JP6368591B2 - チャージアンプ回路 - Google Patents

Description

本発明は、圧力検出信号を取り込み積分増幅して電圧信号として出力するチャージアンプ回路に関する。

内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する装置として圧電素子を使用し、その圧電素子で得られ圧力信号を積分増幅して出力するチャージアンプ回路として、図８に示す回路が提案されている（特許文献１）。

このチャージアンプ回路は、圧電素子１０から出力する圧力検出信号を、オペアンプＯＰ１とキャパシタＣ１と抵抗Ｒ１からなる積分回路２０で積分し、その積分電圧Ｖ１をオペアンプＯＰ２と抵抗Ｒ２，Ｒ３とからなる出力増幅回路３０で増幅することで、出力電圧Ｖｏｕｔを出力するものである。電圧源４の固定電圧Ｖｄはバイアス用である。

また、この出力電圧Ｖｏｕｔは、ローパスフィルタ４０においてその直流成分（低周波成分）電圧Ｖ２が取り出される。その電圧Ｖ２は、オペアンプＯＰ３からなる誤差増幅回路５０Ａにおいて電圧源２の固定電圧Ｖｂとの差分が演算されて誤差電圧Ｖ３が生成され、積分回路２０のオペアンプＯＰ１の正転入力端子に基準電圧として入力する。

この結果、積分回路２０、出力増幅回路３０、ローパスフィルタ４０、誤差増幅器回路５０によって負帰還ループが構成され、ローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２が固定電圧Ｖｂと一致するように、積分回路２０の正転入力端子の電圧Ｖ３が制御される。これによって、次段の処理回路に出力する出力電圧Ｖｏｕｔの直流成分が電圧Ｖ２となるよう制御されるので、その直流成分の変動が抑制される。

特開２０１３−１４００４８号公報

しかしながら、図８に示したチャージアンプ回路は、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３のオフセット電圧によって、オペアンプＯＰ１の正転入力端子に入力する電圧Ｖ３が変動する。オペアンプＯＰ１は、その反転入力端子の電圧が正転入力端子の電圧Ｖ３に一致するように動作するので、結局、圧電素子１０に入力する電圧が変動して、出力電圧Ｖｏｕｔに大きな誤差が含まれることになる。

本発明の目的は、圧電素子に入力する電圧の精度を向上させたチャージアンプ回路を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明のチャージアンプ回路は、圧電素子の出力信号を直接入力して一定ゲインで積分する積分回路と、該積分回路の出力電圧に含まれているＧＮＤノイズを抑制する差動増幅回路と、該差動増幅回路の出力電圧を増幅する出力増幅回路と、該出力増幅回路の出力電圧から直流成分を取り出すローパスフィルタと、該ローパスフィルタから出力する直流成分と基準電圧を比較して得た誤差電圧を前記出力増幅回路に帰還電圧として入力させる誤差増幅回路とを備えることを特徴とする。

請求項２にかかる発明のチャージアンプ回路は、圧電素子の出力信号を直接入力して一定ゲインで積分する積分回路と、該積分回路の出力電圧に含まれているＧＮＤノイズを抑制する差動増幅回路と、該差動増幅回路の出力電圧を増幅する出力増幅回路と、該出力増幅回路の出力電圧から直流成分を取り出すローパスフィルタと、該ローパスフィルタから出力する直流成分と基準電圧を比較して得た誤差電圧を前記差動増幅回路に帰還電圧として入力させる誤差増幅回路とを備えることを特徴とする。

請求項３にかかる発明は、請求項１又は２に記載のチャージアンプ回路において、前記出力増幅回路の出力側と前記ローパスフィルタの入力側との間に、前記出力増幅回路の出力電圧の振幅をカットするスライス回路又は前記出力増幅回路の出力電圧を減衰する減衰回路を挿入接続したことを特徴とする。

請求項１〜４に係る発明のチャージアンプ回路によれば、ローパスフィルタの出力電圧が誤差増幅器の基準電圧に一致するように動作するための帰還ループには、圧電素子の出力信号が直接入力する積分回路が含まれず、その積分回路は一定ゲインで動作する。このため、積分回路に直接接続される圧電素子に入力する電圧が、積分回路、増幅回路、誤差増幅回路等におけるオペアンプのオフセット電圧の影響を受けることはなくなる。

本発明のチャージアンプ回路の第１の実施例の回路図である。 本発明のチャージアンプ回路の第２の実施例の回路図である。 本発明のチャージアンプ回路の第３の実施例の回路図である。 本発明のチャージアンプ回路の第４の実施例の回路図である。 本発明のチャージアンプ回路の第５の実施例の回路図である。 本発明のチャージアンプ回路の第６の実施例の回路図である。 (ａ)は図１、図２、図３の出力増幅回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔとローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２の波形図、(ｂ)は図４の出力増幅回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔとスライス回路７０の出力電圧Ｖ４とローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２の波形図、(ｃ)は図５の出力増幅回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔと減衰回路８０の出力電圧Ｖ５とローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２の波形図である。 従来チャージアンプ回路の回路図である。

