(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流／電圧変換の為のＩ／Ｖ変換抵抗を必要レンジ数分設け、最小レンジ以外のＩ／Ｖ変換抵抗にスイッチング素子を直列に設け、これらを並列に接続したものにおいて、当該レンジより１段小さいレンジのＩ／Ｖ変換抵抗にそのレンジにおける設定値以上の電流が流れたら当該レンジのスイッチング素子をオンにして、当該レンジのＩ／Ｖ変換抵抗に電流が流れるようにすることで、入力電流の大きさに応じてＩ／Ｖ変換抵抗に流れる電流をオン−オフさせ、各Ｉ／Ｖ変換抵抗の両端の電圧を演算回路で演算して電流値を検出することを特徴とする電流／電圧変換回路。
【請求項２】
電流／電圧変換の為のＩ／Ｖ変換抵抗を必要レンジ数分設け、最大レンジ以外のＩ／Ｖ変換抵抗にスイッチング素子を並列に設け、これらを直列に接続したものにおいて、各レンジのＩ／Ｖ変換抵抗にそのレンジにおける設定値以上の電流が流れたら並列に接続したスイッチング素子をオンにして、当該レンジのＩ／Ｖ変換抵抗の電流をバイパスすることで、入力電流の大きさに応じてＩ／Ｖ変換抵抗に流れる電流を増減させ、差動増幅器で各Ｉ／Ｖ変換抵抗の両端の電圧を検出した後、演算回路で演算して電流値を検出することを特徴とする電流／電圧変換回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２の電流／電圧変換回路と演算増幅器を組み合わせた、入力インピーダンスが小さく、ダイナミックレンジが広いことを特徴とする電流／電圧変換回路。
【請求項４】
請求項３の電流／電圧変換回路にＩ／Ｖ変換抵抗と差動増幅器とスイッチング素子を追加して、大電流を駆動する電流増幅回路を使用せずに、ダイナミックレンジを広げることを特徴とする電流／電圧変換回路。
【請求項５】
請求項１の電流／電圧変換回路と演算増幅器と差動増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つＩ／Ｖ変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器。
【請求項６】
請求項２の電流／電圧変換回路と演算増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つＩ／Ｖ変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流でも精度良く電圧に変換できる電流／電圧変換回路と、高い分解能で電流値設定ができる電流発生器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電流の大きさ、または電流に関連した電気量や電力量等のような物理量を測定する場合、電流を電圧に変換するためにＩ／Ｖ変換抵抗を用いる。従来は対象とする電流の大きさに応じて抵抗値の異なる数種類の電流／電圧変換抵抗を、スイッチまたはリレーまたは半導体等のスイッチング素子で切り替えて測定していた。これは一般的にはレンジ切り替えと言われる。
【０００３】
図２は一般的に知られている、演算増幅器２１を用いた電流／電圧変換回路である。Ｉ／Ｖ変換抵抗２２の抵抗値をＲとすると、入力電流Ｉに対して出力電圧Ｖは
Ｖ＝−Ｉ・Ｒ
になる。従って、入力電流Ｉは
Ｉ＝−Ｖ／Ｒ
で求められる。この時、演算増幅器２１がリニアに増幅作用をしている間は＋、−の入力端子間電圧ｅはほぼ０Ｖになる。
【０００４】
図３は図２の電流／電圧変換回路を、測定する電流の大きさに応じてレンジ切り替えを行なえるように、異なる値の３２、３３、３４のＩ／Ｖ変換抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３をそれぞれ３５、３６、３７のスイッチ、またはリレー接点、または半導体等によるスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３で切り替えるものである。
【０００５】
図７は演算増幅器を用いずに、図３と同様に、測定する電流の大きさに応じてレンジ切り替えを行なえるようにした電流／電圧変換回路である。
【０００６】
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の何れか１つをオンにして、この時のＩ／Ｖ変換抵抗の抵抗値をＲとすると、入力電流Ｉに対して出力電圧Ｖは
Ｖ＝Ｉ・Ｒ
になる。従って、入力電流Ｉは
Ｉ＝Ｖ／Ｒ
で求められる。
【０００７】
