(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ．演算増幅器と、この演算増幅器の入力端子と出力端子との間に接続した積分コンデンサとによって積分回路を構成し、この積分回路により入力電流を積分コンデンサに積分し、上記演算増幅器の出力端子に発生する積分電圧により上記入力電流の値を電圧値に変換する電流−電圧変換装置において、
Ｂ．上記積分コンデンサと上記演算増幅器の入力端子との接続点側に一端が接続されたダイオードスイッチと、
Ｃ．このダイオードスイッチの他端に出力端子が接続され、入力端子が上記演算増幅器の出力端子側に接続された非反転型の増幅器と、
Ｄ．この増幅器の利得を切り替える利得切替手段と、
によって構成した電流−電圧変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電流−電圧変換装置において、上記ダイオードスイッチをダイオードの逆並列回路で構成したことを特徴とする電流−電圧変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電流−電圧変換装置の何れかにおいて、上記利得切替手段は上記増幅器の利得を１より大きい状態と、１に近いか１より小さい状態に切り替る切替手段によって構成したことを特徴とする電流−電圧変換装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の電流−電圧変換装置の何れかにおいて、上記利得切替手段は上記非反転型の増幅器の入力端子を積分回路の出力端子に接続する状態と共通電位点に接続する状態に切り替える切替回路で構成したことを特徴とする電流−電圧変換装置。
【請求項５】
請求項１、２、３、４記載の電流−電圧変換装置の何れかにおいて、上記非反転型の増幅器と上記ダイオードスイッチとの間に上記増幅器の利得が小の状態に設定された場合に、上記ダイオードスイッチの他端側の電位をほぼ共通電位点の電位に維持する電圧遮断回路を介挿した構成としたことを特徴とする電流−電圧変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は各種の計測器に用いられる電流−電圧変換装置に関し、特にリセット時に発生するオフセット電圧を小さくすることができる電流−電圧変換装置を提供しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は特開平５−１２６８６４号公報で提案された電流−電圧変換装置の構成を示す。図中１は積分回路を示す。積分回路１は演算増幅器１Ａと積分コンデンサ１Ｂとによって構成される。積分コンデンサ１Ｂは演算増幅器１Ａの反転入力端子と、出力端子間に接続され、被測定電流源３から出力される被測定電流ｉｘを予め定めた一定の時間Ｔに渡って積分し、積分電圧Ｖ0を得る（図８参照）。この積分電圧Ｖ0はＶ0＝−（ｉｘ／Ｃ１）Ｔで与えられる。尚、Ｃ１は積分コンデンサ１Ｂの容量値。これにより、被測定電流ｉｘはｉｘ＝−Ｖ0・Ｃ１／Ｔで求めることができる。
【０００３】
測定を再開するには積分コンデンサ１Ｂに積分された電荷を放電し、リセットさせる必要がある。このために、積分コンデンサ１Ｂには並列にリセット回路２が接続される。リセット回路２はこの図７に示す例ではダイオードスイッチＳＷDとリセットスイッチＳＷ１と、抵抗器２Ａ、２Ｂとによって構成した場合を示す。
このリセット回路２の特徴とする点は演算増幅器１Ａの入力側にダイオードスイッチＳＷDを配置した点と、ダイオードスイッチＳＷDの他端側を抵抗器２Ｂを通じて共通電位点に接続した点にある。
【０００４】
ダイオードスイッチＳＷDと抵抗器２Ｂとの存在によってリセットスイッチＳＷ１を通じてリーク電流が演算増幅器１Ａの入力側に流れることを防止できる点である。