＜第１の実施例＞
図１に第１の実施例のチャージアンプ回路を示す。１０は内燃機関燃焼室の圧力を検出する圧電素子であり、積分回路２０の入力側に直接接続されている。この積分回路２０はオペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１とにより構成されていて、そのオペアンプＯＰ１の正転入力端子には電圧源１の固定電圧Ｖａが入力され、反転入力端子には前記圧電素子１０が接続されている。この積分回路２０からは圧電素子１０で検出された電荷信号を積分した積分電圧Ｖ１が出力する。

３０は出力増幅回路であり、オペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ２，Ｒ３により構成され、積分回路２０から出力する積分電圧Ｖ１を増幅して電圧Ｖｏｕｔを出力する。

４０はローパスフィルタであり、出力増幅回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔを入力してその直流成分（低周波成分）である電圧Ｖ２を出力する（図７(ａ)参照）。

５０は誤差増幅回路であり、電圧源２の固定電圧Ｖｂが基準電圧として反転入力端子に入力したオペアンプＯＰ３で構成され、そのオペアンプＯＰ３の正転入力端子にローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２が入力する。これによりオペアンプＯＰ３の出力端子には、誤差分である「Ｖ２−Ｖｂ」を演算した電圧Ｖ３が出力し、この電圧Ｖ３は出力増幅回路３０の抵抗Ｒ３の片端に入力する。

上記した積分回路２０では、オペアンプＯＰ１の正転入力端子の電圧が固定電圧Ｖａであるので、反転入力端子の電圧がその固定電圧Ｖａに一致するようにそのオペアンプＯＰ１が動作する。つまり、反転入力端子の電圧（圧電素子１０に入力する電圧）がオペアンプＯＰ２，ＯＰ３のオフセット電圧の影響を受けることはない。この結果、圧電素子１０に入力する電圧は、電圧源１の固定電圧Ｖａとなって安定化し、高精度を保持できる。

また、オペアンプＯＰ２，ＯＰ３と抵抗Ｒ２，Ｒ３とローパスフィルタ４０とは、負帰還ループを構成する。そして、ローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２が電圧源２の固定電圧Ｖｂに一致するように、オペアンプＯＰ２，ＯＰ３が制御される。

この結果、オペアンプＯＰ２の出力電圧Ｖｏｕｔは、その直流成分が固定電圧Ｖｂになるように制御されるので、その出力電圧Ｖｏｕｔの直流成分が安定化する。

＜第２の実施例＞
図２に第２の実施例のチャージアンプ回路を示す。本実施例のチャージアンプ回路が図１で説明した第１の実施例と異なるところは、積分回路２０の出力側と出力増幅回路３０の入力側との間に、差動増幅回路６０を挿入接続した点である。この差動増幅回路６０は、抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７とオペアンプＯＰ４とで構成されている。電圧源４の固定電圧Ｖｃはバイアス電圧として抵抗Ｒ７の片端に入力する。

図１の実施例のチャージアンプ回路では、圧電素子１０の片端が接地ＧＮＤに接続されているので、そのオペアンプＯＰ１から出力する積分電圧Ｖ１には、ＧＮＤノイズが含まれている。

そこで第２の実施例では、差動増幅回路６０において、接地ＧＮＤに接続される抵抗Ｒ６にＧＮＤノイズを入力させてオペアンプＯＰ４の正転入力端子に入力させ、反転入力端子に入力する積分電圧Ｖ１に重畳したＧＮＤノイズを打ち消すようにした。

これにより、第２の実施例では、出力電圧Ｖｏｕｔの直流成分の安定化に加えて、出力増幅回路３０から出力する電圧Ｖｏｕｔに重畳されるＧＮＤノイズ成分の抑制を行うこともできる。

＜第３の実施例＞
図３に第３の実施例のチャージアンプ回路を示す。本実施例のチャージアンプ回路が図２で説明した第２の実施例と異なるところは、出力増幅回路３０の抵抗Ｒ３に電圧源４の電圧Ｖｄを入力させた点と、差動増幅回路６０の抵抗Ｒ７に誤差増幅回路５０のオペアンプＯＰ３の出力電圧Ｖ３を入力させるようにした点と、その誤差増幅回路５０をオペアンプＯＰ３の正転入力端子に電圧源２の固定電圧Ｖｂを入力し、反転入力端子にローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２を入力するよう構成した誤差増幅回路５０Ａに置き換えた点である。この誤差増幅回路５０Ａからは「ＶｂーＶ２」を演算した電圧Ｖ３が出力する。

これにより、差動増幅回路６０と出力増幅回路３０とローパスフィルタ４０と誤差増幅回路５０Ａとが負帰還ループを構成するので、ローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２が固定電圧Ｖｂに一致するような制御が行われて出力電圧Ｖｏｕｔの直流成分が安定化されると共に、ＧＮＤノイズの抑制が行われる。

