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JP2020020769A - Capacitance detection circuit - Google Patents

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昇 石原
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Abstract

To reduce noise.SOLUTION: A preamplifier 110 includes an operational amplifier OA1 and a feedback capacitor Cf. A driver 120 controls the voltages of a first line L1, a second line L2, and a sense node Ns. The driver 120 applies a driving voltage Vd with a first polarity between the first line L1 and the second line L2 in a first state φ1 and in a second state φ2, and applies a driving voltage with a second polarity opposite to the first polarity in a third state φ3. The preamplifier 110 is formed so that the charge of the feedback capacitor Cf is initialized in the first state φ1 and the feedback capacitor Cf is connected between the sensor node Ns and the output terminal of the operational amplifier OA1 in the second state φ2 and in the third state φ3.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、静電容量検出回路に関する。   The present invention relates to a capacitance detection circuit.

加速度センサとして、静電容量方式が広く用いられている。静電容量方式の加速度センサは、加速度に応じて変位する可動電極と固定電極とを有し、それらが形成する静電容量の変化が検出される。このような加速度センサには、静電容量の検出回路が内蔵される。   As the acceleration sensor, a capacitance type is widely used. The capacitance-type acceleration sensor has a movable electrode and a fixed electrode that are displaced in accordance with acceleration, and detects a change in capacitance formed by the electrodes. Such an acceleration sensor has a built-in capacitance detection circuit.

N. Yazdi, K. Najafi, "An interface IC for a capacitive silicon ug accelerometer", IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1999 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. ISSCC. First Edition (Cat. No.99CH36278), pp132-133, 17,Feb,1999, DOI:10.1109/ISSCC.1999.759161N. Yazdi, K. Najafi, "An interface IC for a capacitive silicon ug accelerometer", IEEE International Solid-State Circuits Conference, 1999 IEEE International Solid-State Circuits Conference.Digest of Technical Papers.ISSCC.First Edition (Cat. .99CH36278), pp132-133, 17, Feb, 1999, DOI: 10.1109 / ISSCC.1999.759161

検出回路は、オペアンプ、キャパシタおよびいくつかのアナログスイッチで構成されるプリアンプを備える。このようなプリアンプでは、アナログスイッチを介してキャパシタを充電することに起因するkT/Cノイズが発生する。kT/Cノイズを低減するためには、キャパシタCを大きくする必要があるが、動作速度の低下や、回路面積の増大といった問題を引き起こす。   The detection circuit includes a preamplifier including an operational amplifier, a capacitor, and some analog switches. In such a preamplifier, kT / C noise is generated due to charging a capacitor via an analog switch. In order to reduce the kT / C noise, it is necessary to increase the size of the capacitor C, but this causes problems such as a decrease in operation speed and an increase in circuit area.

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、kT/Cノイズを低減した静電容量検出回路の提供にある。   The present invention has been made in such a situation, and an exemplary object of one embodiment of the present invention is to provide a capacitance detection circuit with reduced kT / C noise.

本発明のある態様は、第1ラインと第2ラインの間に直列に接続される第1センス容量および第2センス容量の静電容量を検出する検出回路に関する。検出回路は、オペアンプおよびフィードバックキャパシタを含むプリアンプと、第1センスライン、第2ラインおよび第1センス容量と第2センス容量を接続するセンスノードの電圧を制御するドライバと、を備える。ドライバは、第1状態および第2状態において、第1ラインと第2ラインの間に、第1極性の駆動電圧を印加し、第3状態において、第1ラインと第2ラインの間に、第1極性と反対の第2極性の駆動電圧を印加可能に構成される。プリアンプは、第1状態において、フィードバックキャパシタの電荷が初期化され、第2状態および第3状態において、センスノードとオペアンプの出力端子の間にフィードバックキャパシタが接続されるように構成される。   One embodiment of the present invention relates to a detection circuit for detecting capacitances of a first sense capacitor and a second sense capacitor connected in series between a first line and a second line. The detection circuit includes a preamplifier including an operational amplifier and a feedback capacitor, and a driver for controlling a voltage of a first sense line, a second line, and a sense node connecting the first and second sense capacitors. The driver applies a drive voltage of a first polarity between the first line and the second line in the first state and the second state, and applies a drive voltage between the first line and the second line in the third state. The driving voltage of the second polarity opposite to the one polarity can be applied. The preamplifier is configured such that the charge of the feedback capacitor is initialized in the first state, and the feedback capacitor is connected between the sense node and the output terminal of the operational amplifier in the second state and the third state.

この態様によると、第2状態と第3状態で得られるプリアンプの出力電圧の差分をとることにより、第1センス容量と第2センス容量の差分を検出できる。第2状態と第3状態では、プリアンプの出力電圧には共通の雑音成分が含まれるため、それらの差分をとることで、雑音成分がキャンセルされ、kT/Cノイズの影響を低減できる。   According to this aspect, the difference between the first sense capacitor and the second sense capacitor can be detected by calculating the difference between the output voltages of the preamplifier obtained in the second state and the third state. In the second state and the third state, a common noise component is included in the output voltage of the preamplifier. Therefore, by taking the difference between them, the noise component is canceled and the effect of kT / C noise can be reduced.

