JP2010278489A

JP2010278489A - 非反転増幅回路、及び測定機

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Publication number: JP2010278489A
Application number: JP2009126046A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Kanematsu; 敏裕金松
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: JP5331572B2

Abstract

【課題】予め入力オフセット電圧を把握することなく、入力オフセット電圧を利得に応じて増幅させないようにすることができるとともに、温度補償をすることができる非反転増幅回路の提供。
【解決手段】非反転増幅回路２は、アンプ部３と、ボルテージフォロワ部４とを備える。アンプ部３は、負帰還部を有するオペアンプ３１と、オペアンプ３１の負帰還部に接続される帰還抵抗３２と、オペアンプ３１の反転入力端子に一端が接続される入力抵抗３３とを備える。ボルテージフォロワ部４は、負帰還部を有するオペアンプ４１を備える。オペアンプ４１は、非反転入力端子が接地されるとともに、出力端子がアンプ部３の入力抵抗３３の他端に接続されている。さらに、オペアンプ３１、及びオペアンプ４１は、同一パッケージ内のオペアンプである。
【選択図】図１

Description

本発明は、非反転増幅回路、及び測定機に関する。

従来、入力される信号を増幅する増幅回路を備える測定機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の抵抗測定装置（測定機）は、オペアンプと、入力抵抗と、並列に接続された複数の帰還抵抗と、各帰還抵抗の接続を切り替える抵抗切替回路とを備える反転増幅回路を備え、反転増幅回路の利得を切り替えることで測定レンジを切り替えている。

図４は、測定レンジを切り替えることができる測定機の一例を示す図である。
測定機９は、図４に示すように、入力される信号を増幅する２つの非反転増幅回路９１と、各非反転増幅回路９１にて増幅された信号をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤコンバータ９２とを備える。
各非反転増幅回路９１は、負帰還部を有するオペアンプ９１１と、オペアンプ９１１の負帰還部に接続される帰還抵抗９１２と、オペアンプ９１１の反転入力端子に一端が接続されるとともに、他端が接地される入力抵抗９１３とを備え、オペアンプ９１１の非反転入力端子に入力される信号を増幅して出力する。なお、各非反転増幅回路９１は、それぞれ異なる利得で入力される信号を増幅する。また、非反転増幅回路９１の利得は、帰還抵抗９１２、及び入力抵抗９１３の抵抗値によって定まる。
ＡＤコンバータ９２は、各非反転増幅回路９１にて増幅された信号のうち、いずれか一方の信号をＡＤ変換する。すなわち、測定機９は、各非反転増幅回路９１にて増幅された信号を選択することで測定レンジを切り替える。

ここで、ＡＤコンバータ９２の分解能は一定であるので、利得の大きい非反転増幅回路９１にて増幅された信号をＡＤ変換すれば測定機９の分解能は向上する。
しかしながら、利得の大きい非反転増幅回路９１にて信号を増幅すると、オペアンプ９１１の有する入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣも利得に応じて増幅され、出力オフセット電圧ＶｏＤＣとなるので、測定機９の測定精度が低下するという問題がある。

また、利得の小さい非反転増幅回路９１にて信号を増幅した場合と、利得の大きい非反転増幅回路９１にて信号を増幅した場合とで出力オフセット電圧ＶｏＤＣが異なるという問題がある。
例えば、各非反転増幅回路９１の利得を１倍、及び１００倍とし、各オペアンプ９１１の有する入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣを１ｍＶとし、ＡＤコンバータ９２の入力電圧の範囲を３Ｖ、分解能を１６ビットとする。

この場合において、１倍の利得の非反転増幅回路９１にて入力される信号を増幅すると、出力オフセット電圧ＶｏＤＣは１ｍＶとなる。ここで、ＡＤコンバータ９２の分解能は、０．０４５７ｍＶ／ＬＳＢであり、フルスケールは、６５５３５ＬＢＳである。したがって、出力オフセット電圧ＶｏＤＣは、約２１．８ＬＳＢに相当し、ＡＤコンバータ９２の約０．０３％が機能しない状態となる。
また、１００倍の利得の非反転増幅回路９１にて入力される信号を増幅すると、出力オフセット電圧ＶｏＤＣは１００ｍＶとなる。したがって、出力オフセット電圧ＶｏＤＣは、約２１８４ＬＳＢに相当し、ＡＤコンバータ９２の約３．３％が機能しない状態となる。
このため、各非反転増幅回路９１の出力オフセット電圧ＶｏＤＣは略同一であることが望ましい。