つまり、リセットスイッチＳＷ１に半導体スイッチを用いた場合、半導体スイッチは完全にオフの状態（抵抗値が無限に大きい状態）を得ることはできない。リセットスイッチＳＷ１がオフの状態であっても抵抗値は有限である。このために、リセットスイッチＳＷ１に半導体スイッチ素子を用いた場合、仮にダイオードスイッチＳＷDが存在しない場合は、その有限な抵抗値を通じてリーク電流が演算増幅器１Ａの入力側に流れ、積分電圧に誤差を与える。
【０００５】
このために、図７に示す回路ではダイオードスイッチＳＷDを挿入し、積分動作中はダイオードスイッチＳＷDの両端側の電位差をほぼ０Ｖの近辺に維持させることにより、ダイオードスイッチＳＷDをオフの状態に維持させ、これによりリーク電流が演算増幅器１Ａの入力側に流れることを阻止したものである。この点で優れた特質を具備している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示した電流−電圧変換装置は上述したように、優れた特質を具備している半面、以下のような欠点を持っている。
つまり、リセット動作時はダイオードスイッチＳＷDを構成するダイオードＤa又はＤbの何れか一方がオンの状態になって積分コンデンサ１Ｂに充電された電荷を放電させる。その放電回路にはダイオードＤa又はＤbの順方向電圧降下ＶFが発生する。従って積分コンデンサ１Ｂの放電はこの電圧降下ＶFで収束し、積分コンデンサ１ＢにはダイオードＤa又はＤbの順方向電圧ＶFが残る（図８参照）。これが出力電圧Ｖ0に重畳してＶ0＋ＶF又はＶ0−ＶFとして出力されてしまう欠点がある。因みにオフセット電圧ＶFがダイオードＤa、Ｄbの順方向電圧降下であるものとすると、約０．６Ｖ（６００ｍＶ）となる。
【０００７】
従って、図７に示した電流−電圧変換装置を実用するには出力電圧Ｖ0に重畳するオフセット電圧±ＶFを除去するためのオフセット除去回路を別途用意する必要がある。
この発明の目的はリセット動作後に、出力電圧Ｖ0に重畳するオフセット電圧ＶFを小さくすることができる電流−電圧変換装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１では、演算増幅器と、この演算増幅器の入力端子との間に接続した積分コンデンサとによって積分回路を構成し、この積分回路により入力電流を積分コンデンサに積分し、演算増幅器の出力端子に発生する積分電圧により入力電流の値を電圧値に変換する電流−電圧変換装置において、
積分コンデンサと演算増幅器の入力端子との接続点側に一端が接続されたダイオードスイッチと、
このダイオードスイッチの他端に出力端子が接続され、入力端子が演算増幅器の出力端子側に接続された非反転型の増幅器と、
この増幅器の利得を切り替える利得切替手段と、
によって構成した電流−電圧変換装置を提案する。
【０００９】
この発明の請求項２では、請求項１記載の電流−電圧変換措置の何れかにおいて、ダイオードスイッチをダイオードの逆並列回路で構成した電流−電圧変換装置。
この発明の請求項３では、請求項１又は２記載の電流−電圧変換装置の何れかにおいて、利得切替手段は増幅器の利得を１より大きい状態と、１に近いか１より小さい状態に切り替る切替手段によって構成とした電流−電圧変換装置を提案する。
【００１０】
この発明の請求項４では、請求項１又は２記載の電流−電圧変換装置において、利得切替手段は非反転型の増幅器の入力端子を積分回路の出力端子に接続する状態と共通電位点に接続する状態に切り替わる切替回路で構成した電流−電圧変換装置を提案する。
この発明の請求項５では、請求項１、２、３、４記載の電流−電圧変換装置の何れかにおいて、非反転型の増幅器とダイオードスイッチとの間に増幅器の利得が小の状態に設定された場合に、ダイオードスイッチの他端側の電位をほぼ共通電位点の電位に維持する電圧遮断回路を介挿した構成とした電流−電圧変換装置を提案する。
作用
この発明による電流−電圧変換装置によればダイオードスイッチと直列に非反転型の増幅器を接続し、この直列回路を積分コンデンサに対して並列接続し、増幅器の利得を１より大きい状態と、１に近いか１より小さい状態に制御する構成としたから、増幅器の利得を１より大きい状態に制御することにより、ダイオードスイッチの他端には積分回路の積分電圧を増幅した電圧が印加される。この印加電圧によりダイオードスイッチは導通状態に制御され、この導通により積分コンデンサの充電電荷は増幅器を通じて直ちに放電され、積分電圧はリセットされる。
