(57)【要約】【課題】  入出力信号が共にシングルエンド信号であっても、電源電圧よりも大きな最大出力電圧を出力することができる増幅器を実現することを目的にする。【解決手段】  本発明は、入力電圧を増幅する増幅器に改良を加えたものである。本増幅器は、出力端子から出力される出力電圧を分圧して反転入力端子に帰還し、非反転入力端子に入力される前記入力電圧を安定したゲインで増幅する第１の演算増幅器と、この第１の演算増幅器に入力される正電源と負電源との電位を分圧し、分圧電位を出力する分圧回路と、正電源入力端子、負電源入力端子のそれぞれが前記第１の演算増幅器の正電源入力端子、負電源入力端子に接続され、出力端子が基準電位に接続され、非反転入力端子に分圧回路の分圧電位が入力され、反転入力端子が前記第１の演算増幅器の非反転入力端子に接続された第２の演算増幅器とを設けたことを特徴とするものである。【選択図】                    図１
2006060441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を増幅する増幅器において、
出力端子から出力される出力電圧を分圧して反転入力端子に帰還し、非反転入力端子に入力される前記入力電圧を安定したゲインで増幅する第１の演算増幅器と、
この第１の演算増幅器に入力される正電源と負電源との電位を分圧し、分圧電位を出力する分圧回路と、
正電源入力端子、負電源入力端子のそれぞれが前記第１の演算増幅器の正電源入力端子、負電源入力端子に接続され、出力端子が基準電位に接続され、非反転入力端子に前記分圧回路の分圧電位が入力され、反転入力端子が前記第１の演算増幅器の非反転入力端子に接続された第２の演算増幅器と
を設けたことを特徴とした増幅器。
【請求項２】
第１の演算増幅器の出力端子は、出力電圧を分圧するための複数の抵抗を介して、前記第２の演算増幅器の出力端子に接続されることを特徴とする請求項１記載の増幅器。
【請求項３】
分圧回路は、複数の抵抗を直列に接続した抵抗直列回路であることを特徴とする請求項１または２記載の増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力電圧を増幅する増幅器に関し、詳しくは、入出力信号が共にシングルエンド信号であっても、電源電圧よりも大きな出力電圧を出力することができる増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来の増幅器の構成を示した図である。図３において、増幅器１００は、複数の端子（正入力端子ＩＮＰ、負入力端子ＩＮＮ、正出力端子ＯＵＴＰ、負出力端子ＯＵＴＮ、正電源端子Ｐ１、負電源端子Ｐ２、中点電源端子Ｐ３）を有する。また、増幅器１００は、演算増幅器Ａ１と抵抗Ｒ１，Ｒ２とからなる負帰還回路を有する。
【０００３】
入力信号源Ｅｉは、正入力端子ＩＮＰ、負入力端子ＩＮＮに接続される。負荷ＲＬは、正出力端子ＯＵＴＰ、負出力端子ＯＵＴＮに接続される。正電源Ｅ１１は、正電源端子Ｐ１、中点電源端子Ｐ３に接続される。負電源Ｅ１２は、正電源Ｅ１１と直列に設けられ、中点源端子Ｐ３、負電源端子Ｐ２に接続される。
【０００４】
演算増幅器Ａ１は、正電源入力端子が正電源端子Ｐ１に接続され、負電源入力端子が負電源端子Ｐ２に接続され、非反転入力端子が正入力端子ＩＮＰに接続される。また、出力端子が、正出力端子ＯＵＴＰに接続されると共に、直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して負出力端子ＯＵＴＮ、負入力端子ＩＮＮ、中点電源端子Ｐ３に接続される。さらに、反転入力端子が、抵抗Ｒ１を介して出力端子に接続され、負帰還回路を構成する。
【０００５】
このような増幅器の動作を説明する。
正電源Ｅ１１、負電源Ｅ１２が、直列に接続され、通常同じ電圧である。これにより、中点電源端子Ｐ３の電位が、正電源端子Ｐ１、負電源端子Ｐ２の中点電位となる。また、中点電源端子Ｐ３が、負入力端子ＩＮＮと負出力端子ＯＵＴＮに同時に接続されるので、これら（中点電源端子Ｐ３、負入力端子ＩＮＮ、負出力端子ＯＵＴＮ）は、共通電位となる。
