JPH10276046A - Insulated amplifier - Google Patents
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- JPH10276046A JPH10276046A JP9094593A JP9459397A JPH10276046A JP H10276046 A JPH10276046 A JP H10276046A JP 9094593 A JP9094593 A JP 9094593A JP 9459397 A JP9459397 A JP 9459397A JP H10276046 A JPH10276046 A JP H10276046A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁増幅器（アイ
ソレーションアンプ）に関し、特に信号伝送にフォトカ
プラを用いたものに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an isolation amplifier (isolation amplifier), and more particularly, to one using a photocoupler for signal transmission.
【０００２】[0002]
【従来の技術】入出力間を電気的に絶縁する機能を有す
る絶縁増幅器（アイソレーションアンプ）は、入力段と
出力段の間に絶縁バリアを形成することにより、入出力
間の接地電位を互いに自由に設定できるようにしてい
る。絶縁バリアとしては、トランス、フォトカプラ等が
あり、種々のタイプの絶縁増幅器が存在している。2. Description of the Related Art An isolation amplifier (isolation amplifier) having a function of electrically insulating input and output is formed by forming an insulating barrier between an input stage and an output stage to thereby reduce the ground potential between the input and output to each other. It can be set freely. Examples of the insulation barrier include a transformer and a photocoupler, and various types of insulation amplifiers exist.
【０００３】図４にはフォトカプラを用いた従来の絶縁
増幅器の回路図が示されている。図４において、入力側
のオペアンプＱ２０１と出力側のオペアンプＱ２０２間
に絶縁バリアとしてフォトカプラＰＣ２が設けられてお
り、オペアンプＱ２０１の非反転入力には抵抗Ｒ２０１
を介して入力信号が供給される。オペアンプＱ２０１の
反転入力は接地されている。オペアンプＱ２０１の出力
は、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードＬＥＤ２のア
ノード側が接続され、発光ダイオードＬＥＤ２のカソー
ド側（“−”印の方）は、抵抗Ｒ２０３を介して電源
（−ＶR1）に接続され、発光ダイオードＬＥＤ２に動作
電流を流している。また、オペアンプＱ２０１の非反転
入力と電源（−ＶR1）間にはフォトカプラＰＣ２を構成
するフォトダイオードＰＤ２１がオペアンプＱ２０１の
帰還素子として接続され、抵抗Ｒ２０１に流れる入力電
流を打ち消すような電流がフォトダイオードＰＤ２１に
流れるよう発光ダイオードＬＥＤ２の発光強度を調節し
ている。フォトダイオードＰＤ２１は、逆バイアス（−
ＶR1）されて応答速度が改善される。上記フォトカプラ
ＰＣ２は、１つの発光ダイオード（ＬＥＤ２）と特性が
揃った２つのフォトダイオード（ＰＤ２１、ＰＤ２２）
で構成されている。FIG. 4 is a circuit diagram of a conventional insulating amplifier using a photocoupler. 4, a photocoupler PC2 is provided as an insulating barrier between an input-side operational amplifier Q201 and an output-side operational amplifier Q202, and a non-inverting input of the operational amplifier Q201 includes a resistor R201.
The input signal is supplied via. The inverting input of the operational amplifier Q201 is grounded. The output of the operational amplifier Q201 is connected to the anode side of the light emitting diode LED2 of the photocoupler PC2, and the cathode side (the "-" mark) of the light emitting diode LED2 is connected to the power supply (-VR1) via the resistor R203 to emit light. An operating current is flowing through the diode LED2. Further, a photodiode PD21 constituting the photocoupler PC2 is connected as a feedback element of the operational amplifier Q201 between the non-inverting input of the operational amplifier Q201 and the power supply (-VR1), and a current that cancels the input current flowing through the resistor R201 is generated by the photodiode. The light emission intensity of the light emitting diode LED2 is adjusted so as to flow to the PD. The photodiode PD21 has a reverse bias (−
VR1) and the response speed is improved. The photocoupler PC2 is composed of one light emitting diode (LED2) and two photodiodes (PD21, PD22) having the same characteristics.
It is composed of
【０００４】一方、オペアンプＱ２０２の反転入力はフ
ォトダイオードＰＤ２２のカソード側に接続され、非反
転入力は接地されている。また、その反転入力と出力間
には帰還抵抗Ｒ２０４が接続されている。その結果、オ
ペアンプＱ２０２の反転入力端子の電位は、非反転入力
端子の電位すなわち接地電位と同じになる。フォトダイ
オードＰＤ２２のアノード側は電源（−ＶＲ２）に接続
されているため、フォトダイオードＰＤ２２は逆バイア
ス状態となり、応答速度が改善される。発光ダイオード
ＬＥＤ２に流れる電流（＝発光強度）に応じてフォトダ
イオードＰＤ２２に電流が流れ、この電流がオペアンプ
Ｑ２０２で電流−電圧変換され、電圧信号として出力さ
れる。On the other hand, the inverting input of the operational amplifier Q202 is connected to the cathode side of the photodiode PD22, and the non-inverting input is grounded. A feedback resistor R204 is connected between the inverted input and the output. As a result, the potential of the inverting input terminal of the operational amplifier Q202 becomes equal to the potential of the non-inverting input terminal, that is, the ground potential. Since the anode side of the photodiode PD22 is connected to the power supply (-VR2), the photodiode PD22 is in a reverse bias state, and the response speed is improved. A current flows through the photodiode PD22 according to a current (= light emission intensity) flowing through the light emitting diode LED2, and this current is current-voltage converted by the operational amplifier Q202, and is output as a voltage signal.
