JP2017163342A - アイソレーションアンプ - Google Patents

Abstract

【課題】フォトカプラを用いたアイソレーションアンプにおいて生じる歪みを低減させる。また、ゲイン調整を簡便化する。【解決手段】第１、第２フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の特性はほぼ同じであるため、抵抗Ｒ４，Ｒ５、第１増幅器Ｕ１及び第１発光ダイオードＤ１を含む電圧電流変換回路と、抵抗Ｒ１３，Ｒ１４、第３増幅器Ｕ３及び第２発光ダイオードＤ２を含む電圧電流変換回路とにおいては、ほぼ同じ歪みが発生する。第１、第２トランジスタｔ１１，ｔ１２及び第２増幅器Ｕ２は差動増幅回路を構成しており、抵抗Ｒ４，Ｒ５、第１増幅器Ｕ１及び第１フォトカプラＵ１を含む電圧電流変換回路に生じた電流ＩＦ１における歪みを、抵抗Ｒ１３，Ｒ１４、第３増幅器Ｕ３及び第２フォトカプラＵ２を含む電圧電流変換回路に生じた電流ＩＦ２における歪みで打ち消して出力端子ＯＵＴに出力する。この結果、出力端子ＯＵＴに出力される出力信号の歪みは低減される。【選択図】図１

Description

本発明は、アイソレーションアンプに関する。

例えば電源の一次回路及び二次回路間のように絶縁された回路間において、音声信号のようなアナログ信号を伝達するための手段として、アイソレーションアンプが知られている（例えば特許文献１〜３参照）。

特開２００７−３１８４８８号公報 特開平５−２１８７５４号公報 特開平８−２３２４４号公報

図１４はフォトカプラを用いたアイソレーションアンプの電気的構成の一例を示す回路図である。アナログ信号の入力側Ｉの電気回路と出力側Ｏの電気回路とは絶縁されており、入力側Ｉの入力端子ＩＮから入力される入力信号が出力側Ｏに伝達され、出力側Ｏの出力端子ＯＵＴから出力される。

この種のドライブアンプの出力から抵抗を介してフォトカプラの発光ダイオードを駆動する回路では、発光ダイオードのＶＦ−ＩＦ特性が非線形であったり、電流伝達特性のリニアリティの悪さのため出力信号に歪が生じるという問題がある。また、フォトカプラの変換効率は、電流伝達率ＣＴＲ［％］（フォトトランジスタに流れる電流ＩＣ／発光ダイオードに流れる電流ＩＦ)と呼ばれ、一般的なフォトカプラでは、そのＣＲＴは数十［％］から数百［％］の範囲の値を取るのが普通であるため、製品出荷前の段階で選別によるランク分けが必要となるが、それでも同一ランクで２〜３倍程度のバラつきが生じるのはやむを得ない。さらに、環境温度や経年劣化によっても、フォトカプラの電流伝達率ＣＴＲは変動する。この電流伝達率ＣＴＲは伝達対象となるアナログ信号の値に影響を及ぼすので、出力信号において入力に対して所望の出力を得るためにはゲインの調整が必要になるが、フォトトランジスタの動作点にもずれがあるので、ダイナミックレンジが十分に確保できない恐れもあり、このため複数の調整が必要になることもある（図１４では、Ｒ１でゲインの調整、Ｒ３またはＲ４で動作点の調整）。ただし、このような調整を経たとしても、環境温度や経年劣化などで電流伝達率ＣＴＲが変動することは避けられない。

そこで、本発明は、フォトカプラを用いたアイソレーションアンプにおいて生じる歪みを低減させることを一つの目的とする。また、ゲイン調整の簡便化を別の目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ほぼ同一の特性を有する２つのフォトカプラと、それぞれの前記フォトカプラにおいて生じる歪みを打ち消しあって出力信号における歪みを低減させる歪み低減手段とを備えるアイソレーションアンプを提供する。これにより、フォトカプラを用いたアイソレーションアンプにおいて生じる歪みを低減させることができる。

また、本発明は、ほぼ同一の特性を有する２つのフォトカプラと、一方の前記フォトカプラにおいて生じた歪みを用いて、他方の前記フォトカプラにおける生じる歪みが低減するように他方の前記フォトカプラに流れる電流をフィードバック制御して、出力信号における歪みを低減させる歪み低減手段とを備えるアイソレーションアンプを提供する。フォトカプラを用いたアイソレーションアンプにおいて生じる歪みを低減させることができる。

２つの前記フォトカプラをそれぞれ流れる電流の値の比を調整する調整手段を備えるようにしてもよい。これにより、ゲイン調整の簡便化が可能となる。

さらにもう一つのフォトカプラを用いてアイソレーションをしつつ、出力から直流電位をフィードバックして、前記２つのフォトカプラに流れる電流の比を変化させることにより、ゲインと動作点の無調整化を行うようにしてもよい。これにより、ゲイン調整の簡便化が可能となる。

本発明によれば、フォトカプラを用いたアイソレーションアンプにおいて生じる歪みを低減させること、又は、ゲイン調整の簡便化が可能となる。

本発明の第１実施形態に係るアイソレーションアンプの電気的構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係るアイソレーションアンプの電気的構成を示す回路図である。 本発明の第２実施形態において電流ＩＣの波形を示す模式図である。 本発明の第３実施形態に係るアイソレーションアンプの電気的構成を示す回路図である。 本発明の第４実施形態に係るアイソレーションアンプの電気的構成を示す回路図である。 第１実施形態に係るアイソレーションアンプにおけるゲインの一例を示す図である。 第３実施形態に係るアイソレーションアンプにおけるゲインの一例を示す図である。 左側の図は、フォトカプラにおける、電流ＩＦごとのコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ−コレクタ電流Ｉｃ特性の一例を示す模式図、右側の図は、電流伝達率が左側の約２倍程度のフォトカプラにおける、電流ＩＦごとのコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ−コレクタ電流Ｉｃ特性の一例を示す模式図である。 図８の左側の図と右側の図を重ねたときの模式図である。 本発明の第５実施形態に係るアイソレーションアンプの電気的構成を示す回路図である。 本発明の第６実施形態に係るアイソレーションアンプの電気的構成を示す回路図である。 本発明の第７実施形態に係るアイソレーションアンプの電気的構成を示す回路図である。 第７実施形態における動作原理を示す模式図である。 従来のフォトカプラを用いたアイソレーションアンプの電気的構成の一例を示す回路図である。

