JP2006235767A

JP2006235767A - リミッタ付電流制御回路

Info

Publication number: JP2006235767A
Application number: JP2005046348A
Authority: JP
Inventors: Nobukazu Yoshizawa; 伸和吉沢
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2006-09-07
Also published as: US20060186868A1; US7420408B2

Abstract

【課題】高精度の制御を維持し温度特性によるリミッタ電圧のバラツキをなくしたリミッタ付電流制御回路を得る。
【解決手段】ソースフォロワ構成のトランジスタ５と、入力電圧Ｖｉを正相入力としトランジスタ５の出力を逆相入力とするオペアンプ１と、リミッタ電圧となる基準電圧Ｖｒを正相入力としトランジスタ５の出力を逆相入力とするオペアンプと３、オペアンプ１，３の各出力をトランジスタ５の入力へ接続するダイオード２，４とを有する。Ｖｉ＜Ｖｒでは、ダイオード２がオン、ダイオード４がオフで、トランジスタ５のエミッタ出力の負荷Ｒ１にはＶｉに比例した電流が供給され、それ以外は、ダイオード４がオン、ダイオード２がオフで、トランジスタ５のエミッタ出力はＶｒに固定され負荷Ｒ１には一定電流が供給される。ダイオードのＶｆやトランジスタのＶｂｅは、オペアンプのフィードバックループ内に含まれるので、これらの温度特性の影響は生じない。
【選択図】図１

Description

本発明はリミッタ付電流制御回路に関し、特に負荷に対して、入力電圧が所定電圧より小なる場合には入力電圧に比例した電流を供給し、それ以外の場合には一定電流を供給するようにしたリミッタ付電流制御回路に関するものである。

リミッタ付電流制御回路の例を、図３に示している。図３を参照すると、入力制御電圧Ｖｉが正相入力に印加されたボルテージフォロワ型のオペアンプ（演算増幅器）１の出力は、オペアンプ６の正相入力となっており、このオペアンプ６の出力は、電圧フォロワとして動作するエミッタフォロワ型ＮＰＮトランジスタ５のベース入力となっている。このトランジスタ５のエミッタ出力はオペアンプ６の逆相入力となると共に、負荷抵抗Ｒ１へ供給されている。また、ベースに、抵抗Ｒ３，Ｒ４による分圧電圧（基準電圧＝Ｖｒ）が印加されたＰＮＰトランジスタ７が設けられており、このトランジスタ７のエミッタフォロワ出力がオペアンプ６の正相入力とされている。なお、抵抗Ｒ２はバイアス抵抗である。

この様な回路において、入力制御電圧Ｖｉが（Ｖｒ＋Ｖｂｅ）より低いと（Ｖｂｅはトランジスタ７のベースエミッタ間電圧）と、トランジスタ７はオフとなり、オペアンプ１がオンとなる。よって、出力段のエミッタフォロワトランジスタ５のエミッタ電圧は、入力制御電圧Ｖｉと同じに追従して、入力制御電圧Ｖｉに比例した電流Ｉを、エミッタ電流として流すことができる。

一方、入力制御電圧Ｖｉが（Ｖｒ＋Ｖｂｅ）以上になると、トランジスタ７はオンとなり、オペアンプ６の正相入力は、トランジスタ７のエミッタ電圧である（Ｖｒ＋Ｖｂｅ）にクランプされるので、出力段のエミッタフォロワトランジスタ５のエミッタ電圧もそれに伴ってクランプされることになる。従って、一定のエミッタ電流Ｉが得られてリミッタとして動作することになる。

リミッタ付電流制御回路の他の例を、図４に示している。図４において、図３と同等部分は同一符号にて示している。図４を参照すると、図３におけるＰＮＰトランジスタ７の代りにオペアンプ３によるボルテージフォロワ回路を設け、オペアンプ１，３の各出力にダイオード２，４をそれぞれ挿入したものである。本例においては、図３のトランジスタ７のベースエミッタ間電圧Ｖｂｅの影響をなくすことができるものである。

