JP2015149588A

JP2015149588A - リーク電流除去回路

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Publication number: JP2015149588A
Application number: JP2014021118A
Authority: JP
Inventors: 美濃谷　直志; Naoshi Minoya; 直志美濃谷; 賢一松永; Kenichi Matsunaga; アハマドムサ; Ahmed Musa; 近藤　利彦; Toshihiko Kondo; 利彦近藤; 森村　浩季; Hiroki Morimura; 浩季森村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-02-06
Also published as: JP6114208B2

Abstract

【課題】トランスデューサで発生した電圧の減衰を抑制する。
【解決手段】端子４に電圧Ｖinが印加されたときに、グランド側保護回路２１と同じ構成の複製グランド側保護回路１４の電圧が等しくなるように可変電流源１１から複製グランド側保護回路１４に電流Ｉgを流すとともに電流Ｉgと同じ量の電流Ｉgrを端子４へ流し、電源側保護回路２２と同じ構成の複製電源側保護回路１８の電圧が等しくなるように可変電流源１５に複製電源側保護回路１８から電流Ｉpを流出させるとともに電流Ｉpと同じ量の電流Ｉprを端子４から流出させる。これにより、保護回路２に流れるリーク電流を低減することができ、トランスデューサ５で発生した電圧の減衰を抑制することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、保護回路に流れるリーク電流を除去する技術に関する。

様々な資源の効率的な利用の観点から、遠隔で観測した電力、交通、農業、環境等のデータを収集するシステムが重要視されている。データを収集するシステムの例としては、複数のセンサ端末でセンシングしたデータをデジタル化し、ネットワークを通じてサーバに収集するものがある。センサ端末で使用されるセンサとしては、焦電素子や圧電素子などの電圧を出力するトランスデューサを使用した人体の有無や動きをセンシングするセンサがある。このようなセンサでは、焦電素子や圧電素子といったトランスデューサの出力電圧を集積回路のアンプで増幅した後、ＡＤコンバーターでデジタル化する。

トランスデューサと集積回路のアンプを個別に製作した場合は、図４に示すように、トランスデューサ５と集積回路のアンプ３を端子４を介して接続する。集積回路では、静電気による渦電圧から内部の回路を保護するために端子４に保護回路２が接続される。保護回路２は、グランドと端子４間に接続されるグランド側保護回路２１と電源と端子４間に接続される電源側保護回路２２とで構成される。

トランスデューサ５から発生する電圧により、保護回路２を介して電源やグランドに電流が流れる。トランスデューサ５の出力抵抗が大きい場合では、トランスデューサ５から電流が流れると出力抵抗で電圧降下が起き、トランスデューサで発生した電圧が減衰してアンプ３に入力されるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、トランスデューサで発生した電圧の減衰を抑制することを目的とする。

本発明に係るリーク電流除去回路は、外部から電気信号を入力する端子とグランドの間に接続されたグランド側保護回路と前記端子と電源の間に接続された電源側保護回路のそれぞれに流れるリーク電流を除去するリーク電流除去回路であって、前記グランド側保護回路と同じ構成でグランドに接続された第１保護回路と、前記端子に印加された電圧と同じ電圧が前記第１保護回路に印加されるように前記第１保護回路に電流を流す第１可変電流源と、前記第１可変電流源と同じ量の電流を前記端子へ流す第１複製電流源と、前記電源側保護回路と同じ構成で電源に接続された第２保護回路と、前記端子に印加された電圧と同じ電圧が前記第２保護回路に印加されるように前記第２保護回路から電流を流出させる第２可変電流源と、前記第２可変電流源と同じ量の電流を前記端子から流出させる第２複製電流源と、を有することを特徴とする。

上記リーク電流除去回路において、前記電源側保護回路と同じ構成で、前記第１保護回路と並列に接続された第３保護回路をさらに有することを特徴とする。

本発明によれば、トランスデューサで発生した電圧の減衰を抑制することができる。

第１の実施の形態におけるリーク電流除去回路の構成を示す機能ブロック図である。図１の回路モデルを示す図である。第２の実施の形態におけるリーク電流除去回路の構成を示す機能ブロック図である。トランスデューサと集積回路のアンプとの接続を説明する図である。

［第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態におけるリーク電流除去回路の構成を示す機能ブロック図である。

