JP2008209998A - 電圧発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電流の測定レンジの設定と出力電流の制限レンジの設定とを別々に行うことのできる電圧発生器を実現すること。
【解決手段】出力電流Ｉｏを測定する測定用シャント抵抗ＲＳ３と、測定用シャント抵抗ＲＳ３と並列に設けられる制限用シャント抵抗ＲＳ１と、出力電流Ｉｏが測定用シャント抵抗３の測定設定レンジを超えない場合、制限用シャント抵抗ＲＳ１に出力電流Ｉｏを流さず、出力電流Ｉｏが測定用シャント抵抗ＲＳ３の測定設定レンジを超えた場合、測定用シャント抵抗ＲＳ３へ流す出力電流Ｉｏを測定設定レンジの上限値に保ったまま、出力電流Ｉｏを分流させて制限用シャント抵抗ＲＳ３に流させる電圧制限回路２１、２２と、制限用シャント抵抗ＲＳ１の端子電圧を検出する出力電流制限用電流検出差動アンプＡ７と、帰還回路５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧発生器に関する。

従来から、液晶、バッテリー及び磁性体などの電子材料や、電子部品及び電子回路の基本電気特性を評価するために電圧発生器が用いられている。

ここで、図３を参照して、基本的な電流計電流制限付き電圧発生器４０を説明する。
電圧発生器４０は、電圧源Ｖ１と、抵抗Ｒ１，Ｒ２と、シャント抵抗ＲＳと、演算増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３と、被試験体である負荷ＬＯＡＤと、ダイオードＤ１と、出力端子Ｈｉ，Ｌｏと、電圧計ＶＭと、を備えて構成される。

出力端子Ｈｉ−Ｌｏ間には出力電圧Ｖｏが発生する。ここで、演算増幅器Ａ１の−入力端子には、差動増幅器Ａ３、抵抗Ｒ２の帰還回路が形成されている。よって、演算増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏ＝（Ｒ２／Ｒ１）×Ｖ１となる。即ち、出力電圧Ｖｏは抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との抵抗比によって決まる。

出力端子Ｈｉ−Ｌｏ間に負荷ＬＯＡＤを接続すると、この負荷ＬＯＡＤの大きさに応じて出力電流Ｉｏが流れる。当該出力電流Ｉｏは、シャント抵抗ＲＳの両端に発生する電圧により検出される。ここで、検出された電圧を電圧ＶＬとする。当該電圧ＶＬは、出力電流Ｉｏとシャント抵抗ＲＳの抵抗値ＲＳとの積ＶＬ＝Ｉｏ×ＲＳで求まる。

電圧ＶＬは演算増幅器Ａ２の＋入力端子に印加される。また、演算増幅器Ａ２の−入力端子には出力制限電圧Ｖｌｉｍが印加される。演算増幅器Ａ２は、入力された電圧ＶＬと出力制限電圧Ｖｌｉｍとを比較する。電圧ＶＬが出力制限電圧Ｖｌｉｍより小さい場合は、演算増幅器Ａ２の出力が−方向になりダイオードＤ１をＯＦＦさせ、大きい場合は＋方向に増加しダイオードＤ１をＯＮさせる。ここで、ダイオードＤ１が導通することにより、演算増幅器Ａ１の−入力端子に印加される電圧は演算増幅器Ａ２から出力される電圧が支配的となる。そして、電圧発生器４０は演算増幅器Ａ１から出力される出力電圧Ｖｏの電圧を降下させる。これにより、出力電流ＩｏはＶｌｉｍ／ＲＳで制限される。

また、電圧計ＶＭにより、当該電圧ＶＬと、シャント抵抗ＲＳとから出力電流Ｉｏが測定値として得られる。

次に、図４を参照して、電圧発生器５０の構成を説明する。以下、図３の電圧発生器４０と同様な部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を援用し、異なる部分について説明する。

図４に示す電圧発生器５０は、シャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳｘと、シャント抵抗切り替えスイッチＳＷ１〜ＳＷｘと、を備える。シャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳｘは、それぞれ異なる抵抗値を有する。シャント抵抗切り替えスイッチＳＷ１〜ＳＷｘは、シャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳｘを選択するスイッチである。例えば、シャント抵抗ＲＳ１を選択する場合、シャント抵抗切り替えスイッチＳＷ１が導通する。同様に、シャント抵抗ＲＳ２を選択する場合は、シャント抵抗切り替えスイッチＳＷ２が導通する。シャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳｘはそれぞれ異なる抵抗値を有するので、より広範囲の出力電流Ｉｏの測定が可能となる。

また、安価でかつ応答性の良い出力リミッタ付きの電圧電流発生装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。さらに、出力制御に最も低い電源電圧を選択することにより、電池を不必要に消費することなく、効率の良い出力制御を行うことのできる電圧・電流発生器も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−３０２１２５号公報 特開平９−１６０６６０号公報

