JPH052948B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、抵抗とトランジスタとによつて構成
したフエイルセイフなウインドウコンパレータに
関する。

＜従来の技術＞ 鉄道信号系や原子炉制御系等のように、高度の
フエイルセイフ性が要求される分野においては、
特定の入力領域だけ出力を生じ、かつ回路の断
線、短絡故障等が生じた場合には、非対称な出力
パターンとなるレベル検知器が使用される。本発
明はこのようなレベル検知器として好適であり、
またフエイルセイフ論理回路に使用する論理演算
発振器としても好適なウインドウコンパレータに
関する。

抵抗とトランジスタとによつて構成される論理
演算発振器は、「抵抗半導体発振器によるフエイ
ルセイフ論理回路」（電子通信学会研資昭43−１）
や、特公昭45−29054号公報等に開示されており、
既に公知のものである。

第１図はこれらの刊行物によつて明らかにされ
た論理演算発振器の一例を示しており、トランジ
スタT₁とトランジスタT₂とを直結すると共に、
トランジスタT₂のコレクタをツエナーダイオー
ドZD₁を経てトランジスタT₃のベースに接続し、
トランジスタT₃のコレクタに直列に接続された
ツエナーダイオードZD₂と抵抗R₃との接続点ａ
を、抵抗R₄を介してトランジスタT₁のベースに
帰還させるようにしてある。なお、R₁，R₂はコ
レクタ抵抗、A₁〜A₃は入力端子である。入力端
子A₁〜A₃の個数は任意の個数でよく、また互い
に独立させてその端子数だけのアンドゲートとし
たり、また共通に接続することもできる。

上記の回路構成に成る論理演算発振器におい
て、入力端子A₁〜A₃にトランジスタT₁〜T₃を動
作させるのに充分な入力電圧、すなわちツエナー
ダイオードZD₁，ZD₂のツエーナ電圧VZ₁，VZ₂
が、電源電圧Ｅに対してVZ₁＞Ｅ、VZ₂＜Ｅとな
る入力電圧が入力された場合、トランジスタT₁
〜T₃が順次オン、オフ動作を繰返し、出力端子
V₀には入力端子A₃に与えられる入力電圧レベル
と略零レベルとの間で振動する発振出力が得られ
る。一方、入力端子A₁〜A₃に印加される入力電
圧が、トランジスタT₁〜T₃を動作させるのに充
分なレベルに達しなかつた場合や、回路に断線故
障等を生じた場合には、発振動作が停止すること
となるから、発振出力の有無によつて回路の異
常、入力電圧の適否を検知することができる。こ
のような特長があることから、第１図に示す発振
器は、鉄道信号系、原子炉制御系などフエイルセ
イフ性が強く要求されるシステムの構成要素、特
にレベル検知器として利用されつつある。

ところで、上述の論理演算発振器は、入力端子
A₁〜A₃に加わる入力電圧が動作電圧以上に上昇
して行つた場合、発振動作もこれに追随して行
き、上限を生じることがないので、上限レベルを
検出するレベル検知器としては使用することがで
きない。

第２図はこの点を改良し、回路発振が起る入力
レベルに上限および下限を有するようにしたウイ
ンドウコンパレータの回路例を示している。この
ウインドウコンパレータにおいては、第１図にお
けるツエナーダイオードZD₂を抵抗R₅によつて置
換してある。R₆はトランジスタT₁のコレクタと
トランジスタT₂のベースとの間に挿入した抵抗
である。

上述のウインドウコンパレータにおいて、トラ
ンジスタT₃のコレクタ抵抗R₃と抵抗R₅との接続
点ａから取り出される帰還電圧をVfとすると、
この帰還電圧VfはR₄≫R₃，R₅を条件にして、入
力端子A₃の入力電圧V₃に対し、 Vf＝｛R₅／（R₃＋R₅）｝V₃ ……(1) となる。すなわち帰還電圧Vfは入力電圧V₃に比
例して昇降することとなる。

入力端子A₁〜A₃の入力電圧がトランジスタT₁
〜T₃を動作させるための最小レベルに達すると、
トランジスタT₁〜T₃が能動領域に入り、第１図
と同様の回路作用により発振動作が営まれ、出力
端子V₀から発振出力が取り出される。

