JP2007315980A - 電流/電圧変換回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電流/電圧変換回路のレンジ切り替え回路を加算回路、不感帯回路、リミッタ回路等で構成して、高速なオートレンジ切り替え可能にすると共に、レンジ切り替え時に回路各部の信号を連続的に変化させて、測定誤差やノイズ等の悪影響を少なくし、電圧発生器や電流発生器への応用も可能とした事を特徴とする、電流/電圧変換回路とそのレンジ切り替え回路。
【選択図】図1
Description
しかし特許文献1による方法では差動増幅器を必要とし、電流バイパス回路にアナログスイッチを用いていたので関連する信号変化が急激でノイズの影響が出易い等の欠点があった。
但し、本書で記述する各発明の回路では正負何れの電流入力または、電圧入力に対しても対応するものとし、正負の電流、電圧についての回路上の扱いは符号が異なるのみなので、以下の説明における電流、電圧の値は絶対値で説明するものとする。
実際に応用する場合には、正負何れか一方の入力のみに対応すれば良い場合もあるが、その場合は不要側の回路を取り外せるので、回路をより簡単にする事ができる。
また、本書では説明の明快化の為にレンジ数を3レンジとしているが、同様な回路を追加すればより多くのレンジ数にも容易に対応可能である。
なお、本書では以下全てにおいて電圧の単位は[V]、電流の単位は[A]、抵抗の単位は[Ω]であるものとし、説明の明快化の為に単位の記載は省く。
各I/V変換抵抗の図中における下側の電位をそれぞれV1、V2、V3とする。
演算回路2の入力インピーダンスが低い場合は、必要に応じてこらの信号を図7に示すようなバッファ回路で一旦受けるが、以降も含め本書では説明の明快化の為にバッファ回路の記載は省く。
ゲイン1なので電流ブースタ6、7各々の入出力電圧は同じであり、それぞれV23、V33とする。
VO=db(VI、E) ・・・(1)
で表わした場合、
VI<−Eの場合、 VO=G・(VI+E)
−E≦VI<+Eの場合、VO=0
+E≦VIの場合、 VO=G・(VI−E)
となる関数回路を示すものとする。
但し、Gはゲインであり、説明の明快化の為に本書では特に断らない限り以降全ての不感帯回路のゲインを1とする。即ち本書では以下全て(1)で示される不感帯回路は
VI<−Eの場合、 VO=VI+E ・・・(2)
−E≦VI<+Eの場合、VO=0 ・・・(3)
+E≦VIの場合、 VO=VI−E ・・・(4)
とする。
なお、同図では一般論として負入力の不感帯電圧を−E1、正入力の不感帯電圧を+E2としているが、(1)の回路は不感帯電圧を絶対値が等しい−E、+Eとしたものである。
VO=lm(VI、E) ・・・(5)
で表わした場合、
VI<−Eの場合、 VO=−E
−E≦VI<+Eの場合、VO=G・VI
+E≦VIの場合、 VO=+E
となる関数回路を示すものとする。
但し、Gはゲインであり、説明の明快化の為に本書では特に断らない限り以降全てのリミッタ回路のゲインを1とする。即ち本書では以下全て
VI<−Eの場合、 VO=−E
−E≦VI<+Eの場合、VO=VI
+E≦VIの場合、 VO=+E
とする。
図12は反転型リミッタ回路の一例であり、図13はその入出力特性である。
図8は一般的に知られている演算増幅器を用いた反転増幅器の一例であり、このゲインを−1にすればインバータになる。
図12は反転型であるのでその出力を図8を用いたインバータで反転させれば(5)のリミッタ回路を容易に得る事ができる。
なお、同図では一般論として負入力のリミット電圧をE1、正入力のリミット電圧を−E2としているが、(5)式の回路はリミット電圧を絶対値が等しい+E、−Eとしたものである。
図9は一般的に知られている演算増幅器を用いた反転加算器の一例である。
図9の反転加算出力を図8を用いたインバータで反転させれば12、13の加算回路を容易に得る事ができる。
図6は一般的なダイオードの電圧−電流特性である。同図に示すようにダイオードはその両端電圧が一定値以下の場合は高インピーダンスで電流がオフ状態になり、一定の電圧を越えると低インピーダンスになって電流がオン状態になる非線形の電圧−電流特性をもつ。
