JP2006329778A - Capacitance detection circuit - Google Patents
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Abstract
【課題】 容量素子に印加される静電力の変動に起因する信頼性低下を防ぐことが可能な容量検出回路を提供する。
【解決手段】 容量検出回路は、容量素子の容量差を検出する容量検出回路であって、一端がVddに接続されるか、Vdd/2に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替えるスイッチS1と、一端が前記Vdd/2に接続されるか、接地電圧に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替えるスイッチS2と、一端が前記スイッチS1の他端に接続される容量素子Caと、一端が前記スイッチS2の他端に接続され、他端が前記容量素子Caの他端に接続される容量素子Cbと、一端が前記Vdd/2に接続され、他端が前記容量素子Caおよび前記容量素子Cbの接続点に接続されるスイッチS3とを備える。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitance detection circuit capable of preventing a decrease in reliability due to fluctuations in electrostatic force applied to a capacitive element.
A capacitance detection circuit is a capacitance detection circuit for detecting a capacitance difference between capacitive elements, and switches between one end connected to Vdd, Vdd / 2, or a floating state. A switch S1, a switch S2 that switches between one end connected to the Vdd / 2, a ground voltage, or a floating state, and a capacitive element that has one end connected to the other end of the switch S1 Ca, one end connected to the other end of the switch S2, the other end connected to the other end of the capacitive element Ca, one end connected to the Vdd / 2, and the other end connected to the capacitive element Ca and a switch S3 connected to the connection point of the capacitive element Cb.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、容量検出回路に関し、特に、圧力、加速度および角速度等の計測に利用される容量検出回路に関する。 The present invention relates to a capacitance detection circuit, and more particularly to a capacitance detection circuit used for measuring pressure, acceleration, angular velocity, and the like.
運動する物体にかかる加速度および運動する物体の角速度等を検出する慣性力センサの分野において、近年、特に半導体のマイクロマシニング技術を応用したものとして、容量素子の容量の変化を検出することで加速度を検出する加速度センサ、および角速度を検出する角速度センサ等の容量型センサが注目を集めている。 In the field of inertial force sensors that detect accelerations on moving objects and angular velocities of moving objects, in recent years, especially by applying semiconductor micromachining technology, acceleration can be detected by detecting changes in the capacitance of capacitive elements. Capacitive sensors such as an acceleration sensor for detecting and an angular velocity sensor for detecting an angular velocity have attracted attention.
たとえば、特許文献1には以下のような容量検出回路が開示されている。すなわち、シリコン質量体が梁を介してアンカー部で支持された構造となっている。また、シリコン質量体の上下には2つの固定電極がガラスまたはシリコン上に形成されており、シリコン質量体および2つの固定電極で、2つの容量素子C1,C2を形成している。この2つの容量素子C1,C2がセンサエレメントを構成している。
For example,
そして、特許文献1記載の容量検出回路では、加速度による慣性力がシリコン質量体のある方向に作用すると、シリコン質量体はその方向に変位する。この変位によって、シリコン質量体と2つの固定電極間の容量値が一方で増加し、他方で減少する。この容量値の変化が電圧に変換される。
And in the capacity | capacitance detection circuit of
より詳細には、特許文献1記載の容量検出回路はスイッチトキャパシタ型であって、少なくともいずれか一方の値の変動する2つの容量素子C1,C2と、出力端子および反転入力端子間にフィードバック用およびサンプリング用の容量素子C3が接続されたオペアンプと、オペアンプの非反転入力端子と基準電圧源との間に接続されたホールド用容量素子C4とを備える。そして、容量素子C1,C2,C3のそれぞれの一端はオペアンプの反転入力端子に接続される。スイッチングサイクルのタイミングφ1において、容量素子C1,C2の他端は、それぞれ電源及びグランド、または正負2電源に接続されるとともに、容量素子C3は短絡される。そして、タイミングφ2において、容量素子C1,C2の他端およびオペアンプの出力端子はそれぞれオペアンプの非反転入力端子に接続される。このような構成により、2つの容量素子C1,C2の容量差を表わすアナログ電圧を得ることができる。
More specifically, the capacitance detection circuit described in
ここで、近年、センサのデジタル出力化の要請が高まっている。センサの出力をアナログ電圧ではなくデジタル値で得る構成としては、特許文献1記載の容量検出回路の後段、すなわちオペアンプの後段にアナログ/デジタル変換回路(AD変換回路)を配置する構成が一般的である。ところが、特許文献1記載の容量検出回路では、一般に消費電力が大きいアナログ回路であるオペアンプを使用するために消費電力が増大するという問題点があった。
In recent years, there has been an increasing demand for digital output of sensors. As a configuration for obtaining the output of the sensor with a digital value instead of an analog voltage, a configuration in which an analog / digital conversion circuit (AD conversion circuit) is arranged after the capacitance detection circuit described in
このような問題点を解決するために、たとえば、非特許文献1には以下のような容量検出回路が開示されている。すなわち、比較器の非反転入力端子が接地電圧に接続され、比較器の反転入力端子に容量検出回路のアナログ出力が接続され、比較器の出力がSAR(Successive Approximation Register)に接続される。SARのデジタル出力をデジタル/アナログ変換回路(DA変換回路)でアナログ電圧に変換し、アナログ電圧が容量素子を介して比較器の反転入力端子に出力される。制御回路がSARのデジタル出力を変化させて、比較器の反転入力端子における電圧を接地電圧とする。このときのSARのデジタル出力が容量検出回路における2つの容量素子の容量差を表わすデジタル値である。このような構成により、センサの出力をデジタル値で得ることができ、かつ、オペアンプを使用することによる消費電力の増大を防ぐことができる。
ところで、静電力の向きは印加された電圧により発生する電界の向きにより決まり、また、静電力の大きさは印加される電圧の2乗に比例する。したがって、容量検出回路における2つの容量素子に印加される静電力の大きさおよび向きが大きく変動すると、可動電極が大きく変動して容量型センサの信頼性が低下してしまう。たとえば、可動電極が固定電極に引っ付いて容量型センサが動作不能となってしまい、容量型センサの信頼性上大きな問題となる。半導体のマイクロマシニング技術を応用した容量型センサの容量検出回路においては、特に、固定電極に対して可動電極が微小間隔で配置されていることから2つの容量素子に対する静電力の変動が大きな問題となる。 Incidentally, the direction of the electrostatic force is determined by the direction of the electric field generated by the applied voltage, and the magnitude of the electrostatic force is proportional to the square of the applied voltage. Therefore, when the magnitude and direction of the electrostatic force applied to the two capacitance elements in the capacitance detection circuit vary greatly, the movable electrode varies greatly and the reliability of the capacitive sensor decreases. For example, the movable electrode is attracted to the fixed electrode and the capacitive sensor becomes inoperable, which is a serious problem in terms of reliability of the capacitive sensor. In the capacitance detection circuit of a capacitive sensor that applies semiconductor micromachining technology, the fluctuation of the electrostatic force between the two capacitive elements is a major problem, especially because the movable electrodes are arranged at a minute interval with respect to the fixed electrode. Become.
ここで、非特許文献1記載の容量検出回路では、DA変換回路の出力、すなわち容量素子C1,C2の接続点における電圧は、接地電圧から電源電圧の間を変動する。そして、容量素子C1,C2の他端の電圧は所定のタイミングで電源電圧と接地電圧とが切り替えられる。したがって、非特許文献1記載の容量検出回路では、容量素子C1,C2に印加される静電力の大きさおよび向きが大きく変動し、容量型センサの信頼性が低下するという問題点があった。
Here, in the capacitance detection circuit described in
それゆえに、本発明の目的は、容量素子に印加される静電力の変動に起因する信頼性低下を防ぐことが可能な容量検出回路を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a capacitance detection circuit capable of preventing a decrease in reliability due to a variation in electrostatic force applied to a capacitive element.
