JP3283910B2 - クランプ型電流電圧変換回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直流および交流の入力
電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路に係
り、特に出力電圧信号を特定電圧でクランプする機能を
有するクランプ型電流電圧変換回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】電流電圧変換回路の次段に接続される回
路に許容入力範囲の制限がある場合などには、出力電圧
信号が次段の許容入力範囲に収まるようにクランプする
機能を有するクランプ型電流電圧変換回路が使用され
る。図４は、従来のクランプ型電流電圧変換回路の一例
を示す回路図である。

【０００３】ここで、増幅器40は、正相入力端子41、逆
相入力端子42、正相出力端子43、逆相出力端子44を有す
る。上記逆相出力端子44と正相入力端子41との間には、
負帰還用の帰還抵抗45が接続されると共に電圧クランプ
用のＮＰＮトランジスタ46のエミッタ・コレクタ間が接
続され、このトランジスタ46のベースは前記正相出力端
子43が接続されている。そして、前記逆相入力端子42に
は、固定電圧源47から参照電圧が印加されている。

【０００４】上記回路によれば、入力電流信号Ｉinが電
圧信号に変換されて出力される。そして、入力電流信号
が所定値以上に増加すると、逆相出力端子44から正相入
力端子41へ帰還する入力電流信号が増加し、逆相出力端
子44の電位が、正相出力端子43の電位に対してトランジ
スタ46のベース・エミッタ間順方向飽和電圧よりも下が
らないようにクランプされる。

【０００５】しかし、上記回路においては、増幅器40の
逆相出力端子44と正相入力端子41とが前記トランジスタ
46のベース・コレクタ間接合によって結合しているの
で、正相出力端子43の交流信号分は上記ベース・コレク
タ間接合の容量Ｃcbを介して正相入力端子41に正帰還さ
れてしまう。

【０００６】これにより、入力電流信号の一部の周波数
成分の利得が高くなる、あるいは、入力電流信号がない
場合でも正相出力端子43に現われる雑音信号の一部の周
波数成分が増幅されて発振するなどの不具合が発生し易
くなる。この現象は、入力電流信号に対する逆相出力端
子44の電圧信号の比率、つまり、伝達関数Ｚ（ｆ）（但
し、ｆは周波数）によっても説明できる。即ち、クラン
プ状態でない時のＺ（ｆ）は次式（１）で表わされる。 Ｚ（ｆ）＝−ＲF ／［１＋ｊ２πｆ｛（τ／Ａ0 ）−τe ｝＋（ｊ２πｆ）² ・ττe ／Ａ0 ］ …（１） ここで、ＲF ：帰還抵抗値 ｊ ：虚数単位 π ：円周率 τe ：ＲF とＣcbの値との積 Ｃcbは、トランジスタのベース・コレクタ間接合容量 Ａ0 ：増幅器の直流利得 τ ：増幅器の時定数（τ＝１／２πｆc ）

【０００７】ｆc は増幅器の周波数帯域（利得Ａ0 が３
ｄｂ低下する周波数）上式（１）におけるＺ（ｆ）の絶
対値｜Ｚ（ｆ）｜と周波数ｆとの関係は、図６に示すよ
うな関数曲線となる。この関数曲線においては、高周波
領域でτ／Ａ0 とτe とが近付くと、 ｆA ＝ ｛Ａ0 ／τ・τe ｝^1/2 ／２π …（２） の周波数で、｜Ｚ（ｆ）｜は図６中に点線で示すような
極大値｜Ｚ1 （ｆ）｜になる。特に、τ／Ａ0 とτe と
が一致した場合には、発振状態になり、電流電圧変換機
能が全く失われる。

【０００８】上記したように交流信号での動作が不安定
になる現象が生じないように、τeの値、つまり、帰還
抵抗値ＲF あるいはトランジスタのベース・コレクタ間
接合容量Ｃcbの値を限定するなどの処置を行うならば、
電子回路設計上の自由度が減少してしまう。このような
問題を解決すべく、周波数特性がより良好になり、交流
信号での動作が安定化するクランプ型電流電圧変換回路
が提案されている。図５は、上記提案に係るクランプ型
電流電圧変換回路の一例を示す回路図である。この回路
は、図４に示した回路と比べて、電圧クランプ用トラン
ジスタ46のベースに接続されるクランプ電位決定用電圧
源が異なり、その他は同じである。

【０００９】即ち、増幅器40の正相出力端子43と逆相出
力端子44との間に相等しい抵抗値を有する２個の抵抗5
1、52が直列に接続され、この２個の抵抗51、52の直列
接続ノードが前記トランジスタ46のベースに接続されて
いる。

