(57)【要約】【課題】クロマトグラフ用カラムのようなガス源から流出するガスを測定する熱伝導度検出器のようなセンサの出力（３０２）を受信する際に異なったゲイン設定に対してインピーダンスは変化せず、入力オフセット調整がすべてのゲインに対して等しいような増幅器を提供する。【解決手段】シングル・エンド形計器増幅器（３０６）または差動計器増幅器（３０６）において、増幅器のフィードバック回路網（３０８）のインピーダンス（３１４、３１６）に電流（Ｉoffset）を流入させることにより入力オフセットを調整する。増幅器にプログラマブル・ゲイン機能を設けてあってもよい。【選択図】図３
2009165121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非反転入力（３２０；４１６、４１８；５２０；６２０、６２２；７０６；８０８、８１４）と、反転入力（３１８；４２２、４２４；５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）と、増幅器出力（３２２；４４０、４４２；５２４；６４４、６４６；８５２、８６２）と、を有する増幅器（３０６；４０８、４１０；５０２；６０８、６１０；７０８；８１０、８１６）と、
前記増幅器出力（３２２；４４０、４４２；５２４；６４４、６４６；８５２、８６２）と、前記反転入力（３１８；４２２、４２４；５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）と、に信号接続しているフィードバック回路網（３０８、４０６、５０４、６０６、７１２、８０２）と、
前記反転入力（３１８；４２２、４２４；５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）と信号接続し、複数の選択可能な入力オフセットに対して調整可能であり、前記反転入力において複数の対応する電圧オフセットを生成する少なくとも１つの電流源（３１０；４０２、４０４；５０６；６０２、６０４；７２８；８４２、８４８）とを含み、
前記フィードバック回路網（５０４、６０６、７１２、８０２）は前記増幅回路の複数のゲイン設定に対して調整可能であり、前記フィードバック回路網は、前記反転入力（５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）における前記フィードバック回路網のインピーダンスがすべてのゲイン設定に対して等しく、これにより、前記複数の選択可能な入力オフセットと前記複数の対応する電圧オフセットとが前記複数のゲイン設定から独立しているように構成されている、増幅回路（３００、４００、５００、６００、７００、８００）。
【請求項２】
前記フィードバック回路網（３０８、４０６、５０４、６０６、７１２、８０２）が、前記増幅器出力と前記反転入力とに信号接続している第１のフィードバック・インピーダンス要素（３１４；４４４、４４６；５１２ａ−ｄ；６３２ａ−ｄ、６３４ａ−ｄ；７１８ａ−ｃ；８２６ａ−ｃ）と、前記反転入力と信号接続している第２のフィードバック・インピーダンス要素（３１６；４４８；５１４ａ−ｄ；６３６ａ−ｄ；７２２ａ−ｂ；８３０ａ−ｃ）と、を含む、請求項１に記載の増幅回路。
【請求項３】
前記第１のフィードバック・インピーダンス要素（３１４；４４４、４４６；５１２ａ−ｄ；６３２ａ−ｄ、６３４ａ−ｄ；７１８ａ−ｃ；８２６ａ−ｃ）が前記増幅器の前記ゲインに依存するインピーダンス値を有している、請求項２に記載の増幅回路。
【請求項４】
前記フィードバック回路網（５０４、６０６、７１２、８０２）が、前記反転入力（５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）と信号接続している複数のインピーダンス要素と、前記増幅回路の複数のゲイン設定に対して調整可能な複数のスイッチ（５１０ａ−ｄ；６１６ａ−ｄ、６１８ａ−ｄ；７２０ａ−ｂ、７２２ａ−ｂ；８２８ａ−ｂ、８３８ａ−ｂ、８４０ａ−ｂ）と、を含み、
前記フィードバック回路網は、前記反転入力（５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）における前記フィードバック回路網の前記インピーダンスがすべてのゲイン設定に対して等しく、これにより、前記複数の選択可能な入力オフセットと前記複数の対応する電圧オフセットとが前記複数のゲイン設定から独立しているように構成されている、請求項１、２、または３のいずれか１項に記載の増幅回路。
【請求項５】
前記複数のインピーダンス要素が、前記反転入力（５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）と、前記増幅器出力（５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）と、に信号接続している複数の直列接続インピーダンス要素（５１２ａ−ｄ；６３２ａ−ｄ、６３４ａ−ｄ；７１８ａ−ｃ；８２６ａ−ｃ）と、前記反転入力と信号接続している複数の並列接続インピーダンス要素（５１４ａ−ｄ；６３６ａ−ｄ；７２２ａ−ｂ；８３０ａ−ｃ）と、を含む、請求項４に記載の増幅回路。
【請求項６】
非反転入力（３２０；４１６、４１８；５２０；６２０、６２２；７０６；８０８、８１４）と、反転入力（３１８；４２２、４２４；５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）と、増幅器出力（３２２；４４０、４４２；５２４；６４４、６４６；８５２、８６２）と、を有する増幅器（３０６；４０８、４１０；５０２；６０８、６１０；７０８；８１０、８１６）と、
前記増幅器出力（３２２；４４０、４４２；５２４；６４４、６４６；８５２、８６２）と、前記反転入力（３１８；４２２、４２４；５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）と、に信号接続しているフィードバック回路網（３０８、４０６、５０４、６０６、７１２、８０２）と、
前記反転入力（３１８；４２２、４２４；５２８；６２４、６２６；７２６；８２０、８３２）と信号接続し、複数の選択可能な入力オフセットに対して調整可能であり、前記反転入力において複数の対応する電圧オフセットを生成する少なくとも１つの電流源（３１０；４０２、４０４；５０６；６０２、６０４；７２８；８４２、８４８）とを含み、
前記増幅器は第１の増幅器（４０８；６０８；８１０）であり、前記非反転入力は第１の非反転入力であり、前記反転入力は第１の反転入力であり、前記増幅器出力は第１の増幅器出力であり、
前記増幅回路は、第２の増幅器（４１０；６１０；８１６）と、第２の非反転入力と、第２の反転入力と、第２の増幅器出力とを含む増幅器と、をさらに含み、