これに対して、入力オフセット電圧を調整することができるオペアンプが知られている。しかしながら、このようなオペアンプは、１つのパッケージに１つのオペアンプが実装されているので、複数のオペアンプを備える増幅回路では実装面積が大きくなるという問題がある。また、各オペアンプの入力オフセット電圧を調整する必要があるので、調整に手間がかかるという問題がある。
さらに、オーディオ回路では、入力オフセット電圧を除去するためにコンデンサカップリングや、ＤＣ（Direct Current）サーボ回路を採用している。しかしながら、直流信号、及び交流信号を測定する測定機には採用することができないという問題がある。

図５は、非反転増幅回路９１を示す図である。
次に、非反転増幅回路９１の動作原理に基づいて、各非反転増幅回路９１の出力オフセット電圧ＶｏＤＣを略同一にする構成を検討する。
図５に示すように、帰還抵抗９１２の抵抗値をＲ１とし、入力抵抗９１３の抵抗値をＲ２とすると、非反転増幅回路９１の利得Ｇｖは、以下の式（１）で表される。

また、オペアンプ９１１の非反転入力端子に入力される信号をＶｉｎとすると、オペアンプ９１１の仮想接地点の電圧Ｖｉｓは、以下の式（２）で表される。

したがって、オペアンプ９１１から出力される信号の電圧Ｖｏｕｔは、式（１），（２）に基づいて、以下の式（３）で表される。

ここで、入力抵抗９１３に流れる電流をＩｆ（＝（Ｖｉｎ＋ＶｉｎＤＣ）／Ｒ２）とすると、帰還抵抗９１２、及び入力抵抗９１３に流れる電流は等しいので、オペアンプ９１１から出力される信号の電圧Ｖｏｕｔは、帰還抵抗９１２の両端に発生する電圧（Ｉｆ・Ｒ１）に仮想接地点の電圧Ｖｉｓを加えたものである。すなわち、入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣは、入力抵抗９１３にて電流に変換され、帰還抵抗９１２にて増幅される。

図６は、電圧Ｖｏｆｓを入力抵抗９１３の他端に印加したときの非反転増幅回路９１を示す図である。
入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣを利得に応じて増幅させないようにするには、図６に示すように、入力抵抗９１３の両端に発生する電圧が０となるように、入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣと略同一の電圧Ｖｏｆｓを入力抵抗９１３の他端に印加すればよい。
具体的に、電圧Ｖｏｆｓを入力抵抗９１３の他端に印加したときの入力抵抗９１３に流れる電流Ｉｆは、以下の式（４）で表される。

したがって、オペアンプ９１１から出力される信号の電圧Ｖｏｕｔは、以下の式（５）で表される。

ここで、ＶｉｎＤＣ＝Ｖｏｆｓであるので、式（５）は、以下の式（６）で表される。

すなわち、入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣを利得に応じて増幅させないようにすることができる。

特開２００８−１３９２２４号公報

しかしながら、Ｖｏｆｓを印加するためには、予め入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣを把握しておく必要があるという問題がある。また、入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣには、温度依存性があるので、温度補償をするための回路設計が複雑化するという問題がある。

本発明の目的は、予め入力オフセット電圧を把握することなく、入力オフセット電圧を利得に応じて増幅させないようにすることができるとともに、温度補償をすることができる非反転増幅回路、及び測定機を提供することにある。

本発明の非反転増幅回路は、負帰還部を有する第１のオペアンプと、前記負帰還部に接続される帰還抵抗と、前記第１のオペアンプの反転入力端子に一端が接続される入力抵抗とを備え、前記第１のオペアンプの非反転入力端子に入力される信号を増幅して出力する非反転増幅回路であって、負帰還部を有する第２のオペアンプを備え、前記第２のオペアンプは、非反転入力端子が接地されるとともに、出力端子が前記入力抵抗の他端に接続され、前記第１のオペアンプ、及び前記第２のオペアンプは、同一パッケージ内のオペアンプとされることを特徴とする。

このような構成によれば、第２のオペアンプは、負帰還部を有し、非反転入力端子が接地されるので、ボルテージフォロワ回路を構成し、第２のオペアンプにおける入力オフセット電圧を出力する。また、第２のオペアンプの出力端子は、入力抵抗の他端に接続されるので、入力抵抗の他端には、第２のオペアンプにおける入力オフセット電圧が印加される。そして、第１のオペアンプ、及び第２のオペアンプは、同一パッケージ内のオペアンプとされるので、各オペアンプの入力オフセット電圧は略同一である。

