(57)【要約】      （修正有）【課題】デジタル的な素子や回路を使用せず、指示電圧に対しての電圧電流変換器の切り替えを行うことなく、広範囲な出力電流をえることのできる電圧電流変換回路を提供する。【解決手段】電圧を変換して電流を発生させる電圧電流変換回路１は、電流の電流値を決定する決定手段が、電流に対する電圧の特性が対数特性である対数素子で構成されている。対数素子は、ダイオードまたは対数アンプで構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を変換して電流を発生させる電圧電流変換回路であって、
前記電流の電流値を決定する決定手段が、電流に対する電圧の特性が対数特性である対数素子で構成されている
ことを特徴とする電圧電流変換回路。
【請求項２】
前記対数素子が、ダイオードである
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧電流変換回路。
【請求項３】
前記対数素子が、対数アンプである
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧電流変換回路。
【請求項４】
前記発生された電流が、ＬＥＤの駆動電流である
ことを特徴とする請求項１に記載の電圧電流変換回路。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載の電圧電流変換回路を用いたインピーダンス測定用電圧電流変換回路であって、
前記発生された電流が、インピーダンスの測定電流である
ことを特徴とするインピーダンス測定用電圧電流変換回路。
【請求項６】
前記変換される電圧が交流電圧であって、前記対数素子が極性ごとに配置された構成であり、前記発生された電流が、前記交流電圧を変換して発生された交流電流である
ことを特徴とする請求項５に記載のインピーダンス測定用電圧電流変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指示電圧に対して広範囲の電流を発生する電圧電流変換技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、照明の技術分野において、白熱電球や蛍光灯に代えて、ＬＥＤを光源とする照明が普及している。従来の白熱電球や蛍光灯は広範囲に照度を調整しようとすると、発光波長が変わったり発光が止まったりするため、照度調整の範囲に制限があった。これに比べてＬＥＤ照明は、ＬＥＤに流れる電流を調整すれば、白熱電球や蛍光灯に比べて広範囲に照度を調整できる利点がある。
【０００３】
このため、広範囲に電圧電流変換できる技術が要望されている。また、人間の視力は照度を対数的に感じるため、指数的に電流を制御する技術が望まれていた。
また、計測器の分野でも広範囲の抵抗値やインピーダンスを測定するために、広範囲に電流発生できる技術が要望されており、自動測定のためには制御電圧の変化範囲が狭くても広範囲の電流発生が可能な指数的な電圧電流発生技術が望まれていた。
【０００４】
このため、広範囲の電流発生や広範囲のインピーダンス測定を可能とする技術として、特許文献１〜特許文献４に記載の発明が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５５９６２３６号公報
【特許文献２】特許第５２５３３０９号公報
【特許文献３】特開２０１３−５１１４６号広報
【特許文献４】実開昭５３−０７２５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、「スイッチ素子ＳＷ」の「オン期間」と「オフ期間」を制御する「スイッチ制御信号ＧＡＴＥ」を電圧パルス信号で生成し、この電圧パルス信号のデュティを調整して、「ＬＥＤ素子Ａ」に流す電流のデュティを制御することにより、広い範囲の調光を実現することが記載されている（図３参照。）。これは人間の目が高速な点滅に対して追従しないことを利用して、電流のデュティ値を変化させて電流の平均値を変化させているものである。例えば、電圧パルス周期が１ｍｓｅｃの調光制御において、点灯デュティを１μｓｅｃ程度まで狭めることは容易であり、１０００倍の調光が簡単に実現できる。ＬＥＤ照明は市場が大きいため、このデュティ調整機能を持ったＩＣが数多く販売されており３０００：１程度の調光性能を謳ったものも多い。しかしながら、デュティ変化で調光を行う方式では、光源が点滅しているため、平均化処理する人間の目では点滅が分からなくても、ビデオカメラのように画像をサンプリング取り込みしているような場合は、ＬＥＤの点滅周期とビデオカメラのサンプリング周期の関係で、画面が点滅したり、映らなかったり、縞模様が入ったりしてしまう欠点があった。
【０００７】
特許文献２は、広範囲の照度の「調光指示」を行うもので、「調光ボリューム」の角度変化に比例した調光指示電圧を変換テーブルを利用して指数的な調光指示電圧に変換している。このため「調光ボリューム」の「回転角」の変化に対して指数制御を行うため、「調光ボリューム」からの調光指示電圧（「操作指示信号」）を読み込むＡ／Ｄ変換回路、そのＡ／Ｄ値を広範囲の調光制御信号に変換するＲＯＭテーブル、そしてＲＯＭテーブルで変換された調光制御信号を基に調光を行う調光回路、これらをコントロールするＣＰＵ回路が必要で、回路系にデジタル回路を使用する必要が生じてアナログ部品だけですまなくなり、回路が複雑化するという欠点があった。
また、指数的に変化しているのは指示電圧側であり、電圧電流変換回路は指数的な動作をしていない。
【０００８】