図１に示すリーク電流除去回路１は、可変電流源１１，１５、複製電流源１２，１６、オペアンプ１３，１７、複製グランド側保護回路１４、および複製電源側保護回路１８を備える。可変電流源１１，１５および複製電流源１２，１６は、印加される電圧が大きくなると出力する電流が大きくなる電流源である。可変電流源１１と複製電流源１２、可変電流源１５と複製電流源１６の印加される電圧に対する出力電流の特性は同じである。オペアンプ１３，１７の入力インピーダンスは十分大きく、反転入力と非反転入力に電流は流れないとする。複製グランド側保護回路１４と複製電源側保護回路１８は、集積回路が備えるグランド側保護回路２１と電源側保護回路２２とそれぞれ同じ構成の複製である。

リーク電流除去回路１は、保護回路２とアンプ３の間に入力接続部１０を接続する。入力接続部１０がオペアンプ１３の非反転入力、オペアンプ１７の反転入力に接続されて、アンプ３の入力電圧である電圧Ｖinがオペアンプ１３の非反転入力、オペアンプ１７の反転入力に印加される。また、入力接続部１０に複製電流源１２，１６に接続されて、複製電流源１２で複製された電流Ｉgrが集積回路の端子４に流入し、複製電流源１６で複製された電流Ｉprが集積回路の端子４から流出する。

可変電流源１１および複製電流源１２には、オペアンプ１３の出力電圧とグランド間の電圧が印加され、可変電流源１５および複製電流源１６には、オペアンプ１７の出力電圧とグランド間の電圧が印加される。可変電流源１１の出力は複製グランド側保護回路１４とオペアンプ１３の反転入力に接続され、可変電流源１５の出力は複製電源側保護回路１８とオペアンプ１７の非反転入力に接続される。

続いて、リーク電流除去回路１の動作について説明する。

入力接続部１０に電圧Ｖinが印加されると、オペアンプ１３の出力電圧とグランド間の電圧（以下、オペアンプの電圧と称する）により、可変電流源１１から複製グランド側保護回路１４に電流Ｉgが流れる。オペアンプ１３の反転入力に複製グランド側保護回路１４の電圧が入力されているため帰還制御が行われて、オペアンプ１３の非反転入力に入力された電圧Ｖinと反転入力に入力された複製グランド側保護回路１４の電圧が等しくなるように、オペアンプ１３の電圧が可変電流源１１の電流にＩgを制御する。

可変電流源１１と複製電流源１２の出力電流の特性は同じであるから、複製電流源１２から流れる電流Ｉgrは可変電流源１１から流れる電流Ｉg、つまり複製グランド側保護回路１４に流れる電流Ｉgと同じである。したがって、グランド側保護回路２１に電圧Ｖinが印加されたときにグランド側保護回路２１に流れる電流と同量の電流Ｉgrが複製電流源１２から集積回路の端子４に流出する。

同様に、入力接続部１０に電圧Ｖinが印加されると、オペアンプ１７の電圧により、可変電流源１５に複製電源側保護回路１８から電流Ｉpが流れ込む。オペアンプ１７の非反転入力に複製電源側保護回路１８の電圧が入力されているため帰還制御が行われて、オペアンプ１７の反転入力に入力された電圧Ｖinと非反転入力に入力された複製電源側保護回路１８の電圧が等しくなるように、オペアンプ１７の電圧が可変電流源１５の電流にＩpを制御する。

可変電流源１５と複製電流源１６の出力電流の特性は同じであるから、複製電流源１６に流れ込む電流Ｉprは可変電流源１１に流れ込む電流Ｉp、つまり複製電源側保護回路１８から流れ込む電流Ｉpと同じである。したがって、電源側保護回路２２に電圧Ｖinが印加されたときに電源側保護回路２２から流れ込む電流と同量の電流Ｉprが集積回路の端子４から複製電流源１６に流れ込む。

次に、本実施の形態におけるリーク電流除去回路１により、トランスデューサの出力電圧Ｖsとアンプの入力電圧である入力接続部１０の電圧Ｖinが等しくなることを示す。

図２は、図１に示したリーク電流除去回路１、保護回路２、およびトランスデューサ５の回路モデルである。同図に示す回路モデルでは、グランド側保護回路２１を抵抗Ｒn、電源側保護回路２２を抵抗Ｒpで模擬する。また、複製電流源１２を電流源Ｉgr、複製電流源１６を電流源Ｉprとしている。このとき、電圧Ｖinは次式（１）で表される。

リーク電流除去回路１が接続されていない場合、即ちＩgrとＩprがゼロの場合、式（１）は次式（２）で表され、トランスデューサの出力電圧Ｖsが減衰することが分かる。

リーク電流除去回路１の動作で説明したように、電流Ｉgrは複製グランド側保護回路１４に流れる電流Ｉgに等しく、複製グランド側保護回路１４をグランド側保護回路２１と同様に抵抗Ｒnで模擬すると、電流Ｉgrは次式（３）で表される。

