JP2005094543A - 反転増幅器の駆動不良検出回路、及び過負荷検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は反転増幅器の駆動不良検出回路、及び当該回路を使用した過負荷検出装置に関し、特に過大入力からの復帰を迅速に行うと共に、過大入力の印加、及び過負荷状態を検知し、ユーザに報知する反転増幅器の駆動不良検出回路、及び当該回路を使用した過負荷検出装置を提供するものである。
【解決手段】 本発明は演算増幅器Ａ１の出力端子と演算増幅器Ａ１の反転入力端子（−入力端子）間にツェナーダイオードＤ３、Ｄ４とフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の直列回路を配設し、過大な入力が印加された際、クリップ用のツェナーダイオードＤ３、Ｄ４に電流を流し、過大入力の振幅をクリップすると共に、フォトカプラＰＣ１又はＰＣ２に流れる電流によって光通信を行い、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の受光側に配設された警報回路１を駆動してユーザに過大入力の印加を報知する構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は反転増幅器の駆動不良検出回路、及び当該回路を使用した過負荷検出装置に関する。

図４は反転増幅器の基本構成であり、抵抗Ｒ１の一端と抵抗Ｒ２の一端を高利得である演算増幅器の反転入力端子（−入力端子）に接続し、非反転入力端子（＋入力端子）は回路コモン電位に接続する。抵抗Ｒ１を介して反転入力端子（−入力端子）側に信号が入力し、出力は負帰還電流として抵抗Ｒ２を介して反転入力（−入力端子）に戻される。
この様にすると、出力信号は、入力信号のＲ１とＲ２で抵抗比倍された反転信号を得ることが出来る。しかし、演算増幅器の出力範囲を超える過大入力があると出力振幅が飽和し、抵抗比倍の電圧が出力されず、また出力電圧が飽和したことにより内部回路の蓄積効果によって過大入力を除去した後の復帰動作が遅延する。

そこで、上記出力振幅の飽和を防止し、回路動作の遅延を防ぐため、図５に示す振幅制限回路を付加した反転増幅器が提案されている。この回路は、演算増幅器Ａ１の反転入力端子（−入力端子）と演算増幅器Ａ１の出力端子間にダイオードＤ１、Ｄ２、及びクリップ用のツェナーダイオードＤ３、Ｄ４を配設するものである。
これにより、演算増幅器の出力範囲がＤ１〜Ｄ４のバイアス電圧以下であれば、振幅制限回路はオフされているため、この反転増幅回路に影響を与えない。しかし、バイアス電圧より大きい出力範囲では、振幅制限回路がＯＮされるため全帰還が掛かり反転増幅器Ａ１の出力電圧が制限される。

また、反転増幅器の帰還抵抗に並列にツェナーダイオードを接続した例として特許文献１がある。この発明は、反転増幅器にツェナーダイオードと抵抗Ｒを並列に接続して帰還を掛け、入力信号に対して複数の利得を持った増幅器を実現するものである。

特開平６−１８８６６１号公報

上記従来の反転増幅器では、反転増幅器の増幅度が大きければ負帰還により入力抵抗及び増幅度は非常に安定している。しかし、演算増幅器の出力電圧値及び出力電流値は有限であり、これを超えると負帰還が正常に掛からなくなる。この為、入力抵抗及び出力振幅が不安定となり、反転増幅器としての動作が不可能になる。

例えば、測定器の入力回路に上記反転増幅器を使用した場合、上記動作不良により正確な測定ができない。例えば、図６は前出の反転増幅器の、Ｒ１を０Ωにすることにより、入力した電流を電圧に変換する回路であり、電流計に応用する回路である。この場合、演算増幅器Ａ１の出力部において、出力可能範囲内の入力電流であれば入力抵抗値は以下の計算式に示すように小さな抵抗値となる。
入力抵抗＝Ｒ２／Ａ０（Ａ０：演算増幅器電圧利得）

