JP5083287B2 - 検出装置、物理量測定装置及び電子機器 - Google Patents
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Description
図1に、本発明の一実施形態におけるセンサー回路の構成例を示す。なお、この回路構成は一例であり、例えば、回路の細部の構成が変形される場合もあり得る。
検出回路200は、交流増幅回路210と、同期検波回路220と、直流増幅器230と、第1のLPF240と、第2のLPF250とを含む。交流増幅回路210は、第1の電流電圧変換器212と、第2の電流電圧変換器214と、交流増幅器216と、BPF218とを含む。第1の電流電圧変換器212の入力には、振動片20の検出振動片に設けられた検出電極24aで発生した信号が供給され、第2の電流電圧変換器214の入力には、振動片20の検出振動片に設けられた検出電極26aで発生した信号(検出電極24aで発生した信号と逆極性の信号)が供給される。なお、振動片20の検出振動片に設けられた検出電極24b、26bには、接地電源電圧が供給される。第1の電流電圧変換器212及び第2の電流電圧変換器214の各々は、検出電極24a、26aで発生した信号を電圧値に変換し、変換された2つの電圧値を用いて交流増幅器216により交流増幅される。BPF218は、交流増幅器216によって増幅された信号の周波数帯域のうち、駆動回路100の発振信号の発振周波数を含む所定の帯域のみを通過させる。同期検波回路220は、2値化回路150によって2値化された参照信号に同期して、発振信号に対して90度位相がずれた検波信号を取り出す。直流増幅器230は、インピーダンス変換回路として機能し、その出力インピーダンスを低インピーダンス化すると共に、検波信号を増幅する。これにより、第1のLPF240及び第2のLPF250には、タイミングに応じて出力インピーダンスが変化する同期検波回路220ではなく、直流増幅器230の出力信号から所定の低周波数帯域の信号のみを取り出して増幅した後、それぞれ検出信号OUT1、OUT2として出力する。
本実施形態では、第1のLPF240の構成と第2のLPF250の構成は同様であるため、以下では第1のLPF240の構成について説明する。
図4に、本実施形態における第1のクロックCLK1及び第2のクロックCLK2の説明図を示す。
第1のLPF240の伝達関数は、次のように求められる。
2.3.2.1 容量値C、容量値E及び容量値Gについて
s平面における2次LPFの状態変数型の一般的な伝達関数は、次式で表される。以下の式において、ωはs平面におけるカットオフ周波数、QはQ値、kはゲインを表す。
続いて、式(4)の伝達関数に影響を与えずに、容量値A、容量値B及び容量値Dの素子値について望ましい値について考える。ここで、素子値として望ましい値は、回路面積を最小限に抑えることができる値である。
本実施形態において、第1のLPF240及び第2のLPF250では、複数のキャパシターが接続されている。特に、集積回路装置では、面内の容量ばらつきによって、キャパシターの素子数の増加は、電荷の高精度な移動制御を困難にする。従って、キャパシターの素子数が増えたとしても、できるだけ特性を設計通りと同等の特性を実現できることが望ましい。そこで、本実施形態では、以下のように第1のLPF240及び第2のLPF250を構成する各キャパシターの形状、面積に加えて、各スイッチのサイズが、次のように設定されていることが望ましい。
図8に、図3の第1のLPF240の第1の入力キャパシター回路243を構成する上での好ましい条件の一例を説明するための図を示す。図8において、図3と同一部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。なお、図8では、第1の入力キャパシター回路243について説明するが、第1のLPF240の第2の入力キャパシター回路245、第2のLPF250の第1の入力キャパシター回路及び第2の入力キャパシター回路についても同様である。
更に、本実施形態では、集積回路装置内に形成されるキャパシターの寄生容量を考慮して、その方向性を設けることが好ましい。
本実施形態における検出回路200は、直流増幅器230によって増幅された検出信号を、ゲインの異なる第1のLPF240及び第2のLPF250を介してフィルター処理後に出力する例を説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。
