JP3435501B2 - 温度補償回路 - Google Patents
温度補償回路Info
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Description
ナログ信号を温度補償する回路に関する。
いる従来の一般的な温度補償回路の回路構成を示す。半
導体圧力センサ100は、たとえばSiダイヤフラム型
の圧力センサであって、4個のストレンゲージ100
A,100B,100C,100Dからなるホイースト
ンブリッジ回路として構成され、ダイヤフラムに加えら
れる圧力に比例した電圧を一対のブリッジ出力端子10
0E,100F間に出力する。この種の圧力センサの出
力特性を決めるファクタとして、圧力が加わっていない
状態での出力電圧を表すオフセット電圧と、圧力が加わ
ったときの出力電圧の変化量を表すスパン電圧とがあ
る。圧力センサ100の出力電圧からオフセット電圧を
差し引いたものがスパン電圧である。オフセット電圧お
よびスパン電圧のいずれも温度によってその値が変化す
るので、それぞれに対して温度補償を行う必要がある。
増幅器104からなる差動増幅回路106で差動増幅さ
れる。圧力センサ100と差動増幅回路106との間に
接続された演算増幅器102は、常温時のオフセット電
圧調整回路を構成する。この演算増幅器102の反転入
力端子に与えられる基準電圧VR を調整することによっ
て、常温時のオフセット電圧を調整するようにしてい
る。すなわち、可変抵抗122,123の値を適宜に選
択して常温時のオフセット電圧を調整している。また、
可変抵抗121の値を適宜に選択することにより、オフ
セット電圧の温度補償調整を行っている。
ようにしてオフセット電圧について温度補償されている
センサ出力信号VS が得られる。この電圧信号VS は、
スパン電圧の温度補償を行うための演算増幅器108か
らなる反転増幅回路110に入力される。一般にスパン
電圧は、温度上昇とともに減少する負の温度係数を有し
ている。この反転増幅回路110では、増幅器のゲイン
を決定する帰還抵抗112に正の温度係数を有するもの
を選ぶことで、圧力センサ100の負の温度依存性を補
償するようにしている。これにより、演算増幅器108
の出力端子にはスパン電圧についても温度補償されてい
るセンサ出力信号が得られる。この信号は、演算増幅器
114からなるバッファ用の反転増幅回路116で増幅
ののち、出力信号Vout として出力される。
す。この温度補償回路は、上記したスパン電圧用の温度
補償回路(反転増幅回路)110において、帰還抵抗1
12を抵抗ラダー回路120に置き換えたものである。
この温度補償回路では、温度センサ122のアナログ出
力信号をA/Dコンバータ124によってディジタル信
号に変換し、このディジタル信号をアドレス信号として
ROM126に入力して、入力アドレスに対応したRO
M126の読出データにしたがって抵抗ラダー回路12
0内の各接点w1,w2,〜wn を開閉制御することで、ラ
ダー回路入出力端子間の抵抗値(帰還抵抗値)に温度依
存性を持たせている。したがって、温度センサ122を
入力信号Vin(VS )の信号源(たとえば上記した圧力
センサ100)の付近に配置し、ROM126のルック
・アップ・テーブルに適当な設定値つまり帰還抵抗(抵
抗ラダー回路120)に所要の温度依存性を与えるため
の各温度に応じた接点開閉制御データを書き込むこと
で、信号源ないし入力信号Vinの温度依存性を補償する
ことが可能である。
圧用の温度補償回路では、帰還抵抗112として、温度
補償のための適当な温度係数を有する抵抗を選ぶ(探
す)のが難しいという問題がある。また、圧力センサに
よってスパン電圧の温度係数にばらつきがあると、個々
の圧力センサ100毎に帰還抵抗112の最適な特性値
を決定して、帰還抵抗112の取替えやトリミングを行
わなくてはならず、調整作業が極めて繁雑であり、生産