しかしながら、図４の電圧発生器５０では、シャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳｘに連動して出力電流Ｉｏの測定及び制限が行われる。例えば、スイッチＳＷ１が導通してシャント抵抗ＲＳ１が選択されているとき、電圧ＶＬは、ＶＬ＝ＲＳ１×Ｉｏとなる。この場合、当該電圧ＶＬ（ＲＳ１×Ｉｏ）と出力制限電圧Ｖｌｉｍとが演算増幅器Ａ２に入力される。即ち、出力電流Ｉｏの制限は、シャント抵抗ＲＳ１に基づいて行われる。
また、電圧計ＶＭは、電圧ＶＬ（ＲＳ１×Ｉｏ）と、シャント抵抗ＲＳ１とから出力電流Ｉｏ（Ｉｏ＝ＶＬ／ＲＳ１）を測定値として得る。このとき、出力電流Ｉｏの測定は、シャント抵抗ＲＳ１に基づいて行われる。即ち、シャント抵抗ＲＳ１に連動して出力電流Ｉｏの測定及び制限が行われる。このため、出力電流Ｉｏの測定レンジは、出力電流Ｉｏの制限値により制約を受けてしまう。ここで、出力電流Ｉｏの測定レンジとは、出力電流Ｉｏを測定できる範囲のことをいい、シャント抵抗ＲＳが有する抵抗値に基づいて定まる。例えば、シャント抵抗ＲＳ１は抵抗値が１００Ωとする。ここで、シャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳｘの検出電圧の最大値を１Ｖとすると、シャント抵抗ＲＳ１の測定レンジは、１Ｖ／１００Ω＝１０ｍＡとなる。同様に、出力電流Ｉｏの制限レンジとは、出力電流Ｉｏを制限できる範囲のことをいい、シャント抵抗ＲＳが有する抵抗値に基づいて定まる。また、出力電流Ｉｏの制限値とは、出力電流Ｉｏを制限する値に設定した制限値のことをいう。

例えば、出力電流Ｉｏの測定レンジを１０ｍＡに設定した場合の電圧発生器５０の動作について説明する。この場合、出力電流Ｉｏの測定レンジが１０ｍＡのシャント抵抗をシャント抵抗ＲＳ１〜ＲＳｘの中から選択する必要がある。ここで、測定レンジが１０ｍＡであるシャント抵抗をＲＳ２とする。このとき、シャント抵抗ＲＳ２は、制限レンジも１０ｍＡであるので、１０ｍＡオーダーの出力電流Ｉｏを制限することができる。しかし、１００ｍＡオーダーの出力電流Ｉｏを制限することはできない。このため、大きな出力電流Ｉｏの制限値（例えば、１００ｍＡ）を設定すると、シャント抵抗ＲＳ１が選択され、小さな出力電流Ｉｏ（例えば、１００μＡ）の測定が小さな検出電圧で測ることになり、誤差要因の影響を受けやすくなり精度が悪くなる。この場合、半導体のＶ−Ｉ特性評価や、電子回路の動作時／待機時の消費電力評価など、負荷変動の大きい場合に不都合を生じる。
したがって、出力電流Ｉｏの測定レンジの設定と出力電流Ｉｏの制限レンジの設定とを別々に行うことのできる電圧発生器を実現する要請があった。

本発明の課題は、出力電流の測定レンジの設定と出力電流の制限レンジの設定とを別々に行うことのできる電圧発生器を実現することである

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明の電圧発生器は、
一定電圧を出力する電圧源と、
出力端が負荷の一端側に接続され、前記電圧源からの一定電圧を増幅した電圧に基づいて前記負荷に流れる出力電流を制御する第１の演算増幅器と、
前記出力電流を測定する測定用シャント抵抗と、
前記測定用シャント抵抗と並列に設けられる制限用シャント抵抗と、
前記出力電流が前記測定用シャント抵抗の測定設定レンジを超えない場合、前記制限用シャント抵抗に前記出力電流を流さず、前記出力電流が前記測定用シャント抵抗の測定設定レンジを超えた場合、前記測定用シャント抵抗に流れる出力電流を前記測定設定レンジの上限値に保ったまま、前記出力電流を分流させて前記制限用シャント抵抗に流させる比較回路と、
前記制限用シャント抵抗の端子電圧を検出する第２の検出アンプと、
前記第２の検出アンプにより検出された端子電圧を帰還する帰還回路と、
を備えることを特徴とする電圧発生器。
を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電圧発生器において、
前記帰還回路は、
前記検出アンプにより検出された端子電圧と前記出力電流の制限設定値に基づいて算出された出力制限電圧とを比較する第２の演算増幅器を備え、
前記第２の演算増幅器は、
前記検出アンプにより検出された端子電圧が前記出力電流の制限設定値に基づいて算出された出力制限電圧を超えた場合、当該検出アンプにより検出された端子電圧を前記第１の演算増幅器に帰還させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電圧発生器において、
前記比較回路は、
出力端が半導体スイッチ素子に接続され、前記負荷の他端の端子電圧が、当該端子電圧を制限する制限電圧を超えないように前記半導体スイッチ素子を制御する第３の演算増幅器を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電圧発生器において、
前記比較回路は、
出力端が可変抵抗に接続され、前記負荷の他端の端子電圧が、当該端子電圧を制限する制限電圧を超えないように前記可変抵抗を制御する第４の演算増幅器を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、比較回路により、出力電流が測定用シャント抵抗の測定設定レンジを超えない場合、制限用シャント抵抗に出力電流を流さず、出力電流が測定用シャント抵抗の測定設定レンジを超えた場合、測定用シャント抵抗に流れる出力電流を測定設定レンジの上限値に保ったまま、出力電流を分流させて制限用シャント抵抗に流させることができる。これにより、出力電流の測定レンジの設定と出力電流の制限レンジの設定とを別々に行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、検出アンプにより検出された端子電圧が算出された出力制限電圧を超えた場合、当該検出アンプにより検出された端子電圧を第１の演算増幅器に帰還させることができる。これにより、出力電流が制限設定値を超えないように制御することができる。

