JP2003075486A - Impedance detection circuit, and capacitance detection circuit and method - Google Patents

Impedance detection circuit, and capacitance detection circuit and method

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JP2003075486A
JP2003075486A JP2001269687A JP2001269687A JP2003075486A JP 2003075486 A JP2003075486 A JP 2003075486A JP 2001269687 A JP2001269687 A JP 2001269687A JP 2001269687 A JP2001269687 A JP 2001269687A JP 2003075486 A JP2003075486 A JP 2003075486A
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impedance
capacitance
capacitor
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voltage
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Masami Yakabe
正巳 八壁
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detection circuit of impedance or capacitance that can accurately detect minute impedance and is suited for detecting capacity in a capacity-type sensor such as a condenser microphone. SOLUTION: In a capacitance detection circuit 10 comprising a capacity detection section 1 and a capacity cancellation section 2, the capacity detection section 1 comprises an AC voltage generator 11, a first operational amplifier 14 where a non-inverted input terminal is connected to the ground, a second operational amplifier 16 for composing a voltage follower, a detection capacitor 15 connected between the output terminal of the first operational amplifier 14 and the non-inverted input terminal of the second operational amplifier 16, and the like. The capacity cancellation section 2 comprises a third operational amplifier 30 for inverting and amplifying an AC signal from the AC voltage generator 11, and a cancellation condenser 33 connected between the output terminal and the non-inverted input terminal of the second operational amplifier 16. A capacitor 17 under test is connected between the non-inverted input terminal of the second operational amplifier 16 and the ground.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量を検出す
る回路及び方法に関し、特に、微小な容量を高い精度で
検出する回路及び方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a circuit and method for detecting electrostatic capacitance, and more particularly to a circuit and method for detecting a very small capacitance with high accuracy.

【0002】[0002]

【従来の技術】静電容量検出回路の従来例として、特開
平9−280806号公報記載のものを挙げることがで
きる。図8は、この静電容量検出回路を示す回路図であ
る。この検出回路では、電極90、91で形成される容
量センサ92が、信号線93を介して演算増幅器95の
反転入力端子に接続されている。そしてこの演算増幅器
95の出力端子と前記反転入力端子との間にコンデンサ
96が接続されるとともに、非反転入力端子に交流電圧
Vacが印加されている。また信号線93はシールド線9
4によって被覆され、外乱ノイズに対して電気的に遮蔽
されている。そしてこのシールド線94は、演算増幅器
95の非反転入力端子に接続されている。出力電圧Vd
は、演算増幅器95の出力端子からトランス97を介し
て取り出される。
2. Description of the Related Art As a conventional example of a capacitance detecting circuit, there is one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-280806. FIG. 8 is a circuit diagram showing this capacitance detection circuit. In this detection circuit, a capacitance sensor 92 formed of electrodes 90 and 91 is connected to an inverting input terminal of an operational amplifier 95 via a signal line 93. A capacitor 96 is connected between the output terminal of the operational amplifier 95 and the inverting input terminal, and the AC voltage Vac is applied to the non-inverting input terminal. In addition, the signal line 93 is the shield line 9
4 and is electrically shielded against disturbance noise. The shield line 94 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 95. Output voltage Vd
Is taken out from the output terminal of the operational amplifier 95 via the transformer 97.

【0003】この検出回路では、演算増幅器95の反転
入力端子と非反転入力端子とがイマージナリショートの
状態となり、反転入力端子に接続された信号線93と非
反転入力端子に接続されたシールド線94とは、互いに
ほぼ同電位となる。これによって、信号線93はシール
ド線94によってガーディングされ、つまり、両者9
3、94間の浮遊容量はキャンセルされ、浮遊容量に影
響されない出力電圧Vdが得られるというものである。
In this detection circuit, the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 95 are in the state of an emergency short, and the signal line 93 connected to the inverting input terminal and the shield line connected to the non-inverting input terminal. 94 and the same potential as each other. As a result, the signal line 93 is guarded by the shield line 94, that is,
The stray capacitance between 3 and 94 is canceled, and the output voltage Vd that is not affected by the stray capacitance is obtained.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来技術によれば、確かに容量センサ92の容量が
ある程度に大きいときは信号線93とシールド線94と
の間の浮遊容量に影響されない正確な出力電圧Vdを得
ることができるものの、数pFあるいはfF(フェムト
ファラッド)オーダーの微小な容量の検出においては、
誤差が大きくなってしまうという問題がある。
However, according to such a conventional technique, when the capacitance of the capacitance sensor 92 is certainly large to some extent, the stray capacitance between the signal line 93 and the shield line 94 is not affected. Although it is possible to obtain a high output voltage Vd, in the detection of a minute capacitance of the order of several pF or fF (femto farad),
There is a problem that the error becomes large.

【0005】また、印加する交流電圧Vacの周波数によ
っては、演算増幅器95の内部のトラッキングエラー等
により、イマージナリショートの状態にある反転入力端
子と非反転入力端子の電圧間にも結果的に微妙な位相・
振幅のズレが発生し、検出誤差が大きくなってしまうと
いう問題もある。
Further, depending on the frequency of the AC voltage Vac to be applied, due to a tracking error in the operational amplifier 95 or the like, the voltage between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal in the immagnari short circuit state may be slightly delicate as a result. Na phase
There is also a problem that the deviation of the amplitude occurs and the detection error becomes large.

【0006】一方、携帯電話機等に代表される軽量・小
型の音声通信機器においては、コンデンサマイクロホン
等の容量センサで検出した音声を、高感度かつ忠実に電
気信号に変換するコンパクトな増幅回路が求められてい
る。このような容量センサの静電容量を、検出対象の物
理量(音等)の変化に応じて変化する変化容量ΔCと、
物理量に依存しない一定の基準容量Cdとの和で表現し
た場合に、定常的に存在する基準容量Cdは重要ではな
く、検出の対象は変化容量ΔCである。つまり、より高
い感度で音等の物理量を検出するには、変化容量ΔCだ
けが検出されることが望まれる。
On the other hand, in a lightweight and small-sized voice communication device typified by a mobile phone or the like, a compact amplifier circuit for converting voice detected by a capacitance sensor such as a condenser microphone into an electric signal with high sensitivity and fidelity is required. Has been. A capacitance of such a capacitance sensor, a change capacitance ΔC that changes according to a change in a physical quantity (such as sound) to be detected,
When expressed by the sum with the constant reference capacitance Cd that does not depend on the physical quantity, the reference capacitance Cd that constantly exists is not important, and the detection target is the change capacitance ΔC. That is, in order to detect a physical quantity such as sound with higher sensitivity, it is desired that only the change capacitance ΔC be detected.

【0007】そこで、この発明は、このような状況に鑑
みてなされたものであり、微小な容量を正確に検出する
ことができ、かつ、軽量・小型の音声通信機器に使用さ
れるコンデンサマイクロホン等の容量センサの容量検出
に適した静電容量検出回路及び方法を提供することを目
的とする。
Therefore, the present invention has been made in view of such a situation, and is capable of accurately detecting a minute capacitance, and is a condenser microphone used in a small and lightweight voice communication device. It is an object of the present invention to provide a capacitance detection circuit and method suitable for capacitance detection of the capacitance sensor.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、本発明に係るインピーダンス検出回路は、被検出
インピーダンスのインピーダンスに対応する検出信号を
出力するインピーダンス検出回路であって、入力インピ
ーダンスが高く出力インピーダンスが低いインピーダン
ス変換器と、第1インピーダンス素子と、演算増幅器
と、前記演算増幅器の出力に接続される信号出力端子
と、前記被検出インピーダンスに一定の電流を印加する
キャンセル電流印加手段とを備え、前記インピーダンス
変換器の入力端子には前記被検出インピーダンスの一端
と前記第1インピーダンス素子の一端とが接続され、前
記演算増幅器の負帰還路に前記第1インピーダンス素子
及び前記インピーダンス変換器が含まれ、前記信号出力
端子に現れる信号と前記インピーダンス変換器の入力端
子に現れる信号とが同相の関係となるように、少なくと
も前記第1インピーダンス素子又は前記キャンセル電流
印加手段のいずれか一方による電流の値が設定されてい
ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, an impedance detection circuit according to the present invention is an impedance detection circuit which outputs a detection signal corresponding to the impedance of a detected impedance, and whose input impedance is An impedance converter having a high output impedance, a first impedance element, an operational amplifier, a signal output terminal connected to the output of the operational amplifier, and a canceling current applying means for applying a constant current to the detected impedance. The input terminal of the impedance converter is connected to one end of the detected impedance and one end of the first impedance element, and the first impedance element and the impedance converter are provided in a negative feedback path of the operational amplifier. Includes the signal that appears at the signal output terminal and So that the signal appearing at the input terminal of the impedance converter a relationship of phase, characterized in that the value of the current by one of at least the first impedance element or the cancel current applying means is set.

【0009】また、本発明に係る静電容量検出方法は、
被検出コンデンサの静電容量に対応する検出信号を出力
する静電容量検出方法であって、演算増幅器の反転入力
端子に交流電圧を印加し、前記演算増幅器の非反転入力
端子を所定の電位に接続するとともに、その出力端子と
インピーダンス変換器の入力端子間に検出用コンデンサ
を接続し、前記インピーダンス変換器の入力端子と所定
の電位間に被検出コンデンサを接続し、前記演算増幅器
の出力端子に現れる電圧を検出信号として出力し、前記
被検出コンデンサに一定のキャンセル電流を印加し、前
記信号出力端子に現れる信号と前記インピーダンス変換
器の入力端子に現れる信号とが同相の関係となるよう
に、前記検出用コンデンサ及び前記キャンセル電流印加
手段による電流の値を設定しておくことを特徴とする。
ここで、所定の電位とは、ある基準電位、所定の直流電
位、接地電位またはフローティング状態のいずれかを指
すものであり、実施の態様にあわせて最適なものが選択
される。
The capacitance detecting method according to the present invention is
A capacitance detection method for outputting a detection signal corresponding to the capacitance of a capacitor to be detected, wherein an AC voltage is applied to an inverting input terminal of an operational amplifier, and a non-inverting input terminal of the operational amplifier is set to a predetermined potential. Along with the connection, a detection capacitor is connected between the output terminal and the input terminal of the impedance converter, a detected capacitor is connected between the input terminal of the impedance converter and a predetermined potential, and the output terminal of the operational amplifier is connected. The voltage that appears is output as a detection signal, a constant cancel current is applied to the detected capacitor, and the signal that appears at the signal output terminal and the signal that appears at the input terminal of the impedance converter have the same phase relationship, It is characterized in that the value of the current by the detecting capacitor and the cancel current applying means is set in advance.
Here, the predetermined potential refers to any one of a reference potential, a predetermined DC potential, a ground potential, and a floating state, and an optimum one is selected according to the embodiment.