しかしながら、入力に出力可能範囲以上の大きな電流が供給された場合、正常に測定できなくなるばかりではなく、入力抵抗が大きくなり電流計として被測定対象に影響を及ぼしてしまう。すなわち、反転増幅器の入力抵抗値は電圧利得が大きい演算増幅器を使用した場合において、負帰還によって反転入力端子（−入力端子）にコモン電位（接地電位）を擬似的に生成させるように出力電圧が制御されるが、負帰還動作が正常に動作しない状態では、演算増幅器の出力電圧は飽和し、電流は図６に矢印で示す経路を流れ、入力抵抗は以下のようになる。
入力抵抗＝Ｒ２＋ｒ（ｒ：増幅器の内部抵抗）

一方、入力電流によっては、正常動作時の出力電圧値が反転増幅器Ａ１の出力に現れる場合もある。例えば、反転増幅器Ａ１の出力電圧は電流を吸収する方向の制限電圧で振れようとするが、出力抵抗の電圧降下のために電圧が戻されてしまう。この場合、ユーザは測定値の異常に気づかない可能性が高く、誤測定の原因となる。

上記課題は、請求項１に記載した発明によれば、
演算増幅器と、
該演算増幅器の出力端子と反転入力端子間に配設され、過大入力が前記演算増幅器に入力した際、電圧値を制限する電圧制限素子と、
該電圧制限素子に直列に接続された光通信素子と、
前記電圧制限素子に流れる電流によって駆動する前記光通信素子に基づき、前記過大入力の報知を行う警報回路と、
を有することを特徴とする反転増幅器の駆動不良検出回路提供することによって解決できる。

ここで、上記電圧制限素子は、例えばクリップ用のツェナーダイオードであり、反転増幅器の出力端子と反転入力端子（−入力端子）間に接続され、過大入力があった時、ツェナー電圧を超える電圧が演算増幅器に掛かることを防止する。

また、光通信素子は、例えばフォトカプラであり、ツェナーダイオードが駆動し、ツェナーダイオードに流れる電流を検知し、光通信を行って警報回路を駆動する。

このように構成することにより、反転増幅器に過大入力があった時、直ちに警報回路が駆動し、ユーザに反転増幅器の駆動不良を報知することができる。

請求項２の記載は、上記記請求項１記載の発明において、前記警報回路は電源に接続されたバイアス抵抗と前記光通信素子の受光側の接続点の電位変化に基づいて過大入力の検知を行う構成である。

例えば、上記光通信素子がフォトカプラである場合、フォトカプラの受光側素子とバイアス抵抗との接続点の電位を検知し、例えばこの電位が接地電位になると警報回路を駆動する。このように構成することにより、過大入力の検知をより正確に行うことができる。

請求項３の記載は、上記記請求項１、又は２の記載において、前記電圧制限素子と光通信素子の直列回路には、更にダイオードが直列に接続される構成である。

このように構成することにより、ツェナーダイオード等の電圧制限素子にリーク電流がある場合、リーク電流を阻止し、過大入力以外の正常時に測定影響をより少なくすることができる。

請求項４の記載は、上記記請求項１、２、又は３の記載において、前記演算増幅器の出力にはバッファアンプが接続され、該バッファアンプの出力は帰還抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力に供給される構成である。

このように構成することにより、大きな電流測定を可能にすることができる。

上記課題は、請求項５に記載した発明によれば、
演算増幅器と、
該演算増幅器の出力端子に接続され、帰還抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力端子に負帰還電流を供給するバッファアンプと、
前記演算増幅器の出力端子と反転入力端子間に配設され、過大入力が前記演算増幅器に供給された際、演算増幅器の出力電圧値を制限する電圧制限素子と、
該電圧制限素子に直列に接続された光通信素子と、
該光通信素子の駆動に基づいて、報知を行う警報回路と、
前記バッファアンプの出力端子に接続された負荷回路より成り、
該負荷回路が過負荷である時、前記電圧制限素子が駆動し、前記光通信素子を介して警報回路を駆動し、過負荷の報知を行うことを特徴とする過負荷検出装置を提供することによって解決できる。