【００１０】上記回路において、増幅器40の入力電流信
号がない時には、正相出力端子電圧と逆相出力端子電圧
とは同一電位になる。入力電流信号が増加すると、逆相
出力端子電圧が降下し、正相出力端子電圧は、逆相出力
端子電圧の降下量と同量だけ上昇する。

【００１１】従って、前記２個の抵抗51、52の直列接続
ノードの電圧、つまり、前記トランジスタ46のベース電
位は、入力電流信号の有無に拘らず一定値となり、トラ
ンジスタ46のベースには交流信号が現われない。逆相出
力端子電圧は、入力電流信号が増加しても、クランプ電
位決定用電圧源（本例では、トランジスタ46のベース電
位、一定値）に対してトランジスタ46のベース・エミッ
タ間順方向飽和電圧よりも下がらないようにクランプさ
れる。

【００１２】即ち、上記回路によれば、トランジスタ46
のベースには交流信号が現われないので、増幅器40の逆
相出力端子44と正相入力端子41とが前記トランジスタ46
のベース・コレクタ間接合容量Ｃcbを介して正相入力端
子41に正帰還する信号はなく、入力電流信号の一部の周
波数成分の利得が高くなる、あるいは、発振するなどの
不具合が発生し難くなる。換言すれば、周波数特性がよ
り良好になり、交流信号での動作が安定化する。上記回
路がクランプ状態でない時の伝達関数Ｚ２（ｆ）は次式
（３）で表わされる。 Ｚ２（ｆ）＝−ＲF ／｛１＋ｊ２πｆ（τ／Ａ0 ）｝ …（３）

【００１３】上式（３）の絶対値｜Ｚ2 （ｆ）｜と周波
数ｆとの関係は、図６中に実線で示すような関数曲線と
なり、｜Ｚ2 （ｆ）｜の極大値は現われず、｜Ｚ2
（ｆ）｜はｆA より高い周波領域においてｆの増加に伴
って単純に減少する。図７は、図５の回路の入力電流信
号Ｉinと逆相出力端子電圧Ｖ（−）または正相出力端子
電圧Ｖ（＋）との関係を示す特性図である。

【００１４】図中、Ｖｆは前記トランジスタ46のベース
・エミッタ間順方向飽和電圧（例えばシリコントランジ
スタの場合には、約０．７Ｖ、ゲルマニウムトランジス
タの場合には、約０．３Ｖ）を表わす。図８は、図５の
回路の変形例を示す回路図である。

【００１５】この回路は、図５に示した回路と比べて、
前記トランジスタ46のエミッタと増幅器40の逆相出力端
子44との間に抵抗81が挿入接続されている点が異なり、
その他は同じである。この抵抗81の存在により、クラン
プ時の負帰還量を下げることができ、図５に示した回路
よりも発振が一層発生し難くなる。

【００１６】ところで、図４あるいは図５あるいは図８
に示すようなクランプ型電流電圧変換回路においては、
逆相出力端子電圧がクランプされた状態において発振し
易くなるという問題がある。この現象は、以下に述べる
ような周波数特性の論議により説明できる。

【００１７】図９は、前記したクランプ型電流電圧変換
回路における負帰還ループの利得・周波数特性の一例を
示している。ここで、実線は非クランプ時のループ利得
Ａ・β（Ａは増幅器そのものの利得、βは非クランプ時
の負帰還経路の利得）を表わしており、点線はクランプ
時のループ利得Ａ・βc （Ａは増幅器そのものの利得、
βc はクランプ時の負帰還経路の利得、βc ＞β）を表
わしている。

【００１８】図１０は、前記したクランプ型電流電圧変
換回路における負帰還ループの位相・周波数特性の一例
を示しており、実線は非クランプ時、点線はクランプ
時、ｆFBは利得が１（＝０ｄｂ）になる周波数を表わし
ている。

【００１９】図９および図１０から分かるように、クラ
ンプ状態では、ループ利得Ａ・βcが非クランプ状態よ
りも高くなり、ｆFB近傍のループ位相は−３６０度に近
付き、位相余裕Φmc（ｆFBにおけるループ位相の−３６
０度までの残留角度）が小さくなる。即ち、クランプ状
態では、発振し易くなり、電流電圧変換機能の安定性が
損なわれ易い。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】上記したようなクラン
プ型電流電圧変換回路は、増幅器の逆相出力端子電圧が
クランプされた状態において発振し易くなるという問題
があった。