特許文献３も照度の調整指示を広範囲に行うものであるが、調光可変抵抗の角度変化をダイオードの非直線性を利用して比較的広範囲の調光指示電圧値に変換している。特許文献３では、特許文献２と異なり、アナログ的処理で指数的な調光指示電圧を発生しているためＡ／ＤやＤ／Ａと制御用のデジタル回路が不要となっている。しかしながら、特許文献３でも指数的に変化しているのは指示電圧側であり、電流を決める回路は抵抗素子で構成されているので、電圧電流変換部は指数的な動作をしていない。特許文献３の方式は簡易ではあるが、抵抗で分圧された電圧を使うため対数としての直線性が無く、２桁を超えるような電流範囲の調整は難しいという欠点があった。人間の視覚のように屋外は数十万ｌｕｘで暗所では１０ｌｕｘと１万倍もの照度差をカバーするには、もっと広い範囲の調光が必要となる。
【０００９】
特許文献４は、「ＩＣ１はツインＦＥＴＱ１，Ｑ２とともに、被測定試料Ｒｘ流れる電流を対数化し電圧に変換し」、広範囲の電流測定を可能としているものであり、電流を発生する手段ではない。
【００１０】
図１２に、従来、一般的に用いられている電圧電流変換回路であって、点滅が無いアナログ的な電圧電流変換回路１００を示す。
電圧電流変換回路１００の指示電圧Ｖ１０３はオペアンプ１０１のプラス入力端子に入力され、オペアンプ１０１の出力は発光素子であるＬＥＤ１０１と抵抗Ｒ１０９の直列回路に接続され、抵抗Ｒ１０９はＧＮＤと接続されている。ＬＥＤ１０１と抵抗Ｒ１０９の接続点は、オペアンプ１０１のマイナス入力に接続されている。指示電圧Ｖ１０３で指示された電圧に従ってオペアンプ１０１の出力と抵抗Ｒ１０９間に変換電流Ｉが流れる。
【００１１】
オペアンプ１０１の出力と抵抗Ｒ１０９間には変換電流Ｉを流す対象素子であるＬＥＤ１０１が接続されている。
ＬＥＤ１０１に流れる変換電流Ｉは、電圧源１０８を抵抗１０５と回転可変抵抗１０６とで分圧された指示電圧Ｖ１０３と抵抗Ｒ１０９の上端の電圧Ｖ１０４とが等しくなるように、オペアンプ１０１が変換電流Ｉを制御する。回転可変抵抗１０６の分圧値を調整することで指示電圧Ｖ１０３は、０（Ｖ）からＶ１０２の電圧まで変化する。なお、回転可変抵抗は、回転ボリューム、又は、単に、ボリュームともいい、調光器に用いられるものは、上記の特許文献２に記載されているように、調光ボリュームともいう。
【００１２】
ここでＶ１０４＝Ｖ１０３なので、
Ｉ  ＝  Ｖ１０３／Ｒ１０９・・・（１）
となるようにオペアンプ１０１は変換電流Ｉを制御する。
（１）式から分かるように、この電圧電流変換回路１００では、指示電圧Ｖ１０３の電圧値と抵抗Ｒ１０９の抵抗値により、変換電流Ｉの電流値が決まる。
このため、指示電圧Ｖ１０３をＶ１０２の１／１０にすれば、変換電流Ｉは最大電流の１／１０になり、指示Ｖ１０３をＶ１０２の１／１００にすれば、変換電流Ｉは最大電流の１／１００になる。
【００１３】
回転可変抵抗１０６は、一般的に、分圧値が回転角に比例するように作られている。
変換電流Ｉの最大値を１とした場合に変換電流Ｉを１から１／１０まで変化させる回転可変抵抗１０６の回転角は約３２５度幅変化となるが、１／１０から１／１００では約３３度の回転角度変化となり１／１００以下の調整には約３度の回転角度変化となる。これは、変換電流Ｉを１から１／１０まで変化させる場合は調整が容易にできるが、１／１０から１／１００調整は難しくなり、１／１００以下では微妙になりすぎて使えず、実際には１から１／３０程度までの３０倍程度しか調整できないという欠点があった。このため変換電流Ｉを１から１／１０００程度まで調整する場合には、抵抗Ｒ１０９を切り替えスイッチで切り替えて変換電流値の大きい側３０倍と小さい側３０倍に分ける必要があり、使い勝手が悪くなる。さらに２つに分けても、それぞれの電流調整の大きい側は調整がゆるく、１／３０側は変化が激しいので、使い勝手は非常に悪くなってしまうという欠点があった。さらに４桁の変化を得ようとすると、抵抗Ｒ１０９の切り替えを３段階にする必要が生じて、使い勝手はさらに悪化してしまう。
【００１４】
そして、３０倍ごとに抵抗を切り替えたとしても、低い変換電流側の制御電圧は大きい変換電流側の１／３０となるため、指示電圧Ｖ１０３や電圧Ｖ１０４の信号レベルが下がってしまう。逆にもし変換電流が最小の場合の指示電圧Ｖ１０３を扱いやすい１００ｍＶに設定すると上限側の制御電圧は３．３Ｖレベルになり、一般的なＬＥＤの順方向電圧と近い値になる。そうするとＬＥＤ１０１の発光電力と電流決定素子である抵抗Ｒ１０９の消費電力がＬＥＤと同じレベルになり、発光効率が悪い回路になってしまうという欠点があった。また、広範囲に電流を発生するために切り替えスイッチを用いると、切り替え用の部品が必要になることと、切り替えスイッチ部の絶縁やオン抵抗性能が問題になるという欠点があった。
【００１５】
