JP3628948B2 - 電流/電圧変換回路 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流でも精度良く電圧に変換できる電流/電圧変換回路と、高い分解能で電流値設定ができる電流発生器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電流の大きさ、または電流に関連した電気量や電力量等のような物理量を測定する場合、電流を電圧に変換するためにI/V変換抵抗を用いる。従来は対象とする電流の大きさに応じて抵抗値の異なる数種類の電流/電圧変換抵抗を、スイッチまたはリレーまたは半導体等のスイッチング素子で切り替えて測定していた。これは一般的にはレンジ切り替えと言われる。
【0003】
図2は一般的に知られている、演算増幅器21を用いた電流/電圧変換回路である。I/V変換抵抗22の抵抗値をRとすると、入力電流Iに対して出力電圧Vは
V=−I・R
になる。従って、入力電流Iは
I=−V/R
で求められる。この時、演算増幅器21がリニアに増幅作用をしている間は+、−の入力端子間電圧eはほぼ0Vになる。
【0004】
図3は図2の電流/電圧変換回路を、測定する電流の大きさに応じてレンジ切り替えを行なえるように、異なる値の32、33、34のI/V変換抵抗R1、R2、R3をそれぞれ35、36、37のスイッチ、またはリレー接点、または半導体等によるスイッチング素子SW1、SW2、SW3で切り替えるものである。
【0005】
図7は演算増幅器を用いずに、図3と同様に、測定する電流の大きさに応じてレンジ切り替えを行なえるようにした電流/電圧変換回路である。
【0006】
SW1、SW2、SW3の何れか1つをオンにして、この時のI/V変換抵抗の抵抗値をRとすると、入力電流Iに対して出力電圧Vは
V=I・R
になる。従って、入力電流Iは
I=V/R
で求められる。
【0007】
ところが、以上のスイッチ、またはリレー接点、または半導体等によるスイッチング素子によるレンジ切り替えは、比較的動作スピードが遅く、且つ電流回路を一瞬でもオープンにしないために、I/V変換抵抗切り替え時には、切り替え前のI/V変換抵抗と切り替え後のI/V変換抵抗とをオーバーラップさせる必要があり、その制御が煩雑になり、かつ、その間の測定値には誤差が入るという欠点があった。
【0008】
以上の理由から、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流についてはレンジ切り替えは困難であり、電流の最大値に対応するレンジで測定していた。従って、電流値が小さい場合のS/N比、分解能が悪く、測定精度を落としていた。
【0009】
図8は一般的に用いられている電流発生器の一例である。
電流設定値S1と、実際に負荷61に流れる電流IをI/V変換抵抗32または33で検出した電流に対応する電圧とを演算増幅器で比較して一致するように制御するものである。
【0010】
この時、設定可能な電流値はI/V変換抵抗32、33と入力抵抗64で決まるが、SW1とSW2を高速に切り替えることができないので、電流値設定範囲を広くすることが出来ず、分解能も高くできなかった。
【0011】
さらに、I/V変換抵抗32と33を切り替える際には回路をオープンにさせない為に必ず両方をオンにする期間が必要であり、この期間のフィードバック量が所定の値でなくなることや、I/V変換抵抗のスイッチングに対する系の応答遅れ等の為に、不要な出力電流の変動が発生した。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能高く電流/電圧変換できるようにしようとするものである。
【0013】
また、広い範囲で分解能高く電流値の設定が可能で、且つI/V変換抵抗切り替えに伴う不要な出力電流の変動を発生しない電流発生器を得ようとするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1に関わる電流入力に対して、電流/電圧変換の為のI/V変換抵抗を必要レンジ数分設け、最小レンジ以外のI/V変換抵抗にスイッチング素子を直列に設け、これらを並列に接続したものにおいて、最小レンジ以外の当該レンジより1段小さいレンジのI/V変換抵抗にそのレンジにおける設定値以上の電流が流れたら当該レンジのスイッチング素子をオンにして、当該レンジのI/V変換抵抗に電流が流れるようにすることで、入力電流の大きさに応じてI/V変換抵抗に流れる電流をオン−オフさせ、各I/V変換抵抗の両端の電圧を演算回路で演算して電流値を検出することを特徴とするものである。
