JP5827176B2

JP5827176B2 - ボルテージフォロア入力型差動増幅器

Info

Publication number: JP5827176B2
Application number: JP2012123894A
Authority: JP
Inventors: 正輝栗原
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: JP2013251657A

Description

本発明は、反転側および非反転側の入力段にボルテージフォロア構成のオペアンプを用いたボルテージフォロア入力型差動増幅器に関する。

図２に、反転側および非反転側の入力段にボルテージフォロア構成のオペアンプを用いた従来のボルテージフォロア入力型差動増幅器を示す（例えば、特許文献１の図１参照）。このようなボルテージフォロア入力型差動増幅器は、基準電圧発生回路、直列接続された電池のセル電圧の取得、電流検出抵抗による電流値の取得等のために利用されている。図２において、Ａ１，Ａ２は反転入力端子を出力端子に接続したボルテージフォロア構成のオペアンプである。Ａ３はオペアンプであり、非反転入力端子にオペアンプＡ１の出力電圧をシリーズ抵抗Ｒｓ１と帰還抵抗Ｒｆ１で分圧して入力し、反転入力端子にオペアンプＡ２の出力電圧をシリーズ抵抗Ｒｓ２と帰還抵抗Ｒｆ２を介して入力する。なお、抵抗値は、Ｒｆ１＝Ｒｆ２，Ｒｓ１＝Ｒｓ２である。

このボルテージフォロア入力型差動増幅器では、入力端子ＩＮ＋，ＩＮ−に入力する電圧の差分が大きくなると、つまり差動信号のレベルが大きくなると、オペアンプＡ３の出力電圧も大きくなるため、非反転入力側に接続されたオペアンプＡ１の負荷と反転入力側に接続されたオペアンプＡ２の負荷とを比較した場合、非反転入力側に接続されたオペアンプＡ１の負荷の方が重くなってしまう。

すなわち、オペアンプＡ３の反転入力端子と非反転入力端子はイマジナリショートによりほぼ同電位となるが、非反転入力端子に接続された抵抗Ｒｆ１は他端が接地に接続され、反転入力端子に接続された抵抗Ｒｆ２は他端がオペアンプＡ３の出力端子に接続されているので、オペアンプＡ３の出力電圧が大きくなると、抵抗Ｒｆ１に流れる電流Ｉ１と抵抗Ｒｆ２に流れる電流Ｉ２は、Ｉ１＞Ｉ２という関係になる。オペアンプＡ３の出力電圧がＧＮＤであれば、Ｉ１＝Ｉ２となるが、出力電圧が大きくなればなるほど、電流Ｉ１とＩ２の差が開いてゆく。これは、オペアンプＡ１の負荷が、オペアンプＡ２の負荷よりも相対的に重くなっていくことに相当する。

特開２０１２−５９０９７号公報

このため、２つのオペアンプＡ１，Ａ２から出力する負荷電流Ｉ１，Ｉ２の値が異なり、オフセット電圧が発生する原因となる。これを解決するには、オペアンプＡ１，Ａ２の負荷駆動能力を向上させればよいが、それは出力段の面積を大きくすることを意味するため、特にＩＣ化の際には回路面積が大きくなり、コスト増大が避けられない。また、負荷を軽くするという手法もあるが、それは抵抗値（面積）を大きくすることを意味するため、これもＩＣ化ではコスト増大が避けられない。

本発明の目的は、２つのオペアンプの負荷電流が等しくなるような対策を施すことで、出力電圧にオフセット電圧成分が現れないようにしたボルテージフォロア入力型差動増幅器を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、非反転信号が入力するボルテージフォロア構成の第１のオペアンプと、反転信号が入力するボルテージフォロア構成の第２のオペアンプと、前記第１のオペアンプの出力端子が第１のシリーズ抵抗を介して非反転入力端子に接続され、前記第２のオペアンプの出力端子が第２のシリーズ抵抗を介して反転入力端子に接続され、前記非反転入力端子は第１の帰還抵抗を介して接地に接続され、前記反転入力端子は出力端子との間に第２の帰還抵抗が接続された第３のオペアンプとを備えたボルテージフォロア入力型差動増幅器において、前記第２のオペアンプの出力端子から分流する電流を、前記第３のオペアンプの出力電圧に比例して増大させ、前記第２のオペアンプの出力電流が前記第１のオペアンプの出力電流と同じになるように制御する電流制御回路を設けたことを特徴とする。
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のボルテージフォロア入力型差動増幅器において、前記電流制御回路が、前記第２のオペアンプの出力端子にドレイン又はコレクタが接続されたトランジスタと、該トランジスタのソース又はエミッタと接地間に接続された第３の帰還抵抗と、前記第３のオペアンプの出力電圧と前記トランジスタのソース又はエミッタの電圧とを比較し、前記第３のオペアンプの出力電圧が高くなるほど前記トランジスタのドレイン又はコレクタの電流を大きくするよう制御する第４のオペアンプとを備えたことを特徴とする。
請求項３にかかる発明は、請求項２に記載のボルテージフォロア入力型差動増幅器において、前記第１および第２のシリーズ抵抗の抵抗値は同値、前記第１、第２および第３の帰還抵抗の抵抗値は同値であることを特徴とする。