【0010】具体例として、第1インピーダンス素子及
び被検出インピーダンスがコンデンサである場合には、
容量検出部と容量キャンセル部とから構成される静電容
量検出回路であって、容量検出部は、交流電圧発生器
と、非反転入力端子がグランドに接続された第1演算増
幅器と、ボルテージフォロワを構成する第2演算増幅器
と、第1演算増幅器の出力端子と第2演算増幅器の非反
転入力端子間に接続される検出用コンデンサ等を備え、
容量キャンセル部は、交流電圧発生器からの交流信号を
反転増幅する第3演算増幅器と、その出力端子と第2演
算増幅器の非反転入力端子間に接続されるキャンセルコ
ンデンサとを備え、被検出コンデンサは第2演算増幅器
の非反転入力端子とグランド間に接続する。
As a specific example, when the first impedance element and the impedance to be detected are capacitors,
An electrostatic capacitance detection circuit including a capacitance detection unit and a capacitance cancellation unit, wherein the capacitance detection unit includes an AC voltage generator, a first operational amplifier whose non-inverting input terminal is connected to ground, and a voltage follower. And a detection capacitor connected between the output terminal of the first operational amplifier and the non-inverting input terminal of the second operational amplifier,
The capacitance canceling unit includes a third operational amplifier that inverts and amplifies the AC signal from the AC voltage generator, and a cancel capacitor that is connected between the output terminal and the non-inverting input terminal of the second operational amplifier. Is connected between the non-inverting input terminal of the second operational amplifier and the ground.

【0011】そして、第2演算増幅器の非反転入力端
子、被検出コンデンサ、検出用コンデンサ及びキャンセ
ルコンデンサが接続されている接続点での信号と、第1
演算増幅器の出力端子での検出信号とが同相の関係とな
るように、検出用コンデンサやキャンセルコンデンサの
値を設定しておく。
The signal at the connection point where the non-inverting input terminal of the second operational amplifier, the detected capacitor, the detecting capacitor and the cancel capacitor are connected, and the first
The values of the detection capacitor and the cancellation capacitor are set so that the detection signal at the output terminal of the operational amplifier has the same phase relationship.

【0012】例えば、前記キャンセル電流印加手段は、
被検出コンデンサの一端とインピーダンス変換器との接
続点における電圧をA倍する電圧増幅器と、電圧増幅器
の出力端子と接続点との間に接続される容量Ccのキャ
ンセルコンデンサとで構成し、コンデンサマイクロホン
等の被検出コンデンサの静電容量のうち、物理量(音)
に依存しない一定の基準容量をCd、物理量に依存して
変化する変化容量をΔCとすると、第1の方策として
(i)電圧増幅器の電圧ゲインA及びキャンセルコンデ
ンサの容量Ccが、 Cd=(A−1)・Cc を満たし、かつ、(ii)前記変化容量ΔCの最大値の絶
対値をΔCmaxとしたときに、検出用コンデンサの容量
Cfが、 ΔCmax≦Cf を満たす値に設定しておく。なお、本願におけるA倍及
びゲインA等に示される変数Aは、いずれもゼロ以外の
実数を表すものとする。
For example, the cancel current applying means is
A capacitor microphone that is composed of a voltage amplifier that multiplies the voltage at the connection point between one end of the detected capacitor and the impedance converter by A, and a cancel capacitor having a capacitance Cc that is connected between the output terminal of the voltage amplifier and the connection point. Physical quantity (sound) of the capacitance of the detected capacitor such as
Assuming that a constant reference capacitance that does not depend on Cd is Cd and a change capacitance that changes depending on a physical quantity is ΔC, (i) the voltage gain A of the voltage amplifier and the capacitance Cc of the cancel capacitor are Cd = (A −1) · Cc is satisfied, and (ii) when the absolute value of the maximum value of the change capacitance ΔC is ΔCmax, the capacitance Cf of the detecting capacitor is set to a value satisfying ΔCmax ≦ Cf. It should be noted that the variable A shown in A times and the gain A and the like in the present application all represent real numbers other than zero.

【0013】また、第2の方策として、電圧増幅器の電
圧ゲインA及びキャンセルコンデンサの容量Ccが、 (A−1)・Cc≦Cd−ΔCmax+Cf を満たす値に設定しておいてもよい。
As a second measure, the voltage gain A of the voltage amplifier and the capacitance Cc of the cancel capacitor may be set to values satisfying (A-1) .Cc≤Cd-.DELTA.Cmax + Cf.

【0014】さらに、第3の方策として、前記電圧増幅
器の電圧ゲインA及び前記キャンセルコンデンサの容量
Ccが、 (A−1)・Cc≧Cd+ΔCmax+Cf を満たす値に設定しておいてもよい。
Further, as a third measure, the voltage gain A of the voltage amplifier and the capacitance Cc of the cancel capacitor may be set to values satisfying (A-1) · Cc ≧ Cd + ΔCmax + Cf.

【0015】なお、電圧増幅器及びインピーダンス変換
器については、同一の演算増幅器を実現してもよい。
The same operational amplifier may be realized for the voltage amplifier and the impedance converter.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて詳細に説明する。図1〜図4は、本発
明の実施の形態例におけるインピーダンス検出回路の一
例としての静電容量検出回路10の回路図である。な
お、本図では、この静電容量検出回路10に、検出対象
である被検出インピーダンスの一例である被検出コンデ
ンサ17(ここでは、コンデンサマイクロホン等、静電
容量の変化を利用して各種物理量を検出する容量型セン
サであって、そのインピーダンスの一例としての静電容
量Csが、検出対象の物理量に依存しない一定の基準イ
ンピーダンスの一例としての基準容量Cdと物理量に依
存して変化するインピーダンス変化分ΔCとの和で表現
されている)が接続されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. 1 to 4 are circuit diagrams of a capacitance detection circuit 10 as an example of an impedance detection circuit according to an exemplary embodiment of the present invention. In the figure, the capacitance detection circuit 10 is provided with a detected capacitor 17 which is an example of a detected impedance to be detected (here, various physical quantities such as a condenser microphone are utilized by utilizing a change in electrostatic capacity). A capacitance type sensor for detecting, in which an electrostatic capacitance Cs as an example of the impedance thereof changes depending on a reference capacitance Cd as an example of a constant reference impedance that does not depend on a physical quantity of a detection target and an impedance change amount. (Represented by the sum of ΔC) is connected.

【0017】静電容量検出回路10は、大きく分けて、
被検出コンデンサ17の容量を検出する基本回路である
インピーダンス検出部の一例である容量検出部1と、被
検出コンデンサ17の容量の一部(例えば、基準容量C
d)が容量検出部1で検出されることをキャンセルする
容量キャンセル部2とから構成され、キャンセルされた
後の被検出コンデンサ17の容量(例えば、変化分Δ
C)に対応する検出信号(電圧Vout)を信号出力端子
20から出力する。
The capacitance detection circuit 10 is roughly divided into
The capacitance detection unit 1 which is an example of an impedance detection unit which is a basic circuit for detecting the capacitance of the detected capacitor 17, and a part of the capacitance of the detected capacitor 17 (for example, the reference capacitance C
d) and the capacitance canceling unit 2 that cancels the detection by the capacitance detecting unit 1, and the capacitance of the detected capacitor 17 after the cancellation (for example, the variation Δ
The detection signal (voltage Vout) corresponding to C) is output from the signal output terminal 20.

【0018】容量検出部1は、交流電圧を発生する交流
電圧発生器11、抵抗(R1)12、抵抗(R2)13、
第1演算増幅器14、検出用コンデンサ(容量Cf)1
5及び入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが
低くゲインがA倍のインピーダンス変換器16aから構
成される。
The capacitance detector 1 includes an AC voltage generator 11 for generating an AC voltage, a resistor (R1) 12, a resistor (R2) 13,
First operational amplifier 14, detection capacitor (capacitance Cf) 1
5 and an impedance converter 16a having a high input impedance and a low output impedance and a gain of A times.

【0019】交流電圧発生器11は、一端が所定の電位
(本例では接地)に接続され、他端(出力端子)から一
定の交流電圧(電圧Vin、角周波数ω)を発生してい
る。交流電圧発生器11の出力端子と第1演算増幅器1
4の反転入力端子との間には抵抗(R1)12が接続さ
れている。
One end of the AC voltage generator 11 is connected to a predetermined potential (ground in this example), and a constant AC voltage (voltage Vin, angular frequency ω) is generated from the other end (output terminal). Output terminal of AC voltage generator 11 and first operational amplifier 1
A resistor (R1) 12 is connected between the inverting input terminal 4 and the inverting input terminal 4.

【0020】第1演算増幅器14は、入力インピーダン
ス及び開ループゲインが極めて高い電圧増幅器であり、
ここでは、非反転入力端子が所定の電位(本例では接
地)に接続され、非反転入力端子及び反転入力端子がイ
マージナリショートの状態となっている。この第1演算
増幅器14の負帰還路、つまり、第1演算増幅器14の
出力端子から反転入力端子までの間に、検出用コンデン
サ15、インピーダンス変換器16a及び抵抗(R2)
13がこの順で直列に接続されている。
The first operational amplifier 14 is a voltage amplifier having extremely high input impedance and open loop gain.
Here, the non-inverting input terminal is connected to a predetermined potential (ground in this example), and the non-inverting input terminal and the inverting input terminal are in the state of an emergency short. The negative feedback path of the first operational amplifier 14, that is, between the output terminal and the inverting input terminal of the first operational amplifier 14, the detection capacitor 15, the impedance converter 16a and the resistor (R2).
13 are connected in series in this order.

【0021】図2〜図4に示されるインピーダンス変換
器は、その反転入力端子と出力端子とが接続され、入力
インピーダンスが極めて高く、出力インピーダンスが極
めて低い、電圧ゲインが1のボルテージフォロワ16b
を構成している。このボルテージフォロワ16bの非反
転入力端子には、被検出コンデンサ17の一端が接続さ
れ、一方、被検出コンデンサ17の他端は、所定の電位
(本例では接地)に接続されている。第1演算増幅器1
4の出力端子には、この静電容量検出回路10の出力信
号、つまり、被検出コンデンサ17の容量に対応した検
出信号を出力するための信号出力端子20が接続されて
いる。
In the impedance converter shown in FIGS. 2 to 4, the inverting input terminal and the output terminal are connected, the input impedance is extremely high, the output impedance is extremely low, and the voltage follower 16b having a voltage gain of 1b.
Are configured. One end of the detected capacitor 17 is connected to the non-inverting input terminal of the voltage follower 16b, while the other end of the detected capacitor 17 is connected to a predetermined potential (ground in this example). First operational amplifier 1
A signal output terminal 20 for outputting the output signal of the electrostatic capacitance detection circuit 10, that is, the detection signal corresponding to the capacitance of the detected capacitor 17, is connected to the output terminal of No. 4.