【0015】
請求項2に関わる電流入力に対して、電流/電圧変換の為のI/V変換抵抗を必要レンジ数分設け、最大レンジ以外のI/V変換抵抗にスイッチング素子を並列に設け、これらを直列に接続したものにおいて、最大レンジ以外の各レンジのI/V変換抵抗にそのレンジにおける設定値以上の電流が流れたら並列に接続したスイッチング素子をオンにして、当該レンジのI/V変換抵抗の電流をバイパスすることで、入力電流の大きさに応じてI/V変換抵抗に流れる電流を増減させ、差動増幅器で各I/V変換抵抗の両端の電圧を検出した後、演算回路で演算して電流値を検出することを特徴とするものである。
【0016】
また、請求項1または請求項2の電流/電圧変換回路と演算増幅器を組み合わせて入力インピーダンスが小さく、ダイナミックレンジが広いことを特徴とする電流/電圧変換回路を得る。
【0017】
請求項3の電流/電圧変換回路にI/V変換抵抗と差動増幅器とスイッチング素子を追加して、大電流を駆動する電流増幅回路を使用せずに、電流/電圧変換可能な電流範囲を広げる。
【0018】
請求項1または請求項2の電流/電圧変換回路と演算増幅器と差動増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つI/V変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器を得る。
【0019】
【発明の実施の形態】
請求項1においては、電流の大きさに応じて、最小レンジから該当するレンジに対応するI/V変換抵抗に電流が流れ、それ以上のレンジに対応するI/V変換抵抗には電流が流れないので、レンジ切り替えと同等の電流/電圧変換機能を、切り替え誤差無く、高速かつ自動で行なうことができる。
【0020】
請求項2においては、電流の大きさに応じて、該当するレンジより小さいレンジのI/V変換抵抗の電流をバイパスし、それ以上のレンジに対応するI/V変換抵抗には電流を流すので、レンジ切り替えと同等の電流/電圧変換機能を、切り替え誤差無く、高速かつ自動で行なうことができる。
【0021】
請求項3においては、請求項1または請求項2の電流/電圧変換回路と演算増幅器とを組み合わせて、入力インピーダンスが小さく、レンジ切り替えと同等の電流/電圧変換機能を、切り替え誤差無く、高速かつ自動で行なうことができる。
【0022】
請求項4においては、電流の大きさに応じて、最小レンジから該当するレンジに対応する演算増幅器と組み合わせたI/V変換抵抗に電流が流れ、演算増幅器で扱う以上の電流は演算増幅器を使用しないI/V変換抵抗でI/V変換するので、大きな電流を駆動する電流増幅回路を用いずに、レンジ切り替えと同等の電流/電圧変換機能を、切り替え誤差無く、高速かつ自動で行なうことができる。
【0023】
請求項5においては、請求項1の電流/電圧変換回路と演算増幅器と差動増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つI/V変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器を得ることができる。
【0024】
請求項6においては、請求項2の電流/電圧変換回路と演算増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つI/V変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器を得ることができる。
【0025】
【実施例】
図5は、本発明の請求項1を用いた、電流/電圧変換回路の実施例である。
3、4、5は抵抗値がそれぞれR1、R2、R3のI/V変換抵抗であり、抵抗値の大きさはR1>R2>R3であり、R1が最小レンジ、R2が中レンジ、R3が最大レンジに対応する。
【0026】
