JP2014207644A - 差動増幅器および漏電遮断器 - Google Patents

差動増幅器および漏電遮断器 Download PDF

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Abstract

【課題】漏電遮断器における零相変流器の出力電流を検出するに好適な差動増幅器を提供する。
【解決手段】対をなして与えられる電圧を差動増幅する差動回路部と、この差動回路部の出力を増幅して出力する利得回路部と、前記差動回路部と一対の入力端子との間に介装されて該一対の入力端子間に印加される入力電圧のオフセット電圧を調整して前記差動回路部に与えるオフセット電圧調整回路部とを備える。前記オフセット電圧調整回路部は、一対のMOS-FETからなる差動対と該差動対の負荷をなすMOS-FETとの間に介装されて前記差動対に電圧オフセットを与える抵抗素子とからなる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、漏電遮断器における零相変流器の出力電流を検出するに好適な差動増幅器、およびこの差動増幅器を備えて構成される漏電遮断器に関する。
漏電遮断器1は、例えば図5に示すように、トランスTを介して交流電源Vacが給電される交流電源ラインに介装された遮断スイッチ2と、この遮断スイッチ2の交流電源出力ラインに介装された零相変流器(ZCT)3を備える。また前記漏電遮断器1は、前記零相変流器3を介して検出される電流を増幅する差動増幅器4と、この差動増幅器4の出力電圧を監視して前記交流電源出力ライン側における漏電を検出する制御部5とを備える。前記制御部5は、前記差動増幅器4の出力電圧が高くなったとき(前記零相変流器3の出力電流が大きくなったとき)、前記交流電源出力ライン側に漏電が生じていると判定する。そして前記制御部5は漏電を検出したとき、前記遮断スイッチ2を遮断駆動し、これによって前記交流電源Vacの入力を遮断する(例えば特許文献1を参照)。
図6は従来一般的な前記差動増幅器4の構成を示している。この差動増幅器4は、一対の電圧入力端子に加えられる電圧Vin1,Vin2を差動増幅する差動回路部Aと、この差動回路部Aの出力を増幅して所定レベルの出力電圧OPoutを得る利得回路部Bとを備えて構成される。ちなみに前記差動回路部Aは、第1の差動対をなす第1および第2のトランジスタM1,M2と、前記第1の差動対の電流源をなす第3のトランジスタM3と、カレントミラー回路を形成して前記第1の差動対の能動負荷をなす第4および第5のトランジスタM4,M5とにより構成される。
具体的には前記第1〜第3のトランジスタM1,M2,M3は、例えばPチャネルMOS-FET(以下、P-MOSと略記する)からなる。また前記第4および第5のトランジスタM4,M5は、例えばNチャネルMOS-FET(以下、N-MOSと略記する)からなる。尚、前記第3のトランジスタM3は、定電流源Ibiasにより駆動されるトランジスタ(P-MOS)M10によりゲート電圧が加えられて動作する。そして前記第1および第2のトランジスタM1,M2からなる差動対に一定のテイル電流Issを供給する役割を担う。
また前記利得回路部Bは、例えば負荷としてのトランジスタ(P-MOS)M11をドレインに接続し、前記差動対を構成する前記トランジスタM1のドレインに生じる電圧をゲートに入力して反転増幅するソース接地されたトランジスタ(N-MOS)M12によって構成される。尚、前記トランジスタM11は、前記トランジスタM10によりゲート電圧が加えられることで、前記トランジスタM12の負荷として動作する。このような構成の差動増幅器4については、例えば特許文献2に詳しく紹介される通りである。
特開2012−246736号公報 特開2012−244558号公報
ところで最近、予防保全と電源の安定供給の観点から漏電に至る前の漏電の兆しが現れた状態、例えば漏電レベルの30%に至った状態を検出し、警報を発して注意を喚起する機能を備えた漏電遮断器1の開発が進められている。この種の漏電遮断器1においては前記零相変流器3における検出精度を高めることのみならず、前記差動増幅器4の感度(入力検出精度)についても、例えば3倍以上に高めることが必要である。
