信号処理回路
【課題】チョッパアンプの出力電圧から、そこに含まれているオフセット電圧（周期的に正負が反転する）の影響をよりよく除去することができる処理回路を提供する。
【解決手段】チョッパアンプ５００の出力電圧を所定周期でサンプルホールドする第１サンプルホールド回路１１０と、チョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算する加算回路１２０と、加算回路の出力電圧を所定周期でサンプルホールドする第２サンプルホールド回路１３０を備えている。チョッパアンプの出力電圧に重畳するオフセット電圧の正負が反転する第１タイミングと、第１サンプルホールド回路でサンプルホールドする第２タイミングの間に、第２サンプルホールド回路でサンプルホールドする第３タイミングが設定されている。正負が反転するオフセット電圧が相殺された電圧が第２サンプルホールド回路１３０から出力される。
【解決手段】チョッパアンプ５００の出力電圧を所定周期でサンプルホールドする第１サンプルホールド回路１１０と、チョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算する加算回路１２０と、加算回路の出力電圧を所定周期でサンプルホールドする第２サンプルホールド回路１３０を備えている。チョッパアンプの出力電圧に重畳するオフセット電圧の正負が反転する第１タイミングと、第１サンプルホールド回路でサンプルホールドする第２タイミングの間に、第２サンプルホールド回路でサンプルホールドする第３タイミングが設定されている。正負が反転するオフセット電圧が相殺された電圧が第２サンプルホールド回路１３０から出力される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
チョッパアンプの出力電圧は、増幅された直流電圧に、所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧となっている。本発明は、チョッパアンプの出力電圧からオフセット電圧の影響を除去する処理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサ等が微小な直流電圧を出力する場合、図９に示すチョッパアンプ５００で増幅する手法が多用される。図９の場合、センサが２種類の直流電圧Ｖsm(t)，Ｖsp(t)を出力する場合を例示しており、真に有効なセンサの信号電圧が、両者の差分（Ｖsp(t)−Ｖsm(t)）である場合を例示している。センサが出力する真に有効な信号電圧（Ｖsp(t)−Ｖsm(t)）は、経過時間とともに変動する。
チョッパアンプ回路５００の出力電圧Ｖ1(t)には、たとえば図１０に示されるように、センサの有効出力電圧（Ｖsp(t)−Ｖsm(t)）を増幅した直流電圧（ただし経過時間に対して変動する）に、所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧が現れる。図１０において、Ｇ１は増幅率であり、Ｖrefは基準電圧であり、ΔＶosは所定周期で正負が反転するオフセット電圧である。図１０におけるＶs(t)は、センサの有効出力電圧に応じて変動する値であり、センサの有効出力電圧が時間に対して変動すれば、それに対応して変動する。図１０の場合、オフセット電圧の正負が反転する周期に比して、Ｖs(t)の値が変化する速度が低速であることから、Ｖs(t)の値が変動しないように図示されている。より長時間に亘って図示すれば、Ｖs(t)の値は変動する。
【０００３】
チョッパアンプ回路５００の出力電圧Ｖ1(t)から、センサの有効出力電圧に対応する電圧Ｖs(t)を得るためには、出力電圧Ｖ1(t)から所定周期で正負が反転するオフセット電圧の影響を除去する必要がある。そこで、図９に示すように、チョッパアンプ回路５００の出力電圧Ｖ1(t)をローパスフィルタ回路６００に入力し、高速度で変化するオフセット電圧をカットし、低速度で変化するＶs(t)を得る手法が多用されている。この従来技術は、非特許文献１に詳しく説明されている。
【０００４】
特許文献１に、チョッパアンプの出力電圧Ｖ1(t)を複数の時刻でサンプリング（標本化）し、サンプリングした複数の電圧を平均化することで、スイッチングノイズの影響を除去する技術が提案されている。この技術では、チョッパアンプのスイッチングタイミング（これに連動してオフセット電圧の正負が反転する）と、サンプリングタイミングをずらすことで、スイッチングノイズの影響を回避する（たとえば段落０００９）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２１９４０４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「定本ＯＰアンプ回路の設計」ｐ２８７〜ｐ２８８、図１０〜３０、岡村廸夫著、ＣＱ出版社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１に記載されているローパスフィルタ回路６００を利用する従来技術では、図１０に示すように、所定周期で正負が反転するオフセット電圧の影響を除去しきれないという問題が残っている。
特許文献１に記載されているサンプリング技術によると、スイッチングノイズの影響を回避することはできるが、所定周期で正負が反転するオフセット電圧の影響を除去することができないという問題が残っている。またサンプリング動作に続けて平均化動作を実施する処理を断続的に繰り返すことから、処理後の電圧を連続的に出力できないという問題も残している。
【０００８】
本発明は、チョッパアンプの出力電圧から、そこに含まれているオフセット電圧（周期的に正負が反転する）の影響をよりよく除去することができる処理回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の信号処理回路は、センサ等からの信号電圧を入力するとともにその信号電圧を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧を出力するチョッパアンプと、チョッパアンプの出力電圧を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧を出力する第１サンプルホールド回路と、チョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算する処理を含む演算結果に対応する電圧を出力する演算回路と、演算回路の出力電圧を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧を出力する第２サンプルホールド回路を備えている。第２サンプルホールド回路は、演算回路の出力電圧自体をサンプルホールドするものであってもよいし、演算回路の出力電圧をさらに処理した電圧をサンプルホールドするものであってもよい。
オフセット電圧の正負が反転する周期と、第１サンプルホールド回路のサンプリング周期と、第２サンプルホールド回路のサンプリング周期は、すべて同一の周期である。ただし、チョッパアンプの出力電圧に重畳するオフセット電圧の正負が反転するタイミングを第１タイミングとし、第１サンプルホールド回路でサンプルホールドするタイミングを第２タイミングとし、第２サンプルホールド回路でサンプルホールドするタイミングを第３タイミングとしたときに、第１タイミングから第２タイミングまでの期間内に第３タイミングが設定されている。
なおここでいう第１タイミングとは、オフセット電圧の正負が反転し始めた時ではなく、反転を終えた時をいう。また、第２タイミングと第３タイミングは、サンプルホールド回路でサンプルホールドしている値を更新し始めた時でなく、更新を終えた時をいう。
【００１０】
上記の信号処理回路によると、第１タイミングから第２タイミングまでの期間内では、チョッパアンプの出力電圧に含まれているオフセット電圧の正負と、第１サンプルホールド回路でサンプルホールドされている電圧に含まれているオフセット電圧の正負が逆の関係となっている。演算回路は、正負が逆のオフセット電圧を含む電圧を加算する処理を含む演算を実施することから、正負のオフセット電圧が打消された電圧を出力する。演算回路の出力電圧を第１タイミングから第２タイミングまでの期間内でサンプリングすれば、正負のオフセット電圧が打消された電圧を検出することができる。すなわち、オフセット電圧の影響を除去し、センサの有効出力電圧に対応する電圧を取出すことが可能となる。演算回路の出力電圧をさらに処理した電圧を第２サンプルホールド回路でサンプルホールドする場合も同様であり、オフセット電圧の影響を除去することによってセンサの有効出力電圧に対応する電圧を取出すことが可能となる。
【００１１】
チョッパアンプは、図５を参照して説明するように、図９と同様の２入力型であってもよいし、図１、図７を参照して説明する１入力型であってもよい。
【００１２】
２種類の信号電圧の差が有効なセンサ電圧である場合、図５に例示するように２入力型のチョッパアンプを利用してもよいし、図７に例示するように１入力型のチョッパアンプを２個利用してもよい。
２入力型のチョッパアンプを利用する場合、２種類の信号電圧を入力するとともに２種類の信号電圧の差を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧を出力するチョッパアンプを用いる。
【００１３】