前記フィードバック回路網（４０６、６０６、８０２）は、前記第１の増幅器出力と前記第１の反転入力とに加えて、前記第２の増幅器出力と前記第２の反転入力とに信号接続しており、
前記フィードバック回路網（４０６、６０６、８０２）は前記増幅回路の複数のゲイン設定に対して調整可能であり、前記フィードバック回路網は、前記第１および第２の反転入力の間の前記インピーダンスがすべてのゲイン設定に対して等しく、これにより、特に前記複数の選択可能な入力オフセットと前記複数の対応する電圧オフセットとが前記複数のゲイン設定から独立しているように構成されている、増幅回路（３００、４００、５００、６００、７００、８００）。
【請求項７】
前記電流源が、前記第１の反転入力（４２２；６２４；８２０）と信号接続している第１の電流源（４０２；６０２；８４２）と、前記第１の反転入力（４０８；６０８；８１０）と、前記第２の反転入力（４２４；６２６；８３２）と、に信号接続している第２の電流源（４０４；６０４；８４８）と、を含み、
前記第１および第２の電流源（４０２、４０４；６０２、６０４；８４２、８４８）のうちの少なくとも１つは前記複数の選択可能な入力オフセットに対して調整可能であり、前記第１および第２の反転入力における複数の対応する電圧オフセットを生成する、請求項６に記載の増幅回路。
【請求項８】
前記フィードバック回路網（４０６、６０６、８０２）が、前記第１の増幅器出力（４４０；６４４；８５２）と前記第１の反転入力（４０８；６０８；８１０）とに信号接続している第１のフィードバック・インピーダンス要素（４４４；６３２ａ−ｄ；８２６ａ−ｃ）と、前記第２の増幅器出力（４４２；６４６；８６２）と、前記第２の反転入力（４２４；６２６；８３２）と、に信号接続している第２のフィードバック・インピーダンス要素（４４６；６３４ａ−ｄ；８３６ａ−ｃ）と、前記第１の反転入力と前記第２の反転入力とに信号接続しているゲイン・インピーダンス要素（４４８；６３６ａ−ｄ；８３０ａ−ｃ）と、を含む、請求項６または７に記載の増幅回路。
【請求項９】
前記第１のフィードバック・インピーダンス要素（４４４；６３２ａ−ｄ；８２６ａ−ｃ）と、前記第２のフィードバック・インピーダンス要素（４４６；６３４ａ−ｄ；８３６ａ−ｃ）とが、それぞれ前記第１および第２の増幅器のそれぞれの前記ゲインに依存するインピーダンス値を有している、請求項８に記載の増幅回路。
【請求項１０】
前記フィードバック回路網（６０６、８０２）が、前記第１および／または第２の反転入力（６２４、６２６；８２０、８３２）と信号接続している複数のインピーダンス要素（６３２ａ−ｂ、６３４ａ−ｂ、６３６ａ−ｄ；８２６ａ−ｂ、８３６ａ−ｂ、８３０ａ−ｃ）と、前記増幅回路の複数のゲイン設定に対して調整可能な複数のスイッチ（６１６ａ−ｄ、６１８ａ−ｄ；８２８ａ−ｂ、８３８ａ−ｂ、８４０ａ−ｂ）と、を含み、
前記フィードバック回路網は、前記第１および第２の反転入力の間の前記インピーダンスがすべてのゲイン設定に対して等しく、これにより、特に前記複数の選択可能な入力オフセットと前記複数の対応する電圧オフセットとが前記複数のゲイン設定から独立しているように構成されている、請求項６〜９のいずれか１項に記載の増幅回路。
【請求項１１】
前記複数のインピーダンス要素が、
前記第１の反転入力と前記第１の増幅器出力とに信号接続している複数の第１の直列接続インピーダンス要素（６３２ａ−ｄ；８２６ａ−ｃ）と、
前記第２の反転入力と前記第２の増幅器出力とに信号接続している複数の第２の直列接続インピーダンス要素（６３４ａ−ｄ；８３６ａ−ｃ）と、
前記第１および第２の反転入力と信号接続している複数の並列接続インピーダンス要素（６３６ａ−ｄ；８３０ａ−ｃ）と、を含む、請求項１０に記載の増幅回路。
【請求項１２】
少なくとも１つの増幅器（３０６；４０８、４１０；５０２；６０８、６１０；７０８；８１０、８１６）がガス検出器（１０８）と信号接続している、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の増幅回路。
【請求項１３】
少なくとも１つの増幅器（３０６；４０８、４１０；５０２；６０８、６１０；７０８；８１０、８１６）がブリッジ回路（２００）のブリッジ出力と信号接続しており、前記ブリッジ回路は少なくとも２つの感温抵抗要素（２０８〜２２０）を含み、前記抵抗要素のうちの一方は第１のガス源（１２０）と連通しており、他方の抵抗要素は第２のガス源（１２４）と連通している、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の増幅回路。
【請求項１４】
少なくとも１つの増幅器（３０６；４０８、４１０；５０２；６０８、６１０；７０８；８１０、８１６）がガス検出器（１０８）と信号接続しており、前記ガス検出器がクロマトグラフ用カラム（１０４）と流動連通している、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の増幅回路。
【請求項１５】
出力信号を生成するために差動増幅器（３０６；４０８、４１０；５０２；６０８、６１０；７０８；８１０、８１６）によって入力信号を増幅するステップと、
フィードバック回路網（３０８、４０６、５０４、６０６、７１２、８０２）を介して前記出力信号を前記差動増幅器の反転入力にフィードバックするステップと、
複数の選択可能な入力オフセットに対して調整可能な電流を前記反転入力に流入させて、前記反転入力における複数の対応する電圧オフセットを生成するステップと、
前記フィードバック回路網（５０４、６０６、７１２、８０２）を前記増幅回路の複数の選択されたゲイン設定のうちの選択された１つに調整するステップとを含み、前記反転入力における前記インピーダンスは選択された任意のゲイン設定に対して等しく、前記電流の調整は前記選択されたゲイン設定から独立している、増幅回路（３００、４００、５００、６００、７００、８００）の入力オフセットを調整する方法。
【請求項１６】
前記差動増幅器の非反転入力においてガス検出器から入力信号を受信するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記入力信号がクロマトグラフ用カラムから流出するガスの濃度を示している、請求項１５または１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電気信号増幅器と、それに関連する計装機器とに関する。さらに詳細には、本発明は、入力オフセットの調整が好ましい信号増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子計器は、通常、センサ（または検出器、変換器など）を使用して、特定の物理的パラメータまたは物理的刺激（例えば、音声、温度、重さ、力、圧力、熱伝導度など）を検出し、または測定して、物理的パラメータを、その物理的パラメータの値を示す電気信号に変換する。センサは、電子計器の入力段で通常増幅される、かなり微弱な電気信号を通常生成する。入力段増幅器は、ゲインＧ＝Ｖout／Ｖin（ここでＶout＞Ｖin）により通常特徴付けられる。