【００１１】
ここで、積分回路の出力電圧Ｖ0はリセット回路を構成する増幅器の利得が１より大の状態に設定されている場合にはこの増幅器で増幅されて積分回路を構成する演算増幅器の入力側に負帰還される。この負帰還により積分回路の出力電圧Ｖ0はリセット回路を構成する増幅器の出力電圧の変化とは逆向きに変化するから、終局的には積分回路の出力電圧Ｖ0は積分回路１を構成する演算増幅器１Ａ入力点の電位（０Ｖ）に収束し、リセット時に積分回路の出力電圧Ｖ0に重畳して発生するオフセット電圧は除去される。
【００１２】
一方、可変利得増幅器の利得を１に近いか１より小さい状態に絞った場合には、リセット回路側の増幅器の出力電圧は微小値に低下する。この結果、ダイオードスイッチはオフの状態とされ、このオフ動作によりリセット回路から積分回路に流入するリーク電流の値を小さく絞った状態で積分回路は積分動作を開始する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明による電流−電圧変換装置の一実施例を示す。図１において、図７と対応する部分には同一符号を付して示す。この発明ではダイオードスイッチＳＷDと増幅器２Ｃとの直列回路と、この増幅器２Ｃの利得を１より大の状態と１に近いか１より小の状態に切り替る利得切替手段２Ｄとによってリセット回路２を構成した点を特徴とするものである。
つまり、ダイオードスイッチＳＷDの一端は積分回路１を構成する演算増幅器１Ａの反転入力端子に接続し、他端は非反転型の増幅器２Ｃの出力端子に接続する。増幅器２Ｃの入力端子は積分回路１の出力端子に接続する。増幅器２Ｃは利得切替手段２Ｄによって利得が１より大きい状態と利得が１に近いか１より小さい状態に切替制御する。
【００１４】
このリセット回路２の構成において、増幅器２Ｃの利得をＧ、増幅器２Ｃの出力電圧をＶｂ、積分回路１の出力電圧をＶ0とした場合、
Ｖ0＝Ｖｂ／Ｇ
である。ダイオードスイッチＳＷDを構成するダイオードＤa、Ｄbの順方向電圧をＶFとすると、積分回路１の出力電圧Ｖ0の出力電圧の範囲は
−ＶF／Ｇ≦Ｖ0≦ＶF／Ｇ  ……（１）
となる。
【００１５】
例えばＶF＝Ｏ．６Ｖのとき、増幅器２Ｃの利得Ｇが１より大きい、例えばＧ＝１００とすると、積分回路１の出力電圧Ｖ0の出力範囲は
−６ｍＶ≦Ｖ0≦６ｍＶ
となる。すなわち、この場合にはＶ0≒０Ｖであり、オフセット電圧の発生が極めて少ないリセット状態を得ることができる。
一方、増幅器２Ｃの利得Ｇを１より小さい、例えば１／１０００とすると、積分回路１の出力電圧Ｖ0の出力範囲は（１）式により、
−６００Ｖ≦Ｖ0≦６００Ｖ
となる。
【００１６】
積分回路１を構成する演算増幅器１Ａの出力可能な電圧範囲が±１２Ｖであれば増幅器２Ｃの出力電圧Ｖｂの出力電圧の範囲は
−１２ｍＶ≦Ｖｂ≦１２ｍＶ
以内である。
増幅器２Ｃの出力電圧Ｖｂの出力範囲が±１２ｍＶであるならばダイオードスイッチＳＷDを構成するダイオードＤaとＤbはオフ状態を維持し、積分回路１は
Ｖ0＝−（ｉｘ／Ｃ１）ｔ  ……（２）
で積分動作を実行する。
【００１７】
この積分動作中、ダイオードスイッチＳＷDを構成するダイオードＤaとＤbには上記したようにＶｂ＝±１２ｍＶ程度の微小電圧しか印加されないから、これらのダイオードＤaとＤbは完全にオフの状態を維持し、リーク電流は充分小さい値に抑えられる。従って積分電圧にリーク電流の影響が混入する恐れはなく、積分電圧の信頼性を向上することができる。
図２はこの発明による電流−電圧変換装置の具体的な実施例を示す。この実施例ではリセット回路２を構成する増幅器２Ｃの利得を切り替える利得切替手段２Ｄを具体化した実施例を示す。図２に示すスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３は例えばＦＥＴのような半導体スイッチによって構成される。