１入力型のチョッパアンプを２個利用する場合は、第１の信号電圧を入力して処理するチョッパアンプと第１サンプルホールド回路と、第２の信号電圧を入力して処理するチョッパアンプと第１サンプルホールド回路を設ける。その場合、第１の信号電圧を処理するチョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算した値と、第２の信号電圧を処理するチョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算した値との差に対応する電圧を出力する演算回路を用いる。
【００１４】
２種類の信号電圧の差が有効なセンサ電圧である場合、２種類の信号電圧の差を増幅した電圧からオフセット電圧の影響を除去してもよい。それに代えて、各々のチョッパアンプの各々の増幅電圧からオフセット電圧の影響を除去し、それから電圧差を取り出してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の処理回路によれば、チョッパアンプの出力電圧に含まれているオフセット電圧の影響をほぼ完全に除去することができ、信号電圧を増幅した電圧を取出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施例に係る信号処理回路１００の概略構成を示す図。
【図２】信号処理回路１００でオフセット電圧ΔＶｏｓが打消される原理を示す図。
【図３】信号処理回路１００の内部構成を示す図。
【図４】信号処理回路１００の処理内容を示すタイムチャート。
【図５】本発明の第２実施例に係る信号処理回路１００ａの概略構成を示す図。
【図６】信号処理回路１００ａの内部構成を示す図。
【図７】本発明の第３実施例に係る信号処理回路の概略構成を示す図。
【図８】第３実施例に係る信号処理回路の内部構成を示す図。
【図９】従来技術の構成を示す図。
【図１０】従来技術による処理内容を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、本発明の作用や効果を明確に説明するために、本発明の実施の形態を、次のような順序に従って説明する。
Ａ．本発明の第１実施例に係る信号処理回路の構成と動作
Ｂ．本発明の第２実施例に係る信号処理回路の構成と動作
Ｃ．本発明の第３実施例に係る信号処理回路の構成と動作
【００１８】
Ａ．本発明の第１実施例に係る信号処理回路の構成：
図１は、本発明の第１実施例に係る信号処理回路１００の概略構成を示す図である。図２は、信号処理回路１００によってオフセット電圧ΔＶos（オフセット誤差）が打消される原理を示す説明図である。図３は、信号処理回路１００の内部構成を示す図である。
【００１９】
信号処理回路１００は、センサ等が出力する信号電圧Ｖs(t)を入力し、アナログ基準電圧Ｖrefを基準とする出力電圧Ｖ1(t)を出力するチョッパアンプ５００と、チョッパアンプ５００の出力電圧を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖ2(t)を出力する第１サンプルホールド回路１１０と、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)をＶrefを基準にして反転した電圧と、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)をＶrefを基準にして反転した電圧を加算した電圧Ｖ3(t)をＶrefを基準にして出力する加算回路１２０と、加算回路１２０の出力電圧Ｖ3(t)を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖout(t)を出力する第２サンプルホールド回路１３０を備えている。ここで(t)は経過時間とともに変化する値であることを示している。チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)は、入力電圧Ｖs(t)を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧となっている。
チョッパアンプ５００によるオフセット電圧の正負が反転する周期と、第１サンプルホールド回路１１０のサンプリング周期と、第２サンプルホールド回路１３０のサンプリング周期は、すべて同一の周期である。ただし、チョッパアンプ５００の出力電圧に重畳するオフセット電圧の正負が反転するタイミングを第１タイミングとし、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドするタイミングを第２タイミングとし、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドするタイミングを第３タイミングとしたときに、第１タイミングから第２タイミングまでの期間内に第３タイミングが設定されている。第１タイミングとは、オフセット電圧の正負が反転し始めた時ではなく、反転を終えた時をいう。また、第２タイミングと第３タイミングは、サンプルホールド回路でサンプルホールドしている値を更新し始めた時でなく、更新を終えた時をいう。
【００２０】
図２の（１）は、チョッパアンプ５００が出力する電圧Ｖ1(t)を例示している。出力電圧Ｖ1(t)は、信号電圧Ｖs(t)を増幅した電圧（信号電圧Ｖs(t)を−Ｇ倍した電圧）に基準電圧Ｖrefを加えた電圧に、所定周期で正負が反転するオフセット電圧ΔＶosが重畳したものとなる。前記の−Ｇは、チョッパアンプ５００の増幅率であり、基準電圧Ｖrefは、図1に示したように、チョッパアンプ５００に加えられている基準電圧である。また、オフセット電圧ΔＶosは、チョッパアンプ５００に所定周期で加えられる第１タイミング信号に同期して正負を反転する。図２の場合、タイミングt3,t6,t9,t12で、出力電圧Ｖ1(t)に重畳しているオフセット電圧ΔＶosの正負が反転する。実際には、チョッパアンプ５００にタイミング信号が加えられた瞬間に、オフセット電圧ΔＶosの正負が反転するものでなく、タイミング信号が加えられた時に反転を始め、所定時間後に反転を終える。ここで言う第１タイミングＣＬＫ1とは、反転を終えるタイミングをいう。オフセット電圧ΔＶosの正負を反転させるためにチョッパアンプ５００に加えられるタイミング信号は、第１タイミングＣＬＫ1よりも所定時間だけ早いタイミングでチョッパアンプ５００に加えられる。
図２の（１）の水平線は、信号電圧Ｖs(t)を増幅した電圧（−Ｇ×Ｖs(t)）に基準電圧Ｖrefを加えた電圧であり、時間に対して変化する値である。ただし、その変化時間が第１タイミングＣＬＫ1の周期に比して長く、図示の時間スケールで示すと、水平線で示される。
【００２１】
図２の（２）は、第１サンプルホールド回路１１０が出力する電圧Ｖ2(t)を示している。第１サンプルホールド回路１１０は、第２タイミング信号ＣＬＫ2の入力タイミングにおける電圧Ｖ1(t)の値をホールドして出力する。図２の場合、タイミングt2,t5,t8,t11で、第２タイミング信号ＣＬＫ2が第１サンプルホールド回路１１０に加えられる。明らかに、t3〜t5の期間、t6〜t8の期間、t9〜t11の期間、t12〜t14の期間では、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)に重畳しているオフセット電圧ΔＶosの正負と、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)に重畳しているオフセット電圧ΔＶosの正負は、逆転している。すなわち、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)に重畳するオフセット電圧の正負が反転するタイミングを第１タイミング（t3,t6,t9,t12）とし、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドするタイミングを第２タイミング（t2,t5,t8,t11）とすると、第１タイミングから第２タイミングまでの期間（t3〜t5、t6〜t8、t9〜t11、t12〜t14）では、重畳しているオフセット電圧ΔＶosの正負が反転している。
実際には、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールド値を更新するには時間を要する。ここでいう第２タイミングは、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドしている値を更新し始めた時でなく、更新し終えた時をいう。第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドしている値を更新し始めるためのタイミング信号は、第２タイミングＣＬＫ２よりも所定時間だけ早いタイミングで第１サンプルホールド回路１１０に加えられる。
【００２２】
図２の（３）は、加算回路１２０が出力する電圧Ｖ3(t)を示している。明らかに、第１タイミングから第２タイミングまでの期間（t3〜t5、t6〜t8、t9〜t11、t12〜t14）では、正負が反転しているオフセット電圧ΔＶosの影響が打消され、＋２Ｇ×Ｖs(t)＋Ｖrefに等しい電圧が出力されることが分る。ここでは、加算回路といいながら、Ｖ1(t)とＶ2(t)の各々に含まれている基準電圧Ｖrefについては加算されない。ここでいう加算回路は、少なくともＶ1(t)とＶ2(t)の和に直接的に対応する値を出力するものであれば足り、バイアス電圧の大きさには制約されないし、Ｖ1(t)の反転電圧とＶ2(t)の反転電圧を加算するものであってもよい。本実施例の加算回路１２０は、Ｖ1(t)の反転電圧とＶ2(t)の反転電圧を加算する。