（１）第１実施形態
本発明の第１実施形態に係るアイソレーションアンプ１０ａは、図１に示すように、第１、第２フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２、第１〜第３増幅器Ｕ１〜Ｕ３、第１、第２トランジスタｔ１１，ｔ１２、第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２及び抵抗Ｒ１〜Ｒ１４を有している。第１、第２フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の特性はほぼ同じである。アナログ信号の入力側Ｉの電気回路と出力側Ｏの電気回路とは絶縁されており、入力側Ｉの入力端子ＩＮから入力される入力信号が出力側Ｏに伝達され、出力側Ｏの出力端子ＯＵＴから出力される。

第１増幅器Ｕ１の正入力端子は、第１コンデンサＣ１を介して入力端子ＩＮに接続されるとともに、抵抗Ｒ２に接続されている。第１増幅器Ｕ１の負入力端子は、抵抗Ｒ４を介して接地されるとともに、第１フォトカプラＰＣ１の第１発光ダイオードＤ１のカソードに接続されている。第１増幅器Ｕ１の出力端子は、第１フォトカプラＰＣ１の第１発光ダイオードＤ１のアノードに接続されている。第１フォトカプラＰＣ１の第１フォトトランジスタＴ１は、コレクタが電源Ｖcc2に接続され、エミッタが抵抗Ｒ６を介して接地されるとともに第１トランジスタｔ１１のベースに接続されている。

第２増幅器Ｕ２の負入力端子は、第１トランジスタｔ１１のコレクタに接続されるとともに、抵抗Ｒ７を介して電源Ｖcc2に接続されている。第２増幅器Ｕ２の正入力端子は、第２トランジスタｔ１２のコレクタに接続されるとともに、抵抗Ｒ１１を介して電源Ｖcc2に接続されている。第１トランジスタｔ１１のエミッタは抵抗Ｒ８，Ｒ１０を介して接地されており、第２トランジスタｔ１２のエミッタは抵抗Ｒ９，Ｒ１０を介して接地されている。

第３増幅器Ｕ３の正入力端子は、出力端子ＯＵＴに接続されるとともに、第２増幅器Ｕ２の出力端子に接続されている。第３増幅器Ｕ３の負入力端子は、抵抗Ｒ１４を介して接地されるとともに、第２フォトカプラＰＣ２の第２発光ダイオードＤ２のカソードに接続されている。第３増幅器Ｕ３の出力端子は第２フォトカプラＰＣ２の第２発光ダイオードＤ２のアノードに接続されている。第２フォトカプラＰＣ２の第２フォトトランジスタＴ２は、コレクタが電源Ｖcc2に接続され、エミッタが第２トランジスタｔ１２のベースに接続される。このような構成の回路において、差動の左右で対称の位置にあたる抵抗は すべてそれぞれ同じ値になっている。

抵抗Ｒ４、第１増幅器Ｕ１及び第１フォトカプラＰＣ１は、電圧電流変換回路を構成している。第１発光ダイオードＤ１に生じる電流ＩＦ１の電流値は、（入力信号の電位）／（抵抗Ｒ４の抵抗値）で表される。この電流ＩＦ１により第１発光ダイオードＤ１が発光し、第１発光ダイオードＤ１の発光を第１フォトトランジスタＴ１が受光することで、第１フォトトランジスタＴ１に電流ＩＣ１が生じる。第１フォトトランジスタＴ１に電流ＩＣ１が生じることにより、第２増幅器Ｕ２の負入力端子に所定の電位が印加される。

抵抗Ｒ１４、第３増幅器Ｕ３及び第２フォトカプラＰＣ２は、電圧電流変換回路を構成している。第２発光ダイオードＤ２に生じる電流ＩＦ２の電流値は、（入力信号の電位）／（抵抗Ｒ１４の抵抗値）で表される。この電流ＩＦ２により第２発光ダイオードＤ２が発光し、第２発光ダイオードＤ２の発光を第２フォトトランジスタＴ２が受光することで、第２フォトトランジスタＴ２に電流ＩＣ２が生じる。

既述のとおり、フォトカプラの電流伝達特性のリニアリティの悪さのため出力信号に歪が生じるが、この第１実施形態においては、第１、第２フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の特性はほぼ同じであるため、抵抗Ｒ４、第１増幅器Ｕ１及び第１発光ダイオードＤ１を含む電圧電流変換回路と、抵抗Ｒ１４、第３増幅器Ｕ３及び第２発光ダイオードＤ２を含む電圧電流変換回路とにおいては、ほぼ同じ歪みが発生する。第１、第２トランジスタｔ１１，ｔ１２及び第２増幅器Ｕ２は差動増幅回路（歪み低減手段）を構成しており、抵抗Ｒ４、第１増幅器Ｕ１及び第１フォトカプラＰＣ１１を含む電圧電流変換回路に生じた電流ＩＦ１における歪みを、抵抗Ｒ１４、第３増幅器Ｕ３及び第２フォトカプラＰＣ１２を含む電圧電流変換回路に生じた電流ＩＦ２における歪みで打ち消して出力端子ＯＵＴに出力する。この結果、出力端子ＯＵＴに出力される出力信号の歪みは低減される。

このように、第１実施形態によれば、アイソレーションアンプにおいて２つのフォトカプラを用い、それぞれのフォトカプラで共通に生じる歪みを打ち消しあうことで、出力信号における歪みを低減させることが可能となる。

（２）第２実施形態
第２実施形態に係るアイソレーションアンプ１０ｂは、図２に示すように、第１、第２フォトカプラＰＣ１１、ＰＣ１２、第１〜第４増幅器Ｕ１１〜Ｕ１４、第１〜第５コンデンサＣ１１〜Ｃ１５及び抵抗Ｒ２１〜Ｒ３６を有している。抵抗Ｒ２７と抵抗Ｒ２８は同じ抵抗値であり、抵抗Ｒ３３と抵抗Ｒ３４は同じ抵抗値であり、抵抗Ｒ３５と抵抗Ｒ３６は同じ抵抗値である。第１、第２フォトカプラＰＣ１１、ＰＣ１２の特性はほぼ同じである。アナログ信号の入力側Ｉの電気回路と出力側Ｏの電気回路とは絶縁されており、入力側Ｉの入力端子ＩＮから入力される入力信号が出力側Ｏに伝達され、出力側Ｏの出力端子ＯＵＴから出力される。

