JP4109200B2 - アクティブコモンモード減衰を行う差動電流源 - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は、負荷インピーダンスを通して電流を供給する電気回路に係り、その電流源が差動的なものであって、対称的に負荷を高インピーダンス駆動するものに関する。このタイプの電流源は、弱い励振を用いてインピーダンス測定を行う計測器において特に有用なものである。
【０００２】
［発明の背景］
現在、種々の電流源が知られているが、その回路は、それら所望の用途に適合する性能や複雑度によって大幅に相違するものである。さらに、これらはユニポーラ若しくはバイポーラ動作、或いは固定動作若しくは電圧プログラマブル動作をサポートする目的で、頻繁に変更が加えられるものである。計測器の電流源は、一般的に、浮動負荷を駆動するものと、接地負荷を駆動するもの、という２つのカテゴリーに大別される。理想電流源たるオペアンプ単体（ホロヴィッツ＆ヒル著の“Ｔｈｅ Ａｒｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”，１８２頁参照）は、浮動負荷を駆動する電流源の一例である。このタイプの電流源では、負荷が電流源と共通のグランドに接地された場合、出力電流が制御されない、という問題点がある。この理想電流源ではまた、不要なコモンモード電圧を負荷上に生じさせてしまう。
【０００３】
図１に示す、改良型ハウランド（Ｈｏｗｌａｎｄ）電流源は、接地負荷を駆動する電流源の一例である。これは、一端が電流源のグランドにつながれ、負荷とグランド間が低インピーダンスであることが確実な負荷を電流駆動することを明確に意図して開発されたものである。ハウランド電流源には数多くのバリエーションがあり、計測器に関連してその改良はうまくいっているが、欠点を１つ抱えている。即ちこの電流源は出力側と帰還側で異なるインピーダンスを有しており、不平衡負荷を形成している。電流源負荷の各端における異なるインピーダンスは、電流源の絶縁に関し何も問題を生じさせないが、しかしこの様な電流源を適用したときには、或る程度の漂遊ノイズが始終、負荷に結合して来る事になる。殆どのノイズは、環境より、容量的或いは誘導的に、電流源のリード中に結合して来る。ノイズは又、電圧測定回路中にも、それらの電源を介して結合して来る。多くのノイズは、コモンモード電流として負荷に結合して来る。差動電圧入力は、コモンモード電圧ノイズを広い範囲にわたって除去するのに用いられているが、しかしこれも有限である。
【０００４】
コモンモード電流が不平衡負荷に作用するとき、コモンモード電流は負荷のそれぞれの側における異なるインピーダンスと共に差動的に働き、差動入力によっては除去出来ないノーマルモード誤差を生じさせる。この誤差は、精密測定しようとするとき、或いは所望の測定信号に比べてコモンモード電圧が大きい場合はいつでも、重大なものとなり得る。負荷を平衡にする一つの手法は、対称的に負荷を高インピーダンス駆動する差動電流源を用いることである。差動電流駆動の先行例は、１９７７年冬のＮＡＳＡ技術資料中に記載された回路である。この回路は、２つの同一の、位相出力を異にする差動出力を与えて、ゼロ電源インピーダンスから来る負荷の一端を駆動するものである。尚この回路は、負荷の一端を有効に接地するものであって、コモンモード電圧誤差を除去出来ないものである。図２に示される差動電流源の第２例は、米国特許第５，０２１，７２９号に記載されたものである。この差動電流源は実用的な回路であって、負荷が浮動状態（ｆｌｏａｔｉｎｇ）に有る限り、精密測定におけるコモンモード電圧の影響を最小化することが可能である。しかしながら、負荷の片側が電流源と共通のグランドに接地されたときには、電流出力に関し重大な異常が生じる。
【０００５】
したがって、浮動負荷用の差動電流源としての利点を有しながら、接地された負荷をも取扱える新規な電流源が求められているのである。
【０００６】
［発明の概要］
本発明の主目的は、負荷が浮動状態にあるときには差動電流源として動作し、また負荷が接地されるときには自動的に、コモンモードが低減された接地負荷電流源として動作する新規な電流源を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、或るモードから別のモードに動作が切り替わったときに生じる負荷電流の変化が、僅かで予測可能な大きさで有ることを保証し、それによって、意図しない地絡が動作中に発生したときに、或いは測定用配線が予め組み込まれており配線変更が困難な応用例に付き、本発明を利用出来る様にする事にある。