しかしながら図6に示した構成の従来の差動増幅器4における入力オフセット電圧ΔVinは、一般的には10mVmax程度であり、前述した漏電レベルの30%の状態における前記零相変流器3の検出電圧(出力電圧)よりも大きい。ちなみに漏電レベルの30%の状態における前記零相変流器3の検出電圧(出力電圧)を検出するには、前記差動増幅器4における入力オフセット電圧ΔVinを、例えば2mVmax程度に抑える必要がある。この為、従来の差動増幅器4を用いて構成される漏電遮断器1においては、前述した漏電レベルの30%の状態を検出することが困難であると言う課題がある。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、例えば漏電レベルの30%の状態を精度良く検出することのできる演算増幅器、並びにこの演算増幅器を用いて構成される予防保全と電源の安定供給性に優れた漏電遮断器を提供することにある。
上述した目的を達成するべく本発明に係る演算増幅器は、対をなして与えられる電圧を差動増幅する差動回路部と、この差動回路部の出力を増幅して出力する利得回路部と、更に前記差動回路部と一対の入力端子との間に介装されて該一対の入力端子間に印加される入力電圧のオフセット電圧を調整して前記差動回路部に与えるオフセット電圧調整回路部とを備えたことを特徴としている。
好ましくは前記差動回路部は、第1の差動対をなす第1および第2のトランジスタと、前記第1の差動対の電流源をなす第3のトランジスタと、カレントミラー回路を形成して前記第1の差動対の能動負荷をなす第4および第5のトランジスタとを備えて構成され、
また前記オフセット電圧調整回路部は、第2の差動対をなす第6および第7のトランジスタと、前記第2の差動対の電流源をなす第8のトランジスタと、前記第2の差動対の負荷をなす第9のトランジスタと、前記第2の差動対と前記負荷との間に介装されて該第2の差動対に電圧オフセットを与える抵抗素子とを備えて構成される。
好ましくは前記抵抗素子は、例えば前記第6および第7のトランジスタと前記第8のトランジスタとの間にそれぞれ選択的に介装されるトランジスタ群からなる。そして前記抵抗素子を構成するトランジスタ群は、各トランジスタ毎に外部スイッチにより選択的にオン・オフされるように設けられる。ちなみに前記外部スイッチは、例えばプリセット可能な複数のオン・オフ切替えスイッチであっても良く、或いは選択的な半田付け処理によって接地可能な複数の外部端子であっても良い。
ちなみに前記第1、第2、第3、第6、第7、および第8のトランジスタは、それぞれPチャネル型MOS-FETからなり、また前記第4、第5、および第9のトランジスタ、並びに前記トランジスタ群は、それぞれNチャネル型MOS-FETからなる。或いは前記第1、第2、第3、第6、第7、および第8のトランジスタは、それぞれNチャネル型MOS-FETからなり、また前記第4、第5、および第9のトランジスタ、並びに前記トランジスタ群は、それぞれPチャネル型MOS-FETからなる。
上記構成の差動増幅器によれば、オフセット電圧調整回路部によって入力電圧にオフセット電圧を加え、これによって差動回路部における入力オフセット電圧を相殺することができるので、前記差動回路部の見掛け上の感度(入力検出精度)を高めることができる。従って差動増幅器の実質的な感度(入力検出精度)を、例えば従来の一般的な差動増幅器の3倍以上に高めることができる。故に、この差動増幅器を用いて構成される漏電遮断器によれば、漏電レベルの30%の状態を精度良く検出することが可能となり、予防保全と電源の安定供給を確保する上で実用上多大なる効果が奏せられる。
本発明の第1の実施形態に係る差動増幅器の概略構成図。 本発明の第2の実施形態に係る差動増幅器におけるオフセット電圧調整回路部の概略構成図。 図2に示すオフセット電圧調整回路部における抵抗調整部の構成例を示す図。 本発明の第1の実施形態に係る差動増幅器の概略構成図。 漏電遮断器の概略構成図。 漏電遮断器に用いられる従来一般的な差動増幅器の一例を示す概略構成図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る差動増幅器と、その差動増幅器を用いて構成される漏電遮断器について説明する。
本発明に係る差動増幅器は、基本的には図5に示した構成の漏電遮断器における差動増幅器4として用いるに好適なものである。即ち、本発明に係る差動増幅器は、漏電遮断器1における前記零相変流器3の出力電圧を増幅して前記制御部5に与えるに好適な、高い感度(入力検出精度)を有する。そして前記漏電遮断器1に要求される予防保全と電源の安定供給を実現するものである。
