KR20040040456A

KR20040040456A - 임피던스 검출 회로

Info

Publication number: KR20040040456A
Application number: KR10-2004-7003332A
Authority: KR
Inventors: 야카베마사미; 이케우치나오키; 마츠모토도시유키; 나카노고이치
Original assignee: 스미토모 긴조쿠 고교 가부시키가이샤; 호쿠토 덴시 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-05-12
Also published as: CN1551989A; TW591236B; WO2003023419A1; NO20032014L; KR100637979B1; EP1426771B1; US7023223B2; ATE344462T1; DK1426771T3; DE60215827T8; US20050030046A1; CN1271417C; DE60215827D1; DE60215827T2; NO20032014D0; EP1426771A4; EP1426771A1

Abstract

교류 전압 발생기(11)와, 비반전 입력 단자가 소정의 전위(본 예에서는, 접지)에 접속된 연산 증폭기(14)와, 임피던스 변환기(16)와, 교류 전압 발생기(11)와 연산 증폭기(14)의 반전 입력 단자 사이에 접속되는 저항(R1)(12)과, 연산 증폭기(14)의 반전 입력 단자와 임피던스 변환기(16)의 출력 단자 사이에 접속되는 저항(R2)(13)과, 연산 증폭기(14)의 출력 단자와 임피던스 변환기(16)의 입력 단자 사이에 접속되는 임피던스 소자(콘덴서)(15)를 구비하는 정전 용량 검출 회로(10)로서, 피검출 콘덴서(17)는 임피던스 변환기(16)의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 접속되어 있다.

Description

임피던스 검출 회로 및 정전 용량 검출 회로{IMPEDANCE MEASURING CIRCUIT AND CAPACITANCE MEASURING CIRCUIT}

정전 용량 검출 회로의 종래 예로서, 일본 특허 공개 평성 제 9-280806 호 공보 기재의 것을 들 수 있다. 도 1은, 이 정전 용량 검출 회로를 나타내는 회로도이다. 이 검출 회로에서는, 전극(90, 91)으로 형성되는 용량 센서(92)가, 신호선(93)을 거쳐서 연산 증폭기(95)의 반전 입력 단자에 접속되어 있다. 그리고 이 연산 증폭기(95)의 출력 단자와 상기 반전 입력 단자 사이에 콘덴서(96)가 접속됨과 동시에, 비반전 입력 단자에 교류 전압 Vac이 인가되어 있다. 또한 신호선(93)은 쉴드선(94)에 의해서 피복되고, 외란 노이즈에 대해 전기적으로 차폐되어 있다. 그리고 이 쉴드선(94)은, 연산 증폭기(95)의 비반전 입력 단자에 접속되어 있다. 출력 전압 Vd는, 연산 증폭기(95)의 출력 단자로부터 트랜스포머(97)를 거쳐서 출력된다.

이 검출 회로에서는, 연산 증폭기(95)의 반전 입력 단자와 비반전 입력 단자가 가상 쇼트의 상태로 되고, 반전 입력 단자에 접속된 신호선(93)과 비반전 입력 단자에 접속된 쉴드선(94)은, 서로 거의 동전위로 된다. 이것에 의해서, 신호선(93)은 쉴드선(94)에 의해서 가딩(guarding)되어, 즉, 양자(93, 94) 사이의 부유 용량은 상쇄되어, 부유 용량에 영향 받기 어려운 출력 전압 Vd가 얻어진다고 하는 것이다.

그러나, 이러한 종래 기술에 의하면, 확실히 용량센서(92)의 용량이 어느 정도로 클 때에는 신호선(93)과 쉴드선(94) 사이의 부유 용량에 영향 받지 않는 정확한 출력 전압 Vd를 얻을 수 있지만, 수 ㎊ 혹은 fF(femto farad) 정도 이하의 미소한 용량의 검출에 있어서는, 오차가 커져 버린다고 하는 문제가 있다.

또한, 인가할 교류 전압 Vac의 주파수에 따라서는, 연산 증폭기(95)의 내부의 트래킹 오류, 연산 오차 등에 의해, 가상 쇼트의 상태에 있는 반전 입력 단자와 비반전 입력 단자의 전압 사이에도 결과적으로 미묘한 위상·진폭의 어긋남이 발생하여, 검출 오차가 커져 버린다고 하는 문제도 있다.

