(57)【要約】【課題】  増幅器の破損を防止しつつ、入力電圧に伴って帯域を最適にするフローティング電源アンプを実現することを目的にする。【解決手段】  本発明は、出力電圧に従って、増幅器に供給される電源電圧が変化し、出力を行うフローティング電源アンプに改良を加えたものである。本装置は、増幅器の出力電圧に基づいて、増幅器の入力電圧を帰還する帰還回路と、この帰還回路の出力に基づいて、入力電圧の帯域を制限して、増幅器に出力する入力帯域制限回路とを備えたことを特徴とする装置である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力電圧に従って、増幅器に供給される電源電圧が変化し、出力を行うフローティング電源アンプにおいて、
前記増幅器の出力電圧に基づいて、前記増幅器の入力電圧を帰還する帰還回路と、
この帰還回路の出力に基づいて、入力電圧の帯域を制限して、前記増幅器に出力する入力帯域制限回路と
を備えたことを特徴とするフローティング電源アンプ。
【請求項２】
出力電圧に従って、増幅器に供給される電源電圧が変化し、出力を行うフローティング電源アンプにおいて、
入力電圧を一端から入力し、他端から前記増幅器に出力する抵抗と、
前記増幅器の出力電圧に基づいて、前記増幅器の入力電圧を帰還するバッファと、
このバッファの出力端にアノードを接続し、カソードを前記抵抗の他端に接続する第１のダイオードと、
前記バッファの出力端にカソードを接続し、アノードを前記抵抗の他端に接続する第２のダイオードと
を備えたことを特徴とするフローティング電源アンプ。
【請求項３】
出力電圧に従って、増幅器に供給される電源電圧が変化し、出力を行うフローティング電源アンプにおいて、
入力電圧の電流を制限し、前記増幅器に出力する電流制限回路と、
この電流制限回路と共に、ロウパスフィルタを構成するコンデンサと
を備えたことを特徴とするフローティング電源アンプ。
【請求項４】
電流制限回路は、
順方向の定電流ダイオードと、
この順方向の定電流ダイオードに直列に接続される逆方向の定電流ダイオードと
を設けたことを特徴とする請求項３記載のフローティング電源アンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力電圧に従って、増幅器に供給される電源電圧が変化し、出力を行うフローティング電源アンプに関し、増幅器の破損を防止しつつ、入力電圧に伴って帯域を最適にするフローティング電源アンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
増幅器の電源電圧範囲を超える出力電圧範囲を得るために、出力電圧に従って、電源電圧を変化させて、出力電圧範囲を広げている。例えば、特許文献１、非特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特公平７−４４４０１号公報
【０００４】
【非特許文献１】Grayson King and Tim Watkins, "Bootsrapping your op amp yields wide voltage swings"，ＥＤＮ，米国，リード・ビジネス・インフォメーション（Reed Business Information），１９９９年５月１３日，ｐ．１１７−１２８
【０００５】
以下、図３を用いて説明する。図３において、抵抗Ｒ１は、一端に入力電圧ＶＩを入力する。コンデンサＣ１は、一端を抵抗Ｒ１の他端に接続し、他端を接地する。増幅器Ｕ１は、非反転端子に抵抗Ｒ１の他端を接続し、出力電圧ＶＯを出力する。抵抗ＲＦは、一端に増幅器Ｕ１の出力端を接続し、他端に増幅器Ｕ１の反転入力端子を接続する。抵抗ＲＧは、一端を抵抗ＲＦの他端に接続し、他端を接地する。抵抗Ｒ２は、一端を電源電圧ＶＣＣに接続する。抵抗Ｒ３は、一端を抵抗Ｒ２の他端に接続し、他端を増幅器Ｕ１の出力端に接続する。抵抗Ｒ４は、一端を増幅器Ｕ１の出力端に接続する。抵抗Ｒ５は、一端を抵抗Ｒ４の他端に接続し、他端を電源電圧ＶＥＥ（＜電源電圧ＶＣＣ）に接続する。ＮＰＮトランジスタＱ１は、コレクタを電源電圧ＶＣＣに接続し、ベースを抵抗Ｒ２の他端に接続し、エミッタを増幅器Ｕ１の正電源端子に接続する。ＰＮＰトランジスタＱ２は、エミッタを増幅器Ｕ１の負電源端子に接続し、ベースを抵抗Ｒ５の一端に接続し、コレクタを電源電圧ＶＥＥに接続する。