本発明は上記請求項１記載の反転増幅器の駆動不良検出回路を使用した過負荷検出装置であり、バッファアンプに過負荷が接続された際、電圧制限素子が働き一定電圧以上の電圧が反転増幅器に掛からないように制御すると共に、ユーザに対して過負荷状態を報知する構成である。

このように構成することにより、過負荷から反転増幅器を保護すると共に、ユーザは警報回路の駆動によって過負荷状態を知ることができる。

請求項６の記載は、上記記請求項５記載の発明において、
前記警報回路は、前記光通信素子の受光側の電位変化に基づいて過負荷の検知を行う構成である。

また、請求項７の記載は、上記記請求項５、又は６の記載において、前記電圧制限素子と光通信素子の直列回路には、更にダイオードが直列に接続されている構成である。

上記請求項６及び７は、前述の請求項２及び３の記載に対応し、このように構成することにより、過負荷の検知をより正確に行うことができる。

本発明は上記構成により、測定確度に影響が少なく、過大入力に対して復帰速度が速く、正確に反転増幅器の駆動不良を検知し、当該駆動不良及び過負荷状態をユーザに報知することが可能な反転増幅器の駆動不良検出回路、及び過負荷検出装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は本実施形態の反転増幅器の駆動不良検出回路の回路構成を示す図である。同図において、抵抗Ｒ１の一端と抵抗Ｒ２の一端を高利得である演算増幅器Ａ１の反転入力端子（−入力端子）に接続し、非反転入力端子（＋入力端子）は回路コモン電位に接続する。抵抗Ｒ１を介して反転入力端子（−入力端子）側に信号が入力し、出力は負帰還電流として抵抗Ｒ２を介して反転入力端子（−入力端子）に戻される。演算増幅器Ａ１の出力にはバッファアンプＡ２が直列に接続されている。

また、演算増幅器Ａ１の反転入力端子（−入力端子）と演算増幅器Ａ１の出力端子間には、漏れ電流の小さいダイオードＤ１、Ｄ２は異なる向きで並列接続され、これにカソードを対向させて接続された電圧制限素子であるツェナーダイオードＤ３、Ｄ４が直列接続されている。ダイオードＤ１、Ｄ２とツェナーダイオードＤ３との接続点Ａは、抵抗Ｒ３を介してコモン電位に接続される。

更に本例においては光通信素子であるフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の発光素子が異なる向きで並列に接続され、ツェナーダイオードＤ４に直列に接続されている。このフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２は、演算増幅器Ａ１が駆動不良を起こした時の駆動不良検出用であり、クリップ用の上記ツェナーダイオードＤ３、Ｄ４が駆動し、ツェナーダイオードＤ３、Ｄ４に電流が流れると、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の発光素子にも同じ電流が流れ、発光する。

尚、バッファアンプＡ２の出力は帰還抵抗Ｒ２を介して演算増幅器Ａ１の反転入力端子（−入力端子）に接続されている。
一方、図２は上記フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の受光側の回路構成であり、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の受光側（フォトトランジスタのコレクタ）はバイアス抵抗Ｒ５に直列に接続され、バイアス抵抗Ｒ５を介して電圧（Ｖcc）が印加されている。また、バイアス抵抗Ｒ５とフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２との接続点Ｃには警報回路１が接続され、例えばフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の発光側が発光し、当該発光を受光するとオン駆動し、上記接続点Ｃが接地電位になり、警報回路１を駆動する。

上記構成において、先ず反転増幅器として正常に動作している場合、演算増幅器Ａ１の出力電圧はダイオードＤ１又はＤ２の順電圧＋ツェナーダイオードＤ３又はＤ４の順電圧以内であり、フォトカプラＰＣ１又はＰＣ２には電流が流れず、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２は駆動しない。また、上記回路に電流が殆ど流れないため、ダイオードＤ１、Ｄ２とツェナーダイオードＤ３、Ｄ４との接続点ＡはＲ３により略接地電位であり、また、演算増幅器Ａ１の反転入力端子（−入力端子）も仮想接地電位が印加された状態が保たれている。このため、この場合ダイオードＤ１、Ｄ２には殆ど電圧が掛からないためオフ状態で、漏れ電流も小さいため、増幅確度にほとんど影響しない。

