(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帰還容量を付加した第１の演算増幅器の反転入力端子に焦電素子を接続し、熱線の感知時に焦電素子に生じる信号電流を電圧信号に変換して出力させる電流電圧変換回路を有した焦電型赤外線検出装置において、
上記電流電圧変換回路は、上記第１の演算増幅器の非反転入力端子には基準電圧を印加し、かつ、上記第１の演算増幅器の出力端子を、第２の演算増幅器の非反転入力端子に接続するとともに、第２の演算増幅器の反転入力端子には抵抗を介して基準電圧を印加させ、この第２の演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間にコンデンサを接続して積分回路を構成し、さらに上記第２の演算増幅器の出力端子を高抵抗を介して、上記第１の演算増幅器の反転入力端子に接続した構成とされており、
上記第１の演算増幅器に付加された上記帰還容量にスイッチング素子を並列に接続して、このスイッチング素子を電源投入時にはオンさせて、上記第１の演算増幅器が安定な状態になるまではそのオン状態を保持して上記帰還容量を短絡させる構成とした焦電型赤外線検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記スイッチング素子は、ゲートを有したＭＯＳトランジスタで構成され、かつ直流電源に抵抗とコンデンサとを直列に接続し、コンデンサ側をグランドに接続した遅延回路が付加されており、
上記抵抗と上記コンデンサとの接続点を上記スイッチング素子のゲートに接続して、電源投入時の所定時間の間は、上記スイッチング素子をオンさせることによって上記帰還容量を短絡保持する構成としている焦電型赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焦電素子を用いて、人体から輻射される赤外線エネルギーを検出し、人体の存在や移動の検知を行なったり、輻射エネルギーや室温を検出することで放射温度計として機能する赤外線検出装置に関し、特にその入力部に用いられる電流電圧変換回路の電源投入時の動作特性を改善したものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、焦電型の赤外線検出装置のＳ／Ｎ比を改善させるため、コンデンサのインピーダンス特性を利用した赤外線検出装置を開発していた
が、本発明は、この赤外線検出装置に採用されている電流電圧変換回路の電源投入時における立ち上がり特性を更に改善したものである。
【０００３】
この電流電圧変換回路は、焦電素子が赤外線を感知したとき焦電素子に生じる信号電流を、帰還コンデンサを付加した演算増幅器によって電圧信号に変換するもので、演算増幅器には、低域の安定化を図るため直流帰還回路を付加した基本構成をなしている。
【０００４】
【従来の技術】
本出願人は、焦電型の赤外線検出装置のＳ／Ｎ比を改善させるため、コンデンサのインピーダンス特性を利用した赤外線検出装置を開発したが、本発明は、この赤外線検出装置に採用されている電流電圧変換回路の電源投入時における立ち上がり特性を改善したものである。
【０００５】
１，２は演算増幅器、Ｖｒは演算増幅器１，２の基準電位、Ｃｆは帰還容量、３は焦電素子、Ｒｉは高抵抗、Ｒ１は抵抗、Ｃ１はコンデンサであり、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１及び演算増幅器２によって積分回路による直流帰還回路を構成している。図４は、このような電流電圧変換回路における演算増幅器の入力段の内部回路を示している。
【０００６】