【０００５】以上の構成により、入力電圧に比例した電
流がダイオードＰＤ２１に流れるよう発光ダイオードＬ
ＥＤ２の発光強度が調節され、そしてフォトダイオード
ＰＤ２１、ＰＤ２２の特性はマッチングがとれているた
め、フォトダイオード２２にはフォトダイオードＰＤ２
１と同じ電流が流れることになる。このフォトダイオー
ドＰＤ２２に流れる電流を電圧に変換して出力している
ので、出力には入力に比例した電圧が現われ、かつ入出
力の絶縁状態が保たれる。With the above arrangement, the light emitting diode L is controlled so that a current proportional to the input voltage flows through the diode PD21.
Since the emission intensity of ED2 is adjusted and the characteristics of the photodiodes PD21 and PD22 are matched, the photodiode PD2 is connected to the photodiode 22.
The same current as 1 flows. Since the current flowing through the photodiode PD22 is converted into a voltage and output, a voltage proportional to the input appears at the output, and the input / output insulation state is maintained.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】以上説明したフォトカ
プラを使用した絶縁増幅器は、図４中に示すように、入
力回路の接地電位と受光部分との間に存在する浮遊容量
Ｃsにより、入力と出力の接地間に加わる雑音電圧が出
力回路に現われてしまうという問題点がある。As shown in FIG. 4, the isolated amplifier using the photocoupler described above has an input and an output due to the stray capacitance Cs existing between the ground potential of the input circuit and the light receiving portion. There is a problem that a noise voltage applied between the output and the ground appears in the output circuit.
【０００７】今、入力と出力の接地間の供給電圧を絶縁
モード電圧（ＶIM）とし、この絶縁モード電圧ＶIMを入
力換算したものを等価誤差電圧（ＶERR）とすると、絶
縁増幅器におけるＶIM の除去能力である絶縁モード除
去比（ＩＭＲＲ）はＩＭＲＲ＝ＶERR／ＶIM として定義
される。ここで、等価誤差電圧とは、絶縁モード電圧を
絶縁増幅器の利得で割った値で、絶縁増幅器の入力端に
おいて絶縁モード電圧と同じ効果を与える電圧である。Now, assuming that a supply voltage between the input and output grounds is an insulation mode voltage (VIM), and an input conversion of the insulation mode voltage VIM is an equivalent error voltage (VERR), a removal capability of the insulation amplifier for VIM Is defined as IMRR = VERR / VIM. Here, the equivalent error voltage is a voltage obtained by dividing the insulation mode voltage by the gain of the insulation amplifier and having the same effect as the insulation mode voltage at the input terminal of the insulation amplifier.
【０００８】そこで、本発明の目的は、入力と出力の接
地間に加わる雑音電圧が浮遊容量を介して受光素子に飛
びついた場合でもその影響を除去できる絶縁増幅器を提
供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an insulation amplifier capable of removing the influence of a noise voltage applied between the input and output grounds, which jumps to a light receiving element via a stray capacitance.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め本発明による絶縁増幅器は、発光手段と受光手段とか
ら成るフォトカプラを用いて、入力側と出力側とを電気
的に分離する絶縁増幅器において、前記フォトカプラの
前記受光手段の出力を入力とする電流入力型の差動増幅
手段を有する。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, an insulation amplifier according to the present invention uses a photocoupler comprising a light-emitting means and a light-receiving means to electrically isolate an input side from an output side. The amplifier includes a current input type differential amplifying unit that receives an output of the light receiving unit of the photocoupler as an input.
【００１０】ここで、前記差動増幅器手段の電流アンプ
部分の電流利得が調整可能であり、前記電流入力型の差
動増幅手段は、前記受光手段の一方の端子に接続された
第１の電流入力アンプと、前記受光手段の他方の端子に
接続された第２の電流入力アンプとを備え、前記受光手
段と前記第１の電流アンプとの接続点に前記第２の電流
アンプの出力を注入することにより、浮遊容量を介して
前記受光手段に誘起した雑音成分を打ち消すように構成
される。Here, the current gain of the current amplifier portion of the differential amplifier means can be adjusted, and the current input type differential amplifier means includes a first current connected to one terminal of the light receiving means. An input amplifier; and a second current input amplifier connected to the other terminal of the light receiving means, wherein an output of the second current amplifier is injected into a connection point between the light receiving means and the first current amplifier. By doing so, the noise component induced in the light receiving means via the stray capacitance is canceled.