第１増幅器Ｕ１１の正入力端子は、抵抗Ｒ２４及びコンデンサＣ１２を介して出力端子に接続されるともに、並列接続されたコンデンサＣ１３および抵抗Ｒ２６を介して接地されている。第１増幅器Ｕ１１の負入力端子は、抵抗Ｒ２１及びコンデンサＣ１１を介して入力端子ＩＮに接続されるとともに、抵抗Ｒ２２を介して出力端子ＯＵＴに接続されている。第１増幅器Ｕ１１の出力端子は、コンデンサＣ１２を介して第３増幅器Ｕ１３の正入力端子に接続されている。

第２増幅器Ｕ１２の負入力端子は、第１フォトカプラＰＣ１１の第２発光ダイオードＤ１２のカソードに接続されるとともに、抵抗Ｒ２７を介して接地されている。第２増幅器Ｕ１２の正入力端子は、第１コンデンサＣ１１を介して入力端子ＩＮに接続されている。

第３増幅器Ｕ１３の正入力端子は、コンデンサＣ１２を介して第２増幅器Ｕ１２の出力端子に接続されている。第３増幅器Ｕ１３の負入力端子は、抵抗Ｒ２８を介して接地されるとともに、第２フォトカプラＰＣ２の第２発光ダイオードＤ２のカソードに接続されている。第２増幅器Ｕ１２の出力端子は、第２フォトカプラＰＣ１２の第２発光ダイオードＤ２のアノードに接続されている。

第１フォトカプラＰＣ１１の第１フォトトランジスタＴ１１は、コレクタが電源Ｖcc2に接続され、エミッタが抵抗Ｒ３３を介して接地されるとともに第４増幅器の正入力端子に接続されている。第２フォトカプラＰＣ１２の第２フォトトランジスタＴ１２は、コレクタが電源Ｖcc2に接続され、エミッタが抵抗Ｒ３４を介して接地されるとともに第４コンデンサＣ１４を介して第４増幅器Ｕ１４の負入力端子に接続されている。

第４増幅器Ｕ１４の負入力端子は、コンデンサＣ１４及び抵抗Ｒ３４を介して接地されるとともに、抵抗Ｒ３６を介して出力端子に接続されている。第４増幅器Ｕ１４の正入力端子は、第１フォトカプラＰＣ１１の第１フォトトランジスタＴ１１のエミッタに接続されるとともに、抵抗Ｒ３３を介して接地されている。

抵抗Ｒ２７、第２増幅器Ｕ１２及び第１フォトカプラＰＣ１１は、電圧電流変換回路を構成しており、入力端子ＩＮから入力された入力信号に応じて第１発光ダイオードＤ１１に生じる電流ＩＦ１１により第１発光ダイオードＤ１１が発光する。第１発光ダイオードＤ１１の発光を第１フォトトランジスタＴ１１が受光することで、第１フォトトランジスタＴ１１に電流ＩＣ１１が生じる。

入力端子ＩＮから入力された入力信号は、反転増幅器として機能する第１増幅器Ｕ１１によって反転させられて第３増幅器Ｕ１３の正入力端子に入力される。抵抗Ｒ２８、第３増幅器Ｕ１３及び第２フォトカプラＰＣ１２は、電圧電流変換回路を構成しており、第２発光ダイオードＤ１２に生じる電流ＩＦ１２により第２発光ダイオードＤ１２が発光する。第２発光ダイオードＤ１２の発光を第２フォトトランジスタＴ１２が受光することで、第２フォトトランジスタＴ１２に電流ＩＣ１２が生じる。

ここで、第１、第２フォトカプラＰＣ１、ＰＣ２の特性はほぼ同じである。このため、抵抗Ｒ４，Ｒ５、第１増幅器Ｕ１及び第１フォトカプラＰＣ１１を含む電圧電流変換回路と、抵抗Ｒ１３，Ｒ１４、第３増幅器Ｕ３及び第２フォトカプラＰＣ１２を含む電圧電流変換回路とにおいて、ほぼ同じ歪みが発生する。入力端子ＩＮから入力された入力信号に応じて第１フォトトランジスタＴ１１に電流ＩＣ１１が生じるが、この電流ＩＣ１１は、図３上段に示すように、入力端子ＩＮから入力された入力信号に応じた入力信号Ａ１と、模式的に示した歪みｄ１との合成波形になる。一方、入力端子ＩＮから入力された入力信号は、反転増幅器である第１増幅器Ｕ１１によって位相が反転させられて第３増幅器Ｕ１３に入力される(これを反転信号という)。このため、第２フォトトランジスタＴ１２に流れる電流ＩＣ１２は、図３下段に示すように、入力信号Ａ１とは位相が反転した反転信号Ａ２と、模式的に示した歪みｄ２との合成波形になる。第４増幅器Ｕ１４は差動増幅回路を構成しており、第１フォトトランジスタＴ１１に流れる電流ＩＣ１１から、第２フォトトランジスタＴ１２に流れる電流ＩＣ１２を減算して出力する。このとき、偶数次歪みに関しては歪みｄ１と歪みｄ２の極性が同じであるため、上記の減算処理によりこの歪みは互いに打ち消され、図３右側の波形に示すように、入力信号から反転信号が減算された結果のみが出力される。これにより、出力端子ＯＵＴには、入力端子ＩＮからの入力信号に応じた出力信号ＩＣが歪みの低減された状態で出力されることになる。実際のところ、歪みｄ１、ｄ２に関しては、この偶数次ひずみが大半を占め、歪み低減として有効に働く。

このように、第２実施形態によれば、アイソレーションアンプにおいて２つのフォトカプラを用い、各フォトカプラに対して互いに反転させた入力信号を入力してからその出力信号を減算して共通に生じる歪みを打ち消しあうことで、出力信号における歪みを低減させることが可能となる。この第２実施形態において、反転増幅器に相当する第１増幅器Ｕ１１及び差動増幅回路に相当する第４増幅器Ｕ１４は歪み低減手段として機能する。