この図に見るように、演算増幅器１の入力ノード側と出力ノード側には、同じ特性の入力トランジスタＭ１，Ｍ２（図ではいずれもＰＭＯＳトランジスタ）を設けており、入力ノード側には、入力トランジスタのゲート・ソース間容量Ｃｇｓ、ゲート・ドレイン間容量Ｃｇｄ、ゲート・バルク間容量Ｃｇｂが存在する。通常は、このような入力トランジスタのゲートサイズはフリッカノイズを抑制するために、かなり大きなサイズになっているが、演算増幅器の電源投入時の動作特性を考える上では、ゲート・バルク間容量Ｃｇｂを考慮すればよい。したがって、今、このゲート・バルク間容量ＣｇｂをＣｇとして演算増幅器１の入力ゲート容量として規定すると、図５に示したような等価回路で示される。
【０００７】
このような電流電圧変換回路における電源投入時の動作を説明すると、入力ノードの電位はすぐに基準電位Ｖｒと同電位になろうとするが、入力ノードの充電は演算増幅器２からの経路を通じてしか存在しない。しかし、演算増幅器１と演算増幅器２との間には高抵抗Ｒｉが存在するため、その充電電流は小さく、そのため、電源投入直後は、入力ノードはその他の容量間の充放電により、Ｖｒと同電位に立ち上がる。
【０００８】
また、焦電素子３は入力ノードとグランド間に接続されているので、その素子容量Ｃｓの入力ノード側にはｑ１＝Ｃｓ・Ｖｒの電荷が蓄積される。
【０００９】
一方、演算増幅器１の入力ゲート容量Ｃｇは入力ノードとノードＢの間に接続されているが、定常状態では入力ノードの電位Ｖｒは、ノードＢの電位Ｖｂより低くなるのでｑ３＝Ｃｇ・（Ｖｂ−Ｖｒ）の電荷が入力ノード側に放出され、その過不足分が帰還容量Ｃｆから補足されることになる。すなわち、ｑ２＝ｑ１−ｑ３の電荷が帰還容量Ｃｆから入力ノード側に放出され、その結果、出力ノードと入力ノードの間に△Ｖ＝ｑ２／Ｃｆの電位差が生じる。すると、この電位差により帰還回路が働き、高抵抗Ｒｉを介してｑ２分の電荷が充電され、演算増幅器の入力ノードと出力ノードの電位が一致して定常状態に至り、正常な負帰還動作がなされる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような電流電圧変換回路では、Ｒｉに高抵抗を使用しているため、入力ゲート容量の充電に長い時間を要し、そのため電源投入から定常時に至るまでの時間が非常に長くなるという現象が改善すべき問題点として残されている。
【００１１】
本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、焦電型赤外線検出装置の電流電圧変換回路の電源投入時の立ち上がり動作を迅速に行うことにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明では、次のような解決手段を提案している。すなわち、請求項１では、帰還容量を付加した第１の演算増幅器の反転入力端子に焦電素子を接続し、熱線の感知時に焦電素子に生じる信号電流を電圧信号に変換して出力させる電流電圧変換回路を有した焦電型赤外線検出装置において、上記電流電圧変換回路は、上記第１の演算増幅器の非反転入力端子には基準電圧を印加し、かつ、上記第１の演算増幅器の出力端子を、第２の演算増幅器の非反転入力端子に接続するとともに、第２の演算増幅器の反転入力端子には抵抗を介して基準電圧を印加させ、この第２の演算増幅器の出力端子と反転入力端子との間にコンデンサを接続して積分回路を構成し、さらに上記第２の演算増幅器の出力端子を高抵抗を介して、上記第１の演算増幅器の反転入力端子に接続した構成とされており、上記第１の演算増幅器に付加された上記帰還容量にスイッチング素子を並列に接続して、このスイッチング素子を電源投入時にはオンさせて、上記第１の演算増幅器が安定な状態になるまではそのオン状態を保持して上記帰還容量を短絡させる構成としている。
【００１３】
このような焦電型赤外線検出装置では、電源投入時は、演算増幅器に付加した帰還容量を短絡させて、演算増幅器の入力ノードに直接直流電源を供給して急速に充電させ、定常状態に至った時点で短絡を停止させる。
【００１４】