そこで、本発明は、上記の従来技術の欠点を解決するためになされたものであり、デュティ変化やデジタル的な要素（素子、回路）が無くても、指示電圧に対しての電圧電流変換の切り替えもなくても指示電圧に対して広範囲な指数的な電流発生を可能とする電圧電流変換技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電圧を変換して電流を発生させる電圧電流変換回路であって、前記電流の電流値を決定する決定手段が、電流に対する電圧の特性が対数特性である対数素子で構成されていることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電圧電流変換回路あって、前記対数素子が、ダイオードであることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電圧電流変換回路あって、前記対数素子が、対数アンプであることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の電圧電流変換回路あって、前記発生された電流が、ＬＥＤの駆動電流であることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４に記載の電圧電流変換回路を用いたインピーダンス測定用電圧電流変換回路であって、前記発生された電流が、インピーダンスの測定電流であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のインピーダンス測定用電圧電流変換回路であって、前記変換される電圧が交流電圧であり、前記対数素子が極性ごとに配置された構成であり、前記発生された電流が、前記交流電圧を変換して発生された交流電流であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電圧電流変換回路によれば、デュティ変化やデジタル的な要素（素子、回路）や指示電圧に対しての電圧電流変換抵抗の切り替えを不要として、指示電圧に対して指数的に広範囲の電流発生を可能とすることができるという顕著な効果を奏することができる。
【００２３】
また、本発明のインピーダンス測定用電圧電流変換回路によれば、指示電圧に対しての電圧電流変換抵抗の切り替えが不要に成るため切り替え回路に依って生じる測定誤差の影響を生じずに、インピーダンス測定に必要な広範囲の電流発生を指示電圧に対して指数的に発生することができるという顕著な効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態の電圧電流変換回路の回路図である。
【図２】ダイオード１Ｎ４１４８の電流対電圧特性を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態の電圧電流変換回路の回路図である。
【図４】本発明の第３実施形態の電圧電流変換回路の回路図である。
【図５】本発明の第３実施形態の変形例の電圧電流変換回路の回路図である。
【図６】本発明の第４実施形態の電圧電流変換回路の回路図である。
【図７】対数アンプＬＯＧ１１２の電流対電圧特性を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態の変形例の電圧電流変換回路の回路図である。
【図９】本発明の第５実施形態の交流用の電圧電流変換回路の回路図である。
【図１０】図９の回路における指示電圧と変換電流の数値例を示す図である。
【図１１】本発明の第６実施形態の交流用の電圧電流変換回路の回路図である。
【図１２】一般的なＬＥＤ電圧電流変換回路の回路図である。
【図１３】一般的な計測用電圧電流変換回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、好適な実施形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、下記の実施形態は本発明を具現化した例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。
（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態の電圧電流変換回路１の回路図を示す。図１は図１２の電圧電流変換回路１００の変換電流値Ｉを決定する部分である抵抗Ｒ１０９に代えて、対数素子を用いた構成である。なお、従来、「素子」とは、抵抗、コンデンサ、コイル、ダイオード、トランジスタ等の単一素子のことを指し、これらの「素子」を複数組み合わせて構成されたものを「回路」と称しているが、最近では、複雑な機能を持つＩＣ（集積回路）も「素子」と称することがあるので、本発明でも、例えば、「対数アンプ」を「対数素子」のように表現することがある。
電圧電流変換回路１は、指示電圧Ｖ３をオペアンプ４のプラス入力端子に接続して、オペアンプ４のマイナス入力端子を対数素子であるダイオードＤ１のアノード側と接続している。ダイオードＤ１のカソードはＧＮＤに接続して、対数素子であるダイオードＤ１に流れた電流に依って生じるダイオードＤ１電圧Ｖ４が指示電圧Ｖ３と同じくなる変換電流Ｉをオペアンプ４の出力とダイオードＤ１のアノード間に流す。
【００２６】
図１では指示電圧Ｖ３は電圧源８を抵抗５と回転可変抵抗６と抵抗７で分圧して作成している。なお、特に断りの無い限り、「抵抗」は、「固定抵抗」又は「半固定抵抗」を意味するものとする。以下、同様である。
指示電圧Ｖ３で指示される変換電流Ｉはオペアンプ４の出力よりＬＥＤ１とダイオードＤ１を通して流れる。オペアンプ４はダイオードＤ１のアノード電圧Ｖ４と指示電圧Ｖ３の電圧が等しくなるように制御することによって、変換電流Ｉが決定される。図２には図１で使うダイオードの一例として、市販のシリコン製の小信号用ダイオード１Ｎ４１４８の順方向電流と順方向電圧の関係（電圧対電流特性）を示す。電流範囲が広いので、電圧対電流特性を、図２（ａ）と図２（ｂ）の２つの図に分けて示している。
【００２７】