（３）第３実施形態
第３実施形態に係るアイソレーションアンプ１０ｃは、図４に示すように、第１、第２フォトカプラＰＣ２１、ＰＣ２２、増幅器Ｕ２１、第１、第２コンデンサＣ２１，Ｃ２２及び抵抗Ｒ４１〜Ｒ４６を有している。抵抗Ｒ４４と抵抗Ｒ４６は同じ抵抗値である。第１、第２フォトカプラＰＣ２１、ＰＣ２２の特性はほぼ同じである。アナログ信号の入力側Ｉの電気回路と出力側Ｏの電気回路とは絶縁されており、入力側Ｉの入力端子ＩＮから入力される入力信号が出力側Ｏに伝達され、出力側Ｏの出力端子ＯＵＴから出力される。

増幅器Ｕ２１の正入力端子は、第１コンデンサＣ２１を介して入力端子ＩＮに接続されるとともに、抵抗Ｒ４１に接続されている。増幅器Ｕ２１の負入力端子は、抵抗Ｒ４４を介して接地されるとともに、第１フォトカプラＰＣ２１の第１フォトトランジスタＴ２１のエミッタに接続されている。第１増幅器Ｕ２１の出力端子は、第１フォトカプラＰＣ２１の第１発光ダイオードＤ２１のアノードに接続されている。第１フォトカプラＰＣ２１の第１フォトトランジスタＴ２１は、コレクタが電源Ｖcc1に接続され、エミッタが抵抗４４を介して接地されるとともに増幅器Ｕ２１の負入力端子に接続されている。第１フォトカプラＰＣ２１の第１発光ダイオードＤ２１のカソードは、第２フォトカプラＰＣ２２の第１発光ダイオードＤ２２のアノードに接続されている。第２フォトカプラＰＣ２２の第１発光ダイオードＤ２２のカソードは、抵抗Ｒ４５を介して接地されている。第２フォトカプラＰＣ２２の第２フォトトランジスタＴ２２は、コレクタが電源Ｖcc2に接続され、エミッタが抵抗Ｒ４６を介して接地されるとともに出力端子ＯＵＴに接続されている。

増幅器Ｕ２１、第１フォトカプラＰ２１及び第２フォトカプラＰ２２は電圧電流変換回路に直列接続されている。この構成において、入力端子ＩＮから入力された入力信号に応じて第１発光ダイオードＤ２１に生じる電流ＩＦ２１により、第１発光ダイオードＤ２１が発光する。第１発光ダイオードＤ２１の発光を第１フォトトランジスタＴ２１が受光することで、第１フォトトランジスタＴ２１に電流ＩＣ２１が生じる。同様に、入力端子ＩＮから入力された入力信号に応じて第２発光ダイオードＤ２２に生じる電流ＩＦ２１により、第２発光ダイオードＤ２２が発光する。第２発光ダイオードＤ２２の発光を第２フォトトランジスタＴ２２が受光することで、第２フォトトランジスタＴ２２に電流ＩＣ２２が生じる。

ここで、増幅器Ｕ２１及び第１フォトカプラＰＣ２１を含む電圧電流変換回路において、フォトカプラＰＣ２１の第１フォトトランジスタＴ２１の電流ＩＣ２１における歪みが低減されるように、電流ＩＦ２１がフィードバック制御されるため、逆に電流ＩＦ２１には歪みを打消す電流を含んだ信号電流が流れることになる。この電流ＩＦ２１は、第１フォトカプラＰＣ２１とほぼ同じ特性の第２フォトカプラＰＣ２２の第２発光ダイオードＤ２２のアノードに入力される。電流ＩＦ２１は電流ＩＣ２１における歪みが低減されるようにフィードバック制御されているから、電流ＩＣ２２における歪みも低減される。これにより、出力端子ＯＵＴには、入力端子ＩＮからの入力信号に応じた出力信号ＩＣが歪みの低減された状態で出力されることになる。

このように、第３実施形態によれば、アイソレーションアンプにおける２つのフォトカプラのうち、一方のフォトカプラにおいて生じた歪みを用いて、他方のフォトカプラにおける生じる歪みが低減するように、他方のフォトカプラに流れる電流をフィードバック制御することで、出力信号における歪みを低減させることが可能となる。

（４）第４実施形態
第４実施形態に係るアイソレーションアンプ１０ｄは、図５に示すように、第１、第２フォトカプラＰＣ３１、ＰＣ３２、増幅器Ｕ３１、第１、第２コンデンサＣ３１，Ｃ３２、ツェナダイオードＺＤ１及び抵抗Ｒ５１〜Ｒ５６を有している。抵抗Ｒ５３と抵抗Ｒ５４、抵抗Ｒ５５と抵抗Ｒ５６はそれぞれ同じ抵抗値である。第１、第２フォトカプラＰＣ３１、ＰＣ３２の特性はほぼ同じである。アナログ信号の入力側Ｉの電気回路と出力側Ｏの電気回路とは絶縁されており、入力側Ｉの入力端子ＩＮから入力される入力信号が出力側Ｏに伝達され、出力側Ｏの出力端子ＯＵＴから出力される。第３実施形態に係るアイソレーションアンプ１０ｃ（図４）において２つの電流電圧変換回路が直列接続されていたのに対し、第４実施形態に係るアイソレーションアンプ１０ｄにおいては２つの電流電圧変換回路が並列接続されている点が主に異なる。

増幅器Ｕ３１の正入力端子は、第１コンデンサＣ３１を介して入力端子ＩＮに接続されるとともに、抵抗Ｒ５１に接続されている。増幅器Ｕ３１の負入力端子は、抵抗Ｒ５３を介して接地されるとともに、第１フォトカプラＰＣ３１の第１フォトトランジスタＴ３１のエミッタに接続されている。第１増幅器Ｕ３１の出力端子は、第１フォトカプラＰＣ３１の第１発光ダイオードＤ３１のアノードに接続されるとともに、第２フォトカプラＰＣ３２の第２発光ダイオードＤ３２のアノードに接続されている。第１フォトカプラＰＣ３１の第１フォトトランジスタＴ３１は、コレクタが電源Ｖcc1に接続され、エミッタが抵抗５３を介して接地されるとともに増幅器Ｕ２１の負入力端子に接続されている。第１フォトカプラＰＣ３１の第１発光ダイオードＤ３１のカソードは、抵抗Ｒ５４を介して接地されている。第２フォトカプラＰＣ３２の第２発光ダイオードＤ３２のカソードは、抵抗Ｒ５５を介して接地されている。第２フォトカプラＰＣ３２の第２フォトトランジスタＴ３２は、コレクタが電源Ｖcc2に接続され、エミッタが抵抗Ｒ５６を介して接地されるとともに出力端子ＯＵＴに接続されている。