【００１８】
この実施例において、スイッチＳ１、Ｓ３をオフ、Ｓ２をオンの状態に設定すると増幅器２Ｃの利得Ｇ１はＧ１＝１、抵抗器Ｒ３とＲ４の抵抗値ｒ３、ｒ４で決定される利得Ｇ２はＧ２＝ｒ４（ｒ３＋ｒ４）となる。
Ｇ２＝１／１０００となるように抵抗器Ｒ３とＲ４の抵抗値ｒ３、ｒ４を選び、更にダイオードスイッチＳＷDの各ダイオードＤa、Ｄbの順方向電圧をＶFとすると、積分回路１の出力電圧Ｖ0の電圧出力範囲は、
−６００Ｖ≦Ｖ0≦６００Ｖ
演算増幅器１Ａの出力可能な電圧範囲を±１２Ｖとすると、増幅器２Ｃが出力する電圧範囲Ｖｂは、
−１２ｍＶ≦Ｖｂ≦１２ｍＶ
となる。
【００１９】
この状態では、ダイオードスイッチＳＷDを構成するダイオードＤaとＤbはオフ状態を維持し、この結果として積分回路１の出力電圧Ｖ0は、
Ｖ0＝−（ｉｘ／Ｃ１）Ｔ
Ｃ１は積分コンデンサ１Ｂの容量
Ｔは積分時間
となり、積分動作を実行する。
一方、スイッチＳ１、Ｓ３をオン、Ｓ２をオフの状態に設定した場合には、増幅器２Ｃの利得Ｇ１はＧ１＝（１＋ｒ１／ｒ２），Ｇ２＝１となる。ここで、リセット回路２の全体の利得をＧとすると、Ｇ＝Ｇ１・Ｇ２となる。
【００２０】
Ｇ１＝１００となるように抵抗器Ｒ１とＲ２の抵抗値ｒ１とｒ２を選定し、更にダイオードスイッチＳＷDを構成するダイオードＤa、Ｄbの順方向電圧降下をＶF＝０．６Ｖとすると、積分回路１の出力電圧Ｖ0の出力電圧の範囲は、
−６ｍＶ≦Ｖ0≦６ｍＶ
となる。この状態で増幅器２Ｃの出力電圧Ｖｂは
−０．６Ｖ≦Ｖｂ≦０．６Ｖ
を出力するから、ダイオードスイッチＳＷDを構成するダイオードＤa又はＤbの何れか一方がオンの状態に制御され、このオンの状態に制御されたダイオードＤa又はＤbを通じて積分コンデンサ１Ｂに充電された電荷は放電されリセットされる。このとき出力電圧Ｖ0に残る電圧は上記した−６ｍＶ≦Ｖ0≦６ｍＶであり、従来の残留電圧０．６Ｖ（６００ｍＶ）と比較して充分小さい値になる。
【００２１】
図３はこの発明の更に他の実施例を示す。この実施例ではダイオードスイッチＳＷDと増幅器２Ｃの出力端子との間に電圧遮断回路２Ｅを介挿し、積分動作時に、この電圧手段回路２Ｅを遮断状態に維持することにより、ダイオードスイッチＳＷDに印加される電圧Ｖｂを共通電位点の電圧Ｖｂ＝０Ｖに維持させ、これにより積分動作時にダイオードスイッチＳＷDをほぼ完全にオフの状態に制御して洩れ電流の発生を極力小さい値に抑えることができるように構成した実施例を示す。
【００２２】
電圧遮断回路２Ｅとしてはこの例ではダイオードＤ３と、Ｄ４を逆並列接続して構成したダイオードスイッチＳＷEと、これらダイオードスイッチＳＷDとＳＷEとの接続点Ｅと共通電位点との間に接続した抵抗器Ｒ５とによって構成することができる。
接続点Ｅの電圧をＶｂ、増幅器２Ｃの出力電圧をＶｃ、ダイオードＤa、ＤbとＤ３、Ｄ４の各順方向電圧をＶF、増幅器２Ｃの利得をＧとすると、積分回路１の出力電圧Ｖ0は
Ｖ0＝Ｖｃ／Ｇ                                ……（３）
この出力電圧Ｖ0の出力範囲は
−２ＶF／Ｇ≦Ｖ0≦２ＶF／Ｇ
積分モードにおける増幅器２Ｃの出力電圧Ｖｃが２ＶF以下であれば、ダイオードスイッチＳＷD及びＳＷEは共にオフ状態となり、接続点Ｅの電圧ＶｂはＶｂ＝０となり、リーク電流を著しく低減することができる。この結果として積分電圧Ｖ0の信頼性を向上することができる。
【００２３】
図４は図３に示した実施例の変形実施例を示す。この実施例では図３に示したダイオードスイッチＳＷEを定電圧ダイオードＤ５、Ｄ６の直列回路で構成した場合を示す。定電圧ダイオードＤ５、Ｄ６で発生する電圧をＶZとすると、積分回路１の出力電圧Ｖ0の出力可能な電圧範囲は
−（ＶF＋ＶZ）／Ｇ≦Ｖ0≦（ＶF＋ＶZ）／Ｇ  ……（４）
となり、定電圧ダイオードＤ５、Ｄ６で発生する電圧ＶZの分だけ積分回路１の出力の電圧範囲を広げることができる。
【００２４】