ところが、入力電圧が更に上昇し、それにつれ
て帰還電圧Vfが上昇して行くと、トランジスタ
T₃がオン動作をしているにも拘らず、トランジ
スタT₁がオフとならずにオン動作を継続するこ
ととなるため、発振動作が継続できなくなり、発
振できる入力電圧に上限を生じることとなる。す
なわち、回路発振が起る入力レベルに上限および
下限を有するウインドウコンパレータが実現され
る。

＜発明が解決しようとする課題＞ ところが、上述した第１図、第２図の論理演算
発振器は、発振開始の入力レベルがツエナーダイ
オードZD₁またはZD₂によつて決定されるため、
次にような欠点があつた。

(A) ツエナーダイオードの不均一性のため、個々
の発振器の発振開始電圧が一定せず、不均一に
なる。

(B) 発振開始電圧がツエナー電圧に依存するため
に、発振開始電圧の調整、設定の自由度が極め
て狭い。

本発明の課題は、上述する欠点を除去し、発振
開始電圧を安定化すると共に、自由に設定できる
ようにしたウインドウコンパレータを提供するこ
とである。

＜課題を解決するための手段＞ 上述した課題解決のため、本発明に係るウイン
ドウコンパレータは、第１の入力端子と電源の一
端側との間に、少なくとも２つに分割されたコレ
クタ抵抗を介して接続された第１のトランジスタ
と、前記第１のトランジスタの前記コレクタ抵抗
で分割された電圧をベース入力とし、前記電源の
他端側と第２の入力端子との間にコレクタ抵抗を
介して接続された第２のトランジスタと、前記第
２のトランジスタのコレクタ電圧を前記電源の一
端側との間で分割する抵抗と、この抵抗によつて
分割された電圧をベース入力とし、前記電源の前
記一端側と前記他端側との間に接続され、前記第
２のトランジスタとは相補の関係にあり出力が前
記第１のトランジスタのベースに入力される第３
のトランジスタとを備え、前記第１の入力端子及
び第２の入力端子に入力される電圧値が所定範囲
にあるときに発振動作をすると共に、前記電圧値
が上限値または下限値を超えた時に発振動作を停
止し、前記第１のトランジスタのコレクタ側から
対応する発振出力を取り出す発振回路を構成して
いることを特徴とする。

＜実施例＞ 第３図は本発明に係るウインドウコンパレータ
の電気回路図である。この実施例では、出力段の
トランジスタT₆はNPN型とし、入力端子A₅と電
源ＥのアースＧとの間に、２つに分割されたコレ
クタ抵抗R₉，R₁₀を介して接続してある。該コレ
クタ抵抗R₉とR₁₀の接続点ｂは、帰還抵抗R₁₃を
介してトランジスタT₄のベースに接続してあり、
これによつてコレクタ抵抗R₉，R₁₀によつて分割
された電圧をトランジスタT₄のベース入力とし
てある。トランジスタT₄は電源Ｅのホツト側と
入力端子A₄との間にコレクタ抵抗R₇を介して接
続してある。

トランジスタT₄のコレクタと電源アースＧと
の間には、抵抗R₁₁とR₁₂の直列回路を接続して
あり、この抵抗R₁₁とR₁₂とによつてトランジス
タT₄のコレクタ電圧を分割するようにしてある。

抵抗R₁₁とR₁₂との接続点ｃには、PNP型のト
ランジスタT₅のベースを接続してある。このト
ランシスタT₅は、電源Ｅのホツト側とアースＧ
との間に、コレクタ抵抗R₈を介して接続してあ
り、２つのトランジスタT₄，T₆に対して相補形
となつている。またトランジスタT₅のコレクタ
は、トランジスタT₆のベースに接続してあり、
そのコレクタ出力をトランジスタT₆のベース入
力としてある。

なお、上記の実施例は、入力端子A₄，A₅に対
する入力極性が正極性となる場合の回路例であ
り、入力極性が負極性となる場合は、NPN型の
トランジスタT₄，T₆をPNP型に、またPNP型の
トランジスタT₅をNPN型に置きかえればよい。