請求項３に記載の発明によれば、負荷の他端の端子電圧が制限電圧を超えないように半導体スイッチ素子を制御することができる。

請求項４に記載の発明によれば、負荷の他端の端子電圧が制限電圧を超えないように可変抵抗を制御することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。

図１を参照して本発明に係る実施の形態を説明する。図１に本実施の形態の電圧発生器１を示す。

電圧発生器１は、出力電流の測定の設定と出力電流の制限の設定とを別々に設定する。電圧発生器１は、電圧源Ｖ１と、抵抗Ｒ１，Ｒ２と、第１の演算増幅器としての演算増幅器Ａ１と、演算増幅器Ａ２，Ａ３，と、有限利得の差動増幅器Ａ４と、被試験体である負荷ＬＯＡＤと、出力端子Ｈｉ，Ｌｏと、電圧計ＶＭと、測定シャント抵抗及び制限用シャント抵抗としてのシャント抵抗ＲＳ１，ＲＳ２、ＲＳ３と、バッファアンプＡ５と、検出アンプとしての出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６、出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７と、出力電流制限用検出信号切り替えスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ３１と、出力電流測定用検出信号切り替えスイッチＳＷ１２，ＳＷ２２，ＳＷ３２と、シャント抵抗切り替えスイッチＳＷ１３，２３，３３と、比較回路としての電圧制限回路２１，２２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、を備えて構成される。また、シャント抵抗ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３の両端から検出される検出電圧を１Ｖとして説明する。

電圧源Ｖ１は、一定電圧Ｖ１を供給する。演算増幅器Ａ１は、出力端が負荷ＬＯＡＤの一端側に接続され、電圧源Ｖｉからの一定電圧を増幅した出力電圧Ｖｏに基づいて負荷に流れる出力電流を制御する。ここで、演算増幅器Ａ１の−入力端子には、差動増幅器Ａ４、抵抗Ｒ２の帰還回路が形成されている。よって、演算増幅器Ａ１の出力電圧Ｖｏ＝（Ｒ２／Ｒ１）×Ｖ１となる。即ち、出力電圧Ｖｏは抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との抵抗比によって決まる。負荷ＬＯＡＤは、電子部品等の評価対象であり、当該負荷ＬＯＡＤの負荷の大きさに応じて出力電流Ｉｏが流れる。

シャント抵抗ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３は演算増幅器Ａ１の出力電流Ｉｏの電流測定レンジ及び電流制限レンジを規定する。シャント抵抗ＲＳ１は１００Ωの抵抗値、抵抗ＲＳ２は１ＫΩの抵抗値、抵抗ＲＳ３は１０ＫΩの抵抗値を有する。したがって、シャント抵抗ＲＳ１（１００Ω）の電流レンジは１０ｍＡレンジ、ＲＳ２（１ＫΩ）の電流レンジは１ｍＡレンジ、抵抗ＲＳ３（１０ＫΩ）の電流レンジは１００μＡレンジとなる。

また、シャント抵抗ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３には出力電流Ｉｏが流れる。以下、出力電流Ｉｏが、測定用シャント抵抗としてのシャント抵抗ＲＳ３、制限用シャント抵抗としてのシャント抵抗ＲＳ１に流れる場合について説明する。ここで、測定用シャント抵抗とは、出力電流Ｉｏの測定設定レンジに基づいて選択された出力電流Ｉｏを測定するための抵抗のことをいう。出力電流Ｉｏの測定設定レンジとは、設定された出力電流Ｉｏの測定レンジのことをいう。制限用シャント抵抗とは、出力電流Ｉｏの制限設定値に基づいて選択された出力電流Ｉｏを制限するための抵抗のことをいう。出力電流Ｉｏの制限設定値とは、設定された出力電流制限値のことをいう。

出力電流Ｉｏが測定用シャント抵抗であるシャント抵抗ＲＳ３に流れる場合、シャント抵抗ＲＳ３の両端に電圧降下が発生する。ここで、測定用シャント抵抗であるシャント抵抗ＲＳ３の両端に発生する端子電圧を、電圧ＶＭ１とする。当該電圧ＶＭ１は、出力電流Ｉｏとシャント抵抗ＲＳ３の抵抗値ＲＳ３との積ＶＭ１＝Ｉｏ×ＲＳ３となる。そして、電圧ＶＭ１は、後述する出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７を介して、電圧計ＶＭに出力される。

出力電流Ｉｏが制限用シャント抵抗であるシャント抵抗ＲＳ１に流れる場合、シャント抵抗ＲＳ１の両端に電圧降下が発生する。ここで、制限用シャント抵抗であるシャント抵抗ＲＳ１の両端に発生する端子電圧を、電圧ＶＬとする。当該電圧ＶＬは、出力電流Ｉｏとシャント抵抗ＲＳ１の抵抗値ＲＳ１との積ＶＬ＝Ｉｏ×ＲＳ１となる。電圧ＶＬは、後述する出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６を介して、演算増幅器Ａ２、Ａ３の＋入力端子に印加される。