なお本発明ではダイオードでなくてもツェナーダイオードやバリスタ等同様の特性を持つ他のデバイスでも良い。
ダイオード14、15の端子間電圧をそれぞれVF2、VF3とする。
IFS1<IFS2 ・・・(6)
とする。
また、説明の明快化の為に入力電流がIFS1、IFS2でレンジ切り替えを行なうものとしているが、IFS1、IFS2の110%にする等、実際の応用では必要に応じて任意の値に設定することができる。
図1の7、9、11、13、15はI/V変換抵抗R2を流れる電流をバイパスするかどうか制御する電流オン−オフ回路であり、以下説明の為にバイパス回路2と呼ぶ。
これらバイパス回路1、2がレンジ切り替え動作を実現する。
バイパス回路1、2共にオフ時にレンジ1が有効、バイパス回路1がオン、バイパス回路2がオフ時にレンジ2が有効、バイパス回路1、2が共にオン時レンジ3が有効である。
E21=IFS1・(R1+R2+R3) ・・・(7)
E22=IFS1・(R2+R3) ・・・(8)
E31= IFS1・R1
+IFS2・(R2+R3)
+ED2 ・・・(9)
E32=IFS2・R3 ・・・(10)
但し(9)の、ED2は入力電流IがIFS2の時のダイオード14の両端子間の電圧とする。
V21=db(V1、E21) ・・・(11)
V22=lm(V2、E22) ・・・(12)
V23=V21+V22 ・・・(13)
VF2=V23−V2 ・・・(14)
である。
V31=db(V1、E31) ・・・(15)
V32=lm(V3、E32) ・・・(16)
V33=V31+V32 ・・・(17)
VF3=V33−V3 ・・・(18)
である。
V1−e= I1・(R1+R2+R3)
+I21・(R2+R3)
+I31・R3 ・・・(19)
が成り立つ。
誤差増幅器1は負帰還回路になっているので、常に+入力端子と−入力端子電圧が等しくなるようなV1を出力するように動作するが、+入力端子を0にしてあるのでe≒0になり、V1は入力電流の大きさに関わらず常に
V1= I1・(R1+R2+R3)
+I21・(R2+R3)
+I31・R3 ・・・(20)
になる。
0≦I<IFS1 ・・・(21)
の場合の動作をまとめる。
(20)が成り立つV1はI21、I31が0になる場合である。この時
I1=I2=I ・・・(22)
なので
V1=I・(R1+R2+R3) ・・・(23)
V2=I・(R2+R3) ・・・(24)
V3=I・R3 ・・・(25)
である。(7)と(23)を(21)の条件の下で比較すると
V1<E21 ・・・(26)
なので
V21=0 ・・・(27)
である。さらに、(8)と(24)により(21)の範囲では
V22=V2 ・・・(28)
である。(13)、(14)、(27)、(28)をVF2について解くと
VF2=0 ・・・(29)
になるのでI21が0になる事が判る。
V1<E31 ・・・(30)
であり
V31=0 ・・・(31)
である。さらに、(10)と(25)により(21)の範囲では
V32=V3 ・・・(32)
である。(17)、(18)、(31)、(32)をVF3について解くと
VF3=0 ・・・(33)
になるのでI31が0になる事が判る。
V1、V2、V3は
V1= IFS1・(R1+R2+R3) ・・・(34)
V2= IFS1・(R2+R3) ・・・(35)
V3= IFS1・R3 ・・・(36)
に限りなく近づく。
この時I1、I2、I3は
I1=IFS1 ・・・(37)
I2=IFS1 ・・・(38)
に限りなく近付き、I21、I3は
I21=0 ・・・(39)
I31=0 ・・・(40)
である。
IFS1≦I<IFS2 ・・・(41)
の場合の動作をまとめる。
(20)が成り立つV1はI31が0になる場合であり、この時バイパス回路1がオンになってI21が流れ、バイパス回路2がオフでI31が0になり、以下の式が成り立つ。
I2=I ・・・(42)
V1−V2=I1・R1 ・・・(43)
V2=I・(R2+R3) ・・・(44)
V3=I・R3 ・・・(45)