オペアンプの非反転入力端子には基準電圧が印加されてもよい。ドライバは、第1状態および第2状態において、第1ラインに第1電圧を印加し、第2ラインに第2電圧を印加し、センスノードに基準電圧を印加し、第3状態において、第1ラインに第2電圧を印加し、第2ラインに第1電圧を印加するよう構成されてもよい。プリアンプは、第1状態において、フィードバックキャパシタの両端に基準電圧が印加され、オペアンプの反転入力端子と出力端子がショートされ、第2状態および第3状態において、センスノードとオペアンプの出力端子の間にフィードバックキャパシタが接続されるように構成されてもよい。   A reference voltage may be applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier. The driver applies a first voltage to the first line, applies a second voltage to the second line, applies a reference voltage to the sense node in the first state and the second state, and outputs the first voltage in the third state. It may be configured to apply a second voltage to the line and apply a first voltage to the second line. In the preamplifier, in the first state, the reference voltage is applied to both ends of the feedback capacitor, the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier are short-circuited, and in the second state and the third state, between the sense node and the output terminal of the operational amplifier. A feedback capacitor may be configured to be connected.

フィードバックキャパシタの一端はセンスノードと接続されてもよい。プリアンプは、オペアンプの反転入力端子と出力端子の間に設けられ、第1状態においてオンとなる第1スイッチと、フィードバックキャパシタの他端とオペアンプの出力端子の間に設けられ、第2状態および第3状態においてオンとなる第2スイッチと、基準電圧が印加される基準ラインとフィードバックキャパシタの他端の間に設けられ、第1状態においてオンとなる第3スイッチと、をさらに含んでもよい。   One end of the feedback capacitor may be connected to the sense node. The preamplifier is provided between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier and is turned on in the first state, and is provided between the other end of the feedback capacitor and the output terminal of the operational amplifier. It may further include a second switch that is turned on in the third state, and a third switch that is provided between the reference line to which the reference voltage is applied and the other end of the feedback capacitor and is turned on in the first state.

フィードバックキャパシタの一端はオペアンプの出力端子と接続されてもよい。プリアンプは、フィードバックキャパシタと並列に接続され、第1状態においてオンとなる第4スイッチと、フィードバックキャパシタの他端とオペアンプの反転入力端子の間に設けられ、第1状態においてオンとなる第5スイッチと、フィードバックキャパシタの他端とセンスノードの間に設けられ、第2状態および第3状態においてオンとなる第6スイッチと、をさらに含んでもよい。   One end of the feedback capacitor may be connected to an output terminal of the operational amplifier. The preamplifier is connected in parallel with the feedback capacitor and is turned on in the first state. The fourth switch is provided between the other end of the feedback capacitor and the inverting input terminal of the operational amplifier and turned on in the first state. And a sixth switch provided between the other end of the feedback capacitor and the sense node and turned on in the second state and the third state.

プリアンプは、センスノードとオペアンプの反転入力端子の間に設けられた入力キャパシタをさらに含んでもよい。これにより、オフセット電圧の影響をキャンセルできる。また第2状態と第3状態の差分をとることで、センスノードの容量に起因するkT/Cノイズのみでなく、入力キャパシタとオペアンプの接続ノードの容量に起因するkT/Cノイズをキャンセルできる。   The preamplifier may further include an input capacitor provided between the sense node and an inverting input terminal of the operational amplifier. Thereby, the influence of the offset voltage can be canceled. By calculating the difference between the second state and the third state, not only kT / C noise caused by the capacitance of the sense node but also kT / C noise caused by the capacitance of the connection node between the input capacitor and the operational amplifier can be canceled.

検出回路は、第2状態におけるプリアンプの出力電圧と第3状態におけるプリアンプの出力電圧の差分を計算する差分アンプをさらに備えてもよい。検出回路は、差分アンプの出力をデジタル信号に変換するΔΣ変調器をさらに備えてもよい。   The detection circuit may further include a difference amplifier that calculates a difference between the output voltage of the preamplifier in the second state and the output voltage of the preamplifier in the third state. The detection circuit may further include a ΔΣ modulator that converts an output of the difference amplifier into a digital signal.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   It should be noted that any combination of the above-described components, and any replacement of the components and expressions of the present invention between methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as embodiments of the present invention.

さらに、この項目(課題を解決するための手段)の記載は、本発明の欠くべからざるすべての特徴を説明するものではなく、したがって、記載されるこれらの特徴のサブコンビネーションも、本発明たり得る。   Furthermore, the description of this item (means for solving the problem) does not explain all the indispensable features of the present invention, and therefore, the sub-combinations of these features described can also be the present invention. .

本発明のある態様によれば、ノイズの影響を低減できる。   According to an embodiment of the present invention, the influence of noise can be reduced.

実施の形態に係る加速度センサの回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of the acceleration sensor according to the embodiment. 第1実施例に係る静電容量検出回路のブロック図である。FIG. 3 is a block diagram of a capacitance detection circuit according to the first embodiment. 図3(a)〜(c)は、図2の静電容量検出回路の第1状態φ1〜第3状態φ3における等価回路図である。FIGS. 3A to 3C are equivalent circuit diagrams of the capacitance detection circuit of FIG. 2 in the first state φ1 to the third state φ3. 図4(a)、(b)は、容量の検出を説明する図である。FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating the detection of the capacitance. 静電容量検出回路の出力電圧Voutの分散を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating dispersion of an output voltage Vout of the capacitance detection circuit. 図6(a)、(b)は、比較技術に係る静電容量検出回路の動作を説明する図である。FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating the operation of the capacitance detection circuit according to the comparative technique. 比較技術に係る静電容量検出回路の出力電圧Voutの分散を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating dispersion of an output voltage Vout of the capacitance detection circuit according to the comparative technique. 第2実施例に係る静電容量検出回路の回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram of a capacitance detection circuit according to a second example. 図9(a)〜(c)は、図8の静電容量検出回路の第1状態φ1〜第3状態φ3における等価回路図である。FIGS. 9A to 9C are equivalent circuit diagrams of the capacitance detection circuit in FIG. 8 in the first state φ1 to the third state φ3. 加速度センサのブロック図である。It is a block diagram of an acceleration sensor. 図10のプリアンプおよび差分アンプの回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram of a preamplifier and a difference amplifier of FIG.

