(57)【要約】【課題】小さい面積の多結晶シリコン層で、大きな抵抗値の帰還抵抗を形成し、出力ノイズが小さいチャージアンプを提供する。【課題の解決手段】チャージアンプ１は、非反転入力端子を増幅基準電圧５に接続し、反転入力端子に水晶振動子を有する振動型角速度センサ６から５０ＫＨｚの周波数信号を入力するとともに、その出力端子は並列接続された負帰還抵抗４及び負帰還容量３を介して反転入力端子に接続したものであって、負帰還抵抗４は、比抵抗が２００ＫΩ／□で、抵抗値が３２０ＭΩ、寄生容量が０．１２ｐＦの多結晶シリコン層からなり、負帰還容量３の容量値は１ｐＦとしたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非反転入力端子を増幅基準電圧に接続し、反転入力端子に水晶振動子を有する振動型角速度センサから５０ＫＨｚの周波数信号が入力するとともに、その出力端子は並列接続された抵抗及び容量を介して反転入力端子に接続したチャージアンプであって、
前記抵抗は、比抵抗が２００ＫΩ／□で、寄生容量が０．１２ｐＦの多結晶シリコン層からなる
ことを特徴とするチャージアンプ。
【請求項２】
非反転入力端子を増幅基準電圧に接続し、反転入力端子に水晶振動子を有する振動型角速度センサから５０ＫＨｚの周波数信号が入力するとともに、その出力端子は並列接続された抵抗及び容量を介して反転入力端子に接続したチャージアンプであって、
前記抵抗は、抵抗値が３２０ＭΩで、寄生容量が０．１２ｐＦの多結晶シリコン層からなる
ことを特徴とするチャージアンプ。
【請求項３】
容量の容量値が１ｐＦであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のチャージアンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子を有する振動型角速度センサの角振動検出用コンデンサの電荷量を電圧変換して角速度検出電圧波形として出力するチャージアンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車体制御や、ハンディビデオカメラの手ぶれ補正用の検出センサとして、従来から、振動型ジャイロセンサのような振動型角速度センサが用いられている。振動型ジャイロセンサは、自励発振回路を用いて、例えば水晶からなる駆動振動子の駆動振動を、その水晶振動子上の検出電極からの出力を処理することによって回転角速度に対応する電圧値を得るものである。この電圧値を得るための回路がチャージアンプであり、水晶振動子から発生する電荷を、チャージアンプにより電圧変換し、角速度検出電圧波形として出力する。すなわち、チャージアンプは、水晶振動子の検出電極に発生する電荷を入力するオペアンプと、このオペアンプに帰還抵抗と帰還容量が並列接続されてなり、これら抵抗と容量によるフィードバックインピーダンスの抵抗値や容量値を、水晶振動子の出力周波数にあわせて適切に設定して出力電圧を得ている。
【特許文献１】特開平１１−４４５４０号公報
【特許文献２】特開２００５−９８９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、一般に、上述の帰還抵抗としては、半導体基板上に形成した多結晶シリコン層をパターニングしたものを用いており、この多結晶シリコン層に不純物を導入して比抵抗ρ＝５００Ω／□程度の抵抗にし、設計により決められた抵抗値を持つ多結晶シリコン抵抗としている。前記値の比抵抗を持つ多結晶シリコン抵抗を製造する場合は、不純物の導入量の変動が少ない飽和領域の不純物導入量でよく、また、製造マージンの面からも妥当なものであった。
【０００４】