ところが、以上のスイッチ、またはリレー接点、または半導体等によるスイッチング素子によるレンジ切り替えは、比較的動作スピードが遅く、且つ電流回路を一瞬でもオープンにしないために、Ｉ／Ｖ変換抵抗切り替え時には、切り替え前のＩ／Ｖ変換抵抗と切り替え後のＩ／Ｖ変換抵抗とをオーバーラップさせる必要があり、その制御が煩雑になり、かつ、その間の測定値には誤差が入るという欠点があった。
【０００８】
以上の理由から、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流についてはレンジ切り替えは困難であり、電流の最大値に対応するレンジで測定していた。従って、電流値が小さい場合のＳ／Ｎ比、分解能が悪く、測定精度を落としていた。
【０００９】
図８は一般的に用いられている電流発生器の一例である。
電流設定値Ｓ１と、実際に負荷６１に流れる電流ＩをＩ／Ｖ変換抵抗３２または３３で検出した電流に対応する電圧とを演算増幅器で比較して一致するように制御するものである。
【００１０】
この時、設定可能な電流値はＩ／Ｖ変換抵抗３２、３３と入力抵抗６４で決まるが、ＳＷ１とＳＷ２を高速に切り替えることができないので、電流値設定範囲を広くすることが出来ず、分解能も高くできなかった。
【００１１】
さらに、Ｉ／Ｖ変換抵抗３２と３３を切り替える際には回路をオープンにさせない為に必ず両方をオンにする期間が必要であり、この期間のフィードバック量が所定の値でなくなることや、Ｉ／Ｖ変換抵抗のスイッチングに対する系の応答遅れ等の為に、不要な出力電流の変動が発生した。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能高く電流／電圧変換できるようにしようとするものである。
【００１３】
また、広い範囲で分解能高く電流値の設定が可能で、且つＩ／Ｖ変換抵抗切り替えに伴う不要な出力電流の変動を発生しない電流発生器を得ようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に関わる電流入力に対して、電流／電圧変換の為のＩ／Ｖ変換抵抗を必要レンジ数分設け、最小レンジ以外のＩ／Ｖ変換抵抗にスイッチング素子を直列に設け、これらを並列に接続したものにおいて、最小レンジ以外の当該レンジより１段小さいレンジのＩ／Ｖ変換抵抗にそのレンジにおける設定値以上の電流が流れたら当該レンジのスイッチング素子をオンにして、当該レンジのＩ／Ｖ変換抵抗に電流が流れるようにすることで、入力電流の大きさに応じてＩ／Ｖ変換抵抗に流れる電流をオン−オフさせ、各Ｉ／Ｖ変換抵抗の両端の電圧を演算回路で演算して電流値を検出することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項２に関わる電流入力に対して、電流／電圧変換の為のＩ／Ｖ変換抵抗を必要レンジ数分設け、最大レンジ以外のＩ／Ｖ変換抵抗にスイッチング素子を並列に設け、これらを直列に接続したものにおいて、最大レンジ以外の各レンジのＩ／Ｖ変換抵抗にそのレンジにおける設定値以上の電流が流れたら並列に接続したスイッチング素子をオンにして、当該レンジのＩ／Ｖ変換抵抗の電流をバイパスすることで、入力電流の大きさに応じてＩ／Ｖ変換抵抗に流れる電流を増減させ、差動増幅器で各Ｉ／Ｖ変換抵抗の両端の電圧を検出した後、演算回路で演算して電流値を検出することを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項１または請求項２の電流／電圧変換回路と演算増幅器を組み合わせて入力インピーダンスが小さく、ダイナミックレンジが広いことを特徴とする電流／電圧変換回路を得る。
【００１７】
請求項３の電流／電圧変換回路にＩ／Ｖ変換抵抗と差動増幅器とスイッチング素子を追加して、大電流を駆動する電流増幅回路を使用せずに、電流／電圧変換可能な電流範囲を広げる。
【００１８】
請求項１または請求項２の電流／電圧変換回路と演算増幅器と差動増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つＩ／Ｖ変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器を得る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
請求項１においては、電流の大きさに応じて、最小レンジから該当するレンジに対応するＩ／Ｖ変換抵抗に電流が流れ、それ以上のレンジに対応するＩ／Ｖ変換抵抗には電流が流れないので、レンジ切り替えと同等の電流／電圧変換機能を、切り替え誤差無く、高速かつ自動で行なうことができる。
【００２０】
請求項２においては、電流の大きさに応じて、該当するレンジより小さいレンジのＩ／Ｖ変換抵抗の電流をバイパスし、それ以上のレンジに対応するＩ／Ｖ変換抵抗には電流を流すので、レンジ切り替えと同等の電流／電圧変換機能を、切り替え誤差無く、高速かつ自動で行なうことができる。