【００２３】
図２の（４）は、第２サンプルホールド回路１３０が出力する電圧Ｖout(t)を示している。第２サンプルホールド回路１１０は、第３タイミング信号ＣＬＫ3の入力タイミングにおける電圧Ｖ3(t)の値をホールドして出力する。図２の場合、タイミングt4,t7,t10,t13で、第３タイミング信号ＣＬＫ3が第２サンプルホールド回路１３０に加えられる。明らかに、タイミングt4はt3〜t5の期間内にあり、タイミングt7はt6〜t8の期間内にあり、タイミングt10はt9〜t11の期間内にあり、タイミング13はt12〜t14の期間内にある。第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドする第３タイミングを第１タイミングから第２タイミングまでの期間内に設定すれば、第２サンプルホールド回路１３０の出力Ｖout(t)は、オフセット電圧ΔＶosの影響が打消された電圧となることが分る。
実際には、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールド値を更新するには時間を要する。ここでいう第３タイミングは、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドしている値を更新し始めた時でなく、更新し終えた時をいう。第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドしている値を更新し始めるためのタイミング信号は、第３タイミングＣＬＫ３よりも所定時間だけ早いタイミングで第２サンプルホールド回路１３０に加えられる。
【００２４】
期間t1〜t4の間の出力電圧ＶoutはＶ3(t1)に等しい。期間t4〜t7の間の出力電圧ＶoutはＶ3(t4)に等しく、その値はＶs(t2）とＶs(t4)の平均値に1対１に対応する値となる。Ｖout(t4〜t7)の値から、Ｖs(t2）とＶs(t4)の平均値を算出できることが分る。同様に、期間t7〜t10の間の出力電圧ＶoutはＶ3(t7)に等しく、その値はＶs(t5）とＶs(t7)の平均値に1対１に対応する値となる。Ｖout(t7〜t10)の値から、Ｖs(t5）とＶs(t7)の平均値を算出できることが分る。同様に、期間t10〜t13の間の出力電圧ＶoutはＶ3(t10)に等しく、その値はＶs(t8）とＶs(t10)の平均値に1対１に対応する値となる。Ｖout(t10〜t13)の値から、Ｖs(t8）とＶs(t10)の平均値を算出できることが分る。
【００２５】
第１サンプルホールド回路１１０でサンプリングする第２タイミングt2,t5,t8,t11を、その後にオフセット電圧の正負が反転する第１タイミングt3,t6,t9,t12の直前にとることができる。例えば、タイミングt2をタイミングt3の直前に設定し、タイミングt5をタイミングt6の直前に設定し、タイミングt8をタイミングt9の直前に設定し、タイミングt11をタイミングt12の直前に設定することができる。すると、第１タイミングから第２タイミングまでの期間を長く設定で切ることが分る。すなわち、タイミングt3〜t6の直前までと、タイミングt6〜t9の直前までと、タイミングt9〜t12の直前までといった期間が、第１タイミングから第２タイミングまでの期間なる。すなわち、第2タイミングを第１タイミングの直前にとると、実質的には全期間が、第１タイミングから第２タイミングまでの期間となり、ほぼ全期間において加算回路１２０の出力電圧Ｖ3(t)からオフセット電圧の影響をなくすことができる。この場合、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドする第３タイミングを比較的自由に設定できることになる。
【００２６】
図３は、信号処理回路１００の内部構成を示す説明図である。チョッパアンプ５００は、オペアンプＣＡ１と、２個の抵抗Ｒ1、Ｒ2を備えている。オペアンプＣＡ１の非反転入力端子（＋）には、センサ等が出力する信号電圧Ｖs(t)が入力される。抵抗Ｒ1とＲ2は、オペアンプＣＡ１の出力端子と基準電圧Ｖrefの間に直列に接続されている。抵抗Ｒ1とＲ2の間の電圧がオペアンプＣＡ１の反転入力端子（−）に入力される。抵抗Ｒ2は、チョッパアンプＣＡ１に負帰還をかけているフィードバック抵抗である。オペアンプＣＡ１には所定周期で第１タイミング信号が加えられる。図４に、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)が示されており、所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳していることが分る。タイミングt3,t6は、オフセット電圧ΔＶosの正負が反転し終えた第１タイミングＣＬＫ1を示している。実際には、チョッパアンプ５００に第１タイミング信号が加えられた瞬間に、オフセット電圧ΔＶosの正負が反転するものでなく、第１タイミング信号が加えられた時に反転を始め、所定時間後に反転を終える。ここで言う第１タイミングＣＬＫ1とは、反転を終えるタイミングをいう。オフセット電圧ΔＶosの正負が反転させるためにチョッパアンプ５００に加えられる第１タイミング信号は、第１タイミングＣＬＫ1よりも所定時間だけ早いタイミングでチョッパアンプ５００に加えられる。
【００２７】
第１サンプルホールド回路１１０は、スイッチＳ１と、コンデンサＣ１と、オペアンプＡ１を備えている。第１サンプルホールド回路１１０は、時間に対して変化する電圧Ｖ1(t)を所定周期で標本化（サンプリング）し、サンプリングした値を出力する。
【００２８】
スイッチＳ１は、第２タイミング信号の立上りエッジに応じてオンし、立下がりエッジに応じてオフする。スイッチＳ１がオンすると、コンデンサＣ１の電圧が、その時の電圧Ｖ1(t)に等しくなるまで充電される。コンデンサＣ１が充電し終える時間に、第２タイミング信号が立下がり、スイッチＳ１がオフされる関係に設定されている。コンデンサＣ１は、第２タイミング信号の立下がりエッジのタイミングにおけるＶ1(t)の値を保持する。ここでいう第２タイミングＣＬＫ２とは、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドしている値を更新し終えたタイミングに相当する。すなわち第２タイミング信号の立下がりエッジのタイミングをいう。オペアンプＡ１は、出力電圧が反転入力端子に全帰還されているので、電圧フォロワとして使用されている。これにより、オペアンプＡ１の出力電圧Ｖ2(t)は、コンデンサＣ１の電圧に等しくなる。オペアンプＡ１は、コンデンサＣ１の放電を禁止する高インピーダンス素子として機能する。
【００２９】
加算回路１２０は、オペアンプＡ２と、３個の抵抗Ｒ３ａ、Ｒ３ｂ、Ｒ４を備えている。オペアンプＡ２の反転入力端子（−）に、抵抗Ｒ3bを介して、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)が接続されており、さらに、抵抗Ｒ3aを介して、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)が接続されている。抵抗Ｒ４は、オペアンプＡ２の反転入力端子と出力端子の間に接続されており、負帰還のフィードバック抵抗として機能する。オペアンプＡ２の非反転入力端子（＋）には基準電圧Ｖrefが入力されている。加算回路１２０は、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)をＶrefを基準にして反転した電圧と、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)をＶrefを基準にして反転した電圧を加算し、加算した電圧Ｖ3(t)をＶrefを基準にして出力する。
【００３０】
この例では、加算回路１２０の利得Ｇ２を１．０としている。その利得は自由に設定することができる。なお図４に示すように、加算回路１２０の出力信号Ｖ3(t)は、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)と、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)に過渡現象が生じている期間では、大きなノイズを含んでいるものの、その他の期間では安定しており、正負に反転するオフセット電圧の影響が除去されている。
【００３１】
第２サンプルホールド回路１３０は、第１サンプルホールド回路１１０と同様に、スイッチＳ２と、コンデンサＣ２と、オペアンプＡ３を備えている。第２サンプルホールド回路１３０は、時間に対して変化する電圧Ｖ3(t)を所定周期で標本化（サンプリング）し、サンプリングした値を出力する。
【００３２】
スイッチＳ２は、第３タイミング信号の立上りエッジに応じてオンし、立下がりエッジに応じてオフする。スイッチＳ２がオンすると、コンデンサＣ２の電圧が、その時の電圧Ｖ3(t)に等しくなるまで充電される。コンデンサ２が充電し終える時間に、第３タイミング信号が立下がり、スイッチＳ２がオフされる関係に設定されている。コンデンサＣ２は、第３タイミング信号の立下がりタイミングにおけるＶ3(t)の値を保持する。ここでいう第３タイミングＣＬＫ３とは、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドしている値を更新し終えたタイミングに相当する。すなわち第３タイミング信号の立下がりエッジのタイミングをいう。オペアンプＡ３は、出力電圧が反転入力端子に全帰還されているので、電圧フォロワとして使用されている。これにより、オペアンプＡ３の出力電圧Ｖout(t)は、コンデンサＣ２の電圧に等しくなる。オペアンプＡ３は、コンデンサＣ２の放電を禁止する高インピーダンス素子として機能する。