【０００３】
また、増幅器は、正負のバイアスであるＶＤＣとＶ−ＤＣの両方を提供するＤＣ電源により通常電力を供給される。理想的には、センサが、測定される物理的パラメータを示す信号を検出しないとき、入力信号Ｖinはゼロであり、かつ出力信号Ｖoutもまたゼロである。入力信号を検知すると、入力信号は増幅されて、正負両方向の出力信号Ｖoutを生成する。信号出力Ｖoutには最大レベルがある。ＤＣ正負バイアスであるＶＤＣおよびＶ−ＤＣは、増幅器出力Ｖoutの（正負の）最大信号レベルに相当する。
【０００４】
多数のセンサに関連する１つの問題は、センサが理想的ではなく、測定しようとしている物理的パラメータからの刺激がなくても、作動中に何らかの信号レベルを生成する傾向があるという点である。これは、センサ・オフセットとして知られている。熱伝導度検出器では、センサ・オフセットは、検出要素（フィラメント、電線など）の公称抵抗値の不整合に起因する可能性がある。
このような信号増幅器は、分析機器または測定機器内のセンサ、検出器、または変換器の出力を、好ましくないセンサ・オフセットが出力に付随している状態で受信することがある。
入力段増幅器のセンサ・オフセットは増幅されて、ゼロではない信号出力Ｖoutを作り出す。この効果は、増幅器の有効出力範囲を減少させる可能性がある。センサ出力では、検出される可能性がある最大入力信号は、信号レベルと、センサ・オフセットとを加えたものであり、それが信号出力Ｖout＝ＶＤＣまたはＶ−ＤＣを生成する。したがって、大きい増幅を可能とし、かつ増幅器の全出力範囲を保持するためには、入力オフセット調整を導入することが好ましい。
【０００５】
増幅器にプログラマブル・ゲインを導入することが有利である。プログラマブル・ゲインにより、利用者はセンサが生成している信号に対して最適なゲインを選択することができるようになる。利用者は、選択された範囲の入力信号レベルに焦点を合わせる。適切なゲインを選択することにより、利用者は、増幅器の全出力範囲にわたって意味のある出力信号レベルを得る可能性がある。しかしながら、プログラマブル・ゲインはセンサ・オフセットに対応できない。所望のゲインを設定すると、利用者は、さらにセンサ・オフセットに対応することを求めるだろう。
【０００６】
熱伝導度検出器（ＴＣＤ）は、ガス流の熱伝導度の変化を測定するために一般的に使用されるセンサである。例えば、ガス・クロマトグラフィー（ＧＣ）のような様々な用途において有用である。ＴＣＤは、ホイートストン・ブリッジとして配置されることが多い４要素ブリッジ回路を含んでいてもよく、この４要素ブリッジ回路内の要素は、抵抗フィラメントまたは半導体サーミスタ（一般に、抵抗器）のような感温（感熱）要素である。検出要素の抵抗値は、温度変化に反応して変化する。各検出要素の温度は、検出要素の周囲を流れるガスの熱伝導度に依存する。少なくとも１つの抵抗器（または１対の抵抗器）がサンプル抵抗器の役目を果たしてもよく、少なくとも１つの抵抗器（または１対の抵抗器）がリファレンス抵抗器の役目を果たしてもよい。ＧＣ用途では、キャリア（リファレンス）ガス（例えば、水素、ヘリウムなど）が存在する状態で、サンプル抵抗器とリファレンス抵抗器との両方におけるリファレンス電圧を検知するとともに、キャリア・ガスと検体分子（ピーク）との両方を含むＧＣカラム流出物が存在する状態で、サンプル抵抗器におけるサンプル電圧を検知する。サンプルガスを導入すると、サンプル抵抗器により温度変化を検知し、結果として得られる抵抗値変化が、サンプル抵抗器における信号レベルの変化を生じさせる。信号レベルのこの変化は、温度変化と相関性がある可能性があり、さらにサンプルガス濃度と相関性がある可能性がある。ＴＣＤは、キャリア・ガスの熱伝導度の影響を相殺するように配置されてもよく、かつ流速、圧力、および電力の変化のような他の影響が最小になるように構成されてもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＴＣＤはセンサ・オフセットの影響を受けやすい。ＴＣＤにおけるセンサ・オフセットの１つの発生源は、検出要素（フィラメント、電線など）の公称抵抗値の不整合に起因する可能性がある。既知の技術は、この種類のセンサ・オフセットに適切に対処していない。
上記に照らして、プログラマブル・ゲインが可能な増幅器内を含み、信号増幅と入力オフセット調整とを提供する増幅回路および方法に対することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、それぞれ請求項１および１７で規定され、特定の実施形態は、従属請求項で定められている。
本発明によれば、増幅回路は、非反転入力と、反転入力と、増幅器出力とを含む増幅器と、増幅器出力と反転入力とに信号接続しているフィードバック回路網と、反転入力と信号接続している電流源と、を含んでいる。電流源は複数の選択可能な入力オフセットに対して調整可能であり、反転入力における複数の対応する電圧オフセットを生成する。
【０００９】
実施形態に基づいて、フィードバック回路網は、増幅回路の複数のゲイン設定に対して調整可能である。フィードバック回路網は、反転入力におけるインピーダンスがすべてのゲイン設定に対して等しく、これにより、複数の選択可能な入力オフセットと複数の対応する電圧オフセットとが複数のゲイン設定から独立しているように構成されている。
実施形態に基づいて、増幅回路は、第１の増幅器と、第２の増幅器と、フィードバック回路網と、電流源と、を含んでいる。第１の増幅器は、第１の非反転入力と、第１の反転入力と、第１の増幅器出力と、を含んでいる。第２の増幅器は、第２の非反転入力と、第２の反転入力と、第２の増幅器出力と、を含んでいる。フィードバック回路網は、第１の増幅器出力と、第１の反転入力と、第２の増幅器出力と、第２の反転入力と、に信号接続している。電流源は反転入力と信号接続している。電流源は複数の選択可能な入力オフセットに対して調整可能であり、反転入力における複数の対応する電圧オフセットを生成する。
【００１０】
実施形態に基づいて、フィードバック回路網は、増幅回路の複数のゲイン設定に対して調整可能である。フィードバック回路網は、第１および第２の反転入力の間のインピーダンスがすべてのゲイン設定に対して等しく、これにより、複数の選択可能な入力オフセットと複数の対応する電圧オフセットとが複数のゲイン設定から独立しているように構成されている。
