(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オペアンプを備え、該オペアンプに入力された電圧信号を、該オペアンプへの負帰還入力点と電源の間に挿入された抵抗素子と前記オペアンプの出力により制御される電流増幅手段により電流信号として出力し、前記抵抗素子と前記電源の間に第１の一定の電圧降下を与える第１の電圧降下手段を備えたアナログ電流出力回路において、
前記電源と前記第１の電圧降下手段と前記抵抗素子の接続点との間を接続するトランジスタと、
前記オペアンプの出力が前記電流信号の電流値を大きくするように前記電流増幅手段を制御するのに伴って、前記オペアンプの出力により前記トランジスタの抵抗値が小さくなるよう制御するとともに前記トランジスタのベース端子と前記オペアンプの出力の間に第２の一定の電圧降下を与えることにより前記電流信号の電流値が微少な値であるときに前記トランジスタが駆動されるのを防ぐ手段と、
を備えたことを特徴とするアナログ電流出力回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アナログ信号の外部機器へのインターフェースに用いるアナログ出力回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機器間の接続を行うインタフェースでは、一定以上のドライブ出力を確保するため外部出力端子の前段に電流出力回路を設けている。
【０００３】
機器から外部へのアナログ信号の出力は、機器間の接続抵抗の値に関係なく受信機器側で入力信号に正確に比例した電圧を受信できる様、高い出力抵抗を持つ電流出力回路によって電流出力として取り出される。
【０００４】
図２は、機器Ｍ１の信号出力前段に設けられる従来のアナログ電流出力回路である。この回路は電圧／電流変換回路で、電圧Ｖｉｎとして入力された入力信号は、電流Ｉｏｕｔとして外部付加抵抗ＲＬに出力される。
【０００５】
図２の回路は、オペアンプＩＣ１、トランジスタＴＲ１、ＴＲ２、ダイオードＤ１、Ｄ２及び抵抗Ｒ１〜Ｒ４によって構成されている。
この回路ではダイオードＤ１、Ｄ２が同じ向きに直列に接続され、ダイオードＤ１のアノード側が電源Ｖｃｃに接続され、またダイオードＤ２のカソード側が抵抗Ｒ１と接続されている。また抵抗Ｒ１の逆側の端子は、保護抵抗Ｒ３を介してオペアンプＩＣ１の反転入力（−入力）及びトランジスタＴＲ１のエミッタ及びＴＲ２のコレクタと接続されている。
【０００６】
オペアンプＩＣ１の出力は、抵抗Ｒ４を介してトランジスタＴＲ１のベースに入力され、これが増幅されてトランジスタＴＲ１のコレクタから抵抗Ｒ２を介して及びＴＲ２のエミッタから出力される。
【０００７】
トランジスタＴＲ２のエミッタ出力は外部機器への信号出力端子であるコネクタＣＮの片方の端子と接続されている。このコネクタの端子ＣＮ１と、もう片方のＧＮＤに接地され、０Ｖとなっているコネクタの端子ＣＮ２との間に機器Ｍ１外部に接続されている外部付加抵抗ＲＬに流れる電流Ｉｏｕｔを取り出す。
【０００８】
図２の回路の各素子の内、ダイオードＤ１、Ｄ２はオペアンプＩＣ１の動作電圧を確保する為に設けられたものである。一般的なオペアンプは、内部吸引電圧の為、出力電圧として動作用電源の電圧値いっぱいまでは取り出すことができず、線形領域としては電源電圧値より１Ｖ程度低い電圧値までが有効範囲となる。このためシリコンダイオードＤ１、Ｄ２を抵抗Ｒ１と直列に接続し、このＤ１及びＤ２による１．２〜１．４Ｖ程度の電圧降下ＶｄによりオペアンプＩＣ１の出力電圧を有効範囲内からはずれないようにしている。
【０００９】