【００２１】
請求項３においては、請求項１または請求項２の電流／電圧変換回路と演算増幅器とを組み合わせて、入力インピーダンスが小さく、レンジ切り替えと同等の電流／電圧変換機能を、切り替え誤差無く、高速かつ自動で行なうことができる。
【００２２】
請求項４においては、電流の大きさに応じて、最小レンジから該当するレンジに対応する演算増幅器と組み合わせたＩ／Ｖ変換抵抗に電流が流れ、演算増幅器で扱う以上の電流は演算増幅器を使用しないＩ／Ｖ変換抵抗でＩ／Ｖ変換するので、大きな電流を駆動する電流増幅回路を用いずに、レンジ切り替えと同等の電流／電圧変換機能を、切り替え誤差無く、高速かつ自動で行なうことができる。
【００２３】
請求項５においては、請求項１の電流／電圧変換回路と演算増幅器と差動増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つＩ／Ｖ変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器を得ることができる。
【００２４】
請求項６においては、請求項２の電流／電圧変換回路と演算増幅器を組み合わせて、分解能が高く、且つＩ／Ｖ変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つことを特徴とする電流発生器を得ることができる。
【００２５】
【実施例】
図５は、本発明の請求項１を用いた、電流／電圧変換回路の実施例である。
３、４、５は抵抗値がそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３のＩ／Ｖ変換抵抗であり、抵抗値の大きさはＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３であり、Ｒ１が最小レンジ、Ｒ２が中レンジ、Ｒ３が最大レンジに対応する。
【００２６】
６、７はそれぞれ両端が所定の電圧ＶＡ、ＶＢ以上になると導通するスイッチング素子あり、ダイオード、またはツェナーダイオードやバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したもので実現できる。あるいは、トランジスタやＦＥＴ等とし、そのオン−オフを演算回路で制御しても良い。図５では例としてダイオードを用いた場合で示している。
なお、ＶＢの絶対値はＶＡの絶対値より大きく設定しているものとする。
【００２７】
２は各Ｉ／Ｖ変換抵抗で電流／電圧変換した電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３から演算で入力電流値を求めるための演算回路である。
【００２８】
以下に図５の動作について説明する。
Ｉは入力電流、Ｉ１はＲ１に流れる電流、Ｉ２はＲ２に流れる電流、Ｉ３はＲ３に流れる電流である。Ｖ１はＲ１のグランドに対する端子電圧である。Ｖ２はＲ２のグランドに対する端子電圧、Ｖ３はＲ３のグランドに対する端子電圧である。
【００２９】
以上の記号を用いると、各部の電流、電圧は以下の関係になる。
Ｉ１＝Ｖ１／Ｒ１        ・・・（１）
【００３０】
この時、Ｖ１の絶対値がＶＡ、ＶＢの絶対値より小さい場合は６、７はオフになるので
Ｉ２＝Ｉ３＝０          ・・・（２）
【００３１】
Ｖ１の絶対値がＶＡの絶対値より大きく、ＶＢの絶対値より小さい場合は６はオン、７はオフになるので
Ｉ２＝Ｖ２／Ｒ２        ・・・（３）
Ｉ３＝０                ・・・（４）
【００３２】
Ｖ１の絶対値がＶＡ、ＶＢの絶対値より大きい場合は６、７はオンになるので
Ｉ２＝Ｖ２／Ｒ２        ・・・（５）
Ｉ３＝Ｖ３／Ｒ３        ・・・（６）
【００３３】
また電流経路から、Ｉは
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３    ・・・（７）
である。
【００３４】
（１）〜（７）式からＩを求めると
Ｉ＝Ｖ１／Ｒ１＋Ｖ２／Ｒ２＋Ｖ３／Ｒ３  ・・・（８）
で表わされる。
【００３５】
（８）式により入力電流値Ｉは、各Ｉ／Ｖ変換抵抗のグランドに対する端子電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を各抵抗値で除算した後、加算すれば求められることが判る。
【００３６】
従って、２の演算回路で（８）式の演算を行なえば電流Ｉの大きさを求めることができる。同演算回路は一般的に知られている演算増幅器による反転加算回路等で容易に作ることができる。
【００３７】
