(57)【要約】【課題】増幅装置にバンドパスフィルタを持たせる。【解決手段】ローパスフィルタ回路１１は、センサ信号(SIN)が供給される第１の入力端子と、第２の入力端子と、出力信号(SOUTP)を出力するための出力端子とを有する。ローパスフィルタ回路(12)は、ローパスフィルタ回路(11)の第２の入力端子に接続された入力端子と、出力端子とを有する。ローパスフィルタ回路(13)は、ローパスフィルタ回路(12)の出力端子に接続された入力端子と、出力信号(SOUTN)を出力するための出力端子とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサからのセンサ信号を増幅させる増幅装置であって、
前記センサ信号が供給される第１の入力端子と、第２の入力端子と、第１の出力信号を出力するための出力端子とを有する第１のローパスフィルタ回路と、
前記第１のローパスフィルタ回路の第２の入力端子に接続された入力端子と、出力端子とを有する第２のローパスフィルタ回路と、
前記第２のローパスフィルタ回路の出力端子に接続された入力端子と、第２の出力信号を出力するための出力端子とを有する第３のローパスフィルタ回路とを備える
ことを特徴とする増幅装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１のローパスフィルタ回路は、能動フィルタであり、
前記第２のローパスフィルタ回路は、受動フィルタであり、
前記第３のローパスフィルタ回路は、能動フィルタである
ことを特徴とする増幅装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１のローパスフィルタ回路は、自己の第１および第２の入力端子のそれぞれに供給された信号の電圧差に応じた差電圧信号のうち第１の遮断周波数よりも低い周波数成分を前記第１の出力信号として自己の出力端子を介して増幅出力し、
前記第２のローパスフィルタ回路は、自己の入力端子に供給された信号のうち第２の遮断周波数よりも低い周波数成分を自己の出力端子を介して出力し、
前記第３のローパスフィルタ回路は、自己の入力端子に供給された信号のうち第３の遮断周波数よりも低い周波数成分を前記第２の出力信号として自己の出力端子を介して増幅出力する
ことを特徴とする増幅装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１のローパスフィルタ回路は、
前記センサ信号が供給される非反転入力端子と、反転入力端子と、前記第１の出力信号を出力するための出力端子とを有する第１の演算増幅器と、
前記第１の演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に並列に接続された第１の抵抗および第１の容量と、
前記第１の演算増幅器の反転入力端子と基準ノードとの間に接続された第２の抵抗とを含み、
前記第２のローパスフィルタ回路は、
前記第１の演算増幅器の反転入力端子と出力ノードとの間に接続された第３の抵抗と、
前記出力ノードと前記基準ノードとの間に接続された第２の容量とを含み、
前記第３のローパスフィルタ回路は、
前記出力ノードに接続された非反転入力端子と、反転入力端子と、前記第２の出力信号を出力するための出力端子とを有する第２の演算増幅器と、
前記第２の演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間に並列に接続された第４の抵抗および第３の容量と、
前記第２の演算増幅器の反転入力端子と前記基準ノードとの間に接続された第５の抵抗とを含む
ことを特徴とする増幅装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記第１のローパスフィルタ回路は、
前記センサ信号が供給される非反転入力端子を有する第１の非反転増幅器と、
前記第１の非反転増幅器の出力信号のうち前記第１の遮断周波数よりも低い周波数成分を前記第１の出力信号として出力する第１のローパスフィルタ部とを含み、
前記第２のローパスフィルタ回路は、
前記第１の非反転増幅器の反転入力端子と出力ノードとの間に接続された抵抗と、
前記出力ノードと基準ノードとの間に接続された容量とを含み、
前記第３のローパスフィルタ回路は、
前記出力ノードに接続された非反転入力端子を有する第２の非反転増幅器と、
前記第２の非反転増幅器の出力信号のうち前記第３の遮断周波数よりも低い周波数成分を前記第２の出力信号として出力する第２のローパスフィルタ部とを含む
ことを特徴とする増幅装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項において、
前記第１および第２の出力信号の差電圧に応じた第３の出力信号を出力する差動増幅回路をさらに備える
