JPS5922636Y2 - 電圧−電流変換回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は電圧入力信号を電流出力信号に変換する電圧
−電流変換回路、特に演算増幅器とその出力で制御され
る出力トランジスタとを有し、電圧信号の入力端子およ
び電流信号の出力端子の一方を電源コモンラインと共通
にした所謂共通電源方式の電圧−電流変換回路に関し、
入力としての電圧信号がプラス・マイナスの両域にわた
って変化する場合においてもそれに対応した電流信号に
変換でき、且つ電源を共通にする他の演算器に変換され
た電流信号を供給する場合においても有効に作動する電
圧−電流変換回路を提供しようとするものである。

一般に電圧信号を電流信号に変換する回路としては第１
図または第２図に示すものが用いられている。

第１図においてＡは演算増幅器、Ｑは出力トランジスタ
、ＲｆはコモンラインＣに接続された出力電流検出用抵
抗で、且つ前記増幅器Ａのフィードバック系を構成して
いる。

ＩＮは電圧信号の入力端子、ＯＵＴは電流出力端子であ
る。

なお、Ｒａは抵抗、十Ｂ、 −Ｂは電源である。

上記構成の回路において入力端子ＩＮに電圧入力Ｅｉが
供給されると出力端子ＯＵＴよりの電流出力■０との間
に次式が成立し、電圧入力Ｅｉに比例した電流出力Ｉｏ
が得られる。

また、上記回路においては電流出力端子の（＋）側は抵
抗Ｒａを通してマイナス電源−Ｂに接続され出力トラン
ジスタＱのコレクタはプラスにバイアスするようにプラ
ス電源十Ｂに接続して構成されているので電圧入力信号
Ｅｉがプラス・マイナスいずれの方向に変化しても有効
に動作し、電圧入力に比例した電流出力Ｉｏを得ること
ができる。

しかしながら、上記構成において変換された電流出力が
第１図構成の変換回路と電源を共通とする他の演算器の
入力に加えられると、出力電流棟出抵抗Ｒｆがコモンラ
インＣに接続されているので等価的に抵抗Ｒｆを短絡す
ることになる。

そのため（１）式が成立しなくなり、電圧入力を忠実に
電流出力に変換で゛きないことになる。

第２図は上記第１図の欠点を改善したもので、Ａは演算
増幅器、Ｑｌは演算増幅器Ａの出力で制御されるトラン
ジスタ、Ｑ２はトランジスタＱ１で制御される電流出力
制御用の出力トランジスタで、トランジスタＱ１．Ｑ２
のコレクタは互に接続され、出力電流検出用抵抗Ｒｆを
介してバイアス電源十Ｂに接続され、前記抵抗Ｒｆの両
端は抵抗Ｒ３，Ｒ４を介して増幅器Ａの入力端子に接続
されており、出力電流検出用抵抗Ｒｆの電圧信号が演算
増幅器Ａの入力側にフィードバックされるように構成さ
れている。

なおＲ１，Ｒ２は演算増幅器Ａの非反転端子に接続され
た抵抗ならびに前記増幅器Ａの反転端子とコモンライン
Ｃ間に接続された抵抗で、前記抵抗Ｒ３，Ｒ４と共に人
出力量の比例定数を決めるものである。

上記構成において、電圧入力をＥｉ、電流出力をＩｏ、
トランジスタＱ１．Ｑ２のコレクタ電位をｅｐ、トラン
ジスタＱ１のベース電流をｉｂとすると、電流出力■０
と電圧入力Ｅｉとの間に次式が成立する。

ここで、Ｒ１・Ｒ３ すれば、（２）式は Ｒ２・Ｒ４、 （Ｒ１＋ Ｒ４） ンＲｆと となる。

トランジスタＱ１．Ｑ２の電流増幅率をそれぞれβ１．
β２とすると、１ｂ＝Ｉｏ／β１・β２となり、ｉｂン
Ｉｏと考えてよいので、上記（３）式は となる。

（４）式においてＦ”ｈは定数と見做せるので結局第１
図と同様に第２図の回路においても電圧入力Ｅｉをそれ
に比例した電流出力Ｉｏに変換できることになる。

第２図においては電流検出抵抗ＲｆがトランジスタＱ２
のバイアス電源＋Ｂ側に設けられているので、該回路と
電源を共通にする他の演算器に変換された電流出力を供
給する場合においても上記（４）式は成立し、電圧入力
をそれに比例した電流出力に変換し供給することが可能
となる。