性の面で大きなデメリットとなっている。
ラダー回路網120の抵抗値(帰還抵抗値)に任意の温
度依存性をもたせることができるため、帰還抵抗の選別
やトリミングの必要はない。しかし、ラダー回路網12
0に所望の温度依存性をもたせるために温度センサ12
2、A/Dコンバータ124およびROM126さらに
はタイミング回路等(図示せず)を必要とし、回路規模
が非常に大きくなり、コストも大幅にアップする欠点が
ある。また、ROM126のルック・アップ・テーブル
に書き込むべき設定値は原理的には各温度毎に最適な値
に選ばなければならず、設定作業が極めて繁雑になると
いう問題もある。
もので、温度依存性を有するアナログの入力信号に対し
て回路部品の交換やトリミング等が不要で、かつ回路構
成の大規模化を来すことなく、調整または設定作業を容
易に行える温度補償回路を提供することを目的とする。
めに、本発明の第1の温度補償回路は、温度に依存して
レベルが変化する入力信号を温度補償する温度補償回路
において、前記入力信号を入力して前記入力信号の温度
係数とは逆極性の温度係数で温度に依存する出力信号を
出力する第1の増幅回路と、前記入力信号を入力して前
記入力信号の温度係数と同極性の温度係数で温度に依存
する出力信号を出力する第2の増幅回路と、所定の分圧
比で前記第1の増幅回路の出力電圧と前記第2の増幅回
路の出力電圧とを分圧した電圧値を有する出力信号を生
成する分圧回路とを有する構成とした。
の温度補償回路において、前記分圧回路は、分圧比の可
変調整可能な抵抗ラダー回路と、前記抵抗ラダー回路の
分圧比を設定する分圧比設定回路とからなる構成とし
た。
の温度補償回路において、前記抵抗ラダー回路は、抵抗
値Rの抵抗と抵抗値2Rの抵抗を1ビット毎にラダー状
に連ねて接続してなるR−2R型抵抗ラダー回路からな
る構成とした。
の温度係数を適当な値に選ぶことによって、第1の増幅
回路の出力電圧に入力信号の温度係数とは逆の極性で所
定の温度係数をもたせることができる。一方、第2の増
幅回路の出力電圧は、たとえばこの増幅回路の増幅率を
温度変化に対して実質的に一定とすれば、入力信号の温
度係数に対応した極性および大きさの温度係数をもたせ
ることができる。これにより、温度変化に対して第1お
よび第2の増幅回路の出力電圧は互いに逆極性(逆方
向)の温度特性を示す。分圧回路は、両出力電圧を所定
の分圧比(割合)で分圧することによって両出力電圧の
温度特性をキャンセルした電圧つまり温度依存性を有し
ない電圧を出力する。
一対の増幅回路の出力電圧の間の分圧比を調整すること
で、入力信号に対して温度補償を行うことができる。増
幅回路の帰還抵抗等の部品そのものを交換したりトリミ
ングしたりする必要はない。温度補償のための温度セン
サや特別なタイミング回路を設ける必要もない。
ラダー回路と、この抵抗ラダー回路の分圧比を設定する
分圧比設定回路とから構成した場合は、小規模かつ低コ
ストの回路構成によって分圧比を最適値に決定すること
ができ、高精度な温度補償を行うことができる。
をR−2R型抵抗ラダー回路で構成した場合は、分圧比
に関係なく出力抵抗を一定にすることができ、次段の回
路とのマッチングをとりやすいという利点がある。
を説明する。
回路の基本構成を示す。この温度補償回路は、一対の反
転増幅回路20,30と分圧回路40とから構成され
る。入力端子10には、温度に依存してレベルが変化す
るアナログ信号Vin、たとえば上記したような負の温度
係数−αを有する半導体圧力センサ100からのスパン
電圧(VS )が入力される。
2と、この演算増幅器22の反転入力端子(−)に接続
された入力抵抗24と、演算増幅器22の出力端子と反
転入力端子(−)との間に接続された帰還抵抗26とか
ら構成され、演算増幅器22の非反転入力端子(+)に
は基準電圧VP が入力される。入力抵抗24は、入力信
号の温度係数−αと比較して実質的に無視できるほどの
