JP2018093102A - アイソレーションアンプ - Google Patents
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Abstract
【課題】増幅器を用いずに、入力信号と出力信号のリニアリティを改善する。【解決手段】電流Ｉｉｎは、電流Ｉ１と電流Ｉ２に分かれる。電流Ｉ１が発光ダイオードＤ１を流れると、発光ダイオードＤ１が発光し、フォトトランジスタＱ１の電流路が導通する。このとき、発光ダイオードＤ２に電流Ｉｏｕｔが流れ、発光ダイオードＤ２が発光する。発光ダイオードＤ２が発光すると、フォトトランジスタＱ２の電流路が導通し、電流Ｉ２が流れる。例えば、電流Ｉｏｕｔが過度に大きいとき、発光ダイオードＤ２の発光強度も過度に大きい。このとき、フォトトランジスタＱ２に大きな電流Ｉ２が流れる。このため、発光ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ１が減少する。これにより、発光ダイオードＤ１の発光強度が小さくなるため、電流Ｉｏｕｔは減少する。このように、フォトカプラＰ２が負帰還回路として機能するため、電流Ｉｉｎと電流Ｉｏｕｔのリニアリティが向上する。【選択図】図１
Description
本発明は、入力端と出力端が電気的に絶縁されたアイソレーションアンプに関する。
フォトカプラは、入力端と出力端が電気的に絶縁されているにも関わらず、入力端と出力端の間で信号を伝達することができる。しかし、フォトカプラは通常入力信号と出力信号が比例の関係になく、例えば入力信号が直線的に変化する場合であっても出力信号は直線的に変化しない。これは、フォトカプラをスイッチング素子として用いる場合には問題とならない。しかし、フォトカプラ単独では、入力信号と出力信号の高いリニアリティが要求される用途に用いることができない。
そこで、特許文献１は、２つのフォトカプラと負帰還増幅器とを用いて入力信号と出力信号のリニアリティを改善した絶縁増幅器（アイソレーションアンプ）を開示する。この絶縁増幅器において、第１のフォトカプラは、入力端子から入力される入力電流に応じた電流を出力する。第２のフォトカプラは、出力端子から出力される出力電流に応じた電流を出力する。負帰還増幅器は、第１のフォトカプラの出力電流に応じた電圧が正入力端に入力され、第２のフォトカプラの出力電流に応じた電圧が負入力端に入力され、それらの電圧が等しくなるような出力電流を出力端から出力する。負帰還増幅器の出力端は出力端子に接続されており、負帰還増幅器の出力端から出力される出力電流が出力端子から出力される。２つのフォトカプラの特性が相似であれば、この絶縁増幅器の入力電流と出力電流は比例関係となる。
特許文献１に記載の絶縁増幅器は、増幅器を含んでいる。
本発明の目的は、増幅器を用いることなく、入力信号と出力信号のリニアリティを改善することができるアイソレーションアンプを提供することである。
上記目的を達成するために、本発明のアイソレーションアンプは、
流れる電流に応じて発光する発光素子と、当該発光素子から生じる光の強度に応じた大きさの電流を流す受光素子とを含む第１および第２の光結合素子を有し、
前記第１の光結合素子に含まれる発光素子と、前記第２の光結合素子に含まれる受光素子とが並列に接続されており、
前記第１の光結合素子に含まれる受光素子と、前記第２の光結合素子に含まれる発光素子とが直列に接続されており、
前記並列に接続された発光素子と受光素子から成る回路に電流が入力されるとき、前記直列に接続された発光素子と受光素子から成る回路に流れる電流または当該電流に応じた電圧を出力する、
ことを特徴とする。
流れる電流に応じて発光する発光素子と、当該発光素子から生じる光の強度に応じた大きさの電流を流す受光素子とを含む第１および第２の光結合素子を有し、
前記第１の光結合素子に含まれる発光素子と、前記第２の光結合素子に含まれる受光素子とが並列に接続されており、
前記第１の光結合素子に含まれる受光素子と、前記第２の光結合素子に含まれる発光素子とが直列に接続されており、