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and the repeated description will be omitted as appropriate. In addition, the embodiments do not limit the invention, but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

図1は、実施の形態に係る加速度センサ2の回路図である。加速度センサ2は、MEMS回路4および読み出し回路6を備える。MEMS回路4および読み出し回路6はひとつの半導体基板に集積化される。MEMS回路4は、可動電極と固定電極を含み、それらの間には、センス容量Cm1およびCm2が形成される。センス容量Cm1およびCm2は、第1ラインL1と第2ラインL2の間に直列に設けられ、それらの接続ノードをセンスノードNsと称する。   FIG. 1 is a circuit diagram of the acceleration sensor 2 according to the embodiment. The acceleration sensor 2 includes a MEMS circuit 4 and a readout circuit 6. The MEMS circuit 4 and the read circuit 6 are integrated on one semiconductor substrate. The MEMS circuit 4 includes a movable electrode and a fixed electrode, between which sense capacitors Cm1 and Cm2 are formed. The sense capacitors Cm1 and Cm2 are provided in series between the first line L1 and the second line L2, and a connection node between them is referred to as a sense node Ns.

読み出し回路6は、静電容量検出回路100を備える。静電容量検出回路100は、プリアンプ110およびドライバ120を備える。プリアンプ110は、オペアンプOA1、フィードバックキャパシタCfおよびいくつかのスイッチSWを含む。ドライバ120は、第1ラインL1、第2ラインL2およびセンスノードNsの電圧を制御する。   The read circuit 6 includes a capacitance detection circuit 100. The capacitance detection circuit 100 includes a preamplifier 110 and a driver 120. The preamplifier 110 includes an operational amplifier OA1, a feedback capacitor Cf, and some switches SW. The driver 120 controls the voltages of the first line L1, the second line L2, and the sense node Ns.

静電容量検出回路100は、第1状態φ1〜第3状態φ3で切り替え可能である。   The capacitance detection circuit 100 can switch between the first state φ1 to the third state φ3.

ドライバ120は、第1状態φ1および第2状態φ2において、第1ラインL1と第2ラインL2の間に、第1極性の駆動電圧Vdを印加し、第3状態φ3において、第1ラインL1と第2ラインL2の間に、第1極性と反対の第2極性の駆動電圧−Vdを印加可能に構成される。   The driver 120 applies a drive voltage Vd of the first polarity between the first line L1 and the second line L2 in the first state φ1 and the second state φ2, and connects the first line L1 with the first line L1 in the third state φ3. A drive voltage -Vd having a second polarity opposite to the first polarity can be applied between the second lines L2.

プリアンプ110は、第1状態φ1において、フィードバックキャパシタCfの電荷が初期化され、第2状態φ2および第3状態φ3において、センスノードNsとオペアンプOA1の出力端子の間にフィードバックキャパシタCfが接続されるように構成される。   In the preamplifier 110, the charge of the feedback capacitor Cf is initialized in the first state φ1, and the feedback capacitor Cf is connected between the sense node Ns and the output terminal of the operational amplifier OA1 in the second state φ2 and the third state φ3. It is configured as follows.

以上が静電容量検出回路100の基本構成である。本発明は、図1のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。   The above is the basic configuration of the capacitance detection circuit 100. The present invention extends to various devices and methods that can be grasped as the block diagram or circuit diagram of FIG. 1 or derived from the above description, and is not limited to a specific configuration. Hereinafter, more specific configuration examples and embodiments will be described, not to narrow the scope of the present invention but to help understand the essence and operation of the present invention and to clarify them.

(第1実施例)
図2は、第1実施例に係る静電容量検出回路100Aのブロック図である。ドライバ120は、第1状態φ1および第2状態φ2において、第1ラインL1に第1電圧(たとえば電源電圧Vdd)を印加し、第2ラインL2に第2電圧(たとえば接地電圧Vss)を印加し、センスノードNsに基準電圧Vcomを印加する。基準電圧Vcomは、第1電圧と第2電圧の中点にとることができる。
(First embodiment)
FIG. 2 is a block diagram of the capacitance detection circuit 100A according to the first embodiment. Driver 120 applies a first voltage (eg, power supply voltage Vdd) to first line L1 and applies a second voltage (eg, ground voltage Vss) to second line L2 in first state φ1 and second state φ2. , A reference voltage Vcom is applied to the sense node Ns. The reference voltage Vcom can be set at a midpoint between the first voltage and the second voltage.