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる容量検出回路は、容量素子の容量差を検出する容量検出回路であって、一端が第1の電圧に接続されるか、第1の電圧より小さい第2の電圧に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替える第1のスイッチと、一端が第2の電圧に接続されるか、第2の電圧より小さい第3の電圧に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替える第2のスイッチと、一端が第1のスイッチの他端に接続される第1の容量素子と、一端が第2のスイッチの他端に接続され、他端が第1の容量素子の他端に接続される第2の容量素子と、一端が第2の電圧に接続され、他端が第1の容量素子および第2の容量素子の接続点に接続される第3のスイッチとを備える。 In order to solve the above problem, a capacitance detection circuit according to an aspect of the present invention is a capacitance detection circuit that detects a capacitance difference between capacitance elements, and one end of the capacitance detection circuit is connected to a first voltage, A first switch for switching between being connected to a second voltage lower than the voltage or being in a floating state; and one end connected to the second voltage or a third voltage lower than the second voltage A second switch for switching between connection and floating, a first capacitor element having one end connected to the other end of the first switch, and one end connected to the other end of the second switch A second capacitive element having the other end connected to the other end of the first capacitive element, a first end connected to the second voltage, and a second end connected to the first capacitive element and the second capacitive element. And a third switch connected to the point.
好ましくは、容量検出回路は、さらに、第1の入力端子および第2の入力端子を含み、第1の入力端子が第1の容量素子および第2の容量素子の接続点に接続され、第1の入力端子の電圧および第2の入力端子の電圧を比較して、比較結果を表わす電圧を出力する比較器を備える。 Preferably, the capacitance detection circuit further includes a first input terminal and a second input terminal, wherein the first input terminal is connected to a connection point of the first capacitance element and the second capacitance element, A comparator that compares the voltage at the input terminal and the voltage at the second input terminal and outputs a voltage representing the comparison result.
より好ましくは、容量検出回路は、さらに、複数ビットのデータを出力するレジスタ回路と、レジスタ回路から受けたデータの各ビットの論理レベルに応じた電圧を比較器の第2の入力端子へ出力するDA変換回路とを備え、レジスタ回路は、比較器の出力電圧に基づいてデータの各ビットの論理レベルを決定する。 More preferably, the capacitance detection circuit further outputs to the second input terminal of the comparator a register circuit that outputs a plurality of bits of data and a voltage corresponding to the logic level of each bit of the data received from the register circuit And a DA converter circuit, and the register circuit determines a logic level of each bit of data based on the output voltage of the comparator.
より好ましくは、比較器は、第2の入力端子に所定の電圧が接続され、容量検出回路は、さらに、一端が比較器の第1の入力端子に接続される第3の容量素子と、複数ビットのデータを出力するレジスタ回路と、レジスタ回路から受けたデータの各ビットの論理レベルに応じた電圧を第3の容量素子の他端へ出力するDA変換回路とを備え、レジスタ回路は、比較器の出力電圧に基づいてデータの各ビットの論理レベルを決定する。 More preferably, the comparator has a predetermined voltage connected to the second input terminal, and the capacitance detection circuit further includes a third capacitor element having one end connected to the first input terminal of the comparator, and a plurality of capacitors. A register circuit that outputs bit data, and a DA converter circuit that outputs a voltage corresponding to the logic level of each bit of data received from the register circuit to the other end of the third capacitor element. The logic level of each bit of data is determined based on the output voltage of the device.
本発明によれば、容量素子に印加される静電力の変動に起因する信頼性低下を防ぐことができる。 According to the present invention, it is possible to prevent a decrease in reliability due to a variation in electrostatic force applied to the capacitive element.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第1の実施の形態>
[構成および基本動作]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る容量検出回路の構成を示す機能ブロック図である。同図を参照して、容量検出回路は、スイッチS1〜スイッチS3(第1〜第3のスイッチ)と、差動容量型センサ部1と、比較器2と、逐次比較レジスタ回路3と、DA変換回路4と、制御回路10とを備える。
<First Embodiment>
[Configuration and basic operation]
FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the capacitance detection circuit according to the first embodiment of the present invention. Referring to the figure, the capacitance detection circuit includes switches S1 to S3 (first to third switches), differential
差動容量型センサ部1は、たとえば特許文献1記載の容量検出回路と同様にシリコン質量体および2つの固定電極で形成される、容量素子Ca(第1の容量素子)と、容量素子Cb(第2の容量素子)とを含む。
The differential
スイッチS1は、一端が第1の電圧Vddに接続されるか、第2の電圧Vdd/2に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替える。 The switch S1 switches whether one end is connected to the first voltage Vdd, the second voltage Vdd / 2, or a floating state.
スイッチS2は、一端が第2の電圧Vdd/2に接続されるか、第3の電圧(接地電圧)に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替える。 The switch S2 switches whether one end is connected to the second voltage Vdd / 2, the third voltage (ground voltage), or the floating state.
容量素子Caは、一端がスイッチS1の他端に接続される。容量素子Cbは、一端がスイッチS2の他端に接続され、他端が容量素子Caの他端に接続される。 One end of the capacitive element Ca is connected to the other end of the switch S1. One end of the capacitive element Cb is connected to the other end of the switch S2, and the other end is connected to the other end of the capacitive element Ca.
スイッチS3は、一端が第2の電圧Vdd/2に接続され、他端が容量素子Caおよび容量素子Cbの接続点に接続される。 The switch S3 has one end connected to the second voltage Vdd / 2 and the other end connected to a connection point between the capacitive element Ca and the capacitive element Cb.
以下、スイッチS3、容量素子Caおよび容量素子Cbの接続点をノードA2、スイッチS1の他端および容量素子Caの接続点をノードB2、スイッチS2の他端および容量素子Cbの接続点をノードC2と称する。また、容量素子Caの容量値をCaとし、容量素子Cbの容量値をCbとする。 Hereinafter, the connection point of the switch S3, the capacitive element Ca, and the capacitive element Cb is the node A2, the other end of the switch S1 and the capacitive element Ca is the node B2, and the other end of the switch S2 and the capacitive element Cb is the node C2. Called. The capacitance value of the capacitive element Ca is Ca, and the capacitance value of the capacitive element Cb is Cb.
比較器2は、反転入力端子が容量素子Caおよび容量素子Cbの接続点に接続され、非反転入力端子がDA変換回路4の出力に接続される。そして、比較器2は、反転入力端子の電圧および非反転入力端子の電圧を比較して、比較結果を表わす電圧を出力する。
The
逐次比較レジスタ回路3は、複数ビットのデータを出力するレジスタを含む。ここで、逐次比較レジスタ回路3は、比較器2の出力に基づいて、レジスタの各ビットの論理レベルを決定し、レジスタの各ビットを比較結果データとしてDA変換回路4へ出力する。
The successive
DA変換回路4は、逐次比較レジスタ回路3から受けた比較結果データの各ビットの論理レベルに応じた電圧を比較器2の非反転入力端子へ出力する。ここで、DA変換回路4の分解能、すなわち入力ビット数は、逐次比較レジスタ回路3の出力する比較結果データのビット数と同じである。また、逐次比較レジスタ回路14の出力のMSB(Most Significant Bit)からLSB(Least Significant Bit)までの各ビットがDA変換回路15の入力のMSBからLSBまでの各ビットにそれぞれ対応して接続されている。
The
ここで、スイッチS1〜S3は、たとえば、集積回路において、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスを用いた、N型MOSトランジスタまたはP型MOSトランジスタで構成されるスイッチ、または、N型トランジスタおよびP型トランジスタの双方で構成される相補型スイッチである。図1に示す容量検出回路は、差動容量型センサ部1を除き、集積回路として作製できる。差動容量型センサ部1と各スイッチとの接続については、以下の3つのケースが考えられる。
Here, the switches S1 to S3 are, for example, switches configured by N-type MOS transistors or P-type MOS transistors using CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) processes in an integrated circuit, or N-type transistors and P-type transistors. It is a complementary switch composed of both transistors. The capacitance detection circuit shown in FIG. 1 can be manufactured as an integrated circuit except for the differential
第1のケースは、1パッケージ型である。すなわち、半導体マイクロマシニング技術を用いて差動容量型センサをシリコン基板上に作製する。このシリコン基板上に作製した差動容量型センサのチップを切り出したものと、インターフェース回路をシリコン基板上に集積して作製した集積回路チップを切り出したものを、一つのパッケージに封止する。差動容量型センサチップとインターフェース集積回路チップとはワイヤボンディングにより接続する。 The first case is a one package type. That is, a differential capacitance type sensor is fabricated on a silicon substrate using semiconductor micromachining technology. The one obtained by cutting out the chip of the differential capacitance type sensor produced on this silicon substrate and the one obtained by cutting out the integrated circuit chip produced by integrating the interface circuit on the silicon substrate are sealed in one package. The differential capacitance type sensor chip and the interface integrated circuit chip are connected by wire bonding.