また電圧／電流変換の誤差を小さくするためには、オペアンプＩＣ１の出力を増幅するトランジスタは大きな電流増幅率を必要とする。しかし出力電流が大きくとれるトランジスタは必ずしも電流増幅率が大きくないので、ＰＮＰトランジスタＴＲ１とＮＰＮトランジスタＴＲ２の２つのトランジスタをダーリントン接続して大電流増幅率を稼いでいる。この２つのトランジスタＴＲ１とＴＲ２は、ＴＲ１のベースをベース、ＴＲ１のエミッタをエミッタ、ＴＲ２のエミッタをコレクタとする、電流増幅率の大きな１つのＰＮＰトランジスタとして働く。
【００１０】
この図２の回路の動作説明を以下に記載する。
この図２の回路で、オペアンプＩＣ１の非反転入力（＋入力）に、入力信号として入力電圧ＶｉｎをＶｃｃを基準として与えると、理想的なオペアンプの２つの入力間の電位差は０Ｖとなるので、０Ｖを基準としたＶｃｃとＶｉｎの電位差が抵抗Ｒ１により電流Ｉｏｕｔに変換され、出力信号として機器Ｍ１外部の外部付加抵抗ＲＬに流れる。
【００１１】
外部付加抵抗ＲＬの値は、ＪＩＳ、ＩＥＣ等でも規定があるように最大値６００Ωと設定されている。
この外部付加抵抗ＲＬに流れる電流Ｉｏｕｔの値は、Ｉｏｕｔ＝（Ｖｃｃ−Ｖｄ−Ｖｉｎ）／Ｒ１と求められる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示した従来のアナログ電流出力回路では、以下の問題が有る。
出力信号として要求される電流値のレンジは４〜２０ｍＡが最も多い。しかし、図２の回路ではダイオードＤ１、Ｄ２による電圧降下Ｖｄにより、出力電流Ｉｏｕｔの最大値が大きくとれず、外部付加６００Ω時に出力電流Ｉｏｕｔを２０ｍＡ確保するのは難しい。
【００１３】
Ｉｏｕｔ＝２０ｍＡのオーバレンジを１０％と見た場合最大値は２２ｍＡとなり、この場合の外部付加抵抗ＲＬによる電圧降下は、６００Ω×２２ｍＡ＝１３．２Ｖとなる。
【００１４】
またＲ１＝２７Ω、Ｖｃｃ＝１５Ｖ±５％とすると、Ｖｃｃのワースト値は１４．２Ｖとなる。
よってこの段階で、Ｄ１、Ｄ２、Ｒ１及びＴＲ１での電圧降下としては、合計（１４．２Ｖ−１３．２Ｖ＝）１Ｖしか取れない。
【００１５】
従って、実際には外部付加ＲＬにＩｏｕｔを２２ｍＡ流すことは出来ず、もう少し低い電流値がハードの飽和点となってしまう。
トランスの電圧を操作したり、あるいは電圧降下用のダイオードＤ１、Ｄ２を挿入せず代わりにオペアンプＩＣ１に電源電圧値いっぱいの出力電圧が得られるレールｔｏレールのオペアンプを使用すれば出力電流を大きく取ることが出来るが、これらの部品は値段が高く、各信号出力毎にこれらを用いれば機器の値段を高価なものとしてしまう。
【００１６】
また、出力の基準電位をＧＮＤ（０Ｖ）ではなく、−１５Ｖとすればやはり出力電流を大きく取ることが出来る。しかし、アナログ信号入力側の機器では入力信号の基準電圧を共通化させているので、同一機器に対して電流信号入力の他に電圧信号の入力も行った場合、電圧信号の基準電圧はＧＮＤなので、両者の間に短絡が生じてしまう。よって、出力の基準電圧をＧＮＤより変更することは出来ない。
【００１７】
本発明は上記点を鑑み、安価で大きな電流出力が得られるアナログ電流出力回路を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるアナログ電流出力回路は、電圧信号を電流信号として出力するオペアンプを用いたもので、電圧降下手段と電圧降下制御手段とを備える。
【００１９】
電圧降下手段は、上記オペアンプの出力を有効範囲内にするよう該オペアンプの出力に電圧降下を加える。
電圧降下制御手段は、上記電流信号として出力される電流が大きくなるに従って上記電圧降下を小さくし、上記電流信号として出力される電流が小さくなるに従って上記電圧降下を大きくする。