ドライバ120は、スイッチSW21〜SW25を含む。スイッチSW21およびSW24は、第1状態φ1、第2状態φ2においてオンとなり、第1ラインL1に第1電圧Vddを、第2ラインL2に第2電圧Vssを印加する。スイッチSW22およびSW23は、第3状態φ3においてオンとなり、第1ラインL1に第2電圧Vssを、第2ラインL2に第1電圧Vddを印加する。スイッチSW21およびSW22のペア、スイッチSW23およびSW24のペアはそれぞれ、CMOSインバータで構成してもよい。   Driver 120 includes switches SW21 to SW25. The switches SW21 and SW24 are turned on in the first state φ1 and the second state φ2, and apply the first voltage Vdd to the first line L1 and apply the second voltage Vss to the second line L2. The switches SW22 and SW23 are turned on in the third state φ3, and apply the second voltage Vss to the first line L1 and apply the first voltage Vdd to the second line L2. Each of the pair of switches SW21 and SW22 and the pair of switches SW23 and SW24 may be configured by a CMOS inverter.

スイッチSW25は、第1状態φ1においてオンとなり、センスノードNsに基準電圧Vcomを印加する。   The switch SW25 is turned on in the first state φ1, and applies the reference voltage Vcom to the sense node Ns.

プリアンプ110Aは、オペアンプOA1、フィードバックキャパシタCf、入力キャパシタCsを含む。オペアンプOA1の非反転入力端子(+)には基準電圧Vcomが印加される。   Preamplifier 110A includes an operational amplifier OA1, a feedback capacitor Cf, and an input capacitor Cs. The reference voltage Vcom is applied to the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier OA1.

プリアンプ110Aは、第1状態φ1において、フィードバックキャパシタCfの両端それぞれに基準電圧Vcomが印加され、オペアンプOA1の反転入力端子(−)と出力端子がショートされる。またプリアンプ110は、第2状態φ2および第3状態φ3において、センスノードNsとオペアンプOA1の出力端子の間にフィードバックキャパシタCfが接続される。   In the first state φ1, in the preamplifier 110A, the reference voltage Vcom is applied to both ends of the feedback capacitor Cf, and the inverting input terminal (−) and the output terminal of the operational amplifier OA1 are short-circuited. In the preamplifier 110, a feedback capacitor Cf is connected between the sense node Ns and the output terminal of the operational amplifier OA1 in the second state φ2 and the third state φ3.

第1実施例において、フィードバックキャパシタCfの一端はセンスノードNsと接続されている。第1状態φ1〜第3状態φ3を実現するため、複数のスイッチSW1〜SW3が設けられる。第1スイッチSW1は、オペアンプOA1の反転入力端子(−)と出力端子の間に設けられ、第1状態φ1においてオンとなる。第2スイッチSW2は、フィードバックキャパシタCfの他端とオペアンプOA1の出力端子の間に設けられ、第2状態φ2および第3状態φ3においてオンとなる。第3スイッチSW3は、基準電圧Vcomが印加される基準ラインL3とフィードバックキャパシタCfの他端の間に設けられ、第1状態φ1においてオンとなる。   In the first embodiment, one end of the feedback capacitor Cf is connected to the sense node Ns. In order to realize the first state φ1 to the third state φ3, a plurality of switches SW1 to SW3 are provided. The first switch SW1 is provided between the inverting input terminal (−) and the output terminal of the operational amplifier OA1, and is turned on in the first state φ1. The second switch SW2 is provided between the other end of the feedback capacitor Cf and the output terminal of the operational amplifier OA1, and is turned on in the second state φ2 and the third state φ3. The third switch SW3 is provided between the reference line L3 to which the reference voltage Vcom is applied and the other end of the feedback capacitor Cf, and is turned on in the first state φ1.

以上が静電容量検出回路100Aの構成である。続いてその動作を説明する。図3(a)〜(c)は、図2の静電容量検出回路100Aの第1状態φ1〜第3状態φ3における等価回路図である。   The above is the configuration of the capacitance detection circuit 100A. Subsequently, the operation will be described. FIGS. 3A to 3C are equivalent circuit diagrams of the capacitance detection circuit 100A in FIG. 2 in the first to third states φ1 to φ3.

図3(a)、(b)の第1状態φ1、第2状態φ2において、第1センス容量Cm1が、Vdd−Vcomで充電され、第2センス容量Cm2が、Vcom−Vssで充電される。以下、Vss=0Vとする。   In the first state φ1 and the second state φ2 of FIGS. 3A and 3B, the first sense capacitor Cm1 is charged at Vdd-Vcom, and the second sense capacitor Cm2 is charged at Vcom-Vss. Hereinafter, Vss = 0V.

また図3(a)の第1状態φ1において、オペアンプOA1の出力と反転入力端子がショートされ、ボルテージフォロアが形成される。フィードバックキャパシタCfの両端には、基準電圧Vcomが印加され、その電荷はゼロにリセットされる。また仮想接地により、オペアンプOA1の反転入力端子の電圧Vbは、基準電圧Vcomと等しくなるから、入力キャパシタCsの両端にも基準電圧Vcomが印加され、その電荷はゼロにリセットされる。   In the first state φ1 of FIG. 3A, the output of the operational amplifier OA1 and the inverting input terminal are short-circuited, and a voltage follower is formed. The reference voltage Vcom is applied to both ends of the feedback capacitor Cf, and the charge is reset to zero. Since the virtual ground causes the voltage Vb at the inverting input terminal of the operational amplifier OA1 to be equal to the reference voltage Vcom, the reference voltage Vcom is also applied to both ends of the input capacitor Cs, and the charge is reset to zero.