増幅器Ｕ３１及び第１フォトカプラＰ３１が構成する電圧電流変換回路と、増幅器Ｕ３１及び第２フォトカプラＰ３２が構成する電圧電流変換回路は並列接続されている。この構成において、入力端子ＩＮから入力された入力信号に応じて第１発光ダイオードＤ３１に生じる電流ＩＦ３１により、第１発光ダイオードＤ３１が発光する。第１発光ダイオードＤ３１の発光を第１フォトトランジスタＴ３１が受光することで、第１フォトトランジスタＴ３１に電流ＩＣ３１が生じる。同様に、入力端子ＩＮから入力された入力信号に応じて第２発光ダイオードＤ３２に生じる電流ＩＦ３２により、第２発光ダイオードＤ３２が発光する。第２発光ダイオードＤ３２の発光を第２フォトトランジスタＴ３２が受光することで、第２フォトトランジスタＴ３２に電流ＩＣ３２が生じる。

ここで、増幅器Ｕ３１及び第１フォトカプラＰＣ３１を含む電圧電流変換回路において、フォトカプラＰＣ３１の第１フォトトランジスタＴ３１の電流ＩＣ３１における歪みが低減されるように、電流ＩＦ２１がフィードバック制御されるため、逆に電流ＩＦ３１は歪みを打消す電流を含んだ信号電流となる。抵抗Ｒ５４と抵抗Ｒ５５が同じ抵抗値であり且つ第１発光ダイオードＤ３１と第２発光ダイオードＤ３２が同じ特性であることから、同じ増幅器Ｕ３１で駆動されている第２発光ダイオードＤ３２においても、電流ＩＦ３１が、第１フォトカプラＰＣ３１とほぼ同じ特性の第２フォトカプラＰＣ３２の第２発光ダイオードＤ３２のアノードに入力される。電流ＩＦ３１は電流ＩＣ３１における歪みが低減されるようにフィードバック制御されているから、電流ＩＣ３２における歪みも低減される。これにより、出力端子ＯＵＴには、入力端子ＩＮからの入力信号に応じた出力信号ＩＣが歪みの低減された状態で出力されることになる。

このように、第４実施形態によれば、アイソレーションアンプにおける２つのフォトカプラのうち、一方のフォトカプラにおいて生じた歪みを用いて、他方のフォトカプラにおける生じる歪みが低減するように、他方のフォトカプラに流れる電流をフィードバック制御することで、出力信号における歪みを低減させることが可能となる。

（５）第５実施形態
ここで、フォトカプラにおける電流伝達率のばらつきによる影響について考察する。製品出荷段階におけるフォトカプラ群において、例えば電流伝達率１００％を中心値として７０％〜１４０％というような２倍のばらつきがあると仮定する。例えば図１の構成において、図６に示すように第１フォトカプラＰＣ１の電流伝達率が７０％で、第２フォトカプラＰＣ２の電流伝達率が１４０％と仮定した場合、図１のＶｏ１における電流値は、電流伝達率が１００％のフォトカプラを用いた場合の７０％となり、同様に図１のＶｏ２における電流値も７０％となる。よって、入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴに至るまでの全体のゲインは（７０／１４０）＝５０％となる。また例えば図１の構成において、第１フォトカプラＰＣ１の電流伝達率が１４０％で、第２フォトカプラＰＣ２の電流伝達率が７０％と仮定した場合、図１のＶｏ１における電流値は、電流伝達率が１００％のフォトカプラを用いた場合の１４０％となり、同様に図１のＶｏ２における電流値も１４０％となる。この場合、入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴに至るまでの全体のゲインは（１４０／７０）＝２００％となる。つまり、図１の構成において、２つのフォトカプラの組み合わせによっては全体のゲインに最大４倍の開きが生じる。

また、例えば図４の構成においては、第１フォトカプラＰＣ２１の電流伝達率が７０％で、第２フォトカプラＰＣ２２の電流伝達率が１４０％と仮定した場合、電流ＩＦ２１は、電流伝達率が１００％のフォトカプラを用いた場合の（１００／７０）≒１４０％となる。よって、入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴに至るまでの全体のゲインは１４０×１４０）≒２００％となる。また、例えば第１フォトカプラＰＣ２１の電流伝達率が１４０％で、第２フォトカプラＰＣ２２の電流伝達率が７０％と仮定した場合、電流ＩＦ２１は、電流伝達率が１００％のフォトカプラを用いた場合の（１００／１４０）≒７０％となり、入力端子ＩＮから出力端子ＯＵＴに至るまでの全体のゲインは７０×７０）≒５０％となる。つまり、図４の構成において、２つのフォトカプラの組み合わせによっては全体のゲインに最大４倍の開きが生じる。

以上を踏まえ、電流伝達率のばらつきによるアイソレーションアンプ全体のゲインのばらつきを低減する仕組みについて説明する。フォトカプラにおいては、トランジスタの直流電流増幅率ｈＦＥ(＝Ｉｃ／Ｉｂ)及び交流電流増幅率 ｈｆｅ（＝ΔＩｃ／ΔＩｂ）と同様の定数がそれぞれ存在する。フォトカプラにおける電流伝達率ＣＴＲは、トランジスタの直流電流増幅率ｈＦＥに相当し、トランジスタのベース電流Ｉｂごとのコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ−コレクタ電流Ｉｃに類似する特性がある。図８は、フォトカプラにおける、フォトカプラの発光ダイオードに流れる電流ＩＦごとのコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ−コレクタ電流Ｉｃ特性の一例を示す模式図である。図８の左側の図において、 コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ＝５Ｖでコレクタ電流Ｉｃ＝５ｍＡにおいて、電流ＩＦは５ｍＡであるため、電流伝達率ＣＴＲ（＝ＩＣ／ＩＦ）は１００％である。一方、例えば電流ＩＦ＝４ｍＡと６ｍＡに注目すると、コレクタ電流ＩＣの変化量は３ｍＡ程度のため、ΔＩＣ／ΔＩＦは（３／２）≒１５０％である。