第2のケースは、モジュール型である。すなわち、半導体マイクロマシニング技術を用いて差動容量型センサをシリコン基板上に作製したものをパッケージに封止し、インターフェース集積回路チップは別のパッケージに封止する。これら二つのパッケージをモジュールとしてプリント基板上等で接続する。 The second case is a module type. That is, a differential capacitance type sensor fabricated on a silicon substrate using semiconductor micromachining technology is sealed in a package, and the interface integrated circuit chip is sealed in another package. These two packages are connected as a module on a printed circuit board or the like.
第3のケースは、1チップ型である。すなわち、半導体マイクロマシニング技術を用いてシリコン基板上に差動容量型センサとインターフェース集積回路とを同一チップ上に形成する同一集積プロセスにより、1チップとして作製したものをパッケージに封止する。以上のどのケースを用いてもよい。 The third case is a one-chip type. That is, a semiconductor chip manufactured as a single chip is sealed in a package by the same integration process in which a differential capacitance sensor and an interface integrated circuit are formed on the same chip on a silicon substrate using a semiconductor micromachining technique. Any of the above cases may be used.
また、容量素子Caおよび容量素子Cbの接続点であるノードA2と比較器2との間に、差動容量型センサ部1の出力電圧を一定期間保持するサンプリング動作を行なって、差動容量型センサ部1の出力電圧の変動による誤動作を防ぐためのサンプルホールド回路を配置する構成とすることができる。また、センサ出力を増幅するオペアンプ回路を配置する構成とすることができる。
Also, a sampling operation for holding the output voltage of the differential
[動作]
次に、本実施の形態に係る容量検出回路が2つの容量素子の容量差を検出する際の動作について説明する。
[Operation]
Next, an operation when the capacitance detection circuit according to the present embodiment detects a capacitance difference between two capacitance elements will be described.
図2は、本実施の形態に係る容量検出回路における各ノードの状態を示すタイムチャートである。また、図3は、本実施の形態に係る容量検出回路における各スイッチの状態を示すタイムチャートである。 FIG. 2 is a time chart showing the state of each node in the capacitance detection circuit according to the present embodiment. FIG. 3 is a time chart showing the state of each switch in the capacitance detection circuit according to the present embodiment.
まず、制御回路10は、初期状態としてスイッチS1〜スイッチS3をオフ状態とする、すなわち、ノードA2、ノードB2およびノードC2をフローティング状態とする(図2および図3の(a))。
First, as an initial state, the
次に、制御回路10は、スイッチS3をオン状態としてノードA2の電圧を第2の電圧Vdd/2とする(図2および図3の(b))。
Next, the
次に、制御回路10は、スイッチS1の一端を第1の電圧Vddに接続して、ノードB2の電圧を第1の電圧Vddとする。また、制御回路10は、スイッチS2の一端を第3の電圧(接地電圧)に接続して、ノードC2の電圧を第3の電圧(接地電圧)とする(図2および図3の(c))。
Next, the
次に、制御回路10は、スイッチS3をオフ状態としてノードA2をフローティング状態とする(図2および図3の(d))。
Next, the
ここで、ノードA2に蓄積された電荷、すなわち、容量素子Caおよび容量素子Cbに蓄積された電荷をQA2とすると、QA2は以下の式で表わされる。 Here, assuming that the charge accumulated in the node A2, that is, the charge accumulated in the capacitive element Ca and the capacitive element Cb is QA2, QA2 is expressed by the following equation.
QA2=Ca×(Vdd/2−Vdd)+Cb×(Vdd/2−0)
=(Cb−Ca)×Vdd/2・・・(A1)
次に、制御回路10は、スイッチS1およびスイッチS2をオフ状態にして、ノードB2およびノードC2をフローティング状態とする(図2および図3の(e))。これは、たとえば、スイッチS1の切り替えにより、第1の電圧Vddおよび第2の電圧Vdd/2が導通して回路が破壊されることを防ぐためである。したがって、各スイッチがこのような不具合を生じないような理想的な構成である場合には、図2および図3の(e)に示す状態は不要となる。
QA2 = Ca × (Vdd / 2−Vdd) + Cb × (Vdd / 2−0)
= (Cb-Ca) x Vdd / 2 (A1)
Next, the
そうすると、ノードA2に蓄積された電荷が容量素子Caおよび容量素子Cbへ再分配される。ここで、ノードA2の電圧をVA2とし、また、電荷保存則より、図2および図3の(d)の状態および図2および図3の(f)の状態におけるノードA2に蓄積された電荷は等しいことから、以下の式が成立する。 Then, the electric charge accumulated at node A2 is redistributed to capacitive element Ca and capacitive element Cb. Here, the voltage of the node A2 is VA2, and the charge stored in the node A2 in the states of FIG. 2 and FIG. 3D and the states of FIG. 2 and FIG. Since they are equal, the following equation holds.
(Cb−Ca)×Vdd/2=
Ca×(VA2−Vdd/2)+Cb×(VA2−Vdd/2)・・・(A2)
式(A2)から、VA2は以下の式で表わされる。
(Cb−Ca) × Vdd / 2 =
Ca × (VA2−Vdd / 2) + Cb × (VA2−Vdd / 2) (A2)
From the formula (A2), VA2 is expressed by the following formula.
VA2=2×Cb/(Ca+Cb)×Vdd/2
=Vdd/2+(Vdd/2)×(Cb−Ca)/(Ca+Cb)・・・(A3)
式(A3)から、図2および図3の(f)の状態、すなわちノードA2に蓄積された電荷を容量素子Caおよび容量素子Cbへ再分配した後のノードA2の電圧VA2は、容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差に比例した電圧に第2の電圧Vdd/2を加えた電圧であることが分かる。したがって、本実施の形態に係る容量検出回路では、2つの容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差を検出し、容量差を表わす電圧を出力することができる。
VA2 = 2 × Cb / (Ca + Cb) × Vdd / 2
= Vdd / 2 + (Vdd / 2) × (Cb−Ca) / (Ca + Cb) (A3)
From the equation (A3), the voltage VA2 at the node A2 after the state shown in FIG. 2 and FIG. 3F, that is, after the charge accumulated at the node A2 is redistributed to the capacitive element Ca and the capacitive element Cb, is obtained. It can be seen that the second voltage Vdd / 2 is added to the voltage proportional to the capacitance difference of the capacitor Cb. Therefore, the capacitance detection circuit according to the present embodiment can detect the capacitance difference between the two capacitance elements Ca and Cb and output a voltage representing the capacitance difference.