【０００８】
本発明の他の目的は、交流動作、直流動作、ユニポーラ動作、バイポーラ動作、抵抗性負荷の下での動作、誘導性負荷の下での動作、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される動作用に構成され得る電流源を開発する事にある。
【０００９】
本発明の他の目的は、異なる値の検出抵抗を切り替えることによってレンジ選択が容易に出来る様改良することにある。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、２つの、実質的に同一な、負荷を各々の位相を異にしつつも同時に駆動する改良型ハウランド電流源から構成される。各半片、すなわち上記電流源のそれぞれから来る電流は、所望の電流出力と同じ大きさであるが、それぞれの符号が反対になっている。一の半片の電流源及び増幅器を駆動する外部電圧源は、反対の位相の電圧を作り出して、他の半片を駆動する。反転増幅器は、電流源の第２の半片が反転動作用に構成されているならば、任意に省略され得るものである。ハウランド構成に加えて、本発明ではグランドを中心にその動作を集める（ｃｅｎｔｅｒ）為のアクティブフィードバックを必要とする。これは、電流源出力増幅器が、一の給電線、或いはその他のもの（例えば、給電線間に動作電圧を集める手段からなるアクティブフィードバック）に対して浮いてしまうことから保護するものである。この回路には、動作を中心に集めるほか、電流源が交流動作用に構成されたものであれば、直流電流成分を低減する作用もある。
【００１１】
本発明の、ほぼ完全対称に近い回路は、他方が接地された場合であっても、基本的に一の半片が単独で動作することを許容する。一の半片とグランドの間に、零から無限大に至る迄どの様なインピーダンスがあっても許容されるほか、負荷の一端側とグランド間が有効な値のリード抵抗或いは高インピーダンスで短絡された場合であっても許容される。浮動動作と接地動作の間で生じる電流の誤差は、各半片２つの間で生じる電流の差の１／２に制限される。浮動負荷を通って流れる電流は、各半片２つがそれぞれ独立であったならばこれらによって作り出されるであろう電流の平均値である。接地負荷に流れる電流は、非接地負荷に流れる場合の半分である。この差は、精密な電圧インバータ、及びうまく適合したプログラミングレジスタを使用すれば、極めて小さく出来る。もし負荷が浮動状態に有れば、アクティブフィードバックを用いて負荷上に誘起されたコモンモード電圧のノイズを除去するアクティブコモンモード減衰を更に行うことができる。コモンモード電圧は、検出されると共にフィードバックされ、意図的に動作点をバイアスする。
【００１２】
コモンモード電圧をトラッキングするとき、電流源はその影響の多くを、負荷に対しては典型的な高インピーダンスを保つ一方、コモンモード電圧に対して低インピーダンスを作り出すことによってキャンセルしている。
【００１３】
上記及びその他の事項、並びに本発明の有利な点については、添付図面と共に以下の詳細な説明によって、より明らかにされるであろう。
【００１４】
［発明の実施の形態］
図３は、本発明の一実施例を示す図である。これは、抵抗性負荷の下、バイポーラで低周波交流動作を行う様構成されたものである。この実施例は、出力電流が不変であるか、或いは制御電圧Ｖｃを変えることによって容易に出力電流を増減できる応用例に、特に有用である。この回路は、選択された負荷を通って流れる所望の負荷電流を生じさせる為の電圧制御電流源を表わしている。負荷電流は、本実施例に係る電圧制御電流源に供給された入力電圧の関数となっており、負荷インピーダンスとして選択された値の大きさとは実質的に独立したものとなっており、浮動負荷用の差動電流源、或いは負荷の一端が接地されている場合には接地電流源のいずれかとして動作するものである。本実施例に係る電圧制御電流源は、上記負荷の各端を駆動する２つの対称的な半片すなわち電流源回路と、動作（動作電圧）を増幅器電源間に集める（ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ；センタリングする）手段と、手動調整を行うこと無く自動的かつ連続的に、交流電流の平均直流電圧を最小化する手段と、からなっている。
【００１５】
差動電流源は２つの半片を有しており、各半片は負荷の各端を駆動するものである。増幅器１，２及び６からなる第１の半片から来て、負荷ＺＬを通って流れる駆動電流Ｉｓは、次式に基づくものである；