【００１１】本発明の更に他の態様による絶縁増幅器
は、信号に応じて光の強度が変化する発光手段と、前記
発光手段により生じた光の強度に応答して電流信号を出
力する第１、第２の受光手段と、前記第１の受光手段に
流入または流出する信号の差信号を増幅する第１の電流
入力型差動増幅手段と、前記第１の差動増幅手段の出力
と入力信号との誤差を打消す誤差打消し手段と、前記誤
差打消し手段によって駆動される前記発光手段と、前記
第２の受光手段に流入または流出する信号の差信号を出
力する第２の電流入力型差動増幅手段とを備える。According to still another aspect of the present invention, there is provided an insulation amplifier comprising: a light emitting means for changing the light intensity according to a signal; and a first means for outputting a current signal in response to the light intensity generated by the light emitting means. Second light receiving means, first current input type differential amplifying means for amplifying a difference signal between signals flowing into or out of the first light receiving means, an output of the first differential amplifying means and an input signal Error canceling means for canceling an error between the light emitting means, the light emitting means driven by the error canceling means, and a second current input type for outputting a difference signal between signals flowing into and out of the second light receiving means. Differential amplifying means.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。図１は本発明による絶縁増幅
器の一実施形態を示す回路図である。図１において、入
力信号は抵抗Ｒ１を介してオペアンプＱ１の反転入力に
供給され、オペアンプＱ１の非反転入力は接地されてい
る。オペアンプＱ１の出力にはフォトカプラＰＣ１を構
成する発光ダイオードＬＥＤ１のアノードが接続され、
発光ダイオードＬＥＤ１のカソードは抵抗Ｒ１１を介し
て電源−Ｖに接続され、発光ダイオードＬＥＤ１には適
切な動作電流を流して発光させる。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the insulation amplifier according to the present invention. In FIG. 1, an input signal is supplied to an inverting input of an operational amplifier Q1 via a resistor R1, and a non-inverting input of the operational amplifier Q1 is grounded. The output of the operational amplifier Q1 is connected to the anode of the light emitting diode LED1 forming the photocoupler PC1,
The cathode of the light emitting diode LED1 is connected to a power supply -V via a resistor R11, and an appropriate operating current is applied to the light emitting diode LED1 to emit light.
【００１３】発光ダイオードＬＥＤ１から発光した光
は、フォトダイオードＰＤ１１により受光され、電流に
変換される。フォトダイオードＰＤ１１には、図示の如
く、オペアンプＱ２〜Ｑ４及び抵抗Ｒ３〜Ｒ１０から成
る電流入力タイプの差動増幅器が接続され、この差動増
幅器は、フォトダイオードＰＤ１１に流れる電流の変化
を電圧に変換している。ここで、Ｒ５＝Ｒ６＝Ｒ７＝Ｒ
８である。このように、フォトダイオードＰＤ１１のカ
ソード側、アノード側のそれぞれに存在する浮遊容量
は、かかる差動形式による信号の取り出しにより、悪影
響はキャンセルされることになる。The light emitted from the light emitting diode LED1 is received by the photodiode PD11 and converted into a current. As shown, a current input type differential amplifier including operational amplifiers Q2 to Q4 and resistors R3 to R10 is connected to the photodiode PD11. This differential amplifier converts a change in current flowing through the photodiode PD11 into a voltage. doing. Here, R5 = R6 = R7 = R
8 As described above, the stray capacitance existing on each of the cathode side and the anode side of the photodiode PD11 cancels the adverse effect by extracting the signal in the differential format.
【００１４】フォトダイオードＰＤ１１は、＋ＶB1と−
ＶB1により逆バイアスが与えられ、オペアンプＱ２、Ｑ
３にそれぞれ出力オフセットを発生させる。ここで、抵
抗Ｒ９、Ｒ１０は、オペアンプＱ２、Ｑ３で生ずる出力
オフセットをキャンセルするためのものである。The photodiode PD11 has + VB1 and -VB1.
A reverse bias is applied by VB1, and the operational amplifiers Q2 and Q2
3 generate an output offset. Here, the resistors R9 and R10 are for canceling the output offset generated in the operational amplifiers Q2 and Q3.
【００１５】オペアンプＱ４の出力は抵抗Ｒ２を介して
オペアンプＱ１の反転入力に接続され、このフィードバ
ックループによりフォトダイオードＰＤ１１に流れる電
流が入力電圧に比例するようになる。The output of the operational amplifier Q4 is connected to the inverting input of the operational amplifier Q1 via the resistor R2, and the current flowing through the photodiode PD11 becomes proportional to the input voltage by this feedback loop.
【００１６】発光ダイオードＬＥＤ１で発光した光は、
フォトダイオードＰＤ１１と特性がマッチングしている
出力側のフォトダイオードＰＤ１２でも受光され、フォ
トダイオードＰＤ１２にはフォトダイオードＰＤ１１と
同じ電流が流れる。フォトダイオードＰＤ１２側には、
フォトダイオードＰＤ１１側と同様に、オペアンプＱ５
〜Ｑ７、と抵抗Ｒ１２〜Ｒ１９から成り、電流入力を持
つ差動増幅器が接続され、フォトダイオードＰＤ１２に
流れる電流の変化を電圧に変換している。ここでも、Ｒ
１４＝Ｒ１５＝Ｒ１６＝Ｒ１７とされる。オペアンプＱ
５とＱ６の非反転入力には＋ＶB2と−ＶB2がそれぞれ接
続され、フォトダイオードＰＤ１２を逆バイアス状態に
している。このため、オペアンプＱ５，Ｑ６にはそれぞ
れ出力オフセットが発生する。オペアンプＱ７の非反転
及び反転入力に接続された抵抗Ｒ１８，Ｒ１９はこれら
のオフセットをキャンセルするものである。The light emitted by the light emitting diode LED1 is:
The photodiode PD12 on the output side whose characteristics are matched with the photodiode PD11 also receives light, and the same current as that of the photodiode PD11 flows through the photodiode PD12. On the photodiode PD12 side,
Similarly to the photodiode PD11 side, the operational amplifier Q5
To Q7, and resistors R12 to R19, and a differential amplifier having a current input is connected to convert a change in current flowing through the photodiode PD12 into a voltage. Again, R
14 = R15 = R16 = R17. Operational amplifier Q
+ VB2 and -VB2 are connected to the non-inverting inputs of 5 and Q6, respectively, and the photodiode PD12 is in a reverse bias state. Therefore, an output offset occurs in each of the operational amplifiers Q5 and Q6. The resistors R18 and R19 connected to the non-inverting and inverting inputs of the operational amplifier Q7 cancel these offsets.