請求項２では、スイッチング素子を、ゲートを有したＭＯＳトランジスタで構成し、かつ直流電源に抵抗とコンデンサとを接続した簡易な構成の遅延回路に接続しているので、電源投入後、コンデンサが所定の電圧レベルに充電されるまでスイッチング素子をオンさせて帰還容量を短絡させ、所定の電圧レベルに達した後は、スイッチング素子を自動的にオフさせることが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を、回路設計時に行ったシミュレーション結果を用いて説明する。
【００１６】
図１は、この実施例を示した回路図であるが、スイッチング素子ＴＡ，ＴＢと、遅延回路４１とからなる回路４以外の部分は、図３において説明した構成と同じである。
【００１７】
すなわち、図１において、Ｃｆ＝１０ｐＦ，Ｒｉ＝１ＴΩ，Ｒ１＝２．４ＧΩ，Ｃ１＝１０ｎＦ，Ｃｓ＝２．６８ｐＦ，入力トランジスタのサイズＷ／Ｌ＝２００μｍ／４０μｍに設定し、電源投入した時の動作特性をシミュレーションさせた。回路４は帰還容量Ｃｆに並列に付加されている。
【００１８】
この回路４は、帰還容量Ｃｆに２つのスイッチング素子ＴＡ，ＴＢを並列に接続し、そのスイッチング素子ＴＡ，ＴＢのゲートに抵抗ＲとコンデンサＣを接続して構成された遅延回路４１を接続し、この遅延回路４１に直流電源Ｖｃｃを供給している。２つのスイッチング素子ＴＡ，ＴＢはＰＭＯＳトランジスタで構成しているが、これに限定されない。
【００１９】
図２は、この実施例の回路における電源投入時のシミュレーション結果を示す。この回路の回路定数は図３のシミュレーション時と同じとした。
【００２０】
図２（Ｃ）において、Ｖｒは基準電位、Ｖｃｃは直流電源電位、Ｖｇはスイッチング素子ＴＡ，ＴＢのゲート電位を示している。また、図２（Ｂ）はスイッチング素子ＴＡ，ＴＢに流れる電流ｉを示し、図２（Ａ）のＶｏｕｔは出力ノードの電位を、Ｖｉｎは入力ノードの電位を示している。
【００２１】
この実施例の回路では、電源投入直後は、遅延回路４１のコンデンサの出力端子の電圧は遅れて立ち上がるので、スイッチング素子であるＰＭＯＳトランジスタのゲート電位Ｖｇがオフレベルに達するまでは、オン状態を保持し、それによって入力ゲート容量を急速に充放電する。
【００２２】
その結果、図２（Ａ）に見るように、電源が完全に立ち上がった時には、既に、出力ノードの電位Ｖｏｕｔも安定していることがわかる。
【００２３】
以上のような本発明は、帰還容量を用いた演算増幅器を使用して、焦電素子の出力電流を出力電圧に変換する回路のすべてに適用でき、電源投入時における演算増幅器の入力段の等価容量を、高抵抗を用いて充電放電を行うものに限定されないことはいうまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、帰還容量を付加した演算増幅器の入力端子に焦電素子を接続して構成される、既に存在する電流電圧変換回路に、簡易なスイッチング回路を付加するだけで、電源投入時の動作特性の改善されたＳ／Ｎ比の良好な電流電圧変換回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す回路構成図。
【図２】本発明の電源投入時におけるシミュレーション結果を示すグラフであり、（Ａ）は入力、出力ノードの電圧変化を示す図、（Ｂ）は各容量についての電荷量の変化を示す図、（Ｃ）は電源電位、基準電位、スイッチング素子のゲート電位の変化を示す図。
【図３】帰還容量を付加した演算増幅器を用いて構成した、電流電圧変換回路の基本構成を示す図。
【図４】演算増幅器の入力段の概略構成図。
【図５】演算増幅器の電源立上げ時の動作を説明する等価回路図である。
【符号の説明】
１，２・・・演算増幅器
３・・・焦電素子
ＴＡ，ＴＢ・・・スイッチング素子
４１・・・遅延回路
Ｃ・・・コンデンサ
Ｒ・・・抵抗
Ｃｓ・・・焦電素子の素子容量
Ｃｆ・・・帰還容量
Ｃｇ・・・演算増幅器の入力ゲート容量
Ｒｉ・・・高抵抗
Ｖｃｃ・・・直流電源
Ｖｒ・・・基準電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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