【０００６】
このような装置の動作を以下に説明する。抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１がロウパスフィルタを構成し、入力電圧ＶＩが抵抗Ｒ１を介して、増幅器Ｕ１の非反転入力端子に入力され、入力電圧ＶＩを増幅して、出力電圧ＶＯを出力する。このとき、出力電圧ＶＯの変化に伴い、抵抗Ｒ２，Ｒ３の分圧がトランジスタＱ１のベースに入力され、トランジスタＱ１は分圧電圧を増幅器Ｕ１の正電源端子に供給する。同様に、出力電圧に伴い、抵抗Ｒ４，Ｒ５の分圧がトランジスタＱ２のベースに入力され、トランジスタＱ２は分圧電圧を増幅器Ｕ１の負電源端子に供給する。この結果、図４に示されるように、出力電圧ＶＯに伴い、増幅器Ｕ１の電源電圧ＶＯＰ＋，ＶＯＰ−が変化し、増幅器Ｕ１の絶対定格電圧を超えないように動作し、増幅器Ｕ１の出力電圧範囲を絶対定格電圧以上に拡大することができる。
【０００７】
次に、ロウパスフィルタ（抵抗Ｒ１、コンデンサＣ１）の動作について説明する。ロウパスフィルタがない場合、図５に示されるように、入力電圧ＶＩがステップ状に変化すると、増幅器Ｕ１のスルーレートにより、入力電圧ＶＩの変化に追従せず、増幅器Ｕ１の電源電圧ＶＯＰ＋，ＶＯＰ−の変化も遅れる。このため、電源電圧ＶＯＰ＋，ＶＯＰ−の範囲を入力電圧ＶＩＮが超えるときがあり（イ）、増幅器Ｕ１の特性劣化や破壊を起こしてしまう。
【０００８】
そこで、図６に示すように、ロウパスフィルタにより、入力電圧ＶＩをゆるい変化にさせ、入力電圧ＶＩＮにし、増幅器Ｕ１に入力する。増幅器Ｕ１は、入力電圧ＶＩＮに追従して、出力電圧ＶＯを変化させ、増幅器Ｕ１の電源電圧ＶＯＰ＋，ＶＯＰ−も変化する。このため、電源電圧ＶＯＰ＋，ＶＯＰ−の範囲は入力電圧ＶＩＮを超えることがない。
【０００９】
ここで、ロウパスフィルタの時定数τ＝Ｃ１×Ｒ１は、下記により決まる。つまり、時定数τは増幅器Ｕ１のスルーレートに依存する。
ＳＲ［Ｖ／ｓ］＞｛ΔＶＯ［Ｖｍａｘ］｝／Ａ／｛τ［ｓ］｝
Ａ＝１＋ＲＦ／ＲＧ
ＳＲ：増幅器Ｕ１のスルーレート
ΔＶＯ［Ｖｍａｘ］：増幅器Ｕ１の最大振幅
Ａ：増幅器Ｕ１のゲイン
ＲＦ：抵抗ＲＦの抵抗値
ＲＧ：抵抗ＲＧの抵抗値
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、ロウパスフィルタは増幅器Ｕ１のスルーレートに合わせて、そのτが決まる。一方、τは小信号動作時の最高周波数ｆｍａｘ＝１／｛２πτ｝も決定してしまう。このため、小信号帯域幅も増幅器Ｕ１の本来の帯域で利用できない。このことにより、大きなステップ入力を入力した場合、高速にセトリングすることができない。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、増幅器の破損を防止しつつ、入力電圧に伴って帯域を最適にするフローティング電源アンプを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
出力電圧に従って、増幅器に供給される電源電圧が変化し、出力を行うフローティング電源アンプにおいて、
前記増幅器の出力電圧に基づいて、前記増幅器の入力電圧を帰還する帰還回路と、
この帰還回路の出力に基づいて、入力電圧の帯域を制限して、前記増幅器に出力する入力帯域制限回路と
を備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２記載の発明は、
出力電圧に従って、増幅器に供給される電源電圧が変化し、出力を行うフローティング電源アンプにおいて、
入力電圧を一端から入力し、他端から前記増幅器に出力する抵抗と、
前記増幅器の出力電圧に基づいて、前記増幅器の入力電圧を帰還するバッファと、
このバッファの出力端にアノードを接続し、カソードを前記抵抗の他端に接続する第１のダイオードと、
前記バッファの出力端にカソードを接続し、アノードを前記抵抗の他端に接続する第２のダイオードと
を備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３記載の発明は、