【0022】ここで、インピーダンス変換器16bがボ
ルテージフォロワの場合、電圧ゲインはA=1となり、
ボルテージフォロワの両入力端子がイマジナリーショー
トの状態となるため、反転入力と出力の電圧が決まり、
ボルテージフォロワの非反転入力の電圧が決定される。
一方、演算増幅器14は利得を十分に取るものであるの
で、ここでは、利得を十分に獲得するためのアンプと電
圧を決定するためのアンプとを分割したともいえる。こ
うすると、演算増幅器14の非反転入力を所定の電位に
接続する事ができ、その動作の安定性を向上させること
ができるようになり、利得を充分に稼ぎながら演算誤差
の大幅な低減を実現できるよになるので、これはより好
ましい態様であるといえる。
When the impedance converter 16b is a voltage follower, the voltage gain is A = 1,
Since both input terminals of the voltage follower are in an imaginary short state, the voltage of the inverting input and the output is determined,
The voltage at the non-inverting input of the voltage follower is determined.
On the other hand, since the operational amplifier 14 has a sufficient gain, it can be said that the amplifier for obtaining a sufficient gain and the amplifier for determining the voltage are divided here. By doing so, the non-inverting input of the operational amplifier 14 can be connected to a predetermined potential, the stability of its operation can be improved, and a large reduction in the operational error can be realized while gaining sufficient gain. This can be said to be a more preferable aspect because it becomes possible.

【0023】図7は、図1に示されたインピーダンス検
出回路10におけるインピーダンス変換器16aの具体
的な回路例を示す。図7(a)は、演算増幅器100を
用いたボルテージフォロワを示している。演算増幅器1
00の反転入力端子と出力端子とが短絡されている。こ
の演算増幅器100の非反転入力端子をインピーダンス
変換器16aの入力とし、演算増幅器100の出力端子
をインピーダンス変換器16aの出力とすることで、入
力インピーダンスが極めて高く、電圧ゲインAが1とな
るインピーダンス変換器16aが得られる。これが具体
的に組み込まれると図2〜図4となる。
FIG. 7 shows a specific circuit example of the impedance converter 16a in the impedance detection circuit 10 shown in FIG. FIG. 7A shows a voltage follower using the operational amplifier 100. Operational amplifier 1
00 inverting input terminal and output terminal are short-circuited. The non-inverting input terminal of the operational amplifier 100 is used as the input of the impedance converter 16a and the output terminal of the operational amplifier 100 is used as the output of the impedance converter 16a, so that the input impedance is extremely high and the voltage gain A becomes 1. The converter 16a is obtained. When this is specifically incorporated, it becomes FIGS.

【0024】図7(b)は、演算増幅器101を用いた
非反転増幅回路16を示している。演算増幅器101の
反転入力端子とグランド間に抵抗(R10)110が接続
され、演算増幅器101の反転入力端子と出力端子間に
フィードバック抵抗(抵抗(R11)111)が接続され
ている。この演算増幅器101の非反転入力端子をイン
ピーダンス変換器16aの入力とし、演算増幅器101
の出力端子をインピーダンス変換器16aの出力とする
ことで、入力インピーダンスが極めて高く、電圧ゲイン
Aが(R10+R11)/R10となるインピーダンス変換器
16aが得られる。
FIG. 7B shows a non-inverting amplifier circuit 16 using the operational amplifier 101. A resistor (R10) 110 is connected between the inverting input terminal of the operational amplifier 101 and the ground, and a feedback resistor (resistor (R11) 111) is connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 101. The non-inverting input terminal of this operational amplifier 101 is used as the input of the impedance converter 16a, and the operational amplifier 101
By using the output terminal of as the output of the impedance converter 16a, an impedance converter 16a having an extremely high input impedance and a voltage gain A of (R10 + R11) / R10 can be obtained.

【0025】図7(c)は、図7(a)や図7(b)に
示されるような演算増幅器の入力段にCMOS構造のバ
ッファを付加した回路を示している。図示されるよう
に、正負電源間にN型MOSFET34とP型MOSF
ET35とが抵抗112、113を介して直列に接続さ
れ、バッファの出力が演算増幅器100(又は101)
の入力に接続されている。このバッファの入力をインピ
ーダンス変換器16aの入力とし、演算増幅器の出力端
子をインピーダンス変換器16aの出力とすることで、
入力インピーダンスが極めて高いインピーダンス変換器
16aが得られる。
FIG. 7C shows a circuit in which a buffer having a CMOS structure is added to the input stage of the operational amplifier as shown in FIGS. 7A and 7B. As shown, an N-type MOSFET 34 and a P-type MOSF are provided between the positive and negative power supplies.
ET35 is connected in series through resistors 112 and 113, and the output of the buffer is the operational amplifier 100 (or 101).
Connected to the input of. By using the input of this buffer as the input of the impedance converter 16a and the output terminal of the operational amplifier as the output of the impedance converter 16a,
An impedance converter 16a having an extremely high input impedance can be obtained.

【0026】図7(d)は、図7(c)の入力段のバッ
ファのような回路を示している。図示されるように、正
負電源間に、N型MOSFET34とP型MOSFET
35とが直列に接続され、両MOSFETの接続部から
出力がなされる。
FIG. 7 (d) shows a circuit such as a buffer in the input stage of FIG. 7 (c). As shown, an N-type MOSFET 34 and a P-type MOSFET are provided between the positive and negative power supplies.
35 and 35 are connected in series, and an output is made from the connection part of both MOSFETs.

【0027】図7(e)は、演算増幅器102の非反転
入力をインピーダンス変換器16aの入力とし、演算増
幅器102の反転入力端子に抵抗114の一端を接続
し、演算増幅器102の出力と反転入力間を抵抗115
を介して接続したものとなっている。図7(d)及び図
7(e)に示されるように、こうした構成をとることで
入力インピーダンスが極めて高いインピーダンス変換器
16aが得られる。
In FIG. 7 (e), the non-inverting input of the operational amplifier 102 is used as the input of the impedance converter 16a, one end of the resistor 114 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 102, and the output of the operational amplifier 102 and the inverting input are connected. Resistance between 115
It has been connected through. As shown in FIGS. 7D and 7E, by adopting such a configuration, the impedance converter 16a having an extremely high input impedance can be obtained.

【0028】容量キャンセル部2は、被検出コンデンサ
17に向けて一定の電流(キャンセル電流)を流す定電
流源であり、交流電圧発生器11からの交流信号を反転
増幅する、抵抗(R3)31、抵抗(R4)32及び第3
演算増幅器30からなる反転増幅回路と、第3演算増幅
器30の出力端子及びインピーダンス変換器16aの非
反転入力端子間に接続されたキャンセルコンデンサ33
とから構成される。この容量キャンセル部2は、被検出
コンデンサ17に一定の電流を供給することで、被検出
コンデンサ17を流れる電流の一部(あるいは変化分)
だけが検出用コンデンサ15に流れるようにし、これに
よって、信号出力端子20に現れる検出信号に含まれる
被検出コンデンサ17の定常的な容量に対応する成分を
キャンセル(容量の直流成分が検出されないように)し
ている。言い換えれば、キャンセルコンデンサ33と被
検出コンデンサ17の接続点がV1となるように、キャ
ンセルコンデンサ33と被検出コンデンサ17とでV3
を分圧している。そして、被検出コンデンサのうちの少
なくとも一部に印加されるべき電圧を、キャンセルコン
デンサ33を介して第3演算増幅器30の出力端子から
印加している。
The capacitance canceling section 2 is a constant current source for supplying a constant current (cancellation current) to the detected capacitor 17, and a resistor (R3) 31 for inverting and amplifying the AC signal from the AC voltage generator 11. , Resistor (R4) 32 and third
A cancel capacitor 33 connected between the inverting amplifier circuit including the operational amplifier 30 and the output terminal of the third operational amplifier 30 and the non-inverting input terminal of the impedance converter 16a.
Composed of and. The capacitance canceling unit 2 supplies a constant current to the detection target capacitor 17 so that a part (or change amount) of the current flowing through the detection target capacitor 17 is obtained.
Flow through the detection capacitor 15 to cancel the component corresponding to the steady capacitance of the detected capacitor 17 included in the detection signal appearing at the signal output terminal 20 (to prevent the DC component of the capacitance from being detected). )is doing. In other words, the cancel capacitor 33 and the detected capacitor 17 have V3 so that the connection point between the cancel capacitor 33 and the detected capacitor 17 becomes V1.
Is divided. Then, the voltage to be applied to at least a part of the detected capacitors is applied from the output terminal of the third operational amplifier 30 via the cancel capacitor 33.

【0029】ここでは、典型的な例として、この容量キ
ャンセル部2から被検出コンデンサ17に向けて印加さ
れるキャンセル電流が、被検出コンデンサ17の基準容
量Cdを流れる電流(インピーダンス変換器16aの非
反転入力端子での電圧をV1とすると、jωCd・V1)
に等しくなるように、容量キャンセル部2を構成する抵
抗(R3)31、抵抗(R4)32及びキャンセルコンデ
ンサ33の容量等が予め調整されているとする。このと
きには、容量検出部1の信号出力端子20には、被検出
コンデンサ17の静電容量Csの変化分ΔCだけに対応
する検出信号が生じることになる。
Here, as a typical example, the cancel current applied from the capacitance canceling unit 2 toward the detected capacitor 17 flows through the reference capacitance Cd of the detected capacitor 17 (the impedance converter 16a has a non-current value). If the voltage at the inverting input terminal is V1, then jωCd · V1)
It is assumed that the capacitances of the resistor (R3) 31, the resistor (R4) 32, and the cancel capacitor 33 that configure the capacitance canceling unit 2 are adjusted in advance so that they become equal to. At this time, a detection signal corresponding to only the change amount ΔC of the electrostatic capacitance Cs of the detected capacitor 17 is generated at the signal output terminal 20 of the capacitance detection unit 1.

【0030】以上のように構成された静電容量検出回路
10の詳細な動作は図2を例にとって示すと、以下の通
りである。
The detailed operation of the electrostatic capacitance detection circuit 10 configured as described above is as follows, taking FIG. 2 as an example.

【0031】抵抗(R1)12、抵抗(R2)13及び第
1演算増幅器14等から構成される反転増幅回路に着目
すると、第1演算増幅器14の両入力端子がイマージナ
リショートの状態となって同電位(例えば0V)であ
り、かつ、その入力インピーダンスが極めて高く、電流
が流れないことから、抵抗(R1)12を流れる電流
は、Vin/R1となり、その全てが抵抗(R2)13を流
れるので、ボルテージフォロワ16bの出力電圧をV2
とすると、 Vin/R1=−V2/R2 が成り立つ。これを整理することにより、ボルテージフ
ォロワ16bの出力電圧V2は、 V2=−(R2/R1)・Vin (式1) となる。また、ボルテージフォロワ16bの両入力端子
がイマージナリショートの状態にあり、入力電圧(非反
転入力端子の電圧)V1と出力電圧(反転入力端子及び
出力端子22での電圧)V2は等しくなるので、その入
力電圧V1は、 V1=V2 =−(R2/R1)・Vin (式2) が成り立つ。
Focusing on the inverting amplifier circuit composed of the resistor (R1) 12, the resistor (R2) 13, the first operational amplifier 14, etc., both input terminals of the first operational amplifier 14 are in the state of an immagnari short. Since they have the same potential (for example, 0 V) and their input impedance is extremely high and no current flows, the current flowing through the resistor (R1) 12 becomes Vin / R1 and all of them flow through the resistor (R2) 13. Therefore, set the output voltage of the voltage follower 16b to V2.
Then, Vin / R1 = -V2 / R2 holds. By organizing this, the output voltage V2 of the voltage follower 16b becomes V2 =-(R2 / R1) .Vin (Equation 1). Further, since both input terminals of the voltage follower 16b are in the state of the immagnari short circuit, the input voltage (voltage at the non-inverting input terminal) V1 and the output voltage (voltage at the inverting input terminal and the output terminal 22) V2 become equal, The input voltage V1 is as follows: V1 = V2 =-(R2 / R1) .Vin (Equation 2).