つまり、積分回路１の出力電圧の範囲を広げたい場合に適用して好適である。また、この実施例によれば出力電圧Ｖ0の範囲が広く大きい電圧を出力するから、増幅器２Ｃの利得Ｇを１より充分小さい、例えば１／１０００程度に設定しなくても積分動作を実行することができる。つまり、増幅器２Ｃの利得Ｇの切り替えを例えばＧ＝１と１００に切り替えれば積分モードとリセットモードに切り替ることができる。増幅器２Ｃとしては非反転増幅器が用いられる。非反転型増幅器の利得Ｇを１以下の値に設定するには図２に示したスイッチＳ１、Ｓ２の回路構造が必要になるため、部品数が多くなり、コストが掛かることになるが、非反転型増幅器の利得を１に設定するには、例えば図５に示すようにスイッチＳ１により増幅器２Ｃの反転入力端子と出力端子間を直結すれば済むため、コストを掛けずに増幅器２Ｃの利得切替手段２Ｄを構成することができる。
【００２５】
図６はこの発明の更に他の実施例を示す。この実施例では積分モードでは増幅器２Ｃの入力端子を積分回路１の出力端子から切り離し、スイッチＳ２をオンに設定して増幅器２Ｃの利得を０に設定し、リセット時はスイッチＳ２をオフ、スイッチＳ１をオンに制御して積分回路１の出力電圧Ｖ0を増幅器２Ｃに入力し、これを増幅してダイオードスイッチＳＷDに印加し、ダイオードスイッチＳＷDをオンの状態に制御して積分コンデンサ１Ｂに充電された電荷を放電させる構成とした場合を示す。この場合の利得ＧはＧ＝０の状態と、Ｇ＝（ｒ１＋ｒ２）／ｒ２の状態に切り替えられる。
【００２６】
また、この図６に示した実施例によれば積分モードでは増幅器２Ｃの入力端子は共通電位点に接続され、その出力電圧Ｖｂも共通電位に維持されるから、図３、図４、図５に示した電圧遮断回路２Ｅを接続しなくてもダイオードスイッチＳＷDを完全にオフの状態に維持することができる。従って、図６に示すように電圧遮断回路２Ｅを省略することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によればリセット時に積分回路１の出力電圧Ｖ0に重畳するオフセット電圧を高々±６ｍＶ程度に低減することができる。このオフセット電圧の値は従来の０．６Ｖ（６００ｍＶ）と比較して充分小さく、後段にオフセット電圧除去回路を設ける必要はない。
また、この発明によれば、リセット時に発生するオフセット電圧の値が小さいことに加えて、積分時に発生するリーク電流の値も小さくできるため、この点でも積分電圧の信頼性を高めることができる利点も得られ、電流値の測定精度を向上できる利点も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による電流−電圧変換装置の一実施例を説明するための接続図。
【図２】この発明による電流−電圧変換装置の変形実施例を説明するための接続図。
【図３】この発明による電流−電圧変換装置の変形実施例を説明するための接続図。
【図４】この発明による電流−電圧変換装置の更に他の変形実施例を説明するための接続図。
【図５】この発明による電流−電圧変換装置の更に他の実施例を説明するための接続図。
【図６】この発明による電流−電圧変換装置の更に他の実施例を説明するための接続図。
【図７】従来の技術を説明するための接続図。
【図８】図７の動作を説明するための波形図。
【符号の説明】
１        積分回路
１Ａ        演算増幅器
１Ｂ        積分コンデンサ
２        リセット回路
２Ｃ        非反転型の増幅器
２Ｄ        利得切替手段
ＳＷD、ＳＷE        ダイオードスイッチ
２Ｅ        電圧遮断回路
Ｖ0        出力電圧
【図１】
0003705422.tif 000002
【図２】
0003705422.tif 000003
【図３】
0003705422.tif 000004
【図４】
0003705422.tif 000005
【図５】
0003705422.tif 000006
【図６】
0003705422.tif 000007
【図７】
0003705422.tif 000008
【図８】
0003705422.tif 000009