図3(b)、(c)の第2状態φ2、第3状態φ3では、出力端子に、第1センス容量Cm1、第2センス容量Cm2に応じた電圧Voutが発生する。   In the second state φ2 and the third state φ3 of FIGS. 3B and 3C, a voltage Vout corresponding to the first sense capacitance Cm1 and the second sense capacitance Cm2 is generated at the output terminal.

図4(a)、(b)は、容量の検出を説明する図である。キャパシタCsは、オフセット電圧をキャンセルするために設けられており、容量検出に関しては無視できるため、省略している。図4(a)には第2状態φ2が、図4(b)には第3状態φ3が示される。第2状態φ2において、センスノードNsの電圧Vaは、基準電圧Vcomと等しくなる。このときの出力電圧Vout1は、式(1)で与えられる。
Vout1=−{VddCm1−Va(Cm1+Cm2)}/Cf+Va…(1)
FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating the detection of the capacitance. The capacitor Cs is provided for canceling the offset voltage, and is omitted because capacitance detection can be ignored. FIG. 4A shows the second state φ2, and FIG. 4B shows the third state φ3. In the second state φ2, the voltage Va of the sense node Ns becomes equal to the reference voltage Vcom. The output voltage Vout1 at this time is given by equation (1).
Vout1 = − {VddCm1-Va (Cm1 + Cm2)} / Cf + Va (1)

第3状態φ3では、第1センス容量Cm1と第2センス容量Cm2に印加される電圧の極性が反転しており、このときの出力電圧Vout2は、式(2)で与えられる。
Vout2=−{VddCm2−Va(Cm1+Cm2)}/Cf+Va…(2)
In the third state φ3, the polarities of the voltages applied to the first and second sense capacitors Cm1 and Cm2 are inverted, and the output voltage Vout2 at this time is given by Expression (2).
Vout2 = − {VddCm2-Va (Cm1 + Cm2)} / Cf + Va (2)

第2状態φ2で得られる出力電圧Vout1と第3状態φ3で得られる出力電圧Vout2の差分ΔVは、式(3)で表される。
ΔV=Vout1−Vout2=(Cm2−Cm1)/Cf×Vdd …(3)
式(3)から明らかなように、差分ΔVには、センスノードNsの電圧Vaが含まれておらず、したがって、センスノードNsに注入されるkT/C雑音の電荷の影響を受けない。
The difference ΔV between the output voltage Vout1 obtained in the second state φ2 and the output voltage Vout2 obtained in the third state φ3 is expressed by Expression (3).
ΔV = Vout1-Vout2 = (Cm2-Cm1) / Cf × Vdd (3)
As is clear from equation (3), the difference ΔV does not include the voltage Va of the sense node Ns, and is therefore not affected by the charge of the kT / C noise injected into the sense node Ns.

図5は、静電容量検出回路100Aの出力電圧Voutの分散を示す図である。出力電圧Voutの分散は、振幅の揺らぎの大きさである。第2状態φ2の出力電圧Voutには、雑音の分散が含まれており、第3状態φ3では、出力電圧Voutには、雑音の分散に加えて、信号成分の分散が含まれている。それらの差分をとることで、低雑音の信号成分を抽出できる。トランジェント解析によって計算すると、信号成分の分散は3.77μV、第3状態φ3において得られる信号成分および雑音成分の分散は、20.01μVであった。信号部分の分散は、信号および雑音部分の分散よりも十分に小さいため、本実施例の有効性が確認できる。   FIG. 5 is a diagram illustrating the dispersion of the output voltage Vout of the capacitance detection circuit 100A. The variance of the output voltage Vout is the magnitude of the amplitude fluctuation. The output voltage Vout in the second state φ2 includes noise variance, and in the third state φ3, the output voltage Vout includes signal component variance in addition to noise variance. By taking the difference between them, a low noise signal component can be extracted. When calculated by transient analysis, the variance of the signal component was 3.77 μV, and the variance of the signal component and the noise component obtained in the third state φ3 was 20.01 μV. Since the variance of the signal portion is sufficiently smaller than the variance of the signal and noise portions, the effectiveness of this embodiment can be confirmed.

なお静電容量検出回路100Aのさらなる利点は、比較技術との対比によって明確となる。比較技術に係る静電容量検出回路は、構成では第1実施例と同様であるが、動作が異なる。具体的に第1実施例は、3状態φ1〜φ3で遷移したのに対して、比較技術では、2状態φ1、φ3で遷移する。図6(a)、(b)は、比較技術に係る静電容量検出回路100Rの動作を説明する図である。図6(a)は、第1状態φ1を、図6(b)は第3状態φ3を表す。比較技術では、後段において、第1状態φ1の出力電圧Voutと、第3状態φ3の出力電圧Voutの差分が取得される。   Further advantages of the capacitance detection circuit 100A become clear by comparison with a comparative technique. The capacitance detection circuit according to the comparative technique is similar in configuration to the first embodiment, but operates differently. Specifically, in the first embodiment, transition is made in three states φ1 to φ3, whereas in the comparative technique, transition is made in two states φ1 and φ3. FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating the operation of the capacitance detection circuit 100R according to the comparative technique. FIG. 6A shows the first state φ1, and FIG. 6B shows the third state φ3. In the comparison technique, a difference between the output voltage Vout in the first state φ1 and the output voltage Vout in the third state φ3 is acquired in a subsequent stage.