出力電圧に従って、増幅器に供給される電源電圧が変化し、出力を行うフローティング電源アンプにおいて、
入力電圧の電流を制限し、前記増幅器に出力する電流制限回路と、
この電流制限回路と共に、ロウパスフィルタを構成するコンデンサと
を備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
電流制限回路は、
順方向の定電流ダイオードと、
この順方向の定電流ダイオードに直列に接続される逆方向の定電流ダイオードと
を設けたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１によれば、帰還回路により、増幅器の出力電圧に基づいて、増幅器の入力電圧を帰還し、帰還回路の出力に基づいて、入力帯域制限回路が、入力電圧の帯域を制限し、増幅器に出力するので、増幅器の破損を防止すると共に、入力電圧に伴って帯域を最適にすることができる。
【００１７】
請求項２によれば、抵抗、バッファにより、増幅器の出力電圧に基づいて、増幅器の入力電圧を帰還し、バッファの出力に基づいて、抵抗、第１，第２のダイオードにより、入力電圧の帯域を制限し、増幅器に出力するので、増幅器の破損を防止すると共に、入力電圧に伴って帯域を最適にすることができる。
【００１８】
請求項３，４によれば、電流制限回路とコンデンサが入力電圧が、小振幅時、ロウパスフィルタとして動作し、大振幅時、電流制限回路が電流制限を行い、増幅器の入力変化を制限するので、小振幅時に、増幅器の周波数帯域で出力を行うことができ、大振幅時、増幅器の破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図３は同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００２０】
図１において、抵抗ＲＩＮは、抵抗Ｒ１の代わりに設けられ、入力電圧ＶＩを一端から入力し、他端を増幅器Ｕ１の非反転入力端子に接続する。抵抗Ｒ６は、一端を増幅器Ｕ１の出力端に接続する。抵抗Ｒ７は、一端を抵抗Ｒ６の他端に接続し、他端を接地する。抵抗Ｒ６，Ｒ７の分圧比は、増幅器Ｕ１、抵抗ＲＦ，ＲＧのゲインＡの逆数になるように設定される。バッファＵ２は、抵抗Ｒ６の他端を非反転入力端子に接続する。第１のダイオードＤ１は、バッファＵ２の出力端にアノードを接続し、カソードを抵抗ＲＩＮの他端に接続する。第２のダイオードＤ２は、バッファＵ２の出力端にカソードを接続し、アノードを抵抗ＲＩＮの他端に接続する。
【００２１】
ここで、抵抗Ｒ６，Ｒ７、バッファＵ２が帰還回路を構成し、増幅器Ｕ１の出力電圧ＶＯに基づいて、増幅器Ｕ１の入力電圧ＶＩＮを帰還する。そして、抵抗ＲＩＮ、ダイオードＤ１，Ｄ２は入力帯域制限回路を構成し、帰還回路の出力電圧ＶＯに基づいて、入力電圧ＶＩの帯域を制限して、増幅器Ｕ１に出力する。
【００２２】
このような装置の動作を以下に説明する。まず、入力電圧ＶＩが小振幅信号の場合、入力電圧ＶＩを入力した増幅器Ｕ１は出力電圧ＶＯを出力する。この出力電圧ＶＯを、抵抗Ｒ６，Ｒ７で分圧して、バッファＵ２に入力する。このとき、入力電圧ＶＩとバッファＵ２の出力とが等しいので、ダイオードＤ１，Ｄ２は導通しない。このため、入力電圧ＶＩは何ら制限を受けることなく、増幅器Ｕ１に入力される。
【００２３】
次に、入力電圧ＶＩが大振幅の場合、増幅器Ｕ１が追従できる範囲でなら、小振幅信号と同じであるが、追従できなくなると、入力電圧ＶＩとバッファＵ２の出力との電位差が生じ、この電位差がダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧以上になった場合、ダイオードＤ１，Ｄ２が導通し、抵抗ＲＩＮを介して入力電圧ＶＩＮは、バッファＵ２の出力電圧となり、制限を受ける。
【００２４】
このように、抵抗Ｒ６，Ｒ７、バッファＵ２により、増幅器Ｕ１の出力電圧ＶＯに基づいて、増幅器Ｕ１の入力電圧を帰還し、バッファＵ２の出力と、抵抗ＲＩＮ、ダイオードＤ１，Ｄ２により、入力電圧ＶＩの帯域を制限し、増幅器Ｕ１に出力するので、増幅器Ｕ１の破損を防止すると共に、入力電圧ＶＩに伴って帯域を最適にすることができる。つまり、入力電圧ＶＩが小振幅信号のときは、増幅器Ｕ１の周波数帯域で出力することができ、高速にセトリングを行うことができる。