【００１７】前述フォトダイオードＰＤ１１側と同様
に、フォトダイオードＰＤ１２のカソード側、アノード
側のそれぞれと装置の入力側との間に存在する浮遊容量
は、差動形式で信号が取り出されるため、その悪影響は
キャンセルされる。こうして、フォトダイオードＰＤ１
２に流れる電流変化は電圧に変換されオペアンプＱ７の
出力に電圧信号となって現われる。尚、オペアンプＱ１
は、入力信号電圧とオペアンプＱ４の出力信号電圧とを
入力とする差動増幅器であってもかまわない。As with the photodiode PD11, the stray capacitance existing between the cathode and anode sides of the photodiode PD12 and the input side of the device causes a signal to be taken out in a differential manner. Is canceled. Thus, the photodiode PD1
The change in the current flowing through 2 is converted into a voltage and appears as a voltage signal at the output of the operational amplifier Q7. In addition, the operational amplifier Q1
May be a differential amplifier that receives the input signal voltage and the output signal voltage of the operational amplifier Q4 as inputs.
【００１８】図２は、本実施形態における雑音キャンセ
ル効果を説明するための図１の出力側の要部回路図であ
り、浮遊容量と雑音との関係を示している。図２におい
て、入力側接地（１）とフォトカプラの受光部であるフ
ォトダイオードＰＤ１２との間には浮遊容量Ｃs1、Ｃs2
が存在する場合を想定する。FIG. 2 is a main part circuit diagram on the output side of FIG. 1 for explaining the noise canceling effect in the present embodiment, and shows the relationship between stray capacitance and noise. In FIG. 2, stray capacitances Cs1 and Cs2 are provided between an input side ground (1) and a photodiode PD12 which is a light receiving portion of a photocoupler.
Suppose the case exists.
【００１９】今、フォトダイオードＰＤ１２に流れる信
号成分をｉsとすると、この信号成分によるオペアンプ
Ｑ５、Ｑ６及びＱ７の出力Ｖ5S、Ｖ6S、Ｖ7Sは、次のよ
うに表わせる。 Ｖ5S＝ ＶB2＋ｉs・Ｒ12 （１） Ｖ6S＝−ＶB2−ｉs・Ｒ13 （２） Ｖ7S＝Ｖ6S−Ｖ7S＝−｛２ＶB2＋（Ｒ12＋Ｒ13）・ｉs｝ （３） となる。ここで、Ｒ１４＝Ｒ１５＝Ｒ１６＝Ｒ１７とし
ている。抵抗Ｒ１８，Ｒ１９は、オペアンプＱ５，Ｑ６
で発生した出力オフセット電圧をキャンセルするための
ものである。Assuming that the signal component flowing through the photodiode PD12 is is, the outputs V5S, V6S and V7S of the operational amplifiers Q5, Q6 and Q7 due to this signal component can be expressed as follows. V5S = VB2 + is.R12 (1) V6S = -VB2-is.R13 (2) V7S = V6S-V7S =-{2VB2 + (R12 + R13) .is} (3) Here, it is assumed that R14 = R15 = R16 = R17. The resistors R18 and R19 are connected to the operational amplifiers Q5 and Q6.
This is for canceling the output offset voltage generated in the above.
【００２０】一方、浮遊容量Ｃs1、Ｃs2に起因する雑音
電圧ＶNの飛び込みによる雑音成分Ｖ5N、Ｖ6Nは次のよ
うに表わせる。 Ｖ5N＝−ＶN・ｊωＣs1・Ｒ12 （４） Ｖ6N＝−ＶN・ｊωＣs2・Ｒ13 （５） ここでＶ5N＝Ｖ6Nとすれば、Ｖ7Nはゼロとなり、雑音成
分は出力されない。このための条件を求めると次のよう
になる。 Ｃs1・Ｒ12 ＝ Ｃs2・Ｒ13 （６）On the other hand, noise components V5N and V6N due to the jump of the noise voltage VN caused by the stray capacitances Cs1 and Cs2 can be expressed as follows. V5N = -VN.j.omega.Cs1.R12 (4) V6N = -VN.j.omega.Cs2.R13 (5) If V5N = V6N, V7N becomes zero and no noise component is output. The conditions for this are obtained as follows. Cs1 · R12 = Cs2 · R13 (6)
【００２１】通常、これら回路が形成される基板レイア
ウトの関係上Ｃs1≠Ｃs2であるが、その場合でもＲ12又
はＲ13を調整すれば、（６）式を満足させることができ
る。入力側のフォトダイオードＰＤ１１についても同様
なことが言える。Normally, Cs1 ≠ Cs2 due to the layout of the substrate on which these circuits are formed. Even in this case, if R12 or R13 is adjusted, the expression (6) can be satisfied. The same can be said for the photodiode PD11 on the input side.
