(57)【要約】【課題】寄生容量が大きいセンサ素子の出力信号を、高速に増幅して出力することが出来るセンサ装置を提供する。【解決手段】寄生容量が大きなセンサ素子と、二つの入力端子が第一入力端子と第二入力端子に接続された第一電流アンプセルと、入力端子が第一電流アンプセルの出力端子と位相補償部を介して接続され、二つの出力端子が第一出力端子と第二出力端子と接続された第二電流アンプセルと、を備え、第一出力端子は第一入力端子と接続され、第二出力端子はセンサ装置の出力端子と接続された電流モードアンプ、で構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
寄生容量が大きなセンサ素子と、
第一入力端子と第二入力端子と第一出力端子と第二出力端子を有し、前記センサ素子の出力する出力電流を増幅する電流アンプと、を備え、
前記電流アンプは、
二つの入力端子が前記第一入力端子と前記第二入力端子に接続された第一電流アンプセルと、
入力端子が前記第一電流アンプセルの出力端子と位相補償部を介して接続され、二つの出力端子が前記第一出力端子と前記第二出力端子と接続された第二電流アンプセルと、を備え、
前記第一出力端子は前記第一入力端子と接続され、前記第二出力端子はセンサ装置の出力端子と接続された、
ことを特徴とするセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
フォトダイオードや圧電素子のように寄生容量が大きいセンサ素子と、そのセンサ素子が出力する信号を増幅する増幅回路を備えたセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は、従来のセンサ装置を示す概略図である。従来のセンサ装置は、寄生容量が大きいセンサ１０と、センサ１０の出力する電流を抵抗３１で電流電圧変換し、その電圧を増幅して出力するアンプ３０とを備えている。容量３２は、センサ１０に寄生容量の容量値Ｃｓが大きい場合、フィードバックループの安定性を確保するために必要となる。フィードバックループの安定性を確保するために必要な容量３２の容量値Ｃｆは式（１）で表される。
Ｃｆ＝√（Ｃｓ／（２π・Ｒｆ・ＧＢ）      （１）
ここで、ＧＢはアンプ３０の利得帯域幅積、Ｒｆは抵抗３１の抵抗値を表す。
【０００３】
また、図５の増幅回路の伝達特性の帯域ｆｔは、容量値Ｃｆ、抵抗値Ｒｆにより式（２）で示される。
ｆｔ＝√（２π・ＧＢ／（Ｒｆ・Ｃｓ））      （２）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「ＯＰアンプによる信号処理の応用技術」第５部  第４章  アナログデバイセズ  著
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
式（２）において、抵抗値Ｒｆと抵抗値Ｒｓが１５０Ω、容量値Ｃｓが２００ｐＦの時の伝達特性の帯域ｆｔの利得帯域幅積ＧＢに対する特性を図６に示す。
伝達特性を広帯域化するためにはより大きなアンプの利得帯域幅積ＧＢが必要となる。図６の例では、１ＭＨｚの伝達特性の帯域ｆｔを得るにはアンプに１００ＭＨｚ以上の利得帯域幅積ＧＢが必要となり、高速化の妨げとなる。
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、寄生容量が大きいセンサ素子と高帯域の伝達特性を持つ増幅回路を備え、高速なセンサ装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセンサ装置は、上記課題を解決するために、寄生容量が大きなセンサ素子と、第一入力端子と第二入力端子と第一出力端子と第二出力端子を有し、センサ素子の出力する出力電流を増幅する電流アンプと、を備え、電流アンプは、二つの入力端子が第一入力端子と第二入力端子に接続された第一電流アンプセルと、入力端子が第一電流アンプセルの出力端子と位相補償部を介して接続され、二つの出力端子が第一出力端子と前二出力端子と接続された第二電流アンプセルと、を備え、第一出力端子は第一入力端子と接続され、第二出力端子はセンサ装置の出力端子と接続される、構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のセンサ装置によれば、寄生容量が大きいセンサ素子の出力信号を、高速に増幅して出力することが出来るセンサ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態のセンサ装置を示す概略図である。
【図２】本実施形態のセンサ装置の電流アンプの一例を示す回路図である。
【図３】本実施形態の電流アンプの特性を示す図である。
【図４】本実施形態の電流アンプの特性を示す図である。
【図５】従来のセンサ装置を示す概略図である。