【００３３】
第２サンプルホールド回路１３０は、オペアンプＡ３の非反転入力端子とスイッチＳ２との間に、抵抗Ｒ５を備えている点で第１サンプルホールド回路１１０と相違する。抵抗Ｒ５は、オペアンプＡ３の非反転入力端子の急峻な電圧変動に起因するノイズの低減を目的として装備されている抵抗である。
第１サンプルホールド回路１１０では、コンデンサＣ１が短時間でＶ1(t)に等しい電圧にまで充電されるようにするために、スイッチＳ１とコンデンサＣ１の間に抵抗が接続されていない。第１サンプルホールド回路１１０では、第２タイミング信号の立上りエッジから立下がりエッジまでの時間を短くできる。スイッチＳ１のオン期間と、スイッチＳ２のオン期間をずらすことによって、第１サンプルホールド回路１１０で発生したノイズが、第２のサンプルホールド回路１３０でサンプリングされないようにすることができる。
【００３４】
本発明の実施例に係る信号処理回路１００では、オフセット電圧ΔＶｏｓの正負が反転する第１タイミングＣＬＫ１から、第１サンプリングホールド回路１１０のスイッチＳ１がオフする第２タイミングＣＬＫ２までの間に、第２サンプリングホールド回路１３０のスイッチＳ２がオフする第３タイミングＣＬＫ３となる時間関係に設定されている。この結果、オフセット電圧ΔＶｏｓの影響を相殺した電圧が第２サンプリングホールド回路１３０から出力される。オフセット電圧ΔＶｏｓの影響をほぼ完全に除去することができる。
【００３５】
Ｂ.第２実施例
図５は、本発明の第２実施例に係る信号処理回路１００ａの概略構成を示し、図６は、信号処理回路１００ａの内部構成を示している。信号処理回路１００ａのチョッパアンプ５００ａは、一対のオペアンプＣＡ１、ＣＡ２を有し、２種類の直流電圧Ｖsm(t),Ｖsp(t)の差を増幅する。信号処理回路１００ａは、センサが２種類の直流電圧Ｖsm(t) ,Ｖsp(t)を出力し、両者の差が実際の検出対象の状態を示す場合に有用である。
本発明でいうチョッパアンプは、１入力１出力のアンプに限られず、複数種類の電圧を入力して増幅するアンプをも含む。
【００３６】
Ｃ.第３実施例
図７は、本発明の第３実施例に係る信号処理回路の概略構成を示している。第３実施例の信号処理回路は、センサが２種類の直流電圧Ｖsm(t),Ｖsp(t)を出力し、両者の差が実際の検出対象の状態を示す場合に有用である。
第３実施例では、第１の信号電圧Ｖsm(t)のために、第１の信号電圧Ｖsm(t)を入力して増幅した出力電圧Ｖm1(t)を出力するチョッパアンプ６００ａと、チョッパアンプ６００ａの出力電圧Ｖm1(t)を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖm2(t)を出力する第１サンプルホールド回路６１０ａを備えている。また、第２の信号電圧Ｖsp(t)のために、第２の信号電圧Ｖsp(t)を入力して増幅した出力電圧Ｖp1(t)を出力するチョッパアンプ６００ｂと、チョッパアンプ６００ｂの出力電圧Ｖp1(t)を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖp2(t)を出力する第１サンプルホールド回路６１０bを備えている。
さらに、第３実施例の信号処理回路は、演算回路６３０を備えている。演算回路６３０は、第１信号電圧Ｖsm(t)を処理するチョッパアンプ６００ａの出力電圧Ｖm1(t)と第１サンプルホールド回路６１０ａの出力電圧Ｖm2(t)と、第２信号電圧Ｖsp(t)を処理するチョッパアンプ６００ｂの出力電圧Ｖp1(t)と第２サンプルホールド回路６１０ｂの出力電圧Ｖp2(t)を入力し、Ｖm1(t)とＶm2(t)を加算した電圧と、Ｖp1(t)とＶp2(t)を加算した電圧の電圧差に対応する電圧を出力する。すなわち、演算回路６３０は、（Ｖm1(t)＋Ｖm2(t)）−（Ｖp1(t)とＶp2(t)）で示される値を示す電圧をＶrefを基準にして出力する。演算回路６３０は、チョッパアンプ６００ａの出力電圧と第１サンプルホールド回路６１０ａの出力電圧を加算する処理と、チョッパアンプ６００ｂの出力電圧と第１サンプルホールド回路６１０ｂの出力電圧を加算する処理とを含んでいる演算を実施する。
さらに、第３実施例の信号処理回路は、演算回路６３０の出力電圧を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖout(t)を出力する第２サンプルホールド回路６４０を備えている。
その他の説明は、第１実施例のそれと同一であり、重複説明を省略する。
【００３７】
図８は、第３実施例の信号処理回路の内部構成を示している。オペアンプ７００ａ等によってチョッパアンプ６００ａが構成され、スイッチＳＷ１とオペアンプ７１０ａ等によって第１サンプルホールド回路６１０ａが構成され、オペアンプ７００ｂ等によってチョッパアンプ６００ｂが構成され、スイッチＳＷ２とオペアンプ７１０ｂ等によって第１サンプルホールド回路６１０ｂが構成されている。また、抵抗Ｒ63,Ｒ64とオペアンプ７３０等によって、演算回路６３０が構成されている。さらに、スイッチＳＷ３とオペアンプ７４０等によって第２サンプルホールド回路６４０が構成されている。
【００３８】
第３実施例の信号処理回路によると、チョッパアンプ６００ａの出力電圧Ｖm1(t)は、第１の信号電圧Ｖsm(t)を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳したものとなっている。その出力電圧Ｖm1(t)と、第１サンプルホールド回路６１０ａでサンプルホールドされている電圧Ｖm2(t)を加算することから、演算回路６３０が出力する出力電圧からはオフセット電圧の影響が除去されている。同様に、チョッパアンプ６００ｂの出力電圧Ｖp1(t)は、第２の信号電圧Ｖsp(t)を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳したものとなっている。その出力電圧Ｖp1(t)と、第１サンプルホールド回路６１０ｂでサンプルホールドされている電圧Ｖp2(t)を加算することから、演算回路６３０が出力する出力電圧からはオフセット電圧の影響が除去されている。演算回路６３０は、第１の信号電圧Ｖsm(t)を増幅した電圧からオフセット電圧の影響を除去した電圧と、第２の信号電圧を増幅した電圧からオフセット電圧の影響を除去した電圧との電圧差を取り出すことができる。
第２実施例では、電圧差を増幅してからオフセット電圧の影響を除去しているのに対し、第３実施例では、２種類の信号電圧の各々を増幅し、各々からオフセット電圧の影響を除去し、その後に電圧差を取り出している。いずれによっても、オフセット電圧の影響を受けない電圧差を取り出すことができる。
【００３９】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、サンプルホールド時に発生するナイキスト周波数（サンプリング周波数の１／２の周波数）よりも高い周波数帯のノイズ成分が折り返すことによってＳ／Ｎ比が低下することを防止する場合には、チョッパアンプの出力電圧からナイキスト周波数よりも高い周波数帯のノイズを遮断する低域通過フィルタを挿入することが好ましい。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４０】
１００、１００ａ…信号処理回路
１１０…第１サンプルホールド回路
１２０…加算回路
１３０…第２サンプルホールド回路
５００…チョッパアンプ
５００ａ…差動増幅型チョッパアンプ
６００…ローパスフィルタ回路
【技術分野】
【０００１】
チョッパアンプの出力電圧は、増幅された直流電圧に、所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧となっている。本発明は、チョッパアンプの出力電圧からオフセット電圧の影響を除去する処理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
センサ等が微小な直流電圧を出力する場合、図９に示すチョッパアンプ５００で増幅する手法が多用される。図９の場合、センサが２種類の直流電圧Ｖsm(t)，Ｖsp(t)を出力する場合を例示しており、真に有効なセンサの信号電圧が、両者の差分（Ｖsp(t)−Ｖsm(t)）である場合を例示している。センサが出力する真に有効な信号電圧（Ｖsp(t)−Ｖsm(t)）は、経過時間とともに変動する。
チョッパアンプ回路５００の出力電圧Ｖ1(t)には、たとえば図１０に示されるように、センサの有効出力電圧（Ｖsp(t)−Ｖsm(t)）を増幅した直流電圧（ただし経過時間に対して変動する）に、所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧が現れる。図１０において、Ｇ１は増幅率であり、Ｖrefは基準電圧であり、ΔＶosは所定周期で正負が反転するオフセット電圧である。図１０におけるＶs(t)は、センサの有効出力電圧に応じて変動する値であり、センサの有効出力電圧が時間に対して変動すれば、それに対応して変動する。図１０の場合、オフセット電圧の正負が反転する周期に比して、Ｖs(t)の値が変化する速度が低速であることから、Ｖs(t)の値が変動しないように図示されている。より長時間に亘って図示すれば、Ｖs(t)の値は変動する。
