JP3818608B2

JP3818608B2 - Isolation amplifier

Info

Publication number: JP3818608B2
Application number: JP09459397A
Authority: JP
Inventors: 木邦彌荒; 坂俊昭遠
Original assignee: NF CORP
Current assignee: NF CORP
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: JPH10276046A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁増幅器（アイソレーションアンプ）に関し、特に信号伝送にフォトカプラを用いたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
入出力間を電気的に絶縁する機能を有する絶縁増幅器（アイソレーションアンプ）は、入力段と出力段の間に絶縁バリアを形成することにより、入出力間の接地電位を互いに自由に設定できるようにしている。絶縁バリアとしては、トランス、フォトカプラ等があり、種々のタイプの絶縁増幅器が存在している。
【０００３】
図４にはフォトカプラを用いた従来の絶縁増幅器の回路図が示されている。図４において、入力側のオペアンプＱ２０１と出力側のオペアンプＱ２０２間に絶縁バリアとしてフォトカプラＰＣ２が設けられており、オペアンプＱ２０１の非反転入力には抵抗Ｒ２０１を介して入力信号が供給される。オペアンプＱ２０１の反転入力は接地されている。オペアンプＱ２０１の出力は、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードＬＥＤ２のアノード側が接続され、発光ダイオードＬＥＤ２のカソード側（“−”印の方）は、抵抗Ｒ２０３を介して電源（−ＶR1）に接続され、発光ダイオードＬＥＤ２に動作電流を流している。また、オペアンプＱ２０１の非反転入力と電源（−ＶR1）間にはフォトカプラＰＣ２を構成するフォトダイオードＰＤ２１がオペアンプＱ２０１の帰還素子として接続され、抵抗Ｒ２０１に流れる入力電流を打ち消すような電流がフォトダイオードＰＤ２１に流れるよう発光ダイオードＬＥＤ２の発光強度を調節している。フォトダイオードＰＤ２１は、逆バイアス（−ＶR1）されて応答速度が改善される。上記フォトカプラＰＣ２は、１つの発光ダイオード（ＬＥＤ２）と特性が揃った２つのフォトダイオード（ＰＤ２１、ＰＤ２２）で構成されている。
【０００４】
一方、オペアンプＱ２０２の反転入力はフォトダイオードＰＤ２２のカソード側に接続され、非反転入力は接地されている。また、その反転入力と出力間には帰還抵抗Ｒ２０４が接続されている。その結果、オペアンプＱ２０２の反転入力端子の電位は、非反転入力端子の電位すなわち接地電位と同じになる。フォトダイオードＰＤ２２のアノード側は電源（−ＶＲ２）に接続されているため、フォトダイオードＰＤ２２は逆バイアス状態となり、応答速度が改善される。発光ダイオードＬＥＤ２に流れる電流（＝発光強度）に応じてフォトダイオードＰＤ２２に電流が流れ、この電流がオペアンプＱ２０２で電流−電圧変換され、電圧信号として出力される。
【０００５】
以上の構成により、入力電圧に比例した電流がダイオードＰＤ２１に流れるよう発光ダイオードＬＥＤ２の発光強度が調節され、そしてフォトダイオードＰＤ２１、ＰＤ２２の特性はマッチングがとれているため、フォトダイオード２２にはフォトダイオードＰＤ２１と同じ電流が流れることになる。このフォトダイオードＰＤ２２に流れる電流を電圧に変換して出力しているので、出力には入力に比例した電圧が現われ、かつ入出力の絶縁状態が保たれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したフォトカプラを使用した絶縁増幅器は、図４中に示すように、入力回路の接地電位と受光部分との間に存在する浮遊容量Ｃsにより、入力と出力の接地間に加わる雑音電圧が出力回路に現われてしまうという問題点がある。
【０００７】