【０００６】
ここで、入力信号源Ｅｉの入力電圧がＶｉであったとすれば、一般的に知られる計算により出力電圧Ｖｏは、下記の式（１）になる。
Ｖｏ＝Ｖｉ・（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２      （１）
【０００７】
簡単のため抵抗Ｒ１＝抵抗Ｒ２とすれば、式（１）は式(２)で表され、増幅器１００はゲインが２倍となる。
Ｖｏ＝Ｖｉ・２                        （２）
【０００８】
続いて、増幅器１００の最大出力電圧について説明する。図３に示す構成では、最大出力電圧は、演算増幅器Ａ１の最大出力電圧仕様に等しくなる。つまり、演算増幅器Ａ１に、いわゆるRail-to-Rail出力の高性能なものを使用したとしても、高々、負電源Ｅ１２〜正電源Ｅ１１の電圧範囲しか出力できない。例えば、正電源Ｅ１１と負電源Ｅ１２との電圧が等しく、電源電圧値が（１／２）・Ｖｓｕｐとすれば、増幅器１００の最大出力電圧は、±（１／２）・Ｖｓｕｐとなる。
【０００９】
次に、図４は、従来の増幅器のその他の構成を示した図である。図３は、最大出力電圧振幅が電源電圧よりも低いかほぼ同等の増幅器１００の一例を示したが、図４は、入力電圧を電源電圧よりも大きな出力振幅に増幅できるＢＴＬ（Balanced Transformer-Less）増幅器２００の一例である（例えば、特許文献１参照）。ここで、図３と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。図４において、正電源Ｅ１１と負電源Ｅ１２の代わりに単一の電源Ｅ１が設けられ、正電源端子Ｐ１、負電源端子Ｐ２に接続される。なお、中点電源端子Ｐ３は取り外される。そして、抵抗Ｒ２の一端が、中点電源端子Ｐ３，負入力端子ＩＮＮには接続されず、負出力端子ＯＵＴＮに接続される。
【００１０】
負入力端子ＩＮＮは、負電源端子Ｐ２に接続される。正入力端子ＩＮＰは、演算増幅器Ａ１の非反転入力端子に接続される代わりに、コンデンサＣ１，抵抗Ｒ５、Ｒ６を介して負出力端子ＯＵＴＮに接続される。なお、コンデンサＣ１，抵抗Ｒ５、Ｒ６は直列に接続される。
【００１１】
そして新たに、正電源端子Ｐ１と負電源端子Ｐ２の間に、抵抗Ｒ３，Ｒ４を直列に接続した分圧回路が設けられる。
【００１２】
また、第２の演算増幅器Ａ２が新たに設けられる。演算増幅器Ａ２は、正電源入力端子が正電源端子Ｐ１に接続され、負電源入力端子が負電源端子Ｐ２に接続される。また、非反転入力端子が、抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点、演算増幅器Ａ１の非反転入力端子に接続され、反転入力端子が抵抗Ｒ５、Ｒ６の接続点に接続される。また、出力端子が、負出力端子ＯＵＴＮに接続される。
【００１３】
このような増幅器２００の動作を説明する。
図３において負荷ＲＬは、一端が演算増幅器Ａ１の出力によって駆動され、他端が電源Ｅ１１，Ｅ１２の中点に接続されていたのに対し、図４において負荷ＲＬは、他端が演算増幅器Ａ２の出力によって駆動される。
【００１４】
そして、演算増幅器Ａ２が、入力信号の入力電圧Ｖｉを反転増幅して出力する。一方、演算増幅器Ａ１が、演算増幅器Ａ２の出力をもう一度反転増幅して出力する。この結果、負荷ＲＬの各端ＯＵＴＮ、ＯＵＴＰには、振幅が同じで位相が逆の信号が印加される。
【００１５】
従って、増幅器２００の最大出力電圧が、演算増幅器Ａ１の最大出力電圧仕様と、演算増幅器Ａ２の最大出力電圧仕様との和となる。ここで、演算増幅器Ａ１，Ａ２に印加される電源電圧をＶｓｕｐとし、演算増幅器Ａ１，Ａ２にRail-to-Railタイプのものを使用すれば、増幅器２００の最大出力電圧が、±Ｖｓｕｐとなる。つまり、図３に示す増幅器１００に比べて２倍の出力振幅となる。なお、このような出力駆動方式は、一般にＢＴＬ方式と呼ばれる。
【００１６】
【特許文献１】特開平５−３３５８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