【０００３】
チョッパアンプ回路５００の出力電圧Ｖ1(t)から、センサの有効出力電圧に対応する電圧Ｖs(t)を得るためには、出力電圧Ｖ1(t)から所定周期で正負が反転するオフセット電圧の影響を除去する必要がある。そこで、図９に示すように、チョッパアンプ回路５００の出力電圧Ｖ1(t)をローパスフィルタ回路６００に入力し、高速度で変化するオフセット電圧をカットし、低速度で変化するＶs(t)を得る手法が多用されている。この従来技術は、非特許文献１に詳しく説明されている。
【０００４】
特許文献１に、チョッパアンプの出力電圧Ｖ1(t)を複数の時刻でサンプリング（標本化）し、サンプリングした複数の電圧を平均化することで、スイッチングノイズの影響を除去する技術が提案されている。この技術では、チョッパアンプのスイッチングタイミング（これに連動してオフセット電圧の正負が反転する）と、サンプリングタイミングをずらすことで、スイッチングノイズの影響を回避する（たとえば段落０００９）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２１９４０４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「定本ＯＰアンプ回路の設計」ｐ２８７〜ｐ２８８、図１０〜３０、岡村廸夫著、ＣＱ出版社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１に記載されているローパスフィルタ回路６００を利用する従来技術では、図１０に示すように、所定周期で正負が反転するオフセット電圧の影響を除去しきれないという問題が残っている。
特許文献１に記載されているサンプリング技術によると、スイッチングノイズの影響を回避することはできるが、所定周期で正負が反転するオフセット電圧の影響を除去することができないという問題が残っている。またサンプリング動作に続けて平均化動作を実施する処理を断続的に繰り返すことから、処理後の電圧を連続的に出力できないという問題も残している。
【０００８】
本発明は、チョッパアンプの出力電圧から、そこに含まれているオフセット電圧（周期的に正負が反転する）の影響をよりよく除去することができる処理回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の信号処理回路は、センサ等からの信号電圧を入力するとともにその信号電圧を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧を出力するチョッパアンプと、チョッパアンプの出力電圧を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧を出力する第１サンプルホールド回路と、チョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算する処理を含む演算結果に対応する電圧を出力する演算回路と、演算回路の出力電圧を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧を出力する第２サンプルホールド回路を備えている。第２サンプルホールド回路は、演算回路の出力電圧自体をサンプルホールドするものであってもよいし、演算回路の出力電圧をさらに処理した電圧をサンプルホールドするものであってもよい。
オフセット電圧の正負が反転する周期と、第１サンプルホールド回路のサンプリング周期と、第２サンプルホールド回路のサンプリング周期は、すべて同一の周期である。ただし、チョッパアンプの出力電圧に重畳するオフセット電圧の正負が反転するタイミングを第１タイミングとし、第１サンプルホールド回路でサンプルホールドするタイミングを第２タイミングとし、第２サンプルホールド回路でサンプルホールドするタイミングを第３タイミングとしたときに、第１タイミングから第２タイミングまでの期間内に第３タイミングが設定されている。
なおここでいう第１タイミングとは、オフセット電圧の正負が反転し始めた時ではなく、反転を終えた時をいう。また、第２タイミングと第３タイミングは、サンプルホールド回路でサンプルホールドしている値を更新し始めた時でなく、更新を終えた時をいう。
【００１０】
上記の信号処理回路によると、第１タイミングから第２タイミングまでの期間内では、チョッパアンプの出力電圧に含まれているオフセット電圧の正負と、第１サンプルホールド回路でサンプルホールドされている電圧に含まれているオフセット電圧の正負が逆の関係となっている。演算回路は、正負が逆のオフセット電圧を含む電圧を加算する処理を含む演算を実施することから、正負のオフセット電圧が打消された電圧を出力する。演算回路の出力電圧を第１タイミングから第２タイミングまでの期間内でサンプリングすれば、正負のオフセット電圧が打消された電圧を検出することができる。すなわち、オフセット電圧の影響を除去し、センサの有効出力電圧に対応する電圧を取出すことが可能となる。演算回路の出力電圧をさらに処理した電圧を第２サンプルホールド回路でサンプルホールドする場合も同様であり、オフセット電圧の影響を除去することによってセンサの有効出力電圧に対応する電圧を取出すことが可能となる。
【００１１】
チョッパアンプは、図５を参照して説明するように、図９と同様の２入力型であってもよいし、図１、図７を参照して説明する１入力型であってもよい。
【００１２】
２種類の信号電圧の差が有効なセンサ電圧である場合、図５に例示するように２入力型のチョッパアンプを利用してもよいし、図７に例示するように１入力型のチョッパアンプを２個利用してもよい。
２入力型のチョッパアンプを利用する場合、２種類の信号電圧を入力するとともに２種類の信号電圧の差を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧を出力するチョッパアンプを用いる。
【００１３】
１入力型のチョッパアンプを２個利用する場合は、第１の信号電圧を入力して処理するチョッパアンプと第１サンプルホールド回路と、第２の信号電圧を入力して処理するチョッパアンプと第１サンプルホールド回路を設ける。その場合、第１の信号電圧を処理するチョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算した値と、第２の信号電圧を処理するチョッパアンプの出力電圧と第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算した値との差に対応する電圧を出力する演算回路を用いる。
【００１４】
２種類の信号電圧の差が有効なセンサ電圧である場合、２種類の信号電圧の差を増幅した電圧からオフセット電圧の影響を除去してもよい。それに代えて、各々のチョッパアンプの各々の増幅電圧からオフセット電圧の影響を除去し、それから電圧差を取り出してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の処理回路によれば、チョッパアンプの出力電圧に含まれているオフセット電圧の影響をほぼ完全に除去することができ、信号電圧を増幅した電圧を取出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施例に係る信号処理回路１００の概略構成を示す図。
【図２】信号処理回路１００でオフセット電圧ΔＶｏｓが打消される原理を示す図。
【図３】信号処理回路１００の内部構成を示す図。
【図４】信号処理回路１００の処理内容を示すタイムチャート。
【図５】本発明の第２実施例に係る信号処理回路１００ａの概略構成を示す図。
【図６】信号処理回路１００ａの内部構成を示す図。
【図７】本発明の第３実施例に係る信号処理回路の概略構成を示す図。
【図８】第３実施例に係る信号処理回路の内部構成を示す図。
【図９】従来技術の構成を示す図。
【図１０】従来技術による処理内容を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、本発明の作用や効果を明確に説明するために、本発明の実施の形態を、次のような順序に従って説明する。
Ａ．本発明の第１実施例に係る信号処理回路の構成と動作
Ｂ．本発明の第２実施例に係る信号処理回路の構成と動作
Ｃ．本発明の第３実施例に係る信号処理回路の構成と動作
【００１８】
Ａ．本発明の第１実施例に係る信号処理回路の構成：
図１は、本発明の第１実施例に係る信号処理回路１００の概略構成を示す図である。図２は、信号処理回路１００によってオフセット電圧ΔＶos（オフセット誤差）が打消される原理を示す説明図である。図３は、信号処理回路１００の内部構成を示す図である。
【００１９】