前記並列に接続された発光素子と受光素子から成る回路に電流が入力されるとき、前記直列に接続された発光素子と受光素子から成る回路に流れる電流または当該電流に応じた電圧を出力する、
ことを特徴とする。
本発明によれば、増幅器を用いることなく、入力信号と出力信号のリニアリティを改善することができる。
以下、本発明の実施形態に係るアイソレーションアンプについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する図１と図２において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
図１は、本発明の実施形態に係るアイソレーションアンプ１の構成の一例を示す。
アイソレーションアンプ１は、第１の光結合素子であるフォトカプラＰ１と、第２の光結合素子であるフォトカプラＰ２と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２とを有する。
フォトカプラＰ１は、発光素子である発光ダイオードＤ１と、受光素子であるフォトトランジスタＱ１とを含む。同様に、フォトカプラＰ２は、発光素子である発光ダイオードＤ２と、受光素子であるフォトトランジスタＱ２とを含む。フォトカプラＰ１とフォトカプラＰ２の特性は同一が望ましいが、相似でもよい。ただし、相似の場合は増幅器が必要となる。
アイソレーションアンプ１は、第１の光結合素子であるフォトカプラＰ１と、第２の光結合素子であるフォトカプラＰ２と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２とを有する。
フォトカプラＰ１は、発光素子である発光ダイオードＤ１と、受光素子であるフォトトランジスタＱ１とを含む。同様に、フォトカプラＰ２は、発光素子である発光ダイオードＤ２と、受光素子であるフォトトランジスタＱ２とを含む。フォトカプラＰ１とフォトカプラＰ２の特性は同一が望ましいが、相似でもよい。ただし、相似の場合は増幅器が必要となる。
入力端子Ｖｉｎは、抵抗Ｒ１の一端に接続されている。
抵抗Ｒ１は、一端が入力端子Ｖｉｎに接続されており、他端が発光ダイオードＤ１のアノードとフォトトランジスタＱ２のコレクタに接続されている。
発光ダイオードＤ１は、アノードが抵抗Ｒ１の他端に接続されており、カソードが接地されている。フォトトランジスタＱ２は、コレクタが抵抗Ｒ１の他端に接続されており、エミッタが接地されている。すなわち、発光ダイオードＤ１とフォトトランジスタＱ２は、並列に接続されている。
発光ダイオードＤ２は、アノードに電源電圧Ｖｃｃが印加され、カソードがフォトトランジスタＱ１のコレクタに接続されている。フォトトランジスタＱ１は、コレクタが発光ダイオードＤ２のカソードに接続されており、エミッタが抵抗Ｄ２の一端に接続されている。すなわち、発光ダイオードＤ２とフォトトランジスタＱ１は、直列に接続されている。
抵抗Ｒ２は、一端がフォトトランジスタＱ１のエミッタに接続されており、他端が接地されている。
出力端子Ｖｏｕｔは、フォトトランジスタＱ１のエミッタと抵抗Ｒ２の一端との接続部分に接続されている。
抵抗Ｒ１は、一端が入力端子Ｖｉｎに接続されており、他端が発光ダイオードＤ１のアノードとフォトトランジスタＱ２のコレクタに接続されている。
発光ダイオードＤ１は、アノードが抵抗Ｒ１の他端に接続されており、カソードが接地されている。フォトトランジスタＱ２は、コレクタが抵抗Ｒ１の他端に接続されており、エミッタが接地されている。すなわち、発光ダイオードＤ１とフォトトランジスタＱ２は、並列に接続されている。
発光ダイオードＤ２は、アノードに電源電圧Ｖｃｃが印加され、カソードがフォトトランジスタＱ１のコレクタに接続されている。フォトトランジスタＱ１は、コレクタが発光ダイオードＤ２のカソードに接続されており、エミッタが抵抗Ｄ２の一端に接続されている。すなわち、発光ダイオードＤ２とフォトトランジスタＱ１は、直列に接続されている。
抵抗Ｒ２は、一端がフォトトランジスタＱ１のエミッタに接続されており、他端が接地されている。