【0032】一方、容量キャンセル部2に着目すると、
抵抗(R3)31、抵抗(R4)32及び第3演算増幅器
30により反転増幅回路が構成されているので、第3演
算増幅器30の出力端子での電圧V3は、 V3=−(R4/R3)・Vin となる。ここで、上記式2を用いてVinを消去すること
により、電圧V3は、 V3=(R1/R2)・(R4/R3)・V1 =A・V1 (式3)
On the other hand, focusing on the capacity canceling unit 2,
Since the resistance (R3) 31, the resistance (R4) 32 and the third operational amplifier 30 constitute an inverting amplifier circuit, the voltage V3 at the output terminal of the third operational amplifier 30 is V3 =-(R4 / R3)・ Vin. Here, by eliminating Vin using the above equation 2, the voltage V3 becomes: V3 = (R1 / R2). (R4 / R3) .V1 = A.V1 (Equation 3)

【0033】と表される。ただし、Aは前記接続点21
に対する利得であり、 A=(R1/R2)・(R4/R3) である。
It is expressed as follows. However, A is the connection point 21
A = (R1 / R2) · (R4 / R3).

【0034】さて、ボルテージフォロワ16bの非反転
入力端子、被検出コンデンサ17、検出用コンデンサ1
5及びキャンセルコンデンサ33が接続されている接続
点21に流入及び流出する電流に着目すると、ボルテー
ジフォロワ16bの入力インピーダンスは極めて高いの
でボルテージフォロワ16bの非反転入力端子には電流
が流れないことから、検出用コンデンサ15を接続点2
1に向かって流れる電流i1は、キャンセルコンデンサ3
3を接続点21に向かって流れる電流をi2、接続点2
1から被検出コンデンサ17に向かって流れる電流をi
3とすると、 i1=i3−i2 (式4) と表される。
Now, the non-inverting input terminal of the voltage follower 16b, the detected capacitor 17, the detection capacitor 1
5 and the current flowing in and out of the connection point 21 to which the cancel capacitor 33 is connected, the input impedance of the voltage follower 16b is extremely high, and therefore no current flows in the non-inverting input terminal of the voltage follower 16b. Connect the detection capacitor 15 to the connection point 2
The current i1 flowing toward 1 is the cancellation capacitor 3
3 is the current flowing toward the connection point 21 and i2 is the connection point 2
The current flowing from 1 to the detected capacitor 17 is i
When set to 3, i1 = i3-i2 (Equation 4) is expressed.

【0035】ところで、電流i1は、検出用コンデンサ
15を流れる電流であるので、 i1=Cf・(d/dt)・(Vout−V1) (式5) と表される。また、電流i2は、キャンセルコンデンサ
33を流れる電流であるので、 i2=Cc・(d/dt)・(V3−V1) と表され、さらに、上記式3の関係を用いて、 =Cc・(A−1)・(d/dt)・V1 (式6) と表される。また、電流i3は、被検出コンデンサ17
を流れる電流であるので、 i3=(d/dt)・Cs・V1 =(d/dt)・(Cd+ΔC)・V1 (式7) と表される。
Since the current i1 is a current flowing through the detecting capacitor 15, it is expressed as follows: i1 = Cf (d / dt)  (Vout-V1) (Equation 5) Since the current i2 is a current flowing through the cancel capacitor 33, it is expressed as i2 = Cc (d / dt)  (V3−V1), and using the relationship of the above equation 3, = Cc ( A-1). (D / dt) .V1 (Equation 6) The current i3 is the detected capacitor 17
Since it is a current flowing through, i3 = (d / dt) .multidot.Cs.multidot.V1 = (d / dt) .multidot. (Cd + .DELTA.C) .multidot.V1 (Equation 7).

【0036】これら3つの式5〜式7で表される電流i
1〜i3を上記式4に代入すると、 Cf・(d/dt)・(Vout−V1)=(d/dt)・(Cd+
ΔC)・V1−Cc・(A−1)・V1 となり、全体を積分すると、 Cf・(Vout−V1)=(Cd+ΔC)・V1−Cc・(A
−1)・(d/dt)・V1 と表される。これをVoutについて整理すると、検出信
号の出力電圧Voutは、 Vout=(1+(Cd−(A−1)・Cc+ΔC)/Cf)・V1 (式8) となる。
The current i expressed by these three equations 5 to 7
Substituting 1 to i3 into the above equation 4, Cf · (d / dt) · (Vout−V1) = (d / dt) · (Cd +
.DELTA.C) .multidot.V1-Cc.multidot. (A-1) .multidot.V1. When the whole is integrated, Cf. (Vout-V1) = (Cd + .DELTA.C) .multidot.V1-Cc. (A
-1). (D / dt) .V1. If this is rearranged with respect to Vout, the output voltage Vout of the detection signal is Vout = (1+ (Cd- (A-1) .Cc + .DELTA.C) / Cf) .V1 (Equation 8).

【0037】ここで、容量キャンセル部2における上述
の典型的な条件、即ち、キャンセルコンデンサ33を流
れる電流i2(=Cc・(A−1)・(d/dt)・V1)が
被検出コンデンサ17の基準容量Cdを流れる電流((d
/dt)・Cd・V1)に等しくなるように設定されている
という条件を考慮する。つまり、 (d/dt)・Cd・V1=(d/dt)・Cc・(A−1)・
V1 これを整理して、 Cd=(A−1)・Cc (式9) の関係が成立しているとする。
Here, the above-mentioned typical condition in the capacitance canceling section 2, that is, the current i2 (= Cc. (A-1). (D / dt) .V1) flowing through the canceling capacitor 33 is the detected capacitor 17 Current ((d
/ Dt) · Cd · V1) is taken into consideration. That is, (d / dt) * Cd * V1 = (d / dt) * Cc * (A-1) *
V1 By rearranging this, it is assumed that the relationship of Cd = (A-1) .Cc (Equation 9) is established.

【0038】すると、この式9で表されるCdを上記式
8に代入して分かるように、このような条件下では、検
出信号の電圧Voutは、 Vout=(1+ΔC/Cf)・V1 (式10) と簡略化される。
Then, as can be seen by substituting the Cd expressed by the equation 9 into the equation 8, the voltage Vout of the detection signal is Vout = (1 + ΔC / Cf) V1 (equation) under these conditions. 10) is simplified.

【0039】一方で、ボルテージフォロワ16bの非反
転入力端子、被検出コンデンサ17、検出用コンデンサ
15及びキャンセルコンデンサ33が接続されている接
続点21での電圧に着目し、接続点21での電荷を考え
ると、ボルテージフォロワ16bの入力インピーダンス
は極めて高いので、ボルテージフォロワ16bの非反転
入力端子には電流が流れないことから、被検出コンデン
サ17と検出用コンデンサ15、キャンセルコンデンサ
33の電荷量は、等しくなる。即ち、電荷は保存される
ので、 Cc・(V3−V1)+Cf・(Vout−V1)=(Cd+ΔC)・V1 (式11) と表される。するとVoutは、次のようになる。 Vout=((Cd+ΔC+Cc)/Cf+1)・V1−(Cc/Cf)・V3 =−(R2/R1)・(1+(Cd+ΔC+Cc)/Cf−A・Cc/Cf)・ Vin =−(R2/R1)・(1+(Cd+ΔC−(A−1)Cc)/Cf)・Vin (式12)
On the other hand, paying attention to the voltage at the connection point 21 to which the non-inverting input terminal of the voltage follower 16b, the detected capacitor 17, the detection capacitor 15 and the cancel capacitor 33 are connected, the charge at the connection point 21 is Considering this, since the input impedance of the voltage follower 16b is extremely high, no current flows through the non-inverting input terminal of the voltage follower 16b, so that the detected capacitor 17, the detecting capacitor 15, and the cancel capacitor 33 have the same charge amount. Become. That is, since the charge is stored, it can be expressed as Cc. (V3-V1) + Cf. (Vout-V1) = (Cd + .DELTA.C) .V1 (Equation 11). Then, Vout becomes as follows. Vout = ((Cd + .DELTA.C + Cc) / Cf + 1) .V1- (Cc / Cf) .V3 =-(R2 / R1). (1+ (Cd + .DELTA.C + Cc) /Cf-A.Cc/Cf) .Vin =-(R2 / R1)・ (1+ (Cd + ΔC- (A-1) Cc) / Cf) ・ Vin (Equation 12)

【0040】ここで、容量キャンセル部2における上述
の典型的な条件、即ち、キャンセルコンデンサ33の電
荷量が被検出コンデンサ17の基準容量Cdの電荷量に
等しくなるように設定されているという条件を考慮す
る。つまり、 Cc・(V3−V1)=Cd・V1 (式13) これを整理して、 Cd=(A−1)・Cc (式14) の関係が成立しているとき、このような条件下では、検
出信号の電圧Voutは、 Vout=(1+ΔC/Cf)・V1 (式15) と、式10と同じく簡略化されたものとなる。
Here, the above-mentioned typical condition in the capacitance canceling unit 2, that is, the condition that the charge amount of the cancel capacitor 33 is set to be equal to the charge amount of the reference capacitance Cd of the detected capacitor 17 is set. Consider. That is, Cc · (V3−V1) = Cd · V1 (Equation 13) By rearranging this, when the relationship of Cd = (A-1) · Cc (Equation 14) is established, under such conditions Then, the voltage Vout of the detection signal is Vout = (1 + .DELTA.C / Cf) .multidot.V1 (Equation 15), which is a simplified one like Equation 10.