【図６】従来のアンプの伝達特性の帯域特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施形態のセンサ装置を示す概略図である。
センサ１０は、具体的にはフォトダイオードや圧電素子等の寄生容量が大きいセンサ素子で、光や応力に関係した電流信号を出力端子から出力する。センサ１０は、等価的に信号電流源１１と抵抗１２と容量１３の並列接続で表される。
【００１１】
電流アンプ２０は、第一入力端子ＣＯＭがセンサ１０の第一出力端子及び基準電圧端子と接続され、第二入力端子ＩＮがセンサ１０の第二出力端子と接続され、第一出力端子ＯＵＴ１が第二入力端子ＩＮと接続され、第二出力端子ＯＵＴ２が信号処理回路の出力端子Ｉｏｕｔと接続される。
【００１２】
図２は、図１の電流アンプ２０の具体例を示す回路図である。
電流アンプ２０は、電流アンプセル２０１と、電流アンプセル２０２と、位相補償回路２０３と、出力回路２０４を備えている。
【００１３】
電流アンプセル２０１は、ＮＭＯＳトランジスタ１０１、１０２、１０５、１０６と、ＰＭＯＳトランジスタ１０３、１０４、１０７、１０８と、定電流源１３１、１３２で構成される。電流アンプセル２０２は、ＮＭＯＳトランジスタ１１１、１１２、１１５、１１６と、ＰＭＯＳトランジスタ１１３、１１４、１１８、１１９と、定電流源１３３、１３４で構成される。位相補償回路２０３は、ＰＭＯＳトランジスタ１１０と、ＮＭＯＳトトランジスタ１０９と、位相補償容量１４１で構成される。
【００１４】
位相補償回路２０３の出力が電流アンプセル２０２に入力され、電流アンプセル２０２の出力がＯＵＴ１として出力される。また、第一の極性のトランジスタ１１７と第二の極性のトランジスタ１２０で構成される出力回路２０４はＯＵＴ１と逆極性の出力ＯＵＴ２を出力する。
【００１５】
増幅回路として電流アンプを用いることで、伝達特性の帯域が式３に従うようにする。
ｆｔ＝１／√（２π・Ｒｘ・Ｃｓ）    （３）
ここでＲｘは電流アンプ２０の等価入力インピーダンスを表す。
【００１６】
トランジスタ１０１、１０３、１１１、１１３の伝達コンダクタンスをそれぞれｇｍ１０１、ｇｍ１０３、ｇｍ１１１、ｇｍ１１３、トランジスタ１０７と１０８及びトランジスタ１０５と１０６で構成されるカレントミラー回路のミラー比をＲａ、トランジスタ１１８と１１９及びトランジスタ１１５と１１６で構成されるカレントミラー回路のミラー比をＲｂ、接続点ＭからＶＤＤとＧＮＤに対する等価インピーダンスをＲｏｔｏｔとおくと、電流アンプ２０の等価入力インピーダンスＲｘは式４で表され、電流アンプ２０の電流ゲインＡは式５で表される。
【００１７】
Ｒｘ＝１／（ｇｍ１０１＋ｇｍ１０３)    （４）
Ａ＝Ｒａ・Ｒｂ・Ｒｏｔｏｔ（ｇｍ１１１＋ｇｍ１１３）    （５）
式３、式４から、ｇｍ１０１とｇｍ１０３を大きく設定することで、伝達特性の帯域ｆｔは向上する。また、ループゲインを大きく設定することで、アンプの出力精度が向上する。
【００１８】
式５から、等価インピーダンスＲｏｔｏｔを大きくすることで電流ゲインＡが向上する。等価インピーダンスＲｏｔｏｔを大きくするためには、定電流源１３３、１３４の出力インピーダンスを大きく設定する。例えば、カスコード構成などを用いて定電流源１３３、１３４を構成することで出力インピーダンスを大きくすることが出来る。
【００１９】
以上説明したように、比較的小さい入力インピーダンスＲｘの電流アンプを実現することが可能なので、本実施形態のセンサ装置は、従来のセンサ装置に比べて、簡単に伝達特性の高帯域化が可能となる。
又、電流アンプ２０を用いることで、センサ装置の出力が電流出力になるので、後段の信号処理回路の広帯域化が可能となる。
【００２０】
図３は、本実施形態の電流アンプ２０の入力インピーダンスＲｘの入力段バイアス電流（Ｉ１０１、１０３）特性を、入力段トランジスタ１０１、１０３のＬ長を変えた時の関係を示す。Ｒｘ＝５００〜１０００Ωの入力インピーダンスを持つ電流アンプを比較的平易に作成することができることがわかる。
【００２１】
本実施形態の電流アンプの入力インピーダンスとトランスコンダクタンスアンプの帯域の関係を図４に示す。図４から本実施形態の電流アンプを用いることで帯域として１ＭＨｚ程度のトランスコンダクタンスアンプが実現することができる。
【００２２】
本実施形態のセンサ装置はＭＯＳ型ＦＥＴを用いて構成しているが、バイポーラトランジスタを用いてもよい。
【符号の説明】
【００２３】
１０  センサ素子
２０  電流アンプ
２０１、２０２  電流アンプセル
２０３  位相補償部
２０４  出力部
【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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【図６】
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