出力端子Ｖｏｕｔは、フォトトランジスタＱ１のエミッタと抵抗Ｒ２の一端との接続部分に接続されている。
次に、アイソレーションアンプ１の動作について説明する。
入力端子Ｖｉｎに電圧が印加されると、電流Ｉｉｎが、抵抗Ｒ１を介して、発光ダイオードＤ１とフォトトランジスタＱ２が並列に接続された回路に流れる。
電流Ｉｉｎは、電流Ｉ１と電流Ｉ２に分かれる。電流Ｉ１は発光ダイオードＤ１を流れる。電流Ｉ１が発光ダイオードＤ１を流れると、発光ダイオードＤ１が発光し、フォトトランジスタＱ１の電流路が導通する。このとき、発光ダイオードＤ２とフォトトランジスタＱ１が直列に接続された回路に電流Ｉｏｕｔが流れる。電流Ｉｏｕｔが流れると、抵抗Ｒ２に電圧が生じ、その電圧が出力端子Ｖｏｕｔから出力される。また、電流Ｉｏｕｔが流れると、発光ダイオードＤ２が発光してフォトトランジスタＱ２の電流路が導通し、電流Ｉ２が流れる。
入力端子Ｖｉｎに電圧が印加されると、電流Ｉｉｎが、抵抗Ｒ１を介して、発光ダイオードＤ１とフォトトランジスタＱ２が並列に接続された回路に流れる。
電流Ｉｉｎは、電流Ｉ１と電流Ｉ２に分かれる。電流Ｉ１は発光ダイオードＤ１を流れる。電流Ｉ１が発光ダイオードＤ１を流れると、発光ダイオードＤ１が発光し、フォトトランジスタＱ１の電流路が導通する。このとき、発光ダイオードＤ２とフォトトランジスタＱ１が直列に接続された回路に電流Ｉｏｕｔが流れる。電流Ｉｏｕｔが流れると、抵抗Ｒ２に電圧が生じ、その電圧が出力端子Ｖｏｕｔから出力される。また、電流Ｉｏｕｔが流れると、発光ダイオードＤ２が発光してフォトトランジスタＱ２の電流路が導通し、電流Ｉ２が流れる。
フォトカプラＰ２は負帰還回路として機能する。
電流Ｉｏｕｔが過度に大きいとき、発光ダイオードＤ２の発光強度も過度に大きい。このとき、フォトトランジスタＱ２に大きな電流Ｉ２が流れる。このため、発光ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ１が減少する。これにより、発光ダイオードＤ１の発光強度が小さくなるため、電流Ｉｏｕｔは減少する。
逆に、電流Ｉｏｕｔが過度に小さいとき、発光ダイオードＤ２の発光強度も過度に小さい。このとき、フォトトランジスタＱ２に小さな電流Ｉ２が流れる。このため、発光ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ１が増加する。これにより、発光ダイオードＤ１の発光強度が大きくなるため、電流Ｉｏｕｔは増加する。
このように、フォトカプラＰ２が負帰還回路として機能するため、入力端子Ｖｉｎに印加される電圧と出力端子Ｖｏｕｔから出力される電圧（電流Ｉｉｎと電流Ｉｏｕｔ）とのリニアリティが向上する。
電流Ｉｏｕｔが過度に大きいとき、発光ダイオードＤ２の発光強度も過度に大きい。このとき、フォトトランジスタＱ２に大きな電流Ｉ２が流れる。このため、発光ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ１が減少する。これにより、発光ダイオードＤ１の発光強度が小さくなるため、電流Ｉｏｕｔは減少する。
逆に、電流Ｉｏｕｔが過度に小さいとき、発光ダイオードＤ２の発光強度も過度に小さい。このとき、フォトトランジスタＱ２に小さな電流Ｉ２が流れる。このため、発光ダイオードＤ１に流れる電流Ｉ１が増加する。これにより、発光ダイオードＤ１の発光強度が大きくなるため、電流Ｉｏｕｔは増加する。
このように、フォトカプラＰ２が負帰還回路として機能するため、入力端子Ｖｉｎに印加される電圧と出力端子Ｖｏｕｔから出力される電圧（電流Ｉｉｎと電流Ｉｏｕｔ）とのリニアリティが向上する。
図２は、図１のアイソレーションアンプ１の変形例であるアイソレーションアンプ２の構成を示す。
アイソレーションアンプ２は、直列に接続されている発光ダイオードＤ２とフォトトランジスタＱ１の接続順が逆である点がアイソレーションアンプ１と異なる。すなわち、フォトトランジスタＱ１は、コレクタに電源電圧Ｖｃｃが印加され、エミッタが発光ダイオードＤ２のアノードに接続されている。発光ダイオードＤ２は、アノードがフォトトランジスタＱ１のエミッタに接続されており、カソードが抵抗Ｒ２の一端と出力端子Ｖｏｕｔに接続されている。