本発明によれば、第２のオペアンプの出力から分流する電流を、第１のオペアンプの出力電圧に比例して増大させ、第２のオペアンプの出力電流が第１のオペアンプの出力電流と同じになるように制御するので、第１および第２のオペアンプのオフセット電圧は同一となり、第３のオペアンプによってキャンセルされるので、出力電圧には第１および第２のオフセット電圧に起因するオフセット電圧は現れなくなる。このとき、第１および第２のオペアンプの負荷駆動能力を大きくする必要はなく、また、それらの負荷を特別軽くする必要もなく、さらに第４のオペアンプにも大きな駆動能力は必要なく、ＩＣ化に際しての面積削減に資する。

本発明のボルテージフォロア入力型差動増幅器の回路図である。従来のボルテージフォロア入力型差動増幅器の回路図である。

図１に本発明の１つの実施例のボルテージフォロア入力型差動増幅器を示す。Ａ１，Ａ２はボルテージフォロア構成のオペアンプ、Ａ３はオペアンプ、Ｒｆ１，Ｒｆ２は帰還抵抗、Ｒｓ１，Ｒｓ２はシリーズ抵抗であり、図２で説明したものと同じである。本実施例では、これに加えて、帰還抵抗Ｒｆ３（抵抗Ｒｆ１，Ｒｆ２と同一抵抗値）と、その抵抗Ｒｆ３に発生する電圧とオペアンプＡ３の出力電圧Ｖｏの差分を検出するオペアンプＡ４と、そのオペアンプＡ４の出力電圧によってオペアンプＡ２の出力端子から分流する電流Ｉｃの値を制御するｎｐｎトランジスタＱ１とを備えている。これらは、オペアンプＡ２の出力端子から分流する電流Ｉｃを制御する電流制御回路を構成する。

オペアンプＡ１，Ａ２はもともと負荷駆動能力が小さく設定されており、負荷電流が流れるとオフセット電圧が発生してしまうが、反転入力側のオペアンプＡ２に発生するオフセット電圧と非反転入力側のオペアンプＡ１に発生するオフセット電圧の大きさが等しくなると、オペアンプＡ３によってそのオフセット電圧が相殺される。

さて、入力端子ＩＮ＋とＩＮ−の間に電圧ΔＶを印加し、入力端子ＩＮ−とＧＮＤとの間に電圧Ｖｃを印加したとき、オペアンプＡ１の出力電流Ｉ１は、

であり、オペアンプＡ２の出力電流Ｉ２＋Ｉｃは、

となる。

また、オペアンプＡ３の出力電圧Ｖｏは、

で表される。分流電流Ｉｃは、Ｒｆ２＝Ｒｆ３であるので、

となる。

よって、オペアンプＡ２の出力電流Ｉ２＋Ｉｃは、式（２）に式（３）および式（４）を代入して、

となる。つまり、式（１）と式（５）は同じであり、Ｉ１＝Ｉ２＋Ｉｃが成立する。

このように、本実施例のボルテージフォロア入力型差動増幅器は、オペアンプＡ１とオペアンプＡ２の出力電流が等しくなるようにオペアンプＡ４が動作するので、オペアンプＡ１，Ａ２に発生する負荷電流起因のオフセット電圧は等しくなる。このため、それらのオフセット電圧はオペアンプＡ３によってキャンセルされ、オペアンプＡ３の出力電圧Ｖｏにオフセット電圧は含まれないことになる。

Ａ１，Ａ２：ボルテージフォロア構成のオペアンプ
Ａ３，Ａ４：オペアンプ

Claims

非反転信号が入力するボルテージフォロア構成の第１のオペアンプと、反転信号が入力するボルテージフォロア構成の第２のオペアンプと、前記第１のオペアンプの出力端子が第１のシリーズ抵抗を介して非反転入力端子に接続され、前記第２のオペアンプの出力端子が第２のシリーズ抵抗を介して反転入力端子に接続され、前記非反転入力端子は第１の帰還抵抗を介して接地に接続され、前記反転入力端子は出力端子との間に第２の帰還抵抗が接続された第３のオペアンプとを備えたボルテージフォロア入力型差動増幅器において、
前記第２のオペアンプの出力端子から分流する電流を、前記第３のオペアンプの出力電圧に比例して増大させ、前記第２のオペアンプの出力電流が前記第１のオペアンプの出力電流と同じになるように制御する電流制御回路を設けたことを特徴とするボルテージフォロア入力型差動増幅器。
請求項１に記載のボルテージフォロア入力型差動増幅器において、前記電流制御回路は、
前記第２のオペアンプの出力端子にドレイン又はコレクタが接続されたトランジスタと、該トランジスタのソース又はエミッタと接地間に接続された第３の帰還抵抗と、前記第３のオペアンプの出力電圧と前記トランジスタのソース又はエミッタの電圧とを比較し、前記第３のオペアンプの出力電圧が高くなるほど前記トランジスタのドレイン又はコレクタの電流を大きくするよう制御する第４のオペアンプとを備えたことを特徴とするボルテージフォロア入力型差動増幅器。
請求項２に記載のボルテージフォロア入力型差動増幅器において、
前記第１および第２のシリーズ抵抗の抵抗値は同値、前記第１、第２および第３の帰還抵抗の抵抗値は同値であることを特徴とするボルテージフォロア入力型差動増幅器。