温度係数を有する抵抗つまり普通の固定抵抗からなる。
しかし、帰還抵抗26は、入力信号Vinの温度係数−α
とは極性が逆(正)の温度係数βを有する抵抗たとえば
PTCサーミスタからなる。この帰還抵抗26により、
第1の反転増幅回路20の増幅率μa は正の温度係数β
で温度に依存して変化するようになっている。
2と、この演算増幅器32の反転入力端子(−)に接続
された入力抵抗34と、演算増幅器32の出力端子と反
転入力端子(−)との間に接続された帰還抵抗36とか
ら構成され、演算増幅器32の非反転入力端子(+)に
は基準電圧VP が入力される。この第2の反転増幅回路
30では、入力抵抗34および帰還抵抗36のいずれ
も、上記第1の反転増幅回路20における入力抵抗24
と同様の普通の固定抵抗からなる。したがって、この第
2の反転増幅回路30の増幅率μb は、温度変化に対し
て実質的に一定値を保つようになっている。
力信号Vinの温度依存性と比較して)温度依存性をもた
ない抵抗回路から構成される。分圧回路40の分圧比D
は、後述するように第1および第2の反転増幅回路2
0,30の出力電圧Va ,Vbの温度特性に応じて決め
られる。
の選定方法を説明する。図2は、半導体センサに加える
圧力を一定にしたまま周囲温度を使用温度範囲たとえば
−40゜C〜+85゜で変化させた場合の両反転増幅回
路20,30の出力電圧Va,Vb の温度特性を示す。
の出力電圧Va ,Vb は、理論的には次のような式で表
される。 Va =Vin・μa0{1+β(t−t0 )} ………(1) Vb =Vin・μb ………(2)
温の25゜C)における第1の反転増幅回路20の増幅
率である。一方、入力信号Vin(センサ出力信号VS )
は、近似的に次の式で表される。 Vin=Vin0 /{1+α(t−t0 )} ………(3)
C)における入力信号(センサ出力信号)Vinの値(レ
ベル)である。
(2)は次のようになる。 Va =Vin0 ・μa0{1+β(t−t0 )}/{1+α(t−t0 )} ………(4) Vb =Vin0 ・μb {1+α(t−t0 )} ………(5)
論的には上式(4),(5)で表される。図示のよう
に、Va に正の温度係数をもたせるには、第1の反転増
幅回路20の増幅率μa の温度係数βの絶対値が入力信
号Vinの温度係数−αの絶対値よりも大きくなるよう
に、帰還抵抗(PTCサーミスタ)26を選べばよい。
また、基準温度t0 で両特性曲線Va ,Vb を交差させ
るためには(Va =Vb とするには)、μa0=μb (=
μc )となるようにμa0,μb を合わせればよい。この
ように、基準温度t0 でVa =Vb (=μc Vin)に設
定すると、分圧回路40における分圧出力Vout も基準
温度t0 では分圧比に関係なくVa ,Vb と同じ値(μ
c Vin)になる。
任意の温度tでも、分圧回路40において分圧出力Vou
t が基準温度t0 のときと同じ値(μc Vin)になるよ
うに分圧比Dを選べばよい。分圧出力Vout は、理論的
には次の式で表される。 Vout =Va −D(Va −Vb ) ………(6)
力Vout が温度tの値に関係なく基準温度t0 のときと
同じ値(μc Vin)を保つための条件は、Dβ=αであ
る。
おける分圧比Dをα/βに選ぶことによって、分圧出力
Vout が温度変化に対して一定の出力信号(μc Vin)
となり、入力信号Vinが温度補償されることになる。
信号源(半導体圧力センサ)および第1の反転増幅回路
20における帰還抵抗26等のばらつきを吸収して精度
の高い温度補償を行うには、分圧回路40の分圧比Dを
可変調整できるように構成すればよい。この場合、第1
および第2の反転増幅回路20の出力電圧Va ,Vbが
等しくなるときの温度ts を基準温度とし、この基準温
度ts とは異なる任意の温度tf で分圧比Dを調整して
分圧出力Vout が基準温度のときと等しくなるようにD