ここで、抵抗５と回転可変抵抗６と抵抗７のそれぞれの抵抗値に応じて生成される可変抵抗６の下端電圧Ｖ１を図２（ａ）の１μＡ時の順方向電圧２７５ｍＶにして、可変抵抗６の上端電圧Ｖ２を図２（ｂ）の１０ｍＡ時の７７５ｍＶにすると、ＬＥＤ１に流れる変換電流Ｉは回転可変抵抗６の回転角に応じて１μＡから１０ｍＡまで４桁に渡って指数的に変化する。その場合の対数直線性は、図２に示すように非常に良好となる。例えば回転可変抵抗６が中央値の場合、指示電圧Ｖ３は（２７５＋７７５）／２＝５００ｍＶとなるが、５００ｍＶ時の順方向電圧に対応する電流は、図２（ａ）の右端縦軸１００μＡと、図２（ｂ）の左端縦軸の０．１ｍＡとなり、１μＡから１０ｍＡの対数中心値に一致する。
【００２８】
このように、変換電流値の決定部を、ダイオードのような電流値に対して電圧が対数特性を有する対数素子で構成することにより、変換電流値の決定部の切り替え素子・回路等を用いることなく広範囲に渡って指示電圧Ｖ３の変化に対して指数特性で電流値を設定できる。
【００２９】
この時４桁（１μＡ〜１０ｍＡ）の変化に対して３６０度の可変抵抗回転角を割り当てると１桁変化に９０度が確保できる。そのうえ、変化角度当たりの指数変化の直線性が良いので、人間にとって調整感覚が良いものとなり、図１３に示した従来技術のように抵抗部２０９を切り替える方式に比べて、格段に使い勝手が良くなる。そして、変換電流Ｉの制御はオペアンプ４でアナログ的に行われるため変換電流Ｉには点滅成分は無く、特許文献１に示すデュティ制御のような問題は生じない。また、特許文献２に示すようなデジタル回路も不要であり、特許文献３のような不十分な対数特性や制御範囲の狭さも無い。
【００３０】
ここで、ダイオードとしては、通常のダイオードでも良いが、トランジスタのＢ−Ｅ間やＢ−Ｃ間をダイオードとして用いると対数の直線性を改善できる場合もある。また、ＭＯＳＦＥＴのゲート電圧とソース電流の対数特性領域を利用しても良い。
【００３１】
ダイオードの順方向電圧は一般的にシリコンの場合は０．６Ｖであり、ＬＥＤの順方向電圧の１／５程度となるため、シリコン製のダイオードを用いることで、ＬＥＤの消費電力に対して電流検出部での電力ロスが小さくできて高効率の発光制御ができる。さらに、ダイオードにショットキーバリアダイオードを用いれば、順方向電圧を０．４Ｖ程度にできるため、さらに発光効率を上げることができる。
【００３２】
ここで、ダイオードの対数特性は温度で変化するので、図１の電圧電流変換回路１を、温度が変化が大きい環境で使用するときは、温度補償回路を設けるとよい。ダイオードの順方向電圧の温度特性は、温度上昇に対して順方向電圧は約−２．２ｍＶ／℃で変化して、電流変化に対しては約＋０．３３％／℃となる。また、オペアンプの出力電流は数十ｍＡが一般的であり、アンペア級の電流を流すには電流バッファが必要となる。
【００３３】
（第２実施形態）
図３に、本発明の第２の実施形態の電圧電流変換回路１０を示す。電圧電流変換回路１０は、図１の第１実施形態の電圧電流変換回路１に、電流バッファと、ダイオードの温度補償回路を追加した構成である。電流のバッファとしては、ＭＯＳＦＥＴ１２を追加している。図３では、ダイオードＤ１とダイオードＤ２とＰＣＴサーミスタ１３を熱結合させて構成し、対数素子であるダイオードＤ１とダイオードＤ２との差電圧を差動アンプ１７で増幅して出力し、その出力をＰＴＣサーミスタ１３と抵抗１２で分圧している。ダイオードＤ２には、電圧源１８と抵抗１１により作成される基準となる定電流Ｉｒｅｆを流している。２つのダイオードＤ１，Ｄ２の差電圧を取ることで、順方向電圧の温度変化成分の影響を防いでいる。ＰＴＣサーミスタ１３は、電流変化に対する感度変動成分の約＋０．３３％／℃を打ち消す値を選ぶ。この構成により、ダイオードの順方向電圧の温度変化成分を打ち消すことができて、温度に敏感な半導体素子を使っても、温度依存性がなく安定した指数電流発生を実現することができる。
【００３４】
また、温度の影響を受けない方法として、ダイオードＤ２やＰＴＣサーミスタを用いずに対数素子であるダイオードＤ１の温度を一定になるように温度制御しても良い。
【００３５】
また、変換電流Ｉを流す対象素子がＬＥＤの場合には、ＬＥＤの照度温度特性をカバーするような回路機能を追加しても良い。
【００３６】
以上、本発明の電圧電流変換技術の用途としてＬＥＤ照明への応用を示してきたが、広範囲の電圧電流変換技術の他の用途として、計測技術への用途にも応用することができる。以下、本発明の電圧電流変換回路を計測回路に用いた構成について説明する。
【００３７】
図１３には、広範囲の未知抵抗Ｒｘを求める一般的な測定回路を示す。
未知抵抗測定用の電流を発生する電圧電流変換回路２００は、指示電圧Ｖ２０３をオペアンプ２０１でバッファして指示電圧Ｖ２０３を抵抗部２０９に電圧Ｖ２０４として与えて、抵抗部２０９に流れた電流をＩ／Ｖ変換動作のオペアンプ２０２で発生している。
【００３８】
未知抵抗Ｒｘの抵抗値は、未知抵抗Ｒｘが帰還抵抗として用いられているオペアンプ２０２の出力電圧Ｖｏｕｔを未知抵抗Ｒｘに流れる変換電流Ｉで割った値となる。これはオペアンプ２０２のマイナス入力端子は、オペアンプのイマジナリーショート動作で零電圧（接地電圧）となっているため、出力電圧Ｖｏｕｔは変換電流Ｉが流れた場合のＲｘの電圧降下を示すためである。
ただし出力電圧Ｖｏｕｔは、負側に振れるため、
Ｒｘ  ＝  −Ｖｏｕｔ／Ｉ
で示される。
【００３９】
ここで、Ｉは、オペアンプ２０１の出力電圧Ｖ２０４を、切り替え抵抗部２０９中の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のうち、選択された抵抗の合成抵抗値で割った値となる。オペアンプ２０１はバッファ動作の為、Ｖ２０４＝Ｖ２０３となっている。このため、未知抵抗Ｒｘに流れる変換電流Ｉは、指示電圧Ｖ２０３と抵抗部２０９の中で選択されている抵抗をＲ２０９とすると、（１）式と同様に、