6、7はそれぞれ両端が所定の電圧VA、VB以上になると導通するスイッチング素子あり、ダイオード、またはツェナーダイオードやバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したもので実現できる。あるいは、トランジスタやFET等とし、そのオン−オフを演算回路で制御しても良い。図5では例としてダイオードを用いた場合で示している。
なお、VBの絶対値はVAの絶対値より大きく設定しているものとする。
【0027】
2は各I/V変換抵抗で電流/電圧変換した電圧値V1、V2、V3から演算で入力電流値を求めるための演算回路である。
【0028】
以下に図5の動作について説明する。
Iは入力電流、I1はR1に流れる電流、I2はR2に流れる電流、I3はR3に流れる電流である。V1はR1のグランドに対する端子電圧である。V2はR2のグランドに対する端子電圧、V3はR3のグランドに対する端子電圧である。
【0029】
以上の記号を用いると、各部の電流、電圧は以下の関係になる。
I1=V1/R1 ・・・(1)
【0030】
この時、V1の絶対値がVA、VBの絶対値より小さい場合は6、7はオフになるので
I2=I3=0 ・・・(2)
【0031】
V1の絶対値がVAの絶対値より大きく、VBの絶対値より小さい場合は6はオン、7はオフになるので
I2=V2/R2 ・・・(3)
I3=0 ・・・(4)
【0032】
V1の絶対値がVA、VBの絶対値より大きい場合は6、7はオンになるので
I2=V2/R2 ・・・(5)
I3=V3/R3 ・・・(6)
【0033】
また電流経路から、Iは
I=I1+I2+I3 ・・・(7)
である。
【0034】
(1)〜(7)式からIを求めると
I=V1/R1+V2/R2+V3/R3 ・・・(8)
で表わされる。
【0035】
(8)式により入力電流値Iは、各I/V変換抵抗のグランドに対する端子電圧V1、V2、V3を各抵抗値で除算した後、加算すれば求められることが判る。
【0036】
従って、2の演算回路で(8)式の演算を行なえば電流Iの大きさを求めることができる。同演算回路は一般的に知られている演算増幅器による反転加算回路等で容易に作ることができる。
【0037】
別法として、演算回路内にA/D変換器、または電圧/周波数変換器とカウンタ等を組み込み、各I/V変換抵抗毎の電圧出力をディジタル値に変換してから(8)式をソフトウェアで演算して電流Iを求めることもできる。
【0038】
また、V1、V2の大きさ、即ちI1、I2の大きさに応じてR2、R3に流れるそれぞれの電流I2、I3がオン−オフする上記の動作は、入力電流Iに応じて自動的にレンジ切り替えを行なっている事に相当する。
【0039】
本方法はレンジ切り替えの為の複雑な制御回路が不要なので、高速動作が可能であり、且つレンジ切り替えに伴う誤差も少ない。これにより、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能高く電流/電圧変換できるようになる。
【0040】
また、図5の実施例では3レンジであるが、I/V変換抵抗とスイッチング素子を増やせば、より多段のレンジをもつ電流/電圧変換回路を構成できる。
【0041】
図9は、本発明の請求項2を用いた、電流/電圧変換回路の実施例である。
3、4、5は抵抗値がそれぞれR1、R2、R3のI/V変換抵抗であり、抵抗値の大きさはR1>R2>R3であり、R1が最小レンジ、R2が中レンジ、R3が最大レンジに対応する。
【0042】
6、7はそれぞれ両端が所定の電圧VA、VB以上になると導通するスイッチング素子あり、ダイオード、またはツェナーダイオードやバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したもので実現できる。あるいは、トランジスタやFET等とし、そのオン−オフを演算回路で制御しても良い。図9では例としてダイオードを用いた場合で示している。
【0043】
なお、VA、VBの絶対値はR1、R2にそれぞれ測定すべきレンジに対応する電流が流れる間はオンならない電圧値とする。
【0044】
42、43、44は各I/V変換抵抗両端の電圧を求める為の差動増幅器である。なお、ここでは説明を判り易くするためにそれぞれゲインを1とする。
【0045】