図３に示す増幅器１００では、正電源電圧〜負電源電圧の範囲Ｖｓｕｐに対し、最大出力電圧が±（１／２）・Ｖｓｕｐしか出力されず、電源Ｅ１１、Ｅ１２を２個用意する必要があった。これに対し、図４に示す増幅器２００は、最大出力電圧が増幅器１００の２倍であり、電源Ｅ１も１個でよい。
【００１８】
しかしながら、図４に示す増幅器２００は、入力信号がシングルエンド信号なのに対し、出力信号がバランス信号であり、入出力信号の基準電位が異なるという問題があった。また、入力信号をコンデンサＣ１によりＡＣ結合しなければならず、入力インピーダンスも低い（抵抗Ｒ５の値で制限される）という問題があった。
【００１９】
そこで本発明の目的は、入出力信号が共にシングルエンド信号であっても、電源電圧よりも大きな最大出力電圧を出力することができる増幅器を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１記載の発明は、
入力電圧を増幅する増幅器において、
出力端子から出力される出力電圧を分圧して反転入力端子に帰還し、非反転入力端子に入力される前記入力電圧を安定したゲインで増幅する第１の演算増幅器と、
この第１の演算増幅器に入力される正電源と負電源との電位を分圧し、分圧電位を出力する分圧回路と、
正電源入力端子、負電源入力端子のそれぞれが前記第１の演算増幅器の正電源入力端子、負電源入力端子に接続され、出力端子が基準電位に接続され、非反転入力端子に前記分圧回路の分圧電位が入力され、反転入力端子が前記第１の演算増幅器の非反転入力端子に接続された第２の演算増幅器と
を設けたことを特徴とするものである。
【００２１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
第１の演算増幅器の出力端子は、出力電圧を分圧するための複数の抵抗を介して、前記第２の演算増幅器の出力端子に接続されることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
分圧回路は、複数の抵抗を直列に接続した抵抗直列回路であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜３によれば、第１、第２の演算増幅器が、共通の電源電圧で動作する。そして、第２の演算増幅器が、増幅器の出力電圧（第１の演算増幅器の出力電圧）の変化をカバーするように電源電圧をシフトさせる。すなわち、入力電圧に追従して正電源電圧、負電源電圧をシフトさせる。これにより、増幅器は、電源電圧よりも大きな振幅の出力電圧を出力する。また、第１、第２の演算増幅器が、共通の基準電位で動作する。従って、入出力信号が共にシングルエンド信号であっても、電源電圧よりも大きな出力電圧を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す構成図である。ここで、図４と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図１において、増幅器３００は、複数の端子（正入力端子ＩＮＰ、負入力端子ＩＮＮ、正出力端子ＯＵＴＰ、負出力端子ＯＵＴＮ、正電源端子Ｐ１、負電源端子Ｐ２）を有する。また、増幅器３００は、第１の演算増幅器Ａ１、第２の演算増幅器Ａ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ４を有する。
【００２４】
演算増幅器Ａ１，Ａ２の正電源入力端子が正電源端子Ｐ１に接続され、負電源入力端子が負電源端子Ｐ２に接続される。つまり、演算増幅器Ａ１，Ａ２は、電源Ｅ１から電源電圧が供給され動作する。
【００２５】
また、演算増幅器Ａ１の非反転入力端子と演算増幅器Ａ２の反転入力端子とが、正入力端子ＩＮＰに接続される。そして、演算増幅器Ａ１の出力端子が、正出力端子ＯＵＴＰに接続されると共に、直列に接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して負出力端子ＯＵＴＮ、負入力端子ＩＮＮ、演算増幅器Ａ２の出力端子に接続される。さらに、演算増幅器Ａ１の反転入力端子が、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点に接続される。つまり、演算増幅器Ａ１の出力電圧が分圧されて反転入力端子に負帰還する。
