JP4985972B2

JP4985972B2 - 増幅器

Info

Publication number: JP4985972B2
Application number: JP2007308136A
Authority: JP
Inventors: 桂廣谷
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: JP2009135617A

Description

本発明は、オフセット電圧が大きい入力信号に対しても振幅電圧範囲を広く取ることができ、かつ出力信号の歪みを低減することができる増幅器に関するものである。

図４にオシロスコープなどで用いられる差動増幅器の構成を示す。図４において、１０は差動増幅器であり、増幅器１１〜１３、抵抗Ｒ１〜Ｒ８、入力端子１４、１５、および出力端子１６で構成される。増幅器１１と１２には正負電源ＶＰ１、ＶＮ１が供給され、増幅器１３には正負電源ＶＰ２、ＶＮ２が供給される。

増幅器１１、１２の出力端子と反転入力端子には、それぞれ抵抗Ｒ１、Ｒ２が接続される。これら増幅器１１、１２の反転入力端子間には抵抗Ｒ３が接続され、非反転入力端子はそれぞれ入力端子１４、１５に接続される。

増幅器１１、１２の出力端子と増幅器１３の反転、非反転入力端子間にはそれぞれ抵抗Ｒ４、Ｒ５が接続される。増幅器１３の出力端子と反転入力端子間には抵抗Ｒ６が接続され、非反転入力端子と共通電位点の間には抵抗Ｒ７が接続される。また、増幅器１３の出力端子と出力端子１６との間には抵抗Ｒ８が接続される。通常、抵抗Ｒ１とＲ２、抵抗Ｒ４とＲ５、抵抗Ｒ６とＲ７の抵抗値は同じ値が選ばれる。

入力端子１４、１５に印加された信号はそれぞれ増幅器１１、１２で増幅される。この増幅器１１、１２の出力信号は増幅器１３に入力され、それらの差信号が出力端子１６から出力される。抵抗Ｒ１〜Ｒ７の抵抗値を選択することにより、差動増幅器１０に利得を持たせることもできる。

このような差動増幅器の動作を、図５を用いて説明する。図５において、（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ入力端子１４、１５に印加される入力信号の波形である。波形（Ｂ）の交流成分２１は波形（Ａ）の交流成分２０を反転した形状を有しているが、いずれの波形にもオフセット電圧Ｖｏｆｆが重畳されている。（Ｃ）は出力端子１６から出力される出力信号であり２２はその交流成分である。オフセット電圧Ｖｏｆｆは増幅器１３で除去されるので、この出力信号にはオフセット電圧は含まれていない。また、交流成分２１から交流成分２０が減算されるので、振幅が２倍になる。

増幅器１１〜１３の入出力信号の振幅は、これらの増幅器の電源電圧によって制限される。そのため、入力信号が電源電圧を越えないようにし、かつ利得を調整してこれらの増幅器の出力信号が電源電圧を越えないようしている。
特開２００７−１２４４９８

しかしながら、このような差動増幅器には次のような課題があった。前述したように、増幅器１１〜１３の入出力信号の振幅は電源電圧によって制限される。そのため、入力端子１４、１５に印加される入力信号に大きなオフセット電圧が重畳されている場合、あるいは大きなコモンモード電圧がある場合は入出力信号の振幅が制限され、またこの制限を超えると波形が歪んでしまうという課題があった。さらに、そのために差動増幅器１０の利得を大きくすることができないという課題もあった。なお、増幅器１３の出力にはオフセット電圧が含まれないので、増幅器１１、１２の電源電圧範囲を適正な値に設定することにより、このような問題を回避できる。