バッファアンプＡ５は、大きな入力抵抗を有し、電圧だけを拾うアンプである。バッファアンプＡ５は、出力電流Ｉｏの誤差要因とならないように、低バイアスのバッファアンプを使用する。

出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６は、×１倍の差動増幅器であり、制限用シャント抵抗の端子電圧である電圧ＶＬを検出する。当該電圧ＶＬが出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６の入力端子に伝送され、出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６から出力される。

出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７は、×１倍の差動増幅器であり、測定用シャント抵抗の端子電圧である電圧ＶＭ１を検出する。当該電圧ＶＭ１が出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７の入力端子に伝送され、出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７から出力される。

出力電流制限用検出信号切り替えスイッチＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ３１は、シャント抵抗ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３から選択された制限用シャント抵抗と、出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６とを選択的に接続または切り離しする。例えば、シャント抵抗ＲＳ１が制限用シャント抵抗として選択された場合、出力電流制限用検出信号切り替えスイッチＳＷ１１が導通する。これにより、シャント抵抗ＲＳ１と、出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６とが接続する。そして、シャント抵抗ＲＳ１の両端電圧であるＶＬが出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６の−入力端子に伝送される。

出力電流測定用検出信号切り替えスイッチＳＷ１２，ＳＷ２２，ＳＷ３２は、抵抗ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３から選択された測定用シャント抵抗と、出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７と、を選択的に接続または切り離しする。例えば、シャント抵抗ＲＳ３が測定用シャント抵抗として選択された場合、出力電流測定用検出信号切り替えスイッチＳＷ３２が導通する。これにより、シャント抵抗ＲＳ３と、出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７とが接続する。そして、シャント抵抗ＲＳ３の両端電圧であるＶＭ１が出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７の−入力端子に伝送される。

シャント切り替えスイッチＳＷ１３，ＳＷ２３，ＳＷ３３は、シャント抵抗ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３とコモンとを選択的に接続または切離しする。例えば、シャント抵抗ＲＳ３が測定用シャント抵抗として選択された場合、シャント抵抗切り替えスイッチＳＷ３３が導通する。これにより、シャント抵抗ＲＳ３と、コモンＣＯＭとが接続する。即ち、Ｌｏ端子−シャント抵抗ＲＳ３−シャント抵抗切り替えスイッチＳＷ３３−コモンＣＯＭの経路を通じて、出力電流Ｉｏが流れる。また、シャント切り替えスイッチＳＷ３１，ＳＷ３２，ＳＷ３３と、シャント抵抗ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３と、は電流レンジ切り替え回路を構成する。

電圧制限回路２１、２２は、出力電流Ｉｏが測定用シャント抵抗の測定設定レンジを超えない場合、制限用シャント抵抗に出力電流Ｉｏを流さず、出力電流Ｉｏが測定用シャント抵抗の測定設定レンジを超えた場合、測定用シャント抵抗ＲＳ３に流れる出力電流Ｉｏを測定設定レンジの上限値に保ったまま、出力電流Ｉｏを分流させて制限用シャント抵抗に流させる。

また、電圧制限回路２１、２２は、端子電圧ＶＡと制限電圧ＶＣｘ、−ＶＣｘとを比較する。ここで、端子電圧ＶＡとは、出力端子Ｌｏの端子電圧である。制限電圧ＶＣｘ、−ＶＣｘとは、設定により定められた端子電圧ＶＡを制限する電圧である。具体的に電圧制限回路２１、２２は、端子電圧ＶＡが制限電圧ＶＣｘ、−ＶＣｘを超えないように動作する。電圧制限回路２１、２２は同様の構成であることから、以下、電圧制限回路２１を代表して説明する。

電圧制限回路２１は、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１８と、第３の演算増幅器としての演算増幅器Ａ１１，Ａ１２と、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４と、トランジスタＱ１１，Ｑ１２と、を備えて構成される。

演算増幅器Ａ１１，Ａ１２は、出力端がトランジスタＱ１１，Ｑ１２に接続され、端子電圧ＶＡが制限電圧ＶＣｘ、あるいは−ＶＣｘを超えないように、トランジスタＱ１１、あるいはＱ１２を制御する。演算増幅器Ａ１１、Ａ１２は、＋入力端子に制限電圧ＶＣｘ、−ＶＣｘが印加される。また、−入力端子に端子電圧ＶＡが印加される。例えば、制限電圧をＶＣ１、−ＶＣ１とする。このとき、演算増幅器Ａ１１、Ａ１２は、端子電圧ＶＡが制限電圧ＶＣ１に対して、ＶＣ１＞ＶＡ＞−ＶＣ１の場合、トランジスタＱ１１，Ｑ１２を逆バイアスにする。このとき、ダイオードＤ１１，Ｄ１２の両端に同じ電圧が掛かるようにしてトランジスタＱ１１，Ｑ１２の漏れ電流を、抵抗Ｒ１１を通して流す。これにより、トランジスタＱ１１，Ｑ１２の漏れ電流がシャント抵抗ＲＳ１に流れない。尚、トランジスタＱ１１，Ｑ１２の漏れ電流が無視できるようであれば、このＲ１１は省略できる。