【００２６】
正電源端子Ｐ１と負電源端子Ｐ２の間に抵抗Ｒ３，Ｒ４が直列に設けられ、この抵抗直列回路が、演算増幅器Ａ１、Ａ２に入力される正電源と負電源との電位を分圧し、分圧電位を出力する。なお、抵抗Ｒ３，Ｒ４は、分圧回路である。さらに、演算増幅器Ａ２の非反転入力端子が、抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点に接続され、分圧電位が入力される。
【００２７】
ここで説明を簡単にするため、負出力端子ＯＵＴＮ、負入力端子ＩＮＮ、演算増幅器Ａ２の出力端子が互いに接続されているが、この点をグランドＧＮＤと称し、基準電位として説明をする。
【００２８】
なお、演算増幅器Ａ１，Ａ２の電源電圧（つまり、正電源端子Ｐ１と負電源端子Ｐ２間の電圧）をＶｓｕｐとし、グランドＧＮＤと正電源端子Ｐ１間の電圧をＶｐ１（以下、正電源電圧Ｖｐ１と呼ぶ）とし、グランドＧＮＤと負電源端子Ｐ２間の電圧をＶｐ２（以下、負電源電圧Ｖｐ２と呼ぶ）とする。
【００２９】
このような増幅器の動作を説明する。
まず、演算増幅器Ａ１の動作を説明する。演算増幅器Ａ１が、図３と同様に、非反転入力端子に入力される入力電圧Ｖｉを安定したゲインで増幅し、出力電圧Ｖｏで出力する。なお、出力電圧Ｖｏと入力電圧Ｖｉの関係は、図３で示したように式（１）となる。
Ｖｏ＝Ｖｉ・（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２      （１）
【００３０】
簡単のため抵抗Ｒ１＝抵抗Ｒ２とすれば、式（１）は式(２)で表され、演算増幅器Ａ１が、２倍のゲインで入力電圧Ｖｉを増幅する。
Ｖｏ＝Ｖｉ・２                        （２）
【００３１】
次に演算増幅器Ａ２の動作を説明する。また、図２は、入力電圧Ｖｉと各部の電圧（グランドＧＮＤを基準）との関係を示した図である。図３に示す増幅器１００は、負出力端子ＯＵＴＮ、負入力端子ＩＮＮは共に、中点電源端子Ｐ３に接続されていた。一方、図１に示す増幅器３００は、負出力端子ＯＵＴＮ，負入力端子ＩＮＮは共に、演算増幅器Ａ２の出力端子に接続される。
【００３２】
また、分圧回路が、電源電圧Ｖｓｕｐの分圧電位を、演算増幅器Ａ２の非反転入力端子に出力する。例えば、抵抗Ｒ３＝Ｒ４とすれば、分圧電位が、正電源電圧Ｖｐ１と負電源電圧Ｖｐ２との中点電位となる。また、演算増幅器Ａ２の反転入力端子と演算増幅器Ａ１の非反転入力端子とが互いに接続され、正入力端子ＩＮＰとも接続されている。そして、入力信号源Ｅｉが、入力端子ＩＮＰ，ＩＮＮ間に接続されている。従って、演算増幅器Ａ２の出力が、入力信号源Ｅｉを介して演算増幅器Ａ２の反転入力端子に負帰還される。
【００３３】
ここで、入力信号源Ｅｉの入力電圧Ｖｉ＝０［Ｖ］の場合を説明すると、演算増幅器Ａ２が、正電源電圧Ｖｐ１と負電源電圧Ｖｐ２との中点を、演算増幅器Ａ２の非反転入力端子の電位と一致するように制御する。このとき各部（入力電圧Ｖｉ、出力電圧Ｖｏ、正電源電圧Ｖｐ１、負電源電圧Ｖｐ２）の電位が、グランドＧＮＤを基準にすると下記になる。
Ｖｉ＝０
Ｖｏ＝０
Ｖｐ１＝＋（１／２）・Ｖｓｕｐ        （３）
Ｖｐ２＝−（１／２）・Ｖｓｕｐ        （４）
【００３４】
次に、入力電圧Ｖｉ＝＋（１／２）・Ｖｓｕｐの場合、各部の電位が下記になる。
Ｖｉ＝＋（１／２）・Ｖｓｕｐ
Ｖｏ＝＋Ｖｓｕｐ
Ｖｐ１＝＋Ｖｓｕｐ                    （５）
Ｖｐ２＝０                            （６）
従って、式（３）、（４）と式（５）、（６）を比べると、電源電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２が正方向に（１／２）・Ｖｓｕｐだけシフトしている。
【００３５】
次に、入力電圧Ｖｉ＝−（１／２）・Ｖｓｕｐの場合、各部の電位が下記になる。
