JP2012129698A

JP2012129698A - 負荷効果低減回路

Info

Publication number: JP2012129698A
Application number: JP2010277947A
Authority: JP
Inventors: Seitaro Kon; 盛太郎昆
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】増幅器の出力に負荷が接続された場合、その増幅器の出力段が持つ出力インピーダンスと接続した負荷によって、出力が理想値からずれる。本発明はこの負荷効果による出力のずれを自動的に補正する負荷効果低減回路を提供することを課題とする。
【解決手段】増幅器の出力部と負荷との節点に設けられ、増幅器の入力電圧と出力電圧の差電圧に応じた電流を自動的に負荷に供給することを特徴とする負荷効果低減回路により解決される。上記回路は、増幅器の入力電圧及び上記節点の電圧を入力とする差動アンプと、該差動アンプの出力電圧と該節点の電圧とを加算する加算器と、該加算器の出力を入力とし該節点に電流として出力する電圧−電流変換回路とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、負荷効果低減回路に関するものである。

電源回路の開発や電圧及びインピーダンスの精密測定等を行う場合、信号源やバッファアンプ等、なんらかの出力機能を有する電気・電子機器に負荷を接続して使用することが多々ある。例えば、精密電圧測定においてはこれら電気・電子機器と入力インピーダンスを有する測定器を接続した場合、これら機器が有する出力インピーダンスと負荷（計測器のインピーダンス）による電圧変動を考慮しなければならないし、電源から負荷に電力を供給する場合には、負荷の両端の電位差を一定に保ちたいという要望がある。

図６の概念図を用いて従来の問題点を説明する。
出力機能を有する電気・電子機器における増幅器に負荷Ｚ_Ｌを接続した場合、増幅器の出力インピーダンスＺ_０と負荷Ｚ_Ｌによって分圧器が構成されるため、理想状態（Ｚ_０＝０）と比較してＢ点の電位が低下する。
すなわち、増幅器の出力に負荷が接続された場合、その増幅器の出力段が持つ出力インピーダンスと接続した負荷による負荷効果によって、出力が理想値からずれる。
このような問題点に対して特許文献１及び特許文献２では、負性インピーダンス回路を用いることで対応しているが、回路規模が大きくなりまた自動補正の構成ではない欠点がある。

特開２００７−１２２６０５号公報特開２００８−２８６５５１号公報

本発明は、この負荷効果による出力のずれを自動的に補正する負荷効果低減回路を提供することを課題とする。

上記の課題は、以下の負荷効果低減回路によって解決される。
（１）増幅器の出力部と負荷との節点に設けられ、増幅器の入力電圧と出力電圧の差電圧に応じた電流を自動的に負荷に供給することを特徴とする負荷効果低減回路。
（２）上記負荷効果低減回路は、増幅器の入力電圧及び上記節点の電圧を入力とする差動アンプと、該差動アンプの出力電圧と該節点の電圧とを加算する加算器と、該加算器の出力を入力とし該節点に電流として出力する電圧−電流変換回路とを含むことを特徴とする（１）に記載の負荷効果低減回路。
（３）上記差動アンプと上記加算器との間にボルテージフォロワを結合したことを特徴とする（２）に記載の負荷効果低減回路。
（４）上記増幅器は、バッファアンプであることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の負荷効果低減回路。

本発明によれば、負荷効果低減回路を負荷と共に所望の電子回路に接続することで、負荷効果による電圧降下を抑制することができる。

本発明に係る負荷効果低減回路の概念図負荷効果低減回路のブロック図負荷効果低減回路の回路図本発明に係る負荷効果低減回路の検証結果本発明に係る負荷効果低減回路の検証結果従来の回路の概念図

（本発明の原理）
負荷による電圧降下を自動的に補償するためには、増幅器から負荷に流れる電流を別の回路を用いて自動的に供給すればよい。
この時、増幅器の出力電流i_oが０になるように負荷効果低減回路から電流を供給すれば、i_c≒i_Lとなり出力インピーダンスと負荷による電圧降下は生じない。
本発明に係る負荷効果低減回路（ＬＥＲ回路）の概念図を図１に示す。