別法として、演算回路内にＡ／Ｄ変換器、または電圧／周波数変換器とカウンタ等を組み込み、各Ｉ／Ｖ変換抵抗毎の電圧出力をディジタル値に変換してから（８）式をソフトウェアで演算して電流Ｉを求めることもできる。
【００３８】
また、Ｖ１、Ｖ２の大きさ、即ちＩ１、Ｉ２の大きさに応じてＲ２、Ｒ３に流れるそれぞれの電流Ｉ２、Ｉ３がオン−オフする上記の動作は、入力電流Ｉに応じて自動的にレンジ切り替えを行なっている事に相当する。
【００３９】
本方法はレンジ切り替えの為の複雑な制御回路が不要なので、高速動作が可能であり、且つレンジ切り替えに伴う誤差も少ない。これにより、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能高く電流／電圧変換できるようになる。
【００４０】
また、図５の実施例では３レンジであるが、Ｉ／Ｖ変換抵抗とスイッチング素子を増やせば、より多段のレンジをもつ電流／電圧変換回路を構成できる。
【００４１】
図９は、本発明の請求項２を用いた、電流／電圧変換回路の実施例である。
３、４、５は抵抗値がそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３のＩ／Ｖ変換抵抗であり、抵抗値の大きさはＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３であり、Ｒ１が最小レンジ、Ｒ２が中レンジ、Ｒ３が最大レンジに対応する。
【００４２】
６、７はそれぞれ両端が所定の電圧ＶＡ、ＶＢ以上になると導通するスイッチング素子あり、ダイオード、またはツェナーダイオードやバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したもので実現できる。あるいは、トランジスタやＦＥＴ等とし、そのオン−オフを演算回路で制御しても良い。図９では例としてダイオードを用いた場合で示している。
【００４３】
なお、ＶＡ、ＶＢの絶対値はＲ１、Ｒ２にそれぞれ測定すべきレンジに対応する電流が流れる間はオンならない電圧値とする。
【００４４】
４２、４３、４４は各Ｉ／Ｖ変換抵抗両端の電圧を求める為の差動増幅器である。なお、ここでは説明を判り易くするためにそれぞれゲインを１とする。
【００４５】
２はＩ／Ｖ変換抵抗と差動増幅器で各々電流／電圧変換した電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３から演算で入力電流値を求めるための演算回路である。
【００４６】
以下に図９の動作について説明する。
Ｉは入力電流、Ｉ１はＲ１に流れる電流、Ｉ２はＲ２に流れる電流である。Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３はそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３の両端子間電圧を各差動増幅器で検出したものである。
以上の記号を用いると、各部の電流、電圧は以下の様になる。
【００４７】
入力電流ＩがＲ１が受け持つ範囲の大きさの場合は、６はオフになるように設定しているので
Ｉ  ＝  Ｉ１          ・・・（１１）
になる。またＶ１は
Ｖ１  ＝  Ｉ１×Ｒ１  ・・・（１２）
である。
（１１）と（１２）から入力電流Ｉは
Ｉ  ＝  Ｖ１／Ｒ１    ・・・（１３）
で求められる。
【００４８】
入力電流ＩがＲ１が受け持つ範囲の大きさを越えると、６がオンになり、入力電流Ｉの一部はＲ１を通らずに６でバイパスされるので（１３）式では入力電流Ｉは求められなくなる。
【００４９】
ここで、入力電流ＩがＲ２が受け持つ範囲の大きさの場合は、７はオフになるように設定しているので
Ｉ  ＝  Ｉ２          ・・・（１４）
になる。またＶ２は
Ｖ２  ＝  Ｉ２×Ｒ２  ・・・（１５）
である。
（１４）と（１５）から入力電流Ｉは
Ｉ  ＝  Ｖ２／Ｒ２    ・・・（１６）
で求められる。
【００５０】
入力電流ＩがＲ２が受け持つ範囲の大きさを越えると、７がオンになり、入力電流Ｉの一部はＲ２を通らずに７でバイパスされるので（１６）式では入力電流Ｉは求められなくなる。
【００５１】
この時、Ｖ３は
Ｖ３  ＝  Ｉ×Ｒ３  ・・・（１７）
である。
従って（１７）から入力電流Ｉは
Ｉ  ＝  Ｖ３／Ｒ３    ・・・（１８）
で求められる。
【００５２】
以上から、入力電流値Ｉは（１３）（１６）（１８）式で求めた電流値の中で、各レンジが受け持つ電流値の範囲内にある値の中で最小のレンジの値を選べば入力電流Ｉの大きさを求めることができることになり、それを２の演算回路で行なうようにする。その演算回路は一般的に知られているコンパレータや信号選択回路等で容易に作ることができる。