図1は本発明の第1の実施形態に係る差動増幅器10の概略構成図である。尚、図1においては、図6に示す差動増幅器4と同一部分については同一符号を付して示している。従ってその重複した説明については省略する。
この差動増幅器10は、基本的には対をなして与えられる電圧を差動増幅する差動回路部A、およびこの差動回路部の出力を増幅して出力する利得回路部Bを備える。更にこの差動増幅器10は、前記差動回路部Aと一対の入力端子11,12との間に介装されて該一対の入力端子11,12間に印加される入力電圧Vin1,Vin2のオフセット電圧を調整して前記差動回路部Aに与えるオフセット電圧調整回路部Cを備える。
即ち、本発明に係る差動増幅器10は、図1に示すように前記入力電圧Vin1,Vin2を前記オフセット電圧調整回路部Cに入力し、該オフセット電圧調整回路部Cの出力電圧Vout1,Vout2を前記差動回路部Aに入力するように構成したことを特徴としている。そしてオフセット電圧調整回路部Cにおいて、前記入力電圧Vin1,Vin2にオフセット電圧ΔV(=−ΔVin)を加え、これによって前記差動回路部Aにおける入力オフセット電圧ΔVinを相殺することを特徴としている。ちなみに従来の差動増幅器4は、図6に示すように前記一対の入力端子11,12間に印加される入力電圧Vin1,Vin2を前記差動回路部Aに直接入力するように構成されている。
前記オフセット電圧調整回路部Cについて具体的に説明すると、該オフセット電圧調整回路部Cは、第2の差動対をなす第6および第7のトランジスタM6,M7と、前記第2の差動対の電流源をなす第8のトランジスタM8と、前記第2の差動対の負荷をなす第9のトランジスタM9と、更に前記第2の差動対と前記負荷との間に介装されて該第2の差動対に電圧オフセットを与える抵抗素子R1,R2とを備える。
前記第6〜第8のトランジスタM6,M7,M8は、例えばP-MOSからなり、また前記第9のトランジスタM9は、例えばN-MOSからなる。また前記第8のトランジスタM8は、定電流源Ibiasにより駆動される前記トランジスタM10によりゲート電圧が加えられて動作する。そして前記第8のトランジスタM8は、前記第6および第7のトランジスタM6,M7からなる前記第2の差動対に一定のテイル電流Issを供給する役割を担う。
ここで前記第2の差動対をなす前記第6および第7のトランジスタM6,M7が半導体集積回路上に同じサイズで対称に配置され、同じ特性を持つとする。この場合、前記第6および第7のトランジスタ(P-MOS)M6,M7の閾値電圧Vtは互いに等しく、前記各トランジスタM6,M7にそれぞれ流れる電流I6,I7は、
I6=(β/2)・(Vgs6−Vt)
I7=(β/2)・(Vgs7−Vt)
β=(W/L)・μp・Cox
となる。
但し、Vgs6,Vgs7は前記トランジスタM6,M7のゲート・ソース間電圧であり、(W/L)は前記各トランジスタM6,M7のチャネル幅Wとチャネル長Lとにより規定される前記各トランジスタM6,M7のサイズである。またμpは前記各トランジスタM6,M7におけるホール移動度、そしてCoxはゲート酸化膜容量である。尚、前記電流I6,I7の和は、前記テイル電流Issに等しい(I6+I7=Iss)。
従って前記一対の入力端子11,12に加わる入力電圧Vin1,Vin2が等しいとすると(Vin=Vin1=Vin2)、前記各トランジスタM6,M7のドレイン・ソース間電圧Vds6,Vds7は、
Vds6={Vt+(2・I6/β)1/2}−(Vin−Vout1)
Vds7={Vt+(2・I7/β)1/2}−(Vin−Vout2)
となる。
また前記各トランジスタM6,M7のソース電圧Vs6,Vs7は、前記負荷をなす第9のトランジスタM9の閾値電圧をVth9としたとき
Vs6=Vth9+(I6・r1)−Vds6
Vs7=Vth9+(I7・r2)−Vds7
となる。但し、上式中、r1,r2は、前記抵抗素子R1,R2の各抵抗値を示している。
従って前記入力電圧Vin1,Vin2が等しいときに前記オフセット電圧調整回路部Cの出力電圧Vout1,Vout2間に生じるオフセット電圧ΔVは、
ΔV=Vout1−Vout2
=(I7・r2−I6・r1)
+(2・β)1/2・{(I7)1/2−(I6)1/2
とできる。