図８の右側の図は、電流伝達率が左側の約２倍程度のフォトカプラにおける、電流ＩＦごとのコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ−コレクタ電流Ｉｃ特性の一例を示す模式図である。電流ＩＦ＝２ｍＡから３ｍＡでは、コレクタ電流ＩＣの変化量は約３ｍＡであるから、ΔＩＣ／ΔＩＦは（３／１）≒３００％である。図８の左側の図と右側の図を重ねると図９のようになる。フォトカプラにおける直流的な電流伝達率（ＩＣ／ＩＦ）と、交流的な電流伝達率であるΔＩｃ/ΔＩＦは おおよそ比例している。この比例関係を用いることで、以下のとおり、交流信号のゲインの調整とＤＣ動作点の安定性(ダイナミックレンジの確保)を図ることが可能となる。

図１０は、第５実施形態に係るアイソレーションアンプ１０ｅの電気的構成を示す図である。アイソレーションアンプ１０ｅは、図５に示したアイソレーションアンプ１０ｄの一部の構成を変更したものであり、図１０において図５と同じ構成には同一の符号を付している。アイソレーションアンプ１０ｅは、第１、第２フォトカプラＰＣ３１、ＰＣ３２、増幅器Ｕ３１、第１、第２コンデンサＣ３１，Ｃ３２、第１、第２トランジスタｔ２１，ｔ２２、抵抗Ｒ５１〜Ｒ５３，Ｒ５６，Ｒ６１，Ｒ６２及び可変抵抗Ｒ６３を有している。抵抗Ｒ５３と抵抗Ｒ５６は同じ抵抗値である。第１、第２フォトカプラＰＣ３１、ＰＣ３２の、電流伝達率ＣＴＲ以外の特性はほぼ同じである。アナログ信号の入力側Ｉの電気回路と出力側Ｏの電気回路とは絶縁されており、入力側Ｉの入力端子ＩＮから入力される入力信号が出力側Ｏに伝達され、出力側Ｏの出力端子ＯＵＴから出力される。

第１、第２トランジスタｔ２１，ｔ２２、抵抗Ｒ６２及び可変抵抗Ｒ６３は、カレントミラー回路（調整手段）を構成している。このカレントミラー回路において、可変抵抗Ｒ６３の抵抗値を変更することによって、第１フォトカプラＰＣ３１の発光ダイオードＤ３１を流れる電流ＩＦ４１及び第２フォトカプラＰＣ３１の発光ダイオードＤ３２を流れる電流ＩＦ４２の比を調整することができる。入力信号Ｖｉｎが入力端子ＩＮに入力されるとき、Ｖｏ１＝Ｖｉｎであり、電流ＩＦ４１は、フォトカプラＰＣ３１の電流伝達率に応じた値となる。一方、電流ＩＦ４２は、電流ＩＦ４１の電流値×（抵抗Ｒ６２の抵抗値／可変抵抗Ｒ６３の抵抗値）となる。

ここで、出力端子ＯＵＴにおいて入力信号Ｖｉｎと同じ交流信号の値となるように可変抵抗Ｒ６２の抵抗値を調整する。前述したように、フォトカプラにおける直流的な電流伝達率（ＩＣ／ＩＦ）と、交流的な電流伝達率であるΔＩｃ/ΔＩＦは おおよそ比例している。例えばフォトカプラＰＣ３２の直流的な電流伝達率がフォトカプラＰＣ３１の５０％なら、可変抵抗Ｒ６３の抵抗値を抵抗Ｒ６２の抵抗値の約半分にして、２倍の電流ＩＦ４２が発光ダイオードＤ３２に流れるようにすれば、出力端子ＯＵＴにおいて入力信号Ｖｉｎとほぼ同じ交流信号の値となる。フォトカプラにおける直流的な電流伝達率（ＩＣ／ＩＦ）と、交流的な電流伝達率であるΔＩｃ/ΔＩＦは おおよそ比例しているから、出力端子ＯＵＴのＤＣ電位（動作点)もＶｏ１とほぼ等しくなり、所望のダイナミックレンジも得やすくなる。

このように、第５実施形態によれば、アイソレーションアンプにおける２つのフォトカプラのうち、一方のフォトカプラにおいて生じた歪みを用いて、他方のフォトカプラにおける生じる歪みが低減するように、他方のフォトカプラに流れる電流をフィードバック制御することで、出力信号における歪みを低減させることが可能となる。さらに、フォトカプラにおける直流的な電流伝達率（ＩＣ／ＩＦ）と、交流的な電流伝達率であるΔＩｃ/ΔＩＦは おおよそ比例していることに基づき、カレントミラー回路の可変抵抗Ｒ６３を変更して、２つのフォトカプラをそれぞれ流れる電流の値の比を調整することで（調整手段）、出力端子ＯＵＴにおいて入力信号Ｖｉｎと同じ交流信号の値とする。これにより、フォトカプラの電流伝達率のばらつきがあっても一カ所の調整でアイソレーションアンプのゲインを合わせこむと同時に動作点も合わせこむことが可能となる。

（６）第６実施形態
図１１は第６実施形態に係るアイソレーションアンプ１０ｇの電気的構成を示す図である。前述の第５実施形態のアイソレーションアンプをベースにＣｄＳを用いたフォトカプラ ＰＣ５３を用いて、出力からのフィードバックを追加した回路である。

アイソレーションアンプ１０ｇは、第１、第２フォトカプラＰＣ５１、ＰＣ５２、第１，第２増幅器Ｕ５１，Ｕ５２、第１〜第３コンデンサＣ５１，Ｃ５２，Ｃ５３、第１、第２トランジスタＴ５１，Ｔ５２、抵抗Ｒ９１〜１０２を有している。抵抗Ｒ９４と抵抗Ｒ１０２は同じ抵抗値である。第１、第２フォトカプラＰＣ５１、ＰＣ５２の電流伝達率ＣＴＲ以外の特性はほぼ同じである。アナログ信号の入力側Ｉの電気回路と出力側Ｏの電気回路とは絶縁されており、入力側Ｉの入力端子ＩＮから入力される入力信号が出力側Ｏに伝達され、出力側Ｏの出力端子ＯＵＴから出力される。また、出力端子ＯＵＴから抵抗 Ｒ１０１と第３コンデンサＣ５３による積分器を通って、直流成分だけが第２増幅器Ｕ５２による誤差増幅器に入って、基準電圧（入力側Ｉのバイアス電圧と同じ値）と比較され、第２フォトカプラＰＣ５２の発光ダイオードＤ５２の電流にフィードバックされる。