今、入力と出力の接地間の供給電圧を絶縁モード電圧（ＶIM）とし、この絶縁モード電圧ＶIMを入力換算したものを等価誤差電圧（ＶERR）とすると、絶縁増幅器におけるＶIM の除去能力である絶縁モード除去比（ＩＭＲＲ）はＩＭＲＲ＝ＶERR／ＶIM として定義される。ここで、等価誤差電圧とは、絶縁モード電圧を絶縁増幅器の利得で割った値で、絶縁増幅器の入力端において絶縁モード電圧と同じ効果を与える電圧である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、入力と出力の接地間に加わる雑音電圧が浮遊容量を介して受光素子に飛び込んだ場合でもその影響を除去できる絶縁増幅器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため本発明による絶縁増幅器は、発光素子および特性がマッチングした１対の受光素子を含むフォトカプラと、非反転入力端子が接地され、反転入力端子に入力抵抗を介して入力信号が入力されると共に前記フォトカプラの前記１対の受光素子の一方の受光素子の出力電流が帰還され、出力端子が前記フォトカプラの前記発光素子に接続される入力側増幅器とを備え、前記フォトカプラの他方の受光素子の出力電流を増幅して出力信号を出力するよう構成された絶縁増幅器において、
前記フォトカプラの前記一方の受光素子に逆バイアスを与えると共に前記一方の受光素子の流入および流出電流の差を増幅して前記入力側増幅器の前記反転入力端子に帰還する第１の電流入力型の差動増幅器と、前記フォトカプラの前記他方の受光素子に逆バイアスを与えると共に前記他方の受光素子の流入および流出電流の差を増幅して前記出力信号を出力する第２の電流入力型の差動増幅器とを備える。
【００１０】
本発明の絶縁増幅器の好適実施形態によると前記第１および第２の電流入力型の差動増幅器の電流アンプ部分の少なくとも一つの電流利得が調整可能である。また、前記第１および第２の電流入力型の差動増幅器は、それぞれ非反転入力端子が前記受光素子の逆バイアス用電源に接続され、反転入力端子が前記受光素子の異なる端子に接続され、前記反転入力端子および出力端子間に帰還抵抗が接続された１対のオペアンプを含んでいる。
【００１１】
更に、前記第１および第２の電流入力型の差動増幅器は、それぞれ非反転入力端子が前記受光素子の逆バイアス用電源に接続され、反転入力端子と出力端子間に帰還抵抗が接続され、前記反転入力端子が前記受光素子の異なる端子に接続された１対のオペアンプを含み、該１対のオペアンプのうち前記受光素子の流出電流が入力される一方のオペアンプの出力端子電圧を、抵抗を介して他方のオペアンプの反転入力端子へ注入する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明による絶縁増幅器の一実施形態を示す回路図である。図１において、入力信号は抵抗Ｒ１を介してオペアンプＱ１の反転入力に供給され、オペアンプＱ１の非反転入力は接地されている。オペアンプＱ１の出力にはフォトカプラＰＣ１を構成する発光ダイオードＬＥＤ１のアノードが接続され、発光ダイオードＬＥＤ１のカソードは抵抗Ｒ１１を介して電源−Ｖに接続され、発光ダイオードＬＥＤ１には適切な動作電流を流して発光させる。
【００１３】
発光ダイオードＬＥＤ１から発光した光は、フォトダイオードＰＤ１１により受光され、電流に変換される。フォトダイオードＰＤ１１には、図示の如く、オペアンプＱ２〜Ｑ４及び抵抗Ｒ３〜Ｒ１０から成る電流入力タイプの差動増幅器が接続され、この差動増幅器は、フォトダイオードＰＤ１１に流れる電流の変化を電圧に変換している。ここで、Ｒ５＝Ｒ６＝Ｒ７＝Ｒ８である。このように、フォトダイオードＰＤ１１のカソード側、アノード側のそれぞれに存在する浮遊容量は、かかる差動形式による信号の取り出しにより、悪影響はキャンセルされることになる。
【００１４】
フォトダイオードＰＤ１１は、＋ＶB1と−ＶB1により逆バイアスが与えられ、オペアンプＱ２、Ｑ３にそれぞれ出力オフセットを発生させる。ここで、抵抗Ｒ９、Ｒ１０は、オペアンプＱ２、Ｑ３で生ずる出力オフセットをキャンセルするためのものである。
【００１５】
オペアンプＱ４の出力は抵抗Ｒ２を介してオペアンプＱ１の反転入力に接続され、このフィードバックループによりフォトダイオードＰＤ１１に流れる電流が入力電圧に比例するようになる。