しかしながら第２図の回路構成で明らかなように電圧入
力Ｅｉがマイナス信号となると、演算増幅器Ａの出力が
マイナスとなり、トランジスタＱｌ。

Ｑ２はいずれも非導通となり、出力はマイナス信号を出
せなくなる。

したがって、電圧入力がゼロであってもマイナスで゛あ
っても出力はＯとなり、フ。

ラス・マイナスの周域において入力と出力は比例関係を
保つことができないことになる。

共通電源方式、すなわち電圧入力と電流出力のマイナス
側端子が電源のコモンラインと共通である演算回路にお
いて、電圧入力をそれに比例した電流出力に変換で゛き
、出力か゛プラス・マイナスの周域で使用可能なことは
非常に有用である。

この考案は上記に鑑み、電ヨテ号を人力する演算増幅器
の出力に接続された Ｎ型トランジスタとこれに続＜：
ＰＮＰ型トランジスタとから成る相補結合トランジスタ
と、このＰＮＰ型トランジスタのコレクタ側に接続され
た電流検出抵抗とを備え、この抵抗の他端を出力端子の
非コモンライン側（プラス側）に接続すると同時に、こ
め抵抗の両端の電圧を上記演算増幅器の入力側に上記入
力電圧信号に差動的に動作するように負帰還させる帰還
抵抗を設けると共にコモンラインがら負荷を経由して上
記ＰＮＰ型トランジスタとは逆向きの電流を上記電流検
出抵抗に供給する逆バイアス電流回路を設けて両極性の
電圧信号に比例した電流を出力端子間に流すようにした
電圧−電流変換回路である。

以下この考案を第３図の実施例にそって説明する。

Ａは演算増幅器、Ｑ３は前記増幅器Ａの出力で制御され
るＮＰＮ型トランジスタで、コレクタは抵抗Ｒｂを介し
てプラス電源十Ｂ１に接続され、エミッタはダイオード
、抵抗Ｒｃを介して電源コモンラインＣに接続されてい
る。

トランジスタＱ４は、そのベースか斗うンジスタＱ３の
コレクタに接続され、これはトランジスタＱ３で制御さ
れる電流出力制御用のＰＮＰ型トランジスタで、エミッ
タは電源十Ｂ１に接続されている。

電流検出抵抗ＲｆはトランジスタＱ４のコレクタと電流
出力端子の一方（電源コモンライン側でない側の端子）
に接続され、この抵抗Ｒｆの両端は抵抗Ｒ３，Ｒ４を介
して前記の増幅器Ａの入力端子に接続され、出力電流検
出抵抗Ｒｆの両端の電圧が増幅器Ａの入力側にフィード
バックされるように構成されている。

−Ｂ２は出力トランジスタＱ４の出力端と出力電流検出
抵抗Ｒｆとの接続点ＸとコモンラインＣ間に抵抗Ｒａを
介して接続されたマイナス電源で、このマイナス電源−
Ｂ２及び抵抗Ｒａは逆バイアス電流回路を構威し、上記
接続点ＸをコモンラインＣに対し負の向きにバイアスし
ている。

なお、図中Ｒ１，Ｒ２はそれぞれ演算増幅器Ａの非反転
端子に接続された抵抗ならびに反転端子とコモンライン
Ｃ間に接続された抵抗で、前記演算増幅器Ａのフィード
バック系に介在する抵抗Ｒ３゜Ｒ４と共に入出力間の比
例定数を決めるものである。

上記構成において入力端子ＩＮに電圧入力信号Ｅｉを供
給した場合に、出力端子ＯＵＴに現われる電流出力信号
Ｉｏについて以下に述べる。

抵抗Ｒ１，Ｒ２を流れる電流を１１，１２とすると演算
増幅器Ａにより、抵抗Ｒ３，Ｒ４に流れる電流は各々１
２．１１となるよう制御されている。

抵抗Ｒ１とＲ４の接続点をＰｌ、点Ｐ１の電位をＥｌ、
抵抗Ｒ２とＲ３の接続点をＰ２とし、点Ｐ２の電位をＢ
２、抵抗Ｒ４とＲｆの接続点をＰ３とし、点Ｐ３の電位
をＢ３、接続点Ｘの電位をＥＸとする。