Ｉ  ＝  Ｖ２０３／Ｒ２０９
で決まる。
今、指示電圧Ｖ２０３を、回転可変抵抗２０６により１００ｍＶから１Ｖ変化させ、抵抗Ｒ１が１ｋΩ、抵抗Ｒ２が１０ｋΩ、抵抗Ｒ３が１００ｋΩ、抵抗Ｒ４が１０００ｋΩとすると、抵抗部２０９の抵抗を切り替えていくと変換電流Ｉを１ｍＡから０．１μＡの５桁に渡って変化させることができる。もしＶｏｕｔを精度ある状態で０．５Ｖから５Ｖで測定することができれば、５０ＭΩから５００Ωの６桁に渡って抵抗値を測定できる。
【００４０】
しかしながら、図１３の未知抵抗測定電流発生用回路２００では、広範囲の抵抗値測定のためには、抵抗部２０９の切り替え作業が生じてしまい、最適な抵抗選択に至るのに時間を要する。
【００４１】
また、切り替えを電子化して自動測定を行う場合は、切替部の漏れ電流が問題になる。電子的な切り替え素子として、市販されている７４ＨＣ４０５１のスイッチ間の漏れ電流は最大数μＡレベルと規定されている。このため、７４ＨＣ４０５１を使用すると、Ｉには数μＡの誤差が混入してしまい、高抵抗の測定は困難である。また、電流を多く流すような低抵抗測定の場合は、Ｒ１の値が１ｋΩ以下になるが、７４ＨＣ４０５１のオン抵抗は数百Ωあるため、Ｒ１に数百Ωの誤差が混入することになり、低抵抗の測定も難しいという欠点がある。
【００４２】
（第３実施形態）
図４に、本発明の第３実施形態である未知抵抗測定用電圧電流変換回路２０を示す。
未知抵抗測定用電圧電流変換回路２０は、切り替えスイッチ無しに未知抵抗Ｒｘを測定する回路である。
未知抵抗測定用の電流を発生する電圧電流変換回路２０は、指示電圧Ｖ３をオペアンプ２１でバッファして指示電圧Ｖ３を対数素子であるダイオードＤ１の電圧Ｖ２４として与えて、対数素子であるダイオードＤ１に流れた電流をＩ／Ｖ変換動作のオペアンプ２２で発生している。
【００４３】
未知抵抗測定用回路２０では、図１３で用いられていた電流値を決定する切り替え抵抗部２０９を、電流に対して電圧が対数特性を有する対数素子で置き換えている。
またダイオードＤ１の電圧Ｖ２４と等しい指示電圧Ｖ３は電圧源２８を抵抗２５、可変抵抗２６、抵抗２７で分圧した値であり、以下では指示電圧Ｖ３を２７５ｍＶから７７５ｍＶに可変できるように抵抗２５、可変抵抗２６、抵抗２７を決めた場合で説明する。
ここで、対数素子であるダイオードＤ１として図２に示す特性の１Ｎ４１４８を使えば、ダイオードＤ１の電圧Ｖ２４を２７５ｍＶにすれば１μＡの電流Ｉが未知抵抗Ｒｘに流れ、ダイオードＤ１の電圧Ｖ４を５００ｍＶにすると０．１ｍＡとなり、７７５ｍＶにすると１０ｍＡの電流を流すことができる。オペアンプ２２のマイナス入力端子はＧＮＤに接続されたプラス入力端子と同電圧になるように制御されるのでダイオードＤ１に流れた電流Ｉは未知抵抗Ｒｘにそのまま流れるのでオペアンプ２２の出力電圧Ｖｏｕｔは電流Ｉが未知抵抗Ｒｘに流れた場合の未知抵抗Ｒｘの電圧降下を示す。
もし出力電圧Ｖｏｕｔを精度ある状態で０．５Ｖから５Ｖで測定できれば、電流は１μＡから１０ｍＡまで発生可能なので５０ＭΩから５０Ωの６桁に渡って測定できる。このため、図１３に示すような抵抗切り替え回路が不要となり、切り替えスイッチによるスピード低下や測定誤差の増大の問題を解決できて広範囲の抵抗測定を容易に行うことができる。
このときに、ダイオードＤ１の温度を一定になるように制御したり、図３のようにダイオードＤ１の温度変化を補正する回路を使えば、温度変化の影響を受けず広範囲の電流Ｉを発生できる。
【００４４】
（第３実施形態の変形例）
図５に図４の回路の変形例を示す。
未知抵抗測定用の電流を発生する電圧電流変換回路３０は、指示電圧Ｖ３をオペアンプ３１のマイナス入力端子に入力して、オペアンプ３１のプラス入力端子には対数素子であるダイオードＤ１の電圧に相当するＶ３４が入力されている。オペアンプ３１の出力電流は、電流を流す対象素子Ｒｘを通過後にオペアンプ３２のマイナス入力端子から対数素子であるダイオードＤ１に流れている。オペアンプ３２のプラス入力端子はＧＮＤに接続されているので、オペアンプ３２の出力Ｖ３４はダイオードＤ１の電圧を示す。
【００４５】
図５では、オペアンプ３１は、電圧源３８を抵抗３５と抵抗３７と回転可変抵抗３６で分圧指示された指示電圧Ｖ３と未知抵抗Ｒｘを流れた電流Ｉによって生じるダイオードＤ１の電圧Ｖ３４が等しくなるように出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。オペアンプ３２のマイナス側入力はオペアンプのイマジナリーショート動作のため、出力電圧Ｖｏｕｔは電流Ｉが流れた場合の未知抵抗に生じる電圧値を示している。このため、
Ｒｘ  ＝  Ｖｏｕｔ／Ｉとなる。
電流値Ｉを決定するオペアンプ３２の出力電圧Ｖ３４は、電流値Ｉが流れた場合に生じるダイオードＤ１の対数特性電圧で決まるため、指示電圧Ｖ３の電圧を変換電流Ｉが流れた場合のダイオード電圧にすることにより、指示電圧Ｖ３に対して指数的に電流値を発生できる。
ここでも、変換電流値を決定する回路構成部として、電流に対して対数特性を有する対数素子を使用することで、指示電圧Ｖ３に対して指数的に変化する電圧電流変換を実現することができている。
【００４６】
（第４実施形態）
ここまで、電流に対しての電圧が対数的になる対数素子としてダイオードを例として示して来たが、入力電流に対して対数電圧出力が得られる素子として対数アンプを使うと、より広範囲により対数直線性が良く、温度の影響の無い回路が得られる。
【００４７】
図６に、本発明の第４実施形態の未知抵抗測定用電圧電流変換回路４０を示す。