2はI/V変換抵抗と差動増幅器で各々電流/電圧変換した電圧値V1、V2、V3から演算で入力電流値を求めるための演算回路である。
【0046】
以下に図9の動作について説明する。
Iは入力電流、I1はR1に流れる電流、I2はR2に流れる電流である。V1、V2、V3はそれぞれR1、R2、R3の両端子間電圧を各差動増幅器で検出したものである。
以上の記号を用いると、各部の電流、電圧は以下の様になる。
【0047】
入力電流IがR1が受け持つ範囲の大きさの場合は、6はオフになるように設定しているので
I = I1 ・・・(11)
になる。またV1は
V1 = I1×R1 ・・・(12)
である。
(11)と(12)から入力電流Iは
I = V1/R1 ・・・(13)
で求められる。
【0048】
入力電流IがR1が受け持つ範囲の大きさを越えると、6がオンになり、入力電流Iの一部はR1を通らずに6でバイパスされるので(13)式では入力電流Iは求められなくなる。
【0049】
ここで、入力電流IがR2が受け持つ範囲の大きさの場合は、7はオフになるように設定しているので
I = I2 ・・・(14)
になる。またV2は
V2 = I2×R2 ・・・(15)
である。
(14)と(15)から入力電流Iは
I = V2/R2 ・・・(16)
で求められる。
【0050】
入力電流IがR2が受け持つ範囲の大きさを越えると、7がオンになり、入力電流Iの一部はR2を通らずに7でバイパスされるので(16)式では入力電流Iは求められなくなる。
【0051】
この時、V3は
V3 = I×R3 ・・・(17)
である。
従って(17)から入力電流Iは
I = V3/R3 ・・・(18)
で求められる。
【0052】
以上から、入力電流値Iは(13)(16)(18)式で求めた電流値の中で、各レンジが受け持つ電流値の範囲内にある値の中で最小のレンジの値を選べば入力電流Iの大きさを求めることができることになり、それを2の演算回路で行なうようにする。その演算回路は一般的に知られているコンパレータや信号選択回路等で容易に作ることができる。
【0053】
別法として、演算回路内にA/D変換器、または電圧/周波数変換器とカウンタ等を組み込み、各I/V変換抵抗毎の電圧出力をディジタル値に変換してからソフトウェアで演算、選択して電流Iを求めることもできる。
【0054】
また、V1、V2の大きさ、即ちI1、I2の大きさに応じて6、7で電流をバイパスさせる上記の動作は、入力電流Iに応じて自動的にレンジ切り替えを行なっている事に相当する。
【0055】
本方法はレンジ切り替えの為の複雑な制御回路が不要なので、高速動作が可能であり、且つレンジ切り替えに伴う誤差も少ない。これにより、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能高く電流/電圧変換できるようになる。
【0056】
また、図9の実施例では3レンジであるが、I/V変換抵抗とスイッチング素子を増やせば、より多段のレンジをもつ電流/電圧変換回路を構成できる。
【0057】
図1は、本発明の請求項3に関する請求項1を用いた、電流/電圧変換回路の実施例であり、1は演算増幅器である。
【0058】
3、4、5は抵抗値がそれぞれR1、R2、R3のI/V変換抵抗であり、抵抗値の大きさはR1>R2>R3であり、R1が最小レンジ、R2が中レンジ、R3が最大レンジに対応する。
【0059】
6、7は両端が所定の電圧VZ以上になると導通するスイッチング素子である。一般的には、ダイオード、またはツェナーダイオード、またはバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したもので実現できる。あるいは、トランジスタやFET等とし、そのオン−オフを演算回路で制御しても良く、8、9はその場合のスイッチング素子6、7のオン−オフを制御する制御信号である。
【0060】
2は各I/V変換抵抗で電流/電圧変換した電圧値を演算して入力電流値を求めるための演算回路である。必要に応じて制御線8、9で6、7も制御する
【0061】
以下に図1の動作について説明する。
Iは入力電流、I1はR1に流れる電流、I2はR2に流れる電流、I3はR3に流れる電流である。V1は演算増幅器1の出力電圧でありかつR1の下側のグランドに対する端子電圧でもある。V2はR2の下側のグランドに対する端子電圧、V3はR3の下側のグランドに対する端子電圧である。