【００１１】
実施形態に基づいて、電流源は、第１の反転入力と信号接続している第１の電流源と、第１の反転入力と第２の反転入力とに信号接続している第２の電流源と、を含んでいる。第１および第２の電流源のうちの少なくとも１つは、複数の選択可能な入力オフセットに対して調整可能であり、第１および第２の反転入力における複数の対応する電圧オフセットを生成する。
【００１２】
実施形態に基づいて、増幅回路は、増幅回路の複数のゲイン設定に対してフィードバック回路網を調整する装置または回路をさらに含んでいる。反転入力におけるインピーダンスはすべてのゲイン設定に対して等しく、これにより、複数の選択可能な入力オフセットと複数の対応する電圧オフセットとは複数のゲイン設定から独立している。
実施形態に基づいて、増幅回路は、非反転入力と、反転入力と、増幅器出力とを含む増幅器と、出力と反転入力とに信号接続しているフィードバック回路網と、調整可能な電流を反転入力に流入させる装置または回路と、を含んでいる。調整可能な電流は複数の選択可能な入力オフセットに対して調整可能であり、反転入力における複数の対応する電圧オフセットを生成する。
【００１３】
実施形態に基づいて、増幅回路では、少なくとも１つの増幅器がガス検出器と信号接続していてもよい。いくつかの実施態様では、ガス検出器はクロマトグラフ用カラムと流動連通していてもよい。いくつかの実施態様では、ガス検出器は熱伝導度検出器（ＴＣＤ）であってもよい。
実施形態に基づいて、増幅回路では、少なくとも１つの増幅器はブリッジ回路のブリッジ出力と信号接続していてもよい。ブリッジ回路は少なくとも２つの感温抵抗要素を含んでいてもよく、抵抗要素のうちの一方は第１のガス源と連通しており、他方の抵抗要素は第２のガス源と連通している。
【００１４】
本発明に基づいて、増幅回路の入力における入力オフセットを調整する方法を提供している。入力信号は差動増幅器内で増幅され、出力信号を生成する。フィードバック回路網を介して出力信号を差動増幅器の反転入力にフィードバックする。調整可能な電流を反転入力に流入させる。調整可能な電流は複数の選択可能な入力オフセットに対して調整可能であり、反転入力における複数の対応する電圧オフセットを生成する。
【００１５】
実施形態に基づいて、方法は、増幅回路の複数の選択可能なゲイン設定のうちの選択された１つに対してフィードバック回路網を調整するステップをさらに含んでおり、反転入力におけるインピーダンスは選択された任意のゲイン設定に対して等しく、これにより、電流の調整は選択されたゲイン設定から独立している。
実施形態に基づいて、方法は、差動増幅器の非反転入力においてガス検出器から入力信号を受信するステップをさらに含んでいる。いくつかの実施態様では、入力信号は、クロマトグラフ用カラムから流出するガスの濃度を示していてもよい。いくつかの実施態様では、ガス検出器は熱伝導度検出器であってもよい。
【００１６】
増幅回路および方法に関する上述した実施形態を任意の方法で組み合わせることができ、すなわち、２つ以上の実施形態が本発明のさらなる実施形態を形成してもよい。
本発明の他の装置、器具、システム、方法、特徴、および／または利点は、下記の図面および詳細な説明を検討すれば、当業者に明らかであり、または明らかになるであろう。すべてのこのような付加的な装置、器具、システム、方法、特徴、および／または利点は、本説明の中に含まれ、本発明の範囲内にあり、かつ添付請求項で保護されているものとする。
【００１７】
下記の図面を参照することにより、本発明をより良く理解することができる。図面の中の構成要素は必ずしも比例するように描かれているわけではなく、その代わりに本発明の原理を示すとき強調されている場合もある。図面において、類似の参照番号は、異なる図面全体を通して対応する部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施態様を実行してもよい分析機器またはシステムの実施例の模式図である。
【図２】本発明の実施態様を実行してもよい検出器および増幅器の実施例の模式図である。
【図３】一実施態様の入力オフセット調整を有するシングル・エンド形計装増幅回路の実施例の模式図である。
【図４】他の実施態様の入力オフセット調整を有する差動計装増幅回路の実施例の模式図である。
【図５】他の実施態様の入力オフセット調整を有するシングル・エンド形計装増幅回路の他の実施例の模式図である。
【図６】他の実施態様の入力オフセット調整を有する差動計装増幅回路の他の実施例の模式図である。
【図７】他の実施態様の入力オフセット調整を有するシングル・エンド形計装増幅回路の他の実施例の模式図である。
【図８】本発明と整合している入力オフセット調整を有する差動計装増幅回路の他の実施例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
一般に、用語「通信する」（例えば、第１の構成要素が、第２の構成要素「と通信する」）は、本明細書において２つ以上の構成要素または要素の間の構造的、機能的、機械的、電気的、光学的、磁気的、イオン的、または流体的関係を示すために使用されている。したがって、１つの構成要素が第２の構成要素と通信すると言われているという事実は、付加的な構成要素が、第１および第２の構成要素の間に存在するかもしれない、ならびに／または、第１および第２の構成要素と作動的に関連するもしくはかかわり合うかもしれないという可能性を排除するものではない。
【００２０】
一般に、「信号接続して」という句は、第１の装置もしくは構成要素から、第２の装置もしくは構成要素に、または２つ以上の他の装置もしくは構成要素に信号もしくは情報を送出するおよび／もしくは伝達する任意の手段を示している。このような手段の実施例は、信号もしくは情報を接続すること、電磁的に結合すること、有線もしくは無線で送受信すること、処理後に送出すること、フィルタリングすること、変換すること、または変更すること、を含んでいるが、これらに限らない。
【００２１】
文脈の中で別のものとして示されているか、もしくは文脈から別のものであることが明白である場合を除いて、一般に、用語「インピーダンス」もしくは「インピーダンス要素」は、抵抗器のような抵抗体（もしくは抵抗性）要素、コンデンサのような静電容量（もしくは容量性）要素、コイルのようなインダクタンス（誘導性）要素、上記要素のうちの２つ以上の組み合わせ、上記要素のうちの１つ以上の種類の組み合わせ、またはインピーダンスを示す装置もしくは回路部分、を示していてもよい。当業者により理解されるように、抵抗器、コンデンサ、コイル、増幅器、およびその種の他のものは、１つ以上の個別部品、またはソリッドステート回路もしくは集積回路（ＩＣ）の部分を構成してもよい。