具体的に演算増幅器Ａ１１は、端子電圧ＶＡが制限電圧ＶＣ１に対して、ＶＣ１＜ＶＡになろうとした場合、トランジスタＱ１１を順バイアスされる。トランジスタＱ１１が順バイアスされると、バッファアンプＡ５→演算増幅器Ａ１１→トランジスタＱ１１→ダイオードＤ１２の負帰還回路が形成される。これにより、演算増幅器Ａ１１は、端子電圧ＶＡが制限電圧ＶＣ１を超えないように、トランジスタＱ１１に出力電流Ｉｏを流して端子電圧ＶＡを制御する。トランジスタＱ１１に出力電流Ｉｏが流れると、出力電流Ｉｏがシャント抵抗ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３から選択された制限用シャント抵抗に流れるので、電圧ＶＬが＋方向に上昇する。

演算増幅器Ａ１２は、端子電圧ＶＡが制限電圧−ＶＣ１に対して、−ＶＣ１＞ＶＡになろうとした場合、トランジスタＱ１２を順バイアスされる。トランジスタＱ１２が順バイアスされると、バッファアンプＡ５→演算増幅器Ａ１２→トランジスタＱ１２→ダイオードＤ１１の負帰還回路が形成される。これにより、演算増幅器Ａ１２は、電圧ＶＡが制限電圧−ＶＣ１を下回らないように、トランジスタＱ１２に出力電流Ｉｏを流して端子電圧ＶＡを制御する。トランジスタＱ１２に出力電流が流れると、出力電流Ｉｏがシャント抵抗ＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３から選択された制限用シャント抵抗に流れるので、電圧ＶＬが−方向に上昇する。

スイッチＳＷ１４は、電圧制限回路２１が選択されていない場合に当該電圧制限回路２１をＯＦＦ状態にするため、制限電圧ＶＣ１を上げて電圧制限操作をしないようにする。例えば、電圧制限回路２１が選択されている場合、電圧制限回路２２のスイッチＳＷ２４はＯＦＦ状態となる。

演算増幅器Ａ２は、電圧ＶＬと、出力電流Ｉｏの制限設定値に基づいて算出された出力制限電圧Ｖｌｉｍと、を比較する。そして、電圧ＶＬが出力制限電圧Ｖｌｉｍを超えた場合（電圧ＶＬ＞出力制限電圧Ｖｌｉｍの場合）、電圧ＶＬを演算増幅器Ａ１に帰還させる。このとき、電圧ＶＬを帰還する帰還回路５（出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６→演算増幅器Ａ２→ダイオードＤ１→演算増幅器Ａ１）が形成される。具体的に演算増幅器Ａ２には、＋入力端子に電圧ＶＬが印加される。また、−入力端子に出力制限電圧Ｖｌｉｍが印加される。ここで、出力制限電圧Ｖｌｉｍ（−Ｖｌｉｍ）とは、設定された出力電流制限値に基づいて定められた値のことをいう。演算増幅器Ａ２は、印加された電圧ＶＬが正極性を示し、当該電圧ＶＬが出力制限電圧Ｖｌｉｍを超えた場合、ダイオードＤ１を順バイアスする電圧を出力する。ダイオードＤ１は、順バイアスされると導通する。即ち、電圧ＶＬが出力制限電圧Ｖｌｉｍよりも大きいとき、ダイオードＤ１は導通する。この場合、演算増幅器Ａ１の−入力端子に印加される電圧は演算増幅器Ａ２から出力される電圧が支配的となる。そして、電圧発生器１は、演算増幅器Ａ１から出力される出力電圧Ｖｏの電圧を降下させる。これにより、出力電流Ｉｏが制限される。

演算増幅器Ａ３は、電圧ＶＬと、出力電流Ｉｏの制限設定値に基づいて算出された出力制限電圧−Ｖｌｉｍと、を比較する。そして、電圧ＶＬが出力制限電圧−Ｖｌｉｍを超えた場合（電圧ＶＬ＜出力制限電圧−Ｖｌｉｍの場合）、電圧ＶＬを演算増幅器Ａ１に帰還させる。このとき、電圧ＶＬを帰還する帰還回路５（出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６→演算増幅器Ａ３→ダイオードＤ２→演算増幅器Ａ１）が形成される。具体的に演算増幅器Ａ３には、＋入力端子に電圧ＶＬが印加される。また、−入力端子に出力制限電圧−Ｖｌｉｍが印加される。演算増幅器Ａ３は、印加された電圧ＶＬが負極性を示し、当該電圧ＶＬが出力制限電圧−Ｖｌｉｍを超えた場合、ダイオードＤ２を順バイアスする電圧を出力する。ダイオードＤ２は、順バイアスされると導通する。即ち、出力電流制限用電圧ＶＬが出力制限電圧−Ｖｌｉｍよりも小さいとき、ダイオードＤ２は導通する。この場合、演算増幅器Ａ１の−入力端子に印加される電圧は演算増幅器Ａ３から出力される電圧が支配的となる。そして、電圧発生器１は、演算増幅器Ａ１から出力される出力電圧Ｖｏの電圧を降下させる。これにより、出力電流Ｉｏが制限される。