【0062】
eは演算増幅器1の−入力端子と+入力端子間電圧であり、演算増幅器がリニアに動作する領域ではほぼ0Vであり、図1の回路では演算増幅器の+入力端子はグランドに接続されているので、リニア動作領域では−入力端子も0Vでありeは0Vになる。
【0063】
以上の記号を用いると、各部の電流、電圧は以下の関係になる。但し、演算増幅器のオフセット電流や、バイアス電流を無視できる理想状態であることを前提にする。
【0064】
V1の絶対値がVZの絶対値より小さい場合は6をオフにするので
I2=0 ・・・(32)
V1の絶対値がVZの絶対値より大きい場合は6をオンにするので
【0065】
V2の絶対値がVZの絶対値より小さい場合は7をオフにするので
I3=0 ・・・(34)
V2の絶対値がVZの絶対値より大きい場合は7をオンにするので
【0066】
また電流経路から、Iは
I=I1+I2+I3 ・・・(36)
である。
【0067】
(31)〜(36)式からIを求めると
I=−V1/R1−V2/R2−V3/R3 ・・・(37)
で表わされる。
【0068】
(37)式により、入力電流値Iは、各I/V変換抵抗の下端のグランドに対する端子電圧V1、V2、V3を各抵抗値で除算した後、加算すれば求められることが判る。
【0069】
従って、2の演算回路で(37)式の演算を行なえば電流Iの大きさを求めることができる。同演算回路は一般的に知られている演算増幅器による反転加算回路等で容易に作ることができる。
【0070】
また、演算回路内にA/D変換器、または電圧/周波数変換器とカウンタ等を組み込み、各I/V変換抵抗毎の電圧出力をディジタル値に変換してから(37)式をソフトウェアで演算して電流Iを求めることもできる。
【0071】
また、V1、V2の大きさ、即ちI1、I2の大きさに応じてR2、R3に流れるそれぞれの電流I2、I3をオン−オフさせる上記の動作は、入力電流Iに応じて自動的にレンジ切り替えを行なっている事に相当する。
【0072】
本方法はレンジ切り替えの為の複雑な制御が不要なので、高速動作が可能であり、且つレンジ切り替えに伴う誤差も少ない。これにより、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能高く電流/電圧変換できるようになる。
さらに、本方法は図3と同様に入力インピーダンスが非常に低くなる。
【0073】
なお、図1の実施例では3レンジであるが、I/V変換抵抗とスイッチング素子を増やせば、より多段のレンジをもつ電流/電圧変換回路を構成できる。
【0074】
また図1の実施例と同様に、演算増幅器と図9の回路を組み合わせても図1と同様に入力インピーダンスが低い自動レンジ切り替えができる電流/電圧変換回路を構成できる。
【0075】
ところで、図1の電流/電圧変換回路では演算増幅器1は電流Iを駆動できなければならないので、電流値が大きくなると、電流増幅回路あるいはパワーアンプを組み合わせる等の必要が生ずる。
【0076】
図4は請求項4に関わるものであり、図1の電流/電圧変換回路の入力コモン線とグランド間に41のI/V変換抵抗R4とスイッチング素子45を追加して、大きな出力の電流増幅回路を使用せずに、入力可能な電流範囲を広げた電流/電圧変換回路の実施例である。
【0077】
42、43、44はそれぞれI/V変換抵抗3、4、5の端子間電圧を求めるための差動増幅器である。なお、ここでは説明を判り易くするためにそれぞれゲインを1とする。
【0078】
なお、スイッチング素子45は6、7と同様に両端が一定電圧VX以下の場合はオフにするもので、等価的に高インピーダンスであり、VX以上の電圧では導通させて等価的に低インピーダンスになるもので、ダイオードまたはツェナーダイオードまたはバリスタ等の非線形素子が使用できる。あるいは、トランジスタやFET等とし、そのオン−オフを演算回路で制御しても良い。
【0079】
なお、I/V変換抵抗R4の抵抗値が演算増幅器1の正常動作に影響を及ぼさない程度に高い場合はスイッチング素子45は無くても良い。
【0080】