【００２０】
また本発明による別形態のアナログ電流出力回路は、基準電圧を０Ｖとする電圧信号を電流信号として出力するオペアンプを用いた電流吐き出し型の電圧／電流変換回路によるもので、１つ以上の第１のダイオードとトランジスタを備える。
【００２１】
第１のダイオードは、上記オペアンプの出力を有効範囲内にするよう該オペアンプの出力に電圧降下を加える。
上記第１のダイオードの両端をエミッタとコレクタで接続し、またベースを上記オぺアンプの出力と接続し、該オペアンプの出力に基づいて上記ダイオードによる電圧降下を制御する。
【００２２】
またこのアナログ電流出力回路は、上記トランジスタのベースと上記オペアンプの間に１つ以上の第２のダイオードを更に備える構成であってもよい。
本発明に基づくアナログ電流出力回路によれば、オペアンプの出力に加えた電圧降下が上記電流信号として出力される電流の大きさによって制御される。よって出力電流が大きい場合には上記電圧降下が抑制されるため、出力電流の最大値を大きく取ることが出来る。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を説明する。
図１は、機器Ｍ１１の信号出力前段に設けられる本実施形態に於けるアナログ電流出力回路である。
【００２４】
図１の回路は、オペアンプＩＣ１１、ＩＣ１２、トランジスタＴＲ１１、ＴＲ１２、ＴＲ１３、ＴＲ１４、ダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４及び抵抗Ｒ１１〜Ｒ１７によって構成されている。
【００２５】
図１の回路に用いられるオペアンプＩＣ１１、ＩＣ１２は汎用のオペアンプであり、また他のダイオード等のデバイス及びオペアンプの供給電源用の不図示のＤＣ／ＤＣコンバータを含め、図１の回路は高価な特殊デバイスを用いることなく、一般的な回路要素で構成することができる。
【００２６】
この図１の回路では、図２の回路と同様オペアンプＩＣ１１の動作電圧を確保する電圧降下Ｖｄ１を得るため、ダイオードＤ１１及びＤ１２が同じ向きに直列に、ダイオードＤ１１のアノード側が電源Ｖｃｃと、またダイオードＤ１２のカソード側が抵抗Ｒ１１と接続されている。また抵抗Ｒ１１の逆側の端子も、保護抵抗Ｒ１３を介してオペアンプＩＣ１１の反転入力（−入力）及びトランジスタＴＲ１１のエミッタとＴＲ１２のコレクタに接続されている。
【００２７】
またオペアンプＩＣ１１の出力は、抵抗Ｒ１４を介してトランジスタＴＲ１２とダーリントン接続を行っているトランジスタＴＲ１１のベースに入力されており、この出力がトランジスタＴＲ１１及びＴＲ１２によって増幅されてトランジスタＴＲ１１のコレクタから抵抗Ｒ１２を介して及びトランジスタＴＲ１２のエミッタからコネクタ端子ＣＮ１１を介して外部へ出力される。
【００２８】
トランジスタＴＲ１２のエミッタ出力は外部機器への信号出力端子であるコネクタの片方の端子ＣＮ１１と接続されている。またコネクタの逆側の端子ＣＮ１２はＧＮＤに接地されており、このコネクタからの出力は０Ｖが出力信号の基準電圧となっている。
【００２９】
このオペアンプＩＣ１１、トランジスタＴＲ１１、ＴＲ１２及び抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４で構成される部分は、基本的には図１の回路と同様のいわゆる電流吐き出し型の電圧／電流変換回路である。
【００３０】