ことを特徴とする増幅装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の増幅装置と、
前記第１および第２の出力信号を前記第１および第２の出力信号の差電圧に応じたデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器とを備える
ことを特徴とするセンサモジュール。
【請求項８】
請求項６に記載の増幅装置と、
前記第３の出力信号をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換器とを備える
ことを特徴とするセンサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、センサからのセンサ信号を増幅させる増幅装置およびそれを備えるセンサモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ポータブル機器には、容量センサ素子（マイクロフォンとして利用されるセンサ素子）や、角速度センサ素子（デジタルカメラの手振れ補正のためのセンサ素子）などが用いられている。このようなセンサ素子は、センサ素子の出力を増幅する増幅装置とともにセンサモジュールとして利用される。このセンサモジュールの性能を向上させるためには、増幅装置の低ノイズ化が重要であり、特に、センサモジュールをポータブル機器に搭載する場合は、増幅装置の低消費電力化や小型化がさらに要求される。なお、センサモジュールの出力信号は、アナログ・デジタル変換器によってデジタル信号に変換して使用される。
【０００３】
特許文献１には、マイクロフォンからのセンサ信号を差動出力信号に変換する増幅装置が開示されている。この増幅装置は、センサ信号が供給される非反転入力端子を有する第１の演算増幅器と、第１の抵抗を介して第１の演算増幅器の出力信号が供給される反転入力端子を有する第２の演算増幅器とを備えている。第１の演算増幅器の出力端子は第１の演算増幅器の反転入力端子に接続され、第２の演算増幅器の非反転入力端子は接地ノードに接続され、第２の演算増幅器の出力端子は第２の抵抗を介して第２の演算増幅器の非反転入力端子に接続される。すなわち、第１の演算増幅器は、ボルテージフォローワ回路を構成しており、第２の演算増幅器は、反転増幅器を構成している。アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）は、第１および第２の演算増幅器の出力（差動信号）をデジタル信号に変換する。
【特許文献１】米国特許第６，５８３，６５８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、差動信号の周波数がアナログ・デジタル変換器のサンプリング周波数よりも高い場合、デジタル信号の低周波数成分に高周波数成分が折り返してしまうので、アナログ・デジタル変換器の分解能を高めるためには、アナログ・デジタル変換器の前段において高周波数成分を減衰させる必要がある。また、アナログ・デジタル変換器（特に、ΔΣ型）にＤＣオフセットが入力されるとダイナミックレンジが実質的に低下してしまう。さらに、マイクロフォンのように、低周波信号に対する感度が高いセンサ素子も存在するので、アナログ・デジタル変換器の前段において低周波数成分を減衰させる必要もある。そのため、信号帯域を制限するために、アナログ・デジタル変換器の前段にバンドパスフィルタを挿入する必要があった。しかしながら、バンドパスフィルタは、通常、演算増幅器など多くの部品を用いて構成されているため、バンドパスフィルタを搭載することにより熱雑音，消費電力，実装面積の増加を招いてしまう。そのため、センサモジュールにおいて、ノイズ，消費電力，および回路面積を低減することが困難であった。
【０００５】
そこで、この発明は、バンドパスフィルタを搭載しなくても良い増幅装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の１つの局面に従うと、増幅装置は、センサからのセンサ信号を増幅させる増幅装置であって、上記センサ信号が供給される第１の入力端子と、第２の入力端子と、第１の出力信号を出力するための出力端子とを有する第１のローパスフィルタ回路と、上記第１のローパスフィルタ回路の第２の入力端子に接続された入力端子と、出力端子とを有する第２のローパスフィルタ回路と、上記第２のローパスフィルタ回路の出力端子に接続された入力端子と、第２の出力信号を出力するための出力端子とを有する第３のローパスフィルタ回路とを備える。このように構成することにより、増幅装置にバンドパスフィルタ特性を持たせることができるので、バンドパスフィルタを設けなくても良くなる。これにより、ノイズ，消費電力，および回路面積を低減できる。