既に説明したように、演算増幅器1が入力電流Iを駆動できる範囲ではリニアに動作するのでeは0となり、スイッチング素子45の有無に関わらずR4には電流は流れないので、図1と同じ動作をする。
【0081】
この時、
I4=0 ・・・(41)
V4=0 ・・・(42)
である。
【0082】
入力電流Iが、演算増幅器1の入力電流Iを駆動できる範囲を越えると、演算増幅器1はリニア動作領域外になるので、eは0でなくなる。
【0083】
スイッチング素子を設けない場合はeが0でなくなった時に、スイッチング素子を設けた場合はeの絶対値がVXを越えた時に抵抗R4に電流が流れる。即ち、入力電流IはR1、R2、R3、R4に流れる。
【0084】
図4の各記号を使用すると以下の関係式が成り立つ。
I1=(e−V1)/R1 ・・・(43)
I2=(e−V2)/R2 ・・・(44)
I3=(e−V3)/R3 ・・・(45)
I4=V4/R4 ・・・(46)
【0085】
(41)〜(46)式からIは
I=(e−V1)/R1+(e−V2)/R2+(e−V3)/R3+V4/R4 ・・・(47)
となる。
従って演算回路2で(47)式を演算すれば電流値Iを得ることができる。
【0086】
なお、41、45は過大入力電流に対して、演算増幅器及びその周辺素子の保護回路の機能も果たすことができる。
【0087】
また、図9の回路と演算増幅器を組み合わせたものに、図4のように電流/電圧変換回路の入力コモン線とグランド間にI/V変換抵抗R4とスイッチング素子を追加しても図4の回路と同様に、大きな出力の電流増幅回路を使用せずに、入力可能な電流範囲を広げた電流/電圧変換回路を得ることができる。
【0088】
図6は請求項5に関わる電流発生器の実施例であり、演算増幅器1と図5の電流/電圧変換回路を組み合わせたものである。
【0089】
但し、I/V変換抵抗は3と4の2個の場合で示す。即ち3、4は抵抗値がそれぞれR1、R2のI/V変換抵抗であり、抵抗値の大きさはR1>R2である。
【0090】
61は電流を供給する対象としての負荷である。
6は両端が所定の電圧VZ以上になると導通するスイッチング素子あり、ダイオード、またはツェナーダイオードやバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したもので実現できる。あるいは、トランジスタやFET等とし、演算回路を別途設けてそのオン−オフを制御しても良い。
【0091】
42、43はそれぞれI/V変換抵抗3、4の端子間電圧V1、V2を求めるための差動増幅器である。なお、ここでは説明を判り易くするためにそれぞれゲインは1とする。
【0092】
62、63はKを一定値として、それぞれR1、R2の、K倍の抵抗値K・R1、K・R2の負帰還抵抗である。
【0093】
64、65はそれぞれ演算増幅器1に対する電流設定値を電圧に換算した設定電圧S1、S2の入力抵抗である。
S1、S2は一般的にはD/A変換器や定電圧源出力を可変抵抗で分圧して取り出す等種々の方法が知られている。
【0094】
図6から判るように、ここでは演算増幅器1と負帰還抵抗62、63が電流Iを求める為の演算回路の機能を兼ねている。
【0095】
以下に図6の動作について説明する。
(8)式を求めるのと同様にして負荷に流れる電流Iは
I=V1/R1+V2/R2 ・・・(51)
で表わされる。
【0096】
また、反転増幅器の動作として一般的に良く知られているように、
が成り立つ。
【0097】
(51)、(52)より、
S1/R11+S2/R12=−(1/K)・I ・・・(53)
になる。
【0098】
(53)からIを求めると、
【0099】
(54)から、各抵抗値を適切に設定すれば、電流設定値S1、S2で電流Iを高分解能で広い範囲に渡って設定できることが判る。
即ち、(K/R11)または(K/R12)を小さくすればS1,S2による電流設定分解能が高まる。
【0100】
なお、図6の例ではI/V変換抵抗をR1、R2の2つにしているが、R3、R4・・と増やせば、電流範囲をより広くすることができる。
【0101】
同様に、図6の例では設定入力をS1、S2の2つにしているが、入力抵抗の個数を増やして、設定値入力をS3、S4・・・と増やせば、設定範囲をより広くすることができる。
【0102】