未知抵抗測定用の電流を発生する電圧電流変換回路４０の指示電圧Ｖ３はオペアンプ４１のプラス入力端子に入力され、オペアンプ４１のマイナス入力端子には対数素子である対数アンプ４２の出力電圧Ｖ４４が入力されている。オペアンプ４１の出力電流は対数アンプの電流入力端子Ｉｉｎへ流れている。対数アンプの電流基準入力ＩＧＮＤはＧＮＤに接続されている。
【００４８】
未知抵抗測定用電圧電流変換回路４０に、対数特性の素子である対数アンプ４２としてテキサス・インスツルメンツ社のＬＯＧ１１２を用いた例を示す。ＬＯＧ１１２は図５のオペアンプ３２とダイオードＤ１からなる回路に温度補償回路を組み込んだ上に、もっと直線性の良い広範囲の対数特性出力を持った動作となっている。図６は図５のオペアンプ３２とダイオードＤ１からなる回路と置き換わった構成と成っている。ただしＬＯＧ１１２は対数アンプの電流入力端子Ｉｉｎへ流れる電流と同じ極性の出力電圧と成るため、オペアンプ４１の入力端子の極性は図５のオペアンプ３１の極性と逆にしてある。
図７は、ＬＯＧ１１２の電流入力に対する出力電圧特性グラフである。ここで図７の横軸はμＡの単位である。ＬＯＧ１１２は、入力電流を入力部電圧零で取り込んで、その電流値を図７のグラフに示したように０．５Ｖ／桁で電圧変換する特性を持っている。図７のグラフでは、電流が１００ｐＡ時に−２Ｖ、１ｎＡ時に−１．５Ｖ、１０ｎＡ時に−１Ｖ、１００ｎＡ時に−０．５Ｖ、１μＡ時に０Ｖ、１０μＡ時に＋０．５Ｖ、１００μＡ時に＋１Ｖ、１ｍＡ時に＋１．５Ｖ、１０ｍＡ時に＋２Ｖが出力される。図６では、対数アンプ４２（ＬＯＧ１１２）の出力Ｖ４４が電圧源４８を回転可変抵抗４６で分圧した電圧と同じになるようにオペアンプ４１の出力Ｖｏｕｔが制御される。ここでは電圧源４８は対数アンプ４２（ＬＯＧ１１２）の出力電圧範囲と同じ±２Ｖに接続されている。
Ｖｏｕｔは未知抵抗Ｒｘの一端側に接続されており、未知抵抗Ｒｘの他端側は、対数アンプ４２（ＬＯＧ１１２）の電流入力端子Ｉｉｎに接続されている。
対数アンプ４２（ＬＯＧ１１２）の電流入力端子ＩｉｎはＬＯＧ１１２の入力特性の関係で０Ｖとなっているため、未知抵抗Ｒｘは、
Ｒｘ＝Ｖｏｕｔ／Ｉ
で求めることができる。ここでも変換電流Ｉは、指示電圧Ｖ３と対数特性を有する対数素子である対数アンプＬＯＧ１１２の電流電圧特性により決まっている。
【００４９】
この回路で回転可変抵抗４６のダイヤルを回せば、未知抵抗Ｒｘに流す変換電流Ｉは１００ｐＡから１０ｍＡに設定できるため、もしオペアンプ４１の出力Ｖｏｕｔを精度ある状態で０．５Ｖから５Ｖで測定できれば、５０ＴΩから５０Ωの９桁に渡って切り替え無しで未知抵抗が測定できる。このときに、１桁当たり５００ｍＶが割り当てられるので、一般的なオペアンプの１ｍＶ程度の誤差は影響を受けずに済むため、一般的な部品を使いながら高精度の測定が可能となる。ダイオードで必要だった温度補償も、対数素子であるＬＯＧ１１２の中で行われるため、別に温度補正の回路を設ける必要も無い。
【００５０】
（第４実施形態の変形例）
図８に、第３実施形態の未知抵抗測定用電圧電流変換回路４０の変形例である未知抵抗測定用電圧電流変換回路５０を示す。
未知抵抗測定用の電流を発生する電圧電流変換回路５０の指示電圧Ｖ３はオペアンプ５１のプラス入力端子に入力され、オペアンプ５１のマイナス入力端子には対数素子である対数アンプの出力電圧Ｖ５４が入力されている。オペアンプ４１の出力電流は対数アンプの電流入力端子Ｉｉｎへ流れている。対数アンプの電流基準入力ＩＧＮＤはＧＮＤに接続されている。
【００５１】
未知抵抗測定用の電圧電流変換回路５０は、対数アンプ５２を未知抵抗Ｒｘの電流経路に設けずにいながら、第３実施形態と同様に、指示電圧Ｖ３に対して明確な指数電流を発生する回路である。
未知抵抗Ｒｘ測定用の電流Ｉを発生する電圧電流変換回路５０の指示電圧Ｖ３はオペアンプ５１のプラス入力端子に入力され、オペアンプ５１のマイナス入力端子には対数素子である対数アンプ５２の出力電圧Ｖ５４が入力されている。オペアンプ５１の出力電圧Ｖ５５はデュアルダイオード５４のダイオードＤ３及びダイオードＤ４のアノードに接続され、ダイオードＤ４のカソードは対数アンプ５２の電流入力端子Ｉｉｎへ接続されている。一方のダイオードＤ３のカソードは、プラス入力がＧＮＤに接続されたオペアンプ５３のマイナス入力端子及び未知抵抗Ｒｘに接続されている。
【００５２】
ここで、ダイオード５４（Ｄ３、Ｄ４）は、同じ特性を持ったデュアルダイオードである。ダイオード５４（Ｄ３、Ｄ４）は同じ特性であるため、指示電圧Ｖ３で設定された電圧を指数変換した電流Ｉ２と、未知抵抗Ｒｘに流れる変換電流Ｉとは、同じ値になる。
尚、ここではダイオード５４は電流発生の対数素子としては働いておらず同一電流を分流させる動作である。
このため、Ｉ＝Ｉ２となり
Ｒｘ  ＝  Ｖｏｕｔ／Ｉ２
で未知抵抗Ｒｘを求めることができる。オペアンプ５１により、対数アンプ５２の出力電圧Ｖ５４の電圧が、指示電圧Ｖ３と一致するように制御されるので、電流Ｉ２は指示電圧Ｖ３に対して指数的に変化する電流となる。結果的に、変換電流Ｉは、指示電圧Ｖ３と指数的な関係で決まる。ここでも変換電流Ｉは対数特性を有する対数素子である対数アンプ５２の電流電圧特性により決まっている。
【００５３】
このような構成にする理由は、対数アンプはオペアンプより複雑なため、図６電圧電流変換回路４０において、未知抵抗Ｒｘまでの配線の影響を受けやすいためである。図８の電圧電流変換回路５０は、図６のような未知抵抗Ｒｘが対数アンプ４２に直接接続される構成よりも、より安定な動作が期待できる。
【００５４】
（第５実施形態）