次に、上記状態において過大入力があり、例えば演算増幅器Ａ１の出力点Ｂの電位がダイオードＤ１又はＤ２の順電圧＋ツェナーダイオードＤ３又はＤ４の順電圧を超えると、ツェナーダイオードＤ３、Ｄ４が駆動し、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２に電流を流す。例えば、上記出力点Ｂが上記加算電位以上の電位になると、フォトカプラＰＣ２、ツェナーダイオードＤ４、Ｄ３、を介して、Ｒ３及びＤ２に電流が流れる。

この為、例えばフォトカプラＰＣ２を発光し、前述の図２に示す受光側のフォトカプラＰＣ２が上記発光を受光し、警報回路１を駆動する。したがって、ユーザはこの警報回路１の駆動によって反転増幅器が正常に動作していないことを知る。

また、この時ダイオードＤ２、ツェナーダイオードＤ３、Ｄ４、フォトカプラＰＣ２がオンし、全帰還になり演算増幅器Ａ１の出力はクリップされ、飽和状態になる。一方、演算増幅器Ａ１の入力側が高電位になると、逆にダイオードＤ１、ツェナーダイオードＤ３、Ｄ４、フォトカプラＰＣ１が駆動し、演算増幅器Ａ１の出力はクリップされる。

したがって、過大入力に対して演算増幅器Ａ１を保護すると共に、過大入力の除去後においても、蓄積効果の影響を受けず、迅速に正確な出力値に戻すことができる。

また、本例では警報回路１が駆動し、過大入力が印加されている間、ユーザは反転増幅器Ａ１の駆動不良状態を知ることができ、例えば本例の反転増幅器を使用して測定を行う際、この間の測定結果を使用しない等の処置を講じることができる。

尚、上記実施形態の説明では、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｒ３を使用する構成としたが、クリップ用のツェナーダイオードＤ３、Ｄ４のリーク電流を無視できる場合には省略する構成としてもよい。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。本例は前述の実施形態１の反転増幅器を信号発生器等の出力段に使用し、過負荷検出装置に適用するものである。以下、具体的に説明する。

図３（ａ）は本実施形態の反転増幅器を含む過負荷検出装置の回路図である。同図において、演算増幅器Ａ１、バッファアンプＡ２、ダイオードＤ１、Ｄ２、ツェナーダイオードＤ３、Ｄ４、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の構成は前述の実施形態１と同様である。本例においては、バッファアンプＡ２の出力（出力端子２）に負荷（ＲＬ）が接続され、負荷（ＲＬ）の他端３はコモン電位に接続されている。
尚、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の受光側の回路は、図３（ｂ）に示すように前述の図２の回路構成と同じであり、フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の受光側はバイアス抵抗Ｒ５に接続され、電圧（Ｖcc）が印加され、バイアス抵抗Ｒ５とフォトカプラＰＣ１、ＰＣ２との接続点Ｃには警報回路１が接続されている。

尚、同図に示すように、例えばツェナーダイオードＤ３、Ｄ４の降状電圧は４．７Ｖであり、接続する負荷（ＲＬ）の抵抗値は１０Ωであり、バッファアンプＡ２の最大出力電流は１００ｍＡである。

上記構成において、バッファアンプＡ２に最大出力電流以上の負荷（ＲＬ）を接続した場合、バッファアンプＡ２の出力電圧は過負荷によって制限され、演算増幅器Ａ１の出力はバッファアンプＡ２の出力電圧を上げる方向に推移する。そして、演算増幅器Ａ１の出力電圧値が、ダイオードＤ１又はＤ２の順電圧（０．７Ｖ）＋クリップ用ツェナーダイオードＤ３又はＤ４の順電圧（４．７Ｖ＋０．７Ｖ）＋フォトカプラＰＣ１又はＰＣ２の順電圧（０．７Ｖ）の加算値６．８Ｖを超えた時、本回路がオンする。