【００２２】実際の調整に当たっては、（６）式を満足
するようＲ12を調整してＣs1、Ｃs2の影響をキャンセル
する。具体的には、入力回路の接地と出力回路の接地と
の間に雑音電圧に相当する交流信号を印加した後、Ｒ12
を調整して、オペアンプＱ７の出力に現われる前記交流
信号が最少となるようにする。入力側の受光素子フォト
ダイオード１についても同様な方法で浮遊容量の影響を
キャンセルできる。In actual adjustment, R12 is adjusted so as to satisfy the expression (6) to cancel the influence of Cs1 and Cs2. Specifically, after applying an AC signal corresponding to a noise voltage between the ground of the input circuit and the ground of the output circuit, R12
Is adjusted so that the AC signal appearing at the output of the operational amplifier Q7 is minimized. The effect of the stray capacitance can be canceled in the same manner for the light receiving element photodiode 1 on the input side.
【００２３】尚、オペアンプＱ２、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６の
それぞれの帰還抵抗と並列にキャパシタを付加して、こ
れらも調整すれば、各オペアンプの周波数特性も含めて
調整できるので、より効果的である。If a capacitor is added in parallel with the feedback resistor of each of the operational amplifiers Q2, Q3, Q5, and Q6 and these capacitors are also adjusted, it is possible to adjust the frequency characteristics of each of the operational amplifiers, which is more effective. .
【００２４】実測値によれば、従来技術の絶縁増幅器の
絶縁モード除去比（ＩＭＲＲ）は１ｋＨｚで６７ｄＢで
あるのに対し、本発明のように入力側及び出力側のフォ
トダイオードの出力を電流入力の差動増幅器を用いて検
出した場合は１１６ｄＢであった。その改善度は実に４
９ｄＢ（約２８２倍）という著しいもので、フォトカプ
ラを使用した絶縁増幅器としては画期的なＩＭＲＲ値が
得られ、絶縁増幅器の新たなアプリケーションの開拓に
寄与するところ大といえる。尚、このＩＭＲＲ値は使用
するフォトカプラの構造にも依存する。According to the measured values, the insulation mode rejection ratio (IMRR) of the prior art isolation amplifier is 67 dB at 1 kHz, whereas the output of the photodiode on the input side and the output side on the input side is changed to the current input as in the present invention. Is 116 dB when detected by using the differential amplifier of FIG. The improvement is actually 4
It is as remarkable as 9 dB (about 282 times), and it can be said that a revolutionary IMRR value can be obtained as an isolation amplifier using a photocoupler, contributing to the development of new applications of the isolation amplifier. This IMRR value also depends on the structure of the photocoupler used.
【００２５】以上述べたように、本発明の絶縁増幅器に
よれば、フォトカプラの入力側フォトダイオードＰＤ１
１と、出力側のフォトダイオードＰＤ１２のカソード
側、アノード側のそれぞれに存在する浮遊容量を通して
雑音電圧が注入されたとしても、差動形式でこの雑音電
圧を検出するため、雑音電圧はキャンセルされ出力に現
われなくなる。As described above, according to the insulation amplifier of the present invention, the input side photodiode PD1 of the photocoupler is used.
Even if a noise voltage is injected through the stray capacitance existing on each of the cathode side and the anode side of the photodiode PD12 on the output side, the noise voltage is canceled because the noise voltage is detected in a differential manner. Will no longer appear.
【００２６】図３は本発明による絶縁増幅器の他の実施
形態の回路図であり、フォトダイオードＰＤ１２側の受
光部分のみを示す回路図である。この実施形態では、上
述実施形態の電流入力差動アンプを使用する代わりに、
信号路とは別に雑音成分をキャンセルする回路を追加し
て使用回路構成部品数を削減したもので、具体的には、
使用オペアンプの数を７個から５個に、使用抵抗を１９
個から１１個に低減できる。原理的には、図３に示すフ
ォトダイオードＰＤ１２のカソード側及びアノード側の
Ａ、Ｂ点の雑音は同じ位相で注入されるので、Ｂ点の雑
音を反転してＡ点に加えて雑音をキャンセルするもので
ある。FIG. 3 is a circuit diagram of another embodiment of the insulating amplifier according to the present invention, and is a circuit diagram showing only a light receiving portion on the photodiode PD12 side. In this embodiment, instead of using the current input differential amplifier of the above embodiment,
A circuit that cancels noise components is added separately from the signal path to reduce the number of circuit components used.Specifically,
The number of operational amplifiers used was changed from 7 to 5, and the used resistance was 19
From 11 to 11. In principle, noises at points A and B on the cathode side and anode side of the photodiode PD12 shown in FIG. 3 are injected in the same phase, so that the noise at point B is inverted and added to point A to cancel the noise. Is what you do.