【００２２】
下記の説明では、入力段増幅器と信号接続してもよいセンサの実施例としてガス・クロマトグラフィーに使用できる熱伝導度検出器（ＴＣＤ）について記述している。一例として、ＴＣＤまたは他のセンサは、ガス・クロマトグラフ（ＧＣ）システムのような機器内で使用される。上記にもかかわらず、当業者は、本発明と整合している実施例で、任意の好適な用途（計量器、圧力測定など）において任意の好適なセンサを利用してもよい。さらに、ＴＣＤを含むこのようなセンサは、直流電流（ＤＣ）または交流電流（ＡＣ）のどちらで電力を供給されてもよい。さらに、本発明の実施態様は、個別部品の形態で、ＩＣで、または組み合わせて提供してもよい。
【００２３】
図１は、本発明の実施態様にかかる動作環境またはシステムの模式図である。図１は、ＧＣ器具１０４と、検出器１０８と、検出器増幅器１１２と、読出し／表示装置１１６と、を含むガス・クロマトグラフ（ＧＣ）システム１００を示している。ＧＣ器具１０４は、それらの基本設計および作動原理が既知であり、ここで詳細に説明する必要がない任意の種類のものである。より一般には、分析する予定のガスの流れを与える任意の器具であってもよく、図示のＧＣ器具１０４はあくまで１つの実施例にすぎない。
【００２４】
検出器１０８は、熱伝導度検出器（ＴＣＤ）のような任意の好適な検出器である。ＧＣ器具１０４にはサンプルガスの入力１２０とリファレンス（キャリア）ガスの入力１２４とが供給される。サンプルガスとキャリア・ガスとを混合するためにインジェクター（図示せず）を通常使用して、キャリア・ガスがＧＣ器具１０４のクロマトグラフ用カラム（図示せず）を通してサンプルガス成分を運ぶ。ＧＣ器具１０４はオーブンを備えており、このオーブン内にカラムが設置され、カラムを通って流れる溶質キャリア・ガス混合物を加熱してもよく、あるいは（またはさらに）、カラムを直接加熱する装置または手段を備えていてもよい。ＧＣカラムからの流出物（ＳＡＭＰＬＥ＋ＲＥＦ）１２８が検出器１０８に入力される。さらに、ＧＣ器具１０４のサンプル・インジェクターより前のある時点で、キャリア（ＲＥＦ）ガス流の一部分１３２を主要なキャリア・ガス入力１２４から迂回させてまたは分割して、検出器１０８に別々に導いている。ピークがカラムから溶出するとき、検出器１０８はサンプルガスの濃度を示す出力（測定）信号１３６を与える。この出力（測定）信号１３６は、ＴＣＤの場合における測定された熱伝導度と相互に関連付けられる。検出器増幅器１１２は測定信号１３６を増幅して、増幅信号１４０を出力する。増幅信号１４０は、必要に応じて付加的な信号調整処理回路（図示せず）に送信される。読出し／表示装置１１６は、増幅信号１４０を受信して、例えば時間の関数としてのＴＣＤ出力応答などの利用者が解釈できるＧＣ器具１０４の動作の結果を構成するピークのクロマトグラムを与えるために利用される。
【００２５】
図２は、図１に示したＧＣシステム１００のような分析計器システムで利用される検出器または検出器回路２００の模式図である。例えば、検出器２００がＴＣＤとして構成されているとき、図示の例は有用である。検出器２００は、ＧＣ器具のような好適なガス源と流動連通している好適な検出器セル構造（図示せず）内に収容された４要素ブリッジ回路として配置されたセンサ部分２０４を含んでいる。ブリッジ回路の脚部またはアーム部は、サンプル抵抗器の対向する対２０８および２１２と、リファレンス抵抗器の対向する対２１６および２２０と、を含んでいる。サンプル抵抗器２０８および２１２の一方（または両方）は、ＧＣカラムからの流出物などのサンプルガスとキャリア・ガスとの混合流２２４にさらされる。リファレンス抵抗器２１６および２２０の一方（または両方）は、キャリア・サンプル流出物の流れ２２４から分離しているリファレンスガスだけの流れ２２８にさらされる。例えば、ＧＣに使用されるキャリア・ガス（例えば、ヘリウム、水素など）は、リファレンスガスの役目を果たしてもよい。電源２３２は、ブリッジ回路の入力ノード２３６および２４０に励起電圧を供給する。出力ノード２４４および２４８の一方または両方は、好適な計器増幅器（ＩＡ）２５２と信号接続した状態で接続されている。
【００２６】
典型的な動作について見ると、各ガス流２２４および２２８がリファレンスガスだけを含んでいるとき（例えば、サンプル・ピークがＧＣカラムから溶出する前）、ブリッジ回路の４つの抵抗器２０８、２１２、２１６、２２０のそれぞれの温度は同じであって、リファレンスガスに対して既知の値をとる。ブリッジ回路は平衡状態にあり、サンプルガスが存在しないことを示す、あるゼロレベルまたはベースライン値における出力を与える。ガス流の熱伝導度はガスの化学組成に依存している。多くの場合、サンプルガス成分の熱伝導度はリファレンスガスの熱伝導度よりもかなり低い。したがって、ガス流２２４がサンプル成分を含んでいるとき、結果として得られる混合流２２４の熱伝導度は、リファレンスだけの流れ２２８の熱伝導度よりも低い。さらに、ＧＣ動作の場合では、異なったピークがカラムから溶出するとき、リファレンスだけの流れ２２８の熱伝導度に対して、混合流２２４の熱伝導度が変化する。その結果として、混合流２２４と熱接触している抵抗器２０８および／または２２４の温度が変化して、さらにそれらの抵抗値が変化するが、他方、リファレンスだけの流れ２２８と熱接触している抵抗器２１６および／または２２０の温度および抵抗値は一定のままである。例えば、リファレンスガスの流速および熱伝導度と、抵抗器２０８、２１２、２１６、２２０を通る電流とにより決定される平衡温度まで、抵抗器２０８、２１２、２１６、２２０を初めに加熱するために、電源２３２および／または個別の加熱装置を作動してもよく、この後、抵抗器２０８、２１２、２１６、２２０から流動ガスにより熱が運び去られる。その結果、混合流２２４内にサンプル成分が存在してブリッジ回路に不平衡を生じさせる。この不平衡はサンプルガスとリファレンスガスの間の熱伝導度の違いを通常表している。この違いはブリッジ回路の出力レベルに測定信号として反映され、その後この測定信号は計器増幅器２５２により増幅される。
【００２７】
図２に示したブリッジ回路を構成して電源を供給するには、以下の４つの実施例を含むいくつかの方法がある。まず第１に、定電圧法では、ブリッジ回路を横切って一定電圧を印加してもよい。第２に、定電流法では、ブリッジ回路に一定電流を印加してもよい。これら２つのどちらの場合でも、ブリッジ回路の出力信号はブリッジ回路の中点に現れる電圧不平衡の関数である。第３に、定温法では、ブリッジ回路の出力信号をフィードバック電圧制御として利用して、ブリッジ回路を平衡状態に保持する。この場合、サンプル成分に起因する温度の増加を測定する代わりに、ブリッジ要素の温度を一定に保つのに必要な熱を測定する。第４に、一定平均温度法では、第２のブリッジ回路とフィードバック制御の中にブリッジ回路を接続し、その場合、出力信号は内側のブリッジを横切る電圧不平衡である。このようなすべての種類のブリッジ回路で作動するように本発明の実施態様を構成してもよい。