Ｉｓ＝Ｖｃ／Ｒ
【００１６】
ここで、Ｖｃは制御電圧、Ｒは検出抵抗１０である。電流源の第２の半片は、負荷ＺＬから来る電流Ｉｓを吸い込むが、これは次式に基づくものである；
Ｉｓ＝−Ｖｃ／Ｒ
【００１７】
ここで、−Ｖｃは、制御電圧Ｖｃが増幅器５並びに抵抗２０及び２１によって反転されたものを指しており、またＲは検出抵抗１１である。
【００１８】
差動電流源の第１の半片の動作は、抵抗１８を介してオペアンプ１の反転入力に現れる電圧Ｖｃより始まる。オペアンプ１は、非反転入力における電圧と、反転入力における電圧とが等しくなる様、その出力電圧を変化させる。オペアンプ１の出力に現れる電圧は、抵抗１０と負荷ＺＬを通って流れる電流を生じさせる。もし抵抗１４が接地された場合を想定すれば、抵抗１０の一端が抵抗１６を介して反転入力に達しており、他端がボルテージフォロワとして構成された増幅器２に緩衝増幅（ｂｕｆｆｅｒｄ）され、抵抗１２を介して非反転入力に達しているので、オペアンプ１の各入力は相等しいことより、抵抗１０に掛かる電圧はＶｃと必ず等しくなるということは明白である。負荷ＺＬを通って流れる電流Ｉｓは、Ｖｃを抵抗１０で割った値として予測可能なものである。本実施例では、動作電圧を増幅器（オペアンプ）への給電線間の値にセンタリングする手段は、増幅器６、抵抗２２、キャパシタ３０、抵抗１４、並びに対称的に関係付けられた７，２３，３１，及び１９の各部品からなる。増幅器６は、例えば、交流電流源の予測される動作周波数よりも遅くセットされた時定数を有する、抵抗２２及びキャパシタ３０を用いた積分器として構成されている。従って積分器は、オペアンプ１の出力に現れる直流平均電圧を監視出来るので、抵抗１４を介して電圧をフィードバックして、直流誤差を減らすことが出来る。
【００１９】
この、直流補正回路は、２つの利点を有している。第１の利点は、直流補正回路は、コモンモード動作点を集中して、各半片を結合した電流源が一方の給電線より浮いてしまうのを防止する。第２に、直流補正回路は、電流源の平均直流電流を、オペアンプ６の入力オフセット電圧を電流検出抵抗１０で割ることによって決まる極く小さな値に低減する。即ち、直流補正回路は、電流源の手動調整を行うこと無く交流電流の平均直流電圧を最小化する手段を提供する。直流電流の最小化は、小さな値の交流測定を行うにあたって極めて重要である。
【００２０】
第１の半片と同様に、差動電流源の第２の半片の動作は、増幅器５、並びに抵抗２０及び２１によって反転されることとなる電圧Ｖｃより始まり、その後抵抗１５を通ってオペアンプ３の反転入力へとつながっている。オペアンプ３は、非反転入力における電圧と、反転入力における電圧とが等しくなる様、その出力電圧を変化させる。オペアンプ３の出力に現れる電圧は、抵抗１１と負荷ＺＬを通って流れる電流を生じさせる。もし抵抗１９が接地された場合を想定すれば、抵抗１１の一端が抵抗１３を介して反転入力に達しており、他端がボルテージフォロワとして構成された増幅器４に緩衝増幅され、抵抗１７を介して非反転入力に達しているので、オペアンプの各入力は相等しいことより、抵抗１１に掛かる電圧は−Ｖｃと必ず等しくなるということは明白である。負荷ＺＬを通って流れる電流Ｉｓは、Ｖｃを抵抗１１で割った値として予測可能なものである。増幅器７は、交流電流源の予測される動作周波数よりも遅くセットされた時定数を有する、抵抗２３及びキャパシタ３１を用いた積分器として構成されている。従って積分器は、オペアンプ３の出力に現れる直流平均電圧を監視出来るので、抵抗１９を介して電圧をフィードバックして、直流誤差を減らすことが出来る。電流源の各半片より取り出された電流が各構成部品の許容誤差によって相違するならば、実際の電流Ｉｓは、２つの半片よりわき出して来た電流の平均となる。もし負荷ＺＬの一端がグランドに接続されていれば、その側を駆動する電流源は、事実上、その電流を直接グランドに流すこととなり、別の半片がその全ての電流を負荷に供給することになる。負荷ＺＬの片側がリード抵抗の様な抵抗を介して接地されたときは、２つの各半片は双方共負荷を駆動し、そして双方よりわき出して来た電流Ｉｓの大きさは、各半片２つの電流の平均と、接地されていない側の半片より駆動される電流の間のものとなる。
【００２１】
