JP5413125B2 - スイッチ回路 - Google Patents

Description

本発明は、入力電圧を伝達し、また遮断するスイッチ回路に関し、遮断時の抵抗を高くすることができるスイッチ回路に関するものである。

図４に出力電流制限機能を有する負帰還増幅回路の構成を示す。図４において、増幅器１０の反転入力端子には、抵抗１２を介して電圧源１１から電圧が入力される。この増幅器１０の出力端子は、負荷１４の一端に接続される。負荷１４の両端電圧は補償回路１３で検出され、この補償回路１３の出力電圧は増幅器１０の反転入力端子に帰還される。増幅器１０と補償回路１３で負帰還増幅器を構成している。

負荷１４の他端と共通電位点の間には抵抗１５が接続されており、負荷１４に流れる電流はこの抵抗１５を流れる。抵抗１５の電圧はバッファ１６に入力され、このバッファ１６の出力は、スイッチ回路１７を介して増幅器１０の反転入力端子に入力される。

このような構成において、負荷１４に流れる電流が小さいときは抵抗１５の電圧降下は小さいので、スイッチ回路１７はオフになる。このため、バッファ１６は切り離され、通常の負帰還増幅器として動作する。

負荷１４に流れる電流が一定値以上になると、スイッチ回路１７はオンになる。抵抗１５の降下電圧は増幅器１０に入力されるので、増幅器１０の出力電圧は低下する。このようにして、負荷１４に流れる電流は一定値以下に制限される。

このような増幅器に用いるスイッチ回路は、オン時はバッファ１６の出力電圧を歪みなく伝送し、オフ時は高インピーダンスでバッファ１６を切り離して、負帰還増幅器の動作に影響を与えないようにする必要がある。増幅器１０の反転入力端子で補償回路１３の出力電圧が加算されるので、スイッチ回路１７のオフ時のインピーダンスが低いと補償回路１３からの帰還量が下がってしまい、負帰還増幅器の周波数特性および負荷特性が悪化する。

スイッチ回路１７としては、ダイオードを用いる回路と、アンプを用いた理想ダイオード回路を用いる回路が知られている。以下、図５、図６を用いてこれらのスイッチ回路を説明する。

図５（Ａ）はダイオードを用いたスイッチ回路の構成図、（Ｂ）、（Ｃ）はその特性図である。このスイッチ回路は、端子２０と２３の間にダイオード２１とツェナダイオード２２が直列接続された構成を有している。ダイオード２１とツェナダイオード２２のアノードは、それぞれ端子２０、２３に接続される。

図３（Ｂ）はその特性図であり、２４は端子２０に印加される信号波形である。この信号波形の電圧が、ツェナダイオード２２のツェナ電圧Ｖｚより高くなるとダイオード２１に電流が流れ、スイッチ回路はオンになる。斜線部２５は、オンの領域を表している。

図６（Ａ）は理想ダイオード回路の構成図、（Ｂ）は入力信号波形、（Ｃ）は出力信号波形である。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。

増幅器３０の反転入力端子には、抵抗３３〜３５の一端およびダイオード３２のカソードが接続される。また、増幅器３０の出力端子には、ダイオード３２のアノードとダイオード３１のカソードが接続される。

抵抗３４の他端は端子２０に接続され、抵抗３３の他端とダイオード３１のアノードは端子２３に接続される。また、電圧源３６の出力電圧は、抵抗３５を介して増幅器３０の反転入力端子に入力される。電圧源３６の出力電圧をＶｃｈとする。なお、抵抗３３〜３５の抵抗値は同じ値を用いる。

電圧源３６は正側を共通電位点に接続されているので、端子２０に印加される電圧がＶｃｈより小さいと、増幅器３０の出力は正になる。増幅器３０の反転入力端子の電圧は０（＝共通伝点電圧）なので、ダイオード３２はオンになり、端子２０から流入する電流と電圧源３６に流入する電流の差電流が、増幅器３０からダイオード３２を経由して供給される。端子２３には０Ｖが出力されるので、ダイオード３１はオフになる。