【００１６】
発光ダイオードＬＥＤ１で発光した光は、フォトダイオードＰＤ１１と特性がマッチングしている出力側のフォトダイオードＰＤ１２でも受光され、フォトダイオードＰＤ１２にはフォトダイオードＰＤ１１と同じ電流が流れる。フォトダイオードＰＤ１２側には、フォトダイオードＰＤ１１側と同様に、オペアンプＱ５〜Ｑ７、と抵抗Ｒ１２〜Ｒ１９から成り、電流入力を持つ差動増幅器が接続され、フォトダイオードＰＤ１２に流れる電流の変化を電圧に変換している。ここでも、Ｒ１４＝Ｒ１５＝Ｒ１６＝Ｒ１７とされる。オペアンプＱ５とＱ６の非反転入力には＋ＶB2と−ＶB2がそれぞれ接続され、フォトダイオードＰＤ１２を逆バイアス状態にしている。このため、オペアンプＱ５，Ｑ６にはそれぞれ出力オフセットが発生する。オペアンプＱ７の非反転及び反転入力に接続された抵抗Ｒ１８，Ｒ１９はこれらのオフセットをキャンセルするものである。
【００１７】
前述フォトダイオードＰＤ１１側と同様に、フォトダイオードＰＤ１２のカソード側、アノード側のそれぞれと装置の入力側との間に存在する浮遊容量は、差動形式で信号が取り出されるため、その悪影響はキャンセルされる。こうして、フォトダイオードＰＤ１２に流れる電流変化は電圧に変換されオペアンプＱ７の出力に電圧信号となって現われる。尚、オペアンプＱ１は、入力信号電圧とオペアンプＱ４の出力信号電圧とを入力とする差動増幅器であってもかまわない。
【００１８】
図２は、本実施形態における雑音キャンセル効果を説明するための図１の出力側の要部回路図であり、浮遊容量と雑音との関係を示している。図２において、入力側接地（１）とフォトカプラの受光部であるフォトダイオードＰＤ１２との間には浮遊容量Ｃs1、Ｃs2が存在する場合を想定する。
【００１９】
今、フォトダイオードＰＤ１２に流れる信号成分をｉsとすると、この信号成分によるオペアンプＱ５、Ｑ６及びＱ７の出力Ｖ5S、Ｖ6S、Ｖ7Sは、次のように表わせる。
Ｖ5S＝ＶB2＋ｉs・Ｒ12 （１）
Ｖ6S＝−ＶB2−ｉs・Ｒ13 （２）
Ｖ7S＝Ｖ6S−Ｖ7S＝−｛２ＶB2＋（Ｒ12＋Ｒ13）・ｉs｝（３）
となる。ここで、Ｒ１４＝Ｒ１５＝Ｒ１６＝Ｒ１７としている。抵抗Ｒ１８，Ｒ１９は、オペアンプＱ５，Ｑ６で発生した出力オフセット電圧をキャンセルするためのものである。
【００２０】
一方、浮遊容量Ｃs1、Ｃs2に起因する雑音電圧ＶNの飛び込みによる雑音成分Ｖ5N、Ｖ6Nは次のように表わせる。
Ｖ5N＝−ＶN・ｊωＣs1・Ｒ12 （４）
Ｖ6N＝−ＶN・ｊωＣs2・Ｒ13 （５）
ここでＶ5N＝Ｖ6Nとすれば、Ｖ7Nはゼロとなり、雑音成分は出力されない。このための条件を求めると次のようになる。
Ｃs1・Ｒ12 ＝Ｃs2・Ｒ13 （６）
【００２１】
通常、これら回路が形成される基板レイアウトの関係上Ｃs1≠Ｃs2であるが、その場合でもＲ12又はＲ13を調整すれば、（６）式を満足させることができる。入力側のフォトダイオードＰＤ１１についても同様なことが言える。
【００２２】
実際の調整に当たっては、（６）式を満足するようＲ12を調整してＣs1、Ｃs2の影響をキャンセルする。具体的には、入力回路の接地と出力回路の接地との間に雑音電圧に相当する交流信号を印加した後、Ｒ12を調整して、オペアンプＱ７の出力に現われる前記交流信号が最少となるようにする。入力側の受光素子フォトダイオードＰＤ１１についても同様な方法で浮遊容量の影響をキャンセルできる。
【００２３】
尚、オペアンプＱ２、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６のそれぞれの帰還抵抗と並列にキャパシタを付加して、これらも調整すれば、各オペアンプの周波数特性も含めて調整できるので、より効果的である。
【００２４】
実測値によれば、従来技術の絶縁増幅器の絶縁モード除去比（ＩＭＲＲ）は１ｋＨｚで６７ｄＢであるのに対し、本発明のように入力側及び出力側のフォトダイオードの出力を電流入力の差動増幅器を用いて検出した場合は１１６ｄＢであった。その改善度は実に４９ｄＢ（約２８２倍）という著しいもので、フォトカプラを使用した絶縁増幅器としては画期的なＩＭＲＲ値が得られ、絶縁増幅器の新たなアプリケーションの開拓に寄与するところ大といえる。尚、このＩＭＲＲ値は使用するフォトカプラの構造にも依存する。