また、6のスイッチング素子をダイオード等のように緩やかにオン−オフのスイッチングをする素子を使用すれば、I/V変換抵抗切り替わりに伴う出力電流変動が発生しない、電流発生器を得ることができる。
【0103】
なお、図6の例では42、43を差動増幅器で記述しているが、負荷61の位置が演算増幅器1の出力端子側にあり、I/V変換抵抗3、4の一方の端子がグランドに接続される位置にある場合は、42、43は無くても良い。
【0104】
図10は請求項6に関わる電流発生器の実施例であり、演算増幅器1と図9の電流/電圧変換回路を組み合わせたものである。
【0105】
但し、I/V変換抵抗は3と4の2個の場合で示す。即ち3、4は抵抗値がそれぞれR1、R2のI/V変換抵抗であり、抵抗値の大きさはR1>R2である。
【0106】
61は電流Iを供給する対象としての負荷である。
6は両端が所定の電圧VZ以上になると導通するスイッチング素子あり、ここではダイオードで記述しているが、ツェナーダイオードやバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したものでも実現できる。あるいは、トランジスタやFET等とし、演算回路を別途設けてそのオン−オフを制御しても良い。
【0107】
42、43はそれぞれI/V変換抵抗3、4の端子間電圧V1、V2を求めるための差動増幅器である。なお、ここでは説明を判り易くするためにそれぞれゲインを1とする。
ここで、I/V変換抵抗3に流れる電流がそのレンジにおける最大電流値I1MAXを越えると差動増幅器42の出力電圧はVZ1で飽和するようにしておく。その為には必要に応じて差動増幅器42にリミッタ回路を付加すれば良い。
【0108】
101、102はそれぞれ抵抗値RF1、RF2の負帰還抵抗である。
64、65はそれぞれ演算増幅器1に対する電流設定値を電圧に換算した設定電圧S1、S2の入力抵抗である。
S1、S2は一般的にはD/A変換器や定電圧源出力を可変抵抗で分圧して取り出す等種々の方法が知られている。
【0109】
図10から判るように、ここでは演算増幅器1と負帰還抵抗101、102が電流Iを求める為の演算回路の機能を兼ねている。
【0110】
以下に図10の動作について説明する。
電流IがI1MAX以下の場合スイッチング素子6はオフであり、V1は
V1=R1・I ・・・(61)
で表わされる。
電流IがI1MAXを越えるとスイッチング素子6はオンになり、V1は
V1=VZ1 ・・・(62)
になる。
【0111】
またV2は
V2=R2・I ・・・(63)
である。
【0112】
また、反転増幅器の動作として一般的に良く知られているように、
が成り立つ。
【0113】
電流IがI1MAX以下の場合(61)、(63)を(64)に代入してIを求めると
I=−(S1/R11+S2/R12)/(R1/RF1+R2/RF2) ・・・(65)
になる。
【0114】
電流IがI1MAXを越える場合は(62)、(63)を(64)に代入してIを求めると
I=−(S1/R11+S2/R12+VZ1/RF1)/(R2/RF2)・・・(66)
になる。
【0115】
(65)、(66)から、各抵抗値を適切に設定すれば、電流設定値S1、S2で電流Iを高分解能で広い範囲に渡って設定できることが判る。
【0116】
なお、図10の例ではI/V変換抵抗をR1、R2の2つにしているが、R3、R4・・と増やせば、電流範囲をより広くすることができる。
【0117】
また、図10の例では設定入力をS1、S2の2つにしているが、入力抵抗の個数を増やして、設定値入力をS3、S4・・・と増やせば、設定範囲をより広くすることができる。なお、I/V変換抵抗と設定値入力の個数は同じである必要はない。
【0118】
また、6のスイッチング素子をダイオード等のように緩やかにオン−オフのスイッチングをする素子を使用すれば、I/V変換抵抗切り替わりに伴う出力電流変動が発生しない電流発生器を得ることができる。
【0119】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項1または請求項2によれば、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能が高い電流/電圧変換回路を得ることができる。
【0120】