한편, 휴대 전화기 등으로 대표되는 경량·소형의 음성 통신 기기에 있어서는, 콘덴서 마이크로폰 등의 용량 센서에서 검출한 음성을, 고 감도이고 또한 충실하게 전기 신호로 변환하는 조밀한 증폭 회로가 요구되고 있다. 수 ㎊ 혹은 fF 정도 이하의 미소한 용량 또는 그 변화를 정확하게 검출하는 것이 가능하다면, 지극히 높은 감도이고, 또한, 충실하게 음성을 검출하는 것이 가능한 고 성능인 마이크로폰이 실현되어, 휴대 전화기 등의 음성 통신 기기에서의 음성 픽업에 있어서의성능이 비약적으로 향상된다.

그래서, 본 발명은, 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 미소한 용량을 정확하게 검출할 수 있고, 또한, 경량·소형의 음성 통신 기기에 사용되는 콘덴서 마이크로폰 등의 용량 센서의 용량 검출에 적합한 정전 용량을 포함하는 임피던스의 검출 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명의 개시

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 임피던스 검출 회로는, 피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 검출 신호를 출력하는 임피던스 검출 회로로서, 입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 임피던스 변환기와, 용량성의 제 1 임피던스 소자와, 제 1 연산 증폭기와, 상기 제 1 연산 증폭기에 교류 전압 또는 직류 전압의 적어도 어느 한쪽을 인가하는 전압 발생기와, 상기 제 1 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하며, 상기 임피던스 변환기의 입력 단자에는 상기 피검출 임피던스의 한쪽 단부와 상기 제 1 임피던스 소자의 한쪽 단부가 접속되고, 상기 제 1 연산 증폭기의 부귀환로에 상기 제 1 임피던스 소자 및 상기 임피던스 변환기가 포함되는 것을 특징으로 한다.

구체 예로서는, 전압 발생기와, 비반전 입력 단자가 소정의 전위에 접속된 연산 증폭기와, 임피던스 변환기와, 전압 발생기와 연산 증폭기의 반전 입력 단자 사이에 접속되는 저항과, 연산 증폭기의 반전 입력 단자와 임피던스 변환기의 출력 단자 사이에 접속되는 저항과, 연산 증폭기의 출력 단자와 임피던스 변환기의 입력단자 사이에 접속되는 용량성의 제 1 임피던스 소자를 구비하는 임피던스 검출 회로를 구성하며, 피검출 임피던스는 임피던스 변환기의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 접속된다. 여기서, 소정의 전위란, 소정의 기준 전위, 소정의 직류 전위, 접지 전위 또는 플로팅 상태 중 어느 하나를 나타내는 것으로, 실시예에 맞추어 최적의 것이 선택된다.

이러한 구성에 따라서, 피검출 임피던스에 일정한 전압이 인가됨과 동시에, 그 피검출 임피던스에 흐르는 전류의 거의 모두가 제 1 임피던스 소자에 흐르고, 신호 출력 단자로부터는, 피검출 임피던스의 임피던스에 대응한 신호가 출력된다.

또, 임피던스 검출 회로와 피검출 임피던스를 접속하는 신호선으로의 노이즈의 혼입이나, 그 신호선과 소정의 전위 사이의 부유 용량의 발생을 저감하기 위해서, 피검출 임피던스와 임피던스 검출 회로의 신호선은 가능한 한 짧은 쪽이 바람직하다.

또한, 전압 발생기에 대해서는 교류 또는 직류 중 적어도 어느 한쪽을 선택할 수 있으나, 교류에서는, 절대 임피던스와 임피던스 변화량의 양쪽이 측정 가능한 데 대하여, 직류에서는 임피던스의 변화량을 검출할 수 있는 한편, 교류에서는 발진 회로 등이 필요하게 되어 검출 회로의 규모가 약간 커지는 데 대하여, 직류에서는 그 만큼 조밀하게 이루어지는 것이 가능해지는 특질을 갖고 있다. 이와 같이 본원의 전압 발생기는, 그 목적이나 용도를 검토하여 최적의 것을 선정할 수 있다. 이에 부가하여, 상기 제 1 연산 증폭기와 상기 전압 발생기 사이에 구비된 제 2 임피던스 소자를 구비하더라도 좋다. 또한, 제 1 임피던스 소자와 병렬로 저항을 접속해 놓더라도 좋다.