【００２７】図３において、浮遊容量をＣs1とＣs2と
し、絶縁モード電圧をＶIMとすると、フォトダイオード
ＰＤ１２には、図の如く浮遊容量Ｃs1、Ｃs2を介して雑
音電圧ＶIMがカソード側のＡ点及びアノード側のＢ点に
同じ位相で印加されている。フォトダイオードＰＤ１２
には、発光ダイオードＬＥＤ１（図示せず）の発光によ
るフォト電流ｉｍが流れている。フォトダイオードＰＤ
１２のカソードはオペアンプＱ１０１の反転入力に接続
され、この反転入力と同オペアンプ出力との間には帰還
抵抗Ｒ１０１が接続されている。この帰還抵抗Ｒ１０１
には浮遊容量Ｃ１０１が並列に接続されている。同オペ
アンプＱ１０１の出力にはフォトダイオードＰＤ１２に
流れる電流に比例した電圧が出力される。In FIG. 3, assuming that the stray capacitances are Cs1 and Cs2 and the insulation mode voltage is VIM, the noise voltage VIM is applied to the photodiode PD12 via the stray capacitances Cs1 and Cs2 as shown in FIG. The same phase is applied to point B on the anode side. Photodiode PD12
, A photocurrent im caused by light emission of the light emitting diode LED1 (not shown) flows. Photodiode PD
Twelve cathodes are connected to an inverting input of an operational amplifier Q101, and a feedback resistor R101 is connected between the inverting input and the operational amplifier output. This feedback resistor R101
Is connected in parallel with a stray capacitance C101. The output of the operational amplifier Q101 outputs a voltage proportional to the current flowing through the photodiode PD12.
【００２８】このオペアンプＱ１０１の反転入力には、
他端が電位ＶR1に接続された抵抗Ｒ１０４も接続されて
いる。この抵抗Ｒ１０４にはフォトダイオードＰＤ１２
のバイアス電圧によるオペアンプＱ１０１の出力オフセ
ットをキャンセルするだけの電流を流す。The inverting input of the operational amplifier Q101 includes:
The resistor R104 whose other end is connected to the potential VR1 is also connected. This resistor R104 has a photodiode PD12
A current sufficient to cancel the output offset of the operational amplifier Q101 due to the bias voltage is applied.
【００２９】フォトダイオードＰＤ１２のアノードはオ
ペアンプＱ１０２の反転入力に接続され、この反転入力
と同オペアンプの出力との間には帰還抵抗Ｒ１０２とキ
ャパシタＣ１０２の並列回路が接続されている。また、
同オペアンプＱ１０２の非反転入力にはフォトダイオー
ドＰＤ１２を逆バイアスするための電圧（＝−ＶR）が
接続されている。オペアンプＱ１０２の出力からはフォ
トダイオードＰＤ１２に流れる信号電流ｉmに比例した
信号電圧が出力される。オペアンプＱ１０２の出力は、
抵抗Ｒ１０３とキャパシタＣ１０１の並列回路を介して
オペアンプＱ１０１の反転入力に接続されている。The anode of the photodiode PD12 is connected to the inverting input of the operational amplifier Q102, and a parallel circuit of a feedback resistor R102 and a capacitor C102 is connected between the inverting input and the output of the operational amplifier Q102. Also,
A voltage (= -VR) for reverse biasing the photodiode PD12 is connected to a non-inverting input of the operational amplifier Q102. The output of the operational amplifier Q102 outputs a signal voltage proportional to the signal current im flowing through the photodiode PD12. The output of the operational amplifier Q102 is
It is connected to the inverting input of an operational amplifier Q101 via a parallel circuit of a resistor R103 and a capacitor C101.
【００３０】信号電流ｉmについて考えると、フォトダ
イオードＰＤ１２のアノードから流出した電流ｉmは、
オペアンプＱ１０２を経由してオペアンプＱ１０１の反
転入力に注入される。このため、信号電流の大きさは２
imと等価になる。Considering the signal current im, the current im flowing out from the anode of the photodiode PD12 is
It is injected into the inverting input of the operational amplifier Q101 via the operational amplifier Q102. Therefore, the magnitude of the signal current is 2
It is equivalent to im.
【００３１】一方、雑音成分である絶縁モード電圧ＶIM
を考えると、ＶIMのうち浮遊容量ＣS2経由のものはオペ
アンプＱ１０２で反転されオペアンプＱ１０１の反転入
力に逆位相で注入される。このため信号に重畳している
ＣS1経由のＶIM成分はキャンセルされる。On the other hand, the insulation mode voltage VIM which is a noise component
In consideration of the above, the VIM via the stray capacitance CS2 is inverted by the operational amplifier Q102 and injected into the inverting input of the operational amplifier Q101 in the opposite phase. Therefore, the VIM component via CS1 superimposed on the signal is canceled.