【００２８】
図３は、本発明に用いられる増幅回路３００の実施例を示す模式図である。増幅回路３００は入力信号３０２を受信して、対応する出力信号３０４を作り出す。増幅回路３００は、増幅器要素（一般に、単に「増幅器」と呼ばれる）３０６と、フィードバック回路網３０８と、電流源３１０と、補償インピーダンス要素３１２と、を含んでいる。フィードバック回路網３０８は、第１のフィードバック・インピーダンス要素３１４と第２のフィードバック・インピーダンス要素３１６とを含んでいる。この実施例では、図３の増幅回路３００はシングル・エンド形（電流）信号計装増幅器である。ＴＣＤとして作動するブリッジ回路のようなセンサ（図示せず）が、入力信号３０２を提供するために増幅回路３００と信号接続している。一実施例では、入力信号３０２は、測定しているサンプルガスの熱伝導度の変化を示す。便宜上、以下の説明では、模式的に示したインピーダンス要素を単に「インピーダンス」と呼ぶことにする。
【００２９】
図３に示した実施例では、増幅回路３００内の増幅器３０６は、差動入力、すなわち、反転入力３１８と非反転入力３２０とを有する差動増幅器である。したがって、第２のフィードバック・インピーダンス３１６に対して好適なインピーダンス値を選択することにより、増幅器３０６をプログラムできる点で、増幅器３０６は「プログラマブル・ゲイン」を有しているとみなしてもよい。実施例として、増幅器３０６は、「オペアンプ」として一般に知られている演算増幅器であってもよい。
【００３０】
増幅器３０６にオペアンプを利用することにより、増幅回路３００は反転構成になっており、補償インピーダンス３１２は増幅器３０６の非反転入力３２０と信号接続しているとともに、フィードバック回路網３０８は増幅器３０６の出力３２２と増幅器３０６の反転入力３１８との両方に信号接続している。また、電流源３１０は増幅器３０６の反転入力３１８と信号接続している。この実施例では、第１のインピーダンス３１４は増幅器３０６の出力３２２と増幅器３０６の反転入力３１８との両方に信号接続しており、第２のインピーダンス３１６は増幅器３０６の反転入力３１８と信号接地３２４とに信号接続している。
【００３１】
この実施例では、電流源３１０は負の入力ノード３１８と信号接続しており、第１および第２のフィードバック・インピーダンス３１４および３１６で形成されたフィードバック回路網３０８の入力インピーダンスＺin３２６に電流を流す。電流源３１０により流される電流は、一定のオフセット電流Ｉoffset３２８であり、このＩoffset３２８は負の入力ノード３１８においてオフセット電圧Ｖoffset３３０を形成する。図示の実施例では、第１のフィードバック・インピーダンス３１４は（ｇ−１）＊Ｒの抵抗値に設定され、ここで「ｇ」は増幅器３０６のゲインである。第２のフィードバック・インピーダンス３１６はＲの抵抗値に設定され、ここでＲは増幅器３０６のゲインをプログラムするために選択された抵抗値である。第１および第２のフィードバック・インピーダンス３１４および３１６に対して、これらの値を用いると、オフセット電圧Ｖoffset３３０は以下のように表される。
Ｖoffset＝（Ｒ‖（ｇ−１）Ｒ）Ｉoffset、この等式は以下のように書き換えることができる。
【００３２】
【数１】
2009165121.tif 000003
【００３３】
補償インピーダンス３１２は、増幅器要素３４０の非反転入力３２０と直列に挿入される。補償インピーダンス３１２の値は、一般に、第１および第２のフィードバック・インピーダンス３１４および３１６の並列の組み合わせのインピーダンスの値（すなわち、入力インピーダンスＺin３２６）とされる。すなわち、上述した実施例における補償インピーダンス３１２の値は
2009165121.tif 000004
【００３４】
に等しい。
図３に示した増幅回路３００では、電流源３１０を制御して、所望のオフセット電流Ｉoffset３２８を流し、入力信号３０２に対するセンサ・オフセット寄与を相殺するＶoffset３３０を生成することができる。電流源３１０は、調整すべきただ１つのパラメータＩoffsetを利用者に提供することによりセンサ・オフセット補償プロセスを簡素化する。この増幅回路３００を使用する実施例では、利用者は「ゼロ」信号を生成するようにセンサを設定できる。入力オフセット調整は、シングル・エンド形電流入力で制御される。差動入力または接地基準を必要としない。その結果、入力オフセット調整を設定する際に、利用者はゼロレベルを表すように選択された信号を生成するようにセンサを構成できる
。ＧＣで使用されるＴＣＤの場合には、センサ出力導線において平衡状態の信号レベルを提供するようにセンサを構成してもよい。すなわち、センサは抵抗器フィラメントのすべてが等しい値になるべき温度にさらされる。その後、利用者は電流源３１０を調整して、増幅器３０６の反転入力３１８にＶoffset３３０を印加するためのＩoffset３２８を生成し、サンプルガスのゼロレベルを表す信号値を有する出力信号３０４を生成することができる。
【００３５】
図４は、本発明の他の実施例にかかる差動計装増幅回路４００を示す模式図である。増幅回路４００は、第１および第２の電流源４０２および４０４と、フィードバック回路網４０６と、第１の増幅器４０８と、第２の増幅器４１０と、第１の補償インピーダンス４１２と、第２の補償インピーダンス４１４と、を含んでいる。この実施例では、第１の増幅器４０８と第２の増幅器４１０とは、例えば、オペアンプのような差動増幅器である。第１の補償インピーダンス４１２は第１の増幅器４０８の非反転入力４１６と信号接続しており、第２の補償インピーダンス４１４は第２の増幅器４１０の非反転入力４１８と信号接続している。第１の電流源４０２は第１の増幅器４０８の反転入力４２２と信号接続しており、第２の電流源４０４は第１の増幅器４０８の反転入力４２２と第２の増幅器４１０の反転入力４２４との両方に信号接続している。また、第１の電流源４０２は信号接地４２３と信号接続している。動作について見ると、第１および第２の電流源４０２および４０４は、第１の増幅器４０８の反転入力４２２に対応する第１の負の入力ノードに直接、それぞれの電流ＩＳ−offset４２６とＩＤ−offset４２８とを流す。
【００３６】