したがって、非反転増幅回路は、予め入力オフセット電圧を把握することなく、入力オフセット電圧を利得に応じて増幅させないようにすることができるとともに、温度補償をすることができる。
また、非反転増幅回路は、第２のオペアンプにおける入力オフセット電圧を入力抵抗の他端に印加することで入力オフセット電圧を除去しているので、各オペアンプの入力オフセット電圧を調整する必要がなく、直流信号、及び交流信号を測定する測定機であっても採用することができる。

本発明の測定機は、前述した非反転増幅回路を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、非反転増幅回路は、入力オフセット電圧を利得に応じて増幅させないようにすることができるので、測定機は、測定精度を向上させることができる。
また、非反転増幅回路は、入力オフセット電圧を利得に応じて増幅させないようにすることができるので、測定レンジを切り替えることができる測定機において、利得の異なる非反転増幅回路にて信号を増幅する場合であっても出力オフセット電圧を略同一とすることができる。
さらに、第１のオペアンプ、及び第２のオペアンプは、同一パッケージ内のオペアンプとされるので、測定レンジを切り替えることができる測定機において、非反転増幅回路の実装面積を小さくすることができる。

本発明の第１実施形態に係る測定機における非反転増幅回路を示す図。本発明の第２実施形態に係る測定機における非反転増幅回路を示す図。本発明の第３実施形態に係る測定機における非反転増幅回路を示す図。測定レンジを切り替えることができる測定機の一例を示す図。非反転増幅回路を示す図。電圧を入力抵抗の他端に印加したときの非反転増幅回路を示す図。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る測定機１における非反転増幅回路２を示す図である。
測定機１は、図１に示すように、非反転増幅回路２を備え、非反転増幅回路２は、アンプ部３と、ボルテージフォロワ部４とを備える。

アンプ部３は、負帰還部を有するオペアンプ３１（第１のオペアンプ）と、オペアンプ３１の負帰還部に接続される帰還抵抗３２と、オペアンプ３１の反転入力端子に一端が接続される入力抵抗３３とを備え、オペアンプ３１の非反転入力端子に入力される信号を増幅して出力する。
ボルテージフォロワ部４は、負帰還部を有するオペアンプ４１（第２のオペアンプ）を備える。
オペアンプ４１は、非反転入力端子が接地されるとともに、出力端子がアンプ部３の入力抵抗３３の他端に接続されている。すなわち、ボルテージフォロワ部４は、オペアンプ４１の入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ２を出力する。
さらに、オペアンプ３１、及びオペアンプ４１は、同一パッケージ内のオペアンプであり、各オペアンプ３１，４１の入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ１，ＶｉｎＤＣ２は略同一である。

以下、オペアンプ３１の非反転入力端子に入力される信号をＶｉｎ、オペアンプ３１から出力される信号の電圧をＶｏｕｔ、入力抵抗３３の他端に印加される電圧をＶｏｆｓとし、帰還抵抗３２の抵抗値をＲ１、入力抵抗３３の抵抗値をＲ２として説明する。
前述した式（５）に基づいて、オペアンプ３１から出力される信号の電圧Ｖｏｕｔは、以下の式（７）で表される。

ここで、Ｖｏｆｓ＝ＶｉｎＤＣ２であるので、前述した式（７）は、以下の式（８）で表される。

さらに、ＶｉｎＤＣ１、及びＶｉｎＤＣ２は略同一であるので、ＶｉｎＤＣ１＝ＶｉｎＤＣ２とすれば、前述した式（８）は、以下の式（９）で表される。

すなわち、入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ１を利得に応じて増幅させないようにすることができる。

本実施形態に係る測定機１によれば、次のような効果がある。
（１）入力抵抗３３の他端には、オペアンプ４１における入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ２が印加され、オペアンプ３１、及びオペアンプ４１は、同一パッケージ内のオペアンプとされるので、非反転増幅回路２は、予め入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ１を把握することなく、入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ１を利得に応じて増幅させないようにすることができるとともに、温度補償をすることができる。