また、コモンラインＣの電位を零とする（コモンライン
Ｃの電位が零でない場合はコモンラインの電位を基準と
した電圧を考えれば良いので、零としても同じことであ
る）。

抵抗Ｒｆを流れる電流をｉｆとする。

また出力端子間の負荷をＲＬ（図示せず）とすると、Ｒ
Ｌを流れる電流はＩｏである。

演算増幅器ＡによりＥｌとＢ２が等しくなるよう制御さ
れており、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を流れる電流を
考えると、次の一式が成立する。

また抵抗Ｒｆを流れる電流ｉｆについて次式が成立する
。

ｉｆ −Ｒｆ＝ＥＸ−Ｂ３・・・・・・（７）負荷ＲＬ
を流れる出力電流Ｉｏについて、次の２式が成立する。

ｌｏ−ＲＬ−Ｂ３・・・・・・（８） Ｉｏ＝ｉ１−１−ｉｆ・・・・・・（９）上記（５）弐
〜（９）式を解いてＥｉとＩｏの関係を求める。

（５）式より、 （６）式より、 （８）式を （１２） 式に代入してＢ３を消去すると、 （８）式を（７）式に代入してＢ３を消去すると、１ｆ
−Ｒｆ＝Ｅ＊−ＲＬＩｏ・・・・−・（１４）（５）式
と （１０）式より （９）式の両辺にＲｆを掛け、 すると、 （１５）式、 （１４）式を代入 （１６）式の両辺に、１コゴ秦フを掛け、入すると、 （１３）式を代 上式を変形すると、 上式をさらに変形して次式を得る。

となり、 （１７） 式を変形して次の （１８）式を得る。

（１８） 式で、 １Ｒ３ Ｒ２Ｒ４とすれば、 となる。

ここで、（Ｒ１＋Ｒ４＞ＲＬ、（Ｒ４／Ｒ２）ンＲｆに
なるよう定数を選べば、 （Ｒ２＋Ｒ３） Ｅｉ Ｒ４Ｒ２＋Ｒ３ Ｉｏ＝−・−・ Ｒｆ Ｒ２Ｒ１＋Ｒ４ となり、仮りに、 １−Ｒ２ ３−Ｒ４ Ｒとすれば、 の関係が成立し、電圧入力信号Ｅｉをそれに比例した電
流出力信号Ｉｏに変換できることになる。

また接続点Ｘはマイナス電源−Ｂ２に接続されているの
で、電圧入力信号のプラス・マイナスいずれの場合にも
有効に動作し、電圧入力に比例した電流出力信号に変換
できる。

その理由を説明する。

第３図で、プラス電源十Ｂ１からトランジスタＱ４を通
り点Ｘへ流れる電流をｉｃ、点Ｘから抵抗Ｒａを通りマ
イナス電源−Ｂ２へ流れる電流をｉａ、トランジスタＱ
３からダイオードＤ、抵抗ＲＣを流れる電流をｉｄ、演
算増幅器Ａの出力端を点Ｐ４、トランジスタＱ３のエミ
ッタ側をＰ５、コレクタ側をＰ６、点Ｐ４．Ｐ５．Ｐ６
の電圧を各々Ｅ４．Ｅ５．Ｅ６とする。

電流ｉｃはトランジスタＱ４の特性から負にはならない
から、トランジスタＱ４が正常な動作範囲にあるならば
ｉｃ≧０である。

一方、他の素子（Ｑ３及びＡ）が正常な動作範囲にある
ように設計することは困難ではない。

例えばＢ１を２０Ｖ、ｉｄを１ミリアンペア程度と定め
、演算増幅器Ａの出力Ｅ４を５■を中心に変化させる場
合を考えると、トランジスタＱ３が動作する条件は Ｂ４〉Ｅ５＋Ｅｂｅ （ここでＥｂｅはペースエミッタ間電圧（約０．６ Ｖ
）である。

）であるからＲｂ、 Ｒｃを各々０．６にΩ、３．８に
Ω程度に定めればよい。

このように第３図の各抵抗の値を定めると、ｉｃ≧０と
なる領域において回路は正常に動作する。

次に点Ｘを流れる電流を考えると、１ｃ＝ｉａ＋１ｆ−
ｉ２で゛あるが、Ｒ３がＲｆ、 Ｒａに比較して一般に
大きな値をとるので、１２を無視すると１ｃ＝ｉａ＋ｉ
ｆの関係がある。