またオペアンプＩＣ１２、トランジスタＴＲ１４及び抵抗Ｒ１６、Ｒ１７は電圧／電流変換回路を構成している。オペアンプＩＣ１２の出力はトランジスタＴＲ１４のベースへ入力され、またトランジスタＴＲ１４のコレクタは抵抗Ｒ１６を介して抵抗Ｒ１１とダイオードＤ１２との接続点である点Ａに接続され、更にエミッタはオペアンプＩＣ１２の反転入力と接続されると共に抵抗Ｒ１７を介してＧＮＤに接地されている。この回路において、オペアンプＩＣ１２の非反転入力に電圧信号Ｖｉｎ’が入力されると、これが抵抗Ｒ１６に流れる電流値に変換され、オペアンプＩＣ１１への入力電圧Ｖｉｎとして入力される。なおこのオペアンプＩＣ１２等による電圧／電流変換回路は、入力電圧Ｖｉｎ’よりオペアンプＩＣ１１に入力される入力電圧Ｖｉｎを生成、出力する為の回路であり、出力電流Ｉｏｕｔの出力についての動作とは直接関係がなく、図２の場合と同様オペアンプＩＣ１１に直接入力電圧Ｖｉｎを入力する構成としてもかまわない。
【００３１】
図１の回路では、これらの構成の他に、トランジスタＴＲ１３、ダイオードＤ１３、Ｄ１４及び抵抗Ｒ１５が設けれられている。
ＰＮＰトランジスタＴＲ１３は、エミッタをＶｃｃ、コレクタを点Ａと接続し、ダイオードＤ１１、Ｄ１２をエミッタ−コレクタ間でブリッジする形で設けられている。またベース−エミッタ間には抵抗Ｒ１５が入れられ、ベースはダイオードＤ１３、Ｄ１４を介してトランジスタＴＲ１１のベースに接続されている。このトランジスタＴＲ１３は、出力電流Ｉｏｕｔが大きくなると、ダイオードＤ１１、Ｄ１２による電圧降下を抑制し、電圧降下の値を制御するものである。トランジスタＴＲ１３は、トランジスタＴＲ１１のベース電位の変化に連動して、点Ａの電圧降下をダイオードＤ１１、Ｄ１２に依存したものとトランジスタＴＲ１３のコレクタ−エミッタ間の電圧降下に依存したものとの間を遷移させる。これにより、オペアンプＩＣ１１の出力に加わる電圧降下の量を出力電流Ｉｏｕｔの値によって変化させ、電流出力の大きいときは電圧降下を小さくさせることによりＩｏｕｔの最大値を増大させることが出来る。
【００３２】
またダイオードＤ１３、Ｄ１４は、ダイオードＤ１１、Ｄ１２と同様一定の電圧降下を得るためのもので、アノードをＶｃｃ側、カソードをトランジスタＴＲ１１のベース側の方向で直列接続され、トランジスタＴＲ１１のベースとトランジスタＴＲ１３のベースとの間に一定の電位差Ｖｄ２を設けている。このＶｄ２によって、出力電流が小さいときにトランジスタＴＲ１３が駆動するのを防いでいる。
【００３３】
この図１の回路の動作説明を以下に記載する。
この図１の回路で、オペアンプＩＣ１２の非反転入力に信号Ｖｉｎ’が入力されると、これがオペアンプＩＣ１２トランジスタＴＲ１４を介して信号ＶｉｎとしてＩＣ１１の非反転入力に出力される。
【００３４】
このＶｉｎがオペアンプＩＣ１１に入力信号として入力されると、図２の回路の場合と同様にして、０Ｖを基準としたＶｃｃとＶｉｎの電位差がＲ１１により電流Ｉｏｕｔに変換され、出力信号としてコネクタＣＮを介して機器Ｍ１１外部付加抵抗ＲＬに流れる。
【００３５】
またこの時Ｖｉｎの値がオペアンプＩＣ１１の動作電圧Ｖｃｃより十分に低い場合、出力電流Ｉｏｕｔの大きさも小さくなる。よってトランジスタＴＲ１１及びＴＲ１２のエミッタ−コレクタ間に流れる電流も小さいので、トランジスタＴＲ１１のベースの電位が高くなる。その為ダイオードＤ１３、Ｄ１４及び抵抗Ｒ１５には大きな電流が流れ、トランジスタＴＲ１３のコレクタ−エミッタ間には、電流がほとんど流れない。よって点Ａの電圧降下は、ダイオードＤ１１、Ｄ１２によるＶｄ１に依存したものとなる。
【００３６】