次に、本実施の形態に係る容量検出回路の差動容量型センサ部1を構成する容量素子Caおよび容量素子Cbに印加される静電力について説明する。
Next, the electrostatic force applied to the capacitive element Ca and the capacitive element Cb constituting the differential
まず、図2および図3の(c)の状態においては、ノードA2の電圧VA2はVdd/2であり、また、ノードB2の電圧はVddであるから、容量素子Caに印加されるノードA2を基準とした電圧、すなわちノードB2に印加されるノードA2を基準とした電圧をVCaとすると、VCaは以下の式で表わされる。 First, in the state of FIG. 2 and FIG. 3C, the voltage VA2 of the node A2 is Vdd / 2, and the voltage of the node B2 is Vdd, so that the node A2 applied to the capacitive element Ca is Assuming that the reference voltage, that is, the voltage based on the node A2 applied to the node B2, is VCa, VCa is expressed by the following equation.
VCa=−Vdd/2・・・(A4)
次に、図2および図3の(f)の状態においては、ノードA2の電圧VA2は式(A3)で表わされ、また、ノードB2の電圧はVdd/2であるから、容量素子Caに印加されるノードA2を基準とした電圧VCaは以下の式で表わされる。
VCa = −Vdd / 2 (A4)
Next, in the state of FIG. 2 and FIG. 3F, the voltage VA2 at the node A2 is expressed by the equation (A3), and the voltage at the node B2 is Vdd / 2. The voltage VCa based on the applied node A2 is expressed by the following equation.
VCa=Vdd/2+(Vdd/2)×(Cb−Ca)/(Ca+Cb)−Vdd/2=(Vdd/2)×(Cb−Ca)/(Ca+Cb)・・・(A5)
ここで、シリコン質量体が慣性力によって変位する前の容量素子Caおよび容量素子Cbの初期値をそれぞれCa0およびCb0とする。また、容量素子Caおよび容量素子Cbの容量値が等しい、すなわちCa0=Cb0と仮定する。
VCa = Vdd / 2 + (Vdd / 2) × (Cb−Ca) / (Ca + Cb) −Vdd / 2 = (Vdd / 2) × (Cb−Ca) / (Ca + Cb) (A5)
Here, initial values of the capacitive element Ca and the capacitive element Cb before the silicon mass body is displaced by the inertial force are Ca0 and Cb0, respectively. Further, it is assumed that the capacitance values of the capacitive element Ca and the capacitive element Cb are equal, that is, Ca0 = Cb0.
シリコン質量体が変位すると、容量素子Caおよび容量素子Cbの容量値はそれぞれCa0+ΔCおよびCb0−ΔCに変動する。Ca0=Cb0より、容量素子の変動値ΔCは、以下の式で表わされる。 When the silicon mass body is displaced, the capacitance values of the capacitive element Ca and the capacitive element Cb change to Ca0 + ΔC and Cb0−ΔC, respectively. From Ca0 = Cb0, the variation value ΔC of the capacitive element is expressed by the following equation.
ΔC=|(Cb0−ΔC)−(Ca0+ΔC)|/2
=|Cb−Ca|/2・・・(A6)
また、容量素子Caの初期値Ca0は以下の式で表わされる。
ΔC = | (Cb0−ΔC) − (Ca0 + ΔC) | / 2
= | Cb-Ca | / 2 (A6)
The initial value Ca0 of the capacitive element Ca is expressed by the following equation.
Ca0=(Cb0+Ca0)/2=|(Cb0−ΔC)+(Ca0+ΔC)|/2
=(Cb+Ca)/2・・・(A7)
式(A6)および式(A7)より、
|Cb−Ca|/(Ca+Cb)=(|Cb−Ca|/2)/(Ca+Cb)/2
=ΔC/Ca0・・・(A8)
となる。
Ca0 = (Cb0 + Ca0) / 2 = | (Cb0−ΔC) + (Ca0 + ΔC) | / 2
= (Cb + Ca) / 2 (A7)
From formula (A6) and formula (A7),
| Cb-Ca | / (Ca + Cb) = (| Cb-Ca | / 2) / (Ca + Cb) / 2
= ΔC / Ca0 (A8)
It becomes.
ここで、一般的な差動容量型センサでは、容量素子の変動値ΔCの最大値は容量素子の初期値Ca0の約10%程度であることから、式(A8)より、容量素子の変動値が最大となる場合において、
|Cb−Ca|/(Ca+Cb)=ΔC/Ca0≒0.1・・・(A9)
となる。
Here, in the general differential capacitance type sensor, the maximum value of the variation value ΔC of the capacitive element is about 10% of the initial value Ca0 of the capacitive element. Is the maximum,
| Cb−Ca | / (Ca + Cb) = ΔC / Ca0≈0.1 (A9)
It becomes.
したがって、容量素子Caに印加されるノードA2を基準とした電圧VCaは、容量素子の変動値が最大となる場合において、以下の式で表わされる。 Therefore, the voltage VCa with reference to the node A2 applied to the capacitive element Ca is expressed by the following expression when the variation value of the capacitive element is maximized.
VCa≒±0.1×(Vdd/2)・・・(A10)
式(A10)より、容量素子Caに印加される静電力を決定する電圧、すなわち容量素子Caに印加されるノードA2を基準とした電圧VCaは、図2および図3の(c)の状態では−Vdd/2となり、また、図2および図3の(f)の状態では、容量素子の変動値が最大となる場合であっても、Vdd/2に比べて非常に小さい±0.1×(Vdd/2)となる。
VCa≈ ± 0.1 × (Vdd / 2) (A10)
From equation (A10), the voltage that determines the electrostatic force applied to the capacitive element Ca, that is, the voltage VCa based on the node A2 applied to the capacitive element Ca is in the state of FIG. 2 and FIG. −Vdd / 2, and in the state of FIG. 2 and FIG. 3F, even when the variation value of the capacitive element is maximum, it is very small ± 0.1 × compared to Vdd / 2. (Vdd / 2).
一方、容量素子Cbについても同様に、図2および図3の(c)の状態においては、ノードA2の電圧VA2はVdd/2であり、また、ノードC2の電圧は0V(接地電圧)であるから、容量素子Cbに印加されるノードA2を基準とした電圧、すなわちノードC2に印加されるノードA2を基準とした電圧をVCbとすると、VCbは以下の式で表わされる。 Similarly, for capacitor Cb, in the state of FIG. 2 and FIG. 3C, voltage VA2 at node A2 is Vdd / 2, and voltage at node C2 is 0 V (ground voltage). Therefore, when a voltage based on the node A2 applied to the capacitor Cb, that is, a voltage based on the node A2 applied to the node C2, is VCb, VCb is expressed by the following expression.
VCb=Vdd/2・・・(A11)
次に、図2および図3の(f)の状態においては、ノードA2の電圧VA2は式(A3)で表わされ、また、ノードC2の電圧はVdd/2であるから、容量素子Cbに印加されるノードA2を基準とした電圧VCbは以下の式で表わされる。
VCb = Vdd / 2 (A11)
Next, in the state of FIG. 2 and FIG. 3F, the voltage VA2 at the node A2 is expressed by the equation (A3), and the voltage at the node C2 is Vdd / 2. The voltage VCb based on the applied node A2 is expressed by the following equation.
VCb=Vdd/2+(Vdd/2)×(Cb−Ca)/(Ca+Cb)−Vdd/2=(Vdd/2)×(Cb−Ca)/(Ca+Cb)・・・(A12)
したがって、容量素子Caと同様に、容量素子Cbに印加されるノードA2を基準とした電圧VCbは、容量素子の変動値が最大となる場合において、以下の式で表わされる。
VCb = Vdd / 2 + (Vdd / 2) × (Cb−Ca) / (Ca + Cb) −Vdd / 2 = (Vdd / 2) × (Cb−Ca) / (Ca + Cb) (A12)
Therefore, similarly to the capacitive element Ca, the voltage VCb based on the node A2 applied to the capacitive element Cb is expressed by the following expression when the variation value of the capacitive element is maximized.