本発明による電圧制御電流源は、更に改良され得ることは当業者にとっては明白であって、従来知られた手段を用いて、ユニポーラ動作、バイポーラ動作、交流動作、直流動作、抵抗性負荷の下での動作、誘導性負荷の下での動作、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される動作用に構成される。例えばユニポーラ動作では、バイポーラの場合と異なり制御電圧Ｖｃは正の状態のままである。直流動作用の場合、直流補正回路は電流源の各半片上で独立に働く増幅器６と７を含んでいるが、これを、２つの半片の動作点を共に明らかにする（ａｃｃｏｕｎｔｓ ｆｏｒ）センタリング回路に置き換える必要がある。改良回路を構成するには種々のやり方があるところ、その１つが、図４に示されるアクティブコモンモード減衰回路である。誘導性負荷を駆動するには、位相安定度のため電流源を調整する必要が有る。
【００２２】
図４を参照すれば、本発明の第２実施例が記載されている。図示されているのは、抵抗性負荷の下、バイポーラで低周波交流動作を行う様構成されたものである。第２実施例は、レンジ切替とアクティブコモンモード減衰からなる群より選択される一又はそれ以上の特徴を更に含む様改良された、図３に示される電流源からなる。例えば、図３に示される電流源と比較して、図４に示される電流源は、検出抵抗２５及び２６、並びに公知のスイッチング手段（例えば、対応するスイッチ４０と４１）を更に含んでいる。抵抗２５と２６は、電流源内でのレンジ切替より成る新たな電流レンジ、を決定する為に切替えられるものである。本実施例は、或る大きさのオーダーを超えて出力電流が変化する応用例、或いは、制御電圧Ｖｃを変えても容易に出力電流を増減できない様な応用例に有用である。本実施例は、微小電流を必要とする、或いは、差動電流源により提供されるコモンモード保護に加えてアクティブコモンモード減衰からも恩恵を受けることを望んでいる様な応用例に、特に有用である。更に本実施例は、第１実施例の電圧制御電流源が、いずれかの検出抵抗値の選択によるレンジ選択を行うことによって容易に変更される、と言うことを示すものである。本実施例はまた、第１実施例の電圧制御電流源が、切替可能及び計測可能なアクティブコモンモード減衰器を追加することによってどのようにして更に改良されるのか、を説明するものである。アクティブコモンモード減衰器は、例えば、コモンモード電圧検出手段（例えば、抵抗２７及び２８、或いは他の好適な公知手段）、コモンモード電圧測定手段（例えば、抵抗２４、或いは他の好適な公知手段）、測定したコモンモード電圧をフィードバックして電流源の動作点をバイアスする手段（フィードバックが行われるのは、オペアンプ６及び７，或いは他の好適な公知手段の作用である）、並びに接地負荷動作用にコモンモード減衰を止める手段（例えば、抵抗２４の値をゼロΩまで減少させること、或いは他の好適な公知手段）、からなる。
【００２３】
増幅器１，２及び６からなる第１の半片から来て、負荷ＺＬを通って得られる駆動電流Ｉｓは、次式に基づくものである；
Ｉｓ＝Ｖｃ／Ｒ
【００２４】
ここで、Ｖｃは制御電圧、Ｒは検出抵抗１０であり、Ｖｃ又はＲの何れかを変えることによって電流は変えられる。抵抗２５及びスイッチ４０は、第１の半片の電流源上のＲを変えることによって電流を変えるために使用され得る多数の抵抗及びスイッチを表している。同様に、抵抗２６及びスイッチ４１は、第２の半片の電流源上のＲを変えることによって電流を変えるために使用され得る多数の抵抗及びスイッチを表している。コモンモード減衰回路は、浮動負荷を高インピーダンスで駆動し続ける一方、コモンモード信号に対する電流源の出力インピーダンスを低減することによって、積極的にコモンモード電圧をキャンセルする。抵抗２７と２８は、増幅器２と４から来る緩衝増幅された電圧信号を、増幅器８の反転入力へと供給する。増幅器８の出力は、次式で表すことができる；
出力（８）＝−抵抗（２４）×（（出力（２）／抵抗（２７））＋（出力（４）／抵抗（２８）））
【００２５】
この増幅器８の出力は、負荷ＺＬ上に現れるコモンモード電圧のみに比例している。これは、ノーマルモード電圧は相対する符号を有していて、これら同士互いにキャンセルされるためである。この、反転されたコモンモード電圧は増幅器６及び７の非反転入力へと供給される。この操作は、増幅器１と３の出力を、検出されたコモンモード電圧とは反対の方向へと移動させる働きをする。抵抗２７及び２８は対称動作をさせるために同一の値とされる。また、抵抗２４と抵抗２７及び２８との比は、種々の減衰レベルに応じて決定することが出来る。コモンモード減衰は、抵抗２４をゼロΩに低減することによって有効に止められる。キャパシタ３２，３３及び３４は高周波における安定度を与える。
【００２６】