【０００７】
なお、上記第１のローパスフィルタ回路は、能動フィルタであり、上記第２のローパスフィルタ回路は、受動フィルタであり、上記第３のローパスフィルタ回路は、能動フィルタであっても良い。
【０００８】
さらに、上記第１のローパスフィルタ回路は、自己の第１および第２の入力端子のそれぞれに供給された信号の電圧差に応じた差電圧信号のうち第１の遮断周波数よりも低い周波数成分を上記第１の出力信号として自己の出力端子を介して増幅出力し、上記第２のローパスフィルタ回路は、自己の入力端子に供給された信号のうち第２の遮断周波数よりも低い周波数成分を自己の出力端子を介して出力し、上記第３のローパスフィルタ回路は、自己の入力端子に供給された信号のうち第３の遮断周波数よりも低い周波数成分を上記第２の出力信号として自己の出力端子を介して増幅出力しても良い。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、増幅装置にバンドパスフィルタ特性を持たせることにより、ノイズ，消費電力，および回路面積を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付しその説明は繰り返さない。
【００１１】
（実施形態１）
図１は、この発明の実施形態１による増幅装置を示す。この増幅装置は、センサ１０からのセンサ信号ＳＩＮを増幅してアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１４に供給するものであり、ローパスフィルタ回路１１，１２，１３を備える。なお、ローパスフィルタ回路１１，１２，１３およびアナログ・デジタル変換器１４は、センサモジュールの一部である。
【００１２】
ローパスフィルタ回路１１（第１のローパスフィルタ回路）は、センサ信号ＳＩＮが供給される非反転入力端子を有する演算増幅器１０１と、演算増幅器１０１の出力端子と反転入力端子との間に接続された抵抗１０２と、演算増幅器１０１の反転入力端子と基準ノード（ここでは、接地ノード）との間に接続された抵抗１０３と、演算増幅器１０１の出力端子と反転入力端子との間に接続された容量１０４とを含む。すなわち、ローパスフィルタ回路１１は、能動フィルタであり、演算増幅器１０１の非反転入力端子および反転入力端子のそれぞれに供給された信号の電圧差に応じた差電圧信号のうち所定の遮断周波数（抵抗１０２および容量１０４によって決定される遮断周波数）よりも低い周波数成分を出力信号ＳＯＵＴＰとして演算増幅器１０１の出力端子を介して増幅出力する。
【００１３】
ローパスフィルタ回路１２（第２のローパスフィルタ回路）は、演算増幅器１０１の反転入力端子と出力ノードＮ１２との間に接続された抵抗１０５と、出力ノードＮ１２と基準ノードとの間に接続された容量１０６とを含む。すなわち、ローパスフィルタ回路１２は、受動フィルタであり、入力端子（抵抗１０５の一方端）に供給された信号のうち所定の遮断周波数（抵抗１０５と容量１０６によって決定される遮断周波数）よりも低い周波数成分を出力ノードＮ１２を介して出力する。
【００１４】
ローパスフィルタ回路１３（第３のローパスフィルタ回路）は、出力ノードＮ１２に接続された非反転入力端子を有する演算増幅器１０７と、演算増幅器１０７の出力端子と反転入力端子との間に接続された抵抗１０８と、演算増幅器１０７の反転入力端子と基準ノードとの間に接続された抵抗１０９と、演算増幅器１０７の出力端子と反転入力端子との間に接続された容量１１０とを含む。すなわち、ローパスフィルタ回路１３は、能動フィルタであり、演算増幅器１０７の非反転入力端子に供給された信号のうち所定の遮断周波数（抵抗１０８および容量１１０によって決定される遮断周波数）よりも低い周波数成分を出力信号ＳＯＵＴＮとして演算増幅器１０７の出力端子を介して増幅出力する。
【００１５】
次に、図１に示した増幅装置の周波数特性について説明する。ローパスフィルタ回路１１のＤＣゲインは、抵抗１０２，１０３の比によって決定され、ローパスフィルタ回路１３のＤＣゲインは、抵抗１０８，１０９の比によって決定される。ここでは、図２Ａのように、ローパスフィルタ回路１１，１３のＤＣゲインは、いずれも、ゲイン値Ａ１であり、ローパスフィルタ回路１１，１３の遮断周波数は、いずれも、周波数ｆ１であるものとする。また、図２Ｂのように、ローパスフィルタ回路１２のＤＣゲインは“０ｄＢ”であり、遮断周波数は、周波数ｆ２であるものとする。この場合、図２Ｃのように、増幅装置の周波数特性は、バンドパスフィルタ特性になる。なお、低周波数側の遮断周波数ｆ３は、ローパスフィルタ回路１２の遮断周波数ｆ２に対応し、高周波側の遮断周波数ｆ４は、ローパスフィルタ回路１１の遮断周波数ｆ１に対応する。センサ信号ＳＩＮの周波数が遮断周波数ｆ３よりも低くなる程（または、遮断周波数ｆ４よりも高くなるほど）、差動信号（ＳＯＵＴＰ−ＳＯＵＴＮ）の振幅は小さくなる。すなわち、センサ信号ＳＩＮを減衰させたことになる。