端子２０に印加される電圧がＶｃｈより大きくなると、増幅器３０の出力電圧は負になる。このため、ダイオード３２はオフ、３１はオンになる。増幅器３０は利得１の反転増幅器になり、端子２０に印加された電圧は端子２３に伝達される。

図６（Ｂ）は端子２０に印加される入力信号の波形、（Ｃ）は端子２３から出力される出力信号の波形である。信号は増幅器３０で反転されるので、出力波形は入力波形とは逆極性になる。また、入力電圧がＶｃｈ以下では出力電圧は０Ｖになっている。

特開２００８−１８７４４３号公報

しかしながら、このようなスイッチ回路には、次のような課題があった。
図５のスイッチ回路は、オン時にダイオード２１の順方向電圧のために、出力電圧が低下するという課題があった。出力信号の波形を図５（Ｃ）に示す。点線２４は端子２０の波形、実線２６は端子２３の波形である。端子２０の電圧がＶｚより大きいときは、端子２３と端子２０の波形は一致していなければならないが、実際にはダイオード２１の順方向電圧Ｖｆだけ小さくなる。

また、ダイオードは非線形素子なので、ダイオード２１、ツェナダイオード２２を通過した信号は歪んでしまうという課題もあった。さらに、切り換え電圧はツェナダイオード２２のツェナ電圧で決まるので、切り換え電圧を可変にすることが難しいという課題もあった。このため、オン時の信号精度が必要な回路では、使用することができない。

図６のスイッチ回路は、オン時は反転増幅器として動作するので、信号歪みを少なくすることができるという利点がある。しかし、オフ時の出力抵抗は抵抗３３の値によって決定されるので、出力抵抗を高くすることが困難であるという課題があった。

また、オフ時に端子２３に信号を印加すると、抵抗３３を流れる電流のために増幅器３０の反転入力端子の電圧が上昇し、増幅器３０の出力が負側に降下してダイオード３１がオンしてしまい、誤動作が発生することがあるという課題もあった。

本発明の目的は、オン時の信号歪みが少なく、かつオフ時にはほぼ完全に信号を遮断することができるスイッチ回路を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
第１の端子から入力された電圧信号を、所定の切替電圧を境として第２の端子に伝達し、また第２の端子から遮断するスイッチ回路において、
第１の端子から入力された電圧信号、および切替電圧が入力される増幅器と、
前記増幅器の入力端子と出力端子を結ぶ経路中に配置され、前記電圧信号の大きさおよび所定の切替電圧に基づいてオン、またはオフする第１のダイオードと、
前記増幅器の出力端子と前記第２の端子を結ぶ経路中に配置され、前記第１のダイオードと逆方向にオン、またはオフする第２のダイオードと、
前記第２の端子と前記増幅器の入力端子を結ぶ経路中に配置され、前記第２のダイオードと同方向にオン、またはオフするスイッチ素子と、
を備えたものである。オフ時の抵抗を高くすることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記スイッチ素子を、前記増幅器の出力電圧でオン、オフするようにしたものである。構成が簡単になる。

請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２に記載の発明において、
出力電圧を可変できる電圧源を具備し、この電圧源の出力電圧を可変することにより、前記切替電圧を可変するようにしたものである。スイッチが切り替わる電圧を簡単に可変することができる。

本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、および３の発明によれば、第１の端子から入力された電圧を所定の切替電圧を境にして第２の端子に伝達し、また切り離すスイッチ回路において、第１の端子から入力された電圧信号と切替電圧が入力される増幅器の入力端子と出力端子を結ぶ経路の途中およびこの増幅器の出力側に第１、第２のダイオードを配置し、また第２の端子が接続される経路で、第２のダイオードが配置されていない経路中にスイッチ素子を配置して、このスイッチ素子のオンオフを、第２のダイオードと同じになるように制御するようにした。