【0041】この式10及び式15に示されるように、
静電容量検出回路10の信号出力端子20から出力され
る検出信号の電圧Voutは、被検出コンデンサ17の静
電容量Csの基準容量Cdには依存せず、その変化分ΔC
だけに依存した値となる。例えば、被検出コンデンサ1
7がコンデンサマイクロホンである場合には、音の強弱
に依存しない不要なオフセット分(被検出コンデンサ1
7の基準容量Cdに対応する信号)を含まず、音の強弱
に依存する成分(被検出コンデンサ17の静電容量の変
化分ΔCに対応する信号)だけを含んでいる。したがっ
て、音だけに対応する正味の信号を大きく増幅すること
ができ、高感度のマイクロホンが実現される。
As shown in the equations (10) and (15),
The voltage Vout of the detection signal output from the signal output terminal 20 of the electrostatic capacitance detection circuit 10 does not depend on the reference capacitance Cd of the electrostatic capacitance Cs of the detected capacitor 17, and its variation ΔC.
The value depends only on. For example, the detected capacitor 1
When 7 is a condenser microphone, an unnecessary offset amount (the detected condenser 1
7 does not include the signal corresponding to the reference capacitance Cd of 7) but includes only the component depending on the strength of the sound (the signal corresponding to the change amount ΔC of the capacitance of the detected capacitor 17). Therefore, a net signal corresponding to only sound can be greatly amplified, and a highly sensitive microphone can be realized.

【0042】また、上記式10には角周波数ωが含まれ
ていないことから分かるように、この検出信号の電圧V
outは、交流電圧発生器11からの交流信号Vinの周波
数又被検出コンデンサの変化する周波数に依存しない。
これによって、被検出コンデンサ17に印加される交流
電圧の周波数又は被検出コンデンサの変化する周波数に
依存することなく、被検出コンデンサ17の容量(変化
分ΔC)を検出することができる(周波数依存特性を有
しない)静電容量検出回路が実現される。したがって、
コンデンサマイクロホン等、容量値がある周波数(音声
帯域)で変化するような被検出コンデンサ17に対し
て、検出された信号を周波数補正することなく、その電
圧値から直接、容量値を特定することが可能となる。
Further, as can be seen from the above expression 10 which does not include the angular frequency ω, the voltage V of this detection signal is
out does not depend on the frequency of the AC signal Vin from the AC voltage generator 11 or the changing frequency of the detected capacitor.
As a result, the capacitance (change ΔC) of the detected capacitor 17 can be detected without depending on the frequency of the AC voltage applied to the detected capacitor 17 or the changing frequency of the detected capacitor (frequency-dependent characteristic). Capacitive detection circuit is realized. Therefore,
It is possible to specify the capacitance value directly from the voltage value of the detected capacitor 17 whose capacitance value changes at a certain frequency (voice band), such as a condenser microphone, without frequency correction of the detected signal. It will be possible.

【0043】また、この例の静電容量検出回路10で
は、検出用コンデンサ15及び被検出コンデンサ17に
電流を供給している第1演算増幅器14は、その非反転
入力端子が所定の電位(本例では接地)に接続され、固
定化されている。したがって、図8に示される従来の回
路における演算増幅器95と異なり、第1演算増幅器1
4は、入力される交流信号の周波数等に依存することな
く、ノイズの少ない安定した電流を検出用コンデンサ1
5及び被検出コンデンサ17に供給し、演算誤差も低減
されるので、被検出コンデンサ17の微小な容量が検出
され得る。
Further, in the electrostatic capacitance detection circuit 10 of this example, the first operational amplifier 14 which supplies current to the detection capacitor 15 and the detected capacitor 17 has a non-inverting input terminal of a predetermined potential (main (In the example ground) is connected and fixed. Therefore, unlike the operational amplifier 95 in the conventional circuit shown in FIG. 8, the first operational amplifier 1
Reference numeral 4 denotes a detection capacitor 1 that produces a stable current with little noise, without depending on the frequency of the input AC signal.
5 and the capacitor 17 to be detected, and the calculation error is also reduced, so that a minute capacitance of the capacitor 17 to be detected can be detected.

【0044】ところで、上記のように、単に、基準容量
Cdに流れる電流の全てをキャンセルするような設定に
しているだけでは、被検出コンデンサ17の静電容量C
sの値によっては、不具合が生じ得る。例えば、音の強
弱等に応じて被検出コンデンサ17の静電容量Csが、
ある一定値よりも小さくなったときに、検出信号の波形
が、位相が180度反転したような形状となってしま
い、後処理が困難になってしまうケースが生じ得る。
By the way, as described above, the capacitance C of the capacitor to be detected 17 is simply set by canceling all the current flowing through the reference capacitance Cd.
Defects may occur depending on the value of s. For example, the electrostatic capacity Cs of the detected capacitor 17 is
When the value becomes smaller than a certain value, the waveform of the detection signal may have a shape in which the phase is inverted by 180 degrees, which may make post-processing difficult.

【0045】図5は、このような反転を生じている検出
信号の波形の例(実線)と、反転を生じていない検出信
号の波形の例(点線)を示している。本図に示されるよ
うに、実線の波形では、被検出コンデンサ17の静電容
量Csが一定値よりも小さくなったとき、即ち、図中の
矢印で示された時間帯において、位相が180度反転し
たような形状となっている。したがって、このような波
形の信号から音を忠実に再生するには、その反転部分を
元に戻す複雑な後処理回路が必要となる。なお、本図に
おいて、波形に含まれる高周波成分は、交流電圧発生器
11が発生している交流信号に対応し、包絡線に現れて
いる低周波成分は、被検出コンデンサ17の静電容量C
sの変化分ΔC(音等の物理量の変化)に対応してい
る。
FIG. 5 shows an example of the waveform of the detection signal having such inversion (solid line) and an example of the waveform of the detection signal having no inversion (dotted line). As shown in the figure, in the waveform of the solid line, the phase is 180 degrees when the capacitance Cs of the detected capacitor 17 becomes smaller than a certain value, that is, in the time zone shown by the arrow in the figure. It looks like an inverted shape. Therefore, in order to faithfully reproduce the sound from the signal having such a waveform, a complicated post-processing circuit that restores the inverted portion is necessary. In the figure, the high frequency component included in the waveform corresponds to the AC signal generated by the AC voltage generator 11, and the low frequency component appearing in the envelope is the capacitance C of the detected capacitor 17.
It corresponds to the change amount ΔC of s (change in physical quantity such as sound).

【0046】そこで、このような検出信号の反転とそれ
に伴う後処理を回避するための方策(具体的な回路定数
の設定方法)を考案したので、以下に説明する。 (1)第1の方策 この方策は、検出用コンデンサ15の容量Cfを調整す
る方法である。
Therefore, a method (a concrete circuit constant setting method) for avoiding the inversion of the detection signal and the post-processing associated therewith has been devised, which will be described below. (1) First Measure This measure is a method of adjusting the capacitance Cf of the detection capacitor 15.

【0047】具体的には、(i)上記基準容量Cdの全てを
キャンセルする条件(上記式9及び式14)、即ち、 Cd=(A−1)・Cc (式9,式14(再掲)) を満たし、かつ、(ii)被検出コンデンサ17の静電容量
Csの変化分ΔCの最大値の絶対値をΔCmaxとした場合
に、検出用コンデンサ15の容量Cfが、 ΔCmax≦Cf を満たすように調節しておく。
Specifically, (i) a condition for canceling all of the reference capacitance Cd (formula 9 and formula 14), that is, Cd = (A-1) Cc (formula 9 and formula 14 (repost)) ) Is satisfied, and (ii) when the absolute value of the maximum value of the variation ΔC of the electrostatic capacitance Cs of the detected capacitor 17 is ΔCmax, the capacitance Cf of the detecting capacitor 15 satisfies ΔCmax ≦ Cf. Adjust to.

【0048】すると、上記条件(i)より、検出信号の出
力電圧Voutは、上記式10及び式15、即ち、 Vout=(1+ΔC/Cf)・V1 (式10,式15(再掲)) で表され、かつ、上記条件(ii)より、 −1≦ΔC/Cf≦1 が成り立つので、上記式10の右辺における、電圧Vou
tと電圧V1とを関係づける比例係数(1+ΔC/Cf)
は、ゼロ以上の値となる。よって、被検出コンデンサ1
7の静電容量の値によっては検出信号の電圧Voutと電
圧V1との位相関係が反転してしまう、という不具合が
回避される。
Then, from the condition (i), the output voltage Vout of the detection signal is expressed by the above equations 10 and 15, that is, Vout = (1 + ΔC / Cf) · V1 (equation 10, equation 15 (reprinted)). Further, since −1 ≦ ΔC / Cf ≦ 1 is satisfied from the above condition (ii), the voltage Vou on the right side of the above equation 10 is satisfied.
Proportional coefficient (1 + ΔC / Cf) that correlates t with voltage V1
Is a value greater than or equal to zero. Therefore, the detected capacitor 1
The problem that the phase relationship between the voltage Vout and the voltage V1 of the detection signal is inverted depending on the value of the electrostatic capacitance 7 is avoided.

【0049】なお、この第1の方策は、検出用コンデン
サ15の容量Cfを大きくするほど、上記式10に示さ
れる右辺のΔC/Cfが小さくなり、出力電圧Voutに含
まれる信号(変化容量ΔCに対応する電圧)成分が小さ
くなって検出感度が落ちてしまうという弱点がある。 (2)第2の方策 この方策は、基準容量Cdに対するキャンセル量を調節
する方法である。具体的には、以下の2つの方法のいず
れかをとればよい。 (2−1)被検出コンデンサ17の静電容量Csが最小
値となるときに着目し、このときであっても、検出信号
の電圧Voutが電圧V1に対して逆相にならないようにキ
ャンセル量を調節する方法である。具体的には、以下の
通りである。まず、キャンセル量の多少に拘わらず、図
1の静電容量検出回路10では、上記式8及び式12が
成り立つ。 Vout=(1+(Cd−(A−1)・Cc+ΔC)/Cf)・V1 (式8(再掲)) Vout=−(R2/R1)・(1+(Cd+ΔC−(A−1)・Cc)/Cf)・Vin (式12(再掲))
According to the first measure, the larger the capacitance Cf of the detection capacitor 15 is, the smaller ΔC / Cf on the right side of the above equation 10 is, and the signal (change capacitance ΔC) included in the output voltage Vout is reduced. Has a weakness that the detection sensitivity is lowered due to the decrease of the voltage component). (2) Second Measure This measure is a method of adjusting the cancellation amount with respect to the reference capacitance Cd. Specifically, one of the following two methods may be used. (2-1) Pay attention to when the electrostatic capacitance Cs of the detected capacitor 17 has the minimum value, and even at this time, the cancel amount is set so that the voltage Vout of the detection signal does not have a reverse phase with respect to the voltage V1. Is a method of adjusting. Specifically, it is as follows. First, irrespective of the amount of cancellation, in the electrostatic capacitance detection circuit 10 of FIG. Vout = (1+ (Cd- (A-1) .Cc + .DELTA.C) / Cf) .V1 (Formula 8 (repost)) Vout =-(R2 / R1). (1+ (Cd + .DELTA.C- (A-1) .Cc) / Cf) · Vin (Equation 12 (repost))