の値を合わせればよい。
の分圧回路に構成した場合は、分圧比(電圧比)を調整
する簡単な作業によって熟練を要さずに高精度な温度補
償回路にセッティングすることが可能であり、手間のか
かる回路部品の交換やトリミング等は不要である。
成する場合の具体例を示す。この構成例における分圧回
路40は、R−2R型抵抗ラダー回路42と、書き換え
可能型メモリたとえばEEPROM44とからなる。
型D/Aコンバータに用いられるものと同様に、抵抗値
Rの抵抗42Aと抵抗値2Rの抵抗42Bを1ビット毎
にラダー状に連ねて接続してなる回路網であり、1ビッ
ト毎に横木部の抵抗42Bの接点Qi (i=1〜n)を
切換制御できるようになっている。各接点Qi はたとえ
ばMOSスイッチで構成されてよい。
側の横木部の抵抗42Bは第1の反転増幅回路20の出
力端子に固定接続されている。したがって、図示のよう
に接点Q1 〜Qn の全てが第2の反転増幅回路30の出
力端子側に切り換わっている状態では、出力端子50に
は第2の反転増幅回路30の出力電圧Vb に一番近い電
圧が現れる。
の接点Q1 だけが第1の反転増幅回路20の出力端子側
に切り換わると出力端子50にはVb に2番目に近い電
圧が現れ、左側から2番目位置の接点Q2 だけが第1の
反転増幅回路20の出力端子側に切り換わると出力端子
50にはVb に3番目に近い電圧が現れ、最下位2桁の
接点Q1 ,Q2 だけが第1の反転増幅回路20の出力端
子側に切り換わると出力端子50にはVb に4番目に近
い電圧が現れる。そして、接点Q1 〜Qn の全てが第1
の反転増幅回路20の出力端子側に切り換わると、出力
端子50には第1の反転増幅回路30の出力電圧Va が
そのまま現れるようになっている。
力端子50には、接点Q1 〜Qn を切換位置に応じた分
圧比で入力電圧Va とVb とを分圧した電圧が得られ
る。分圧比の段階数は、接点Q1 〜Qn のビット数をn
とすると、2n で表される。
シフトレジスタとして構成され、各出力端子Y1 〜Yn
が抵抗ラダー回路42内の各接点Q1 〜Qn に1対1の
関係で接続されている。EEPROM44には、直接的
には抵抗ラダー回路42内の各接点Q1 〜Qn を開閉制
御し、間接的には抵抗ラダー回路42の分圧比Dを制御
するためのnビットのディジタル値C1 〜Cn が任意の
タイミングで入力される。各ビット値Ci が“1”のと
き各接点Qi がVb 側に切り換わり、各ビット値Ci が
“0”のとき各接点Qi がVa 側に切り換わるとする
と、抵抗ラダー回路42の出力端子50に得られる分圧
出力電圧Vout は次の式で表される。 Vout =Va −(Va −Vb ){(C1 /2)+(C2 /22 )… +(Cn /2n )} ……(7)
2)+(C2 /22 )…+(Cn /2n )}が分圧回路
40における分圧比Dに相当するものである。
EPROM44に格納するnビットのディジタル値C1
〜Cn を書き換えることで、2n ビットの分解能で抵抗
ラダー回路42の分圧比Dを可変調整することができ
る。したがって、上記と同様にして、先ず第1および第
2の反転増幅回路20の出力電圧Va ,Vb が等しくな
るときの温度ts を基準温度とし、この基準温度ts と
は異なる任意の温度tfで分圧比Dを調整して(EEP
ROM44に格納するディジタル値C1 〜Cn をいろい
ろ変えてみて)、分圧出力Vout が基準温度のときの値
と等しくなるDの値(つまりディジタル値C1 〜Cn の
値)に決定(固定)すればよい。EEPROM44は、
書き換えを行わない限り、現在格納しているデータC1
〜Cn を保持し続けるので、抵抗ラダー回路42の分圧
比Dが固定される。
よれば、第1および第2の反転増幅回路20,30の出
力電圧Va ,Vb の温度特性に誤差があっても、つまり
個々の入力信号Vinまたは入力信号源あるいは第1の反