従って本発明の目的は、入力信号に大きなオフセット電圧が重畳されていても入出力信号の振幅電圧範囲を拡大することができ、かつ出力信号の歪みを避けることができる増幅器を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
第１の入力信号が入力される第１の増幅器と、第２の入力信号が入力される第２の増幅器と、前記第１および第２の増幅器の出力が入力され、これらの入力信号の差信号を出力する第３の増幅器で構成される差動増幅部と、
基準電圧を出力する基準電源と、この基準電圧および正負電圧が入力され、この正負電圧を前記基準電圧に応じてシフトして前記第１、および第２の増幅器に電源として供給する可変電源とで構成される電源部と、
を具備したものである。入力信号のレンジを拡大することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記基準電圧を、前記第１の入力信号または第２の入力信号２のオフセット電圧にほぼ等しい電圧としたものである。入力信号の振幅電圧範囲を拡大することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２記載の発明において、
前記第２の増幅器に、前記第２の入力信号の代わりに、前記基準電圧を入力するようにしたものである。入力信号の振幅電圧範囲を拡大でき、かつオフセット電圧を除去できる。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３いずれかに記載の発明において、
前記基準電源を、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器で構成したものである。基準電圧を正確に設定できる。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２、３および４の発明によれば、第１、第２の増幅器に信号を入力し、この第１および第２の増幅器の出力の差信号を第３の増幅器で演算して出力するようにした増幅器において、前記第１、第２の増幅器の電源電圧を基準電圧に基づいてシフトするようにした。

第１、第２の増幅器の電源電圧を入力信号のオフセット電圧に応じてシフトすることができる。そのため、入力信号のオフセット電圧が大きい場合でも、電源電圧に起因する入出力信号振幅の制限範囲を緩和することができる。従って、入力信号の振幅電圧範囲を拡大でき、かつ出力信号の歪みを低減することができるという効果がある。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る増幅器の一実施例を示す構成図である。なお、図４と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図１において、３０は差動増幅部、４０は電源部である。電源部４０は差動増幅部３０に電源を供給する。

差動増幅部３０は、図４の差動増幅器１０と同じ構成を有している。すなわち、入力端子１４、１５にはそれぞれ入力信号１、２が印加される。この入力信号１、２はそれぞれ増幅器１１、１２に入力される。この増幅器１１、１２の出力電圧は増幅器１３に入力される。増幅器１３は２つの入力信号の差信号を出力する。増幅器１１〜１３はそれぞれ第１〜第３の増幅器に相当する。また、入力信号１は第１の入力信号に、入力信号２は第２の入力信号に相当する。

電源部４０は可変電源４１、４２およびＤＡ変換器４３で構成される。可変電源４１には正電圧＋Ｖが入力され、この正電圧＋Ｖを定電圧ＶＰ１１に変換して出力する。可変電源４２には負電圧−Ｖが入力され、この負電圧−Ｖを定電圧ＶＮ１１に変換して出力する。この定電圧ＶＰ１１、ＶＮ１１は電源として増幅器１１、１２に供給される。なお、増幅器１３の電源ＶＰ２、ＶＮ２の電圧値は一定であり、図示しない電源から供給される。

ＤＡ変換器４３には図示しない制御器からデジタルデータが入力され、このデジタルデータに応じた基準電圧Ｖｄａｃを出力する。この基準電圧Ｖｄａｃは可変電源４１、４２に入力される。可変電源４１、４２はこの基準電圧の電圧値に応じて定電圧ＶＰ１１、ＶＮ１１の電圧値をシフトさせる。ＤＡ変換器４３は基準電源に相当し、その出力電圧Ｖｄａｃは基準電圧に相当する。

次に、この実施例の動作を、図２を用いて説明する。なお、図５と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図２において、（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ入力端子１４、１５に印加される入力信号、（Ｃ）は出力端子１６から出力される出力信号であり、２０〜２２はこれらの信号波形である。図に示すように、入力信号１、２にはＶｏｆｆのオフセット電圧が重畳されている。

点線横棒ＶＰ１、ＶＮ１は図４従来例における増幅器１１、１２の電源電圧、実線横棒ＶＰ１１、ＶＮ１１は電源部４０の出力電圧である。この実施例では、ＤＡ変換器４３に入力されるデジタルデータを調整して、その出力である基準電圧をオフセット電圧Ｖｏｆｆに近いＶｄａｃになるようにする。その結果、電源４０の出力ＶＰ１１、ＶＮ１１はいずれもＶｄａｃだけ高くなる。