本実施形態又はその変形例における検出回路が適用されたセンサー回路は、電子機器に搭載することができる。以下では、本実施形態におけるセンサー回路10が電子機器に搭載される例について説明するが、本変形例におけるセンサー回路300も同様に搭載される。
24a,24b,26a,26b…検出電極、 100…駆動回路、
110…電流電圧変換器、 120…AGC回路、 130,218…BPF、
140…GCA、 150…2値化回路、 200,310…検出回路、
210…交流増幅回路、 212…第1の電流電圧変換器、
214…第2の電流電圧変換器、 216…交流増幅器、 220…同期検波回路、
230…直流増幅器、 240…第1のLPF、 242…第1の積分器、
243…第1の入力キャパシター回路、 244…第2の積分器、
245…第2の入力キャパシター回路、 246…帰還キャパシター回路、
250…第2のLPF、 280…第NのLPF、 400…電子機器、
410…A/D変換回路、 420,422…LPF、 430…第1のADC、
432…第2のADC、 440…演算処理回路、 510…クロック生成回路、
520…処理部、 530…メモリー、 540…操作部、 550…表示部、
C1…第1の入力キャパシター、 C2…第2の入力キャパシター、
C3…第3の入力キャパシター、 C4…第4の入力キャパシター、
CLK1…第1のクロック、 CLK2…第2のクロック、
Cp1〜Cp16…寄生容量、 Cr1…第1の帰還キャパシター、
Cr2…第2の帰還キャパシター、 Cr3…第3の帰還キャパシター、
Cr4…第4の帰還キャパシター、 INS…絶縁膜、 ME1…第1の電極、
ME2…第2の電極、 OP1…第1のオペアンプ、 OP2…第2のオペアンプ、
OUT1…第1の検出信号、 OUT2…第2の検出信号、 SUB…基板、
SW1〜SW18…第1のスイッチ〜第18のスイッチ
Claims (14)
- 発振ループ内の振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に対応した検出信号
を検出する検出装置であって、
前記駆動振動及び前記物理量に対応した信号を増幅する増幅回路と、
前記発振ループ内の発振信号に同期して前記増幅回路の増幅信号を検波する同期検波回
路と、
前記同期検波回路の出力インピーダンスを変換するインピーダンス変換回路と、
前記インピーダンス変換回路の出力信号が供給され、第1の検出信号を出力する第1の
低域通過型フィルターと、
前記インピーダンス変換回路の前記出力信号が供給され、第2の検出信号を出力する第
2の低域通過型フィルターとを含み、
前記第1の低域通過型フィルター及び前記第2の低域通過型フィルターの各々は、
第1のオペアンプを有するスイッチトキャパシター回路で構成された第1の積分器と、
第2のオペアンプを有するスイッチトキャパシター回路で構成され、前記第1の積分器
の出力に接続される第2の積分器と、
前記第2の積分器の出力と前記第1のオペアンプの仮想接地端との間に挿入される第3
の帰還キャパシターを有する帰還キャパシター回路と、
前記帰還キャパシター回路と並列に接続される第4の帰還キャパシターとを含み、
前記第1の積分器は、
前記インピーダンス変換回路の出力と前記第1のオペアンプの仮想接地端との間に接続
される第1の入力キャパシター回路と、
前記第1のオペアンプの出力と前記第1のオペアンプの仮想接地端との間に接続される
第1の帰還キャパシターとを含み、
前記インピーダンス変換回路の出力と前記第1のオペ
アンプの仮想接地端との間の電圧差と、前記第1の積分器の複数のキャパシターにより蓄
積された電荷の一部を前記第1のオペアンプの仮想接地端にスイッチを介して入力し、前
記第1の帰還キャパシターによって前記第1のオペアンプの出力電位を変化させ、
前記第2の積分器は、
前記第1のオペアンプの出力と前記第2のオペアンプの仮想接地端との間に接続される
第2の入力キャパシター回路と、
前記第2のオペアンプの出力と前記第2のオペアンプの仮想接地端との間に接続される
第2の帰還キャパシターとを含み、
前記第1のオペアンプの出力と前記第2のオペアンプ
の仮想接地端との間の電圧差と、前記第2の積分器の複数のキャパシターにより蓄積され