信号処理回路１００は、センサ等が出力する信号電圧Ｖs(t)を入力し、アナログ基準電圧Ｖrefを基準とする出力電圧Ｖ1(t)を出力するチョッパアンプ５００と、チョッパアンプ５００の出力電圧を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖ2(t)を出力する第１サンプルホールド回路１１０と、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)をＶrefを基準にして反転した電圧と、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)をＶrefを基準にして反転した電圧を加算した電圧Ｖ3(t)をＶrefを基準にして出力する加算回路１２０と、加算回路１２０の出力電圧Ｖ3(t)を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖout(t)を出力する第２サンプルホールド回路１３０を備えている。ここで(t)は経過時間とともに変化する値であることを示している。チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)は、入力電圧Ｖs(t)を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧となっている。
チョッパアンプ５００によるオフセット電圧の正負が反転する周期と、第１サンプルホールド回路１１０のサンプリング周期と、第２サンプルホールド回路１３０のサンプリング周期は、すべて同一の周期である。ただし、チョッパアンプ５００の出力電圧に重畳するオフセット電圧の正負が反転するタイミングを第１タイミングとし、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドするタイミングを第２タイミングとし、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドするタイミングを第３タイミングとしたときに、第１タイミングから第２タイミングまでの期間内に第３タイミングが設定されている。第１タイミングとは、オフセット電圧の正負が反転し始めた時ではなく、反転を終えた時をいう。また、第２タイミングと第３タイミングは、サンプルホールド回路でサンプルホールドしている値を更新し始めた時でなく、更新を終えた時をいう。
【００２０】
図２の（１）は、チョッパアンプ５００が出力する電圧Ｖ1(t)を例示している。出力電圧Ｖ1(t)は、信号電圧Ｖs(t)を増幅した電圧（信号電圧Ｖs(t)を−Ｇ倍した電圧）に基準電圧Ｖrefを加えた電圧に、所定周期で正負が反転するオフセット電圧ΔＶosが重畳したものとなる。前記の−Ｇは、チョッパアンプ５００の増幅率であり、基準電圧Ｖrefは、図1に示したように、チョッパアンプ５００に加えられている基準電圧である。また、オフセット電圧ΔＶosは、チョッパアンプ５００に所定周期で加えられる第１タイミング信号に同期して正負を反転する。図２の場合、タイミングt3,t6,t9,t12で、出力電圧Ｖ1(t)に重畳しているオフセット電圧ΔＶosの正負が反転する。実際には、チョッパアンプ５００にタイミング信号が加えられた瞬間に、オフセット電圧ΔＶosの正負が反転するものでなく、タイミング信号が加えられた時に反転を始め、所定時間後に反転を終える。ここで言う第１タイミングＣＬＫ1とは、反転を終えるタイミングをいう。オフセット電圧ΔＶosの正負を反転させるためにチョッパアンプ５００に加えられるタイミング信号は、第１タイミングＣＬＫ1よりも所定時間だけ早いタイミングでチョッパアンプ５００に加えられる。
図２の（１）の水平線は、信号電圧Ｖs(t)を増幅した電圧（−Ｇ×Ｖs(t)）に基準電圧Ｖrefを加えた電圧であり、時間に対して変化する値である。ただし、その変化時間が第１タイミングＣＬＫ1の周期に比して長く、図示の時間スケールで示すと、水平線で示される。
【００２１】
図２の（２）は、第１サンプルホールド回路１１０が出力する電圧Ｖ2(t)を示している。第１サンプルホールド回路１１０は、第２タイミング信号ＣＬＫ2の入力タイミングにおける電圧Ｖ1(t)の値をホールドして出力する。図２の場合、タイミングt2,t5,t8,t11で、第２タイミング信号ＣＬＫ2が第１サンプルホールド回路１１０に加えられる。明らかに、t3〜t5の期間、t6〜t8の期間、t9〜t11の期間、t12〜t14の期間では、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)に重畳しているオフセット電圧ΔＶosの正負と、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)に重畳しているオフセット電圧ΔＶosの正負は、逆転している。すなわち、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)に重畳するオフセット電圧の正負が反転するタイミングを第１タイミング（t3,t6,t9,t12）とし、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドするタイミングを第２タイミング（t2,t5,t8,t11）とすると、第１タイミングから第２タイミングまでの期間（t3〜t5、t6〜t8、t9〜t11、t12〜t14）では、重畳しているオフセット電圧ΔＶosの正負が反転している。
実際には、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールド値を更新するには時間を要する。ここでいう第２タイミングは、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドしている値を更新し始めた時でなく、更新し終えた時をいう。第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドしている値を更新し始めるためのタイミング信号は、第２タイミングＣＬＫ２よりも所定時間だけ早いタイミングで第１サンプルホールド回路１１０に加えられる。
【００２２】
図２の（３）は、加算回路１２０が出力する電圧Ｖ3(t)を示している。明らかに、第１タイミングから第２タイミングまでの期間（t3〜t5、t6〜t8、t9〜t11、t12〜t14）では、正負が反転しているオフセット電圧ΔＶosの影響が打消され、＋２Ｇ×Ｖs(t)＋Ｖrefに等しい電圧が出力されることが分る。ここでは、加算回路といいながら、Ｖ1(t)とＶ2(t)の各々に含まれている基準電圧Ｖrefについては加算されない。ここでいう加算回路は、少なくともＶ1(t)とＶ2(t)の和に直接的に対応する値を出力するものであれば足り、バイアス電圧の大きさには制約されないし、Ｖ1(t)の反転電圧とＶ2(t)の反転電圧を加算するものであってもよい。本実施例の加算回路１２０は、Ｖ1(t)の反転電圧とＶ2(t)の反転電圧を加算する。
【００２３】
図２の（４）は、第２サンプルホールド回路１３０が出力する電圧Ｖout(t)を示している。第２サンプルホールド回路１１０は、第３タイミング信号ＣＬＫ3の入力タイミングにおける電圧Ｖ3(t)の値をホールドして出力する。図２の場合、タイミングt4,t7,t10,t13で、第３タイミング信号ＣＬＫ3が第２サンプルホールド回路１３０に加えられる。明らかに、タイミングt4はt3〜t5の期間内にあり、タイミングt7はt6〜t8の期間内にあり、タイミングt10はt9〜t11の期間内にあり、タイミング13はt12〜t14の期間内にある。第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドする第３タイミングを第１タイミングから第２タイミングまでの期間内に設定すれば、第２サンプルホールド回路１３０の出力Ｖout(t)は、オフセット電圧ΔＶosの影響が打消された電圧となることが分る。
実際には、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールド値を更新するには時間を要する。ここでいう第３タイミングは、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドしている値を更新し始めた時でなく、更新し終えた時をいう。第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドしている値を更新し始めるためのタイミング信号は、第３タイミングＣＬＫ３よりも所定時間だけ早いタイミングで第２サンプルホールド回路１３０に加えられる。
【００２４】
期間t1〜t4の間の出力電圧ＶoutはＶ3(t1)に等しい。期間t4〜t7の間の出力電圧ＶoutはＶ3(t4)に等しく、その値はＶs(t2）とＶs(t4)の平均値に1対１に対応する値となる。Ｖout(t4〜t7)の値から、Ｖs(t2）とＶs(t4)の平均値を算出できることが分る。同様に、期間t7〜t10の間の出力電圧ＶoutはＶ3(t7)に等しく、その値はＶs(t5）とＶs(t7)の平均値に1対１に対応する値となる。Ｖout(t7〜t10)の値から、Ｖs(t5）とＶs(t7)の平均値を算出できることが分る。同様に、期間t10〜t13の間の出力電圧ＶoutはＶ3(t10)に等しく、その値はＶs(t8）とＶs(t10)の平均値に1対１に対応する値となる。Ｖout(t10〜t13)の値から、Ｖs(t8）とＶs(t10)の平均値を算出できることが分る。
【００２５】