여기서, 전압 발생기의 발생 전압에 대응하는 신호를, 상기 신호 출력 단자로부터의 출력 신호가 포함하고 있기 때문에, 그것을 상쇄하기 위한 상쇄 수단을 상기 임피던스 검출 회로에 더 부가하여 마련하더라도 좋다. 이 상쇄 수단에는, 가산기, 감산기 등을 들 수 있다. 또한, 특히 피검출 임피던스가 용량성의 경우, 제 1 임피던스 소자에 콘덴서를 이용하면 주파수 특성이 우수한 회로를 얻을 수 있는

본 발명은, 임피던스를 검출하는 회로에 관한 것으로, 특히, 미소한 임피던스를 높은 정밀도로 검출하는 회로에 관한 것이다.

도 1은, 종래의 정전 용량 검출 회로의 회로도이다.

도 2는, 본 발명의 실시예 1에 있어서의 임피던스 검출 회로로서의 정전 용량 검출 회로의 회로도이다.

도 3의 (a)∼(e)는, 본 발명에서 사용 가능한 임피던스 변환기의 예를 나타내는 도면이다.

도 4는, 본 발명의 실시예 2에 있어서의 임피던스 검출 회로로서의 정전 용량 검출 회로의 회로도이다.

도 5는, 도 4에 도시된 가산 방식에 의한 전압 발생기의 발생 전압에 대응하는 신호의 상쇄 수단을 별도의 수단(가산 회로)으로 구성한 예를 나타낸 도면이다.

도 6은, 도 4에 도시된 가산 방식에 의한 전압 발생기의 발생 전압에 대응하는 신호의 상쇄 수단을 별도의 수단(감산 회로)으로 구성한 예를 나타낸 도면이다.

도 7은, 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 정전 용량 검출 회로의 회로도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명의 실시예에 대해, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.

(실시예 1)

도 2는, 본 발명의 실시예 1에 있어서의 임피던스 검출 회로의 회로도이다. 또, 본 도면에서는, 이 임피던스 검출 회로로서의 정전 용량 검출 회로(10)에, 검출 대상인 피검출 임피던스로서의 피검출 콘덴서(17)(여기서는, 콘덴서 마이크로폰 등, 정전 용량 Cs의 변화를 이용하여 각종 물리량을 검출하는 용량형 센서)가 접속되어 있다.

이 정전 용량 검출 회로(10)는, 교류 전압을 발생하는 교류 전압 발생기(11), 저항(R1)(12), 저항(R2)(13), 연산 증폭기(14), 임피던스 소자(여기서는, 용량 Cf의 콘덴서)(15) 및 임피던스 변환기(16)로 구성되고, 피검출 콘덴서(17)의 정전 용량에 대응하는 검출 신호(전압 Vout)를 신호 출력 단자(20)로부터 출력한다.

교류 전압 발생기(11)는, 한쪽 단부가 소정의 전위(본 예에서는, 접지)에 접속되고, 다른쪽 단부(출력 단자)로부터 일정한 교류 전압(전압 Vin, 각 주파수 ω)을 발생하고 있다. 교류 전압 발생기(11)의 출력 단자와 연산 증폭기(14)의 반전입력 단자 사이에는 저항(R1)(12)이 접속되어 있다.

연산 증폭기(14)는, 입력 임피던스 및 개방 루프 이득이 지극히 높은 전압 증폭기이며, 여기서는, 비반전 입력 단자가 소정의 전위(본 예에서는, 접지)에 접속되고, 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자가 가상 쇼트의 상태로 되어 있다. 이 연산 증폭기(14)의 부귀환로, 즉, 연산 증폭기(14)의 출력 단자로부터 반전 입력 단자까지의 사이에, 콘덴서(15), 임피던스 변환기(16) 및 저항(R2)(13)이 이 순서대로 직렬로 접속되어 있다.

임피던스 변환기(16)는, 입력 임피던스가 지극히 높고, 출력 임피던스가 지극히 낮으며, 전압 이득이 A배의 전압 증폭기이다. 이 임피던스 변환기(16)의 입력 단자(21)에는, 신호선 또는 프린트 기판 상의 배선 패턴 등의 도전체를 거쳐서, 피검출 콘덴서(17)의 한쪽 단부가 접속되는 한편, 피검출 콘덴서(17)의 다른쪽 단부는, 소정의 전위(본 예에서는, 접지)에 접속되어 있다. 연산 증폭기(14)의 출력 단자에는, 이 정전 용량 검출 회로(10)의 출력 신호, 즉, 피검출 콘덴서(17)의 용량에 대응한 검출 신호를 출력하기 위한 신호 출력 단자(20)가 접속되어 있다. 또, 본원에 있어서의 A배 등으로 표시되는 변수 A는, 모두 영 이외의 실수를 나타낸다.