次に動作について説明する。

入力端子A₄，A₅に加えられる入力電圧V₄，V₅
が ｛R₁₂／（R₇＋R₁₁＋R₁₂）｝V₄＜Ｅ ……(1) Vf＝｛R₁₀／（R₉＋R₁₀）｝V₅＜Ｅ ……(2) なる条件を満足し得る範囲では、トランジスタ
T₅，T₆がオン、トランジスタT₄がオフの状態に
保持されるので、回路発振は起らず、出力端子
V₀の出力電圧は略零レベルに保持される。

次に、入力端子A₄の入力電圧V₄が、トランジ
スタT₅をオフにできる値まで上昇した場合、す
なわち、 ｛R₁₂／（R₇＋R₁₁＋R₁₂）｝V₄＞Ｅ ……(3) なる条件を満足し得る範囲では、トランジスタ
T₅，T₆がオフになり、続いてトランジスタT₄が
オンになる。トランジスタT₄がオンになるとト
ランジスタT₅，T₆がオンになるので、今度はト
ランジスタT₄がオフとなり、このトランジスタ
T₄のオフ動作により次にはトランジスタT₅，T₆
がオンとなる。この結果、出力端子V₀には入力
端子A₅に加わる入力電圧V₅と略零レベルとの間
で振動する発振出力が得られる。

更に、入力端子A₅の入力電圧V₅が上昇し、 Vf＝｛R₁₀／（R₉＋R₁₀）｝V₅＞Ｅ ……(4) なる条件を満足し得るようになると、トランジス
タT⁵，T₆がオンしたときの帰還電圧Vfにより、
トランジスタT₄のベース、エミツタが順バイア
スされるので、トランジスタT₄がオンとなる。
この結果、トランジスタT₅，T₆がオンの状態に
保持されると共に、トランジスタT₄がオンの状
態に保持されたままとなるので、回路発振は起ら
ず、出力端子V₀の出力電圧は略零レベルに固定
される。

すなわち、本発明に係るウインドウコンパレー
タは、入力端子A₄，A₅に加えられる入力電圧
V₄，V₅が、上掲(2)、(3)式を満足し得る範囲にあ
る場合に限つて発振出力を生じ、入力電圧V₄が
(1)式を満足する範囲まで低下した場合や、入力電
圧V₅が(4)式を満足する範囲まで上昇した場合に
は、回路発振が停止するものであつて、発振動作
を継続し得る入力電圧V₄，V₅に下限および上限
を生じる。

この場合、条件式(1)〜(4)からも明らかなよう
に、下限および上限は抵抗（R₇，R₁₁，R₁₂）、
（R₉，R₁₀）の値に依存して決定されるから、従
来のツエナーダイオードを用いた場合のような発
振開始電圧の不均一性がなく、発振開始電圧が安
定する。また、抵抗値を適当に選定することによ
り、発振開始電圧を自由に設定することもでき
る。

ところで、一般にレベル検知器では、発振の開
始時と終了時とで入力レベルを異ならせて、ヒス
テリシス特性を持たせない場合がある。このよう
なヒステリシス特性を有するウインドウコンパレ
ータは、第３図に示す構成のウインドウコンパレ
ータにおいて、その出力を整流し、この整流出力
を抵抗等を通して入力に帰還する回路構成を付加
することにより実現することができる。第４図は
その具体的な回路図である。図においてD₁，D₂
は一般的な整流回路であり、トランジスタT₆の
発振出力を、整流回路D₁では負に整流平滑した
後、抵抗R₁₄を介して入力端子A₅に、また整流回
路D₂では正に整流平滑した後、抵抗R₁₅を介して
入力端子A₄に、それぞれ帰還させてある。

上記の回路において、入力端子A₄に加わる入
力電圧V₄が上昇して回路が発振すると、その発
振出力は整流回路D₂によつて整流され、正の直
流電圧として出力される。この整流出力は帰還抵
抗R₁₅を通して入力端子A₄側に帰還されるので、
入力端子A₄における入力電圧が一層上昇する。
一方、発振動作をしている状態で、入力端子A₄
に加わる入力電圧V₄が低下してくると、帰還抵
抗R₁₅を経由して帰還される直流の整流出力のた
めに発振動作が停止し難くなる。すなわち発振の
開始レベルと、停止レベルとの間に差を生じ、ヒ
ステリシス特性が得られる。