次に本発明に係る負荷効果低減回路のブロック図を図２に示す。
負荷効果低減回路は、増幅器の入力電圧及び上記節点の電圧を入力とする差動アンプと、該差動アンプの出力電圧と該節点の電圧とを加算する加算器と、該加算器の出力を入力とし該節点に電流として出力する電圧−電流変換回路とを含む。
この負荷効果低減回路では、差動アンプで入力と出力の差電圧を検出し、これと出力電圧を加算器で加えて電流に変換し、負荷に供給する。すると出力端の電位が変化するため、フィードバック制御によって入力と出力の差電圧が理想値（例えば０）になるまで自動的に同じ工程が繰り返される。

（実施例）
図３に、本発明に係る負荷効果低減回路の一実施例を示す。図３に示す負荷効果低減回路は、基本電子回路を組み合わせることで容易に実現可能である。
まず、差動アンプ（例えば計装アンプ）で２点の電位差を検出し、その電圧をカスケード接続した反転増幅器で所望の大きさに増幅する。さらにこの電圧と出力端の電圧を加算回路で足し合わせるが、ここで出力端の電圧はボルテージフォロワを追加しハイインピーダンスで受けている。これは後段の電圧−電流変換回路から供給する電流が負荷以外に流れないようにするためである。
加算された電圧は適切な電流に変換され負荷に供給されるが、この時Ｂ点の電位が変化する。すると初段の２点間の電位差が変化するため、同じ動作が繰り返され、この電位差が所望の値になるまで電流が自動調整される。

図４、図５に本発明の検証結果を示す。
図４は、測定電圧の同相成分（in-phase）、図５は、測定電圧の直角相成分（Quadrature）をそれぞれ表わしている。
電気・電子回路機器の増幅器にはバッファアンプ、負荷には標準抵抗器（１kΩ）を使用し、バッファアンプへの入力電圧は1Vrmsとして本発明の効果を検証した。図４、５の縦軸はＡ点とＢ点の差電圧、横軸は周波数を表わしている。

バッファアンプの理想動作は入力電圧（Ａ点の電圧）＝出力電圧（Ｂ点の電圧）である。すなわち図４、５において０を示すことが望ましい。
図中（×）は使用したバッファアンプの負荷なし時の周波数特性を示している。数kHz以下の周波数帯域においてはほぼ０を示していることがわかる。次に（●）はバッファアンプに１kΩの負荷を接続した時の結果である。このとき、負荷なし（×）と比較して、およそ12μV程度のずれが生じていることがわかる。これが出力インピーダンスと負荷による電圧降下である。

次に、負荷を接続した状態のバッファアンプにさらに本発明に係る負荷効果低減回路を接続すると、（○）の結果が得られる。（○）と（×）は非常に高い精度で一致している。
これにより本発明の負荷効果低減回路を用いることで、増幅器の出力インピーダンスと負荷による電圧降下を自動補償することが可能であることが確認された。

なお、上記の実施例は、あくまでも本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこの実施例に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形、他の態様は、当然本発明に包含されるものである。
例えば実施例では増幅器としてバッファアンプを例示して説明したが、本発明はこれに限らず、差動アンプ等の増幅器であってもよい。

Claims

増幅器の出力部と負荷との節点に設けられ、増幅器の入力電圧と出力電圧の差電圧に応じた電流を自動的に負荷に供給することを特徴とする負荷効果低減回路。
上記負荷効果低減回路は、増幅器の入力電圧及び上記節点の電圧を入力とする差動アンプと、該差動アンプの出力電圧と該節点の電圧とを加算する加算器と、該加算器の出力を入力とし該節点に電流として出力する電圧−電流変換回路とを含むことを特徴とする請求項１に記載の負荷効果低減回路。
上記差動アンプと上記加算器との間にボルテージフォロワを結合したことを特徴とする請求項２に記載の負荷効果低減回路。
上記増幅器は、バッファアンプであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の負荷効果低減回路。