上述したブリッジ回路形のＴＣＤのようなセンサでは、ブリッジ回路からの一方の導線が増幅回路４００の正の信号入力４３０と信号接続するように接続され、かつブリッジ回路からの他方の導線が増幅回路４００の負の信号入力４３２と信号接続するように接続されている。この実施例では、正の信号入力４３０に流れ込んだ正の入力信号４３４が、第１の補償インピーダンス４１２を通り抜けて第１の増幅器４０８の非反転入力４１６まで到達する。同様に、負の信号入力４３２に流れ込んだ負の入力信号４３６が、第２の補償インピーダンス４１４を通り抜けて第２の増幅器４１０の非反転入力４１８まで到達する。増幅回路４００は、第１の増幅器４０８の出力に対応する正の差動出力４４０と、第２の増幅器４１０の出力に対応する負の差動出力４４２と、を備えている。フィードバック回路網４０６は、第１および第２の増幅器４０８および４１０の出力４４０および４４２の両方と、第１および第２の増幅器４０８および４１０の反転入力４２２および４２４の両方と、に信号接続している。フィードバック回路網４０６は、第１のフィードバック・インピーダンス４４４と、第２のフィードバック・インピーダンス４４６と、ゲイン・インピーダンス４４８と、を含んでいる。
【００３７】
この増幅回路４００は、選択されたゲイン・インピーダンス４４８に対して好適なインピーダンス値を選択することにより実行される「プログラマブル・ゲイン」機能を有しているとみなせる。一般に、第１および第２の増幅器４０８および４１０の動作特性は平衡状態にある。したがって、第１および第２の増幅器４０８および４１０は実質的に同じ仕様を有していてもよく、第１および第２のフィードバック・インピーダンス４４４および４４６は同じインピーダンス値であってもよく、第１および第２の補償インピーダンス４１２および４１４は同じ補償インピーダンス値に設定してもよい。増幅回路４００に対する所望のゲインを達成するためにゲイン・インピーダンス４４８の値を変更したりまたは選択したりしてもよいという点で、ゲイン・インピーダンス４４８は「プログラマブル・ゲイン」機能を提供する。
【００３８】
この実施例では、第１のフィードバック・インピーダンス４４４の値と、第２のフィードバック・インピーダンス４４６の値と、ゲイン・インピーダンス４４８の値とは、それぞれ、第１および第２の増幅器４０６および４１０の反転入力４２２および４２４に対応する負の入力ノードにおけるオフセット電圧が所望の範囲を達成するように設定される。オフセット電圧の所望の範囲は、選択されたセンサから予期されるセンサ・オフセット範囲と、入力オフセット電流の電流レベルと、に依存している。この実施例では、インピーダンス値は以下のように選択することができる。すなわち、第１および第２のフィードバック・インピーダンス４４４および４４６は、インピーダンス値（ｇ−１）＊Ｒにそれぞれ設定され、ここで「ｇ」は各増幅器４０８および４１０のゲインである。同様にゲイン・インピーダンス４４８は２Ｒに設定され、ここで「Ｒ」は具体的な実施態様に応じて所望の全体のゲインに従って利用者が設定する抵抗値（すなわち、「実際の」インピーダンス値）である。第１および第２のフィードバック・インピーダンス４４４および４４６に対して、およびゲイン・インピーダンス４０８に対して、これらの値を用いる場合、次の関係式を使用してオフセット電圧Ｖoffsetを調整することができる。
【００３９】
【数２】
2009165121.tif 000005
【００４０】
利用者は増幅回路４００で所望のゲインが達成されると、電圧オフセットＶoffsetを調整して、オフセット電流ＩＳ−offset４２６およびＩＤ−offset４２８のどちらかまたは両方を調整することによりセンサ・オフセットを補償することができる。
したがって、図４に示した増幅回路４００によれば、電流源４０２および／または４０４を制御して、所望の電流レベルでオフセット電流ＩＳ−offset４２６およびＩＤ−offset４２８を流し、入力信号に対するセンサ・オフセット寄与を相殺する電圧オフセットＶoffsetを生成する。電流源４０２および４０４は、調整すべき１つまたは２つのパラメータＩＤ−offset４２６および／またはＩＳ−offset４２８を利用者に提供することにより、センサ・オフセット補償プロセスを簡素化する。一実施例では、利用者は「ゼロ」信号を生成するようにセンサを設定してもよい。その結果、入力オフセット調整を設定する際に、利用者はゼロレベルを表すように選択された信号を生成するようにセンサを構成してもよい。ＧＣで使用されるＴＣＤの場合には、センサ出力導線において平衡状態の信号レベルを提供するようにセンサを構成してもよい。すなわち、センサは抵抗器フィラメントのすべてが等しい値になるべき温度にさらされてもよい。その後、利用者は電流源４０２および／または４０４を調整して、反転入力４２２および４２４におけるＶoffsetを印加するＩＤ−offset４２６および／またはＩＳ−offset４２８を生成し、正および負の出力４４０および４４２にサンプルガスのゼロレベルを表す出力を生成することができる。
【００４１】
図５は、本発明のシングル・エンド形プログラマブル・ゲイン増幅回路５００の他の実施例を示す模式図である。増幅回路５００は、増幅器５０２と、フィードバック回路網５０４と、電流源５０６と、補償インピーダンス５０８と、４つスイッチ５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃ、および５１０ｄのような複数のスイッチと、を含んでいる。フィードバック回路網５０４は、増幅器５０２に対するフィードバックとして利用される直列はしご形インピーダンス５１２ａ、５１２ｂ、５１２ｃ、および５１２ｄと、並列はしご形インピーダンス５１４ａ、５１４ｂ、５１４ｃ、および５１４ｄと、により形成されたＲ２Ｒインピーダンスはしご形回路網を含んでいる。４つのスイッチ５１０ａ−ｄ、４つの直列はしご形インピーダンス５１２ａ−ｄ、および４つの並列インピーダンス５１２ａ−ｄを示しているが、この個数は実施例であり、本発明の範囲を逸脱することなく任意の個数のこれらの構成要素を利用してもよい。入力信号５１６は、補償インピーダンス５０８を介して増幅器５０２の非反転入力５２０と信号接続している信号入力５１８において受信される。増幅器５０２は、信号接地５２６に対して増幅器５０２の信号出力５２４に、増幅信号５２２を出力する。
【００４２】