또, 피검출 콘덴서(17)와 정전 용량 검출 회로(10)의 접속에 대해, 불필요한 부유 용량이 검출 오차로서 가산되거나, 외란 노이즈가 혼입하거나 하는 것을 방지하기 위해서, 가능한 한 짧은 쉴드가 없는 도전체(케이블, 동박의 배선 패턴, 접속 단자 등)로 접속하는 것이 바람직하다. 또한, 가능하다면, 외란 노이즈에 대한 차폐를 강화하기 위해서, 피검출 콘덴서(17) 및 정전 용량 검출 회로(10) 전체를 접지된 쉴드 부재로 덮거나, 쉴드 박스 내에 수납하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 구성된 정전 용량 검출 회로(10)의 동작은 이하와 같다.

저항(R1)(12), 저항(R2)(13) 및 연산 증폭기(14) 등으로 구성되는 반전 증폭 회로에 착안하면, 연산 증폭기(14)의 양 입력 단자가 가상 쇼트의 상태로 되어 동 전위(예컨대, 0V)이며, 또한, 그 입력 임피던스가 지극히 높고, 전류가 흐르지 않기 때문에, 저항(R1)(12)을 흐르는 전류는, Vin/R1로 되어, 그 전부가 저항(R2)(13)을 흐르기 때문에, 임피던스 변환기(16)의 출력 전압을 V2라고 하면,

가 성립한다. 이것을 정리함으로써, 임피던스 변환기(16)의 출력 전압 V2는,

으로 된다. 또한, 임피던스 변환기(16)의 전압 이득은 A이기 때문에, 입력 전압(입력 단자(21)의 전압) V1와 출력 전압(출력 단자(22)에서의 전압) V2의 관계로부터, 그 입력 전압 V1은,

가 성립한다. 또한, 콘덴서(15)를 피검출 콘덴서(17)를 향하여 흐르는 전류를 i라고 하면, 임피던스 변환기(16)의 입력 임피던스가 지극히 높기 때문에, 그전류 i의 전부가 피검출 콘덴서(17)에 흐르기 때문에, 전류 i는, jωCs·V1로 되어, 신호 출력 단자(20)로부터 출력되는 검출 신호의 전압 Vout은,

로 된다.

상기 (수학식 1)과 (수학식 2)로부터, V2를 소거하면,

가 얻어지고, 이 V1을 상기 (수학식 3)에 대입하면,

이 얻어진다.

이 (수학식 5)로부터 알 수 있는 바와 같이, 정전 용량 검출 회로(10)의 신호 출력 단자(20)로부터 출력되는 검출 신호의 전압 Vout은, 피검출 콘덴서(17)의 용량 Cs에 의존한 값으로 된다. 따라서, 이 전압 Vout에 대해 각종 신호 처리를 실시하는 것에 의해, 용량 Cs를 특정할 수 있다. 또한, 이 (수학식 5)에는 각 주파수 ω가 포함되어 있지 않은 것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 검출 신호의 전압 Vout은, 교류 전압 발생기(11)로부터의 교류 신호 Vin의 주파수 및 피검출 콘덴서의 주파수의 변화에 의존하지 않는다. 이것에 의해서, 피검출 콘덴서(17)에인가되는 교류 전압의 주파수에 의존하지 않고, 피검출 콘덴서(17)의 용량을 검출할 수 있는(회로에서의 주파수 의존 특성을 갖지 않는) 정전 용량 검출 회로가 실현된다. 따라서, 콘덴서 마이크로폰 등, 용량값이 소정의 주파수(음성 대역)로 변화하는 것과 같은 피검출 콘덴서(17)에 대해, 검출된 신호를 주파수 보정하지 않고, 그 전압값으로부터 직접, 용량값을 특정하는 것이 가능해진다.

여기서, 임피던스 변환기(16)가 볼티지 팔로워(voltage follower)인 경우, 전압 이득은 A=1로 되어, 볼티지 팔로워의 양 입력 단자가 가상 쇼트의 상태로 되기 때문에, 반전 입력과 출력의 전압이 결정되고, 볼티지 팔로워의 비반전 입력의 전압이 결정된다. 이 경우에는, 연산 증폭기(14)와 볼티지 팔로워는 이득을 충분히 획득하기 위한 증폭기와 전압을 결정하기 위한 증폭기로 분할하였다고도 할 수 있다. 이렇게 하면, 연산 증폭기(14)의 비반전 입력을 소정의 전위에 접속할 수 있어, 그 동작의 안정성을 향상시킬 수 있도록 되어, 이득을 충분히 취하면서 연산 오차의 대폭적인 저감을 실현할 수 있도록 되므로, 이에 따라 바람직한 형태라고 할 수 있다.