【００３２】図３の回路については次の基本式が成立す
る。 ｉs1＝ｊωＣs1・ＶIM （７）The following basic equation holds for the circuit of FIG. is1 = jωCs1 · VIM (7)
【００３３】回路が正常に動作している場合には、フォ
トダイオードＰＤ１２のカソードとアノードには同じ交
流成分が印加されているためフォトダイオードＰＤ１２
には交流成分は流れずisd＝０となる。このため、 ｉs2＝ｊωＣs2・ＶIM （８） Ｅ2＋ＶR ＝ −Ｚ2(im＋is2) （９） Ｅ0＝Ｚ1(ｉm−ｉs1−(Ｅ2／Ｚ3)−(ＶR1／Ｒ104)) （１０） ここでＺ1＝Ｒ101//Ｃ101、Ｚ2＝Ｒ102//Ｃ102、Ｚ3＝
Ｒ103//Ｃ103である。 （ａ//ｂは、ａとｂの並列接続を表わす）When the circuit is operating normally, the same alternating current component is applied to the cathode and anode of the photodiode PD12, so that the photodiode PD12
, No AC component flows and isd = 0. Therefore, is2 = jωCs2 · VIM (8) E2 + VR = −Z2 (im + is2) (9) E0 = Z1 (im−is1− (E2 / Z3) − (VR1 / R104)) (10) where Z1 = R101 / / C101, Z2 = R102 // C102, Z3 =
R103 // C103. (A // b represents a parallel connection of a and b)
【００３４】基本式(７)〜（１０）)から、ｉs1、ｉs
2、Ｅ2を消去してＥ0を求めると次のようになる。From the basic formulas (7) to (10)), is1, is
2. When E2 is deleted to find E0, the following is obtained.
【数１】 (Equation 1)
【００３５】ここで信号と雑音との関係のみに着目する
ため、（11）式の右辺からＶIMを含む項のみを取り出す
と次のようになるHere, in order to focus only on the relationship between the signal and the noise, if only the term including VIM is extracted from the right side of the equation (11), the following is obtained.
【数２】 ここで、τ1=Ｃ101・Ｒ101、τ2=Ｃ102・Ｒ102、τs02=
(Ｃ102・ＣS1-Ｃ103・ＣS2)・Ｒ102・Ｒ103、τs1=(ＣS1・Ｒ
103-ＣS2・Ｒ102)、τs2=τs02／τs1である。(Equation 2) Here, τ1 = C101 · R101, τ2 = C102 · R102, τs0 2 =
(C102 ・ CS1-C103 ・ CS2) ・ R102 ・ R103, τs1 = (CS1 ・ R
103-CS2 · R102), is a τs2 = τs0 2 / τs1.
【００３６】（13）、（14）式より、Ｅ0/ＶIM＝０とな
る条件は、τs1及びτs02をゼロにすれば良い事がわか
る。この条件より次の関係式が導かれる。[0036] (13), (14) from the equation, the E0 / VIM = 0 condition, it is understood that it is sufficient to τs1 and Tauesu0 2 to zero. The following relational expression is derived from this condition.
【数３】 (Equation 3)
【数４】 (Equation 4)
【００３７】実際の調整にあたっては、例えば、入力側
接地端子と出力側接地端子との間に矩形波信号を印加
し、最初に抵抗Ｒ102、Ｒ103の比を調整して浮遊容量Ｃ
S1、ＣS2の影響をキャンセルし（15）式を満足させる。
次にＣ102、Ｃ103を調整して（16）式を満足させる。In actual adjustment, for example, a rectangular wave signal is applied between the input-side ground terminal and the output-side ground terminal, and the ratio of the resistors R102 and R103 is first adjusted to adjust the stray capacitance C.
The effects of S1 and CS2 are canceled to satisfy equation (15).
Next, C102 and C103 are adjusted to satisfy the expression (16).
【００３８】以上で述べた図３に示す回路は、絶縁増幅
器の出力側の受光部分についてのものであるが、絶縁増
幅器の入力側の受光部分についても同様の方法でフォト
ダイオードＰＤ１１から雑音を除去して信号を取り出す
ことができる。Although the circuit shown in FIG. 3 described above is for the light receiving portion on the output side of the isolation amplifier, noise is also removed from the photodiode PD11 by the same method for the light receiving portion on the input side of the insulation amplifier. To extract the signal.
【００３９】このように、浮遊容量を介して受光素子に
飛びつく雑音成分があったとしても、入力側及び出力側
の受光部分に図３の回路を適用することにより雑音成分
を除去できる。As described above, even if there is a noise component jumping to the light receiving element via the stray capacitance, the noise component can be removed by applying the circuit of FIG. 3 to the light receiving portions on the input side and the output side.
【００４０】尚、以上の説明において、フォトカプラは
発光ダイオード素子およびフォトダイオード素子で構成
されているものについて説明したが、他の形式の素子で
あってもかまわない。In the above description, the photocoupler has been described as being composed of a light emitting diode element and a photodiode element. However, other types of elements may be used.
【００４１】[0041]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、フ
ォトカプラを用いた絶縁増幅器において、入力側及び出
力側のフォトダイオードの出力を電流入力タイプの差動
増幅手段で検出している。このため、入力側接地と出力
側接地との間に存在している雑音電圧が浮遊容量を介し
て受光素子に飛びついたとしても、この雑音電圧は同相
成分であるため差動増幅器によりキャンセルされる。こ
の結果、より忠実に信号を増幅することができる。As described above, according to the present invention, in the insulated amplifier using the photocoupler, the outputs of the input side and output side photodiodes are detected by the current input type differential amplifying means. . Therefore, even if a noise voltage existing between the input side ground and the output side ground jumps to the light receiving element via the stray capacitance, the noise voltage is canceled out by the differential amplifier because the noise voltage is an in-phase component. . As a result, the signal can be amplified more faithfully.