V2=V1−E21+E22−VF2 ・・・(46)
I2=I1+I21 ・・・(47)
これらの式を解いてV1、I1、I21について整理すると
V1= I・(R2+R3)
+E21+VF2−E22 ・・・(48)
I1=(E21+VF2−E22)/R1 ・・・(49)
I21=I−(E21+VF2−E22)/R1 ・・・(50)
を得る。
V1<E31 ・・・(51)
なので
V31=0 ・・・(52)
である。さらに、(10)と(45)により(41)の範囲では
V32=V2 ・・・(53)
である。(17)、(18)、(52)、(53)をVF3について解くと
VF3=0 ・・・(54)
になるのでI31が0になる事が判る。
VF2≒0 ・・・(55)
であり、(54)と(7)、(8)、(44)〜(50)を解いて整理すると
V1=IFS1・(R1+R2+R3) ・・・(56)
V2=IFS1・(R2+R3) ・・・(57)
V3=IFS1・R3 ・・・(58)
I1=IFS1 ・・・(59)
I2=IFS1 ・・・(60)
I21=0 ・・・(61)
I31=0 ・・・(62)
を得る。
VF2≒ED2 ・・・(63)
であり、(54)と(7)、(8)、(44)〜(50)、(63)を解いて整理すると
V1= IFS1・R1+IFS2・(R2+R3)
+ED2 ・・・(64)
V2=IFS2・(R2+R3) ・・・(65)
V3=IFS2・R3 ・・・(66)
I1=IFS1+ED2/R1 ・・・(67)
I2=IFS2 ・・・(68)
I21=IFS2−IFS1−ED2/R1 ・・・(69)
I31=0 ・・・(70)
を得る。
IFS2≦I ・・・(71)
の場合の動作をまとめる。
バイパス回路1、バイパス回路2共にオンになりI21、I31が流れ、以下
の式が成り立つ。
V1−V2=I1・R1 ・・・(72)
V2−V3=I2・R2 ・・・(73)
V3=I・R3 ・・・(74)
V2=V1−E21+E22−VF2 ・・・(75)
V3=V1−E31+E32−VF3 ・・・(76)
I2=I1+I21 ・・・(77)
I=I2+I31 ・・・(78)
これらの式を解いてV1、V2、I1、I21、I31について整理すると
V1= I・R3+(E31+VF3−E32) ・・・(79)
V2= I・R3+(E31+VF3−E32)
−(E21+VF2−E22) ・・・(80)
I1=(E21+VF2−E22)/R1 ・・・(81)
I2= (E31+VF3−E32)/R2
−(E21+VF2−E22)/R2 ・・・(82)
I21= (E31+VF3−E32)/R2
−(E21+VF2−E22)/R2
−(E21+VF2−E22)/R1 ・・・(83)
I31=I−(E31+VF3−E32)/R2
+(E21+VF2−E22)/R2 ・・・(84)
を得る。
VF3≒0 ・・・(85)
であり、(9)で定義したように(63)が成り立つ。(63)、(85)と(7)〜(10)、(79)〜(84)を解いて整理すると
V1= IFS1・R1+IFS2・(R2+R3)
+ED2 ・・・(86)
V2=IFS2・(R2+R3) ・・・(87)
V3=IFS2・R3 ・・・(88)
I1=IFS1+ED2/R1 ・・・(89)
I2=IFS2 ・・・(90)
I21=IFS2−IFS1−ED2/R1 ・・・(91)
I31=0 ・・・(92)
を得る。
I=V1/(R1+R2+R3) ・・・(93)
を得る。
レンジ2有効時は(44)を変形して
I=V2/(R2+R3) ・・・(94)
を得る。
レンジ有効時は(74)を変形して
I=V3/R3 ・・・(95)
を得る。
演算回路2は一般的に知られている演算増幅器による演算回路やコンパレータ等を用いて容易に作ることができる。
あるいは演算回路2内にA/D変換器、または電圧/周波数変換器とカウンタ等を組み込み、各I/V変換抵抗毎の電圧出力をディジタル値に変換してから
(93)〜(95)をソフトウェアで演算して電流Iを求めることもできる。
I=V1/R1 ・・・(96)
の演算で、レンジ2有効時は
I=V2/R2 ・・・(97)