【００５３】
別法として、演算回路内にＡ／Ｄ変換器、または電圧／周波数変換器とカウンタ等を組み込み、各Ｉ／Ｖ変換抵抗毎の電圧出力をディジタル値に変換してからソフトウェアで演算、選択して電流Ｉを求めることもできる。
【００５４】
また、Ｖ１、Ｖ２の大きさ、即ちＩ１、Ｉ２の大きさに応じて６、７で電流をバイパスさせる上記の動作は、入力電流Ｉに応じて自動的にレンジ切り替えを行なっている事に相当する。
【００５５】
本方法はレンジ切り替えの為の複雑な制御回路が不要なので、高速動作が可能であり、且つレンジ切り替えに伴う誤差も少ない。これにより、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能高く電流／電圧変換できるようになる。
【００５６】
また、図９の実施例では３レンジであるが、Ｉ／Ｖ変換抵抗とスイッチング素子を増やせば、より多段のレンジをもつ電流／電圧変換回路を構成できる。
【００５７】
図１は、本発明の請求項３に関する請求項１を用いた、電流／電圧変換回路の実施例であり、１は演算増幅器である。
【００５８】
３、４、５は抵抗値がそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３のＩ／Ｖ変換抵抗であり、抵抗値の大きさはＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３であり、Ｒ１が最小レンジ、Ｒ２が中レンジ、Ｒ３が最大レンジに対応する。
【００５９】
６、７は両端が所定の電圧ＶＺ以上になると導通するスイッチング素子である。一般的には、ダイオード、またはツェナーダイオード、またはバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したもので実現できる。あるいは、トランジスタやＦＥＴ等とし、そのオン−オフを演算回路で制御しても良く、８、９はその場合のスイッチング素子６、７のオン−オフを制御する制御信号である。
【００６０】
２は各Ｉ／Ｖ変換抵抗で電流／電圧変換した電圧値を演算して入力電流値を求めるための演算回路である。必要に応じて制御線８、９で６、７も制御する
【００６１】
以下に図１の動作について説明する。
Ｉは入力電流、Ｉ１はＲ１に流れる電流、Ｉ２はＲ２に流れる電流、Ｉ３はＲ３に流れる電流である。Ｖ１は演算増幅器１の出力電圧でありかつＲ１の下側のグランドに対する端子電圧でもある。Ｖ２はＲ２の下側のグランドに対する端子電圧、Ｖ３はＲ３の下側のグランドに対する端子電圧である。
【００６２】
ｅは演算増幅器１の−入力端子と＋入力端子間電圧であり、演算増幅器がリニアに動作する領域ではほぼ０Ｖであり、図１の回路では演算増幅器の＋入力端子はグランドに接続されているので、リニア動作領域では−入力端子も０Ｖでありｅは０Ｖになる。
【００６３】
以上の記号を用いると、各部の電流、電圧は以下の関係になる。但し、演算増幅器のオフセット電流や、バイアス電流を無視できる理想状態であることを前提にする。
0003628948.tif 000002
【００６４】
Ｖ１の絶対値がＶＺの絶対値より小さい場合は６をオフにするので
Ｉ２＝０                  ・・・（３２）
Ｖ１の絶対値がＶＺの絶対値より大きい場合は６をオンにするので
0003628948.tif 000003
【００６５】
Ｖ２の絶対値がＶＺの絶対値より小さい場合は７をオフにするので
Ｉ３＝０                  ・・・（３４）
Ｖ２の絶対値がＶＺの絶対値より大きい場合は７をオンにするので
0003628948.tif 000004
【００６６】
また電流経路から、Ｉは
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３      ・・・（３６）
である。
【００６７】
（３１）〜（３６）式からＩを求めると
Ｉ＝−Ｖ１／Ｒ１−Ｖ２／Ｒ２−Ｖ３／Ｒ３  ・・・（３７）
で表わされる。
【００６８】
（３７）式により、入力電流値Ｉは、各Ｉ／Ｖ変換抵抗の下端のグランドに対する端子電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を各抵抗値で除算した後、加算すれば求められることが判る。
【００６９】
従って、２の演算回路で（３７）式の演算を行なえば電流Ｉの大きさを求めることができる。同演算回路は一般的に知られている演算増幅器による反転加算回路等で容易に作ることができる。
【００７０】
また、演算回路内にＡ／Ｄ変換器、または電圧／周波数変換器とカウンタ等を組み込み、各Ｉ／Ｖ変換抵抗毎の電圧出力をディジタル値に変換してから（３７）式をソフトウェアで演算して電流Ｉを求めることもできる。