図7は、比較技術に係る静電容量検出回路の出力電圧Voutの分散を示す図である。第3状態φ3と第1状態φ1の差分をとっても、雑音成分を低減することはできないことがわかる。すなわち比較技術では、センスノードNsのkT/C雑音の影響は低減できるが、オペアンプOA1の反転入力端子におけるkT/C雑音の影響が残留する。比較技術では、容量値を大きくすることで雑音を低減することもできるが、回路面積および消費電力の増大、応答速度の低下といった問題を引き起こす。   FIG. 7 is a diagram illustrating the dispersion of the output voltage Vout of the capacitance detection circuit according to the comparative technique. It can be seen that the noise component cannot be reduced by taking the difference between the third state φ3 and the first state φ1. That is, in the comparative technique, the effect of kT / C noise on the sense node Ns can be reduced, but the effect of kT / C noise on the inverting input terminal of the operational amplifier OA1 remains. In the comparative technique, noise can be reduced by increasing the capacitance value, but it causes problems such as an increase in circuit area and power consumption and a decrease in response speed.

これに対して第1実施例によれば、センスノードNsのみでなく、オペアンプOA1の反転入力端子のkT/C雑音の影響を低減できるという効果が得られる。   On the other hand, according to the first embodiment, the effect is obtained that the effect of kT / C noise at the inverting input terminal of the operational amplifier OA1 as well as the sense node Ns can be reduced.

(第2実施例)
図8は、第2実施例に係る静電容量検出回路100Bの回路図である。プリアンプ110Bは、オペアンプOA1、フィードバックキャパシタCf、入力キャパシタCsおよびスイッチSW4〜SW6を備える。
(Second embodiment)
FIG. 8 is a circuit diagram of a capacitance detection circuit 100B according to the second embodiment. The preamplifier 110B includes an operational amplifier OA1, a feedback capacitor Cf, an input capacitor Cs, and switches SW4 to SW6.

フィードバックキャパシタCfの一端はオペアンプOA1の出力端子と接続されている。第4スイッチSW4は、フィードバックキャパシタCfと並列に接続され、第1状態φ1においてオンとなる。第5スイッチSW5は、フィードバックキャパシタCfの他端とオペアンプOA1の反転入力端子の間に設けられ、第1状態φ1においてオンとなる。第6スイッチSW6は、フィードバックキャパシタCfの他端とセンスノードNsの間に設けられ、第2状態φ2および第3状態φ3においてオンとなる。   One end of the feedback capacitor Cf is connected to the output terminal of the operational amplifier OA1. The fourth switch SW4 is connected in parallel with the feedback capacitor Cf, and is turned on in the first state φ1. The fifth switch SW5 is provided between the other end of the feedback capacitor Cf and the inverting input terminal of the operational amplifier OA1, and is turned on in the first state φ1. The sixth switch SW6 is provided between the other end of the feedback capacitor Cf and the sense node Ns, and is turned on in the second state φ2 and the third state φ3.

図9(a)〜(c)は、図8の静電容量検出回路100Bの第1状態φ1〜第3状態φ3における等価回路図である。第1状態φ1では、第1実施例と同様に、フィードバックキャパシタCfの両端それぞれに基準電圧Vcomが印加され、オペアンプOA1の反転入力端子(−)と出力端子がショートされる。また第2状態φ2および第3状態φ3において、センスノードNsとオペアンプOA1の出力端子の間にフィードバックキャパシタCfが接続される。   FIGS. 9A to 9C are equivalent circuit diagrams of the capacitance detection circuit 100B in FIG. 8 in the first to third states φ1 to φ3. In the first state φ1, as in the first embodiment, the reference voltage Vcom is applied to both ends of the feedback capacitor Cf, and the inverting input terminal (−) and the output terminal of the operational amplifier OA1 are short-circuited. In the second state φ2 and the third state φ3, a feedback capacitor Cf is connected between the sense node Ns and the output terminal of the operational amplifier OA1.

第2実施例によれば、第1実施例と同様の効果を得ることができる。当業者によれば、第1実施例、第2実施例は例示に過ぎず、複数のスイッチのトポロジーにはさまざまな変形例が存在すること、またこうした変形例が本発明の範囲に含まれることが理解される。   According to the second embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained. According to those skilled in the art, the first embodiment and the second embodiment are merely examples, and there are various modifications in the topology of a plurality of switches, and such modifications are included in the scope of the present invention. Is understood.

続いて静電容量検出回路100の後段における信号処理および構成を説明する。図10は、加速度センサ2のブロック図である。読み出し回路6Cは、静電容量検出回路100に加えて、差分アンプ10、ΔΣ変調器12、積分器14、コントローラ20を備える。コントローラ20は静電容量検出回路100の状態遷移を制御するとともに、それと連動して、後段の差分アンプ10、ΔΣ変調器12、積分器14の状態を制御する。   Next, the signal processing and configuration in the subsequent stage of the capacitance detection circuit 100 will be described. FIG. 10 is a block diagram of the acceleration sensor 2. The read circuit 6C includes a difference amplifier 10, a ΔΣ modulator 12, an integrator 14, and a controller 20 in addition to the capacitance detection circuit 100. The controller 20 controls the state transition of the capacitance detection circuit 100 and, in conjunction therewith, controls the states of the differential amplifier 10, the ΔΣ modulator 12, and the integrator 14 at the subsequent stage.