【００１６】
以上のように、増幅装置にバンドパスフィルタ特性を持たせることにより、バンドパスフィルタを設けなくても良いので、従来よりもセンサモジュールにおける演算増幅器の個数を少なくすることができ、ノイズ，消費電力，および回路面積を低減できる。
【００１７】
また、センサ信号ＳＩＮが演算増幅器１０１の非反転入力端子に直接供給されるので、演算増幅器１０１をＣＭＯＳ回路によって構成した場合、入力インピーダンスを１ＭΩ以上に設定できる。これにより、入力リークを抑制でき、センサ信号ＳＩＮの検出精度を向上させることができる。
【００１８】
なお、ローパスフィルタ回路１１，１３のＤＣゲインは、互いに異なる値であっても良いが、これらのＤＣゲインの差が大きくなる程、低周波数成分の減衰量が小さくなってしまうので、ローパスフィルタ回路１１，１３のＤＣゲインは、同値（または、ほぼ同値）であることが好ましい。また、ローパスフィルタ回路１１，１３の遮断周波数は、互いに異なる周波数であっても良い。
【００１９】
〔アナログ・デジタル変換回路の構成例〕
図３は、図１に示したアナログ・デジタル変換器１４の構成例を示す。例えば、アナログ・デジタル変換器１４は、一次ΔΣアナログ・デジタル変換器であり、スイッチ１１１Ｐ，１１２Ｐ，…，１１９Ｐ，１１１Ｎ，１１２Ｎ，…，１１９Ｎと、サンプリング容量ＣＳＰ，ＣＲＰ，ＣＳＮ，ＣＲＮと、演算増幅器ＡＭＰと、フィードバック容量ＣＦＰ，ＣＦＮと、コンパレータ１２０と、インバータ１２１，１２２とを含む。スイッチ１１１Ｐ，…，１１４Ｐ，１１１Ｎ，…，１１４Ｎは、制御クロックφ１に応じてオン／オフする。スイッチ１１５Ｐ，…，１１７Ｐ，１１５Ｎ，…，１１７Ｎは、制御クロックφ２（制御クロックφ１の反転クロック）に応じてオン／オフする。スイッチ１１８Ｐ，１１８Ｎは、制御信号φＡ（インバータ１２２の出力）に応じてオン／オフする。スイッチ１１９Ｐ，１１９Ｎは、制御信号φＢ（インバータ１２１の出力）に応じてオン／オフする。このように、制御クロックφ１，φ２，制御信号φＡ，φＢに応じて各スイッチが切り替わることにより、出力信号ＳＯＵＴＰ，ＳＯＵＴＮの差電圧（すなわち、差動信号（ＳＯＵＴＰ−ＳＯＵＴＮ））がデジタル信号Ｓ１４に変換される。
【００２０】
（実施形態２）
図４は、この発明の実施形態２による増幅装置の構成例を示す。この装置は、図１に示した構成に加えて、差動増幅回路２１を備える。差動増幅回路２１は、出力信号ＳＯＵＴＰ，ＳＯＵＴＮの差電圧（すなわち、差動信号（ＳＯＵＴＰ−ＳＯＵＴＮ））に応じた出力信号Ｓ２１を出力する。例えば、差動増幅回路２１は、演算増幅器２０１と、演算増幅器１０１の出力端子と演算増幅器２０１の反転入力端子との間に接続された抵抗２０２と、演算増幅器１０７の出力端子と演算増幅器２０１の非反転入力端子との間に接続された抵抗２０３と、演算増幅器２０１の出力端子と反転入力端子との間に接続された抵抗２０４とを含む。アナログ・デジタル変換器１４は、出力信号Ｓ２１をデジタル信号Ｓ１４に変換する。このように、差動増幅回路２１によって差動信号（ＳＯＵＴＰ−ＳＯＵＴＮ）を単一の出力信号Ｓ２１に変換して後段の装置に出力しても良い。
【００２１】
（実施形態３）
図５は、この発明の実施形態３による増幅装置の構成例を示す。この増幅装置は、非反転増幅器３１，３３と、ローパスフィルタ部３２，３４と、図１に示したローパスフィルタ回路１２とを備える。
【００２２】
非反転増幅器３１は、図１に示した演算増幅器１０１，抵抗１０２，１０３を含む。ローパスフィルタ部３２は、演算増幅器１０１の出力端子と出力ノードＮ３２との間に接続された抵抗３０１と、出力ノードＮ３２と基準ノードとの間に接続された容量３０２とを含む。これにより、非反転増幅器３１の出力信号のうち所定の遮断周波数（抵抗３０１および容量３０２によって決定される遮断周波数）よりも低い周波数成分が出力信号ＳＯＵＴＰとして出力ノードＮ３２から出力される。非反転増幅器３３は、図１に示した演算増幅器１０７，抵抗１０８，１０９を含む。ローパスフィルタ部３４は、演算増幅器１０７と出力ノードＮ３４との間に接続された抵抗３０３と、出力ノードＮ３４と基準ノードとの間に接続された容量３０４とを含む。これにより、非反転増幅器３３の出力信号のうち所定の遮断周波数（抵抗３０３および容量３０４によって決定される遮断周波数）よりも低い周波数成分が出力信号ＳＯＵＴＮとして出力ノードＮ３４から出力される。
【００２３】