【００７１】
また、Ｖ１、Ｖ２の大きさ、即ちＩ１、Ｉ２の大きさに応じてＲ２、Ｒ３に流れるそれぞれの電流Ｉ２、Ｉ３をオン−オフさせる上記の動作は、入力電流Ｉに応じて自動的にレンジ切り替えを行なっている事に相当する。
【００７２】
本方法はレンジ切り替えの為の複雑な制御が不要なので、高速動作が可能であり、且つレンジ切り替えに伴う誤差も少ない。これにより、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能高く電流／電圧変換できるようになる。
さらに、本方法は図３と同様に入力インピーダンスが非常に低くなる。
【００７３】
なお、図１の実施例では３レンジであるが、Ｉ／Ｖ変換抵抗とスイッチング素子を増やせば、より多段のレンジをもつ電流／電圧変換回路を構成できる。
【００７４】
また図１の実施例と同様に、演算増幅器と図９の回路を組み合わせても図１と同様に入力インピーダンスが低い自動レンジ切り替えができる電流／電圧変換回路を構成できる。
【００７５】
ところで、図１の電流／電圧変換回路では演算増幅器１は電流Ｉを駆動できなければならないので、電流値が大きくなると、電流増幅回路あるいはパワーアンプを組み合わせる等の必要が生ずる。
【００７６】
図４は請求項４に関わるものであり、図１の電流／電圧変換回路の入力コモン線とグランド間に４１のＩ／Ｖ変換抵抗Ｒ４とスイッチング素子４５を追加して、大きな出力の電流増幅回路を使用せずに、入力可能な電流範囲を広げた電流／電圧変換回路の実施例である。
【００７７】
４２、４３、４４はそれぞれＩ／Ｖ変換抵抗３、４、５の端子間電圧を求めるための差動増幅器である。なお、ここでは説明を判り易くするためにそれぞれゲインを１とする。
【００７８】
なお、スイッチング素子４５は６、７と同様に両端が一定電圧ＶＸ以下の場合はオフにするもので、等価的に高インピーダンスであり、ＶＸ以上の電圧では導通させて等価的に低インピーダンスになるもので、ダイオードまたはツェナーダイオードまたはバリスタ等の非線形素子が使用できる。あるいは、トランジスタやＦＥＴ等とし、そのオン−オフを演算回路で制御しても良い。
【００７９】
なお、Ｉ／Ｖ変換抵抗Ｒ４の抵抗値が演算増幅器１の正常動作に影響を及ぼさない程度に高い場合はスイッチング素子４５は無くても良い。
【００８０】
既に説明したように、演算増幅器１が入力電流Ｉを駆動できる範囲ではリニアに動作するのでｅは０となり、スイッチング素子４５の有無に関わらずＲ４には電流は流れないので、図１と同じ動作をする。
【００８１】
この時、
Ｉ４＝０  ・・・（４１）
Ｖ４＝０  ・・・（４２）
である。
【００８２】
入力電流Ｉが、演算増幅器１の入力電流Ｉを駆動できる範囲を越えると、演算増幅器１はリニア動作領域外になるので、ｅは０でなくなる。
【００８３】
スイッチング素子を設けない場合はｅが０でなくなった時に、スイッチング素子を設けた場合はｅの絶対値がＶＸを越えた時に抵抗Ｒ４に電流が流れる。即ち、入力電流ＩはＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に流れる。
【００８４】
図４の各記号を使用すると以下の関係式が成り立つ。
Ｉ１＝（ｅ−Ｖ１）／Ｒ１  ・・・（４３）
Ｉ２＝（ｅ−Ｖ２）／Ｒ２  ・・・（４４）
Ｉ３＝（ｅ−Ｖ３）／Ｒ３  ・・・（４５）
Ｉ４＝Ｖ４／Ｒ４          ・・・（４６）
【００８５】
（４１）〜（４６）式からＩは
Ｉ＝（ｅ−Ｖ１）／Ｒ１＋（ｅ−Ｖ２）／Ｒ２＋（ｅ−Ｖ３）／Ｒ３＋Ｖ４／Ｒ４    ・・・（４７）
となる。
従って演算回路２で（４７）式を演算すれば電流値Ｉを得ることができる。
【００８６】
なお、４１、４５は過大入力電流に対して、演算増幅器及びその周辺素子の保護回路の機能も果たすことができる。
【００８７】
また、図９の回路と演算増幅器を組み合わせたものに、図４のように電流／電圧変換回路の入力コモン線とグランド間にＩ／Ｖ変換抵抗Ｒ４とスイッチング素子を追加しても図４の回路と同様に、大きな出力の電流増幅回路を使用せずに、入力可能な電流範囲を広げた電流／電圧変換回路を得ることができる。
【００８８】
図６は請求項５に関わる電流発生器の実施例であり、演算増幅器１と図５の電流／電圧変換回路を組み合わせたものである。
【００８９】
但し、Ｉ／Ｖ変換抵抗は３と４の２個の場合で示す。即ち３、４は抵抗値がそれぞれＲ１、Ｒ２のＩ／Ｖ変換抵抗であり、抵抗値の大きさはＲ１＞Ｒ２である。
【００９０】
６１は電流を供給する対象としての負荷である。