電圧信号を第２の端子に伝達するときは増幅器によって信号が伝達されるので、歪みの少ない信号を伝達することができる。また、信号を遮断するときは第２のダイオードとスイッチ素子の両方で遮断するので、高抵抗で確実に信号を遮断することができるという効果がある。従って、増幅器の出力電流制限回路等に適用すると、制御性の高い電流制限回路を実現することができる。

また、前記スイッチ素子のオン、オフを前記増幅器の出力電圧で制御するようにすると、スイッチ素子の制御回路が不要になるので、構成を簡単にすることができるという効果もある。

本発明の一実施例を示した構成図である。 図１実施例の動作を説明するための図である。 本発明によるスイッチ回路を用いた負帰還回路の構成図である。 負帰還回路の構成図である。 従来のダイオードを用いたスイッチ回路の構成図および特性図である。 従来の理想ダイオード回路の構成図および特性図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るスイッチ回路の一実施例を示した構成図である。

図１において、４０は増幅器、４１および４３はダイオード、４２および４４はツェナダイオード、４５〜４７は抵抗、４８は出力電圧を可変できる電圧源、４９および５０は端子、５１および５２はＭＯＳＦＥＴである。なお、ダイオード４１、４３はそれぞれ第１、第２のダイオードに相当し、端子４９、５０はそれぞれ第１、第２の端子に相当する。

増幅器４０の非反転入力端子は共通電位点に接続され、反転入力端子にはダイオード４１のカソードおよび抵抗４５〜４７の一端が接続される。ダイオード４１のアノードはツェナダイオード４２のアノードに接続され、ツェナダイオード４２のカソードとツェナダイオード４４のアノードは増幅器４０の出力端子に接続される。また、ツェナダイオード４４のカソードとダイオード４３のカソードは接続され、ダイオード４３のアノードは端子５０に接続される。

抵抗４５の他端は端子４９に接続され、抵抗４７の他端は電圧源４８に接続される。電圧源４８は、正側が共通電位点になるように接続される。

抵抗４６の他端はＭＯＳＦＥＴ５１のドレインＤに接続される。ＭＯＳＦＥＴ５１と５２のソースＳは共通接続され、ＭＯＳＦＥＴ５２のドレインＤは端子５０に接続される。また、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２のゲートＧは共に増幅器４０の出力端子に接続される。この実施例は、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２、ツェナダイオード４２、４４を除くと、図６の理想ダイオード回路と同じ構成を有している。

増幅器４０の反転入力端子と出力端子は、ダイオード４１およびツェナダイオード４２を介して接続されている。また、ダイオード４３は、増幅器４３の出力端子と端子５０の結ぶ経路中に配置されている。すなわち、ダイオード４３は増幅器４０の出力側に配置されている。

端子５０が接続される経路は２つに分岐され、この分岐の一方にダイオード４３が、他方にＭＯＳＦＥＴ５１、５２が配置されている。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２は、端子５０が接続されている経路で、かつダイオード４３が配置されていない経路中に配置されている。

なお、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２と抵抗４６の位置を交換して、抵抗４６が端子５０に接続され、ＭＯＳＦＥＴ５１のドレインが増幅器４０の反転入力端子接続されるようにしてもよい。この場合も、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２は、端子５０が接続されている経路で、かつダイオード４３が配置されていない経路中に配置されていることに変わりはない。

次に、図２を用いてこの実施例の動作を説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）は図１と同じ回路である。端子４９から入力される電圧をＶｉｎ、端子５０から出力される電圧をＶｏｕｔとする。電圧源４８の出力電圧は切替電圧であり、その大きさをＶｃｈとする。また、端子４９から流入する電流（抵抗４５に流れる電流）をＩ１、抵抗４７に流れる電流をＩ３とする。

図２（Ａ）は入力電圧Ｖｉｎが切替電圧Ｖｃｈより大きい場合の電流の流れを表した図である。Ｖｉｎ＞Ｖｃｈなので、増幅器４０の反転入力端子には正の電圧が入力される。増幅器４０のゲインは充分大きいので、その出力電圧は負になる。そのため、ダイオード４３はオン、ダイオード４１はオフになる。