VCb≒±0.1×(Vdd/2)・・・(A13)
式(A8)より、容量素子Cbに印加される静電力を決定する電圧、すなわち容量素子Cbに印加されるノードA2を基準とした電圧VCbは、図2および図3の(c)の状態ではVdd/2となり、また、図2および図3の(f)の状態では、容量素子の変動値が最大となる場合であっても、Vdd/2に比べて非常に小さい±0.1×(Vdd/2)となる。
VCb≈ ± 0.1 × (Vdd / 2) (A13)
From the equation (A8), the voltage that determines the electrostatic force applied to the capacitive element Cb, that is, the voltage VCb based on the node A2 applied to the capacitive element Cb is as shown in FIG. 2 and FIG. Vdd / 2, and in the state of FIG. 2 and FIG. 3 (f), even when the variation value of the capacitive element is maximum, it is very small ± 0.1 × ( Vdd / 2).
次に、本実施の形態に係る容量検出回路が2つの容量素子の容量差を表わすアナログ電圧をデジタル値で出力する際の動作について説明する。以下、DA変換回路4の出力および比較器2の非反転入力端子の接続点をノードAA2と称する。
Next, an operation when the capacitance detection circuit according to the present embodiment outputs an analog voltage representing a capacitance difference between two capacitance elements as a digital value will be described. Hereinafter, the connection point between the output of the
図4は、本実施の形態に係る容量検出回路が行なう逐次比較動作を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing the successive approximation operation performed by the capacitance detection circuit according to the present embodiment.
逐次比較レジスタ回路3は、各スイッチが制御回路10によって制御されて図2および図3の(f)の状態となった後、すなわち、2つの容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差を表わす電圧が得られた後、逐次比較動作を開始する(S1)。
The successive
まず、逐次比較レジスタ回路3は、DA変換回路4の分解能である入力ビット数n(nは2以上の自然数)を変数kに代入する(S2)。
First, the successive
次に、逐次比較レジスタ回路3は、逐次比較レジスタ回路3の含むレジスタのkビット目を1として、レジスタの各ビットを比較結果データとして出力する(S3)。なお、逐次比較レジスタ回路3は、逐次比較動作の開始時に逐次比較レジスタ回路3の含むレジスタの各ビットを0にクリアする。したがって、逐次比較動作の開始時に逐次比較レジスタ回路3が出力する比較結果データは、たとえばk=6の場合には、2進数で”100000”となる。
Next, the successive
DA変換回路4は、逐次比較レジスタ回路3から受けた比較結果データの各ビットの論理レベルに応じた電圧を比較器2の非反転入力端子へ出力する。
The
比較器2は、容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差を表わすノードA2の電圧VA2と、ノードAA2の電圧すなわちDA変換回路4から受けた電圧とを比較して、ノードA2の電圧VA2の方が大きいか、またはノードAA2の電圧およびノードA2の電圧VA2が等しい場合には出力電圧を第3の電圧(接地電圧)とし、ノードAA2の電圧の方が大きい場合には出力電圧を第1の電圧Vddとする。
逐次比較レジスタ回路3は、比較器2から比較結果を表わす電圧を受けて、ノードA2の電圧VA2の方が大きい場合には(S4でYES)、レジスタのkビット目を1とすることを決定する(S5)。
The successive
一方、逐次比較レジスタ回路3は、比較器2から比較結果を表わす電圧を受けて、ノードAA2の電圧の方が大きいか、またはノードAA2の電圧およびノードA2の電圧VA2が等しい場合には(S4でNO)、レジスタのkビット目を0とすることを決定する(S6)。
On the other hand, the successive
次に、逐次比較レジスタ回路3は、変数kから1を引いた値を新たなkとする(S7)。そして、逐次比較レジスタ回路3は、kが0である場合には(S8でYES)、逐次比較動作を終了する。逐次比較動作の終了時にデジタル出力端子t1に逐次比較レジスタ回路3から出力されている比較結果データが、2つの容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差を表わすデジタル値となる(S9)。
Next, the successive
一方、逐次比較レジスタ回路3は、kが0より大きい場合には(S8でNO)、レジスタのkビット目を1として、レジスタの各ビットを比較結果データとして出力し、新たなkの値について逐次比較動作を行なう(S3)。
On the other hand, when k is larger than 0 (NO in S8), the successive
ところで、非特許文献1記載の容量検出回路および特許文献1記載の容量検出回路では、容量素子C1,C2に印加される静電力の大きさおよび向きが大きく変動し、センサの信頼性が低下するという問題点があった。
By the way, in the capacitance detection circuit described in
しかしながら、本実施の形態に係る容量検出回路では、制御回路10がスイッチS1〜スイッチS3を制御することにより、容量素子Caに印加される静電力を決定する電圧VCaおよび容量素子Cbに印加される静電力を決定する電圧VCbを、図2および図3の(c)の状態では−Vdd/2およびVdd/2とし、また、図2および図3の(f)の状態ではVdd/2に比べて非常に小さい±0.1×(Vdd/2)とする。すなわち、容量素子Caに印加される静電力を決定する電圧VCaおよび容量素子Cbに印加される静電力を決定する電圧VCbの変動を、−Vdd/2〜±0.1×(Vdd/2)およびVdd/2〜±0.1×(Vdd/2)と小さくすることができる。したがって、本実施の形態に係る容量検出回路では、容量素子Caおよび容量素子Cbに印加される静電力の変動を大幅に抑制することができ、容量素子に印加される静電力の変動に起因する信頼性低下を防ぐことができる。
However, in the capacitance detection circuit according to the present embodiment, the
さらに、本実施の形態に係る容量検出回路は、比較器2、逐次比較レジスタ回路3、DA変換回路4を用いて前述のような逐次比較動作を行なう。そして、逐次比較動作の終了時にデジタル出力端子t1に逐次比較レジスタ回路3から出力されている比較結果データが、2つの容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差を表わすデジタル値となる。したがって、本実施の形態に係る容量検出回路では、2つの容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差を表わす電圧を所定の電圧と比較するために、特許文献1記載の容量検出回路にAD変換回路を付加した場合と異なり、消費電力を増大させるアナログ回路としては、オペアンプを用いる必要がなく、AD変換回路に含まれる比較器のみを用いることで実現され、消費電力の増大を防ぐことができる。また、本実施の形態に係る容量検出回路では、センサの出力、すなわち2つの容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差をデジタル値で得ることができる。
Furthermore, the capacitance detection circuit according to the present embodiment performs the successive approximation operation as described above using the
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第2の実施の形態>
まず、比較のために、特許文献1記載の容量検出回路および非特許文献1記載の容量検出回路を組み合わせた容量検出回路の一例について説明する。
<Second Embodiment>
First, for comparison, an example of a capacitance detection circuit in which the capacitance detection circuit described in
図5は、特許文献1記載の容量検出回路および非特許文献1記載の容量検出回路を組み合わせた容量検出回路の構成を示す機能ブロック図である。同図を参照して、この容量検出回路は、第1の実施の形態に係る容量検出回路に対して、さらに、スイッチS3と、容量素子Ccとを備える。また、この容量検出回路は、第1の実施の形態に係る容量検出回路に対して、スイッチS3を備えない構成である。
FIG. 5 is a functional block diagram showing a configuration of a capacitance detection circuit in which the capacitance detection circuit described in
スイッチS1は、一端が第1の電圧Vddに接続されるか、第3の電圧(接地電圧)に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替える。 The switch S1 switches whether one end is connected to the first voltage Vdd, the third voltage (ground voltage), or a floating state.
スイッチS2は、一端が第1の電圧Vddに接続されるか、第3の電圧(接地電圧)に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替える。 The switch S2 switches whether one end is connected to the first voltage Vdd, the third voltage (ground voltage), or the floating state.
容量素子Caは、一端がスイッチS1の他端に接続される。容量素子Cbは、一端がスイッチS2の他端に接続され、他端が容量素子Caの他端に接続される。 One end of the capacitive element Ca is connected to the other end of the switch S1. One end of the capacitive element Cb is connected to the other end of the switch S2, and the other end is connected to the other end of the capacitive element Ca.