【００４２】また、本発明の他の実施形態によれば、受
光部分で検出した雑音を含む信号のうち雑音成分をキャ
ンセルできる電流−電圧変換回路を設けた。この電流−
電圧変換回路を入力側及び出力側の受光部に用いること
により、入力側接地と出力側接地との間に雑音電圧が存
在していても信号を忠実に増幅できるようになった。Further, according to another embodiment of the present invention, a current-voltage conversion circuit capable of canceling a noise component of a signal containing noise detected at a light receiving portion is provided. This current-
By using the voltage conversion circuit for the light receiving units on the input side and the output side, it is possible to faithfully amplify the signal even if a noise voltage exists between the input side ground and the output side ground.
【図１】本発明の一実施形態例による絶縁増幅器の回路
図である。FIG. 1 is a circuit diagram of an insulation amplifier according to an embodiment of the present invention.
【図２】浮遊容量による雑音の注入経路の説明図であ
る。FIG. 2 is an explanatory diagram of a noise injection path due to stray capacitance.
【図３】本発明の他の実施形態による絶縁増幅器の回路
図である。FIG. 3 is a circuit diagram of an insulation amplifier according to another embodiment of the present invention.
【図４】従来の絶縁増幅器の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram of a conventional insulating amplifier.
【符号の説明】 Ｑ１〜Ｑ７、Ｑ１０１、Ｑ１０２、Ｑ２０１、Ｑ２０２
オペアンプ ＰＣ１、ＰＣ２ フォトカプラ[Description of Signs] Q1 to Q7, Q101, Q102, Q201, Q202
Operational amplifier PC1, PC2 Photocoupler
Claims (4)
ラを用いて、入力側と出力側とを電気的に分離する絶縁
増幅器において、 前記フォトカプラの前記受光手段の出力を入力とする電
流入力型の差動増幅手段を有することを特徴とする絶縁
増幅器。1. An insulation amplifier for electrically separating an input side and an output side using a photocoupler comprising a light emitting means and a light receiving means, wherein a current input to which an output of the light receiving means of the photocoupler is input. An insulated amplifier having differential amplifying means of the type.
流利得が調整可能である請求項１に記載の絶縁増幅器。2. The isolation amplifier according to claim 1, wherein a current gain of a current amplifier portion of said differential amplifier means is adjustable.
光手段の一方の端子に接続された第１の電流入力アンプ
と、前記受光手段の他方の端子に接続された第２の電流
入力アンプとを備え、前記受光手段と前記第１の電流ア
ンプとの接続点に前記第２の電流アンプの出力を注入す
ることにより、浮遊容量を介して前記受光手段に誘起し
た雑音成分を打ち消す請求項１に記載の絶縁増幅器。3. The current input type differential amplifying means includes a first current input amplifier connected to one terminal of the light receiving means, and a second current input amplifier connected to the other terminal of the light receiving means. An input amplifier for injecting an output of the second current amplifier into a connection point between the light receiving unit and the first current amplifier, thereby canceling a noise component induced in the light receiving unit via a stray capacitance. The isolation amplifier according to claim 1.
と、前記発光手段により生じた光の強度に応答して電流
信号を出力する第１、第２の受光手段と、 前記第１の受光手段に流入または流出する信号の差信号
を増幅する第１の電流入力型差動増幅手段と、 前記第１の差動増幅手段の出力と入力信号との誤差を打
消す誤差打消し手段と、前記誤差打消し手段によって駆
動される前記発光手段と、 前記第２の受光手段に流入または流出する信号の差信号
を出力する第２の電流入力型差動増幅手段と、を備えて
成ることを特徴とする絶縁増幅器。4. A light emitting means whose light intensity changes in response to a signal, first and second light receiving means for outputting a current signal in response to the light intensity generated by said light emitting means, First current input type differential amplifying means for amplifying a difference signal between signals flowing into or out of the light receiving means, and error canceling means for canceling an error between an output of the first differential amplifying means and an input signal. And a light-emitting means driven by the error canceling means; and a second current input type differential amplifying means for outputting a difference signal between signals flowing into and out of the second light receiving means. An insulated amplifier characterized in that:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09459397A JP3818608B2 (en) | 1997-03-28 | 1997-03-28 | Isolation amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09459397A JP3818608B2 (en) | 1997-03-28 | 1997-03-28 | Isolation amplifier |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10276046A true JPH10276046A (en) | 1998-10-13 |
| JP3818608B2 JP3818608B2 (en) | 2006-09-06 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09459397A Expired - Lifetime JP3818608B2 (en) | 1997-03-28 | 1997-03-28 | Isolation amplifier |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3818608B2 (en) |
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|---|---|---|---|---|
| CN109683650B (en) * | 2019-01-31 | 2020-10-16 | 大禹电气科技股份有限公司 | Circuit for converting voltage into 4-20mA current |
-
1997
- 1997-03-28 JP JP09459397A patent/JP3818608B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3818608B2 (en) | 2006-09-06 |
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