演算増幅器Ａ４は、×１倍の差動増幅器であり、Ｒ２を通して演算増幅器Ａ１の−入力端子に接続される。

電圧計ＶＭは、電圧ＶＭ１と、選択された測定用シャント抵抗の抵抗値と、から出力電流Ｉｏを測定値として得る。

次に、図１を参照して、電圧発生器１の回路動作を説明する。以下、出力電流Ｉｏの測定設定レンジを１００μＡレンジに設定、出力電流Ｉｏの電流制限値を５ｍＡに設定、制限電圧ＶＣ１を１．２Ｖに設定した場合の電圧発生器１の回路動作を説明する。

先ず、ユーザにより図示しない操作部を介して、出力電流Ｉｏの電流制限値（制限設定値）が５ｍＡに、出力電流Ｉｏの測定設定レンジが１００μＡに設定される。このとき、出力電流Ｉｏの電流制限値を５ｍＡにするため、演算増幅器Ａ２の−入力端子に印加される出力制限電圧＋Ｖｌｉｍの値が設定される。ここで、シャント抵抗ＲＳ３は抵抗値が１０ｋΩ、制限電圧ＶＣ１は１．２Ｖである。よって、出力電流Ｉｏの制限時に、シャント抵抗ＲＳ３には１２０μＡ（１．２Ｖ／１０ＫΩ）の出力電流Ｉｏが流れる。したがって、出力電流Ｉｏを５ｍＡで電流制御するため、出力制限電圧＋Ｖｌｉｍは、（５ｍＡ−１２０μＡ）×１００Ω＝０．４８８Ｖが設定される。

また、出力電流Ｉｏの測定設定レンジが１００μＡに設定されるので、シャント抵抗ＲＳ３が測定用シャント抵抗として選択される。このとき、測定用検出信号切り替えスイッチＳＷ３２、出力電流測定用検出信号切り替えスイッチＳＷ３３が導通する。また、出力電流Ｉｏの電流制限値が５ｍＡに設定されるので、シャント抵抗ＲＳ１が制限用シャント抵抗として選択される。このとき、出力電流制限用検出信号切り替えスイッチＳＷ１１が導通する。さらに、電圧制限回路２１のスイッチＳＷ１４が導通する。その他のスイッチは導通しない。

次に、上記の設定条件で出力電流Ｉｏが１００μＡ以下の場合について説明する。この場合、出力電流Ｉｏは、出力端子Ｌｏからシャント抵抗ＲＳ３とシャント抵抗切り替えスイッチＳＷ３３と通って、コモンＣＯＭに流れる。また、シャント抵抗ＲＳ３の両端に発生した電圧ＶＭ１は、バッファアンプＡ５、出力電流測定用検出信号切り替えスイッチＳＷ３２を通して出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７に伝送される。これにより、シャント抵抗ＲＳ３の両端に発生した電圧ＶＭ１が出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７から出力される。

一方、出力電流制限レンジは１０ｍＡレンジ（シャント抵抗ＲＳ１）である。ここで、出力電流Ｉｏは１００μＡ以下であるので、出力電圧Ｖｏである端子電圧ＶＡは１Ｖ以下となる。この場合、端子電圧ＶＡが１．２Ｖ以下であるので、演算増幅器Ａ１１，Ａ１２は、それぞれトランジスタＱ１１，Ｑ１２を逆バイアスしてＯＦＦ状態にする。このため、シャント抵抗ＲＳ１には出力電流Ｉｏは流れない。したがって、電圧ＶＬは０になる。

次に、出力電流Ｉｏが１２０μＡより大きく、５ｍＡより小さい場合について説明する。この場合、出力電流Ｉｏが増えると、端子電圧ＶＡが上昇する。ここで、端子電圧ＶＡは、出力電流Ｉｏが１２０μＡより大きいので、１．２Ｖ以上となる。端子電圧ＶＡが１．２Ｖを超えると、シャント抵抗ＲＳ１の電圧制限回路２１が動作する。即ち、演算増幅器Ａ１１がトランジスタＱ１１を順バイアスする。トランジスタＱ１１が順バイアスされると、バッファアンプＡ５→演算増幅器Ａ１１→トランジスタＱ１１→ダイオードＤ１２の負帰還回路が形成される。これにより、端子電圧ＶＡの値が１．２Ｖを超えないように、出力電流Ｉｏが流れる。この出力電流Ｉｏは、シャント抵抗ＲＳ１に流れるため、電圧ＶＬが上昇する。シャント抵抗ＲＳ１の両端に発生した電圧ＶＬは、バッファアンプＡ５、出力電流制限用検出信号切り替えスイッチＳＷ１１を通って、出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６に伝送される。これにより、シャント抵抗ＲＳ１の両端に発生した電圧ＶＬが出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６から出力される。

ここで、電圧ＶＬはＶＬ＝（出力電流Ｉｏ−１２０μＡ）×ＲＳ１となる。ここで、１２０μＡは、測定用シャント抵抗に流れる電流を示す。上記の出力電流Ｉｏが５ｍＡより小さい場合は、出力制限電圧＋Ｖｌｉｍの０．４８８Ｖまで到達しない。このため、出力電流Ｉｏの制限は掛からず、出力電圧Ｖｏは保持される。