このとき、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２を十分にオンできるようにツェナダイオード４４のツェナ電圧を選択すると、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２はオンになる。増幅器４０は、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２、ダイオード４３、ツェナダイオード４４を経由して（Ｉ１−Ｉ３）の電流を吸い込む。Ｖｉｎ＞ＶｃｈなのでＩ１＞ｉ３になり、電流（Ｉ１−Ｉ３）は正の値になる。

ダイオード４３がオン、４１がオフであり、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２はオンになっているので、増幅器４０は抵抗４６を帰還抵抗とする反転増幅器として動作する。抵抗４６の抵抗値をＲ４６とし、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２のオン抵抗はＲ４６に比べて十分小さいとすると、
Ｖｏｕｔ＝Ｒ４６×（Ｉ１−Ｉ３）
の電圧が端子５０から出力される。すなわち、端子４９に印加された電圧は端子５０に伝達される。

図２（Ｂ）に、入力電圧Ｖｉｎが切替電圧Ｖｃｈより小さい場合の電流の流れを示す。Ｖｉｎ＜Ｖｃｈなので、増幅器４０の反転入力端子には負の電圧が入力される。増幅器４０のゲインは充分大きいので、その出力電圧は正になる。そのため、ダイオード４１はオン、ダイオード４３はオフになる。

このとき、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２を十分にオフできるようにツェナダイオード４２のツェナ電圧を選択すると、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２はオフになる。増幅器４０は、ツェナダイオード４２、ダイオード４１を経由して（Ｉ３−Ｉ１）の電流を抵抗４５と４６の接続点に出力する。Ｖｉｎ＜ＶｃｈなのでＩ１＜ｉ３になり、電流（Ｉ３−Ｉ１）は正の値になる。

ＭＯＳＦＥＴ５１、５２、ダイオード４３はいずれもオフになるので、端子５０は端子４９、増幅器４０などから遮断され、高抵抗状態になる。

このように、ダイオード４１と４３のオン、オフは、常に逆方向に制御される。また、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２のオン、オフは、ダイオード４３のオン、オフと同じになるようにされる。

端子４９に印加される電圧が切替電圧Ｖｃｈより小さいとＭＯＳＦＥＴ５１、５２をオフにするようにしたので、抵抗４６の抵抗値に拘わらず、オフ時の抵抗を高抵抗にすることができる。また、オフ時には抵抗４６に電流が流れないので、端子５０に電圧を印加しても誤動作が発生することがなくなる。

また、オン時には反転増幅器として動作するので、信号歪みが発生することもない。さらに、切替電圧Ｖｃｈを変えるだけでオン、オフを切り換える電圧を可変することができる。

なお、ダイオード４１と４３の極性を逆にすると、動作も逆になる。すなわち、Ｖｉｎ＞Ｖｃｈではダイオード４１がオン、ダイオード４３とＭＯＳＦＥＴ５１、５２がオフになって端子５０が切り離され、Ｖｉｎ＜Ｖｃｈではダイオード４１がオン、ダイオード４３とＭＯＳＦＥＴがオンになって端子４９の電圧が端子５０に伝達される。

また、ツェナダイオード４２、４４はＭＯＳＦＥＴ５１、５２の制御を確実にするものであり、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２の特性によっては必ずしも必要ではない。

また、切替電圧を０Ｖ（共通電位点電圧）に固定する場合は、電圧源４８は不要である。この場合は、抵抗４７を共通電位点に接続すればよい。

さらに、本実施例ではＭＯＳＦＥＴ５１、５２を用いたが、１つでもよく、またオンオフが可能なスイッチ素子であればよい。例えばトランジスタやメカニカルリレーを用いることもできる。さらに、この実施例ではこのスイッチ素子を増幅器４０の出力電圧で制御するようにしたが、他の回路で制御するようにしてもよい。但し、増幅器４０の出力電圧でＭＯＳＦＥＴ５１、５２を制御するようにすると、ＭＯＳＦＥＴ５１、５２を制御する回路が不要になるので、構成を簡単にすることができる。