【００２５】
以上述べたように、本発明の絶縁増幅器によれば、フォトカプラの入力側フォトダイオードＰＤ１１と、出力側のフォトダイオードＰＤ１２のカソード側、アノード側のそれぞれに存在する浮遊容量を通して雑音電圧が注入されたとしても、差動形式でこの雑音電圧を検出するため、雑音電圧はキャンセルされ出力に現われなくなる。
【００２６】
図３は本発明による絶縁増幅器の他の実施形態の回路図であり、フォトダイオードＰＤ１２側の受光部分のみを示す回路図である。この実施形態では、上述実施形態の電流入力差動アンプを使用する代わりに、信号路とは別に雑音成分をキャンセルする回路を追加して使用回路構成部品数を削減したもので、具体的には、使用オペアンプの数を７個から５個に、使用抵抗を１９個から１１個に低減できる。原理的には、図３に示すフォトダイオードＰＤ１２のカソード側及びアノード側のＡ、Ｂ点の雑音は同じ位相で注入されるので、Ｂ点の雑音を反転してＡ点に加えて雑音をキャンセルするものである。
【００２７】
図３において、浮遊容量をＣs1とＣs2とし、絶縁モード電圧をＶIMとすると、フォトダイオードＰＤ１２には、図の如く浮遊容量Ｃs1、Ｃs2を介して雑音電圧ＶIMがカソード側のＡ点及びアノード側のＢ点に同じ位相で印加されている。フォトダイオードＰＤ１２には、発光ダイオードＬＥＤ１（図示せず）の発光によるフォト電流ｉｍが流れている。フォトダイオードＰＤ１２のカソードはオペアンプＱ１０１の反転入力に接続され、この反転入力と同オペアンプ出力との間には帰還抵抗Ｒ１０１が接続されている。この帰還抵抗Ｒ１０１には浮遊容量Ｃ１０１が並列に接続されている。同オペアンプＱ１０１の出力にはフォトダイオードＰＤ１２に流れる電流に比例した電圧が出力される。
【００２８】
このオペアンプＱ１０１の反転入力には、他端が電位ＶR1に接続された抵抗Ｒ１０４も接続されている。この抵抗Ｒ１０４にはフォトダイオードＰＤ１２のバイアス電圧によるオペアンプＱ１０１の出力オフセットをキャンセルするだけの電流を流す。
【００２９】
フォトダイオードＰＤ１２のアノードはオペアンプＱ１０２の反転入力に接続され、この反転入力と同オペアンプの出力との間には帰還抵抗Ｒ１０２とキャパシタＣ１０２の並列回路が接続されている。また、同オペアンプＱ１０２の非反転入力にはフォトダイオードＰＤ１２を逆バイアスするための電圧（＝−ＶR）が接続されている。オペアンプＱ１０２の出力からはフォトダイオードＰＤ１２に流れる信号電流ｉmに比例した信号電圧が出力される。オペアンプＱ１０２の出力は、抵抗Ｒ１０３とキャパシタＣ１０１の並列回路を介してオペアンプＱ１０１の反転入力に接続されている。
【００３０】
信号電流ｉmについて考えると、フォトダイオードＰＤ１２のアノードから流出した電流ｉmは、オペアンプＱ１０２を経由してオペアンプＱ１０１の反転入力に注入される。このため、信号電流の大きさは２imと等価になる。
【００３１】
一方、雑音成分である絶縁モード電圧ＶIMを考えると、ＶIMのうち浮遊容量ＣS2経由のものはオペアンプＱ１０２で反転されオペアンプＱ１０１の反転入力に逆位相で注入される。このため信号に重畳しているＣS1経由のＶIM成分はキャンセルされる。
【００３２】
図３の回路については次の基本式が成立する。
ｉs1＝ｊωＣs1・ＶIM （７）
【００３３】
回路が正常に動作している場合には、フォトダイオードＰＤ１２のカソードとアノードには同じ交流成分が印加されているためフォトダイオードＰＤ１２には交流成分は流れずisd＝０となる。このため、
ｉs2＝ｊωＣs2・ＶIM （８）
Ｅ2＋ＶR ＝ −Ｚ2(im＋is2) （９）
Ｅ0＝Ｚ1(ｉm−ｉs1−(Ｅ2／Ｚ3)−(ＶR1／Ｒ104)) （１０）
ここでＺ1＝Ｒ101//Ｃ101、Ｚ2＝Ｒ102//Ｃ102、Ｚ3＝Ｒ103//Ｃ103である。（ａ//ｂは、ａとｂの並列接続を表わす）
【００３４】
基本式(７)〜（１０）)から、ｉs1、ｉs2、Ｅ2を消去してＥ0を求めると次のようになる。
【数１】

