印加されている。
【0026】
図1に示す回路において、加速度センサG sensorの電荷感度を、d〔pC/G〕とすると、加速度センサG sensorの検出出力に対するオペアンプAmpの出力電圧Vout1(G)は、
【0027】
【数1】
Figure 0003664041
【0028】
である。
【0029】
次に、この回路における同相ノイズの影響について説明する。図2に、図1に示す回路の同相ノイズ混入モデルを示す。図2に示す回路において、Vn1、Cn1、Vn2、Cn2がノイズ源である。ノイズに対するオペアンプAmpの出力電圧Vout1(N)は、
【0030】
【数2】
Figure 0003664041
【0031】
である。理論的には上記〔数2〕に示した、ノイズに対するオペアンプAmpの出力電圧Vout1(N)を0にすれば、同相ノイズが完全にキャンセルされた出力が得られる。
【0032】
このノイズに対するオペアンプAmpの出力電圧Vout1(N)は、以下の条件を満足するとき0になる。
【0033】
【数3】
Figure 0003664041
【0034】
上記理由について簡単に説明する。上記〔数3〕に示した、
Z1=Z2(=Z)、
Cn1=Cn2(=Cn)、とすると、上記〔数2〕は、
【0035】
【数4】
Figure 0003664041
【0036】
となる。この〔数4〕から明らかなように上記〔数3〕に示した残りの条件である
Vn1=Vn2、が成立したとき、ノイズに対するオペアンプAmpの出力電圧Vout1(N)が0になる。したがって、この実施形態の加速度センサ用増幅回路では上記〔数3〕に示した条件を満足させることで、同相ノイズが十分にキャンセルされたオペアンプAmpの出力が得られる。
【0037】
ここで、〔数2〕に示したように、Z1はフィードバック抵抗R1およびフィードバックコンデンサC1によって決まるものであり、Z2はキャンセル抵抗R2およびキャンセルコンデンサC2によって決まるものであり、フィードバック回路とキャンセル回路との回路定数を一致させれば、Z1=Z2を成立させることができる。具体的には、キャンセル抵抗R2をフィードバック抵抗R1と同じ抵抗値の抵抗とし、且つキャンセルコンデンサC2をフィードバックコンデンサC1と同じ静電容量のコンデンサとすることで、上記〔数3〕に示したZ1=Z2を成立させることができる。
【0038】
一方、Vn1、Vn2、Cn1、Cn2はそれぞれノイズ源であることから、上記〔数3〕に示したCn1=Cn2、Vn1=Vn2とすることは困難であるが、オペアンプの反転入力端子に接続されるラインと正転入力端子に接続されるラインとを近接させておけば、Vn1≒Vn2、Cn1≒Cn2となる。
【0039】
したがって、この実施形態の加速度センサ用増幅回路では、フィードバック回路とキャンセル回路との回路定数を一致させ、オペアンプの反転入力端子に接続されるラインと正転入力端子に接続されるラインとを近接させることで、同相ノイズが十分にキャンセルされた出力が得られる。
【0040】
このように、オペアンプAmpの正転入力端子と基準電圧との間に、キャンセル抵抗R2とキャンセルコンデンサC2とを並列に接続したキャンセル回路を、接続したことにより、S/N比を向上させた加速度センサ用増幅回路を実現することができる。しかも、上記キャンセル回路は非常に簡単な回路であるので、コストアップという問題も生じない。
【0041】
フィードバック抵抗R1、およびキャンセル抵抗R2の抵抗値を10MΩ、フィードバックコンデンサC1、およびキャンセルコンデンサC2の静電容量を170pFとし、電荷感度が0.17pc/Gである加速度センサG sensorを用いたときのシュミレーション結果を図3に示す。また、図3には比較のために従来例である図5に示した回路のシュミレーション結果も示している。この加速度センサ用増幅回路のG感度(増幅率)は3.4mV/Gである。なお、図5に示した回路については、フィードバック抵抗R11の抵抗値を10MΩ、フィードバックコンデンサC11の静電容量を170pFとし、電荷感度が0.17pc/Gである加速度センサG sensorを用いたときのシュミレーション結果である。この回路のG感度(増幅率)は1.7mV/Gである。
【0042】
図3では、同一条件で比較するため両回路について出力ノイズをG感度で割った結果(加速度換算した結果)を示している。また、縦軸は1Gを0dBとしており、横軸はノイズの周波数である。この図から明らかなように、この実施形態の加速度センサ用増幅回路は、図5に示した従来の回路に比べて70dB以上もノイズが小さくなっており、S/N比を十分に向上させた加速度センサ用増幅回路であることがわかる。
【0043】
なお、このシュミレーションはオペアンプが理想的なものであるとして行ったものであり、実際の回路ではオペアンプの性能によって若干の変動があると思われる。