次に、出力電流Ｉｏが５ｍＡを超えた場合について説明する。この場合、電圧ＶＬは、ＶＬ＝（出力電流Ｉｏ−１２０μＡ）×ＲＳ１＝４．８８ｍＡ×１００Ω＝０．４８８Ｖとなり出力制限電圧＋Ｖｌｉｍの設定値である０．４８８Ｖに到達する。このため、ダイオードＤ１が順方向にバイアスされ導通状態となる。ダイオードＤ１が導通することにより、演算増幅器Ａ１の−入力端子に印加される電圧は演算増幅器Ａ２から出力される電圧が支配的となる。そして、電圧発生器１は、演算増幅器Ａ１から出力される出力電圧Ｖｏの電圧を降下させる。これにより、出力電流Ｉｏが制限される。

以上、本実施の形態によれば、電圧制限回路２１、２２により、出力電流Ｉｏが測定用シャント抵抗ＲＳ３の測定設定レンジを超えない場合、制限用シャント抵抗ＲＳ１に出力電流Ｉｏを流さず、出力電流Ｉｏが測定用シャント抵抗ＲＳ３の測定設定レンジを超えた場合、測定用シャント抵抗ＲＳ３に流れる出力電流Ｉｏを測定設定レンジの上限値に保ったまま、出力電流Ｉｏを分流させて制限用シャント抵抗ＲＳ１に流させることができる。これにより、出力電流の測定レンジの設定と出力電流の制限レンジの設定とを別々に行うことができる。

また、出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６により検出された電圧ＶＬが、算出された出力制限電圧＋Ｖｌｉｍ（−Ｖｌｉｍ）を超えた場合、当該出力電流制限用電流検出差動アンプＡ６により検出された電圧ＶＬを演算増幅器Ａ１に帰還させることができる。これにより、出力電流Ｉｏが制限設定値を超えないように制御することができる。

また、負荷ＬＯＡＤの他端の端子電圧ＶＡが制限電圧ＶＣｘ、あるいは−ＶＣｘを超えないようにトランジスタＱ１１、あるいはＱ１２を制御することができる。

（変形例）
図２を参照して、本発明に係る実施の形態の変形例を説明する。図２の電圧発生器１Ａは、図１の電圧発生器１の変形例に該当する。以下、図１の電圧発生器１と同様な部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を援用し、異なる部分について説明する。

図２に、電圧発生器１Ａを示す。電圧発生器１Ａは、比較回路２１、２２、２３を備える。以下、比較回路２１を代表して説明する。比較回路２１は、可変抵抗Ｒｃ１と、第４の演算増幅器としての演算増幅器Ａ３１と、制限電圧ＶＣ３１と、を備えて構成される。

演算増幅器Ａ３１は、出力端が可変抵抗Ｒｃ１に接続され、端子電圧ＶＡが制限電圧Ｖ３１を超えないように、可変抵抗Ｒｃ１の抵抗値を制御する。具体的に演算増幅器Ａ３１は、＋入力端子に制限電圧ＶＣ３１が印加される。また、−入力端子に端子電圧ＶＡが印加される。演算増幅器Ａ３１は、印加された端子電圧ＶＡが、制限電圧ＶＣ３１を超えた場合、可変抵抗Ｒｃ１の抵抗値を変化させる。例えば、端子電圧ＶＡが制限電圧ＶＣ３１よりも大きくなった場合、可変抵抗Ｒｃ１の抵抗値を小さくして、制限電圧ＶＣ３１になるように制御する。

次に、電圧発生器１Ａの動作について説明する。以下、上述の実施の形態と同様に、出力電流Ｉｏの測定設定レンジを１００μＡレンジ、出力電流Ｉｏの電流制限値を５ｍＡ、制限電圧ＶＣ３１を１．２Ｖに設定した場合の電圧発生器１Ａの回路動作を説明する。本変形例の説明では、上述の実施の形態と異なる部分を主として説明する。

ユーザにより図示しない操作部を介して出力電流測定レンジが１００μＡに設定されるので、シャント抵抗ＲＳ３が測定用シャント抵抗として選択される。また、出力電流測定用検出信号切り替えスイッチＳＷ３２、出力電流測定用検出信号切り替えスイッチＳＷ３３が導通する。このとき、可変抵抗Ｒｃ３は高抵抗に固定しておく。そして、シャント抵抗ＲＳ３の両端に発生した電圧ＶＭ１が出力電流測定用電流検出差動アンプＡ７に伝送される。

また、ユーザにより図示しない操作部を介して出力電流Ｉｏの電流制限値が５ｍＡに設定されるので、シャント抵抗ＲＳ１が制限用シャント抵抗として選択される。また、出力電流制限用検出信号切り替えスイッチＳＷ１１が導通する。その他のスイッチは導通しない。