た電荷の一部を前記第2のオペアンプの仮想接地端にスイッチを介して入力し、前記第2
の帰還キャパシターによって前記第2のオペアンプの出力電位を変化させ、
前記第1の低域通過型フィルターのゲインと前記第2の低域通過型フィルターのゲイン
とが異なることを特徴とする検出装置。
- 発振ループ内の振動子に励振される駆動振動及び測定すべき物理量に対応した検出信号
を検出する検出装置であって、
前記駆動振動及び前記物理量に対応した信号を増幅する増幅回路と、
前記発振ループ内の発振信号に同期して前記増幅回路の増幅信号を検波する同期検波回
路と、
前記同期検波回路の出力インピーダンスを変換するインピーダンス変換回路と、
前記インピーダンス変換回路の出力信号が供給され、第1の検出信号を出力する第1の
低域通過型フィルターと、
前記インピーダンス変換回路の前記出力信号が供給され、第2の検出信号を出力する第
2の低域通過型フィルターとを含み、
前記第1の低域通過型フィルター及び前記第2の低域通過型フィルターの各々は、スイ
ッチトキャパシターフィルター回路により構成され、
前記第1の低域通過型フィルターのゲインと前記第2の低域通過型フィルターのゲイン
とが異なり
さらに、
第1の入力キャパシターと、前記第1の入力キャパシターと同じ容量値に設定される第
2の入力キャパシターとを有し、前記インピーダンス変換回路の出力信号が供給される第
1の入力キャパシター回路と、
前記第1の入力キャパシター回路に充電された電荷量に対応した信号を増幅する第1の
オペアンプと、
前記第1のオペアンプの仮想接地端と出力との間に挿入された第1の帰還キャパシター
とを含む第1の積分器と、
第3の入力キャパシターと、前記第3の入力キャパシターと同じ容量値に設定される第
4の入力キャパシターとを有し、前記第1のオペアンプの出力に接続される第2の入力キ
ャパシター回路と、
前記第2の入力キャパシター回路に充電された電荷量に対応した信号を増幅する第2の
オペアンプと、
前記第2のオペアンプの仮想接地端と出力との間に挿入された第2の帰還キャパシター
とを含む第2の積分器と、
前記第2の積分器の出力と前記第1のオペアンプの仮想接地端との間に挿入可能に構成
される第3の帰還キャパシターを有する帰還キャパシター回路と、
前記帰還キャパシター回路と並列に接続される第4の帰還キャパシターとを含み、
前記第1の入力キャパシター回路は、
第1のクロックに同期して、前記第1のクロックと逆相の第2のクロックに同期して前
記第2の入力キャパシターに充電された電荷を前記第1の入力キャパシターに転送し、前
記第2のクロックに同期して、前記第1の入力キャパシターに充電された電荷を前記第1
の帰還キャパシターに転送し、
前記第2の入力キャパシター回路は、
前記第2のクロックに同期して、前記第1のクロックに同期して第4の入力キャパシタ
ーに充電された電荷を前記第3の入力キャパシターに転送し、前記第1のクロックに同期
して、前記第3の入力キャパシターに充電された電荷を前記第2の帰還キャパシターに転
送し、
前記帰還キャパシター回路は、
前記第1のクロックに同期して前記第2の積分器の出力と前記第1のオペアンプの仮想
接地端との間に挿入され、前記第2のクロックに同期して前記第3の帰還キャパシターに
充電された電荷を放電することを特徴とする検出装置。 - 請求項2において、
前記第1の入力キャパシター回路は、
前記インピーダンス変換回路の出力信号が供給される信号入力ノードと前記第1の入力
キャパシターの一端との間に挿入される第1のスイッチと、
前記第1の入力キャパシターの一端と基準電位との間に挿入される第2のスイッチと、
前記信号入力ノードと前記第2の入力キャパシターの一端との間に挿入される第3のス
イッチと、
前記第2の入力キャパシターの一端と基準電位との間に挿入される第4のスイッチと、
前記第2の入力キャパシターの他端と基準電位との間に挿入される第5のスイッチと、
前記第2の入力キャパシターの他端と前記第1の入力キャパシターの他端との間に挿入
される第6のスイッチと、
前記第1の入力キャパシターの他端と前記第1のオペアンプの仮想接地端との間に挿入
される第7のスイッチとを有し、
前記第2の入力キャパシター回路は、
前記第1のオペアンプの出力が供給される接続ノードと前記第3の入力キャパシターの
一端との間に挿入される第8のスイッチと、
前記第3の入力キャパシターの一端と基準電位との間に挿入される第9のスイッチと、