これ以外の点および動作は、アイソレーションアンプ２とアイソレーションアンプ１とで同一である。
アイソレーションアンプ２は、直列に接続されている発光ダイオードＤ２とフォトトランジスタＱ１の接続順が逆である点がアイソレーションアンプ１と異なる。すなわち、フォトトランジスタＱ１は、コレクタに電源電圧Ｖｃｃが印加され、エミッタが発光ダイオードＤ２のアノードに接続されている。発光ダイオードＤ２は、アノードがフォトトランジスタＱ１のエミッタに接続されており、カソードが抵抗Ｒ２の一端と出力端子Ｖｏｕｔに接続されている。
これ以外の点および動作は、アイソレーションアンプ２とアイソレーションアンプ１とで同一である。
なお、上述した実施形態では、光結合素子の一例として発光ダイオードとフォトトランジスタを含むフォトカプラを示したが、これに限らず、流れる電流に応じて発光する発光素子と、その発光素子から生じる光の強度に応じた大きさの電流を流す受光素子とを含む光結合素子であれば、本発明に係る光結合素子として使用することができる。
また、上述した実施形態では、入力端子Ｖｉｎに電圧が印加され、抵抗Ｒ１を介して電流Ｉｉｎが流れる構成の例を示したが、抵抗Ｒ１がなく、外部の電流源から入力端子に電流Ｉｉｎが入力される構成としてもよい。
また、上述した実施形態では、電流Ｉｏｕｔが抵抗Ｒ２を流れると、抵抗Ｒ２に電圧が生じ、その電圧が出力端子Ｖｏｕｔから出力される構成の例を示したが、抵抗Ｒ２がなく、出力端子から外部の負荷に対して電流Ｉｏｕｔが出力される構成としてもよい。
また、上述した実施形態では、電流Ｉｏｕｔが抵抗Ｒ２を流れると、抵抗Ｒ２に電圧が生じ、その電圧が出力端子Ｖｏｕｔから出力される構成の例を示したが、抵抗Ｒ２がなく、出力端子から外部の負荷に対して電流Ｉｏｕｔが出力される構成としてもよい。
以上説明したように、本発明によれば、増幅器を用いることなく、入力信号と出力信号のリニアリティを改善することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。
１，２…アイソレーションアンプ、Ｐ１…フォトカプラ、Ｄ１…フォトカプラＰ１の発光ダイオード、Ｑ１…フォトカプラＰ１のフォトトランジスタ、Ｐ２…フォトカプラ、Ｄ２…フォトカプラＰ２の発光ダイオード、Ｑ２…フォトカプラＰ２のフォトトランジスタ、Ｒ１，Ｒ２…抵抗
Claims (1)
- 流れる電流に応じて発光する発光素子と、当該発光素子から生じる光の強度に応じた大きさの電流を流す受光素子とを含む第１および第２の光結合素子を有し、
前記第１の光結合素子に含まれる発光素子と、前記第２の光結合素子に含まれる受光素子とが並列に接続されており、
前記第１の光結合素子に含まれる受光素子と、前記第２の光結合素子に含まれる発光素子とが直列に接続されており、
前記並列に接続された発光素子と受光素子から成る回路に電流が入力されるとき、前記直列に接続された発光素子と受光素子から成る回路に流れる電流または当該電流に応じた電圧を出力する、
ことを特徴とするアイソレーションアンプ。
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- 2016-12-06 JP JP2016236474A patent/JP2018093102A/ja active Pending
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- 2017-10-20 CN CN201780073448.8A patent/CN109997232A/zh active Pending
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- 2017-10-20 US US16/467,372 patent/US20190331527A1/en not_active Abandoned
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