また、特許文献１を参照すると、両極性をもって精度良くリミッタ電圧を制御できるようにした電圧リミッタ回路が開示されている。
実開平５−００６９２９号公報

上述した図３の回路では、トランジスタ７のベースエミッタ間電圧の温度変動に起因してリミッタ電圧の変動が発生するという欠点がある。この欠点を解決するために、図４に示した如く、トランジスタに代えてオペアンプ３を用いることにより、温度特性を改善することができるが、図４の回路構成では、オペアンプの数が３個となって、回路規模が増大し、小型化や低コスト化には不向きである。

また、図３の回路においては、ダイオード２，４によるオア（ＯＲ）接続であるために、ダイオード４がオンすることにより、回路がリミッタ機能を果すようになっている。従って、最低でもダイオードの順方向電圧Ｖｆのリミッタ電圧しか設定することができず、リミッタ電圧が低い場合には、図４の回路は不適となる。

上述した特許文献１の回路においては、ツェナーダイオードを用いているために、ツェナーダイオードの温度特性が直ちにリミッタ電圧の変動を招来し、リミッタ電圧の精度が確保できないという欠点がある。

本発明の目的は、簡単な回路構成で、かつソースフォロワによるリニアな高精度の制御特性を維持しつつ温度特性によるリミッタ電圧のバラツキをなくしたリミッタ付電流制御回路を提供することである。

本発明の他の目的は、リミッタ電圧が低電圧でも機能することができるリミッタ付電流制御回路を提供することである。

本発明によるリミッタ付電流制御回路は、負荷に対して、入力電圧が所定電圧より小なる場合には前記入力電圧に比例した電流を供給し、前記入力電圧が前記所定電圧以上の場合には一定電流を供給するようにしたリミッタ付電流制御回路であって、前記負荷へ前記電流を供給する電圧フォロワ構成とされたトランジスタと、前記入力電圧を正相入力とし、前記トランジスタの出力を逆相入力とする第一のオペアンプと、前記所定電圧を正相入力とし、前記トランジスタの出力を逆相入力とする第二のオペアンプと、前記第一及び第二のオペアンプの各出力を前記トランジスタの入力へそれぞれ接続する第一及び第二のダイオードとを含むことを特徴とする。

そして、前記トランジスタはバイポーラ型トランジスタか、または電解効果型トランジスタであることを特徴とする。また、本リミッタ付電流制御回路は、温度制御回路や発光制御回路に用いられることを特徴とする。

本発明によれば、オペアンプを２個と出力用ソースフォロワ（シンクフォロワ）トランジスタを１個用いるのみの簡単な構成でリミッタ付電流制御回路を実現できるという効果がある。また、本発明によれば、ソースフォロワ（シンクフォロワ）のリニアでかつ高精度の制御特性を維持しつつ、温度特性によるリミッタ電圧のバラツキをなくしたリミッタ付電流制御回路を実現できるという効果がある。更に本発明によれば、リミッタ電圧が低電圧でも機能するリミッタ付電流制御回路を実現できるという効果がある。

以下に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態を示す回路図である。図１を参照すると、入力制御電圧Ｖｉが正相入力とされたオペアンプ１の出力は、ダイオード２を介して電圧フォロワ構成とされたエミッタフォロワ型ＮＰＮトランジスタ５のベース入力となる。また、基準電圧Ｖｒが正相入力とされたオペアンプ３の出力は、ダイオード４を介してトランジスタ５のベース入力となる。このトランジスタ５のエミッタ出力はオペアンプ１，３の各逆相入力となると共に、負荷抵抗Ｒ１へ供給される。なお、抵抗Ｒ２はバイアス抵抗である。

図１の回路構成において、入力制御電圧Ｖｉが基準電圧Ｖｒ（リミッタ電圧＝２Ｖ）より低い場合、ダイオードオア接続されているダイオード４がオフとなり、ダイオード２がオンとなる。従って、オペアンプ３が非動作状態となり、オペアンプ１が動作状態となる。よって、エミッタフォロワトランジスタ５は、ボルテージフォロワとして入力制御電圧Ｖｉに比例した電流Ｉを負荷Ｒ１へ供給することができる。