또한, 본 실시예의 정전 용량 검출 회로(10)에서는, 콘덴서(15) 및 피검출 콘덴서(17)에 전류를 공급하고 있는 연산 증폭기(14)는, 그 비반전 입력 단자가 소정의 전위에 접속되어, 고정화되어 있다. 따라서, 도 1에 도시되는 종래의 회로 에 있어서의 연산 증폭기(95)와 상이하고, 연산 증폭기(14)는, 입력되는 교류 신호의 주파수 등에 의존하지 않고, 연산 오차의 저감이 도모되고, 노이즈가 적은 안정한 전류를 콘덴서(15) 및 피검출 콘덴서(17)에 공급하기 때문에, 피검출콘덴서(17)의 미소한 용량의 검출이 가능해진다.

도 3은, 도 2에 도시된 정전 용량 검출 회로(10)에 있어서의 임피던스 변환기(16)의 구체적인 회로 예를 나타낸다. 도 3의 (a)는, 연산 증폭기(100)를 이용한 볼티지 팔로워를 나타내고 있다. 연산 증폭기(100)의 반전 입력 단자와 출력 단자가 단락되어 있다. 이 연산 증폭기(100)의 비반전 입력 단자를 임피던스 변환기(16)의 입력으로 하고, 연산 증폭기(100)의 출력 단자를 임피던스 변환기(16)의 출력으로 함으로써, 입력 임피던스가 지극히 높고, 전압 이득 A가 1로 되는 임피던스 변환기(16)가 얻어진다.

도 3의 (b)는, 연산 증폭기(101)를 이용한 비반전 증폭 회로를 나타내고 있다. 연산 증폭기(1O1)의 반전 입력 단자와 그라운드 사이에 저항(R10)(110)이 접속되고, 연산 증폭기(101)의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 피드백 저항(저항(R11))(33)이 접속되어 있다. 이 연산 증폭기(101)의 비반전 입력 단자를 임피던스 변환기(16)의 입력으로 하고, 연산 증폭기(101)의 출력 단자를 임피던스 변환기(16)의 출력으로 함으로써, 입력 임피던스가 지극히 높고, 전압 이득 A가 (R10+R11)/R10으로 되는 임피던스 변환기(16)가 얻어진다.

도 3의 (c)는, 도 3의 (a)나 도 3의 (b)에 도시되는 것과 같은 연산 증폭기의 입력단에 CM0S 구조의 버퍼를 부가한 회로를 나타내고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 정/부(正/負) 전원 사이에 N형 MOSFET(34)와 P형 MOSFET(35)가 저항(112, 113)을 거쳐서 직렬로 접속되고, 버퍼의 출력이 연산 증폭기(100)(또는 (101))의 입력에 접속되어 있다. 이 버퍼의 입력을 임피던스 변환기(16)의 입력으로 하고,연산 증폭기의 출력 단자를 임피던스 변환기(16)의 출력으로 함으로써, 입력 임피던스가 지극히 높은 임피던스 변환기(16)가 얻어진다.

도 3의 (d)는, 도 3의 (c)의 입력단의 버퍼와 같은 회로를 나타내고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 정/부 전원 사이에, N형 MOSFET(34)와 P형 MOSFET(35)가 직렬로 접속되어, 양 MOSFET의 접속부로부터 출력이 이루어진다.

도 3의 (e)는, 연산 증폭기(102)의 비반전 입력을 임피던스 변환기의 입력으로 하고, 연산 증폭기(102)의 반전 입력 단자에 저항(114)의 한쪽 단부를 접속하며, 연산 증폭기(102)의 출력과 반전 입력 사이를 저항(115)을 거쳐서 접속한 것으로 되어 있다. 도 3의 (d) 및 도 3의 (e)에 도시되어 있는 바와 같이, 이러한 구성을 취함으로서 입력 임피던스가 지극히 높은 임피던스 변환기(16)가 얻어진다.

(실시예 2)

다음에, 본 발명의 실시예 2에 있어서의 정전 용량 검출 회로에 대해 설명한다.