ここまで、変換電流の設定を行う指示電圧を可変抵抗により生成される例で示してきたが、可変抵抗で設定していた指示電圧Ｖ３を、Ｄ／Ａコンバーターなどを使うことにより電子的（デジタル的）に設定すれば、照明の自動調光や未知抵抗測定の電流を自動設定を行うことができる。
【００５５】
その場合、指示電圧Ｖ３を指数変換された変換電流が交流電流になるような指示電圧波形Ｖ３にしておけば、未知抵抗Ｒｘだけでなく未知インピーダンスＺｘの測定も可能になる。広範囲の交流電流が発生できることにより、広範囲の未知インピーダンス測定を実現することができる。
尚、未知インピーダンスＺｘ測定の中には未知抵抗Ｒｘ測定も含まれる。
【００５６】
図９に、本発明の第５実施形態の未知インピーダンス測定用の電圧電流変換回路６０を示す。図１〜図８（第１実施形態〜第４実施形態）では、指示電圧が直流の場合を前提に説明してきたが、指示電圧Ｖ３に対して変換電流値Ｉが決まる素子部分に、プラスとマイナスの両極性の電流に対して対数特性を有する対数素子を用いれば交流指示電圧に対して指数的な交流電流を発生できる。
両極性の電流に対して対数特性を持つ素子としては同じ特性のダイオードを逆接続した物が使える。また対数アンプではアナログデバイス社のＡＤ８３０７のように交流入力に対応した対数アンプがある。対数アンプの場合は実施例の図６の直流の電圧源４８を交流電圧源に変えて対数アンプ４２を交流用のＡＤ８３０７に置き換える。ただしＡＤ８３０７は電圧入力タイプの対数アンプなので図６のＲｘの右端と対数アンプＡＤ８３０７の入力間に通常の電流電圧変換回路を入れて電流入力型の対数アンプとして使用すると良い。
【００５７】
図９では、指示電圧Ｖ３が交流のときでも、広範囲の電流を発生できるように、ダイオードを逆並列に接続した指数的交流電圧電流変換回路の例となっている。
未知インピーダンス測定用の交流電流を発生する電圧電流変換回路６０の指示電圧Ｖ３は電圧バッファとして働くオペアンプ６１のプラス入力端子に入力され、オペアンプ６１の出力電圧Ｖ６４はダイオードＤ５とダイオードＤ６が逆並列接続されたダイオード部６３の一端に接続され、ダイオード部６３のもう片方の端子はプラス入力がＧＮＤに接続されたオペアンプ６２のマイナス入力端子に接続されている。オペアンプ６２の出力電圧Ｖｏｕｔは、未知インピーダンスＺｘを介してオペアンプ６２のマイナス入力端子に接続されている。
本来は片極性しか電圧電流変換が出来ない対数素子であるダイオードを極性ごとに配置した（図９では、逆並列接続した）構成を用いることより交流の指示電圧に対して指数的な交流電圧電流変換回路を実現することができる。
図９では対数素子を用いた構成としてダイオードを逆並列配置する例を示したが、交流電圧の極性ごとに対数アンプを配置し、オペアンプによる理想ダイオード回路などで極性ごとに対数アンプの電流の流れを制御する回路構成にすれば、対数素子としてテキサス・インスツルメンツ社のＬＯＧ１１２のような直流用の対数アンプも使用できる。
未知インピーダンス測定に使う交流電流は、変換電流Ｉが目的の交流電流波形になるような交流電圧源６８を使って指示電圧Ｖ３を与えることにより任意の広範囲の交流電流を発生できる。このことにより、広範囲の電流による未知インピーダンス解析として、通常の正弦波解析だけでなく、インパルス解析やホワイトノイズ解析などが、簡単な回路で実現することができる。
【００５８】
一般的にはインピーダンス測定には正弦波交流電流が用いられるので図９の回路の具体例として正弦波の発生例を示す。
具体例として、逆並列に接続された対数素子のダイオード６３（Ｄ５、Ｄ６）として、図２に示した１Ｎ４１４８ダイオードを使って、１０ｍＡ振幅値と１０μＡ振幅値の正弦波を発生するための指示電圧Ｖ３の値を図１０の表に示す。位相１０°分解能の場合の１０ｍＡ振幅の正弦波電圧電流変換には指示電圧Ｖ３は±６８０ｍＶから±７７５ｍＶの変化で交流の電圧電流変換できる。これより３桁少ない１０μＡ振幅の正弦波電圧電流変換には指示電圧Ｖ３は±３０５ｍＶから±４００ｍＶの変化で交流電圧電流変換ができる。交流の場合は変換電流が正負に変化するため、極性ごとに対数特性を有する対数素子を使用している。
【００５９】
図９では、ダイオードのように交流に対応していない対数素子を極性ごとに使って交流指示電圧Ｖ３に対して指数的に変化する交流電流の電圧電流変換回路例を示したが、対数素子の対称性が良くないと、プラスとマイナスの指示電圧Ｖ３に対して変換電流の対称性が得られず、測定精度が下がる場合がある。
このため、図９の回路では、対数素子として特性の揃ったデュアルダイオードを使う必要がある。
（第６実施形態）
本実施形態では、特性の揃った対数素子を極性ごとに用いずとも、交流指示電圧Ｖ３に対して指数的な電流に変換できる実施例を示す。
対数素子としては、図６の対数アンプ４２の例であるＬＯＧ１１２のように交流に対応していない直流の電流用対数アンプを使用した例で示す。
【００６０】
図１１に、本発明の第６実施形態の未知インピーダンス測定用の電圧電流変換回路７０を示す。交流指示電圧Ｖ３は、オペアンプ７１のプラス入力端子とコンパレータ７７のマイナス入力端子に接続されている。コンパレータ７７のプラス入力端子はＧＮＤに接続されている。オペアンプ７１の出力Ｖｏｕｔから流れた電流Ｉは未知インピーダンスＺｘを通してオペアンプ７３のマイナス入力に接続されている。オペアンプ７３の出力は、一般的な全波整流回路７９に接続されている。全波整流回路７９の出力電圧Ｖ７２と対数アンプ７２の入力端子Ｉｉｎは抵抗Ｒ７７を介して接続されている。対数アンプ７２の入力電位を決めるＩＧＮＤはＧＮＤに接続されている。対数アンプ７２の出力電圧Ｖ７３は電子スイッチＳ７０の一方の切替端子に接続されている。また、対数アンプ７２の出力電圧Ｖ７３は、同一抵抗値の抵抗Ｒ７８，Ｒ７９により反転アンプとして利用されているオペアンプ７６に依って極性を反転されて、電子スイッチＳ７０の他方の切替端子に接続されている。電子スイッチＳ７０の切り替え制御は、交流指示電圧Ｖ３の極性に応じて反転するコンパレータ７７の出力電圧Ｖ７７により制御されている。