第１サンプルホールド回路１１０でサンプリングする第２タイミングt2,t5,t8,t11を、その後にオフセット電圧の正負が反転する第１タイミングt3,t6,t9,t12の直前にとることができる。例えば、タイミングt2をタイミングt3の直前に設定し、タイミングt5をタイミングt6の直前に設定し、タイミングt8をタイミングt9の直前に設定し、タイミングt11をタイミングt12の直前に設定することができる。すると、第１タイミングから第２タイミングまでの期間を長く設定で切ることが分る。すなわち、タイミングt3〜t6の直前までと、タイミングt6〜t9の直前までと、タイミングt9〜t12の直前までといった期間が、第１タイミングから第２タイミングまでの期間なる。すなわち、第2タイミングを第１タイミングの直前にとると、実質的には全期間が、第１タイミングから第２タイミングまでの期間となり、ほぼ全期間において加算回路１２０の出力電圧Ｖ3(t)からオフセット電圧の影響をなくすことができる。この場合、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドする第３タイミングを比較的自由に設定できることになる。
【００２６】
図３は、信号処理回路１００の内部構成を示す説明図である。チョッパアンプ５００は、オペアンプＣＡ１と、２個の抵抗Ｒ1、Ｒ2を備えている。オペアンプＣＡ１の非反転入力端子（＋）には、センサ等が出力する信号電圧Ｖs(t)が入力される。抵抗Ｒ1とＲ2は、オペアンプＣＡ１の出力端子と基準電圧Ｖrefの間に直列に接続されている。抵抗Ｒ1とＲ2の間の電圧がオペアンプＣＡ１の反転入力端子（−）に入力される。抵抗Ｒ2は、チョッパアンプＣＡ１に負帰還をかけているフィードバック抵抗である。オペアンプＣＡ１には所定周期で第１タイミング信号が加えられる。図４に、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)が示されており、所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳していることが分る。タイミングt3,t6は、オフセット電圧ΔＶosの正負が反転し終えた第１タイミングＣＬＫ1を示している。実際には、チョッパアンプ５００に第１タイミング信号が加えられた瞬間に、オフセット電圧ΔＶosの正負が反転するものでなく、第１タイミング信号が加えられた時に反転を始め、所定時間後に反転を終える。ここで言う第１タイミングＣＬＫ1とは、反転を終えるタイミングをいう。オフセット電圧ΔＶosの正負が反転させるためにチョッパアンプ５００に加えられる第１タイミング信号は、第１タイミングＣＬＫ1よりも所定時間だけ早いタイミングでチョッパアンプ５００に加えられる。
【００２７】
第１サンプルホールド回路１１０は、スイッチＳ１と、コンデンサＣ１と、オペアンプＡ１を備えている。第１サンプルホールド回路１１０は、時間に対して変化する電圧Ｖ1(t)を所定周期で標本化（サンプリング）し、サンプリングした値を出力する。
【００２８】
スイッチＳ１は、第２タイミング信号の立上りエッジに応じてオンし、立下がりエッジに応じてオフする。スイッチＳ１がオンすると、コンデンサＣ１の電圧が、その時の電圧Ｖ1(t)に等しくなるまで充電される。コンデンサＣ１が充電し終える時間に、第２タイミング信号が立下がり、スイッチＳ１がオフされる関係に設定されている。コンデンサＣ１は、第２タイミング信号の立下がりエッジのタイミングにおけるＶ1(t)の値を保持する。ここでいう第２タイミングＣＬＫ２とは、第１サンプルホールド回路１１０でサンプルホールドしている値を更新し終えたタイミングに相当する。すなわち第２タイミング信号の立下がりエッジのタイミングをいう。オペアンプＡ１は、出力電圧が反転入力端子に全帰還されているので、電圧フォロワとして使用されている。これにより、オペアンプＡ１の出力電圧Ｖ2(t)は、コンデンサＣ１の電圧に等しくなる。オペアンプＡ１は、コンデンサＣ１の放電を禁止する高インピーダンス素子として機能する。
【００２９】
加算回路１２０は、オペアンプＡ２と、３個の抵抗Ｒ３ａ、Ｒ３ｂ、Ｒ４を備えている。オペアンプＡ２の反転入力端子（−）に、抵抗Ｒ3bを介して、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)が接続されており、さらに、抵抗Ｒ3aを介して、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)が接続されている。抵抗Ｒ４は、オペアンプＡ２の反転入力端子と出力端子の間に接続されており、負帰還のフィードバック抵抗として機能する。オペアンプＡ２の非反転入力端子（＋）には基準電圧Ｖrefが入力されている。加算回路１２０は、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)をＶrefを基準にして反転した電圧と、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)をＶrefを基準にして反転した電圧を加算し、加算した電圧Ｖ3(t)をＶrefを基準にして出力する。
【００３０】
この例では、加算回路１２０の利得Ｇ２を１．０としている。その利得は自由に設定することができる。なお図４に示すように、加算回路１２０の出力信号Ｖ3(t)は、チョッパアンプ５００の出力電圧Ｖ1(t)と、第１サンプルホールド回路１１０の出力電圧Ｖ2(t)に過渡現象が生じている期間では、大きなノイズを含んでいるものの、その他の期間では安定しており、正負に反転するオフセット電圧の影響が除去されている。
【００３１】
第２サンプルホールド回路１３０は、第１サンプルホールド回路１１０と同様に、スイッチＳ２と、コンデンサＣ２と、オペアンプＡ３を備えている。第２サンプルホールド回路１３０は、時間に対して変化する電圧Ｖ3(t)を所定周期で標本化（サンプリング）し、サンプリングした値を出力する。
【００３２】
スイッチＳ２は、第３タイミング信号の立上りエッジに応じてオンし、立下がりエッジに応じてオフする。スイッチＳ２がオンすると、コンデンサＣ２の電圧が、その時の電圧Ｖ3(t)に等しくなるまで充電される。コンデンサ２が充電し終える時間に、第３タイミング信号が立下がり、スイッチＳ２がオフされる関係に設定されている。コンデンサＣ２は、第３タイミング信号の立下がりタイミングにおけるＶ3(t)の値を保持する。ここでいう第３タイミングＣＬＫ３とは、第２サンプルホールド回路１３０でサンプルホールドしている値を更新し終えたタイミングに相当する。すなわち第３タイミング信号の立下がりエッジのタイミングをいう。オペアンプＡ３は、出力電圧が反転入力端子に全帰還されているので、電圧フォロワとして使用されている。これにより、オペアンプＡ３の出力電圧Ｖout(t)は、コンデンサＣ２の電圧に等しくなる。オペアンプＡ３は、コンデンサＣ２の放電を禁止する高インピーダンス素子として機能する。
【００３３】
第２サンプルホールド回路１３０は、オペアンプＡ３の非反転入力端子とスイッチＳ２との間に、抵抗Ｒ５を備えている点で第１サンプルホールド回路１１０と相違する。抵抗Ｒ５は、オペアンプＡ３の非反転入力端子の急峻な電圧変動に起因するノイズの低減を目的として装備されている抵抗である。
第１サンプルホールド回路１１０では、コンデンサＣ１が短時間でＶ1(t)に等しい電圧にまで充電されるようにするために、スイッチＳ１とコンデンサＣ１の間に抵抗が接続されていない。第１サンプルホールド回路１１０では、第２タイミング信号の立上りエッジから立下がりエッジまでの時間を短くできる。スイッチＳ１のオン期間と、スイッチＳ２のオン期間をずらすことによって、第１サンプルホールド回路１１０で発生したノイズが、第２のサンプルホールド回路１３０でサンプリングされないようにすることができる。
【００３４】
本発明の実施例に係る信号処理回路１００では、オフセット電圧ΔＶｏｓの正負が反転する第１タイミングＣＬＫ１から、第１サンプリングホールド回路１１０のスイッチＳ１がオフする第２タイミングＣＬＫ２までの間に、第２サンプリングホールド回路１３０のスイッチＳ２がオフする第３タイミングＣＬＫ３となる時間関係に設定されている。この結果、オフセット電圧ΔＶｏｓの影響を相殺した電圧が第２サンプリングホールド回路１３０から出力される。オフセット電圧ΔＶｏｓの影響をほぼ完全に除去することができる。
【００３５】
Ｂ.第２実施例
図５は、本発明の第２実施例に係る信号処理回路１００ａの概略構成を示し、図６は、信号処理回路１００ａの内部構成を示している。信号処理回路１００ａのチョッパアンプ５００ａは、一対のオペアンプＣＡ１、ＣＡ２を有し、２種類の直流電圧Ｖsm(t),Ｖsp(t)の差を増幅する。信号処理回路１００ａは、センサが２種類の直流電圧Ｖsm(t) ,Ｖsp(t)を出力し、両者の差が実際の検出対象の状態を示す場合に有用である。
本発明でいうチョッパアンプは、１入力１出力のアンプに限られず、複数種類の電圧を入力して増幅するアンプをも含む。
【００３６】
Ｃ.第３実施例
図７は、本発明の第３実施例に係る信号処理回路の概略構成を示している。第３実施例の信号処理回路は、センサが２種類の直流電圧Ｖsm(t),Ｖsp(t)を出力し、両者の差が実際の検出対象の状態を示す場合に有用である。
第３実施例では、第１の信号電圧Ｖsm(t)のために、第１の信号電圧Ｖsm(t)を入力して増幅した出力電圧Ｖm1(t)を出力するチョッパアンプ６００ａと、チョッパアンプ６００ａの出力電圧Ｖm1(t)を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖm2(t)を出力する第１サンプルホールド回路６１０ａを備えている。また、第２の信号電圧Ｖsp(t)のために、第２の信号電圧Ｖsp(t)を入力して増幅した出力電圧Ｖp1(t)を出力するチョッパアンプ６００ｂと、チョッパアンプ６００ｂの出力電圧Ｖp1(t)を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖp2(t)を出力する第１サンプルホールド回路６１０bを備えている。