の演算で電流を求める事も可能であるが、その場合は差動増幅器が必要になるので(93)、(94)の方が部品点数が少なくなる。
V1=IFS1・(R1+R2+R3)
である。
レンジ1とレンジ2のレンジ切り替わり点のV2は(35)、(57)から共に
V2= IFS1・(R2+R3)
である。
レンジ1とレンジ2のレンジ切り替わり点のV3は(36)、(58)から共に
V3= IFS1・R3
である。
レンジ1とレンジ2のレンジ切り替わり点のI1は(37)、(59)から共に
I1=IFS1
であり、I2は(38)、(60)から共に
I2=IFS1
である。
また、レンジ1では
I21=0
I31=0
であり、レンジ1とレンジ2のレンジ切り替わり点でのレンジ2も(61)、(62)により同じである。
以上からレンジ1とレンジ2のレンジ切り替わり点のV1、V2、V3、I1、I2、I21、I31は同じ値になるので、レンジ切り替え時にこれらは全て連続的に変化する事が判る。
V1= IFS1・R1+IFS2・(R2+R3)
+ED2
である。
レンジ2とレンジ3のレンジ切り替わり点のV2は(65)、(87)から共に
V2=IFS2・(R2+R3)
である。
レンジ2とレンジ3のレンジ切り替わり点のV3は(66)、(88)から共に
V3=IFS2・R3
である。
レンジ2とレンジ3のレンジ切り替わり点のI1は(67)、(89)から共に
I1=IFS1+ED2/R1
である。
レンジ2とレンジ3のレンジ切り替わり点のI2は(68)、(90)から共に
I2=IFS2
である。
レンジ2とレンジ3のレンジ切り替わり点のI21は(69)、(91)から共に
I21=IFS2−IFS1−ED2/R1
である。
また、レンジ2では
I31=0
であり、レンジ2とレンジ3のレンジ切り替わり点でのレンジ3でも(92)より同じである。
以上からレンジ2とレンジ3のレンジ切り替わり点のV1、V2、V3、I1、I2、I21、I31はレンジ切り替え時に同じ値になるので、これらは全て連続的に変化する事が判る。
以上の説明で図1の回路はレンジ切り替えを自動、即ちオートレンジで行ない、レンジ切り替えの際に各部の信号が連続的に変化する事が判る。
レンジ切り替えの為に アナログスイッチやリレー等を用いて測定に関わる各部の信号を非連続に変化させると測定誤差やノイズ等の悪影響を発生し易いが、本発明のように各部の信号を連続的に変化させると、測定誤差やノイズ等の悪影響を少なくする利点がある。
また、これらの回路は全て高速動作する半導体素子で構成できるので、高速動作が可能である。
図1の電流/電圧変換回路において、電流/電圧変換後の電圧信号をモニタ信号とする場合、単純に電圧信号V1、V2、V3の全て、またはそれらから有効レンジの信号を選択した信号と、その時点でどのレンジが有効かを示す信号を組み合わせて出力する事ができるが、モニタ信号の利用者は複数の信号を組み合わせて使用しなければならないので電流モニタ信号としては使用し難い。
あるいはV1を直接または必要に応じてバッファを介してモニタ信号としても良いが、レンジ2有効時は(48)となりVF2が入り、レンジ3有効時は(79)となりVF3が入る。
VF2、VF3はダイオード両端子間電圧であり、電流の大きさや温度で変化し、且つダイオード毎に特性のばらつきがあるので、モニタ信号の用途によっては精度が不足する。
21、22、23はリミッタ回路であり実現方法は既に説明した図1のリミッタ回路10、11と同じである。
24は加算回路であり実現方法は既に説明した図1の加算回路12、13と同じである。このモニタ出力電圧をVMとする。
その他は図1と同じである。
また、モニタ出力の用途に応じて最適なスケーリングをする為に各リミッタ回路21、22、23または加算回路24に増幅器を付加してゲインを調整すれば便利であるが、ここでは説明の明快化の為に全てゲインは1のままとする。
V14=lm(V1、E13) ・・・(98)
V24=lm(V2、E23) ・・・(99)
VM=V14+V24+V3 ・・・(100)
である。
各リミット設定値を
E13=IFS1・(R1+R2+R3) ・・・(101)