図３に、図１実施例を出力電流制限機能付き負帰還増幅回路に適用した実施例を示す。なお、図１および図４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、６０は図１実施例と同じ構成を有するスイッチ回路である。このスイッチ回路は４９、５０の２つの端子を有し、端子４９に印加される電圧が切替電圧Ｖｃｈより大きいと端子４９に印加された電圧を端子５０に伝達し、小さいと端子５０を切り離す。

電圧源１１の電圧は抵抗１２を介して増幅器１０の反転入力端子に印加される。この増幅器１０の非反転入力端子は、共通電位点に接続される。増幅器１０の出力端子は負荷１４の一端に接続される。

負荷１４の他端と共通電位点の間には、負荷１４に流れる電流を検出する抵抗１５が接続される。抵抗１５の電圧はバッファ１６、抵抗６１を介して端子４９に印加される。端子５０は増幅器４０の反転入力端子に接続される。また、負荷１４の両端電圧は補償回路１３で検出され、増幅器１０の反転入力端子に帰還される。

動作は図４の負帰還増幅回路と同じである。負荷１４に流れる電流が小さいときは、抵抗１５両端に発生する電圧も小さい。このため、ダイオード４３およびＭＯＳＦＥＴ５１、５２はオフになり、バッファ１６は増幅器１０から切り離される。

負荷１４に流れる電流が大きくなり、抵抗１５両端に発生する電圧が切替電圧Ｖｃｈより大きくなると、ダイオード４３とＭＯＳＦＥＴ５１、５２がオンになり、ダイオード４１がオフになる。ダイオードスイッチ回路６０は反転増幅器として動作し、端子４９の電圧を端子５０に伝達する。このため、増幅器１０の出力電圧は低下し、負荷１４に流れる電流を一定値以下に制限する。

負荷１４に流れる電流が小さいときにはダイオード４３とＭＯＳＦＥＴ５１、５２の両方がオフになるので、負帰還増幅器の動作に影響を及ぼさず、良好な周波数特性が得られる。また、増幅器１０の入力電圧がパルス的に変化すると、増幅器１０の反転入力端子の電圧が尖頭的に変化するが、ダイオード４３とＭＯＳＦＥＴ５１、５２がオフになっているので、動作に影響を及ぼすことはない。

１０、４０ 増幅器
１１、４８ 電圧源
１２、１５、４５〜４７、６１ 抵抗
１３ 補償回路
１４ 負荷
１６ バッファ
４１、４３ ダイオード
４２、４４ ツェナダイオード
４９、５０ 端子
５１、５２ ＭＯＳＦＥＴ
６０ スイッチ回路

Claims (3)

1. 第１の端子から入力された電圧信号を、所定の切替電圧を境として第２の端子に伝達し、また第２の端子から遮断するスイッチ回路において、
   第１の端子から入力された電圧信号、および切替電圧が入力される増幅器と、
   前記増幅器の入力端子と出力端子を結ぶ経路中に配置され、前記電圧信号の大きさおよび所定の切替電圧に基づいてオン、またはオフする第１のダイオードと、
   前記増幅器の出力端子と前記第２の端子を結ぶ経路中に配置され、前記第１のダイオードと逆方向にオン、またはオフする第２のダイオードと、
   前記第２の端子と前記増幅器の入力端子を結ぶ経路中に配置され、前記第２のダイオードと同方向にオン、またはオフするスイッチ素子と、
   を備えたことを特徴とするスイッチ回路。
2. 前記スイッチ素子は、前記増幅器の出力電圧でそのオン、オフが制御されることを特徴とする請求項１記載のスイッチ回路。
3. 出力電圧を可変できる電圧源を具備し、この電圧源の出力電圧を可変することにより、前記切替電圧を可変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記載のスイッチ回路。

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