【0050】ここで、被検出コンデンサ17の静電容量
Csの変化分ΔCの最大値の絶対値をΔCmaxとすると、
上記式8及び式12から分かるように、被検出コンデン
サ17の静電容量Csが最小値をとったときに、出力電
圧Voutは、以下のように表される。 Vout=(1+(Cd−(A−1)・Cc−ΔCmax)/Cf)・V1 (式16) したがって、この式11で示される電圧Voutと電圧V1
とを関係づける比例係数(1+(Cd−(A−1)・Cc
−ΔCmax)/Cf)をゼロ以上の値にしておくことで、
被検出コンデンサ17の静電容量Csが最小値となった
ときでも、電圧Voutと電圧V1との位相関係を同相に維
持することができる。つまり、 1+(Cd−(A−1)・Cc−ΔCmax)/Cf≧0 これを整理して、 (A−1)・Cc≦Cd−ΔCmax+Cf (式17) が成り立つように、容量キャンセル部2での接続点21
に対する利得A及びキャンセルコンデンサ33の容量C
c、検出用コンデンサCfを調節しておくことで、被検出
コンデンサ17の静電容量の値によっては出力電圧Vou
tが反転し、後処理が困難となってしまう、という不具
合を回避することができる。よって、出力電圧Voutに
対して、ピークホールド回路でピーク点をとる等の簡単
な処理を施すだけで、被検出コンデンサ17の容量変化
分ΔCを特定することができる。
Here, when the absolute value of the maximum value of the variation ΔC of the electrostatic capacitance Cs of the detected capacitor 17 is ΔCmax,
As can be seen from the above equations 8 and 12, when the capacitance Cs of the detected capacitor 17 has the minimum value, the output voltage Vout is expressed as follows. Vout = (1+ (Cd- (A-1) .Cc-.DELTA.Cmax) / Cf) .V1 (Equation 16) Therefore, the voltage Vout and the voltage V1 shown in this Equation 11 are obtained.
Proportional coefficient (1+ (Cd- (A-1) .Cc
By setting −ΔCmax) / Cf) to a value of zero or more,
Even when the capacitance Cs of the detected capacitor 17 reaches the minimum value, the phase relationship between the voltage Vout and the voltage V1 can be maintained in the same phase. That is, 1+ (Cd- (A-1) .Cc-.DELTA.Cmax) /Cf.gtoreq.0. This is rearranged so that (A-1) .Cc.ltoreq.Cd-.DELTA.Cmax + Cf (Equation 17) is satisfied. At connection point 21
To the gain A and the capacitance C of the cancel capacitor 33
By adjusting c and the detection capacitor Cf, the output voltage Vou may be changed depending on the capacitance value of the detected capacitor 17.
It is possible to avoid the problem that t is inverted and post-processing becomes difficult. Therefore, the capacitance change ΔC of the detected capacitor 17 can be specified by simply performing a simple process such as obtaining a peak point in the peak hold circuit for the output voltage Vout.

【0051】(2−2)被検出コンデンサ17の静電容
量Csが最大値となるときに着目し、このときであって
も、検出信号の電圧Voutが電圧V1に対して逆相となる
ようにキャンセル量を調節する方法である。つまり、上
記(2−1)では、出力電圧Voutが反転しない条件を
満たしたが、常に反転した状態を維持する条件を満たす
ことにしても、電圧Voutと電圧V1との位相関係は同一
状態が維持され、同様に問題が解消されるので、そのた
めの条件を満たすように回路定数を決定する方法であ
る。具体的には、以下の通りである。
(2-2) Pay attention to when the capacitance Cs of the capacitor to be detected 17 has the maximum value, and even at this time, the voltage Vout of the detection signal has a reverse phase with respect to the voltage V1. It is a method to adjust the cancellation amount. That is, in the above (2-1), the condition that the output voltage Vout is not inverted is satisfied. However, even if the condition that the output voltage Vout is always inverted is satisfied, the phase relationship between the voltage Vout and the voltage V1 remains the same. This is a method of determining the circuit constants so that the conditions can be maintained and the problem can be solved similarly. Specifically, it is as follows.

【0052】まず、キャンセル量の多少に拘わらず、図
1の静電容量検出回路10では、上記式8及び式12が
成り立つ。 Vout=(1+(Cd−(A−1)・Cc+ΔC)/Cf)・V1 (式8(再掲)) Vout=−(R2/R1)・(1+(Cd+ΔC−(A−1)・Cc)/Cf)・Vin (式12(再掲))
First, irrespective of the amount of cancellation, in the electrostatic capacitance detection circuit 10 of FIG. 1, the above equations 8 and 12 are established. Vout = (1+ (Cd- (A-1) .Cc + .DELTA.C) / Cf) .V1 (Formula 8 (repost)) Vout =-(R2 / R1). (1+ (Cd + .DELTA.C- (A-1) .Cc) / Cf) · Vin (Equation 12 (repost))

【0053】ここで、被検出コンデンサ17の静電容量
Csの変化分ΔCの最大値の絶対値をΔCmaxとすると、
上記式8及び式12から分かるように、被検出コンデン
サ17の静電容量Csが最大値をとったときに、出力電
圧Voutは、以下のように表される。 Vout=(1+(Cd−(A−1)・Cc+ΔCmax)/Cf)・V1 (式18) したがって、この式13で示される電圧Voutと電圧V1
とを関係づける比例係数(1+(Cd−(A−1)・Cc
+ΔCmax)/Cf)をゼロ以下の値にしておくことで、
電圧Voutと電圧V1との位相関係を常に同一(逆相)に
維持することができる。つまり、 1+(Cd−(A−1)・Cc+ΔCmax)/Cf≦0 これを整理して、 (A−1)・Cc≧Cd+ΔCmax+Cf (式19) が成り立つように、容量キャンセル部2での接続点21
に対する利得A及びキャンセルコンデンサ33の容量C
c及び検出用コンデンサCfを調節しておくことで、被検
出コンデンサ17の静電容量の値によっては出力電圧V
outが反転し、後処理が困難となってしまう、という不
具合を回避することができる。よって、出力電圧Vout
に対して、ピークホールド回路でピーク点をとる等の簡
単な処理を施すだけで、被検出コンデンサ17の容量変
化分ΔCを特定することができる。
Here, when the absolute value of the maximum value of the variation ΔC of the electrostatic capacitance Cs of the detected capacitor 17 is ΔCmax,
As can be seen from the above equations 8 and 12, when the capacitance Cs of the detected capacitor 17 has the maximum value, the output voltage Vout is expressed as follows. Vout = (1+ (Cd- (A-1) .Cc + .DELTA.Cmax) / Cf) .V1 (Equation 18) Therefore, the voltage Vout and the voltage V1 shown in this Equation 13 are obtained.
Proportional coefficient (1+ (Cd- (A-1) .Cc
By setting + ΔCmax) / Cf) to a value below zero,
The phase relationship between the voltage Vout and the voltage V1 can always be kept the same (opposite phase). In other words, 1+ (Cd− (A-1) · Cc + ΔCmax) / Cf ≦ 0 Organizing this, the connection point in the capacity canceling unit 2 is such that (A-1) · Cc ≧ Cd + ΔCmax + Cf (Equation 19) holds. 21
To the gain A and the capacitance C of the cancel capacitor 33
By adjusting c and the detection capacitor Cf, the output voltage V may be changed depending on the capacitance value of the detected capacitor 17.
It is possible to avoid the problem that out is reversed and post-processing becomes difficult. Therefore, the output voltage Vout
On the other hand, the capacitance change ΔC of the detected capacitor 17 can be specified only by performing a simple process such as obtaining a peak point in the peak hold circuit.

【0054】このような本発明のインピーダンス検出回
路としての静電容量検出回路の電子機器への応用とし
て、被検出コンデンサは、容量の変化に応じて物理量を
検出する容量型センサとし、静電容量検出回路は、プリ
ント基板又はシリコン基板上に形成し、それら容量型セ
ンサと基板とを固定する一体化が考えられる。具体的に
は、被検出コンデンサとして、コンデンサマイクロホン
を採用し、静電容量検出回路についてはICで実現し、
それらコンデンサマイクとICとを一体化し、携帯電話
機等に使用されるマイクロホンとして1つの筐体(シー
ルドボックス)に収めてもよい。
As an application of the electrostatic capacitance detection circuit as the impedance detection circuit of the present invention to electronic equipment, the detected capacitor is a capacitance type sensor that detects a physical quantity according to a change in capacitance, and the electrostatic capacitance is It is considered that the detection circuit is formed on a printed circuit board or a silicon substrate, and the capacitive sensor and the circuit board are fixed to each other. Specifically, a condenser microphone is used as the detected capacitor, and the capacitance detection circuit is realized by an IC.
The condenser microphone and the IC may be integrated and housed in one housing (shield box) as a microphone used in a mobile phone or the like.

【0055】以上、本発明に係るインピーダンス検出回
路について、実施の形態例に基づいて説明したが、本発
明は、この実施の形態に限定されるものではない。
The impedance detection circuit according to the present invention has been described above based on the embodiment, but the present invention is not limited to this embodiment.

【0056】例えば、図1〜図4に示された静電容量検
出回路10は、容量検出部1に含まれるインピーダンス
変換器16a(ボルテージフォロワ16b)と容量キャ
ンセル部2に含まれる電圧源(第3演算増幅器30)と
は別個の演算増幅器であったが、これらを1つのインピ
ーダンス変換器又は演算増幅器で構成してもよい。
For example, in the electrostatic capacitance detection circuit 10 shown in FIGS. 1 to 4, the impedance converter 16a (voltage follower 16b) included in the capacitance detection unit 1 and the voltage source (first Although the operational amplifiers are separate from the three operational amplifiers 30), they may be configured by a single impedance converter or operational amplifier.

【0057】図6(a)は、そのようなインピーダンス
変換器とキャンセル電流を発生させる電圧源とを1つの
インピーダンス変換器16aで構成した静電容量検出回
路の一例を示す回路図である。ここでは、図1に示され
た容量キャンセル部2に代えて、インピーダンス変換器
16aの負帰還路に抵抗(R5)35が接続され、正帰
還路にキャンセルコンデンサ33が接続されている。つ
まり、インピーダンス変換器16aを電圧源とし、キャ
ンセルコンデンサ33を介して、上述と同様のキャンセ
ル電流を接続点21に印加している。
FIG. 6A is a circuit diagram showing an example of a capacitance detection circuit in which such an impedance converter and a voltage source for generating a cancel current are constituted by one impedance converter 16a. Here, instead of the capacitance canceling section 2 shown in FIG. 1, a resistor (R5) 35 is connected to the negative feedback path of the impedance converter 16a, and a cancel capacitor 33 is connected to the positive feedback path. That is, the impedance converter 16 a is used as a voltage source, and the cancel current similar to the above is applied to the connection point 21 via the cancel capacitor 33.