ところが、従来の技術では、Ｓ／Ｎ比を高めるため、換言すると出力ノイズを減少させるために、多結晶シリコン層からなる帰還抵抗の抵抗値を極端に大きくしようとすると、大きい面積が必要であるという不都合を生じる。すなわち、比抵抗が５００Ω／□の多結晶シリコン層からなる帰還抵抗の抵抗値を３００ＭΩとする場合には、幅が１μｍでは長さは６００ｍｍとなり、正方形とした場合の面積は６００×１０３μｍ２となるので、半導体基板上での実用化は不可能である。本発明は、この不都合を解消すべくなされたもので、小さい面積の多結晶シリコン層で、大きな抵抗値の帰還抵抗を形成し、出力ノイズを小さくしたチャージアンプ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】
【０００５】
本発明者は、上記目的を達成するため、各種の実験を重ねたところ、次のような事実を確認した。チャージアンプの出力ノイズ（以下単にノイズという。）は、水晶振動子の出力周波数（以下単に周波数という。）と帰還抵抗値に影響を受けるもので、図２の対数目盛グラフに示すように、周波数が高くなるにしたがい、帰還抵抗値の大小に拘わらず、ノイズは減少する傾向があるが、低周波数では、帰還抵抗の抵抗値が小さいほどノイズは小さく、周波数が１ＫＨｚを超えたあたりから、帰還抵抗の抵抗値が大きいほどノイズは小さくなってくる。
【０００６】
このことから、周波数が高い場合には、帰還抵抗の抵抗値を極端に大きくしなくても実用上不都合が生じないノイズを実現できることが理解できる。すなわち、５０ＫＨｚにおける帰還抵抗値とノイズの関係は、１０００ＭΩでは約１３Ｖｒｍｓ／Ｈｚ１／２、３２０ＭΩでは約２３Ｖｒｍｓ／Ｈｚ１／２、１００ＭΩでは約４１Ｖｒｍｓ／Ｈｚ１／２であり、実用化レベルのノイズは帰還抵抗値が３２０ＭΩで実現できる。なお、この図２に示す実験例では、帰還容量は１ｐＦに設定した。
【０００７】
ところで、角速度センサに使用される水晶振動子は、高い周波数の検出出力信号を得ようとする場合には、動作が不安定となって、信頼性の面で大きな問題が生じるため、検出出力信号は５０ＫＨｚ付近で使用することが望ましい。本発明者は、この点を考慮して、周波数が５０ＫＨｚの検出出力信号が入力するチャージアンプで好適な帰還抵抗について検討した。そして、抵抗値が大きい帰還抵抗を半導体基板上で実現する場合には、ＭＯＳトランジスタをによるオン抵抗を利用するのが好ましいのではないかと考えて試みた。
【０００８】
ところが、ＭＯＳトランジスタ構造による帰還抵抗では、寄生容量が大きいために、チャージアンプのノイズを減少することは困難なことが判明した。図３はＭＯＳトランジスタ構造による帰還抵抗を３２０ＭΩに設定した場合のチャージアンプの入力周波数とノイズとの関係を、多結晶シリコン層による帰還抵抗の場合と比較したシミュレーションデータを対数目盛でグラフ化したものであり、また、図４はこのシミュレーションにおけるＭＯＳトランジスタの等価回路である。なお、このシミュレーションでは、帰還容量は１ｐＦに設定した。
【０００９】
図３で理解できるように、ＭＯＳトランジスタによる帰還抵抗の抵抗値を３２０ＭΩに設定すると、寄生容量は約８ｐＦとなり、５０ＫＨｚにおけるノイズは、約８５Ｖｒｍｓ／Ｈｚ１／２となって、寄生容量がない場合の約２３Ｖｒｍｓ／Ｈｚ１／２に比べて、約３．７倍悪化することになり、実用化は不可能であることが判明した。前記寄生容量の約８ｐＦは、ＭＯＳトランジスタによる抵抗の一般的な値である。そして、寄生容量を０．８ｐＦと１／１０にしても、５０ＫＨｚにおけるノイズは、約５６Ｖｒｍｓ／Ｈｚ１／２となって、寄生容量がない場合の約２．５倍弱であり、実用化は困難である。さらに、寄生容量を０．１２ｐＦとすると、５０ＫＨｚにおけるノイズは、約３５Ｖｒｍｓ／Ｈｚ１／２となって、寄生容量がない場合の約１．５倍となり、実用化可能なレベルとなる。しかし、ＭＯＳトランジスタでは、抵抗値が３２０ＭΩの場合に、寄生容量を０．１２ｐＦとすることは実現困難といえる。
【００１０】