【００２１】本発明は上記の問題点を解決すべくなされ
たもので、増幅器の逆相出力端子電圧がクランプされた
状態において発振し難いクランプ型電流電圧変換回路を
提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明のクランプ型電流
電圧変換回路は、差動増幅回路およびこれに接続された
正相入力端子、逆相入力端子、逆相出力端子および差動
増幅回路バイアス電流制御用の制御入力端子を有する増
幅器と、この増幅器の逆相入力端子に接続された固定電
圧源と、上記増幅器の逆相出力端子と正相入力端子との
間に接続された負帰還用の帰還抵抗と、上記逆相出力端
子と正相入力端子との間に接続された電圧クランプ用の
第１のバイポーラトランジスタと、この第１のバイポー
ラトランジスタに対してエミッタ同士およびベース同士
が共通接続され、コレクタが前記増幅器の制御入力端子
に接続されたバイアス電流制御用の第２のバイポーラト
ランジスタと、上記第１のバイポーラトランジスタおよ
び第２のバイポーラトランジスタの各ベースに接続され
たクランプ電位決定用電圧源とを具備することを特徴と
する。

【００２３】

【作用】増幅器の逆相出力端子電圧がクランプされた状
態において、増幅器そのものの利得を低減させてループ
位相の位相余裕が大きくなるように制御することが可能
になる。これにより、クランプ型電流電圧変換回路が発
振し難くなり、その電流電圧変換機能の安定性が向上す
る。

【００２４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は、本発明のクランプ型電流電圧変換
回路の一実施例を示している。

【００２５】１は増幅器であり、差動増幅回路10および
これに接続された正相入力端子11、逆相入力端子12、逆
相出力端子13およびバイアス電流制御用の制御入力端子
14を有する。

【００２６】この差動増幅回路10は、エミッタ同士が共
通接続された差動入力用のＮＰＮトランジスタQ1および
Q2と、このトランジスタQ1およびQ2の各コレクタと電源
電圧（ＶCC）ノードとの間に対応して接続された負荷抵
抗R1およびR2と、上記差動入力用トランジスタQ1および
Q2のエミッタ共通接続ノードと接地電位（ＶSS）ノード
との間に接続されたバイアス電流源用の例えばＮＰＮト
ランジスタQ3およびQ4からなるカレントミラー回路と、
このカレントミラー回路の出力側トランジスタQ4のコレ
クタに接続され、互いに直列に接続された２個の抵抗R3
およびR4とを有する。そして、前記差動入力用トランジ
スタQ1およびQ2の各ベースに対応して前記正相入力端子
11および逆相入力端子12が接続されており、一方の差動
入力用トランジスタQ1のコレクタに前記逆相出力端子13
が接続されており、前記２個の抵抗R3およびR4の分圧ノ
ードに前記制御入力端子14が接続されている。

【００２７】上記増幅器１においては、制御入力端子14
から外部に取り出す電流を制御することにより、カレン
トミラー回路の出力電流が減少し、差動増幅回路10のバ
イアス電流が減少するように制御される。

【００２８】一方、図１中、２は上記増幅器１の逆相入
力端子12に接続された固定電圧源である。３は上記増幅
器１の逆相出力端子13と正相入力端子11との間に接続さ
れた負帰還用の帰還抵抗である。４は上記逆相出力端子
13と正相入力端子11との間に接続された電圧クランプ用
の第１のＮＰＮトランジスタである。５は上記第１のト
ランジスタ４に対してエミッタ同士およびベース同士が
共通接続され、コレクタが前記制御入力端子14に接続さ
れたバイアス電流制御用の第２のＮＰＮトランジスタで
ある。６は上記第１のトランジスタ４および第２のトラ
ンジスタ５の各ベースに接続されたクランプ電位決定用
電圧源である。このクランプ電位決定用電圧源６は、図
４を参照して前述したように、増幅器の正相出力端子電
圧とか、図５を参照して前述したように、増幅器の逆相
出力端子と正相出力端子との間に相等しい抵抗値を有す
る２個の抵抗を直列に接続し、この２個の抵抗の直列接
続ノードの電圧を使用することが可能である。

【００２９】上記回路において、入力電流信号が小さい
非クランプ状態では、入力電流信号Ｉinの殆んどが帰還
抵抗３を流れる。入力電流信号が増加し、入力電流信号
の殆んどが電圧クランプ用トランジスタ４を流れ、逆相
出力端子電圧Ｖ（−）がクランプされた状態では、バイ
アス電流制御用トランジスタ５にも上記電圧クランプ用
トランジスタ４と同等の電流が流れる。これにより、増
幅器１の制御入力端子14から外部に電流が取り出され、
増幅器１の差動増幅回路10のバイアス電流が減少するの
で、増幅器そのものの利得が低減し、ループ位相の位相
余裕が大きくなる。この効果は、以下に述べるような周
波数特性の論議により説明できる。