【0058】より具体的に、図6(b)に示したよう
に、抵抗(R2)13、抵抗(R5)35及びインピーダ
ンス変換器としてボルテージフォロワ16bから構成さ
れる非反転増幅回路の交流出力端子(22)の電流に着
目すると、ボルテージフォロワ16bの出力電圧V2
は、 V2=((R2+R5)/R2)・V1 =A’・V1 (式20) となる。ただし、A’=(R2+R5)/R2 である。
More specifically, as shown in FIG. 6B, an AC output terminal of a non-inverting amplifier circuit composed of a resistor (R2) 13, a resistor (R5) 35 and a voltage follower 16b as an impedance converter. Focusing on the current of (22), the output voltage V2 of the voltage follower 16b is
Becomes V2 = ((R2 + R5) / R2) .multidot.V1 = A'.V1 (Equation 20). However, A '= (R2 + R5) / R2.

【0059】そして、この電圧V2がキャンセルコンデ
ンサ33に印加されて、キャンセル電流i2が生成され
るので、その電流i2は、 i2=(d/dt)・Cc・(V2−V1) =(d/dt)・Cc・(A’−1)・V1 となり、図1に示された容量キャンセル部2からの電流
i2を示す上記式6と同様の形で表現される。一方で、
また図6(b)の抵抗(R2)13、抵抗(R5)35及び
ボルテージフォロワ16bから構成される非反転増幅回
路の交流出力端子(22)の電圧に着目すると、上記式
20までは同様であるので、この電圧V2がキャンセル
コンデンサ33に印加されて、キャンセルコンデンサ3
3での電荷量が決まると云える。そうすると、キャンセ
ルコンデンサでの電荷量Qcは、 Qc=Cc・(V2−V1)=(A’−1)・Cc・V1 となり、前述の式11と同様の形で表される。よって、
本図に示される静電容量検出回路40は、図1に示され
る静電容量検出回路10と同様の機能を有し、検出信号
の反転に対する対応策についても、同様のことが言え
る。
Then, this voltage V2 is applied to the cancel capacitor 33 to generate a cancel current i2, so that the current i2 is i2 = (d / dt) .Cc. (V2-V1) = (d / dt) · Cc · (A′−1) · V1 and is expressed in the same form as the above equation 6 showing the current i2 from the capacitance canceling section 2 shown in FIG. On the other hand,
Further, focusing on the voltage of the AC output terminal (22) of the non-inverting amplifier circuit composed of the resistor (R2) 13, the resistor (R5) 35, and the voltage follower 16b in FIG. Therefore, this voltage V2 is applied to the cancel capacitor 33, and the cancel capacitor 3
It can be said that the charge amount at 3 is determined. Then, the charge amount Qc in the cancel capacitor becomes Qc = Cc.multidot. (V2-V1) = (A'-1) .multidot.Cc.multidot.V1, which is expressed in the same form as the above-mentioned formula 11. Therefore,
The electrostatic capacitance detection circuit 40 shown in this figure has the same function as the electrostatic capacitance detection circuit 10 shown in FIG. 1, and the same can be said for the countermeasures against the inversion of the detection signal.

【0060】本発明のさらなる高精度化の為の別の実施
の形態例として、図3、図4に記載されたような接続点
21のまわりの配線をシールドで覆い、そのシールドに
ガード電圧印加回路60、61によってガード電圧を印
加する事を行ってもよい。こうすると、シールドが前記
接続点21のまわりの配線と同電位に保持する事がで
き、シールドによる浮遊容量の発生を抑え、さらに、外
部からのノイズに強い高精度な検出が可能となる。
As another embodiment for further improving the accuracy of the present invention, the wiring around the connection point 21 as shown in FIGS. 3 and 4 is covered with a shield, and a guard voltage is applied to the shield. The guard voltage may be applied by the circuits 60 and 61. By doing so, the shield can be held at the same potential as the wiring around the connection point 21, the generation of stray capacitance due to the shield can be suppressed, and further, highly accurate detection that is strong against external noise becomes possible.

【0061】また、被検出インピーダンスとして接続さ
れるものは、未知の容量(半導体チップなど)コンデン
サマイクロホン、加速度センサ、地震計、圧力センサ、
変位センサ、変位計、近接センサ、タッチセンサ、イオ
ンセンサ、湿度センサ、雨滴センサ、雪センサ、雷セン
サ、位置合わせセンサ、接触不良センサ、形状センサ、
終点検出センサ、振動センサ、超音波センサ、角速度セ
ンサ、液量センサ、ガスセンサ、赤外線センサ、放射線
センサ、水位計、凍結センサ、水分計、振動計、帯電セ
ンサ、プリント基板検査機等の各種物理量を検出する全
てのデバイスが含まれる。
Also, what is connected as the impedance to be detected is an unknown capacitance (semiconductor chip or the like) condenser microphone, acceleration sensor, seismograph, pressure sensor,
Displacement sensor, displacement gauge, proximity sensor, touch sensor, ion sensor, humidity sensor, raindrop sensor, snow sensor, lightning sensor, alignment sensor, contact failure sensor, shape sensor,
Various physical quantities such as end point detection sensor, vibration sensor, ultrasonic sensor, angular velocity sensor, liquid amount sensor, gas sensor, infrared sensor, radiation sensor, water level meter, freezing sensor, moisture meter, vibrometer, electrification sensor, printed circuit board inspection machine, etc. Includes all devices to detect.

【0062】[0062]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係るインピーダンス及び静電容量検出回路及びインピ
ーダンス及び静電容量検出方法は、被検出インピーダン
スのインピーダンスに対応する検出信号を出力するもの
であって、抵抗を介して演算増幅器の反転入力端子に交
流電圧を印加し、前記演算増幅器の非反転入力端子を所
定の電位に接続するとともに、その出力端子とインピー
ダンス変換器の入力端子間に第1インピーダンス素子を
接続し、前記インピーダンス変換器の入力端子と所定の
電位間に被検出インピーダンスを接続し、前記演算増幅
器の出力端子に現れる電圧を検出信号として出力し、前
記被検出インピーダンスに一定のキャンセル電流を印加
し、前記信号出力端子に現れる信号と前記インピーダン
ス変換器の入力端子に現れる信号とが同相の関係となる
ように、前記第1インピーダンス素子及び前記キャンセ
ル電流印加手段による電流の値を設定しておくことを特
徴とする。
As is apparent from the above description, the impedance and capacitance detection circuit and the impedance and capacitance detection method according to the present invention output a detection signal corresponding to the impedance of the impedance to be detected. Therefore, an AC voltage is applied to the inverting input terminal of the operational amplifier via a resistor, the non-inverting input terminal of the operational amplifier is connected to a predetermined potential, and the output terminal and the input terminal of the impedance converter are connected to each other. 1 impedance element is connected, the detected impedance is connected between the input terminal of the impedance converter and a predetermined potential, the voltage appearing at the output terminal of the operational amplifier is output as a detection signal, and the detected impedance is constant. A signal that appears at the signal output terminal when a cancel current is applied and the input terminal of the impedance converter A signal appearing at the way a relationship of phase, characterized in that setting the value of the current by the first impedance element and the cancel current applying means.

【0063】これによって、演算増幅器の非反転入力端
子は所定の電位に接続され、入力端子の一方の電位が固
定されるので、演算増幅器は安定して動作し、検出信号
に含まれるノイズが抑制され、極めて微小なインピーダ
ンスの検出が可能となり、特にインピーダンスがコンデ
ンサのときには、数pFあるいはfFオーダーの微小な
容量の検出が可能となる。
As a result, the non-inverting input terminal of the operational amplifier is connected to a predetermined potential and one of the input terminals is fixed in potential, so that the operational amplifier operates stably and the noise contained in the detection signal is suppressed. Therefore, it is possible to detect an extremely minute impedance, and particularly when the impedance is a capacitor, it is possible to detect a minute capacitance of the order of several pF or fF.

【0064】そして、被検出インピーダンスに流れる電
流のうち、キャンセル電流を差し引いた残る電流が第1
インピーダンス素子に流れ、演算増幅器の出力端子に検
出信号として出力されるので、例えば、コンデンサマイ
クロホン等の容量型センサにおける不要な基準容量の検
出はキャンセルされ、音等の物理量に応じて変化する変
化容量だけが検出される。したがって、音等の物理量に
対応する正味の信号だけを増幅する高感度なマイクロホ
ン等が実現される。
Then, of the current flowing through the impedance to be detected, the remaining current after subtracting the cancel current is the first
Since it flows to the impedance element and is output as a detection signal to the output terminal of the operational amplifier, for example, detection of an unnecessary reference capacitance in a capacitive sensor such as a condenser microphone is canceled, and a variable capacitance that changes according to a physical quantity such as sound. Only detected. Therefore, a highly sensitive microphone or the like that amplifies only a net signal corresponding to a physical quantity such as sound is realized.

【0065】さらに、信号出力端子に現れる信号とイン
ピーダンス変換器の入力端子に現れる信号とが同相の関
係となるように、第1インピーダンス素子及びキャンセ
ル電流印加手段による電流の値が設定されているので、
被検出インピーダンスのインピーダンスの値によっては
それら両信号の位相関係が反転してしまう、という不具
合の発生が防止される。したがって、位相の反転を補償
する複雑な後処理回路が不要となり、ピークホールド回
路等の簡単な回路だけで被検出インピーダンスのインピ
ーダンスの変化分を取り出すことができ、回路全体がコ
ンパクト化される。
Furthermore, the value of the current by the first impedance element and the cancel current applying means is set so that the signal appearing at the signal output terminal and the signal appearing at the input terminal of the impedance converter have the same phase relationship. ,
It is possible to prevent the inconvenience that the phase relationship between both signals is inverted depending on the impedance value of the detected impedance. Therefore, a complicated post-processing circuit for compensating for phase inversion becomes unnecessary, and the change in impedance of the detected impedance can be taken out only by a simple circuit such as a peak hold circuit, and the entire circuit can be made compact.

【0066】また、本発明に係る静電容量検出回路は、
被検出コンデンサに電流を流すことによって容量を検出
しているので、エレクトレットコンデンサマイクロホン
等のように、被検出コンデンサの電極に高分子フィルム
等を貼り付けてエレクトレット化する必要がなく、通常
の静電容量型センサに適用することができる。
The capacitance detection circuit according to the present invention is
Capacitance is detected by passing a current through the capacitor to be detected, so there is no need to attach a polymer film to the electrodes of the capacitor to be electret like an electret condenser microphone, and it is not necessary to use normal electrostatic discharge. It can be applied to a capacitive sensor.

【0067】以上のように、本発明により、微小なイン
ピーダンス及び容量を正確に検出することができ、か
つ、小型化に適したインピーダンス検出回路及び静電容
量検出回路等が実現され、特に、携帯電話機等の軽量・
小型の音声通信機器の音声性能が飛躍的に向上され、そ
の実用的価値は極めて高い。
As described above, according to the present invention, an impedance detection circuit, an electrostatic capacitance detection circuit, etc., which can accurately detect minute impedances and capacitances and are suitable for downsizing, are realized, and particularly, portable Light weight such as telephones
The voice performance of small voice communication devices has been dramatically improved, and its practical value is extremely high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態における静電容量検出回路
の回路図の例である。
FIG. 1 is an example of a circuit diagram of a capacitance detection circuit according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1におけるインピーダンス変換器がボルテー
ジフォロワである場合の静電容量検出回路の回路図の例
である。
FIG. 2 is an example of a circuit diagram of a capacitance detection circuit when the impedance converter in FIG. 1 is a voltage follower.