さらに、第３実施例の信号処理回路は、演算回路６３０を備えている。演算回路６３０は、第１信号電圧Ｖsm(t)を処理するチョッパアンプ６００ａの出力電圧Ｖm1(t)と第１サンプルホールド回路６１０ａの出力電圧Ｖm2(t)と、第２信号電圧Ｖsp(t)を処理するチョッパアンプ６００ｂの出力電圧Ｖp1(t)と第２サンプルホールド回路６１０ｂの出力電圧Ｖp2(t)を入力し、Ｖm1(t)とＶm2(t)を加算した電圧と、Ｖp1(t)とＶp2(t)を加算した電圧の電圧差に対応する電圧を出力する。すなわち、演算回路６３０は、（Ｖm1(t)＋Ｖm2(t)）−（Ｖp1(t)とＶp2(t)）で示される値を示す電圧をＶrefを基準にして出力する。演算回路６３０は、チョッパアンプ６００ａの出力電圧と第１サンプルホールド回路６１０ａの出力電圧を加算する処理と、チョッパアンプ６００ｂの出力電圧と第１サンプルホールド回路６１０ｂの出力電圧を加算する処理とを含んでいる演算を実施する。
さらに、第３実施例の信号処理回路は、演算回路６３０の出力電圧を所定周期でサンプルホールドしてサンプルホールドした電圧Ｖout(t)を出力する第２サンプルホールド回路６４０を備えている。
その他の説明は、第１実施例のそれと同一であり、重複説明を省略する。
【００３７】
図８は、第３実施例の信号処理回路の内部構成を示している。オペアンプ７００ａ等によってチョッパアンプ６００ａが構成され、スイッチＳＷ１とオペアンプ７１０ａ等によって第１サンプルホールド回路６１０ａが構成され、オペアンプ７００ｂ等によってチョッパアンプ６００ｂが構成され、スイッチＳＷ２とオペアンプ７１０ｂ等によって第１サンプルホールド回路６１０ｂが構成されている。また、抵抗Ｒ63,Ｒ64とオペアンプ７３０等によって、演算回路６３０が構成されている。さらに、スイッチＳＷ３とオペアンプ７４０等によって第２サンプルホールド回路６４０が構成されている。
【００３８】
第３実施例の信号処理回路によると、チョッパアンプ６００ａの出力電圧Ｖm1(t)は、第１の信号電圧Ｖsm(t)を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳したものとなっている。その出力電圧Ｖm1(t)と、第１サンプルホールド回路６１０ａでサンプルホールドされている電圧Ｖm2(t)を加算することから、演算回路６３０が出力する出力電圧からはオフセット電圧の影響が除去されている。同様に、チョッパアンプ６００ｂの出力電圧Ｖp1(t)は、第２の信号電圧Ｖsp(t)を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳したものとなっている。その出力電圧Ｖp1(t)と、第１サンプルホールド回路６１０ｂでサンプルホールドされている電圧Ｖp2(t)を加算することから、演算回路６３０が出力する出力電圧からはオフセット電圧の影響が除去されている。演算回路６３０は、第１の信号電圧Ｖsm(t)を増幅した電圧からオフセット電圧の影響を除去した電圧と、第２の信号電圧を増幅した電圧からオフセット電圧の影響を除去した電圧との電圧差を取り出すことができる。
第２実施例では、電圧差を増幅してからオフセット電圧の影響を除去しているのに対し、第３実施例では、２種類の信号電圧の各々を増幅し、各々からオフセット電圧の影響を除去し、その後に電圧差を取り出している。いずれによっても、オフセット電圧の影響を受けない電圧差を取り出すことができる。
【００３９】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、サンプルホールド時に発生するナイキスト周波数（サンプリング周波数の１／２の周波数）よりも高い周波数帯のノイズ成分が折り返すことによってＳ／Ｎ比が低下することを防止する場合には、チョッパアンプの出力電圧からナイキスト周波数よりも高い周波数帯のノイズを遮断する低域通過フィルタを挿入することが好ましい。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４０】
１００、１００ａ…信号処理回路
１１０…第１サンプルホールド回路
１２０…加算回路
１３０…第２サンプルホールド回路
５００…チョッパアンプ
５００ａ…差動増幅型チョッパアンプ
６００…ローパスフィルタ回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号電圧を入力し、その信号電圧を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧を出力するチョッパアンプと、
そのチョッパアンプの出力電圧を前記所定周期でサンプルホールドし、サンプルホールドした電圧を出力する第１サンプルホールド回路と、
前記チョッパアンプの出力電圧と前記第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算する処理を含む演算結果に対応する電圧を出力する演算回路と、
その演算回路の出力電圧を前記所定周期でサンプルホールドし、サンプルホールドした電圧を出力する第２サンプルホールド回路を備えており、
前記チョッパアンプの出力電圧に重畳するオフセット電圧の正負が反転するタイミングを第１タイミングとし、前記第１サンプルホールド回路でサンプルホールドするタイミングを第２タイミングとし、前記第２サンプルホールド回路でサンプルホールドするタイミングを第３タイミングとしたときに、第１タイミングから第２タイミングまでの期間内に第３タイミングが設定されていることを特徴する信号処理回路。
【請求項２】
前記チョッパアンプが、２種類の信号電圧を入力するとともに、２種類の信号電圧の差を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載の信号処理回路。
【請求項３】
第１の信号電圧を入力して処理する、請求項１に記載にチョッパアンプと第１サンプルホールド回路と、
第２の信号電圧を入力して処理する、請求項１に記載にチョッパアンプと第１サンプルホールド回路を備えており、
前記演算回路が、第１の信号電圧を処理する前記チョッパアンプの出力電圧と前記第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算した値と、第２の信号電圧を処理する前記チョッパアンプの出力電圧と前記第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算した値との差に対応する電圧を出力することを特徴する請求項１に記載の信号処理回路。
【請求項１】
信号電圧を入力し、その信号電圧を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧を出力するチョッパアンプと、
そのチョッパアンプの出力電圧を前記所定周期でサンプルホールドし、サンプルホールドした電圧を出力する第１サンプルホールド回路と、
前記チョッパアンプの出力電圧と前記第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算する処理を含む演算結果に対応する電圧を出力する演算回路と、
その演算回路の出力電圧を前記所定周期でサンプルホールドし、サンプルホールドした電圧を出力する第２サンプルホールド回路を備えており、
前記チョッパアンプの出力電圧に重畳するオフセット電圧の正負が反転するタイミングを第１タイミングとし、前記第１サンプルホールド回路でサンプルホールドするタイミングを第２タイミングとし、前記第２サンプルホールド回路でサンプルホールドするタイミングを第３タイミングとしたときに、第１タイミングから第２タイミングまでの期間内に第３タイミングが設定されていることを特徴する信号処理回路。
【請求項２】
前記チョッパアンプが、２種類の信号電圧を入力するとともに、２種類の信号電圧の差を増幅した電圧に所定周期で正負が反転するオフセット電圧が重畳した電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載の信号処理回路。
【請求項３】
第１の信号電圧を入力して処理する、請求項１に記載にチョッパアンプと第１サンプルホールド回路と、
第２の信号電圧を入力して処理する、請求項１に記載にチョッパアンプと第１サンプルホールド回路を備えており、
前記演算回路が、第１の信号電圧を処理する前記チョッパアンプの出力電圧と前記第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算した値と、第２の信号電圧を処理する前記チョッパアンプの出力電圧と前記第１サンプルホールド回路の出力電圧を加算した値との差に対応する電圧を出力することを特徴する請求項１に記載の信号処理回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１３５２２５（Ｐ２０１１−１３５２２５Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９１３８７（Ｐ２００９−２９１３８７）
【出願日】平成２１年１２月２２日（２００９．１２．２２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２２日（２００９．１２．２２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]