比較器2は、反転入力端子が容量素子Caおよび容量素子Cbの接続点に接続され、非反転入力端子が第3の電圧(接地電圧)に接続される。
容量素子Ccは、一端が容量素子Caおよび容量素子Cbの接続点に接続され、他端がDA変換回路4の出力に接続される。
One end of the capacitive element Cc is connected to the connection point between the capacitive element Ca and the capacitive element Cb, and the other end is connected to the output of the
DA変換回路4は、逐次比較レジスタ回路3から受けた比較結果データの各ビットの論理レベルに応じた電圧を容量素子Ccの他端へ出力する。そして、DA変換回路4の出力電圧は容量素子Ccを介して比較器2の反転入力端子へ出力される。
The
以下、容量素子Caおよび容量素子Cbの接続点をノードA1、スイッチS1の他端および容量素子Caの接続点をノードB1、スイッチS2の他端および容量素子Cbの接続点をノードC1と称する。また、容量素子Ccの容量値をCcとする。また、DA変換回路4の出力電圧をVDACとする。
Hereinafter, a connection point between the capacitive element Ca and the capacitive element Cb is referred to as a node A1, a connection point between the other end of the switch S1 and the capacitive element Ca is referred to as a node B1, and a connection point between the other end of the switch S2 and the capacitive element Cb is referred to as a node C1. The capacitance value of the capacitive element Cc is Cc. The output voltage of the
次に、本実施の形態に係る容量検出回路が2つの容量素子の容量差を検出する際の動作について説明する。 Next, an operation when the capacitance detection circuit according to the present embodiment detects a capacitance difference between two capacitance elements will be described.
まず、制御回路10は、ノードA1の初期電圧を接地電圧とするためにスイッチS4をオン状態とする。そして、制御回路10は、スイッチS1の一端を第1の電圧Vddに接続して、ノードB1の電圧を第1の電圧Vddとする。また、制御回路10は、スイッチS2の一端を第3の電圧(接地電圧)に接続して、ノードC1の電圧を第3の電圧(接地電圧)とする。そして、制御回路10は、スイッチS4をオフ状態とする(以下、この状態を状態1と称する)。状態1において、ノードA1に蓄積された電荷、すなわち、容量素子Caおよび容量素子Cbに蓄積された電荷をQA1とすると、QA1は以下の式で表わされる。
First, the
QA1=Ca×(0−Vdd)+Cb×0=−Ca×Vdd・・・(B1)
次に、制御回路10は、スイッチS1の一端を第3の電圧(接地電圧)に接続して、ノードB1の電圧を第3の電圧(接地電圧)とする。また、制御回路10は、スイッチS2の一端を第1の電圧Vddに接続して、ノードC1の電圧を第1の電圧Vddとする(以下、この状態を状態2と称する)。状態2に遷移すると、逐次比較レジスタ回路3は前述の逐次比較動作を開始する。ノードA1の電圧をVA1とすると、状態2において、QA1は以下の式で表わされる。
QA1 = Ca × (0−Vdd) + Cb × 0 = −Ca × Vdd (B1)
Next, the
QA1
=Ca×(VA1−0)+Cb×(VA1−Vdd)+Cc×(VA1−VDAC)
=(Ca+Cb+Cc)×VA1−Cb×Vdd−Cc×VDAC・・・(B2)
電荷保存則より、状態1および状態2におけるノードA1に蓄積された電荷は等しいことから、以下の式が成立する。
QA1
= Ca * (VA1-0) + Cb * (VA1-Vdd) + Cc * (VA1-VDAC)
= (Ca + Cb + Cc) * VA1-Cb * Vdd-Cc * VDAC (B2)
According to the law of conservation of charge, since the charges accumulated in the node A1 in the
−Ca×Vdd
=(Ca+Cb+Cc)×VA1−Cb×Vdd−Cc×VDAC・・・(B3)
よって、VA1は以下の式で表わされる。
-Ca x Vdd
= (Ca + Cb + Cc) * VA1-Cb * Vdd-Cc * VDAC (B3)
Therefore, VA1 is expressed by the following equation.
VA1
=((Cb−Ca)×Vdd+Cc×VDAC)/(Ca+Cb+Cc)・・・(B4)
したがって、容量素子Caに印加されるノードA1を基準とした電圧、すなわちノードB1に印加されるノードA1を基準とした電圧をVCaとすると、状態1におけるVCaは以下の式で表わされる。
VA1
= ((Cb−Ca) × Vdd + Cc × VDAC) / (Ca + Cb + Cc) (B4)
Therefore, if a voltage based on the node A1 applied to the capacitive element Ca, that is, a voltage based on the node A1 applied to the node B1, is VCa, the VCa in the
VCa=−Vdd・・・(B5)
また、状態2におけるVCaは以下の式で表わされる。
VCa = −Vdd (B5)
Further, VCa in
VCa=VA1−0
=((Cb−Ca)×Vdd+Cc×VDAC)/(Ca+Cb+Cc)・・・(B6)
式(B6)から、DA変換回路4の出力電圧VDACに応じてVCaが変化することがわかる。また、逐次比較動作が終了すると、比較器2の反転入力端子、すなわちノードA1の電圧VA1が接地電圧となる。したがって、逐次比較動作の終了時のVCaは以下の式で表わされる。
VCa = VA1-0
= ((Cb−Ca) × Vdd + Cc × VDAC) / (Ca + Cb + Cc) (B6)
From the equation (B6), it can be seen that VCa changes according to the output voltage VDAC of the
VCa=0−0=0・・・(B7)
したがって、電圧VCaは、−Vddから0Vより大きい電圧値まで変動することがわかる。
VCa = 0-0 = 0 (B7)
Therefore, it can be seen that the voltage VCa varies from −Vdd to a voltage value greater than 0V.
容量素子Cbに印加されるノードA1を基準とした電圧、すなわちノードC1に印加されるノードA1を基準とした電圧をVCbとすると、状態1におけるVCbは以下の式で表わされる。
When a voltage based on the node A1 applied to the capacitive element Cb, that is, a voltage based on the node A1 applied to the node C1, is VCb, VCb in the
VCb=0・・・(B8)
また、状態2におけるVCbは以下の式で表わされる。
VCb = 0 (B8)
Further, VCb in the
VCb=VA1−Vdd
=((Cb−Ca)×Vdd+Cc×VDAC)/(Ca+Cb+Cc)−Vdd・・・(B9)
また、逐次比較動作の終了時のVCbは以下の式で表わされる。
VCb = VA1-Vdd
= ((Cb-Ca) * Vdd + Cc * VDAC) / (Ca + Cb + Cc) -Vdd (B9)
Also, VCb at the end of the successive approximation operation is expressed by the following equation.
VCb=−Vdd・・・(B10)
したがって、電圧VCbは、−Vddから0Vまで変動することがわかる。
VCb = −Vdd (B10)
Therefore, it can be seen that voltage VCb varies from −Vdd to 0V.
[構成および基本動作]
次に、本発明の第2の実施の形態に係る容量検出回路について説明する。図6は、本発明の第2の実施の形態に係る容量検出回路の構成を示す機能ブロック図である。同図を参照して、容量検出回路は、第1の実施の形態に係る容量検出回路に対して、さらに、容量素子Ccを備える。
[Configuration and basic operation]
Next, a capacitance detection circuit according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a functional block diagram showing the configuration of the capacitance detection circuit according to the second embodiment of the present invention. With reference to the figure, the capacitance detection circuit further includes a capacitance element Cc with respect to the capacitance detection circuit according to the first embodiment.