＜第４の実施例＞
図４に第４の実施例のチャージアンプ回路を示す。本実施例のチャージアンプ回路が図１で説明した第１の実施例と異なるところは、出力増幅回路３０の出力側とローパスフィルタ４０の入力側との間にスライス回路７０を挿入接続した点である。

このスライス回路７０は、出力増幅回路３０の出力電圧Ｖｏｕｔの振幅を所定レベルでカットするよう動作する（図７(ｂ)参照）。

出力増幅回路３０で増幅された出力電圧Ｖｏｕｔは、ローパスフィルタ４０を通過すると積分されるため、出力電圧Ｖｏｕｔの振幅やデューティ比が大きく変動すると、そのローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２のレベルが大きく変動する。本発明のチャージアンプ回路ではこの電圧Ｖ２が固定電圧Ｖｂに一致するように負帰還制御されるが、ローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２が大きく変動すると出力電圧Ｖｏｕｔも大きく変動してしまう。

そこで本実施例では、ローパスフィルタ４０の入力電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）の振幅制限をスライス回路７０によって行って電圧Ｖ４を生成し、その電圧Ｖ４をローパスフィルタ４０に入力することで、そのローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２の変動を小さする。

これにより、出力電圧Ｖｏｕｔの振幅やデューティ比が大きく変動しても、その直流成分の変動を小さな値に抑えることができる。

＜第５の実施例＞
図５に第５の実施例のチャージアンプ回路を示す。本実施例のチャージアンプ回路が図４で説明した第４の実施例と異なるところは、出力増幅回路３０の出力側とローパスフィルタ４０の入力側との間に、スライス回路７０に代えて減衰回路（アッテネータ回路）８０を挿入接続した点である。

本実施例では、ローパスフィルタ４０の入力電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）の振幅が減衰される（図７(ｃ)参照）ので、そのローパスフィルタ４０の出力電圧Ｖ２の変動を小さくすることができる。

このように、スライス回路７０を減衰回路８０に置き換えても、第４の実施例と同様に、出力電圧Ｖｏｕｔの振幅やデューティ比が大きく変動しても、その直流成分の変動を小さな値に抑えることができる。

＜第６の実施例＞
図６に第６の実施例のチャージアンプ回路を示す。本実施例のチャージアンプ回路が図４で説明した第４の実施例と異なるところは、出力増幅回路３０の出力側とローパスフィルタ４０の入力側との間に、スライス回路７０と減衰回路（アッテネータ回路）８０の両方を縦続接続して挿入した点である。

このように、スライス回路７０と減衰回路８０の両者を挿入すると、出力電圧Ｖｏｕｔの振幅やデューティ比が大きく変動した際に、その直流成分の変動を小さな値に抑える効果がより大きくなる。

＜その他の実施例＞
なお、第４〜第６の実施例で説明したスライス回路７０や減衰回路８０は、第２および第３の実施例においても同様に接続することで、同様に、出力電圧Ｖｏｕｔの振幅やデューティ比が大きく変動した際に、その直流成分の変動を小さな値に抑えることができる。

１０：圧電素子、２０：積分回路、３０：出力増幅回路、４０：ローパスフィルタ、５０，５０Ａ：誤差増幅回路、６０：差動増幅回路、７０：スライス回路、８０：減衰回路

Claims (3)

1. 圧電素子の出力信号を直接入力して一定ゲインで積分する積分回路と、該積分回路の出力電圧に含まれているＧＮＤノイズを抑制する差動増幅回路と、該差動増幅回路の出力電圧を増幅する出力増幅回路と、該出力増幅回路の出力電圧から直流成分を取り出すローパスフィルタと、該ローパスフィルタから出力する直流成分と基準電圧を比較して得た誤差電圧を前記出力増幅回路に帰還電圧として入力させる誤差増幅回路とを備えることを特徴とするチャージアンプ回路。
2. 圧電素子の出力信号を直接入力して一定ゲインで積分する積分回路と、該積分回路の出力電圧に含まれているＧＮＤノイズを抑制する差動増幅回路と、該差動増幅回路の出力電圧を増幅する出力増幅回路と、該出力増幅回路の出力電圧から直流成分を取り出すローパスフィルタと、該ローパスフィルタから出力する直流成分と基準電圧を比較して得た誤差電圧を前記差動増幅回路に帰還電圧として入力させる誤差増幅回路とを備えることを特徴とするチャージアンプ回路。
3. 請求項１又は２に記載のチャージアンプ回路において、
   前記出力増幅回路の出力側と前記ローパスフィルタの入力側との間に、前記出力増幅回路の出力電圧の振幅をカットするスライス回路又は前記出力増幅回路の出力電圧を減衰する減衰回路を挿入接続したことを特徴とするチャージアンプ回路。
   

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