このシミュレーションによって、本発明者は、ノイズの小さなチャージアンプを実現するには、寄生容量が小さく、かつ、大きな抵抗値を有する帰還抵抗を、如何にして実現するかが重要であり、このような帰還抵抗は、ＭＯＳトランジスタによるのは困難で、多結晶シリコン層で形成するのが適していることを確認した。そして、さらに実験を繰り返した結果、比抵抗と寄生容量を共に制御すること、または帰還抵抗と寄生容量とを共に制御することが重要であるとの考えに達し、チャージアンプのノイズを５０ＫＨｚにおいて実用化レベルである約３５Ｖｒｍｓ／Ｈｚ１／２を超えないようにするためには、比抵抗ρが２００ＫΩ／□、帰還抵抗Ｒｆの値が３２０ＭΩ、寄生容量Ｃの値が０．１２ｐＦの組み合わせが最適であるとの結論に達したものである。また、この組み合わせの場合には、帰還容量Ｃｆの値は、１ｐＦが最適であることも確認した。
【００１１】
すなわち、本発明の請求項１に係るチャージアンプは、非反転入力端子を増幅基準電圧に接続し、反転入力端子に水晶振動子を有する振動型角速度センサから５０ＫＨｚの周波数信号が入力するとともに、その出力端子は並列接続された抵抗及び容量を介して反転入力端子に接続したチャージアンプであって、前記抵抗は、比抵抗が２００ＫΩ／□で、寄生容量が０．１２ｐＦの多結晶シリコン層からなるものである。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係るチャージアンプは、非反転入力端子を増幅基準電圧に接続し、反転入力端子に水晶振動子を有する振動型角速度センサから５０ＫＨｚの周波数信号が入力するとともに、その出力端子は並列接続された抵抗及び容量を介して反転入力端子に接続したチャージアンプであって、前記抵抗は、抵抗値が３２０ＭΩで、寄生容量が０．１２ｐＦの多結晶シリコン層からなるものである。
【００１３】
さらに、本発明の請求項３に係るチャージアンプは、上記各チャージアンプの構成において、容量の容量値を１ｐＦとしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半導体基板上で実用化が可能な、面積が小さく、ノイズも小さいチャージアンプを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面の図１に示す回路図に基づいて説明する。チャージアンプ１は、オペアンプ２に負帰還容量３と負帰還抵抗４とを並列的に接続してなり、その非反転入力端子には増幅基準電圧５を接続する一方、反転入力端子には水晶振動子を有する振動型角速度センサ６の出力端を接続して、５０ＫＨｚの周波数信号が入力するように構成している。また、前記負帰還容量３の容量値は１ｐＦである。一方、前記負帰還抵抗４は、比抵抗が２００ＫΩ／□で、抵抗値が３２０ＭΩ、寄生容量が０．１２ｐＦの多結晶シリコン層からなる。したがって、この負帰還抵抗４は、幅が１μｍでは長さが１．６ｍｍとなり、正方形とした場合の面積は１．６×１０３μｍ２となって、半導体基板上での実用化が可能となる。
【００１６】
本実施形態のチャージアンプ１は、従来と同様に、水晶振動子を有する振動型角速度センサ６の振動検出用容量（図示せず）の電荷量を電圧変換することにより、角速度検出電圧波形として出力するものである。そして、ノイズは実用化レベルである約３５Ｖｒｍｓ／Ｈｚ１／２を超えることはないので、前記出力に悪影響を与えることはなく、安定した動作が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】チャージアンプと振動型角速度センサ及び増幅基準電圧との接続関係を示す概略的な回路図。
【図２】水晶振動子の出力周波数とチャージアンプの出力ノイズとの関係を示すグラフ。
【図３】ＭＯＳトランジスタ構造による帰還抵抗を３２０ＭΩに設定した場合のチャージアンプの入力周波数と出力ノイズとの関係に寄生容量が与える影響を示すシミュレーションデータのグラフ。
【図４】同じくＭＯＳトランジスタを等価回路で示すシミュレーション回路。
【符号の説明】
【００１８】
１      チャージアンプ
２      オペアンプ
３      負帰還容量
４      負帰還抵抗
５      増幅基準電圧
６      振動型角速度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007096750.tif 000005
【図４】
2007096750.tif 000006