ｉｆは（５）式〜（９）式を解いて求まるので、抵抗Ｒ
ａ及びマイナス電源−坑には関係なく定まるが、ｉａは
Ｒａ、−Ｂ２に依存する。

すなわち、１ａ＝（Ｅｘ ＋ Ｂ２ ）／Ｒａである。
ここでＥｘもＲａ、−Ｂ２に関係なく定まっているので
、ｉａはＢ２を大きくするか、又はＲａを小さくすれば
増加する。

すなわち、ｉｃはＢ２を大きくするか又はＲａを小さく
すれば増加する。

次に入力電圧Ｅｉとｉｃの関係を調べる。

簡単のため（２１）式が威り立つ場合を考える。

（１４）式と （２１）式より （１３）式と （２１） 式より 上記の２式から 従って となりｉｃ≧０となるためには次式が成立する必要があ
る。

Ｂ Ｒｆ これは入力Ｅｉが負のイ直（Ｒｆ＋Ｒａ＋Ｒｆｆ ）”
延びたことを示す。

Ｅｉが正の場合（プラス電源Ｂ１の大きさにより制限は
あるが）回路が正常に作動することは当然である。

なお、Ｅｉの動作領域を負の方向に延ばすには、マイナ
ス電源−Ｂ２を大きくするか、又は抵抗Ｒａを小さくし
て電流ｉａを大きくすればよい。

さらに出力電流検出用抵抗Ｒｆは出力トランジスタＱ４
の出力端、すなわち電流出力端のプラス側に接続されて
おり、第１図のように電源コモンラインＣに接続されて
いないことから、変換された電流出力信号を電源を共通
にする他の演算回路に接続する場合においても電圧入力
信号を電流出力信号に有効に変換供給できるものである
。

以上のようにこの考案は演算増幅器の出力で制御される
出力トランジスタの出力端に出力電流検出用抵抗を接続
し、この抵抗の両端電圧信号を前記演算増幅器の入力側
にフィードバックすると共に、前記出力トランジスタの
出力端と出力電流検出用抵抗の接続点を入出力共通のコ
モンラインに対し負にバイアスするようにしたので、電
圧入力信号のプラス・マイナスいずれの場合でも有効に
動作し、電圧入力信号に比例した電流出力信号に変換で
きる電圧−電流変換回路が得られ、実用的効果の大なる
ものである。

。−

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来の電圧−電流変換回路の構成図
、第３図は本考案の一実施例を示す構成図である。 Ａ・・・・・・演算増幅器、Ｑｌ、Ｑ２．Ｑ３・・・・
・・ＮＰＮ型トランジスタ、Ｒｆ・・・・・・電流検出
抵抗、Ｑ４・・・・・・ＰＮＰ型トランジスタ、十Ｂ、
・・・・・・プラス電源、−Ｂ２・・・・・・マイナス
電源、Ｒ３，Ｒ４・・・・・・帰還抵抗、Ｄ・・・・・
・ダイオード、Ｒ１，Ｒ２，Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ・・・・
・・抵抗、ＩＮ、、、、、。 入力端子、ＯＵＴ・・・・・・出力端子、Ｃ・・・・・
・（電源）コモンライン。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 電圧信号の入力端子と電流信号の出力端子の一方を電源
   コモンラインと共通にした電圧−電流変換回路において
   、前記入力端子の両方にそれぞれ２人力が接続された演
   算増幅器と、前記演算増幅器の出力に接続されたＮＰＮ
   型トランジスタと、これに続＜：ＰＮＰ型トランジスタ
   とからなる相補結合トランジスタと、前記ＰＮＰ型トラ
   ンジスタのコレクタ側と前記出力端子の非コモンライン
   側との間に接続された電流検出抵抗と、電流検出抵抗の
   両端と前記演算増幅器の入力側に前記電圧信号に差動的
   に動作して負帰還となるように接続された帰還抵抗と、
   前記電流検出抵抗と前記ＰＮＰ型トランジスタの接続点
   と前記コモンラインとの間に設けられて前記接続点をコ
   モンラインに対して負の方向にバイアスする逆バイアス
   電流回路とを有し、両極性の電圧信号に比例する電流出
   力を前記出力端子から得るようにしたことを特徴とする
   電圧−電流変換回路。