また、入力端子A₅に加わる入力電圧V₅が上昇
して回路の発振が停止しようとすると、抵抗R₁₄
を経由して帰還される整流回路D₁の負の整流出
力による効果分だけ入力電圧V₅が上昇して発振
停止を助長する。逆に入力電圧V₅が低下してく
ると、発振開始によつて帰還抵抗R₁₄を介して出
力が負に与えられるので、発振は助長される。す
なわち、上限においても、発振の停止レベルと開
始レベルとの間に差を生じるから、ヒステリシス
特性が得られる。

なお、トランジスタT₄〜T₆をPNP型または
NPN型に置きかえ、入力端子A₄，A₅に負の入力
電圧を供給するような回路構成とした場合には、
整流回路D₁，D₂も逆極性となることは言うまで
もない。

＜発明の効果＞ 以上述べたように、本発明に係るウインドウコ
ンパレータによれば、次のような効果が得られ
る。

(a) 従来の論理演算発振器において発振開始電圧
を定めていたツエナーダイオードを抵抗分割に
置きかえると共に、入力ゲートのトランジスタ
の一部を、自己電源を入力電源とする相補形ト
ランジスタに置きかえたから、発振開始電圧の
不均一性をなくして安定化させることができ
る。

(b) ツエナーダイオードを用いた場合は、発振開
始電圧がツエナー電圧によつて定まるので、そ
の自由度は極めて狭いものであつたが、本発明
の場合は、抵抗分割比を適当に選定することに
より、発振開始電圧を自由に設定できる。

(c) 本発明に係るウインドウコンパレータは、レ
ベル検知器に限らず、フエイルセイフな情報処
理の技術分野に汎く用いることができる。フエ
イルセイフなウインドウコンパレータを用いた
場合には、その前段のアナログ処理回路に対す
る制限が著しく緩和され、回路上の自由度が非
常に高くなる。また、このウインドウコンパレ
ータは２値−３値変換の基本構成要素ともな
る。

(d) 従来のウインドウコンパレータとして、直流
入力に交流を重畳させて、シユミツト回路で受
ける方式もあるが、この方式に成るものは、極
めて精度が悪く、レベル検知器として使うには
複雑な回路構成を余儀なくされる。これに対
し、本発明に係るウインドウコンパレータは、
演算発振器を基本とするので、各段に高精度で
しかも単純な回路構成となる等々の優れた効果
が得られる。

(e) 実施例に示したように、発振出力を整流し、
帰還抵抗を介して入力側に帰還させることによ
り、発振の開始および停止にヒステリシス特性
を持たせ、レベル検知器として誠に好適なウイ
ンドウコンパレータを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の論理演算発振器の電気回路図、
第２図は従来のウインドウコンパレータの電気回
路図、第３図は本発明に係るウインドウコンパレ
ータの電気回路図、第４図は同じく他の実施例に
おける電気回路図である。 T₄，T₅，T₆……トランジスタ、Ｅ……電源、
R₇〜R₁₅……抵抗、A₄，A₅……入力端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の入力端子と電源の一端側との間に、少
   なくとも２つに分割されたコレクタ抵抗を介して
   接続された第１のトランジスタと、前記第１のト
   ランジスタの前記コレクタ抵抗で分割された電圧
   をベース入力とし、前記電源の他端側と第２の入
   力端子との間にコレクタ抵抗を介して接続された
   第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタ
   のコレクタ電圧を前記電源の一端側との間で分割
   する抵抗と、この抵抗によつて分割された電圧を
   ベース入力とし、前記電源の前記一端側と前記他
   端側との間に接続され、前記第２のトランジスタ
   とは相補の関係にあり出力が前記第１のトランジ
   スタのベースに入力される第３のトランジスタと
   を備え、前記第１の入力端子及び第２の入力端子
   に入力される電圧値が所定範囲にあるときに発振
   動作をすると共に、前記電圧値が上限値または下
   限値を超えた時に発振動作を停止し、前記第１の
   トランジスタのコレクタ側から対応する発振出力
   を取り出す発振回路を構成していることを特徴と
   するウインドウコンパレータ。 ２ 発振出力を整流し、その整流出力を帰還抵抗
   を介して入力に帰還させることにより、発振開始
   電圧と発振停止電圧とを異ならせたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載のウインドウコ
   ンパレータ。