【0044】
次に、この発明の別の実施形態について説明する。図4は、この実施形態の加速度センサ用増幅回路の構成を示す回路図である。この実施形態の加速度センサ用増幅回路は、上記実施形態の回路と異なる点は、オペアンプAmpの出力端子と基準電圧Vrefとの間に、該オペアンプAmpの出力電圧を分圧するための分圧抵抗R3、R4を設けた点、およびフィードバック回路の一端をオペアンプAmpの出力端子ではなく、分圧抵抗R3、R4の接続点(分圧点)に接続している点で上記図1に示したものと異なっている。
【0045】
この実施形態の加速度センサ用増幅回路において、加速度センサG sensorの電荷感度を、d〔pC/G〕とすると、加速度センサG sensorの検出出力に対するオペアンプAmpの出力電圧Vout2(G)は、
【0046】
【数5】
Figure 0003664041
【0047】
である。〔数5〕から明らかなように、この実施形態の加速度サンサ用増幅回路は図1に示した回路にゲイン
(((R3+R4)/R4)+(R3/(Z1+Z2)))
持たせたものである。
【0048】
一方、この回路におけるノイズに対するオペアンプAmpの出力電圧Vout2(N)は、
【0049】
【数6】
Figure 0003664041
【0050】
である。〔数6〕から明らかなように、この実施形態の加速度サンサ用増幅回路はノイズに対するオペアンプAmpの出力電圧Vout2(N)も図1に示した回路に比べて、
(((R3+R4)/R4)+(R3/(Z1+Z2)))倍となる。
【0051】
したがって、図1に示した回路と同等のS/N比が得られるので、加速度センサG sensorの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされた出力を得ることができる。しかも、分圧抵抗R3、R4を調整することで、S/N比に影響を与えることなく感度調整が行える。
【0052】
なお、上記実施形態では、圧電型センサとして加速度センサを用いた加速度センサ用増幅回路を例にして本発明を説明したが、本発明は加速度センサだけでなく、他の種類の圧電型センサ、例えば焦電型赤外線センサ、を用いた圧電型センサ用増幅回路としても利用できる。
【0053】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間にキャンセル回路を接続したので、圧電型センサの出力に重畳している同相ノイズが十分にキャンセルされた出力を得ることができる。
【0054】
また、オペアンプの出力電圧を分圧した分圧点を有する分圧器を設けるとともに、該分圧点にフィードバック回路の一端を接続したので、S/N比を低下させることなく、感度調整(ゲイン調整)が行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態である加速度センサ用増幅回路の構成を示す図である。
【図2】図1に示す回路の同相ノイズ混入モデルを示す図である。
【図3】この発明の実施形態である加速度センサ用増幅回路の特性を示す図である。
【図4】この発明の別の実施形態である加速度センサ用増幅回路の構成を示す図である。
【図5】従来の加速度センサ用増幅回路の構成を示す図である。
【図6】従来の加速度センサ用増幅回路の同相ノイズ混入モデルを示す図である。
【図7】従来の加速度センサ用増幅回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
G sensor−加速度センサ
R1−フィードバック抵抗
C1−フィードバックコンデンサ
R2−キャンセル抵抗
C1−キャンセルコンデンサ
R3、R4−分圧抵抗
Amp−オペアンプ

Claims (3)

  1. 電荷型センサの一端が反転入力端子に接続され、該電荷型センサの他端が正転入力端子に接続されるオペアンプと、
    上記オペアンプの出力電圧を分圧した分圧点を有する分圧器と、
    上記オペアンプの反転入力端子と上記分圧器が有する分圧点との間に接続したフィードバック抵抗および該フィードバック抵抗に並列に接続されたフィードバックコンデンサを有する負帰還回路と、
    上記オペアンプの正転入力端子と基準電圧との間に接続された抵抗および、該抵抗に並列接続されたコンデンサを有するキャンセル回路と、を備えた電荷型センサ用増幅回路。
  2. 上記負帰還回路と上記キャンセル回路とは回路定数が同じである請求項1に記載の電荷型センサ用増幅回路。
  3. 上記電荷型センサの一端が上記オペアンプの反転入力端子に接続されるラインと該電荷型センサの他端が上記オペアンプの正転入力端子に接続されるラインとを近接させた請求項1または2に記載の電荷型センサ用増幅回路。
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