도 4는, 실시예 2에 있어서의 임피던스 검출 회로로서의 정전 용량 검출 회로(30)의 회로도이다. 이 정전 용량 검출 회로(30)는, 크게 나누어, 도 2에 도시된 임피던스 검출 회로로서의 정전 용량 검출 회로(10)에 상당하는 코어부(31), 그 코어부(31)의 신호 출력 단자(20)에서의 신호 전압 V01을 입력으로 하여 반전하는 반전부(32), 및 그 반전부(32)의 출력 단자(23)에서의 신호 전압 V03과 코어부(31)의 교류 출력 단자(22)에서의 신호 전압 V02를 가산하여, 출력 단자(24)에 전압V04의 검출 신호를 출력하는 가산부(33)로 구성된다.

코어부(31)는, 도 2에 도시된 정전 용량 검출 회로(10)와 동일한 회로이다. 따라서, 코어부(31)의 신호 출력 단자(20)의 전압 V01은, 상기 (수학식 5)로부터,

로 되고, 코어부(31)의 교류 출력 단자(22)의 전압 V02는, 상기 (수학식 1)로부터,

로 된다.

반전부(32)는, 가변 저항(R4)(40), 저항(R5)(41), 가변 저항(R6)(42), 콘덴서(43) 및 연산 증폭기(44)를 구비한 반전 증폭 회로이며, 전압 이득이 -1이고, 또한, 그 출력 단자(23)에서의 신호 V03의 위상이 코어부(31)의 교류 출력 단자(22)에서의 신호 V02와 동일하게 되도록, 가변 저항(R4)(40) 및 가변 저항(R6)(42)의 저항치가 조정되어 있다. 따라서, 이 반전부(32)의 입력 전압 V01과 출력 전압 V03은, 이상적으로는 이하의 관계가 성립되어 있다.

가산부(33)는, 저항치가 동등한 3개의 저항(R7)(45), 저항(R8)(46) 및 저항(R9)(47)이 연산 증폭기(48)에 접속된 가산기이다. 즉, 2개의 입력 신호의 전압 V02 및 V03과, 출력 전압 V04는, 이하의 관계가 성립한다.

이 (수학식 9)에, 상기 (수학식 8)을 대입하여 V03을 소거한 후에, 상기 (수학식 6) 및 (수학식 7)을 대입하면,

이 성립한다. 즉, 이 정전 용량 검출 회로(30)의 출력 단자(24)로부터 출력되는 검출 신호의 전압 V04는, 용량값 Cs에 비례하는 것을 알 수 있다. 따라서, 이 전압 V04에 근거하여, 각종 신호 처리를 실시함으로써, 미지의 용량값 Cs 또는 용량 변화를 용이하게 특정할 수 있다.

이 (수학식 10)과 실시예 1에 있어서의 검출 신호의 전압 Vout을 나타내는 (수학식 5)을 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2예 있어서의 정전 용량 검출 회로(30)에서 얻어지는 검출 신호는, 실시예 1과 상이하고, 피검출 콘덴서(17)의 용량에 비례하는 성분만을 포함하여, 불필요한 오프셋만큼(피검출 콘덴서(17)에 의존하지 않는 전압)을 포함하고 있지 않다. 따라서, 실시예 2에 있어서의 검출 신호로부터 피검출 콘덴서(17)의 용량 또는 용량 변화를 특정하는 신호 처리는, 간단한 것이어도 된다.

또, 본 예에서는, V03=-V01로 되는 예로 설명하였지만, 본 발명은, 이것에한정되는 것이 아니다. 용량 센서의 종류에 따라, V03=k·V01(k는 반전 증폭부의 증폭율)로서, 출력 전압 V04가,

로 되도록 설정하더라도 좋다.

이상, 본 발명에 따른 임피던스 검출 회로에 대해, 2개의 실시예에 근거하여 설명하였지만, 본 발명은, 이들의 실시예 및 응용예에 한정되는 것이 아니다.

예컨대, 도 4에 나타낸 가산 방식에 의한 전압 발생기의 발생 전압에 대응하는 신호의 상쇄 수단은, 도 5 또는 도 6 등에서 도시되어 있는 바와 같이, 별도의 가산 수단, 감산 수단을 이용하여도 좋다.