但し、前述したように前記電流I6,I7の和が前記テイル電流Issに等しくなるように(I6+I7=Iss)、ここでは前記各抵抗素子R1,R2の抵抗値r1,r2の和が一定(r1+r2=r)であるとしている。従って前記抵抗素子R1,R2の一方の抵抗値r1(r2)を決定すれば、他方の抵抗素子R2(R1)の抵抗値r2(r1)が一意に決定される。
そこで前記差動回路部Aおよび前記利得回路部Bにおける入力オフセット電圧ΔVinに対して、前記オフセット電圧調整回路部Cの出力電圧Vout1,Vout2間に生じるオフセット電圧ΔVが(ΔV=−ΔVin)なる関係となるように前記抵抗素子R1,R2の各抵抗値r1,r2を定めておく。
この結果、前記差動回路部Aおよび前記利得回路部Bにおける入力オフセット電圧ΔVinを前記オフセット電圧調整回路部Cによりキャンセルすることが可能となる。よって前記差動増幅器10の全体の入力オフセット電圧ΔVinを零(0)にし、或いは2mVmaxとして大幅に低減することができる。
換言すれば前記差動回路部Aにおける入力オフセット電圧ΔVinに相当するオフセット電圧ΔV(−ΔVin)を前記オフセット電圧調整回路部Cにて生成することで、前記差動増幅器10の全体における入力オフセット電圧ΔVinを2mVmaxに、好ましくは零(0)とすることが可能となる。従って前記オフセット電圧調整回路部Cを備えて構成される前記差動増幅器10を、前記差動増幅器4として用いた漏電遮断器1によれば、該差動増幅器10の検出感度、ひいては入力オフセット電圧が2mVmaxと高いので、前記零相変流器3の出力電圧を高精度に検出することができる。
よって前記差動増幅器10を備えて構成される漏電遮断器1によれば、前記零相変流器3の出力電圧に比較して前記差動増幅器10の感度が十分に高く、該零相変流器3の出力電圧が2mV程度であっても、これを高精度に増幅することができる。この結果、前記差動増幅器10を介して検出される前記零相変流器3の出力電圧から、前述した漏電レベルの30%の状態を精度良く検出することが可能となる。故に、漏電遮断器1に求められる、予防保全と電源の安定供給の機能を確保する上で実用上多大なる効果が奏せられる。
ところで実用的には、前記第2の差動対に電圧オフセットを与える抵抗素子R1,R2は、図2に示すような抵抗調整部Rとして実現されて前記オフセット電圧調整回路部Cに組み込まれる。この抵抗調整部Rは、例えば外部スイッチS1〜S4の選択的なオン・オフによって前記第2の差動対と前記負荷との間に選択的に介装されて前記抵抗R1,R2を形成する複数の抵抗からなる。
尚、前記外部スイッチS1〜S4は、例えばプリセット可能な複数のオン・オフ切替えスイッチ(いわゆるディップ・スイッチ)であっても良く、或いは選択的な半田付け処理によって接地可能な複数の外部端子であっても良い。そして前記抵抗調整部Rは、例えばオンに設定された前記外部スイッチS1〜S4により特定される抵抗が前記抵抗素子R1(R2)として前記第2の差動対(トランジスタM6,M7)と前記負荷(トランジスタM9)との間に選択的に介装されるように構成される。或いは外部端子の場合には、前記抵抗調整部Rは、例えば半田付けにより接地された外部端子によって特定される抵抗が前記抵抗素子R1(R2)として前記第2の差動対と前記負荷との間に選択的に介装されるように構成される。
具体的には前記抵抗調整部Rは、例えば図3に示すように前記差動対を構成する前記第6および第7のトランジスタM6,M7の各ソースにそれぞれ接続される2個の抵抗素子Raと、これらの抵抗素子Ra間に直列に介装された15個の抵抗素子Rbとからなる直列抵抗回路を備える。抵抗素子Raの抵抗値をra、抵抗素子Rbの抵抗値をrbとしたとき、これらの抵抗素子Ra,Rbからなる直列抵抗回路の抵抗値(2・ra+15・rb)は、前述した抵抗素子R1,R2の抵抗値r1,r2の和(r1+r2=r)として定められる。
また前記抵抗調整部Rは、前記17個の抵抗素子Ra,Rbの各接続点にそれぞれ接続されて並列に設けられた16個のN-MOSからなる1段目のスイッチ群、8個のN-MOSからなる2段目のスイッチ群、4個のN-MOSからなる3段目のスイッチ群、そして2個のN-MOSからなる4段目のスイッチ群を備える。そしてこれらの1〜4段目の各スイッチ群を介して、前記直列抵抗回路における前記17個の抵抗素子Ra,Rb間の接続点のいずれか1つに、前記負荷(トランジスタM9)のソースを選択的に接続するように構成される。