比較器2は、反転入力端子が容量素子Caおよび容量素子Cbの接続点に接続され、非反転入力端子が第2の電圧Vdd/2に接続される。
容量素子Ccは、一端が容量素子Caおよび容量素子Cbの接続点に接続され、他端がDA変換回路4の出力に接続される。
One end of the capacitive element Cc is connected to the connection point between the capacitive element Ca and the capacitive element Cb, and the other end is connected to the output of the
DA変換回路4は、逐次比較レジスタ回路3から受けた比較結果データの各ビットの論理レベルに応じた電圧を容量素子Ccの他端へ出力する。そして、DA変換回路4の出力電圧は容量素子Ccを介して比較器2の反転入力端子へ出力される。
The
次に、本実施の形態に係る容量検出回路が2つの容量素子の容量差を検出する際の動作について説明する。 Next, an operation when the capacitance detection circuit according to the present embodiment detects a capacitance difference between two capacitance elements will be described.
まず、本実施の形態に係る容量検出回路における各ノードおよび各スイッチの状態は、第1の実施の形態に係る容量検出回路と同様に、図2および図3で示される。すなわち、本実施の形態に係る容量検出回路における制御回路10が行なうスイッチS1〜スイッチS3の制御は、第1の実施の形態に係る容量検出回路と同様である。
First, the state of each node and each switch in the capacitance detection circuit according to the present embodiment is shown in FIG. 2 and FIG. 3 as in the capacitance detection circuit according to the first embodiment. That is, the control of the switches S1 to S3 performed by the
次に、本実施の形態に係る容量検出回路の差動容量型センサ部1を構成する容量素子Caおよび容量素子Cbに印加される静電力について説明する。以下、スイッチS3、容量素子Ca、容量素子Cbの接続点をノードA3、スイッチS1の他端および容量素子Caの接続点をノードB3、スイッチS2の他端および容量素子Cbの接続点をノードC3と称する。また、容量素子Caの容量値をCaとし、容量素子Cbの容量値をCbとし、容量素子Ccの容量値をCcとする。また、DA変換回路4の出力電圧をVDACとする。
Next, the electrostatic force applied to the capacitive element Ca and the capacitive element Cb constituting the differential
まず、図2および図3の(c)の状態においては、ノードA3の電圧VA2はVdd/2であり、また、ノードB3の電圧はVddであるから、容量素子Caに印加されるノードA3を基準とした電圧、すなわちノードB3に印加されるノードA3を基準とした電圧をVCaとすると、VCaは以下の式で表わされる。 First, in the state of FIG. 2 and FIG. 3C, the voltage VA2 of the node A3 is Vdd / 2, and the voltage of the node B3 is Vdd, so that the node A3 applied to the capacitive element Ca is Assuming that the reference voltage, that is, the voltage based on the node A3 applied to the node B3, is VCa, VCa is expressed by the following equation.
VCa=−Vdd/2・・・(C1)
式(B5)および式(C1)から、本実施の形態に係る容量検出回路におけるVCaの方が図5に示す容量検出回路のVCaよりも小さくなっている。
VCa = −Vdd / 2 (C1)
From the equations (B5) and (C1), the VCa in the capacitance detection circuit according to the present embodiment is smaller than the VCa of the capacitance detection circuit shown in FIG.
ここで、ノードA3に蓄積された電荷、すなわち、容量素子Caおよび容量素子Cbに蓄積された電荷をQA3とすると、QA3は以下の式で表わされる。 Here, assuming that the charge accumulated in the node A3, that is, the charge accumulated in the capacitive element Ca and the capacitive element Cb is QA3, QA3 is expressed by the following equation.
QA3=Ca×(Vdd/2−Vdd)+Cb×(Vdd/2−0)=(Cb−Ca)×Vdd/2・・・(C2)
次に、図2および図3の(f)の状態においては、QA3は以下の式で表わされる。
QA3 = Ca × (Vdd / 2−Vdd) + Cb × (Vdd / 2−0) = (Cb−Ca) × Vdd / 2 (C2)
Next, in the state of FIG. 2 and FIG. 3F, QA3 is expressed by the following equation.
QA3=Ca×(VA3−Vdd/2)+Cb×(VA3−Vdd/2)+Cc×(VA3−VDAC)
=(Ca+Cb+Cc)×VA3−(Ca+Cb)×Vdd/2−Cc×VDAC・・・(C3)
電荷保存則より、図2および図3の(d)の状態および図2および図3の(f)の状態におけるノードA3に蓄積された電荷は等しいことから、以下の式が成立する。
(Cb−Ca)×Vdd/2=(Ca+Cb+Cc)×VA3−(Ca+Cb)×Vdd/2−Cc×VDAC・・・(C4)
式(C4)から、VA3は以下の式で表わされる。
QA3 = Ca * (VA3-Vdd / 2) + Cb * (VA3-Vdd / 2) + Cc * (VA3-VDAC)
= (Ca + Cb + Cc) * VA3- (Ca + Cb) * Vdd / 2-Cc * VDAC (C3)
According to the law of conservation of charge, since the charges accumulated in the node A3 in the state of FIGS. 2 and 3D and the state of FIG. 2 and FIG. 3F are equal, the following equation is established.
(Cb−Ca) × Vdd / 2 = (Ca + Cb + Cc) × VA3− (Ca + Cb) × Vdd / 2−Cc × VDAC (C4)
From the formula (C4), VA3 is represented by the following formula.
VA3=(Cb×Vdd+Cc×VDAC)/(Ca+Cb+Cc)・・・(C5)
容量素子Caの他端ノードB3の電圧はVdd/2であるから、容量素子Caに印加されるノードA2を基準とした電圧VCaは、以下の式で表わされる。
VA3 = (Cb × Vdd + Cc × VDAC) / (Ca + Cb + Cc) (C5)
Since the voltage at the other end node B3 of the capacitive element Ca is Vdd / 2, the voltage VCa based on the node A2 applied to the capacitive element Ca is expressed by the following equation.
VCa=((Cb×Vdd+Cc×VDAC)/(Ca+Cb+Cc)−Vdd/2・・・(C6)
簡単化のためにCc<<Ca+Cbのケースを考えると、式(C6)は以下のように表わせる。
VCa = ((Cb × Vdd + Cc × VDAC) / (Ca + Cb + Cc) −Vdd / 2 (C6)
Considering the case of Cc << Ca + Cb for simplification, the equation (C6) can be expressed as follows.
VCa=((Cb×Vdd+Cc×VDAC)/(Ca+Cb)−Vdd/2
=(Vdd/2)×(Cb−Ca)/(Ca+Cb)+Cc×VDAC/(Ca+Cb)・・・(C7)
ここで、図5に示す容量検出回路の状態2におけるVCaを表わす式(B6)を、同様にCc<<Ca+Cbのケースで考えると、式(B6)は以下のように表わせる。
VCa = ((Cb × Vdd + Cc × VDAC) / (Ca + Cb) −Vdd / 2
= (Vdd / 2) × (Cb−Ca) / (Ca + Cb) + Cc × VDAC / (Ca + Cb) (C7)
Here, considering the expression (B6) representing VCa in the
((Cb−Ca)×Vdd+Cc×VDAC)/(Ca+Cb+Cc)
=Vdd×(Cb−Ca)/(Ca+Cb)+Cc×VDAC/(Ca+Cb)・・・(C8)
式(C7)および式(C8)から、式(C8)の第一項のVddが、式(C7)ではVdd/2と小さくなっている。
((Cb−Ca) × Vdd + Cc × VDAC) / (Ca + Cb + Cc)
= Vdd × (Cb−Ca) / (Ca + Cb) + Cc × VDAC / (Ca + Cb) (C8)
From the formula (C7) and the formula (C8), the Vdd of the first term of the formula (C8) is as small as Vdd / 2 in the formula (C7).
次に、逐次比較動作が終了すると、比較器2の反転入力端子、すなわちノードA3の電圧VA3が第2の電圧Vdd/2となる。したがって、逐次比較動作の終了時のVCaは以下の式で表わされる。
Next, when the successive approximation operation ends, the inverting input terminal of the
VCa=Vdd/2−Vdd/2=0・・・(C9)
これは、図5に示す容量検出回路と同様である。また、容量素子Cbに印加されるノードA3を基準とした電圧、すなわちノードC3に印加されるノードA3を基準とした電圧についても、VCaと同様の最大値および変動幅となる。
VCa = Vdd / 2−Vdd / 2 = 0 (C9)
This is the same as the capacitance detection circuit shown in FIG. Also, the voltage with reference to the node A3 applied to the capacitive element Cb, that is, the voltage with reference to the node A3 applied to the node C3 has the same maximum value and fluctuation range as the VCa.