６は両端が所定の電圧ＶＺ以上になると導通するスイッチング素子あり、ダイオード、またはツェナーダイオードやバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したもので実現できる。あるいは、トランジスタやＦＥＴ等とし、演算回路を別途設けてそのオン−オフを制御しても良い。
【００９１】
４２、４３はそれぞれＩ／Ｖ変換抵抗３、４の端子間電圧Ｖ１、Ｖ２を求めるための差動増幅器である。なお、ここでは説明を判り易くするためにそれぞれゲインは１とする。
【００９２】
６２、６３はＫを一定値として、それぞれＲ１、Ｒ２の、Ｋ倍の抵抗値Ｋ・Ｒ１、Ｋ・Ｒ２の負帰還抵抗である。
【００９３】
６４、６５はそれぞれ演算増幅器１に対する電流設定値を電圧に換算した設定電圧Ｓ１、Ｓ２の入力抵抗である。
Ｓ１、Ｓ２は一般的にはＤ／Ａ変換器や定電圧源出力を可変抵抗で分圧して取り出す等種々の方法が知られている。
【００９４】
図６から判るように、ここでは演算増幅器１と負帰還抵抗６２、６３が電流Ｉを求める為の演算回路の機能を兼ねている。
【００９５】
以下に図６の動作について説明する。
（８）式を求めるのと同様にして負荷に流れる電流Ｉは
Ｉ＝Ｖ１／Ｒ１＋Ｖ２／Ｒ２  ・・・（５１）
で表わされる。
【００９６】
また、反転増幅器の動作として一般的に良く知られているように、
0003628948.tif 000005
が成り立つ。
【００９７】
（５１）、（５２）より、
Ｓ１／Ｒ１１＋Ｓ２／Ｒ１２＝−（１／Ｋ）・Ｉ  ・・・（５３）
になる。
【００９８】
（５３）からＩを求めると、
0003628948.tif 000006
【００９９】
（５４）から、各抵抗値を適切に設定すれば、電流設定値Ｓ１、Ｓ２で電流Ｉを高分解能で広い範囲に渡って設定できることが判る。
即ち、（Ｋ／Ｒ１１）または（Ｋ／Ｒ１２）を小さくすればＳ１，Ｓ２による電流設定分解能が高まる。
【０１００】
なお、図６の例ではＩ／Ｖ変換抵抗をＲ１、Ｒ２の２つにしているが、Ｒ３、Ｒ４・・と増やせば、電流範囲をより広くすることができる。
【０１０１】
同様に、図６の例では設定入力をＳ１、Ｓ２の２つにしているが、入力抵抗の個数を増やして、設定値入力をＳ３、Ｓ４・・・と増やせば、設定範囲をより広くすることができる。
【０１０２】
また、６のスイッチング素子をダイオード等のように緩やかにオン−オフのスイッチングをする素子を使用すれば、Ｉ／Ｖ変換抵抗切り替わりに伴う出力電流変動が発生しない、電流発生器を得ることができる。
【０１０３】
なお、図６の例では４２、４３を差動増幅器で記述しているが、負荷６１の位置が演算増幅器１の出力端子側にあり、Ｉ／Ｖ変換抵抗３、４の一方の端子がグランドに接続される位置にある場合は、４２、４３は無くても良い。
【０１０４】
図１０は請求項６に関わる電流発生器の実施例であり、演算増幅器１と図９の電流／電圧変換回路を組み合わせたものである。
【０１０５】
但し、Ｉ／Ｖ変換抵抗は３と４の２個の場合で示す。即ち３、４は抵抗値がそれぞれＲ１、Ｒ２のＩ／Ｖ変換抵抗であり、抵抗値の大きさはＲ１＞Ｒ２である。
【０１０６】
６１は電流Ｉを供給する対象としての負荷である。
６は両端が所定の電圧ＶＺ以上になると導通するスイッチング素子あり、ここではダイオードで記述しているが、ツェナーダイオードやバリスタ等の非線形素子を単体、または必要数を直列または並列に接続したものでも実現できる。あるいは、トランジスタやＦＥＴ等とし、演算回路を別途設けてそのオン−オフを制御しても良い。
【０１０７】
４２、４３はそれぞれＩ／Ｖ変換抵抗３、４の端子間電圧Ｖ１、Ｖ２を求めるための差動増幅器である。なお、ここでは説明を判り易くするためにそれぞれゲインを１とする。
ここで、Ｉ／Ｖ変換抵抗３に流れる電流がそのレンジにおける最大電流値Ｉ１ＭＡＸを越えると差動増幅器４２の出力電圧はＶＺ１で飽和するようにしておく。その為には必要に応じて差動増幅器４２にリミッタ回路を付加すれば良い。
【０１０８】
１０１、１０２はそれぞれ抵抗値ＲＦ１、ＲＦ２の負帰還抵抗である。
６４、６５はそれぞれ演算増幅器１に対する電流設定値を電圧に換算した設定電圧Ｓ１、Ｓ２の入力抵抗である。
Ｓ１、Ｓ２は一般的にはＤ／Ａ変換器や定電圧源出力を可変抵抗で分圧して取り出す等種々の方法が知られている。
【０１０９】
図１０から判るように、ここでは演算増幅器１と負帰還抵抗１０１、１０２が電流Ｉを求める為の演算回路の機能を兼ねている。
【０１１０】
以下に図１０の動作について説明する。
電流ＩがＩ１ＭＡＸ以下の場合スイッチング素子６はオフであり、Ｖ１は
Ｖ１＝Ｒ１・Ｉ  ・・・（６１）
で表わされる。
電流ＩがＩ１ＭＡＸを越えるとスイッチング素子６はオンになり、Ｖ１は
Ｖ１＝ＶＺ１    ・・・（６２）
になる。
【０１１１】
またＶ２は