【００３５】
ここで信号と雑音との関係のみに着目するため、（11）式の右辺からＶIMを含む項のみを取り出すと次のようになる
【数２】

ここで、τ1=Ｃ101・Ｒ101、τ2=Ｃ102・Ｒ102、τs0²=(Ｃ102・ＣS1-Ｃ103・ＣS2)・Ｒ102・Ｒ103、τs1=(ＣS1・Ｒ103-ＣS2・Ｒ102)、τs2=τs0²／τs1である。
【００３６】
（13）、（14）式より、Ｅ0/ＶIM＝０となる条件は、τs1及びτs0²をゼロにすれば良い事がわかる。この条件より次の関係式が導かれる。
【数３】

【数４】

【００３７】
実際の調整にあたっては、例えば、入力側接地端子と出力側接地端子との間に矩形波信号を印加し、最初に抵抗Ｒ102、Ｒ103の比を調整して浮遊容量ＣS1、ＣS2の影響をキャンセルし（15）式を満足させる。次にＣ102、Ｃ103を調整して（16）式を満足させる。
【００３８】
以上で述べた図３に示す回路は、絶縁増幅器の出力側の受光部分についてのものであるが、絶縁増幅器の入力側の受光部分についても同様の方法でフォトダイオードＰＤ１１から雑音を除去して信号を取り出すことができる。
【００３９】
このように、浮遊容量を介して受光素子に飛びつく雑音成分があったとしても、入力側及び出力側の受光部分に図３の回路を適用することにより雑音成分を除去できる。
【００４０】
尚、以上の説明において、フォトカプラは発光ダイオード素子およびフォトダイオード素子で構成されているものについて説明したが、他の形式の素子であってもかまわない。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、フォトカプラを用いた絶縁増幅器において、入力側及び出力側のフォトダイオードの出力を電流入力タイプの差動増幅手段で検出している。このため、入力側接地と出力側接地との間に存在している雑音電圧が浮遊容量を介して受光素子に飛び込んだとしても、この雑音電圧は同相成分であるため差動増幅器によりキャンセルされる。この結果、より忠実に信号を増幅することができる。
【００４２】
また、本発明の他の実施形態によれば、受光部分で検出した雑音を含む信号のうち雑音成分をキャンセルできる電流−電圧変換回路を設けた。この電流−電圧変換回路を入力側及び出力側の受光部に用いることにより、入力側接地と出力側接地との間に雑音電圧が存在していても信号を忠実に増幅できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例による絶縁増幅器の回路図である。
【図２】浮遊容量による雑音の注入経路の説明図である。
【図３】本発明の他の実施形態による絶縁増幅器の回路図である。
【図４】従来の絶縁増幅器の回路図である。
【符号の説明】
ＬＥＤ１発光素子
ＰＤ１１、ＰＤ１２受光素子
Ｑ１入力側増幅器
Ｒ１入力抵抗
Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４第１の電流入力型の差動増幅器
Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７第２の電流入力型の差動増幅器
Ｒ３、Ｒ４、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１６帰還抵抗
＋Ｖ _Ｂ１、−Ｖ _Ｂ１、＋Ｖ _Ｂ２、−Ｖ _Ｂ２逆バイアス電源 [0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an insulation amplifier (isolation amplifier), and more particularly, to an amplifier using a photocoupler for signal transmission.
[0002]
[Prior art]
An isolation amplifier (isolation amplifier) having a function of electrically isolating input and output can freely set the ground potential between input and output by forming an insulation barrier between the input stage and the output stage. I have to. Examples of the insulation barrier include a transformer and a photocoupler, and various types of insulation amplifiers exist.
[0003]
FIG. 4 shows a circuit diagram of a conventional isolation amplifier using a photocoupler. In FIG. 4, a photocoupler PC2 is provided as an insulation barrier between the input-side operational amplifier Q201 and the output-side operational amplifier Q202, and an input signal is supplied to the non-inverting input of the operational amplifier Q201 via a resistor R201. The inverting input of the operational amplifier Q201 is grounded. The output of the operational amplifier Q201 is connected to the anode side of the light emitting diode LED2 of the photocoupler PC2, and the cathode side (marked with “-”) of the light emitting diode LED2 is connected to the power source (−VR1) via the resistor R203 to emit light. An operating current is passed through the diode LED2. A photodiode PD21 constituting the photocoupler PC2 is connected as a feedback element of the operational amplifier Q201 between the non-inverting input of the operational amplifier Q201 and the power supply (-VR1), and a current that cancels the input current flowing through the resistor R201 is a photodiode. The light emission intensity of the light emitting diode LED2 is adjusted so as to flow through the PD21. The photodiode PD21 is reverse-biased (-VR1) to improve the response speed. The photocoupler PC2 includes one light emitting diode (LED2) and two photodiodes (PD21, PD22) having the same characteristics.
[0004]
On the other hand, the inverting input of the operational amplifier Q202 is connected to the cathode side of the photodiode PD22, and the non-inverting input is grounded. A feedback resistor R204 is connected between the inverting input and the output. As a result, the potential of the inverting input terminal of the operational amplifier Q202 becomes the same as the potential of the non-inverting input terminal, that is, the ground potential. Since the anode side of the photodiode PD22 is connected to the power supply (-VR2), the photodiode PD22 is in a reverse bias state, and the response speed is improved. A current flows through the photodiode PD22 in accordance with a current (= emission intensity) flowing through the light emitting diode LED2, and this current is subjected to current-voltage conversion by the operational amplifier Q202 and output as a voltage signal.
[0005]
With the above configuration, the light emission intensity of the light emitting diode LED2 is adjusted so that a current proportional to the input voltage flows to the diode PD21, and the characteristics of the photodiodes PD21 and PD22 are matched. The same current as the PD 21 flows. Since the current flowing through the photodiode PD22 is converted into a voltage and output, a voltage proportional to the input appears in the output and the input / output insulation state is maintained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As shown in FIG. 4, the isolation amplifier using the photocoupler described above has a noise voltage applied between the input and output ground due to the stray capacitance Cs existing between the ground potential of the input circuit and the light receiving portion. There is a problem that it appears in the output circuit.
[0007]
Now, assuming that the supply voltage between the input and output grounds is the insulation mode voltage (VIM), and the equivalent conversion voltage (VERR) is the equivalent of this insulation mode voltage VIM, the insulation that is the ability to remove VIM in the insulation amplifier The mode rejection ratio (IMRR) is defined as IMRR = VERR / VIM. Here, the equivalent error voltage is a value obtained by dividing the insulation mode voltage by the gain of the insulation amplifier, and is a voltage that gives the same effect as the insulation mode voltage at the input terminal of the insulation amplifier.
[0008]
An object of the present invention is to provide an isolation amplifier noise voltage applied between the input and output ground can remove the influence even when elaborate jump to the light receiving element via the stray capacitance.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, an isolation amplifier according to the present invention includes a photocoupler including a light emitting element and a pair of light receiving elements whose characteristics are matched, a non-inverting input terminal grounded, and an input to the inverting input terminal via an input resistor. An input-side amplifier that receives a signal and feeds back an output current of one light receiving element of the pair of light receiving elements of the photocoupler and has an output terminal connected to the light emitting element of the photocoupler, In an insulation amplifier configured to amplify the output current of the other light receiving element of the photocoupler and output an output signal ,