また本発明の請求項3によれば、入力インピーダンスが低く、且つ高速、高分解能で、ダイナミックレンジが高い電流/電圧変換回路を得ることができる。
【0121】
さらに、本発明の請求項4によれば、大きな電流を駆動する電流増幅回路を用いずに、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能が高い、電流/電圧変換回路を得ることができる。
【0122】
また、本発明の請求項5または請求項6によれば、分解能が高く、且つI/V変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つ電流発生器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】演算増幅器を用いた電流/電圧変換回路実施例である。
【図2】一般的に知られている、演算増幅器を用いた電流/電圧変換回路である。
【図3】一般的に知られている、演算増幅器を用いたレンジ切り替え機能付き電流/電圧変換回路である。
【図4】図1の電流/電圧変換回路にI/V変換抵抗と差動増幅器とスイッチング素子を追加して、入力電流範囲を広げた電流/電圧変換回路実施例である。
【図5】電流/電圧変換回路実施例である。
【図6】電流発生器実施例である。
【図7】一般的に知られている、レンジ切り替え機能付き電流/電圧変換回路例である。
【図8】一般的に知られている、電流発生器の回路例である。
【図9】電流/電圧変換回路実施例である。
【図10】電流発生器実施例である。
【符号の説明】
1、21、31 演算増幅器
3、4、5、22、32、33、34、41 I/V変換抵抗
6、7、45 スイッチング素子
8、9 スイッチング素子制御信号
2 演算回路
35、36、37 スイッチ
42、43、44 差動増幅器
61 負荷
62、63、101、102 負帰還抵抗
64、65 演算増幅器入力抵抗
Claims (6)
- 電流/電圧変換の為のI/V変換抵抗を必要レンジ数分設け、最小レンジ以外のI/V変換抵抗にスイッチング素子を直列に設け、これらを並列に接続したものにおいて、当該レンジより1段小さいレンジのI/V変換抵抗にそのレンジにおける設定値以上の電流が流れたら当該レンジのスイッチング素子をオンにして、当該レンジのI/V変換抵抗に電流が流れるようにすることで、入力電流の大きさに応じてI/V変換抵抗に流れる電流をオン−オフさせ、各I/V変換抵抗の両端の電圧を演算回路で演算して電流値を検出することを特徴とする電流/電圧変換回路。
- 電流/電圧変換の為のI/V変換抵抗を必要レンジ数分設け、最大レンジ以外のI/V変換抵抗にスイッチング素子を並列に設け、これらを直列に接続したものにおいて、各レンジのI/V変換抵抗にそのレンジにおける設定値以上の電流が流れたら並列に接続したスイッチング素子をオンにして、当該レンジのI/V変換抵抗の電流をバイパスすることで、入力電流の大きさに応じてI/V変換抵抗に流れる電流を増減させ、差動増幅器で各I/V変換抵抗の両端の電圧を検出した後、演算回路で演算して電流値を検出することを特徴とする電流/電圧変換回路。
- 請求項1または請求項2の電流/電圧変換回路と演算増幅器を組み合わせた、入力インピーダンスが小さく、ダイナミックレンジが広いことを特徴とする電流/電圧変換回路。
- 請求項3の電流/電圧変換回路にI/V変換抵抗と差動増幅器とスイッチング素子を追加して、大電流を駆動する電流増幅回路を使用せずに、ダイナミックレンジを広げることを特徴とする電流/電圧変換回路。
- 請求項1の電流/電圧変換回路と演算増幅器と差動増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つI/V変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器。
- 請求項2の電流/電圧変換回路と演算増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つI/V変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器。
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