E23=IFS2・(R2+R3) ・・・(102)
とする。
0≦I<IFS1 ・・・(103)
の場合の動作をまとめる。
レンジの条件(103)と(98)〜(102)を演算してVMについて整理すると
VM=I・(R1+2R2+3R3) ・・・(104)
0≦VM<IFS1・(R1+2R2+3R3) ・・・(105)
を得る。
IFS1≦I<IFS2 ・・・(106)
の場合の動作をまとめる。
レンジの条件(106)と(98)〜(102)を演算してVMについて整理すると
VM= IFS1・(R1+R2+R3)
+I・(R2+2R3) ・・・(107)
IFS1・(R1+2R2+3R3)≦VM ・・・(108)
VM< IFS1・(R1+R2+R3)
+IFS2・(R2+2R3) ・・・(109)
を得る。
IFS2≦I ・・・(110)
の場合の動作をまとめる。
レンジの条件(110)と(98)〜(102)を演算してVMについて整理すると
VM= IFS1・(R1+R2+R3)
+IFS2・(R2+R3)+I・R3 ・・・(111)
IFS1・(R1+R2+R3)
+IFS2・(R2+2R3)≦VM ・・・(112)
を得る。
負入力についても極性が変わるだけで同様になる。
また、(104)、(107)、(111)から判るように、VMにはダイオード両端電圧VF2、VF3のような個々の素子の特性のバラツキが大きく、そのまま精度に影響及ぼす要因を含まないので精度が高い。
32は供給電圧の大きさを設定する為の電圧設定器である。
その他の記号は図1と同じである。
負荷31の抵抗をRLとし、これに供給する電圧をVLとし、その時の負荷31に流れる電流をIとする。
従って電圧設定器32の設定電圧をESにすると、フィードバック電圧VLもESになるようにV1が出力され、その結果負荷31にはその抵抗値RLの値に関わらず常にESに等しい電圧VLが供給される。
同時に負荷31には負荷電流Iが流れる。その大きさは
I=VL/RL ・・・(113)
であり、RLが変化するとIも変化する。
なお、図3の誤差増幅器1の接続は図16のように設定値の極性を反転させ入力抵抗を介して−入力端子に接続し、フィードバック信号もフィードバック抵抗を介して−入力端子に接続しても同じ動作になる。
これにより、図1におけるe≒0であるR3の上側とE21、E22、E31、E32の各設定値の電位関係と、図3の電位がVL(=ES)であるR3の上側と、E21、E22、E31、E32の各設定値の電位関係が等しくなり、実施例1で図1においてR3の上側がe≒0として説明したレンジ切り替え機能の説明がそのまま図3にも当て嵌まり、図3の電流/電圧変換回路はオートレンジ切り替え機能を持つ事が判る。
なお、不感帯回路入力電圧、リミッタ回路入力電圧から出力設定電圧を減算しても同じ動作をする。
実施例1で行った動作説明の繰り返しを避ける為、これらの詳細動作説明は省略する。
図3の回路では高速のオートレンジで電流検出ができるので、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する負荷電流でも精度良くモニタできる電圧発生器を実現できる。
その誤差増幅器1、電流ブースタ6、7が負荷への電流供給機能も兼ねる点も大きな特徴である。
その他の記号は図1〜図3と同じである。
負荷31の抵抗をRLとし、これに供給する電流をIとし、その時の負荷31に印加される電圧をVLとする。
但し、リミッタ回路23のE33は充分大きな任意の値とし、常に
V34=V3−VL ・・・(114)
になる値にしておく。換言すると、23は単に(114)を演算する回路で良いが説明の明快化の為にリミッタ回路で表現したものである。
従って電流設定器33の設定電圧をESにすると、フィードバック電圧VMもESになるようにV1が出力され、その結果負荷31にはその抵抗値RLの値に関わらず常に負荷電流Iの検出値VMがESに等しくなるような電圧VLが印加される。
VLの大きさは
VL=I・RL ・・・(115)
であり、RLが変化するとVLも変化する。
なお、図4の誤差増幅器1の接続は図16のように設定値の極性を反転させ入力抵抗を介して−入力端子に接続し、フィードバック信号もフィードバック抵抗を介して−入力端子に接続しても同じ動作になる。