すなわち、ＶＰ１１、ＶＮ１１の電圧、および図４従来例の増幅器１１、１２の電源ＶＰ１、ＶＮ１の電圧を同じ記号で表すと、
ＶＰ１１＝ＶＰ１＋Ｖｄａｃ
ＶＮ１１＝ＶＮ１＋Ｖｄａｃ
になる。例えば、ＶＰ１の電圧を５Ｖ、ＶＮ１の電圧を−５Ｖ、Ｖｄａｃを３Ｖとすると、ＶＰ１１の電圧は５＋３＝８Ｖ、ＶＮ１１の電圧は−５＋３＝−２Ｖになる。

このため、従来は正側電源の電圧と入力信号の最大値との差がΔＶ１であったが、本実施例ではΔＶ１１になり、Ｖｄａｃだけ増加する。そのため、より振幅の大きな信号を入力することができる。

例えば、増幅器１１、１２の最大出力電圧が（正側電源電圧−１）Ｖであり、ＶＰ１＝５Ｖ、ＶＮ１＝−５Ｖ、Ｖｄａｃ＝３Ｖとすると、図４従来例では出力電圧は最大４Ｖであるが、図１実施例ではＶＰ１１＝８Ｖになるので、出力電圧の最大値は７Ｖに増加する。従って、より大きな振幅の信号を入力することができる。

なお、増幅器１３の出力信号にはオフセット電圧が重畳されないので、増幅器１３の電源ＶＰ２、ＶＮ２の電圧は固定値でよい。

図３に本発明の他の実施例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図３において、入力端子１４には入力信号１が入力され、入力端子１５にはＤＡ変換器４３の出力Ｖｄａｃが入力される。ＤＡ変換器４３の出力電圧Ｖｄａｃは、入力信号１のオフセット電圧に近い値を選択する。

前述したように、増幅器１３の出力信号は、増幅器１１と１２の出力信号の差信号になる。従って、増幅器１３の出力信号、すなわち差動増幅部３０の出力信号のオフセット電圧をＶＯｏｆｆ、入力信号１のオフセット電圧をＶｏｆｆ、増幅器１１〜１３の利得を１とすると、
ＶＯｏｆｆ＝Ｖｏｆｆ−Ｖｄａｃ
となり、出力信号のオフセット電圧を小さくすることができる。図１実施例で説明したように、増幅器１１、１２の電源電圧は基準電圧Ｖｄａｃに従ってシフトするので、このＶｄａｃをオフセット電圧に近い値に設定することにより、入力信号１にオフセット電圧があっても、その振幅範囲の制限を緩和することができる。

なお、図１、図３実施例では基準電源としてＤＡ変換器を用いたが、これに限られることはない。出力電圧を調整することができる電圧源であればよい。

また、本発明の増幅器はオシロスコープやＬＳＩ（Large Scale Integration）テスタ等にも使用される。

本発明の一実施例を示す構成図である。本発明の動作を説明する特性図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。従来の差動増幅器の構成図である。従来の差動増幅器の動作を説明するための特性図である。

符号の説明

１１〜１３増幅器
１４、１５入力端子
１６出力端子
３０差動増幅部
４０電源部
４１、４２可変電源
４３ＤＡ変換器
ＶＰ１、ＶＰ１１、ＶＰ２正電源
ＶＮ１、ＶＮ１１、ＶＮ２負電源

Claims

第１の入力信号が入力される第１の増幅器と、第２の入力信号が入力される第２の増幅器と、前記第１および第２の増幅器の出力が入力され、これらの入力信号の差信号を出力する第３の増幅器で構成される差動増幅部と、
基準電圧を出力する基準電源と、この基準電圧および正負電圧が入力され、この正負電圧を前記基準電圧に応じてシフトして前記第１、および第２の増幅器に電源として供給する可変電源とで構成される電源部と、
を具備したことを特徴とする増幅器。
前記基準電圧を、前記第１の入力信号または第２の入力信号２のオフセット電圧にほぼ等しい電圧としたことを特徴とする請求項１記載の増幅器。
前記第２の増幅器に、前記第２の入力信号の代わりに、前記基準電圧を入力するようにしたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の増幅器。
前記基準電源は、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器であることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の増幅器。