同様に、電流Ｉprは複製電源側保護回路１８に流れる電流Ｉpに等しく、複製電源側保護回路１８を電源側保護回路２２と同様に抵抗Ｒpで模擬すると、電流Ｉprは次式（４）で表される。なおＶddは複製電源側保護回路１８に接続される電源の電圧である。

式（３）と式（４）を式（１）に代入すると、次式（５）が得られる。

式（５）をさらに展開すると以下のようになる。

以上のように、本実施の形態のリーク電流除去回路１を用いることで、トランスデューサ５の出力電圧Ｖsとアンプ３の入力電圧である端子４に印加される電圧Ｖinが等しくなる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、端子４に電圧Ｖinが印加されたときに、グランド側保護回路２１と同じ構成の複製グランド側保護回路１４の電圧が等しくなるように可変電流源１１から複製グランド側保護回路１４に電流Ｉgを流すとともに電流Ｉgと同じ量の電流Ｉgrを端子４へ流し、電源側保護回路２２と同じ構成の複製電源側保護回路１８の電圧が等しくなるように可変電流源１５に複製電源側保護回路１８から電流Ｉpを流出させるとともに電流Ｉpと同じ量の電流Ｉprを端子４から流出させることで、保護回路２に流れるリーク電流を低減することができ、トランスデューサ５で発生した電圧の減衰を抑制することが可能となる。

［第２の実施の形態］
図３は、第２の実施の形態におけるリーク電流除去回路の構成を示す機能ブロック図である。

図３に示すリーク電流除去回路１は、第１の実施の形態のリーク電流除去回路１に複製電源側保護回路１９をさらに追加したものである。複製電源側保護回路１９は、電源側保護回路２２と同じ構成の複製である。複製電源側保護回路１９は、複製グランド側保護回路１４に並列に接続される。

第２の実施の形態のリーク電流除去回路１の動作は、第１の実施の形態と同様であるのでここでの説明は省略する。以下、第２の実施の形態のリーク電流除去回路１により、トランスデューサの出力電圧Ｖsとアンプの入力電圧Ｖinが等しくなることを示す。

第２の実施の形態では、可変電流源１１から流れる電流Ｉgrは、複製グランド側保護回路１４と複製電源側保護回路１９に流れる電流の和に等しく、複製グランド側保護回路１４をグランド側保護回路２１と同様に抵抗Ｒn、複製電源側保護回路１９を電源側保護回路２２と同様に抵抗Ｒpで模擬すると、電流Ｉgrは次式（６）で表される。

電流Ｉprは複製電源側保護回路１８に流れる電流Ｉpに等しく、複製電源側保護回路１８を電源側保護回路２２と同様に抵抗Ｒpで模擬すると、電流Ｉprは次式（７）で表される。

式（６）と式（７）を式（１）に代入すると、次式（８）が得られる。

式（８）は式（５）と同じであるから、トランスデューサ５の出力電圧Ｖsとアンプ３の入力電圧である端子４に印加される電圧Ｖinが等しくなる。

１…リーク電流除去回路
１０…入力接続部
１１，１５…可変電流源
１２，１６…複製電流源
１３，１７…オペアンプ
１４…複製グランド側保護回路
１８，１９…複製電源側保護回路
２…保護回路
２１…グランド側保護回路
２２…電源側保護回路
３…アンプ
４…端子
５…トランスデューサ

Claims

外部から電気信号を入力する端子とグランドの間に接続されたグランド側保護回路と前記端子と電源の間に接続された電源側保護回路のそれぞれに流れるリーク電流を除去するリーク電流除去回路であって、
前記グランド側保護回路と同じ構成でグランドに接続された第１保護回路と、
前記端子に印加された電圧と同じ電圧が前記第１保護回路に印加されるように前記第１保護回路に電流を流す第１可変電流源と、
前記第１可変電流源と同じ量の電流を前記端子へ流す第１複製電流源と、
前記電源側保護回路と同じ構成で電源に接続された第２保護回路と、
前記端子に印加された電圧と同じ電圧が前記第２保護回路に印加されるように前記第２保護回路から電流を流出させる第２可変電流源と、
前記第２可変電流源と同じ量の電流を前記端子から流出させる第２複製電流源と、
を有することを特徴とするリーク電流除去回路。
前記電源側保護回路と同じ構成で、前記第１保護回路と並列に接続された第３保護回路をさらに有することを特徴とする請求項１記載のリーク電流除去回路。