これにより、図1におけるe≒0であるR3の上側とE21、E22、E31、E32の各設定値の電位関係と、図4の電位がVLであるR3の上側と、E21、E22、E31、E32の各設定値の電位関係が等しくなり、実施例1で図1においてR3の上側がe≒0として説明したレンジ切り替え機能の説明がそのまま図3にも当て嵌まり、図4の電流/電圧変換回路はオートレンジ切り替え機能を持つ事が判る。
なお、不感帯設定電圧、リミット設定電圧に負荷電圧を加算しても同じ動作をする。
実施例1で行った動作説明の繰り返しを避ける為、これらの詳細動作説明は省略する。
図4の回路では高速のオートレンジで電流検出ができるので、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する負荷電流でも精度良く検出し、高速に応答できる電流発生器を実現できる。
その誤差増幅器1、電流ブースタ6、7が負荷への電流供給機能も兼ねる点も大きな特徴である。
35は電圧/電流変換抵抗であり抵抗値をRINとする。
その他の記号は図1と同じである。
測定対象である入力信号電圧をVINとし、RINを流れる電流をIINとする。
IIN=VIN/RIN ・・・(116)
の電流IINが流れる。ここで(116)をVINについて変形すると
VIN=IIN・RIN ・・・(117)
を得る。
従って電流IINの大きさを後段の電流/電圧変換回路で測定すれば(117)により入力電圧VINを測定できる。
本回路では定格入力電圧に対して入力電圧VINが小さく、それによる電流IINが小さくても、後段の電流/電圧変換回路により精度良く測定されるので、電圧入力をオートレンジによるレンジ切り替えで電圧測定するのと等価であり、固定レンジの電圧測定回路より精度が高い電圧測定が可能になる。
2 演算回路
3、4、5 I/V変換抵抗
6、7 電流ブースタ
8、9 不感帯回路
10、11、21、22、23 リミッタ回路
12、13、24 加算回路
14、15 ダイオード
31 負荷
32 電圧設定器
33 電流設定器
34 バッファ
35 電圧/電流変換抵抗
Claims (6)
- 電流/電圧変換の為のI/V変換抵抗を必要レンジ数分、抵抗値の大きさの順番に直列に設け、各I/V変換抵抗間に入力電流のバイパス回路を設けた回路において、各レンジに対応するI/V変換抵抗に流れる入力電流の大きさに応じて自動的にバイパス回路をオン−オフさせ、入力電流がバイパスされずに全入力電流が流れる1個以上のI/V変換抵抗の合計値とそれらに掛かる電圧値を用いて、演算回路で電流値を演算して電流値を求める事を特徴とする電流/電圧変換回路。
- 加算回路、不感帯回路、リミッタ回路等で電流/電圧変換回路のレンジ切り替え回路を構成してオートレンジ切り替えを可能とし、かつレンジ切り替え時に回路各部の信号を連続的に変化させて、測定誤差やノイズ等の影響を少なくした事を特徴とするレンジ切り替え回路。
- 電流/電圧変換信号のモニタ信号として、1つの電圧信号で全レンジの入力電流に対して精度良くモニタできる事を特徴とするモニタ信号作成回路。
- 不感帯設定電圧、リミット設定電圧に出力設定電圧を加算、または不感帯回路入力電圧、リミッタ回路入力電圧から出力設定電圧を減算するようにした請求項2のレンジ切り替え回路と、請求項1の電流/電圧変換回路を用いて、オートレンジ切り替えで精度高く負荷電流をモニタできる事を特徴とする電圧発生器。
- 不感帯回路、リミット回路の各入力電圧から負荷電圧を減算、または不感帯設定電圧、リミット設定電圧に負荷電圧を加算するようにした請求項2のレンジ切り替え回路、及び請求項3のモニタ信号作成回路と請求項1の電流/電圧変換回路を用いて、広範囲の電流値を精度良く発生できる事を特徴とする電流発生器。
- 請求項1の電流/電圧変換回路に電圧/電流変換抵抗を付加して、定格入力に対して小さい入力信号電圧でも精度良く測定できる事を特徴とする電圧測定回路。
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