転増幅回路20における帰還抵抗26等にばらつきがあ
っても、EEPROM44を通じて分圧回路40の分圧
比Dをディジタル的に可変調整して、そのようなばらつ
きや誤差をキャンセルし、精度の高い温度補償を行うこ
とができる。また、この温度補償回路では、温度補償の
調整誤差が分圧回路40における分圧分解能2n によっ
て理論的に決まるので、使用温度範囲や入力信号Vinや
増幅回路20,30側のばらつき等に応じて抵抗ラダー
回路42のビット数nを最適値に選んで、効率的な回路
設計と低コスト化をはかることができる。
40がR−2R型抵抗ラダー回路42と書き換え可能型
メモリとからなり、温度センサ、A/Dコンバータやメ
モリタイミング回路等を必要としないので、回路構成が
小規模で済み、コスト面でも有利である。また、抵抗ラ
ダー回路42がR−2R型抵抗ラダー回路からなるた
め、回路内の接点Q1 〜Qn の切換位置つまり分圧比D
に関係なく出力抵抗値が常に一定(R)であり、次段の
回路とのインピーダンス・マッチングがとりやすいとい
う利点がある。
PROMに限らず、EPROMや不揮発性RAM等の他
の書き換え可能型メモリでも可能である。また、メモリ
44を揮発性のメモリまたはレジスタで構成し、上記の
ようなディジタル式の分圧比調整を行った後は、抵抗ラ
ダー回路42内の各接点Q1 〜Qn の切換位置を適当な
方法で固定し、メモリ44を使わないようにすることも
可能である。また、図4に示すように、抵抗ラダー回路
42を1ビット毎に順に抵抗値が2進数で累乗的にステ
ップアップまたはダウンするような重み付け型抵抗ラダ
ー回路で構成することも可能である。
0,30を非反転増幅回路に置き換えることも可能であ
り、入力信号Vinが正の温度係数をもつ場合には第1の
増幅回路20における帰還抵抗26を負の温度係数を有
する抵抗たとえばNTCサーミスタで構成すればよい。
センサの出力信号(スパン電圧)に限るものではなく、
温度変化に対して所定の温度係数でレベルが変化する任
意のアナログ信号に対して本発明の温度補償回路は適用
可能である。
回路によれば、温度依存性を有するアナログの入力信号
に対して一対の増幅回路の出力電圧に互いに逆極性の温
度特性をもたせ、両出力電圧を所定の分圧比(割合)で
分圧することによって、温度補償された出力信号を得る
ことができ、回路部品の交換やトリミング等が不要で、
小規模な回路構成であり、調整または設定作業が容易に
行えるという大なる利点がある。
成を示すブロック図である。
比の選定方法を説明するための図である。
比可変型とした場合の具体的構成例を示す回路図であ
る。
例を示す回路図である。
的な温度補償回路の回路構成を示す回路図である。
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 温度に依存してレベルが変化する入力信
号を温度補償する温度補償回路において、 前記入力信号を入力して前記入力信号の温度係数とは逆
極性の温度係数で温度に依存する出力信号を出力する第
1の増幅回路と、 前記入力信号を入力して前記入力信号の温度係数と同極
性の温度係数で温度に依存する出力信号を出力する第2
の増幅回路と、 所定の分圧比で前記第1の増幅回路の出力電圧と前記第
2の増幅回路の出力電圧とを分圧した電圧値を有する出
力信号を生成する分圧回路と、を有することを特徴とす
る温度補償回路。 - 【請求項2】 前記分圧回路は、分圧比の可変調整可能
な抵抗ラダー回路と、前記抵抗ラダー回路の分圧比を設
定する分圧比設定回路とからなることを特徴とする請求
項1に記載の温度補償回路。 - 【請求項3】 前記抵抗ラダー回路は、抵抗値Rの抵抗
と抵抗値2Rの抵抗を1ビット毎にラダー状に連ねて接
続してなるR−2R型抵抗ラダー回路からなることを特
徴とする請求項2に記載の温度補償回路。
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