도 5는, 정전 용량 검출 회로(10)와 기능적으로 동일한 임피던스 검출 회로(50)의 신호 출력(20)(Vout)은, 저항(46)을 거쳐서 가산 회로의 한쪽의 입력에 접속되고, 임피던스 검출 회로(50)의 Vin은, 저항(45)을 거쳐서 상기 가산 회로의 또 다른쪽의 입력에 접속되어 있다. 이 신호 출력(20)은 Vin에 대해 반전하고 있으므로 가산하는 것에 의해 전압 발생기의 발생 전압에 대응하는 신호의 상쇄가 가능해진다. 이에 대해, 도 6에서는, 임피던스 검출 회로(50)의 교류 신호 출력 단자부터의 출력과 신호 출력 단자 Vout로부터의 출력을 그대로 이용하고 있다. 이 2개의 신호는 모두 Vin에 대해서는 반전하고 있기 때문에 이들 신호를 그대로 사용하기 위해서는, 이 도면과 같이 감산 회로가 필요하게 된다. 또, 각각의 가산 수단이나 감산 수단의 입력은 호환적으로 대체가 가능하다.

또한, 예컨대, 정전 용량 검출 회로(10 및 30)에 있어서, 피검출 콘덴서(17)에 흐르는 전류를 검출하기 위해서, 연산 증폭기(14)와 임피던스 변환기(16) 사이에, 콘덴서(15)가 접속되었지만, 이것 대신에, 저항이나 인덕턴스 등의 임피던스 소자를 접속하더라도 좋다. 예컨대, 콘덴서(15) 대신에 저항치 R3의 저항을 접속한 경우에는, 정전 용량 검출 회로(10)의 출력 단자(20)로부터 출력되는 검출 신호의 전압 Vout은, 상기 (수학식 5) 대신에,

ΔCs : 피검출 콘덴서의 용량 변화분

ωc : 피검출 콘덴서의 주파수

Cd : 피검출 콘덴서의 변화하지 않는 기준의 용량

ωin : 입력 전압의 주파수

로 된다. 이 경우에도, 검출 신호의 전압 V04는, 용량값 Cs에 비례하는 것은 변하지 않는다. 따라서, 이 전압 V04에 근거하여, 각종 신호 처리를 실시함으로써, 미지의 용량값 Cs나 용량 변화를 용이하게 특정할 수 있다.

또한, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 실시예에 있어서의 정전 용량 검출 회로(10 및 30)에 있어서의 콘덴서(15)와 병렬로 저항(18)을 부가하여 접속하더라도 좋다. 이에 의해, 콘덴서(15)와 피검출 콘덴서(17)의 접속점은, 저항(18)을 거쳐서 제 1 연산 증폭기(14)의 출력 단자와 접속되는 것으로 되고, 직류적으로 플로팅 상태로 되는 것이 해소되어, 전위가 고정된다.

또한, 피검출 임피던스로서 접속되는 것은, 미지의 용량(반도체 칩내, 기판 배선상, 패키지 배선상 등), 또한, 콘덴서 마이크로폰, 가속도 센서, 지진계, 압력 센서, 변위 센서, 변위계, 근접 센서, 터치 센서, 이온 센서, 습도 센서, 빗방울 센서, 눈 센서, 천둥 센서, 위치 정렬 센서, 접촉 불량 센서, 형상 센서, 종점 검출 센서, 진동 센서, 초음파 센서, 각속도 센서, 액량 센서, 가스 센서, 적외선 센서, 방사선 센서, 수위계, 동결 센서, 수분계, 진동계, 대전 센서, 프린트 기판 검사기 등의 각종 물리량을 검출하는 모든 트랜스듀서(디바이스)가 포함된다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 임피던스 검출 회로 및 정전 용량 검출 회로는, 저항을 거쳐서 연산 증폭기에 교류 전압을 인가하여, 그 연산 증폭기의 부귀환로에 피검출 임피던스를 접속함으로서, 피검출 임피던스의 임피던스를 검출하고 있다. 즉, 비반전 입력 단자를 소정의 전위에 접속한 연산 증폭기의 출력 단자와 임피던스 변환기의 입력 단자 사이에 용량성의 임피던스 소자를 접속함과 동시에, 임피던스 변환기의 입력 단자와 소정의 전위 사이에 피검출 임피던스를 접속하고 있다.

이에 의해서, 피검출 임피던스에 흐르는 전류의 거의 모두가 임피던스 소자에 흐르고, 연산 증폭기의 출력 단자에는 피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 정확한 신호가 출력되는 것으로 되어, 지극히 미소한 임피던스의 검출이 가능해진다. 특히, 각각의 임피던스가 용량성인 때에는, fF 정도 이하의 미소한 용량을 측정할 수 있어, 피검출 용량의 변화 주파수에 의존하지 않는 측정이 가능해진다.