ここで、出力電流Ｉｏが増えて、端子電圧ＶＡが、制限電圧Ｖ３１（１．２Ｖ）よりも大きくなった場合、演算増幅器Ａ３１は、可変抵抗Ｒｃ１の抵抗値を小さくする。これにより、端子電圧ＶＡが制限電圧Ｖ３１（１．２Ｖ）になるように制御される。可変抵抗Ｒｃ１の抵抗値が変化すると（即ち、端子電圧ＶＡが制限電圧Ｖ３１を超えると）、出力電流Ｉｏがシャント抵抗ＲＳ１に流れる。シャント抵抗ＲＳ１に出力電流Ｉｏが流れることにより、シャント抵抗ＲＳ１の両端には電圧ＶＬを生じる。そして、当該電圧ＶＬは、出力電流制限用電流検出作動アンプＡ６に伝送される。

以上、本変形例によれば、負荷ＬＯＡＤの他端の端子電圧ＶＡが制限電圧ＶＣ３１を超えないように、可変抵抗Ｒｃ１の抵抗値を制御することができる。

なお、上記実施の形態における記述は、本発明に係る電圧発生器の一例であり、これに限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態及び実施の形態の変形例では、演算増幅器Ａ２、Ａ３と、ダイオードＤ１、Ｄ２を設ける構成としたが、出力電圧Ｖｏを両極性とせずに片方の極性のみであれば、演算増幅器Ａ３とダイオードＤ２（または演算増幅器Ａ２とダイオードＤ１）は設けない構成としてもよい。

また、上記実施の形態の変形例では、出力電流制限・測定回路部１０Ａを可変抵抗Ｒｃ１、Ｒｃ２、Ｒｃ３を備える構成としたが、可変抵抗Ｒｃ１、Ｒｃ２、Ｒｃ３をＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やトランジスタなどの電圧で電流を制御できる素子としてもよい。

その他、本実施の形態における電圧発生器１の細部構造及び詳細動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る電圧発生器１を示す。 本発明に係る電圧発生器１Ａを示す。 従来の電圧発生器４０の回路図を示す。 従来の電圧発生器５０の回路図を示す。

符号の説明

１ 電圧発生器
１０ 出力電流測定・制限回路部
１０Ａ 出力電流制限・測定回路部
２１，２２ 電圧制限回路
４０，５０ 電圧発生器
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ１１，Ａ１２，Ａ３１ 演算増幅器
Ａ６ 出力電流制限用電流検出差動アンプ
Ａ７ 出力電流測定用電流検出差動アンプ
ＣＯＭ コモン
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ１３，Ｄ１４ ダイオード
Ｈｉ，Ｌｏ 出力端子
Ｉｏ 出力電流
ＬＯＡＤ 負荷
Ｑ１１，Ｑ１２トランジスタ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１〜Ｒ１８ 抵抗
Ｒｃ１，Ｒｃ２，Ｒｃ３ 可変抵抗
ＲＳ１，ＲＳ２，Ｒｓ３ シャント抵抗
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３ シャント抵抗切り替えスイッチ
ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ３１ 出力電流制限用検出信号切り替えスイッチ
ＳＷ１２，ＳＷ２２，ＳＷ３２ 出力電流測定用検出信号切り替えスイッチ
Ｖ１ 電圧源
ＶＣ１，ＶＣ３１，ＶＣ３２，ＶＣ３３ 制限電圧
ＶＬ 出力電流制限用電圧
Ｖｌｉｍ 出力制限電圧
ＶＭ 電圧計
ＶＭ１ 出力電流測定用電圧
Ｖｏ 出力電圧
ＶＡ 端子電圧

Claims (4)

1. 一定電圧を出力する電圧源と、
   出力端が負荷の一端側に接続され、前記電圧源からの一定電圧を増幅した電圧に基づいて前記負荷に流れる出力電流を制御する第１の演算増幅器と、
   前記出力電流を測定するための測定用シャント抵抗と、
   前記測定用シャント抵抗と並列に設けられる制限用シャント抵抗と、
   前記出力電流が前記測定用シャント抵抗の測定設定レンジを超えない場合、前記制限用シャント抵抗に前記出力電流を流さず、前記出力電流が前記測定用シャント抵抗の測定設定レンジを超えた場合、前記測定用シャント抵抗に流れる出力電流を前記測定設定レンジの上限値に保ったまま、前記出力電流を分流させて前記制限用シャント抵抗に流させる比較回路と、
   前記制限用シャント抵抗の端子電圧を検出する検出アンプと、
   前記検出アンプにより検出された端子電圧を帰還する帰還回路と、
   を備えることを特徴とする電圧発生器。
2. 前記帰還回路は、
   前記検出アンプにより検出された端子電圧と前記出力電流の制限設定値に基づいて算出された出力制限電圧とを比較する第２の演算増幅器を備え、
   前記第２の演算増幅器は、
   前記検出アンプにより検出された端子電圧が前記出力電流の制限設定値に基づいて算出された出力制限電圧を超えた場合、当該検出アンプにより検出された端子電圧を前記第１の演算増幅器に帰還させることを特徴とする請求項１に記載の電圧発生器。
3. 前記比較回路は、
   出力端が半導体スイッチ素子に接続され、前記負荷の他端の端子電圧が、当該端子電圧を制限する制限電圧を超えないように前記半導体スイッチ素子を制御する第３の演算増幅器を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧発生器。
4. 前記比較回路は、
   出力端が可変抵抗に接続され、前記負荷の他端の端子電圧が、当該端子電圧を制限する制限電圧を超えないように前記可変抵抗を制御する第４の演算増幅器を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧発生器。
   
   
   

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