次に、図５に示した増幅装置の周波数特性について説明する。非反転増幅器３１およびローパスフィルタ部３２からなるローパスフィルタ回路（第１のローパスフィルタ回路）のＤＣゲインは、抵抗１０２，１０３の比によって決定され、非反転増幅器３３およびローパスフィルタ部３４からなるローパスフィルタ回路（第３のローパスフィルタ回路）のＤＣゲインは、抵抗１０８，１０９の比によって決定される。ここでは、図６Ａのように、第１および第３のローパスフィルタ回路のＤＣゲインは、いずれも、ゲイン値Ａ１であり、第１および第３のローパスフィルタ回路の遮断周波数は、いずれも、周波数ｆ１であるものとする。また、図６Ｂのように、ローパスフィルタ回路１２のＤＣゲインは“０ｄＢ”であり、遮断周波数は、周波数ｆ２であるものとする。この場合、図６Ｃのように、増幅装置の周波数特性は、バンドパスフィルタ特性になる。なお、低周波数側の遮断周波数ｆ３は、ローパスフィルタ回路１２の遮断周波数ｆ２に対応し、高周波側の遮断周波数ｆ４は、第１のローパスフィルタ回路の遮断周波数ｆ１に対応する。このように、増幅装置の周波数特性をバンドパスフィルタ特性に設定できる。すなわち、非反転増幅器３１およびローパスフィルタ部３２は、図１に示したローパスフィルタ回路１１に対応し、非反転増幅器３３およびローパスフィルタ部３４は、図１に示したローパスフィルタ回路１３に対応する。なお、第１および第３のローパスフィルタ回路のＤＣゲインは、互いに異なる値であっても良いが、これらのＤＣゲインの差が大きくなる程、低周波数成分の減衰量が小さくなってしまうので、第１および第３のローパスフィルタ回路のＤＣゲインは、同値（または、ほぼ同値）であることが好ましい。また、第１および第３のローパスフィルタ回路の遮断周波数は、互いに異なる周波数であっても良い。
【００２４】
また、図５に示した増幅装置は、非反転増幅器３１，３３，ローパスフィルタ部３２，３４，ローパスフィルタ回路１２の他に、図４に示した差動増幅回路２１をさらに備えていても良い。さらに、図７のように、非反転増幅器３３は、ボルテージフォローワ回路３０５によって構成されていても良い。また、ローパスフィルタ部３２，３４は、図５のような１次のローパスフィルタによって構成されていても良いし、２次以上のローパスフィルタ（例えば、図５のローパスフィルタ部３２の構成と図１のローパスフィルタ回路１１の構成との組合せ）によって構成されていても良い。さらに、図８のように、ローパスフィルタ部３２の容量３０２とローパスフィルタ部３４の容量３０４とを共通化しても良い。この場合、容量３０２は、出力ノードＮ３２と出力ノードＮ３４との間に接続される。このように構成した場合も、増幅回路の周波数特性をバンドパスフィルタ特性（図６Ｃ）に設定できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上のように、上述の増幅装置は、バンドパスフィルタ特性を有するので、センサーモジュール等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１による増幅装置の構成例を示す図。
【図２】図１に示した増幅装置の周波数特性について説明するための図。
【図３】図１に示したアナログ・デジタル変換器の構成例を示す図。
【図４】実施形態２による増幅装置の構成例を示す図。
【図５】実施形態３による増幅装置の構成例を示す図。
【図６】図５に示した増幅装置の周波数特性について説明するための図。
【図７】図５に示した増幅装置の変形例について説明するための図。
【図８】図５に示した増幅装置の別の変形例について説明するための図。
【符号の説明】
【００２７】
１０    センサ素子
１１，１２，１３    ローパスフィルタ回路
１４    アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）
１０１，１０７    演算増幅器
１０２，１０３，１０５，１０８，１０９    抵抗
１０４，１０６，１１０    容量
２１    差動増幅回路
２０１，２０２，２０４    抵抗
２０３    演算増幅器
３１，３３    非反転増幅器
３２，３４    ローパスフィルタ部
３０１，３０３    抵抗
３０２，３０４    容量
３０５    ボルテージフォローワ回路
【図１】
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【図２】
2010206237.tif 000004
【図３】
2010206237.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010206237.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010206237.tif 000009
【図８】
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