前述の第５実施形態の回路において、可変抵抗Ｒ６３を変化させてゲイン調整をすれば、動作点もほぼ調整できることを説明したが、この第６実施形態に係る回路においては、直流的な電流伝達率（ＩＣ／ＩＦ）と交流的な電流伝達率であるΔＩｃ/ΔＩＦが おおよそ比例しているという原理に従えば、逆に 動作点を合わせれば、ゲインもほぼ合うことになる。

ここで取り扱う信号は交流であり 必要な周波数（音声信号なら例えば２０Ｈｚ以上）の信号を通せばよい。このため出力端子ＯＵＴから抵抗 Ｒ１０１と第３コンデンサＣ５３で、充分低いカットオフ周波数を選んだ積分器（ＨＰＦ）をつくり、直流成分を取り出して第２増幅器Ｕ５２による誤差増幅器に入力する。第２増幅器Ｕ５２に対しては、比較の基準として抵抗Ｒ９９で分圧された電圧が加わっている。このため、出力の直流電圧は この基準電圧と比較され、その出力が第２フォトカプラ Ｐ５２のＬＥＤを駆動して、抵抗Ｒ９６（ＣｄＳ）の抵抗値を変化させる。この抵抗値の変化は、第２フォトカプラＰＣ５２の発光ダイオードＤ５２の電流の変化となって出力に伝わる。この一連のループは 出力の直流電圧に対する負帰還となって、出力の直流電圧を誤差増幅器の基準電圧に保つように働く。

ところで、誤差増幅器に入力した基準電圧は任意の電圧に設定できるので、この電圧を入力側Ｉの抵抗Ｒ９１と抵抗Ｒ９３で作られたバイアス電圧と同じになるように設定すれば、入力側Ｉの第１フォトカプラＰＣ５１のフォトトランジスタＴ５１の動作点と出力側Ｏの第２フォトカプラＰＣ５２のフォトトランジスタＴ５２の動作点を同じにすることができる。このことは、同時に前述のように ゲインもほぼ同じに合わせられていることを意味している。

このように、第６実施形態によれば、直流的な電流伝達率（ＩＣ／ＩＦ）と交流的な電流伝達率であるΔＩｃ/ΔＩＦが おおよそ比例しているという原理に従い、動作点を合わせることでゲインも合わせられる。これにより、フォトカプラの電流伝達率のばらつきによるアイソレーションアンプ全体のゲインや動作点のばらつきを調整すること無く、ほぼ所望の値にすることができ、さらに負帰還の働きにより以降の環境変化や経年変化によるゲインの変動も抑えられる。

（７）第７実施形態
前出の実施形態では、ＣｄＳを用いたフォトカプラを使用していたが、ＣｄＳのフォトカプラは現在あまり無く、フォトトランジスタを用いたものが一般的である。第７実施形態に係るアイソレーションアンプ１０ｅは、図１２に示すように、フォトトランジスタを用いた第１〜第３フォトカプラＰＣ４１〜ＰＣ４３、第１、第２増幅器Ｕ４１，Ｕ４２、第１〜トランジスタｔ３１〜ｔ３３、第１、第２コンデンサＣ４１，Ｃ４２、第１、第２ツェナダイオードＺＤ１１，ＺＤ１２及び抵抗Ｒ７１〜Ｒ８６を有している。第１〜第３フォトカプラＰＣ４１〜ＰＣ４３の電流伝達率ＣＴＲ以外の特性はほぼ同じである。アナログ信号の入力側Ｉの電気回路と出力側Ｏの電気回路とは絶縁されており、入力側Ｉの入力端子ＩＮから入力される入力信号が出力側Ｏに伝達され、出力側Ｏの出力端子ＯＵＴから出力される。抵抗Ｒ７７と抵抗Ｒ８６は同じ抵抗値である。

第１増幅器Ｕ４１の負入力端子は、第１コンデンサＣ４１を介して入力端子ＩＮに接続されるとともに、抵抗Ｒ７１及びツェナダイオードＺＤ１１を介して接地されている。第１増幅器Ｕ４１の正入力端子は、抵抗Ｒ７７を介して接地されるとともに、第１フォトカプラＰＣ４１の第１トランジスタｔ４１のエミッタに接続されている。第１増幅器Ｕ４１の出力端子は、抵抗Ｒ７５を介して第３トランジスタｔ３３のベースに接続されている。第１フォトカプラＰＣ４１の第１フォトトランジスタＴ４１は、コレクタが電源Ｖcc1に接続されている。第３トランジスタｔ３３のエミッタは、第１、第２トランジスタｔ３１、ｔ３２のコレクタに接続されている。第１、第２トランジスタｔ３１、ｔ３２のエミッタは、それぞれ、第１フォトカプラＰＣ４１の第１発光ダイオードＤ４１のアノードと、第２フォトカプラＰＣ４２の第２発光ダイオードＤ４２のアノードに接続されている。第１フォトカプラＰＣ４１の第１発光ダイオードＤ４１のカソードと、第２フォトカプラＰＣ４２の第２発光ダイオードＤ４２のカソードは、いずれも接地されている。第２フォトカプラＰＣ４２の第２フォトトランジスタＴ４２のコレクタは電源Ｖcc2に接続されており、エミッタは出力端子ＯＵＴに接続されている。