差分アンプ10は、第2状態φ2におけるドライバ120の出力電圧Voutと、第3状態φ3におけるドライバの出力電圧Voutをサンプリングし、それらの差分ΔVに応じた電圧Vxを生成する。ΔΣ変調器12は、電圧VxをΔΣ変調し、ビットストリームであるデジタル出力Doutに変換する。積分器14は、ΔΣ変調によるノイズシェーピングにより高帯域に含まれることとなったノイズを除去する。   The difference amplifier 10 samples the output voltage Vout of the driver 120 in the second state φ2 and the output voltage Vout of the driver in the third state φ3, and generates a voltage Vx according to the difference ΔV between them. The ΔΣ modulator 12 performs ΔΣ modulation on the voltage Vx and converts the voltage Vx into a digital output Dout which is a bit stream. The integrator 14 removes noise included in a high band due to noise shaping by ΔΣ modulation.

図11は、図10のプリアンプ100Cおよび差分アンプ10の回路図である。差分アンプ10は、完全差動アンプDA1と、複数のキャパシタC11〜C14,C21,C22および複数のスイッチを備える。この実施例において、差分アンプ10は、シングルエンドの信号Voutを、差動信号VOUTP,VOUTNに変換する。 FIG. 11 is a circuit diagram of the preamplifier 100C and the difference amplifier 10 of FIG. The difference amplifier 10 includes a fully differential amplifier DA1, a plurality of capacitors C11 to C14, C21, C22, and a plurality of switches. In this embodiment, the difference amplifier 10 converts the single-ended signal Vout into differential signals V OUTP and V OUTN .

一般に、ΔΣ変調器12は、デジタル出力Doutをアナログ信号に変換するサブD/Aコンバータ、入力信号とサブD/Aコンバータの出力の差分を生成する減算器、減算器の出力を積分する積分器、積分器の出力を量子化し、デジタル出力Doutを生成する量子化器を含む。図11の差分アンプ10は、ΔΣ変調器12の減算器とサブD/Aコンバータの機能を備える。   In general, the ΔΣ modulator 12 includes a sub D / A converter that converts a digital output Dout into an analog signal, a subtractor that generates a difference between an input signal and an output of the sub D / A converter, and an integrator that integrates an output of the subtractor. , Quantizer to quantize the output of the integrator and generate a digital output Dout. The difference amplifier 10 in FIG. 11 has functions of a subtractor of the ΔΣ modulator 12 and a sub D / A converter.

図中、φxdが付されるスイッチは、φxに微小遅延を与えた信号によって制御されることを示す。また符号30、32は、サブD/Aコンバータとして動作し、図10のデジタル出力Doutに応じてL,Hのスイッチが相補的にオンとなる。   In the figure, the switch denoted by φxd is controlled by a signal obtained by adding a small delay to φx. Reference numerals 30 and 32 operate as sub D / A converters, and the L and H switches are turned on complementarily according to the digital output Dout in FIG.

本発明は、上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例や変形例を説明する。   The present invention extends to various devices, methods, and circuits derived from the above description, and is not limited to any particular configuration. Hereinafter, more specific embodiments and modifications will be described not to narrow the scope of the present invention but to help understand the essence and operation of the present invention and to clarify them.

第1実施例、第2実施例において、入力キャパシタCsを設けたがその限りでなく、入力キャパシタCsを省略してもよい。   Although the input capacitor Cs is provided in the first and second embodiments, the present invention is not limited to this, and the input capacitor Cs may be omitted.

また図10においてΔΣ変調のA/Dコンバータを用いたがその限りでなく、逐次比較型など別形式のA/Dコンバータを用いてもよい。   In FIG. 10, an A / D converter of ΔΣ modulation is used.

また実施の形態では、静電容量検出回路100の用途として、加速度センサを説明したがその限りでなく、さまざまな静電容量を検出対象とすることができる。たとえば、静電容量検出回路100は、タッチセンサやマイクに応用してもよい。   In the embodiments, the acceleration sensor has been described as an application of the capacitance detection circuit 100. However, the present invention is not limited to this, and various capacitances can be detected. For example, the capacitance detection circuit 100 may be applied to a touch sensor or a microphone.

2 加速度センサ
4 MEMS回路
6 読み出し回路
10 差分アンプ
12 ΔΣ変調器
14 積分器
20 コントローラ
Cm1 第1センス容量
Cm2 第2センス容量
Ns センスノード
L1 第1ライン
L2 第2ライン
100 静電容量検出回路
110 プリアンプ
OA1 オペアンプ
Cs 入力キャパシタ
Cf フィードバックキャパシタ
120 ドライバ
SW1 第1スイッチ
SW2 第2スイッチ
SW3 第3スイッチ
SW4 第4スイッチ
SW5 第5スイッチ
SW6 第6スイッチ
2 Accelerometer 4 MEMS circuit 6 Readout circuit 10 Difference amplifier 12 ΔΣ modulator 14 Integrator 20 Controller Cm1 First sense capacitor Cm2 Second sense capacitor Ns Sense node L1 First line L2 Second line 100 Capacitance detection circuit 110 Preamplifier OA1 Operational amplifier Cs Input capacitor Cf Feedback capacitor 120 Driver SW1 First switch SW2 Second switch SW3 Third switch SW4 Fourth switch SW5 Fifth switch SW6 Sixth switch

Claims (7)