Ｖｉ＝−（１／２）・Ｖｓｕｐ
Ｖｏ＝−Ｖｓｕｐ
Ｖｐ１＝０                            （７）
Ｖｐ２＝−Ｖｓｕｐ                    （８）
【００３６】
従って、式（３）、（４）と式（７）、（８）を比べると、電源電圧Ｖｐ１，Ｖｐ２が負方向に（１／２）・Ｖｓｕｐだけシフトしている。つまり、図２に示すように、演算増幅器Ａ２が、出力電圧Ｖｏの変化をカバーするように、電源電圧Ｖｓｕｐをシフトさせるような動作をする。従って、増幅器３００は、図４に示したＢＴＬ増幅器であるかのように動作し、電源電圧Ｖｓｕｐの２倍の電圧振幅を出力する。つまり、出力電圧Ｖｏを広い範囲まで出力できる。
【００３７】
このように、演算増幅器Ａ１，Ａ２が、共通の電源Ｅ１で動作する。そして、演算増幅器Ａ２が、増幅器３００の出力電圧（演算増幅器Ａ１の出力電圧）Ｖｏの変化をカバーするように電源Ｅ１の電源電圧Ｖｓｕｐをシフトさせる。すなわち、入力信号源Ｅ１の入力電圧Ｖｉに追従して正電源電圧Ｖｐ１，負電源電圧Ｖｐ２をシフトさせる。これにより、増幅器３００は、電源電圧Ｖｓｕｐよりも大きな振幅（本実施例では、２倍）の出力電圧Ｖｏを出力する。また、演算増幅器Ａ１、Ａ２共に共通の基準電位（本実施例では、グランドＧＮＤ）で動作する。従って、入出力信号が共にシングルエンド信号であっても、電源電圧よりも大きな出力電圧を出力することができる。
【００３８】
また、演算増幅器Ａ１、Ａ２の正電源入力端子、負電源入力端子のそれぞれが、共通に接続されるので、図３に示す増幅器１００と比較して、電源Ｅ１が１個ですむ。
【００３９】
また、図４に示すＢＴＬ増幅器２００と比較して、増幅器３００への入力、出力ともにＤＣ結合であって、結合コンデンサＣ１が不要となる。さらに、入力信号が、演算増幅器Ａ１，Ａ２に入力されるので、入力インピーダンスが高くなる。
【００４０】
つまり、図３、図４の問題点を解消した上で、両者の長所を併せ持つ増幅器３００となっている。
【００４１】
そして、増幅器３００は、電源電圧Ｖｓｕｐよりも大きな出力電圧振幅となる。これにより、低電源電圧・低消費電力のオーディオ・パワーアンプを利用するもの、例えば、携帯電話端末、ポータブルカセットデッキ、携帯型ラジオ等に広く用いることができる。また、シングルエンド入出力でありながら、精度のよい大振幅が得られるので、バッテリー駆動の可搬型測定器の出力増幅回路、センサ回路等にも適している。
【００４２】
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
抵抗Ｒ１＝抵抗Ｒ２として説明をしたが、抵抗値は等しくなくともよい。同様に抵抗Ｒ３＝抵抗Ｒ４として説明をしたが、抵抗値は等しくなくともよい。
【００４３】
また、説明を簡単にするために、負入力端子ＩＮＮ、負出力端子ＯＵＴＮ、演算増幅器Ａ２の出力の共通点をグランドＧＮＤとして扱ったが、グランドＧＮＤにしなくともよい。
【００４４】
さらに、演算増幅器Ａ２と抵抗Ｒ３，Ｒ４による部分は、電源Ｅ１の正電源電圧Ｖｐ１、負電源電圧Ｖｐ２をシフトさせる目的で動作するので、演算増幅器Ａ２と抵抗Ｒ３，Ｒ４は、高精度な部品とする必要がない。つまり、出力信号となる出力電圧の精度は、演算増幅器Ａ１，抵抗Ｒ１，Ｒ２によって決定されるので、ここだけを注意して部品選定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】図１に示す装置における各部の電圧を示した図である。
【図３】従来の増幅器の構成を示した図である。
【図４】従来のＢＴＬ増幅器の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００４６】
３００  増幅器
Ａ１  第１の演算増幅器
Ａ２  第２の演算増幅器
Ｒ１〜Ｒ４  抵抗
【図１】
2006060441.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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