入力制御電圧Ｖｉが基準電圧であるリミッタ電圧Ｖｒ（＝２Ｖ）以上になると、ダイオード２がオフとなり、ダイオード４がオンとなるので、オペアンプ１は非動作状態となり、オペアンプ３が動作状態となる。よって、トランジスタ５のエミッタ電流Ｉは、２Ｖ／５Ω＝４００ｍＡでクランプされてリミッタ動作をなすことになる。

図２は、この図１の回路のシミュレーション結果を示しており、リミッタ電圧Ｖｒ＝２Ｖより小の入力制御電圧の範囲では、エミッタフォロワトランジスタ５の動作により、負荷Ｒ１には、Ｖｉに比例した電流がリニアに流れ、リミッタ電圧Ｖｒ＝２Ｖ以上の入力制御電圧の範囲では、一定電流（４００ｍＡ）に制限される。このシミュレーションは、周囲温度として−５℃，＋２５℃，＋６５℃について行ったが、全ての温度で、図２に示す特性に一致したものとなっており、温度特性によるリミッタ特性のバラツキが生じないことを示している。これは、ダイオードオア接続用のダイオード２，４及びエミッタフォロワトランジスタ５を、オペアンプ１，３のボルテージフォロワ構成のなかに含めている（オペアンプのフィードバックループに含めている）ので、温度変動は発生しないことによる。

また、図１の回路構成においては、ダイオード２，４に印加される電圧が、エミッタフォロワトランジスタ５のベース電圧となっているので、このトランジスタ５のベースエミッタ間電圧Ｖｂｅの電圧がダイオード２，４の電圧Ｖｆに対して常に加算されることになり、よってＶｆ＞Ｖｂｅとしておけば、リミッタ電圧の最小値は自由に設定でき、リミッタ電圧の最小値は制限されることがない。なお、図２に示したシミュレーション結果においても、低電圧でも入出力特性がリニアであることから、エミッタフォロワ自体が０Ｖまで問題なく機能しており、よってリミッタ電圧が低電圧であっても充分機能できることを示している（シミュレーションにて検証済みである）。

上記実施の形態においては、エミッタフォロワトランジスタ５としてＮＰＮトランジスタを用いて、ソースフォロワとして動作するようにしているが、逆極性のトランジスタを用いてシンクフォロワとして動作するように構成できるし、またバイポーラトランジスタに限らず、ＭＯＳトランジスタを含む電界効果トランジスタを用いても良いことは明らかである。

本発明によるリミッタ付電流制御回路は、温度制御のための回路である、ヒータ駆動回路やペルチェ素子駆動回路に用いることができ、また、発光素子制御や光減衰制御のための回路である、ＬＤ（レーザダイオード）駆動回路やＬＣＤ，ＬＥＤ駆動回路に用いることができ、広く電流駆動制御を必要とする回路全般に適用できるものである。

本発明の実施の形態の回路図である。図１の回路のシミュレーション結果を示す図である。従来のリミッタ付電流制御回路の一例を示す図である。従来のリミッタ付電流制御回路の他の例を示す図である。

符号の説明

１，３オペアンプ
２，４ダイオード
５エミッタフォロワトランジスタ
Ｒ１負荷抵抗
Ｒ２バイアス抵抗

Claims

負荷に対して、入力電圧が所定電圧より小なる場合には前記入力電圧に比例した電流を供給し、前記入力電圧が前記所定電圧以上の場合には一定電流を供給するようにしたリミッタ付電流制御回路であって、
前記負荷へ前記電流を供給する電圧フォロワ構成とされたトランジスタと、
前記入力電圧を正相入力とし、前記トランジスタの出力を逆相入力とする第一のオペアンプと、
前記所定電圧を正相入力とし、前記トランジスタの出力を逆相入力とする第二のオペアンプと、
前記第一及び第二のオペアンプの各出力を前記トランジスタの入力へそれぞれ接続する第一及び第二のダイオードと、
を含むことを特徴とするリミッタ付電流制御回路。
前記トランジスタはバイポーラ型トランジスタであることを特徴とする請求項１記載のリミッタ付電流制御回路。
前記トランジスタは電解効果型トランジスタであることを特徴とする請求項１記載のリミッタ付電流制御回路。
温度制御回路に用いられることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のリミッタ付電流制御回路。
発光制御回路に用いられることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のリミッタ付電流制御回路。