【００６１】
オペアンプ７３のマイナス入力端子はＧＮＤに接続されたプラス入力端子とイマジナリショートなのでＧＮＤ電圧となっている。このため未知インピーダンスＺｘを流れた電流Ｉは抵抗Ｒ７１により電圧Ｖ７１に変換される。電圧Ｖ７１は全波整流回路７９により整流された片極正の電圧Ｖ７２に変換される。対数アンプ７２（例えば、ＬＯＧ１１２）の入力端子Ｉｉｎは零電位となっているので、全波整流回路７９の出力電圧Ｖ７２は、抵抗Ｒ７７を接続することにより、電流に変換されて対数アンプ７２により全波整流電圧Ｖ７２が対数化された電圧Ｖ７３に変換される。結果的に、未知インピーダンスＺｘを流れた電流Ｉは、対数アンプ７２の出力電圧Ｖ７３に絶対値を取った対数電圧として変換される。
オペアンプ７６の出力電圧Ｖ７６は、対数アンプ７２の出力電圧Ｖ７３を反転しているので、電子スイッチＳ７０により、この２つの電圧を交流指示電圧Ｖ３の極性と合うようにコンパレーター７７の出力電圧Ｖ７７と電子スイッチの切り替え論理を合わせて切り替えると、オペアンプ７１のマイナス入力端子には、電流Ｉを対数電圧変換した交流電圧Ｖ７４が入力されることになる。オペアンプ７１は、指示電圧Ｖ３と電圧Ｖ７４を同一になるように制御するので、オペアンプの出力電圧Ｖｏｕｔは、交流の指示電圧Ｖ３に対して指数的な交流の電流Ｉを発生できる。
このように、交流に対応していない対数素子でも対数素子に加わる電圧を全波整流回路により片極性化して、制御部で極性を再生することにより、プラスとマイナスの両極性に対して良好な特性を持つ交流の電圧電流変換回路が実現できる。
【００６２】
変換電流をＬＥＤに流す例として図１や図３を示し、未知抵抗に電流を流す例として図４、図５、図８を示し、未知インピーダンスＺｘに電流を流す例として図９、図１１を示したが、図４、図５、図６、図８、図９、図１１の未知抵抗Ｒｘ部や未知インピーダンスＺｘをＬＥＤ部にして、図１や図３のＬＥＤ部を未知抵抗Ｒｘ部にしても構わない。ただしＬＥＤを交流電流で駆動するような場合にはＬＥＤは逆並列接続にした方が良い。
このように変換電流に対して対数特性を有する対数素子を電流値の決定部に使用した例として図１、図３、図４、図５、図６、図８、図９、図１１に示したが、電圧電流変換回路において指示電圧に対して電流を決める素子として対数特性を有する素子を用いる回路であれば本例に限定されない。
【符号の説明】
【００６３】
１，１０，２０，３０，４０，５０，６０      電圧電流変換回路
４，１４，２１，２２，３１，３２，４１，５１，５３，６１，６２，７１，７３，７４，７５，７６、１０１，２０１，２０２      オペアンプ
５，７，１１，１２，１５，２５，２７，３５，３７，１０５，２０５，２０７      抵抗（固定抵抗又は半固定抵抗）
６，１６，２６，３６，４６，５６，１０６，２０６      可変抵抗（回転可変抵抗）
８，１８，２８，３８，４８，５８，１０８，２０８      電圧源
１２      ＭＯＳＦＥＴ
１３      ＰＴＣサーミスタ
１７      差動アンプ
４２，５２，７２  対数アンプ
５４      デュアルダイオード
６３      ダイオード部
６８，７８      交流電圧源
Ｓ７０    電子スイッチ
７７      コンパレータ
７９      全波整流回路
１００    一般的なＬＥＤ用電圧電流変換回路
２００    一般的な計測用電圧電流変換回路
Ｉ        変換電流
Ｉ２      電流
Ｉｒｅｆ  定電流
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７１，Ｄ７２  ダイオード
ＬＥＤ１，ＬＥＤ１１，ＬＥＤ１０１      ＬＥＤ（発光素子）
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ７１，Ｒ７２，Ｒ７３，Ｒ７４，Ｒ７５，Ｒ７６，Ｒ７７，Ｒ７８，Ｒ７９，Ｒ１０９        抵抗（固定抵抗又は半固定抵抗）
Ｒｘ      未知抵抗
Ｚｘ      未知インピーダンス
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ２４，Ｖ３４，Ｖ４４，Ｖ５４，Ｖ５５，Ｖ６４，Ｖ７１，Ｖ７２，Ｖ７３，Ｖ７４，Ｖ７６，Ｖ７７，Ｖ１０２，Ｖ１０３，Ｖ１０４，Ｖ２０１，Ｖ２０２，Ｖ２０３，Ｖ２０４，Ｖｏｕｔ    電圧
【図１】
2019180018.tif 000003
【図２】
2019180018.tif 000004
【図３】
2019180018.tif 000005
【図４】
2019180018.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2019180018.tif 000010
【図９】
2019180018.tif 000011
【図１０】
2019180018.tif 000012
【図１１】
2019180018.tif 000013
【図１２】
2019180018.tif 000014
【図１３】
2019180018.tif 000015