【図3】図1における接続点のまわりの配線にシールド
を施した場合の静電容量検出回路の回路図の例である。
FIG. 3 is an example of a circuit diagram of a capacitance detection circuit when a wiring around a connection point in FIG. 1 is shielded.

【図4】図1における接続点のまわりの配線にシールド
を施した場合の別の静電容量検出回路の回路図の例であ
る。
FIG. 4 is an example of a circuit diagram of another electrostatic capacitance detection circuit in the case where the wiring around the connection point in FIG. 1 is shielded.

【図5】反転を生じている検出信号の波形の例(実線)
と、反転を生じていない検出信号の波形の例(点線)を
示す図である。
FIG. 5 is an example of a waveform of a detection signal causing inversion (solid line).
FIG. 6 is a diagram showing an example (dotted line) of a waveform of a detection signal in which inversion does not occur.

【図6】(a)は、インピーダンス変換器で構成した別
の静電容量検出回路の一例である。(b)は、ボルテー
ジフォロワで構成した別の静電容量検出回路の一例であ
る。
FIG. 6A is an example of another electrostatic capacitance detection circuit configured by an impedance converter. (B) is an example of another electrostatic capacitance detection circuit configured by a voltage follower.

【図7】(a)〜(e)は、インピーダンス変換器の具
体的な回路例である。
7A to 7E are specific circuit examples of the impedance converter.

【図8】従来の静電容量検出回路の回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram of a conventional capacitance detection circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、40 静電容量検出回路 11 交流電圧発生器 12、13、31、32、35、110〜115 抵
抗 14、16a、16b、30、100〜102 演算
増幅器 15 検出用コンデンサ 17 被検出コンデンサ 20 信号出力端子 21 接続点 22 交流出力端子 33 キャンセルコンデンサ 34、35 MOSFET 60、61 ガード電圧印加回路
10, 40 Capacitance detection circuit 11 AC voltage generators 12, 13, 31, 32, 35, 110-115 Resistors 14, 16a, 16b, 30, 100-102 Operational amplifier 15 Detection capacitor 17 Detected capacitor 20 Signal Output terminal 21 Connection point 22 AC output terminal 33 Canceling capacitors 34, 35 MOSFETs 60, 61 Guard voltage applying circuit

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被検出インピーダンスのインピーダンス
に対応する検出信号を出力するインピーダンス検出回路
であって、 入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが低いイ
ンピーダンス変換器と、第1インピーダンス素子と、演
算増幅器と、前記演算増幅器の出力に接続される信号出
力端子と、前記被検出インピーダンスに一定の電流を印
加するキャンセル電流印加手段とを備え、 前記インピーダンス変換器の入力端子には前記被検出イ
ンピーダンスの一端と前記第1インピーダンス素子の一
端とが接続され、 前記演算増幅器の負帰還路に前記第1インピーダンス素
子及び前記インピーダンス変換器が含まれ、 前記信号出力端子に現れる信号と前記インピーダンス変
換器の入力端子に現れる信号とが同相の関係となるよう
に、少なくとも前記第1インピーダンス素子又は前記キ
ャンセル電流印加手段のいずれか一方による電流の値が
設定されていることを特徴とするインピーダンス検出回
路。
1. An impedance detection circuit for outputting a detection signal corresponding to the impedance of a detected impedance, the impedance converter having a high input impedance and a low output impedance, a first impedance element, an operational amplifier, and the operation. A signal output terminal connected to the output of the amplifier, and a cancel current applying means for applying a constant current to the detected impedance are provided, and one end of the detected impedance and the first impedance are provided at an input terminal of the impedance converter. One end of an impedance element is connected, the negative impedance path of the operational amplifier includes the first impedance element and the impedance converter, and a signal that appears at the signal output terminal and a signal that appears at the input terminal of the impedance converter So that they are in phase Impedance detection circuit that also characterized that the value of the current by either one of the first impedance element or the cancel current applying means is set.
【請求項2】 前記キャンセル電流印加手段は、 前記被検出インピーダンスの一端と前記インピーダンス
変換器との接続点における電圧をA倍に増幅する電圧増
幅器と、 前記電圧増幅器の出力端子と前記接続点との間に接続さ
れるキャンセルインピーダンスとを有することを特徴と
する請求項1記載のインピーダンス検出回路。
2. The canceling current applying means includes a voltage amplifier that amplifies a voltage at a connection point between one end of the detected impedance and the impedance converter by A times, an output terminal of the voltage amplifier, and the connection point. The impedance detection circuit according to claim 1, further comprising a cancel impedance connected between the impedance detection circuit and the impedance.
【請求項3】 前記電圧増幅器及び前記インピーダンス
変換器は、同一の演算増幅器を構成要素として有してい
ることを特徴とする請求項1又は2に記載のインピーダ
ンス検出回路。
3. The impedance detection circuit according to claim 1, wherein the voltage amplifier and the impedance converter have the same operational amplifier as a constituent element.
【請求項4】 前記被検出インピーダンスは被検出コン
デンサであり、 前記インピーダンスは静電容量であり、 前記第1インピーダンス素子は検出用静電容量であるこ
とを特徴とする請求項1又は3に記載の静電容量検出回
路。
4. The impedance to be detected is a capacitor to be detected, the impedance is an electrostatic capacitance, and the first impedance element is an electrostatic capacitance for detection. Capacitance detection circuit.
【請求項5】 前記キャンセルインピーダンスはキャン
セルコンデンサであることを特徴とする請求項2又は3
記載の静電容量検出回路。
5. The cancel impedance according to claim 2, wherein the cancel impedance is a cancel capacitor.
The described capacitance detection circuit.
【請求項6】 前記被検出コンデンサは、静電容量の変
化によって物理量を検出する容量型センサであり、その
静電容量を物理量に依存しない一定の基準容量Cdと物
理量に依存して変化する変化容量ΔCとの和で表したと
きに、前記キャンセルコンデンサの容量をCcとして、 Cd=(A−1)・Cc を満たす値に設定されていることを特徴とする請求項5
記載の静電容量検出回路。
6. The capacitor to be detected is a capacitive sensor that detects a physical quantity based on a change in electrostatic capacity, and the electrostatic capacity changes depending on a fixed reference capacitance Cd that does not depend on the physical quantity and the physical quantity. 6. A value satisfying Cd = (A-1) Cc, where Cc is the capacity of the canceling capacitor when expressed by the sum of the capacity ΔC and the cancel capacitor is Cc.
The described capacitance detection circuit.
【請求項7】 前記変化容量ΔCの最大値の絶対値をΔ
Cmaxとしたときに、 前記検出用コンデンサの容量Cfは、 ΔCmax≦Cf を満たす値に設定されていることを特徴とする請求項6
記載の静電容量検出回路。
7. The absolute value of the maximum value of the change capacity ΔC is Δ
The capacitance Cf of the detection capacitor is set to a value satisfying ΔCmax ≦ Cf when Cmax is set.
The described capacitance detection circuit.
【請求項8】 前記被検出コンデンサは、静電容量の変
化によって物理量を検出する容量型センサであり、その
静電容量を物理量に依存しない一定の基準容量Cdと物
理量に依存して変化する変化容量ΔCとの和で表される
とし、 前記変化容量ΔCの最大値の絶対値をΔCmaxとしたと
きに、前記キャンセルコンデンサの容量をCcとして、 (A−1)・Cc≦Cd−ΔCmax+Cf を満たす値に設定されていることを特徴とする請求項5
記載の静電容量検出回路。
8. The capacitor to be detected is a capacitive sensor that detects a physical quantity based on a change in electrostatic capacitance, and the electrostatic capacitance changes depending on a constant reference capacitance Cd that does not depend on the physical quantity and the physical quantity. When the absolute value of the maximum value of the change capacitance ΔC is ΔCmax, the capacitance of the cancel capacitor is Cc, and (A-1) · Cc ≦ Cd−ΔCmax + Cf is satisfied. 6. The value is set to a value.
The described capacitance detection circuit.
【請求項9】 前記被検出コンデンサは、静電容量の変
化によって物理量を検出する容量型センサであり、その
静電容量を物理量に依存しない一定の基準容量Cdと物
理量に依存して変化する変化容量ΔCとの和で表される
とし、 前記変化容量ΔCの最大値の絶対値をΔCmaxとしたと
きに、前記キャンセルコンデンサの容量をCcとして、 (A−1)・Cc≧Cd+ΔCmax+Cf を満たす値に設定されていることを特徴とする請求項5
記載の静電容量検出回路。
9. The capacitor to be detected is a capacitive sensor that detects a physical quantity based on a change in electrostatic capacitance, and the electrostatic capacitance changes depending on a constant reference capacitance Cd that does not depend on the physical quantity and the physical quantity. When the absolute value of the maximum value of the change capacitance ΔC is ΔCmax, the capacitance of the cancel capacitor is Cc, and (A-1) · Cc ≧ Cd + ΔCmax + Cf is satisfied. It is set, The claim 5 characterized by the above-mentioned.
The described capacitance detection circuit.
【請求項10】 被検出コンデンサの静電容量に対応す
る検出信号を出力する静電容量検出方法であって、 演算増幅器の反転入力端子に交流電圧を印加し、 前記演算増幅器の非反転入力端子を所定の電位に接続す
るとともに、その出力端子とインピーダンス変換器の入
力端子間に検出用コンデンサを接続し、 前記インピーダンス変換器の入力端子と所定の電位間に
被検出コンデンサを接続し、 前記演算増幅器の出力端子に現れる電圧を検出信号とし
て出力し、 前記被検出コンデンサに一定のキャンセル電流を印加
し、 前記信号出力端子に現れる信号と前記インピーダンス変
換器の入力端子に現れる信号とが同相の関係となるよう
に、前記検出用コンデンサ及び前記キャンセル電流印加
手段による電流の値を設定しておくことを特徴とする静
電容量検出方法。
10. A capacitance detection method for outputting a detection signal corresponding to the capacitance of a capacitor to be detected, comprising: applying an AC voltage to an inverting input terminal of an operational amplifier, the non-inverting input terminal of the operational amplifier. Is connected to a predetermined potential, a detection capacitor is connected between its output terminal and the input terminal of the impedance converter, and a detected capacitor is connected between the input terminal of the impedance converter and a predetermined potential, The voltage appearing at the output terminal of the amplifier is output as a detection signal, a constant cancel current is applied to the detected capacitor, and the signal appearing at the signal output terminal and the signal appearing at the input terminal of the impedance converter are in phase relationship. So that the value of the current by the detecting capacitor and the cancel current applying means is set in advance. Capacitance detection method.
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