入力電圧Ｖｉｎの値がだんだん大きくなると、出力電流Ｉｏｕｔも大きくなり、それにつれトランジスタＴＲ１１及びＴＲ１２のエミッタ−コレクタ間に流れる電流も大きくなってゆく。そしてこの電流の変化に基づいてトランジスタＴＲ１１のベースの電位が低くなってゆき、その為ダイオードＤ１３、Ｄ１４及び抵抗Ｒ１５に流れる電流値はだんだん大きくなる。またこれにより抵抗Ｒ１５による電圧降下も大きくなり、これに連動してトランジスタＴＲ１３のコレクタ−エミッタ間に流れる電流も大きくなってゆく。よって点Ａの電圧降下は、ダイオードＤ１１、Ｄ１２によるＶｄ１から、トランジスタＴＲ１３のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅによるものに移行してゆく。Ｉｏｕｔが出力レンジの最大値近くの値であるとき、点Ａでの電圧降下は主にＶｃｅによるものとなり、この時のＶｃｅの値は、トランジスタＴＲ１３の出力インピーダンスが低いので、Ｖｄ１に比べるとはるかに小さいものとなる。よって、出力電流Ｉｏｕｔが大きくなると、ダイオードによる電圧降下はトランジスタＴＲ１３によって抑制されることとなる。
【００３７】
逆に入力電圧Ｖｉｎの値がだんだん小さくなると、出力電流Ｉｏｕｔも小さくなるとともにトランジスタＴＲ１１及びＴＲ１２のエミッタ−コレクタ間に流れる電流も小さくなってゆく。そしてこの電流の変化に基づいてトランジスタＴＲ１１のベースの電位が高くなってゆき、これに伴いダイオードＤ１３、Ｄ１４及び抵抗Ｒ１５に流れる電流値はだんだん小さくなってゆく。またそれにつれてトランジスタＴＲ１３のそのコレクタ−エミッタ間に流れる電流が小さくなってゆき、点Ａの電圧降下はトランジスタＴＲ１３のコレクタ−エミッタ間電圧ＶｃｅによるものからダイオードＤ１１、Ｄ１２によるＶｄ１に移行してゆく。
【００３８】
この様に図１の回路では、出力電流Ｉｏｕｔが小さい時は、Ａ点の電圧降下をダイオードＤ１、Ｄ２に依存した大きなものとしＩｏｕｔの量が増えるにつれ、Ａ点の電圧降下をＴＲ１３による電圧降下（Ｖｃｅ）に移行することによって、出力電流Ｉｏｕｔの最大値を大きく取ることが可能となり、大きな出力レンジを実現できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に基づくアナログ電流出力回路によれば、オペアンプの出力に加えた電圧降下が上記電流信号として出力される電流の大きさによって制御される為、出力電流が大きい場合には上記電圧降下が抑制され、出力電流の最大値を大きく取ることが出来る。
【００４０】
またこのアナログ電流出力回路は、その構成要素として特殊なものを必要としないので、安価な回路で出力電流の最大値を増加することが可能である。
更に本発明ではアナログ電流出力は出力の基準電位をＧＮＤで出力するので、同一機器に対してこの電流信号出力の他に電圧信号の出力も行うことが出来、電圧出力と電流出力の共存が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態におけるアナログ電流出力回路の回路図である。
【図２】従来のアナログ電流出力回路の回路図である。
【符号の説明】
Ｍ１、Ｍ１１  機器
ＩＣ１、ＩＣ１１、ＩＣ１２  オペアンプ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４  ダイオード
ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ１１、ＴＲ１２、ＴＲ１３、ＴＲ１４  トランジスタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６、Ｒ１７  抵抗
ＲＬ  外部付加抵抗
ＣＮ１、ＣＮ２、ＣＮ１１、ＣＮ１２  コネクタ
【図１】
0004008107.tif 000002
【図２】
0004008107.tif 000003