A first current input type that applies a reverse bias to the one light receiving element of the photocoupler and amplifies a difference between inflow and outflow currents of the one light receiving element and feeds back to the inverting input terminal of the input side amplifier. A differential amplifier and a second current input type difference for applying a reverse bias to the other light receiving element of the photocoupler and amplifying a difference between inflow and outflow currents of the other light receiving element and outputting the output signal A dynamic amplifier.
[0010]
According to a preferred embodiment of the insulation amplifier of the present invention, the current gain of at least one of the current amplifier portions of the first and second current input type differential amplifiers can be adjusted . The first and second current input type differential amplifiers each have a non-inverting input terminal connected to a reverse bias power source of the light receiving element, and an inverting input terminal connected to a different terminal of the light receiving element, A pair of operational amplifiers including a feedback resistor connected between the inverting input terminal and the output terminal are included.
[0011]
Further, the first and second current input type differential amplifiers each have a non-inverting input terminal connected to a reverse bias power source of the light receiving element, and a feedback resistor connected between the inverting input terminal and the output terminal, The inverting input terminal includes a pair of operational amplifiers connected to different terminals of the light receiving element, and the output terminal voltage of one operational amplifier to which the outflow current of the light receiving element is input is connected to a resistor. To the inverting input terminal of the other operational amplifier.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of an isolation amplifier according to the present invention. In FIG. 1, an input signal is supplied to the inverting input of the operational amplifier Q1 through the resistor R1, and the non-inverting input of the operational amplifier Q1 is grounded. The output of the operational amplifier Q1 is connected to the anode of the light emitting diode LED1 constituting the photocoupler PC1, the cathode of the light emitting diode LED1 is connected to the power source -V via the resistor R11, and an appropriate operating current flows through the light emitting diode LED1. To emit light.
[0013]
The light emitted from the light emitting diode LED1 is received by the photodiode PD11 and converted into a current. As shown in the figure, a current input type differential amplifier comprising operational amplifiers Q2 to Q4 and resistors R3 to R10 is connected to the photodiode PD11, and this differential amplifier converts a change in the current flowing through the photodiode PD11 into a voltage. is doing. Here, R5 = R6 = R7 = R8. As described above, the adverse effects of the stray capacitances existing on the cathode side and the anode side of the photodiode PD11 are canceled by taking out the signal in the differential format.
[0014]
The photodiode PD11 is reverse-biased by + VB1 and -VB1 to generate output offsets in the operational amplifiers Q2 and Q3, respectively. Here, the resistors R9 and R10 are for canceling the output offset generated in the operational amplifiers Q2 and Q3.
[0015]
The output of the operational amplifier Q4 is connected to the inverting input of the operational amplifier Q1 through the resistor R2, and the current flowing through the photodiode PD11 is proportional to the input voltage by this feedback loop.
[0016]
The light emitted from the light emitting diode LED1 is also received by the photodiode PD12 on the output side whose characteristics match with the photodiode PD11, and the same current as the photodiode PD11 flows through the photodiode PD12. Similarly to the photodiode PD11 side, the photodiode PD12 side is connected with a differential amplifier having operational inputs Q5 to Q7 and resistors R12 to R19 and having a current input, and changes in the current flowing through the photodiode PD12 to voltage. It has been converted. Again, R14 = R15 = R16 = R17. + VB2 and -VB2 are connected to the non-inverting inputs of the operational amplifiers Q5 and Q6, respectively, so that the photodiode PD12 is in a reverse bias state. For this reason, an output offset occurs in each of the operational amplifiers Q5 and Q6. Resistors R18 and R19 connected to the non-inverting and inverting inputs of the operational amplifier Q7 cancel these offsets.
[0017]
Similar to the photodiode PD11 side, the stray capacitance existing between the cathode side and the anode side of the photodiode PD12 and the input side of the device is extracted in a differential manner, and its adverse effect is canceled. The Thus, the change in current flowing through the photodiode PD12 is converted into a voltage and appears as a voltage signal at the output of the operational amplifier Q7. The operational amplifier Q1 may be a differential amplifier that receives the input signal voltage and the output signal voltage of the operational amplifier Q4.
[0018]
FIG. 2 is a principal circuit diagram on the output side of FIG. 1 for explaining the noise cancellation effect in the present embodiment, and shows the relationship between stray capacitance and noise. In FIG. 2, it is assumed that stray capacitances Cs1 and Cs2 exist between the input-side ground (1) and the photodiode PD12 that is the light receiving portion of the photocoupler.
[0019]
Now, assuming that the signal component flowing through the photodiode PD12 is is, the outputs V5S, V6S, and V7S of the operational amplifiers Q5, Q6, and Q7 by this signal component can be expressed as follows.
V5S = VB2 + is · R12 (1)
V6S = -VB2-is.R13 (2)
V7S = V6S-V7S =-{2VB2 + (R12 + R13) .is} (3)
It becomes. Here, R14 = R15 = R16 = R17. The resistors R18 and R19 are for canceling the output offset voltage generated in the operational amplifiers Q5 and Q6.