前記接続ノードと前記第4の入力キャパシターの一端との間に挿入される第10のスイ
ッチと、
前記第4の入力キャパシターの一端と基準電位との間に挿入される第11のスイッチと
、
前記第4の入力キャパシターの他端と基準電位との間に挿入される第12のスイッチと
、
前記第4の入力キャパシターの他端と前記第3の入力キャパシターの他端との間に挿入
される第13のスイッチと、
前記第3の入力キャパシターの他端と前記第2のオペアンプの仮想接地端との間に挿入
される第14のスイッチとを有し、
前記帰還キャパシター回路は、
前記第1のオペアンプの仮想接地端と前記第3の帰還キャパシターの一端との間に挿入
される第15のスイッチと、
前記第3の帰還キャパシターの一端と基準電位との間に挿入される第16のスイッチと
、
前記第3の帰還キャパシターの他端と基準電位との間に挿入される第17のスイッチと
、
前記第3の帰還キャパシターの他端と前記第2のオペアンプの出力との間に挿入される
第18のスイッチとを有することを特徴とする検出装置。 - 請求項3において、
前記第1のスイッチ、前記第4のスイッチ、前記第6のスイッチ、前記第9のスイッチ
、前記第10のスイッチ、前記第12のスイッチ、前記第14のスイッチ、前記第15の
スイッチ、及び前記第18のスイッチの各々は、前記第1のクロックによってスイッチ制
御され、
前記第2のスイッチ、前記第3のスイッチ、前記第5のスイッチ、前記第7のスイッチ
、前記第8のスイッチ、前記第11のスイッチ、前記第13のスイッチ、前記第16のス
イッチ、及び前記第17のスイッチの各々は、前記第2のクロックによってスイッチ制御
されることを特徴とする検出装置。 - 請求項2において、
前記第3の入力キャパシター、前記第4の入力キャパシター、及び前記第3の帰還キャ
パシターの形状及び面積は同一に設定され、且つ、前記第3の入力キャパシター、前記第
4の入力キャパシター、及び前記第3の帰還キャパシターは共通の製造工程により製造さ
れることを特徴とする検出装置。 - 請求項2において、
前記第1の低域通過型フィルターにおける前記第1の入力キャパシターの容量値と前記
第3の帰還キャパシターの容量値との比を、前記第2の低域通過型フィルターにおける前
記第1の入力キャパシターの容量値と前記第3の帰還キャパシターの容量値との比と異な
らせることを特徴とする検出装置。 - 請求項6において、
前記第1の低域通過型フィルターにおける前記第3の帰還キャパシターの容量値は前記
第2の低域通過型フィルターにおける前記第3の帰還キャパシターの容量値と同一に設定
され、
前記第1の低域通過型フィルターにおける前記第1の入力キャパシターの容量値が、
前記第2の低域通過型フィルターにおける前記第1の入力キャパシターの容量値と異な
ることを特徴とする検出装置。 - 請求項7において、
前記第1の低域通過型フィルター及び前記第2の低域通過型フィルターは、
各低域通過型フィルターにおける前記第1の入力キャパシター及び前記第2の入力キャ
パシターの容量値を除いて、各低域通過型フィルターを構成する素子の形状及び面積は同
一に設定されることを特徴とする検出装置。 - 請求項2において、
前記第1の低域通過型フィルターにおける前記第1のクロック及び前記第2のクロック
の各々は、前記第2の低域通過型フィルターにおける前記第1のクロック及び前記第2の
クロックの各々と同相で、且つ、同一周波数であることを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至10のいずれかにおいて、
前記物理量は、角速度であることを特徴とする検出装置。 - 前記振動子と発振ループを形成し、該振動子に駆動振動を励振する駆動回路と、
請求項1乃至11のいずれか記載の検出装置とを含み、
前記駆動回路が、
前記検出装置に対して、前記発振信号を2値化した参照信号を出力し、
前記同期検波回路が、
前記参照信号に同期して前記増幅信号を検波することを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項1乃至11のいずれか記載の検出装置を含むことを特徴とする電子機器。
- 請求項12記載の物理量測定装置を含むことを特徴とする電子機器。
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