【００３０】図２は、図１の回路における負帰還ループ
の利得・周波数特性の一例を示している。ここで、実線
は非クランプ時のループ利得Ａ・β（Ａは非クランプ時
の増幅器そのものの利得、βは非クランプ時の負帰還経
路の利得）を表わしており、点線はクランプ時のループ
利得Ａc ・β（Ａはクランプ時の増幅器そのものの利
得、Ａc ＜Ａ）を表わしている。

【００３１】図２から分かるように、非クランプ時のル
ープ利得Ａ・βは、図５を参照して前述した回路の非ク
ランプ時のループ利得Ａ・βと同じであり、Ａ・β＝Ｋ
・Ｉ0 ／ＲF で表わされる。ここで、Ｋは定数、Ｉ0 は
バイアス電流、ＲF は帰還抵抗の値である。クランプ時
のループ利得Ａc ・βは、図５を参照して前述した回路
の非クランプ時のループ利得Ａ・βc よりも低下してい
る。

【００３２】図３は、図１の回路における負帰還ループ
の位相・周波数特性の一例を示しており、実線は非クラ
ンプ時、点線はクランプ時、ｆFBは利得が１（＝０ｄ
ｂ）になる周波数を表わしている。

【００３３】図３から分かるように、クランプ状態にお
いて、ｆFB近傍のループ位相は−３６０度に近付くが、
位相余裕Φmcup（ｆFBにおけるループ位相の−３６０度
までの残留角度）が図５を参照して前述した回路の位相
余裕Φmcよりも大きくなり、発振し難くなり、電流電圧
変換機能の安定性が向上する。

【００３４】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、増幅器
の逆相出力端子電圧がクランプされた状態において発振
し難くなり、電流電圧変換機能の安定性が向上するクラ
ンプ型電流電圧変換回路を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のクランプ型電流電圧変換回路の一実施
例を示す回路図。

【図２】図１の回路の負帰還ループの利得・周波数特性
を示す特性図。

【図３】図１の回路の負帰還ループの位相・周波数特性
を示す特性図。

【図４】従来のクランプ型電流電圧変換回路の一例を示
す回路図。

【図５】図４の回路の改良例を示す回路図。

【図６】図４および図５の回路の伝達関数の周波数特性
を示す特性図。

【図７】図５の回路のクランプ特性を示す特性図。

【図８】図５の回路の変形例を示す回路図。

【図９】図４の回路および図５の回路の負帰還ループの
利得・周波数特性を示す特性図。

【図１０】図４の回路および図５の回路の負帰還ループ
の位相・周波数特性を示す特性図。

【符号の説明】

１…増幅器、２…固定電圧源、３…負帰還用の帰還抵
抗、４…電圧クランプ用トランジスタ、５…バイアス電
流制御用トランジスタ、６…クランプ電位決定用電圧
源、10…差動増幅回路、11…正相入力端子、12…逆相入
力端子、13…逆相出力端子、14…制御入力端子、Q1、Q2
…差動入力用トランジスタ、R1、R2…負荷抵抗、Q3、Q4
…バイアス電流源用トランジスタ、R3、R4…抵抗。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 差動増幅回路およびこれに接続された正
   相入力端子、逆相入力端子、逆相出力端子およびバイア
   ス電流制御用の制御入力端子を有する増幅器と、 この増幅器の逆相入力端子に接続された固定電圧源と、 上記増幅器の逆相出力端子と正相入力端子との間に接続
   された負帰還用の帰還抵抗と、 上記逆相出力端子と正相入力端子との間に接続された電
   圧クランプ用の第１のバイポーラトランジスタと、 この第１のバイポーラトランジスタに対してエミッタ同
   士およびベース同士が共通接続され、コレクタが前記増
   幅器の制御入力端子に接続されたバイアス電流制御用の
   第２のバイポーラトランジスタと、 上記第１のバイポーラトランジスタおよび第２のバイポ
   ーラトランジスタの各ベースに接続されたクランプ電位
   決定用電圧源とを具備することを特徴とするクランプ型
   電流電圧変換回路。
2. 【請求項２】 請求項１記載のクランプ型電流電圧変換
   回路において、 前記差動増幅回路は、 エミッタ同士が共通接続された差動入力用のトランジス
   タと、 このトランジスタの各コレクタに接続された負荷抵抗
   と、 上記差動入力用トランジスタのエミッタ共通接続ノード
   に接続されたカレントミラー回路と、 このカレントミラー回路の出力側トランジスタのコレク
   タに接続された抵抗とを具備し、 前記差動入力用トランジスタの各ベースに対応して前記
   正相入力端子および逆相入力端子が接続されており、一
   方の差動入力用トランジスタのコレクタに前記逆相入力
   端子が接続されており、前記抵抗の分圧ノードに前記制
   御入力端子が接続されていることを特徴とするクランプ
   型電流電圧変換回路。