そして、同図に点線で示すように演算増幅器Ａ１の出力はフォトカプラＰＣ２、ツェナーダイオードＤ３、Ｄ４、ダイオードＤ２を通して帰還し、演算増幅器Ａ１の出力振幅が制限される。また、この時フォトカプラＰＣ２に流れる電流によって、フォトカプラＰＣ２が発光し、受光側で当該発光を受光することにより、警報回路１を駆動する。したがって、本例においてもユーザはこの警報によって過負荷状態であることを直ちに知ることができる。

また、バッファアンプＡ２の出力の一部は帰還抵抗Ｒ２を流れる。例えば、最大出力電流１００ｍＡを超えた０．１ｍＡの電流は１０ＫΩの帰還抵抗Ｒ２を通して流れ、演算増幅器Ａ１からの帰還電流０．９ｍＡと加算され、１ｍＡが帰還電流となる。尚、抵抗Ｒ１の抵抗値を１ＫΩとすれば、−１Ｖが帰還電圧（Ｖｆ）となる。

以上のように、本実施形態によれば過負荷に対して演算増幅器Ａ１を保護すると共に、過負荷状態を警報回路１によってユーザに知らせることができる。したがって、この場合測定を中止する、又は過負荷状態を除去する等の処置を迅速に行うことができる。

実施形態１の反転増幅器の駆動不良検出回路の回路構成を示す図である。 フォトカプラの受光側の回路図である。 （ａ）は、実施形態２の過負荷検出装置の回路図であり、 （ｂ）は、フォトカプラの受光側の回路図である。 反転増幅器の基本構成を示す図である。 回路動作の遅延を防ぐために、振幅制限回路を付加した反転増幅器の回路図である。 反転増幅器の問題点を説明する図である。

符号の説明

１ 警報回路
２ 出力端子
３ 他端
Ａ１、Ａ２ 演算増幅器
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｄ３、Ｄ４ ツェナーダイオード
ＰＣ１、ＰＣ２ フォトカプラー

Claims (7)

1. 演算増幅器と、
   該演算増幅器の出力端子と反転入力端子間に配設され、過大入力が前記演算増幅器に入力した際、電圧値を制限する電圧制限素子と、
   該電圧制限素子に直列に接続された光通信素子と、
   前記電圧制限素子に流れる電流によって駆動する前記光通信素子に基づき、前記過大入力の報知を行う警報回路と、
   を有することを特徴とする反転増幅器の駆動不良検出回路。
2. 前記警報回路は前記光通信素子の受光側の電位変化に基づいて前記過大入力の検知を行うことを特徴とする請求項１記載の反転増幅器の駆動不良検出回路。
3. 前記電圧制限素子と光通信素子の直列回路には、更にダイオードが直列に接続されていることを特徴とする請求項１、又は２記載の反転増幅器の駆動不良検出回路。
4. 前記演算増幅器の出力にはバッファアンプが接続され、該バッファアンプの出力は帰還抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力に供給されることを特徴とする請求項１、２、又は３記載の反転増幅器の駆動不良検出回路。
5. 演算増幅器と、
   該演算増幅器の出力端子に接続され、帰還抵抗を介して前記演算増幅器の反転入力端子に負帰還電流を供給するバッファアンプと、
   前記演算増幅器の出力端子と反転入力端子間に配設され、過大入力が前記演算増幅器に供給された際、演算増幅器の出力電圧値を制限する電圧制限素子と、
   該電圧制限素子に直列に接続された光通信素子と、
   該光通信素子の駆動に基づいて、報知を行う警報回路と、
   前記バッファアンプの出力端子に接続された負荷回路より成り、
   該負荷回路が過負荷である時、前記電圧制限素子が駆動し、前記光通信素子を介して警報回路を駆動し、過負荷の報知を行うことを特徴とする過負荷検出装置。
6. 前記警報回路は前記光通信素子の受光側の電位変化に基づいて過負荷の検知を行うことを特徴とする請求項５記載の過負荷検出装置。
7. 前記電圧制限素子と光通信素子の直列回路には、更にダイオードが直列に接続されていることを特徴とする請求項５、又は６記載の過負荷検出装置。
   

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