그리고, 연산 증폭기의 비반전 입력 단자는 소정의 전위에 접속되고, 입력단자의 한쪽의 전위가 고정되기 때문에, 연산 증폭기는 안정하게 동작하고, 연산 오차가 저감하여, 검출 신호에 포함되는 노이즈가 억제된다.

또한, 연산 증폭기와 임피던스 변환기 사이에 용량성의 임피던스 소자가 접속되어 있기 때문에, 연산 증폭기에 인가되는 교류 전압의 주파수에 의존하지 않고, 피검출 콘덴서의 용량 변화의 주파수에도 의존하지 않는 검출 감도가 확보된다. 또한, 연산 증폭기와 임피던스 변환기 사이에 저항을 접속한 경우에 있어서의 그 저항으로부터의 열 잡음에 의한 S/N 비의 열화라는 문제도 발생하지 않는다.

여기서, 상기 임피던스 검출 회로에, 신호 출력 단자에서의 신호를 반전하는 반전 증폭 회로와, 임피던스 변환기의 출력 신호와 반전 증폭 회로의 출력 신호를 가산하는 가산 회로를 부가하더라도 좋다. 이에 의해서, 임피던스 검출 회로의 출력 신호에 포함되는 불필요한 오프셋 성분이 제거되어, 피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 정미한 신호를 크게 증폭할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의해, 사용 환경의 한정도 적어져, 미소한 임피던스를 정확하게 검출할 수 있고, 또한, 소형화에 적합한 임피던스 검출 회로, 정전 용량 검출 회로 등이 실현되며, 특히, 휴대 전화기 등의 경량·소형의 음성 통신 기기의 음성 성능이 비약적으로 향상되어, 그 실용적 가치는 지극히 높다.

본 발명에 따른 정전 용량 검출 회로는, 용량형 센서의 검출 회로로서, 특히, 휴대 전화기 등의 소형·경량의 기기에 구비되는 마이크로폰 장치로서 이용할수 있다.

Claims

피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 검출 신호를 출력하는 임피던스 검출 회로로서,

입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 임피던스 변환기와, 용량성의 제 1 임피던스 소자와, 제 1 연산 증폭기와, 상기 제 1 연산 증폭기에 교류 전압 또는 직류 전압의 적어도 어느 한쪽을 인가하는 전압 발생기와, 상기 제 1 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자를 구비하며,

상기 임피던스 변환기의 입력 단자에는 상기 피검출 임피던스의 한쪽 단부와 상기 제 1 임피던스 소자의 한쪽 단부가 접속되고,

상기 제 1 연산 증폭기의 부귀환로에 상기 제 1 임피던스 소자 및 상기 임피던스 변환기가 포함되는

것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
피검출 임피던스의 임피던스에 대응하는 검출 신호를 출력하는 임피던스 검출 회로로서,

입력 임피던스가 높고 출력 임피던스가 낮은 임피던스 변환기와, 제 1 임피던스 소자와, 제 1 연산 증폭기와, 상기 제 1 연산 증폭기에 교류 전압 또는 직류 전압의 적어도 어느 한쪽을 인가하는 전압 발생기와, 상기 제 1 연산 증폭기의 출력에 접속되는 신호 출력 단자와, 상기 신호 출력 단자에서의 신호로부터 상기 전압 발생기의 발생 전압에 대응하는 신호의 전부 또는 일부를 상쇄하는 상쇄 수단을 구비하며,

상기 임피던스 변환기의 입력 단자에는 상기 피검출 임피던스의 한쪽 단부와 상기 제 1 임피던스 소자의 한쪽 단부가 접속되고,

상기 제 1 연산 증폭기의 부귀환로에 상기 제 1 임피던스 소자 및 상기 임피던스 변환기가 포함되는

것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 피검출 임피던스는, 용량성의 임피던스 소자인 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 정전 용량 검출 회로는, 상기 제 1 임피던스 소자와 병렬로 접속되는 저항 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 용량 검출 회로.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 연산 증폭기와 상기 전압 발생기 사이에 구비된 제 2 임피던스 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피검출 임피던스의 한쪽 단부와 상기 임피던스 변환기의 입력 단자는 비(非)쉴드(shield)의 도전체로 접속되는 것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 임피던스 변환기가, 전압 이득이 1인 볼티지 팔로워(voltage follower)인 것을 특징으로 하는 임피던스 검출 회로.