ちなみに前記1〜4段目の各スイッチ群は、隣り合う2つのN-MOS毎に相補的にオン・オフされるスイッチ対を形成し、各スイッチ対毎に次段のスイッチ対における一方のスイッチ(N-MOS)に段階的に接続されて、いわゆる逆ピラミッド型のスイッチ回路を構成する。そして前記抵抗調整部Rは、前記外部スイッチS1〜S4の選択的なオン・オフにより設定される選択信号Z1,Z2,Z3,Z4を前記各段のスイッチ対に対する切替え制御信号として入力し、これらのスイッチ対をそれぞれ相補的にオン・オフするものとなっている。
従って上述した如く構成された抵抗調整部Rによれば、前記抵抗素子R1,R2の抵抗値r1,r2の和が一定(r1+r2=r)となる条件を満たしながら、前記抵抗素子R1,R2の抵抗値r1,r2を前記抵抗素子Rbの抵抗値rbずつステップ的に調整することができる。そして前記抵抗素子R1,R2の抵抗値r1,r2の調整により、前記入力オフセット電圧ΔVinを前述した2mVmaxとし、その検出感度を高めることが可能となる。
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。ここでは前記第1、第2、第3、第6、第7、および第8のトランジスタM1,M2,M3,M6,M7,M8をそれぞれP-MOSで構成し、また前記第4、第5、第9および第10のトランジスタM4,M5,M9,M10をそれぞれN-MOSで構成した。しかし図4に示すように前記第1、第2、第3、第6、第7、および第8のトランジスタM1,M2,M3,M6,M7,M8をそれぞれN-MOSで構成し、また前記第4、第5、第9および第10のトランジスタM4,M5,M9,M10をそれぞれP-MOSで構成することも勿論可能である。
また前記抵抗素子R1,R2の抵抗値r1,r2を、より小さい抵抗値で更に多段階にステップ的に調整することも勿論可能である。また前記差動回路部Aを折り返しカスコード型の回路として構成する場合にも同様に適用可能なことは言うまでもない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
1 漏電遮断器
2 遮断スイッチ
3 零相変流器(ZCT)
4 差動増幅器
5 制御部
A 差動回路部
B 利得回路部
C オフセット電圧調整回路部
R 抵抗調整部
M1〜M12 トランジスタ(MOS-FET)
R1,R2 抵抗素子
Ra,Rb 直列抵抗回路を形成する抵抗素子

Claims (6)

  1. 対をなして与えられる電圧を差動増幅する差動回路部と、この差動回路部の出力を増幅して出力する利得回路部と、前記差動回路部と一対の入力端子との間に介装されて該一対の入力端子間に印加される入力電圧のオフセット電圧を調整して前記差動回路部に与えるオフセット電圧調整回路部とを具備したことを特徴とする差動増幅器。
  2. 前記差動回路部は、第1の差動対をなす第1および第2のトランジスタと、前記第1の差動対の電流源をなす第3のトランジスタと、カレントミラー回路を形成して前記第1の差動対の能動負荷をなす第4および第5のトランジスタとを備え、
    前記オフセット電圧調整回路部は、第2の差動対をなす第6および第7のトランジスタと、前記第2の差動対の電流源をなす第8のトランジスタと、前記第2の差動対の負荷をなす第9のトランジスタと、前記第2の差動対と前記負荷との間に介装されて該第2の差動対に電圧オフセットを与える抵抗素子とを備える請求項1に記載の差動増幅器。
  3. 前記抵抗素子は、前記第6および第7のトランジスタと前記第8のトランジスタとの間にそれぞれ選択的に介装されるトランジスタ群からなる請求項2に記載の差動増幅器。
  4. 前記抵抗素子を構成するトランジスタ群は、各トランジスタ毎に外部スイッチにより選択的にオン・オフされるものである請求項3に記載の差動増幅器。
  5. 前記第1、第2、第3、第6、第7、および第8のトランジスタは、それぞれPチャネル型MOS-FETからなり、
    前記第4、第5、および第9のトランジスタ、並びに前記トランジスタ群は、それぞれNチャネル型MOS-FETからなる請求項2に記載の差動増幅器。
  6. 前記第1、第2、第3、第6、第7、および第8のトランジスタは、それぞれNチャネル型MOS-FETからなり、
    前記第4、第5、および第9のトランジスタ、並びに前記トランジスタ群は、それぞれPチャネル型MOS-FETからなる請求項2に記載の差動増幅器。
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