[0020]
On the other hand, noise components V5N and V6N due to the jump of the noise voltage VN caused by the stray capacitances Cs1 and Cs2 can be expressed as follows.
V5N = -VN ・ jωCs1 ・ R12 (4)
V6N = -VN ・ jωCs2 ・ R13 (5)
Here, if V5N = V6N, V7N becomes zero and no noise component is output. The conditions for this are as follows.
Cs1 ・ R12 = Cs2 ・ R13 (6)
[0021]
Normally, Cs1 ≠ Cs2 because of the substrate layout on which these circuits are formed, but even in this case, if R12 or R13 is adjusted, equation (6) can be satisfied. The same applies to the photodiode PD11 on the input side.
[0022]
In actual adjustment, R12 is adjusted to satisfy the expression (6) to cancel the influence of Cs1 and Cs2. Specifically, after an AC signal corresponding to a noise voltage is applied between the ground of the input circuit and the ground of the output circuit, R12 is adjusted so that the AC signal appearing at the output of the operational amplifier Q7 is minimized. To. The effect of stray capacitance can be canceled by the same method for the light receiving element photodiode PD11 on the input side.
[0023]
If a capacitor is added in parallel with the feedback resistors of the operational amplifiers Q2, Q3, Q5, and Q6 and these are adjusted, the frequency characteristics of each operational amplifier can be adjusted, which is more effective.
[0024]
According to the measured values, the insulation mode rejection ratio (IMRR) of the prior art insulation amplifier is 67 dB at 1 kHz, whereas the output of the photodiodes on the input side and the output side is different from the current input as in the present invention. When detected using an amplifier, it was 116 dB. The degree of improvement is actually 49 dB (about 282 times), and it can be said that it is a great place to contribute to the development of new applications for insulation amplifiers, because it can provide a revolutionary IMRR value for insulation amplifiers using photocouplers. . This IMRR value also depends on the structure of the photocoupler used.
[0025]
As described above, according to the isolation amplifier of the present invention, the noise voltage is injected through the stray capacitances present on the input side photodiode PD11 of the photocoupler and the cathode side and the anode side of the output side photodiode PD12. Even if this is the case, this noise voltage is detected in a differential manner, so that the noise voltage is canceled and does not appear in the output.
[0026]
FIG. 3 is a circuit diagram of another embodiment of the insulation amplifier according to the present invention, and is a circuit diagram showing only a light receiving portion on the photodiode PD12 side. In this embodiment, instead of using the current input differential amplifier of the above-described embodiment, a circuit for canceling a noise component is added separately from the signal path to reduce the number of circuit components used. Specifically, The number of operational amplifiers used can be reduced from 7 to 5, and the resistance used can be reduced from 19 to 11. In principle, the noise at the points A and B on the cathode side and the anode side of the photodiode PD12 shown in FIG. 3 is injected in the same phase, so the noise at the point B is inverted and added to the point A to cancel the noise. To do.
[0027]
In FIG. 3, assuming that the stray capacitances are Cs1 and Cs2 and the insulation mode voltage is VIM, the noise voltage VIM is applied to the photodiode PD12 via the stray capacitances Cs1 and Cs2 as shown in FIG. It is applied to point B with the same phase. A photocurrent im caused by light emission of the light emitting diode LED1 (not shown) flows through the photodiode PD12. The cathode of the photodiode PD12 is connected to the inverting input of the operational amplifier Q101, and a feedback resistor R101 is connected between the inverting input and the operational amplifier output. A stray capacitance C101 is connected in parallel to the feedback resistor R101. A voltage proportional to the current flowing through the photodiode PD12 is output to the output of the operational amplifier Q101.
[0028]
The inverting input of the operational amplifier Q101 is also connected to a resistor R104 whose other end is connected to the potential VR1. A current sufficient to cancel the output offset of the operational amplifier Q101 due to the bias voltage of the photodiode PD12 flows through the resistor R104.
[0029]
The anode of the photodiode PD12 is connected to the inverting input of the operational amplifier Q102, and a parallel circuit of a feedback resistor R102 and a capacitor C102 is connected between the inverting input and the output of the operational amplifier. The non-inverting input of the operational amplifier Q102 is connected to a voltage (= −VR) for reverse-biasing the photodiode PD12. A signal voltage proportional to the signal current im flowing through the photodiode PD12 is output from the output of the operational amplifier Q102. The output of the operational amplifier Q102 is connected to the inverting input of the operational amplifier Q101 through a parallel circuit of a resistor R103 and a capacitor C101.
[0030]
Considering the signal current im, the current im flowing out from the anode of the photodiode PD12 is injected into the inverting input of the operational amplifier Q101 via the operational amplifier Q102. For this reason, the magnitude of the signal current is equivalent to 2im.
[0031]
On the other hand, considering the insulation mode voltage VIM which is a noise component, VIM via the stray capacitance CS2 is inverted by the operational amplifier Q102 and injected into the inverting input of the operational amplifier Q101 in reverse phase. For this reason, the VIM component via CS1 superimposed on the signal is canceled.
[0032]
The following basic formula holds for the circuit of FIG.
is1 = jωCs1 ・ VIM (7)
[0033]
When the circuit is operating normally, the same AC component is applied to the cathode and anode of the photodiode PD12, so that no AC component flows through the photodiode PD12 and isd = 0. For this reason,
is2 = jωCs2 · VIM (8)
E2 + VR = -Z2 (im + is2) (9)
E0 = Z1 (im-is1- (E2 / Z3)-(VR1 / R104)) (10)
Here, Z1 = R101 // C101, Z2 = R102 // C102, and Z3 = R103 // C103. (A // b represents a parallel connection of a and b)
[0034]
From Eqs. (7) to (10)), E0 is obtained by erasing is1, is2, and E2 as follows.
[Expression 1]