したがって、本実施の形態に係る容量検出回路では、特許文献1記載の容量検出回路および非特許文献1記載の容量検出回路を組み合わせた図5に示す容量検出回路と比べて、VCaの最大値および変動幅、すなわち、容量素子Caおよび容量素子Cbに印加される静電力の変動を大幅に抑制することができ、容量素子に印加される静電力の変動に起因する信頼性低下を防ぐことができる。
Therefore, in the capacitance detection circuit according to the present embodiment, the maximum value of VCa and the capacitance detection circuit shown in FIG. 5 in which the capacitance detection circuit described in
また、本実施の形態に係る容量検出回路は、第1の実施の形態に係る容量検出回路と同様に、比較器2、逐次比較レジスタ回路3、DA変換回路4を用いて前述のような逐次比較動作を行なう。そして、逐次比較動作の終了時にデジタル出力端子t1に逐次比較レジスタ回路3から出力されている比較結果データが、2つの容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差を表わすデジタル値となる。したがって、本実施の形態に係る容量検出回路では、第1の実施の形態に係る容量検出回路と同様に、2つの容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差を表わす電圧を所定の電圧と比較するために、消費電力を増大させるアナログ回路としては、オペアンプを用いる必要がなく、AD変換回路に含まれる比較器のみを用いることで実現され、消費電力の増大を防ぐことができる。また、本実施の形態に係る容量検出回路では、センサの出力、すなわち2つの容量素子Caおよび容量素子Cbの容量差をデジタル値で得ることができる。
In addition, the capacitance detection circuit according to the present embodiment uses the
[変形例]
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、たとえば以下の変形例も含まれる。
[Modification]
The present invention is not limited to the above embodiment, and includes, for example, the following modifications.
(1) 第2の電圧および第3の電圧
本発明の実施の形態に係る容量検出回路では、第2の電圧は第1の電圧Vddの1/2の電圧であり、また、第3の電圧は接地電圧である構成としたが、これに限定するものではない。
(1) Second voltage and third voltage In the capacitance detection circuit according to the embodiment of the present invention, the second voltage is ½ of the first voltage Vdd, and the third voltage However, the present invention is not limited to this.
第1の電圧Vddを電源電圧とし、第3の電圧を接地電圧とし、第2の電圧を電源電圧の半分とする構成は、簡単な回路で実現でき、また、容量検出回路の容量差の検出範囲を大きくすることができることから好ましいが、第2の電圧が第1の電圧より小さく、かつ、第3の電圧が第2の電圧より小さい構成であれば、容量素子に印加される静電力の変動に起因する信頼性低下を防ぐという本発明の目的を達成することが可能である。 The configuration in which the first voltage Vdd is the power supply voltage, the third voltage is the ground voltage, and the second voltage is half the power supply voltage can be realized with a simple circuit, and the capacitance difference of the capacitance detection circuit can be detected. Although it is preferable because the range can be increased, if the second voltage is smaller than the first voltage and the third voltage is smaller than the second voltage, the electrostatic force applied to the capacitor element It is possible to achieve the object of the present invention to prevent a decrease in reliability due to fluctuations.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
S1〜S4 スイッチ、1 差動容量型センサ部、2 比較器、3 逐次比較レジスタ回路、4 DA変換回路、10 制御回路、C1,C2,Ca,Cb,Cc 容量素子。 S1 to S4 switch, 1 differential capacitance type sensor unit, 2 comparator, 3 successive approximation register circuit, 4 DA conversion circuit, 10 control circuit, C1, C2, Ca, Cb, Cc capacitive element.
Claims (4)
一端が第1の電圧に接続されるか、前記第1の電圧より小さい第2の電圧に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替える第1のスイッチと、
一端が前記第2の電圧に接続されるか、前記第2の電圧より小さい第3の電圧に接続されるか、またはフローティング状態となるかを切り替える第2のスイッチと、
一端が前記第1のスイッチの他端に接続される第1の容量素子と、
一端が前記第2のスイッチの他端に接続され、他端が前記第1の容量素子の他端に接続される第2の容量素子と、
一端が前記第2の電圧に接続され、他端が前記第1の容量素子および前記第2の容量素子の接続点に接続される第3のスイッチとを備える容量検出回路。 A capacitance detection circuit that detects a capacitance difference between capacitive elements,
A first switch that switches between one end connected to a first voltage, a second voltage lower than the first voltage, or a floating state;
A second switch that switches between one end connected to the second voltage, a third voltage lower than the second voltage, or a floating state;
A first capacitive element having one end connected to the other end of the first switch;
A second capacitive element having one end connected to the other end of the second switch and the other end connected to the other end of the first capacitive element;
A capacitance detection circuit comprising: a third switch having one end connected to the second voltage and the other end connected to a connection point of the first capacitor and the second capacitor.
第1の入力端子および第2の入力端子を含み、前記第1の入力端子が前記第1の容量素子および前記第2の容量素子の接続点に接続され、前記第1の入力端子の電圧および前記第2の入力端子の電圧を比較して、比較結果を表わす電圧を出力する比較器を備える請求項1記載の容量検出回路。 The capacitance detection circuit further includes:
A first input terminal and a second input terminal, wherein the first input terminal is connected to a connection point of the first capacitive element and the second capacitive element, and the voltage of the first input terminal and The capacitance detection circuit according to claim 1, further comprising a comparator that compares the voltage of the second input terminal and outputs a voltage representing a comparison result.
複数ビットのデータを出力するレジスタ回路と、
前記レジスタ回路から受けた前記データの各ビットの論理レベルに応じた電圧を前記比較器の前記第2の入力端子へ出力するDA変換回路とを備え、
前記レジスタ回路は、前記比較器の出力電圧に基づいて前記データの各ビットの論理レベルを決定する請求項2記載の容量検出回路。 The capacitance detection circuit further includes:
A register circuit for outputting multi-bit data;
A DA conversion circuit that outputs a voltage corresponding to the logic level of each bit of the data received from the register circuit to the second input terminal of the comparator;
The capacitance detection circuit according to claim 2, wherein the register circuit determines a logic level of each bit of the data based on an output voltage of the comparator.
前記容量検出回路は、さらに、
一端が前記比較器の前記第1の入力端子に接続される第3の容量素子と、
複数ビットのデータを出力するレジスタ回路と、
前記レジスタ回路から受けた前記データの各ビットの論理レベルに応じた電圧を前記第3の容量素子の他端へ出力するDA変換回路とを備え、
前記レジスタ回路は、前記比較器の出力電圧に基づいて前記データの各ビットの論理レベルを決定する請求項2記載の容量検出回路。 The comparator has a predetermined voltage connected to the second input terminal,
The capacitance detection circuit further includes:
A third capacitive element having one end connected to the first input terminal of the comparator;
A register circuit for outputting multi-bit data;
A DA conversion circuit that outputs a voltage according to a logic level of each bit of the data received from the register circuit to the other end of the third capacitive element;
The capacitance detection circuit according to claim 2, wherein the register circuit determines a logic level of each bit of the data based on an output voltage of the comparator.
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010539514A (en) * | 2007-09-19 | 2010-12-16 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | Method and system for removing low frequency errors in MEMS systems |
Citations (4)
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| JPH01502449A (en) * | 1986-04-23 | 1989-08-24 | ローズマウント インコ | measurement circuit |
| JPH04138381A (en) * | 1990-09-28 | 1992-05-12 | Kenzo Watanabe | Capacitance measuring circuit |
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2005
- 2005-05-25 JP JP2005152801A patent/JP2006329778A/en active Pending
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