（２）非反転増幅回路２は、オペアンプ４１における入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ２を入力抵抗３３の他端に印加することで入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ１を除去しているので、オペアンプ３１の入力オフセット電圧を調整する必要がなく、直流信号、及び交流信号を測定する測定機であっても採用することができる。
（３）非反転増幅回路２は、入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ１を利得に応じて増幅させないようにすることができるので、測定機１は、測定精度を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の第２実施形態に係る測定機１Ａにおける非反転増幅回路２Ａを示す図である。
なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
前記第１実施形態では、測定機１は、非反転増幅回路２を備え、非反転増幅回路２は、アンプ部３と、ボルテージフォロワ部４とを備えていた。これに対して、本実施形態では、測定機１Ａは、測定レンジを切り替えることができる測定機であり、図２に示すように、非反転増幅回路２Ａを備え、非反転増幅回路２Ａは、３つのアンプ部３と、ボルテージフォロワ部４とを備えている点で異なる。

また、各オペアンプ３１、及びオペアンプ４１は、同一パッケージ内のオペアンプであり、各オペアンプ３１，４１の入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ１〜ＶｉｎＤＣ４は略同一である。
なお、各アンプ部３は、それぞれ異なる利得で入力される信号を増幅する。また、各アンプ部３の利得は、帰還抵抗３２、及び入力抵抗３３の抵抗値Ｒ１〜Ｒ６によって定まる。

このような本実施形態においても、前記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（４）非反転増幅回路２Ａは、入力オフセット電圧ＶｉｎＤＣ１〜ＶｉｎＤＣ３を利得に応じて増幅させないようにすることができるので、測定レンジを切り替えることができる測定機１Ａにおいて、利得の異なる各アンプ部３にて信号を増幅する場合であっても出力オフセット電圧を略同一とすることができる。
（５）オペアンプ３１、及びオペアンプ４１は、同一パッケージ内のオペアンプとされるので、測定レンジを切り替えることができる測定機１Ａにおいて、非反転増幅回路２Ａの実装面積を小さくすることができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態を図面に基づいて説明する。
図３は、本発明の第３実施形態に係る測定機１Ｂにおける非反転増幅回路２Ｂを示す図である。
前記第２実施形態では、非反転増幅回路２Ａは、３つのアンプ部３と、ボルテージフォロワ部４とを備えていた。これに対して、本実施形態では、測定機１Ｂは、図３に示すように、非反転増幅回路２Ｂを備え、非反転増幅回路２Ｂは、アンプ部３Ｂと、ボルテージフォロワ部４とを備えている点で異なる。

アンプ部３Ｂは、負帰還部を有するオペアンプ３１と、オペアンプ３１の負帰還部、及びオペアンプ４１の出力端子の間に直列に接続される３つの抵抗３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃと、各抵抗３４Ａ〜３４Ｃのオペアンプ３１への接続を切り替える３つのスイッチ３５（３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ）とを備え、オペアンプ３１の非反転入力端子に入力される信号を増幅して出力する。
そして、アンプ部３Ｂは、スイッチ３５の接続を切り替えることで利得を切り替える。すなわち、本実施形態では、各抵抗３４Ａ〜３４Ｃは、帰還抵抗、または入力抵抗として機能する。

このような本実施形態においても、前記第２実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、非反転増幅回路２，２Ａ，２Ｂは、測定機１，１Ａ，１Ｂに実装されていたが、オーディオ機器などに実装されていてもよい。

本発明は、非反転増幅回路、及び測定機に利用でき、特に測定レンジを切り替えることができる測定機に好適に利用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ…測定機
２，２Ａ，２Ｂ…非反転増幅回路
３１…オペアンプ（第１のオペアンプ）
３２…帰還抵抗
３３…入力抵抗
３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ…抵抗（帰還抵抗、または入力抵抗）
４１…オペアンプ（第２のオペアンプ）

Claims

負帰還部を有する第１のオペアンプと、前記負帰還部に接続される帰還抵抗と、前記第１のオペアンプの反転入力端子に一端が接続される入力抵抗とを備え、前記第１のオペアンプの非反転入力端子に入力される信号を増幅して出力する非反転増幅回路であって、
負帰還部を有する第２のオペアンプを備え、
前記第２のオペアンプは、非反転入力端子が接地されるとともに、出力端子が前記入力抵抗の他端に接続され、
前記第１のオペアンプ、及び前記第２のオペアンプは、同一パッケージ内のオペアンプとされることを特徴とする非反転増幅回路。
請求項１に記載の非反転増幅回路を備えることを特徴とする測定機。