第1ラインと第2ラインの間に直列に接続される第1センス容量および第2センス容量の静電容量を検出する検出回路であって、
オペアンプおよびフィードバックキャパシタを含むプリアンプと、
前記第1ライン、前記第2ラインおよび前記第1センス容量と前記第2センス容量を接続するセンスノードの電圧を制御するドライバと、
を備え、
前記ドライバは、第1状態および第2状態において、前記第1ラインと前記第2ラインの間に、第1極性の駆動電圧を印加し、第3状態において、前記第1ラインと前記第2ラインの間に、前記第1極性と反対の第2極性の駆動電圧を印加可能に構成され、
前記プリアンプは、前記第1状態において、前記フィードバックキャパシタの電荷が初期化され、前記第2状態および前記第3状態において、前記センスノードと前記オペアンプの出力端子の間に前記フィードバックキャパシタが接続されるように構成されることを特徴とする検出回路。
A detection circuit for detecting capacitance of a first sense capacitor and a second sense capacitor connected in series between a first line and a second line,
A preamplifier including an operational amplifier and a feedback capacitor;
A driver for controlling a voltage of the first line, the second line, and a sense node connecting the first sense capacitor and the second sense capacitor;
With
The driver applies a driving voltage of a first polarity between the first line and the second line in a first state and a second state, and in a third state, the first line and the second line. A drive voltage having a second polarity opposite to the first polarity can be applied,
In the preamplifier, the charge of the feedback capacitor is initialized in the first state, and the feedback capacitor is connected between the sense node and an output terminal of the operational amplifier in the second state and the third state. A detection circuit characterized by being configured as described above.
前記オペアンプの非反転入力端子には基準電圧が印加され、
前記ドライバは、
前記第1状態および前記第2状態において、前記第1ラインに第1電圧を印加し、前記第2ラインに第2電圧を印加し、前記センスノードに基準電圧を印加し、
前記第3状態において、前記第1ラインに前記第2電圧を印加し、前記第2ラインに前記第1電圧を印加するよう構成され、
前記プリアンプは、
前記第1状態において、前記フィードバックキャパシタの両端に前記基準電圧が印加され、前記オペアンプの反転入力端子と出力端子がショートされ、
前記第2状態および前記第3状態において、前記センスノードと前記オペアンプの前記出力端子の間に前記フィードバックキャパシタが接続されるように構成されることを特徴とする請求項1に記載の検出回路。
A reference voltage is applied to a non-inverting input terminal of the operational amplifier,
The driver is
In the first state and the second state, a first voltage is applied to the first line, a second voltage is applied to the second line, a reference voltage is applied to the sense node,
In the third state, the second voltage is applied to the first line, and the first voltage is applied to the second line.
The preamplifier,
In the first state, the reference voltage is applied across the feedback capacitor, the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier are short-circuited,
The detection circuit according to claim 1, wherein the feedback capacitor is connected between the sense node and the output terminal of the operational amplifier in the second state and the third state.
前記フィードバックキャパシタの一端は前記センスノードと接続されており、
前記プリアンプは、
前記オペアンプの前記反転入力端子と前記出力端子の間に設けられ、前記第1状態においてオンとなる第1スイッチと、
前記フィードバックキャパシタの他端と前記オペアンプの前記出力端子の間に設けられ、前記第2状態および前記第3状態においてオンとなる第2スイッチと、
前記基準電圧が印加される基準ラインと前記フィードバックキャパシタの前記他端の間に設けられ、前記第1状態においてオンとなる第3スイッチと、
をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の検出回路。
One end of the feedback capacitor is connected to the sense node,
The preamplifier,
A first switch provided between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier and turned on in the first state;
A second switch provided between the other end of the feedback capacitor and the output terminal of the operational amplifier, and turned on in the second state and the third state;
A third switch provided between a reference line to which the reference voltage is applied and the other end of the feedback capacitor, and turned on in the first state;
The detection circuit according to claim 2, further comprising:
前記フィードバックキャパシタの一端は前記オペアンプの前記出力端子と接続されており、
前記プリアンプは、
前記フィードバックキャパシタと並列に接続され、前記第1状態においてオンとなる第4スイッチと、
前記フィードバックキャパシタの他端と前記オペアンプの前記反転入力端子の間に設けられ、前記第1状態においてオンとなる第5スイッチと、
前記フィードバックキャパシタの前記他端と前記センスノードの間に設けられ、前記第2状態および前記第3状態においてオンとなる第6スイッチと、
をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の検出回路。
One end of the feedback capacitor is connected to the output terminal of the operational amplifier,
The preamplifier,
A fourth switch connected in parallel with the feedback capacitor and turned on in the first state;
A fifth switch provided between the other end of the feedback capacitor and the inverting input terminal of the operational amplifier and turned on in the first state;
A sixth switch provided between the other end of the feedback capacitor and the sense node and turned on in the second state and the third state;
The detection circuit according to claim 2, further comprising:
前記プリアンプは、前記センスノードと前記オペアンプの反転入力端子の間に設けられた入力キャパシタをさらに含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の検出回路。   5. The detection circuit according to claim 1, wherein the preamplifier further includes an input capacitor provided between the sense node and an inverting input terminal of the operational amplifier. 前記第2状態における前記プリアンプの出力電圧と前記第3状態における前記プリアンプの出力電圧の差分を計算する差分アンプをさらに備えることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の検出回路。   The detection circuit according to claim 1, further comprising a difference amplifier that calculates a difference between an output voltage of the preamplifier in the second state and an output voltage of the preamplifier in the third state. 前記差分アンプの出力をデジタル信号に変換するΔΣ変調器をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載の検出回路。   The detection circuit according to claim 6, further comprising a ΔΣ modulator that converts an output of the difference amplifier into a digital signal.
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