Ｖ２＝Ｒ２・Ｉ  ・・・（６３）
である。
【０１１２】
また、反転増幅器の動作として一般的に良く知られているように、
0003628948.tif 000007
が成り立つ。
【０１１３】
電流ＩがＩ１ＭＡＸ以下の場合（６１）、（６３）を（６４）に代入してＩを求めると
Ｉ＝−（Ｓ１／Ｒ１１＋Ｓ２／Ｒ１２）／（Ｒ１／ＲＦ１＋Ｒ２／ＲＦ２）  ・・・（６５）
になる。
【０１１４】
電流ＩがＩ１ＭＡＸを越える場合は（６２）、（６３）を（６４）に代入してＩを求めると
Ｉ＝−（Ｓ１／Ｒ１１＋Ｓ２／Ｒ１２＋ＶＺ１／ＲＦ１）／（Ｒ２／ＲＦ２）・・・（６６）
になる。
【０１１５】
（６５）、（６６）から、各抵抗値を適切に設定すれば、電流設定値Ｓ１、Ｓ２で電流Ｉを高分解能で広い範囲に渡って設定できることが判る。
【０１１６】
なお、図１０の例ではＩ／Ｖ変換抵抗をＲ１、Ｒ２の２つにしているが、Ｒ３、Ｒ４・・と増やせば、電流範囲をより広くすることができる。
【０１１７】
また、図１０の例では設定入力をＳ１、Ｓ２の２つにしているが、入力抵抗の個数を増やして、設定値入力をＳ３、Ｓ４・・・と増やせば、設定範囲をより広くすることができる。なお、Ｉ／Ｖ変換抵抗と設定値入力の個数は同じである必要はない。
【０１１８】
また、６のスイッチング素子をダイオード等のように緩やかにオン−オフのスイッチングをする素子を使用すれば、Ｉ／Ｖ変換抵抗切り替わりに伴う出力電流変動が発生しない電流発生器を得ることができる。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１または請求項２によれば、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能が高い電流／電圧変換回路を得ることができる。
【０１２０】
また本発明の請求項３によれば、入力インピーダンスが低く、且つ高速、高分解能で、ダイナミックレンジが高い電流／電圧変換回路を得ることができる。
【０１２１】
さらに、本発明の請求項４によれば、大きな電流を駆動する電流増幅回路を用いずに、交流やパルス電流のように、ダイナミックレンジが大きく、かつ高速に変化する電流入力でも精度と分解能が高い、電流／電圧変換回路を得ることができる。
【０１２２】
また、本発明の請求項５または請求項６によれば、分解能が高く、且つＩ／Ｖ変換抵抗切り替えに伴う出力電流変動が発生しない、広い電流値設定範囲を持つ電流発生器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】演算増幅器を用いた電流／電圧変換回路実施例である。
【図２】一般的に知られている、演算増幅器を用いた電流／電圧変換回路である。
【図３】一般的に知られている、演算増幅器を用いたレンジ切り替え機能付き電流／電圧変換回路である。
【図４】図１の電流／電圧変換回路にＩ／Ｖ変換抵抗と差動増幅器とスイッチング素子を追加して、入力電流範囲を広げた電流／電圧変換回路実施例である。
【図５】電流／電圧変換回路実施例である。
【図６】電流発生器実施例である。
【図７】一般的に知られている、レンジ切り替え機能付き電流／電圧変換回路例である。
【図８】一般的に知られている、電流発生器の回路例である。
【図９】電流／電圧変換回路実施例である。
【図１０】電流発生器実施例である。
【符号の説明】
１、２１、３１                  演算増幅器
３、４、５、２２、３２、３３、３４、４１  Ｉ／Ｖ変換抵抗
６、７、４５                    スイッチング素子
８、９                          スイッチング素子制御信号
２                              演算回路
３５、３６、３７                スイッチ
４２、４３、４４                差動増幅器
６１                            負荷
６２、６３、１０１、１０２      負帰還抵抗
６４、６５                      演算増幅器入力抵抗
【図１】
0003628948.tif 000008
【図２】
0003628948.tif 000009
【図３】
0003628948.tif 000010
【図４】
0003628948.tif 000011
【図５】
0003628948.tif 000012
【図６】
0003628948.tif 000013
【図７】
0003628948.tif 000014
【図８】
0003628948.tif 000015
【図９】
0003628948.tif 000016
【図１０】
0003628948.tif 000017