第２増幅器Ｕ４２の負入力端子は、抵抗Ｒ８２を介して第２増幅器Ｕ４２の出力端子に接続されるとともに、抵抗Ｒ８４、Ｒ８５を介して出力端子ＯＵＴに接続される。第２増幅器Ｕ２の正入力端子は、抵抗Ｒ８３を介して電源Ｖcc2に接続されるとともに、ツェナダイオードＺＤ１２を介して接地されている。第３フォトカプラＰＣ４３の第２フォトトランジスタＴ４３のコレクタは、抵抗Ｒ８０を介して第２トランジスタｔ３２のベースに接続されており、エミッタは接地されている。第３フォトカプラＰＣ４３の第２発光ダイオードＤ４３のアノードは、抵抗Ｒ８１を介して第２増幅器Ｕ４２の出力端子に接続されており、カソードは接地されている。

第１ツェナダイオードＺＤ１１及び第２ツェナダイオードＺＤ１２は降伏電圧が等しく、このため入力側Ｉと出力側Ｏにおいてバイアス電位は等しくなっている。先の実施例では抵抗の分圧でここの電圧を決めていたが、電源電圧の変動の影響を受けないように、ツェナダイオードを用いることもできる。第１増幅器Ｕ４１、第２トランジスタｔ３２、第３トランジスタｔ３３及び第１フォトカプラＰＣ４１からなる入力系において、第１増幅器Ｕ４１の正入力端子は入力側Ｉのバイアス電位Ｖｚｄ１と等しくなり、抵抗Ｒ７７には、電流ＩＥ５１＝電位Ｖｚｄ１／抵抗Ｒ７７の抵抗値が流れる。第１フォトカプラＰＣ４１の電流伝達率が例えば １００％と仮定すると、第１発光ダイオードＤ４１には電流ＩＥ５１と同じ大きさの電流が流れることになる。

第３トランジスタｔ３３から出力される電流は、第１トランジスタｔ３１及び第２トランジスタｔ３２のベース電位の比に応じて分流される。この分流比は、出力側ＯのＤＣ電位がフィードバックされて決まるようになっている。つまり、第２トランジスタｔ３２のベース電位を、第１トランジスタｔ３１のベース電位に対して相対的に変化させることで決まる。出力側Ｏにおいては、入力側Ｉのバイアス電位と同じ基準電位になっており、この基準電位と出力側ＯのＤＣ電位が第２増幅器Ｕ４２に入力され、その出力信号が第３フォトカプラＰＣ４３の発光ダイオードＤ４３に入力されて、さらに、第３フォトカプラＰＣ４３の出力で第２トランジスタｔ３２のベース電位が決まる（自動調整手段）。これにより、出力端子ＯＵＴにおけるＤＣ電位は電位Ｖｚｄ２＝Ｖｚｄ１に維持される。抵抗Ｒ８６には、電流ＩＥ５２＝電位Ｖｚｄ２／抵抗Ｒ８６の抵抗値が流れる。また、入力側Ｉと同様に、第２フォトカプラＰＣ４２の電流伝達率が例えば１００％とすると、第２発光ダイオードＤ４２には電流ＩＥ５２と同じ大きさの電流が流れることになる。ここで 抵抗７７と抵抗Ｒ８６の抵抗値が同じであれば、電流ＩＥ５１＝電流ＩＤ５２である。従って、第１フォトカプラＰＣ４２と第２フォトカプラＰＣ４２の電流伝達率の違いによらず、それぞれの第１、第２フォトトランジスタＴ４１，Ｔ２を流れる電流が等しくなる。このように、フォトトランジスタにおいて電流が等しく流れるように、発光ダイオードにおける電流の大きさを調整すると、交流的なゲインとして、入力側Ｉのフォトカプラの出力に近い値が得られることになる。

図１３は、以上の原理をまとめた模式図である。まず、一つのフォトカプラで、直流的な電流伝達率と交流的な電流伝達率はほぼ比例する（このときの比率を比率１とする）。次に、２つのフォトカプラにおいて、等しい負荷でコレクタ電流ＩＣとコレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅをほぼ同じ動作点で動作させる。これらが歪みに関してほぼ同じ特性のフォトカプラであれば、直流的な電流伝達率と交流的な電流伝達率の比率１と比率１’はほぼ同じである。よって、２つのフォトカプラの交流的な電流伝達率の比率２’は直流的な電流伝達率の比率２とほぼ同じである。この関係によって、２つのフォトカプラの直流的な動作点（コレクタ電流ＩＣ、コレクタ・エミッタ電圧Ｖｃｅ)を電流ＩＦの分流によって合わせれば、交流的なゲインもほぼ近いところになる。

このように、第７実施形態によれば、アイソレーションアンプにおける２つのフォトカプラのうち、一方のフォトカプラにおいて生じた歪みを用いて、他方のフォトカプラにおける生じる歪みが低減するように、他方のフォトカプラに流れる電流をフィードバック制御することで、出力信号における歪みを低減させることが可能となる。さらに、出力信号の値が入力信号とほぼ同じ値となるように、２つのフォトカプラをそれぞれ流れる電流の比を自動調整することで(自動調整手段)、フォトカプラの電流伝達率のばらつきによるアイソレーションアンプ全体のゲインや動作点のばらつきを調整すること無く、ほぼ所望の値にすることができ、さらに負帰還の働きにより、以降の環境変化や経年変化によるゲインの変動も抑えられる。

Ｕ 増幅器、Ｒ 抵抗、ＰＣ フォトカプラ、Ｔ トランジスタ、Ｄ 発光ダイオード、Ｔ フォトトランジスタ、１０ アイソレーションアンプ。

Claims (4)

1. ほぼ同一の特性を有する２つのフォトカプラと、
   それぞれの前記フォトカプラにおいて生じる歪みを打ち消しあって出力信号における歪みを低減させる歪み低減手段と
   を備えるアイソレーションアンプ。
2. ほぼ同一の特性を有する２つのフォトカプラと、
   一方の前記フォトカプラにおいて生じた歪みを用いて、他方の前記フォトカプラにおける生じる歪みが低減するように他方の前記フォトカプラに流れる電流をフィードバック制御して、出力信号における歪みを低減させる歪み低減手段と
   を備えるアイソレーションアンプ。
3. ２つの前記フォトカプラをそれぞれ流れる電流の値の比を調整する調整手段を備える請求項２記載のアイソレーションアンプ。
4. さらにもう一つのフォトカプラを用いてアイソレーションをしつつ、出力から直流電位をフィードバックして、前記２つのフォトカプラに流れる電流の比を変化させることにより、ゲインと動作点の無調整化を行う請求項２記載のアイソレーションアンプ。

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