[0035]
Here, to focus only on the relationship between the signal and noise, if only the term including VIM is extracted from the right side of equation (11), the following equation is obtained.

Here, τ1 = C101 · R101, τ2 = C102 · R102, τs0 ² = (C102 · CS1-C103 · CS2) · R102 · R103, τs1 = (CS1 · R103-CS2 · R102), τs2 = τs0 ² / τs1 It is.
[0036]
(13), (14) from the equation, the condition to be E0 / VIM = 0 is found that may be a τs1 and Tauesu0 ² to zero. From this condition, the following relational expression is derived.
[Equation 3]

[Expression 4]

[0037]
In actual adjustment, for example, a rectangular wave signal is applied between the input side ground terminal and the output side ground terminal, and the ratio of the resistors R102 and R103 is first adjusted to cancel the influence of the stray capacitances CS1 and CS2. Satisfies equation (15). Next, C102 and C103 are adjusted to satisfy the equation (16).
[0038]
The circuit shown in FIG. 3 described above is for the light receiving portion on the output side of the insulation amplifier. However, the light receiving portion on the input side of the insulation amplifier is also used to remove noise from the photodiode PD11 in the same manner. Can be taken out.
[0039]
Thus, even if there is a noise component that jumps to the light receiving element via the stray capacitance, the noise component can be removed by applying the circuit of FIG. 3 to the light receiving portions on the input side and the output side.
[0040]
In the above description, the photocoupler has been described as being composed of a light emitting diode element and a photodiode element. However, other types of elements may be used.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the isolated amplifier using the photocoupler, the outputs of the input side and output side photodiodes are detected by the current input type differential amplifying means. Therefore, even elaborate jump to the light receiving element noise voltage is present via the stray capacitance between the input-side ground and the output side ground, this noise voltage is canceled by the differential amplifier for a phase component The As a result, the signal can be amplified more faithfully.
[0042]
According to another embodiment of the present invention, a current-voltage conversion circuit capable of canceling a noise component in a signal including noise detected at a light receiving portion is provided. By using this current-voltage conversion circuit for the light receiving portions on the input side and the output side, it is possible to amplify the signal faithfully even if a noise voltage exists between the input side ground and the output side ground.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of an isolation amplifier according to an example embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a noise injection path due to stray capacitance.
FIG. 3 is a circuit diagram of an isolation amplifier according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram of a conventional isolation amplifier.
[Explanation of symbols]
LED1 light emitting element
PD11, PD12 light receiving element
Q1 input side amplifier
R1 input resistance
Q2, Q3, Q4 first current input type differential amplifier
Q5, Q6, Q7 Second current input type differential amplifier
R3, R4, R7, R8, R12, R13, R16 feedback resistors
+ V _B 1, -V _B 1, + V _B 2, -V _B 2 Reverse bias power supply

Claims

A photocoupler including a light emitting element and a pair of light receiving elements whose characteristics are matched, a non-inverting input terminal is grounded, an input signal is input to the inverting input terminal via an input resistor, and the pair of photocouplers An output current of one light receiving element of the light receiving element is fed back, an output terminal is connected to the light emitting element of the photocoupler, and an output current of the other light receiving element of the photocoupler is amplified. In an isolation amplifier configured to output an output signal ,
A first current input type that applies a reverse bias to the one light receiving element of the photocoupler and amplifies a difference between inflow and outflow currents of the one light receiving element and feeds back to the inverting input terminal of the input side amplifier. A differential amplifier and a second current input type difference for applying a reverse bias to the other light receiving element of the photocoupler and amplifying a difference between inflow and outflow currents of the other light receiving element and outputting the output signal An insulation amplifier comprising a dynamic amplifier .

2. The isolation amplifier according to claim 1, wherein at least one current gain of a current amplifier part of the first and second current input type differential amplifiers is adjustable.

Each of the first and second current input type differential amplifiers has a non-inverting input terminal connected to a reverse bias power source of the light receiving element, an inverting input terminal connected to a different terminal of the light receiving element, and the inversion 3. The insulation amplifier according to claim 1 , further comprising a pair of operational amplifiers each having a feedback resistor connected between the input terminal and the output terminal .

Each of the first and second current input type differential amplifiers has a non-inverting input terminal connected to a reverse bias power source of the light receiving element, a feedback resistor connected between the inverting input terminal and the output terminal, and the inversion An input terminal includes a pair of operational amplifiers connected to different terminals of the light receiving element, and the output terminal voltage of one operational amplifier to which the outflow current of the light receiving element is input is connected via a resistor. 3. The insulation amplifier according to claim 1, wherein the insulation amplifier is injected into an inverting input terminal of the other operational amplifier.