本発明の実施例に関する上の記述は、添付の図を説明する目的で詳細に開示されたものである。当業者で有れば、この記載と図に基づき現下の知識を適用すれば、本発明の基本概念より逸脱すること無しに、本発明を容易に変更及び／又は種々の応用例に適用することが可能であろうが、その様な変更及び／又は適用は、添付クレームの範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来例の回路図であって、接地負荷を駆動するのに用いられ得るハウランド電流源を示す図である。
【図２】 従来例の回路図であって、差動的に浮動負荷を駆動し得る差動電流源を示す図である。
【図３】 低周波交流動作用に構成された本発明の一実施例の回路図であって、アクティブコモンモード減衰回路が省略されたものを示す図である。
【図４】 低周波交流動作用に構成された本発明の第２実施例の回路図であって、アクティブコモンモード減衰回路を含むものを示す図である。

Claims (6)

1. 選択された負荷インピーダンスを通って流れる所望の負荷電流を生じさせる為の電圧制御電流源であって、前記負荷電流は、前記電圧制御電流源に供給された入力電圧（Ｖｃ）の関数となっており、実質的に前記負荷インピーダンスとは独立しているものにおいて、
   前記電圧制御電流源は、浮動負荷の為の差動電流源として動作し得るもの、又は前記負荷の一端が接地されているときには接地負荷電流源として動作し得るものであり、しかも前記電圧制御電流源は、
   ａ） ２つの対称的な電流源回路であって、
   前記電流源回路の夫々が少なくとも一つの能動素子を包含していると共に、
   前記電流源回路の夫々が電気的に接続され、前記負荷の一端及び他端に電流を供給し得る様構成されたものと、
   ｂ） 前記電流源回路の夫々にあるアクティブフィードバック回路であって、前記アクティブフィードバック回路は、
   前記負荷の動作電圧を前記能動素子の給電線間に生じる値にセンタリングし、前記負荷に流れる交流電流の平均直流電圧を手動調整無しに最小化するものと、
   を含んでいることを特徴とする電圧制御電流源。
2. 前記電圧制御電流源は、交流動作、直流動作、ユニポーラ動作、バイポーラ動作、抵抗性負荷の下での動作、誘導性負荷の下での動作、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される動作用に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御電流源。
3. さらに、複数の検出抵抗及びレンジ切替機能を提供するスイッチング手段を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御電流源。
4. さらに、アクティブコモンモード減衰器を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の電圧制御電流源。
5. 選択された負荷インピーダンスを通って流れる所望の負荷電流を生じさせる為の電圧制御電流源であって、前記負荷電流は、前記電圧制御電流源に供給された入力電圧（Ｖｃ）の関数となっており、実質的に前記負荷インピーダンスとは独立しているものにおいて、
   前記電圧制御電流源は、浮動負荷の為の差動電流源として動作し得るもの、又は前記負荷の一端が接地されているときには接地負荷電流源として動作し得るものであり、しかも前記電圧制御電流源は、
   ａ） ２つの対称的な電流源回路であって、
   前記電流源回路の夫々が少なくとも一つの能動素子を包含していると共に、
   前記電流源回路の夫々が電気的に接続され、前記負荷の一端及び他端に電流を供給し得る様構成されたものと、
   ｂ） 前記電流源回路の夫々にあるアクティブフィードバック回路であって、前記アクティブフィードバック回路は、
   前記負荷の動作電圧を前記能動素子の給電線間に生じる値にセンタリングし、前記負荷に流れる交流電流の平均直流電圧を手動調整無しに最小化するものと、
   ｃ） 複数の検出抵抗及びレンジ切替機能を提供するスイッチング手段と、
   ｄ） アクティブコモンモード減衰器と、
   を含んでいることを特徴とする電圧制御電流源。
6. 前記電圧制御電流源は、交流動作、直流動作、ユニポーラ動作、バイポーラ動作、抵抗性負荷の下での動作、誘導性負荷の下での動作、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される動作用に構成されていることを特徴とする請求項５に記載の電圧制御電流源。

Images