【００２５】
次に、他の実施例を図２に示し説明する。ここで、図３と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。
【００２６】
図２において、定電流ダイオードＤ３，Ｄ４は抵抗Ｒ１の変わりに設けられ、電流制限回路を構成し、入力電圧ＶＩの電流を制限し、増幅器Ｕ１に出力する。定電流ダイオードＤ３は、アノードが入力電圧ＶＩを入力する。定電流ダイオードＤ４は、カソードを定電流ダイオードＤ３のカソードに接続し、アノードを増幅器Ｕ１の非反転入力端子に接続する。
【００２７】
このような装置の動作を以下に説明する。定電流ダイオードＤ３，Ｄ４は、順方向に電流が流れている場合、素子で決まっている制限電流値Ｉlimまでは動作抵抗Ｒfとなり、それ以上では電流値が増加しない。つまり、定電流素子として動作する。このため、その動作抵抗は非常に大きくなる。逆方向に電流が流れている場合、電流値にかかわらず、動作抵抗Ｒrで動作する。従って、定電流ダイオードＤ３，Ｄ４を対向して接続することにより、双方向の電流Ｉに対して、Ｉ＜Ｉlimなら（Ｒf＋Ｒr）の抵抗素子、Ｉ≧Ｉlimなら定電流素子として動作する。
【００２８】
つまり、入力電圧ＶＩが小振幅信号の場合、定電流ダイオードＤ３，Ｄ４は制限電流値Ｉlimに至らないので、その動作抵抗は（Ｒｆ＋Ｒr）となる。従って、定電流ダイオードＤ３，Ｄ４とコンデンサＣ１による時定数は（Ｒｆ＋Ｒr）Ｃ１となる。つまり、時定数が（Ｒｆ＋Ｒr）Ｃ１のロウパスフィルタとして動作し、最高周波数は１／（２π・（Ｒｆ＋Ｒr）Ｃ１）となる。この最高周波数が増幅器Ｕ１が持つ帯域幅近くにする。
【００２９】
次に、入力電圧ＶＩが大振幅の場合、定電流ダイオードＤ３，Ｄ４は電流制限がかかり、コンデンサＣ１に流れる電流はＩlimになる。このとき、コンデンサＣ１の両端の電圧の時間変化は、ΔＶ／Δｔ＝Ｉlim／Ｃ１で傾きが一定となる。従って、ＳＲ＞Ｉlim／Ｃ１となるようにする。
【００３０】
このように、定電流ダイオードＤ３，Ｄ４とコンデンサＣ１が入力電圧ＶＩが小振幅時ローパスフィルタとして動作し、大振幅時、定電流ダイオードＤ３，Ｄ４が電流制限を行い、増幅器Ｕ１の入力変化を制限するので、小振幅時に、増幅器Ｕ１の周波数帯域で出力を行うことができ、大振幅時、増幅器Ｕ１の破損を防止することができる。
【００３１】
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、抵抗Ｒ６，Ｒ７を設けた構成を示したが設けない構成でもよい。つまり、増幅器Ｕ１のゲインが”１”ならば、増幅器Ｕ１の出力電圧ＶＯを減衰する必要がないので、抵抗Ｒ６，Ｒ７を設けなくともよい。
【００３２】
また、増幅器Ｕ１の出力電圧ＶＯに基づいて、増幅器Ｕ１に電源電圧ＶＯＰ＋，ＶＯＰ−を与えるフローティング電源の構成は、本実施例に限定されるものではなく、特許文献１、非特許文献１のように構成してもよい。
【００３３】
そして、ダイオードＤ１，Ｄ２を一つずつ設けた構成を示したが、複数個直列につなぐ構成にしてもよい。この場合、スルーレート制限に入る振幅がダイオードのフォワードドロップ分大きくなる。
【００３４】
さらに、定電流ダイオードＤ３，Ｄ４のアノード、カソードの接続を逆にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】本発明の他の実施例を示した構成図である。
【図３】従来のフローティング電源アンプを示した構成図である。
【図４】図３に示す装置の動作を説明する図である。
【図５】図３に示す装置の動作を説明する図である。
【図６】図３に示す装置の動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００３６】
Ｕ１  増幅器
Ｕ２  バッファ
ＲＩＮ，Ｒ６，Ｒ７  抵抗
Ｄ１，Ｄ２  ダイオード
Ｄ３，Ｄ４  定電流ダイオード
Ｃ１  コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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