複数のスイッチ５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃ、５１０ｄは、利用者が複数のゲイン設定の組から選択することを可能にするスイッチ・バンクである。この実施例では、増幅回路５００のゲインをゲイン値３に設定するためにスイッチＳｇ３_５１０ｄを選択している。同様に、ゲインをゲイン値６に設定するためにスイッチＳｇ６_５１０ｃを選択してもよく、ゲインをゲイン値１２に設定するためにスイッチＳｇ１２_５１０ｂを選択してもよく、ゲインをゲイン値２４に設定するためにスイッチＳｇ２４_５１０ａを選択してもよい。ゲイン設定は、各スイッチ設定に対するＲ２Ｒフィードバック回路網５０４内のインピーダンス要素の構成に依存している。例えば、スイッチＳｇ３_５１０ｄは閉じた状態で示されており、インピーダンス要素５１２ｄを、負の入力（すなわち、増幅器５０２の反転入力５２８）と増幅器５０２の出力５２４とに信号接続しているただ一つのフィードバック・インピーダンス要素として残している。スイッチＳｇ３_５１０ｄを開いてかつスイッチＳｇ６_５１０ｃを閉じることにより、Ｒ２Ｒフィードバック回路網５０４の構成が変化して、増幅器５０２の反転入力の負の入力ノード５２８と信号接地５２６の間のインピーダンスに対してフィードバック・インピーダンスを大きくする。それによってゲインが実効的に２倍になる（すなわち、ゲイン値が６になる）ようにインピーダンスの値を選択することができる。同様に、スイッチＳｇ６_５１０ｃを開いてかつスイッチＳｇ１２_５１０ｂを閉じることによりゲインがゲイン値１２に増加し、スイッチＳｇ１２_５１０ｂを開いてかつスイッチＳｇ２４_５１０ａを閉じることによりゲインがゲイン値２４に増加する。
【００４３】
電流源５０６を調整して、増幅器５０２の負の増幅器入力（すなわち、反転入力５２８）における入力オフセットを制御してもよい。この実施例では、異なるゲインが選択されるとき、反転入力５２８に見られるように、フィードバック回路網５０４の負の入力ノード・インピーダンスは変化しない。この実施例では、インピーダンス値は以下のように選択できる。すなわち、直列はしご形インピーダンス５１２ａ、５１２ｂ、および５１２ｃと、並列はしご形インピーダンス５１４ａとを、それぞれインピーダンス値Ｒに設定する。ここでＲは抵抗値であり、並列はしご形インピーダンス５１４ｂ、５１４ｃ、および５１４ｄと、直列はしご形インピーダンス５１２ｄとは、それぞれインピーダンス値２Ｒに設定される。この実施例で示したインピーダンス値を仮定すると、増幅器５０２の反転入力５２８における電圧オフセットＶoffsetは以下の式に従って決定される。
【００４４】
【数３】
2009165121.tif 000006
【００４５】
利用者は、電流源５０６により生成されるオフセット電流Ｉoffsetを調整することにより、決定されたセンサ・オフセットを補償するように電圧オフセットＶoffsetを設定することができる。
図５に示した増幅回路５００は、電流源５０６を制御して、オフセット電流Ｉoffsetを流し、入力信号５１６に対するセンサ・オフセット寄与を相殺する電圧オフセットＶoffsetを生成する可能性を利用者に提供する。また、増幅回路５００の反転入力５２８に見られるように、フィードバック回路網５０４の負の入力ノード・インピーダンスを変化させない形で、スイッチ５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃ、５１０ｄを用いてゲインをプログラムしてもよく、それによって、もしそのようにしなければゲインを変更することが入力オフセット調整に及ぼすことになるであろう影響を排除する。
【００４６】
図６は、本発明の差動計装プログラマブル・ゲイン増幅回路６００の他の実施例を示す模式図である。増幅回路６００は、第１および第２の電流源６０２および６０４と、フィードバック回路網６０６と、第１の増幅器６０８と、第２の増幅器６１０と、第１の補償インピーダンス６１２と、第２の補償インピーダンス６１４と、４つスイッチ６１６ａ、６１６ｂ、６１６ｃ、および６１６ｄのような第１の複数のスイッチと、４つスイッチ６１８ａ、６１８ｂ、６１８ｃ、および６１８ｄのような第２の複数のスイッチと、を含んでいる。この実施例では、第１の増幅器６０８と第２の増幅器６１０とは、例えば、オペアンプのような差動増幅器である。第１の補償インピーダンス６１４は第１の増幅器６０８の非反転入力６２０と信号接続しており、第２の補償インピーダンス６１４は第２の増幅器６１０の非反転入力６２２と信号接続している。第１の電流源６０２は第１の増幅器６０８の反転入力６２４と信号接続している。第２の電流源６０４は第１の増幅器６０８の反転入力６２４と第２の増幅器６１０の反転入力６２６との両方に信号接続している。また、第１の電流源６０２は信号接地６２７と信号接続している。動作について見ると、第１および第２の電流源６０２および６０４とは、第１の増幅器６０８の反転入力６２４に対応する第１の負の入力ノードに直接、それぞれの電流ＩＳ−offset６２８とＩＤ−offset６３０とを流す。
【００４７】
フィードバック回路網６０６は、増幅器６０８と６１０の両方に対するフィードバックとして利用される第１の（すなわち、「上方の」）直列はしご形インピーダンス６３２ａ、６３２ｂ、６３２ｃ、および６３２ｄと、第２の（すなわち、「下方の」）直列はしご形インピーダンス６３４ａ、６３４ｂ、６３４ｃ、および６３４ｄと、並列はしご形インピーダンス６３６ａ、６３６ｂ、６３６ｃ、および６３６ｄと、により形成されるＲ２Ｒインピーダンスはしご形回路網を含んでいる。４つの第１のスイッチ６１６ａ−ｄ、４つの第２のスイッチ６１８ａ−ｄ、４つの第１の直列はしご形インピーダンス６３２ａ−ｄ、４つの第２の直列はしご形インピーダンス６３４ａ−ｄ、および４つの並列インピーダンス６３６ａ−ｄを示しているが、この個数は実施例であり、本発明の範囲を逸脱することなく任意の個数のこれらの構成要素を利用してもよいということが当業者により理解される。
【００４８】
第１の入力信号６３８は、第１の補償インピーダンス６１２を介して第１の増幅器６０８の非反転入力６２０と信号接続している信号入力６４０（例えば、正の信号入力）において受信される。第１の増幅器６０８は、信号接地６２７に対して第１の増幅器６０８の信号出力６４４に、第１の増幅信号６４２を出力する。同様に、第２の入力信号６４２は、第２の補償インピーダンス６１４を介して第２の増幅器６１０の非反転入力６２２と信号接続している信号入力６４４（例えば、負の信号入力）において受信される。第２の増幅器６１０は、信号接地６２７に対して第２の増幅器６１０の信号出力６４８に、第２の増幅信号６４６を出力する。実施例として、差動正負信号入力６４０および６４４と信号接続した状態でセンサを置いてもよい。
【００４９】
第１の増幅器６０８の反転増幅器入力６２４は、第１の増幅器６０８の反転入力６２４に対応する第１のノードにある第１のスイッチ・バンク６１６ａ−ｄを介して、フィードバック回路網６０６と信号接続している。第２の増幅器６１０の反転増幅器入力６２６は、第２の増幅器６１０の反転入力６２６に対応する第２のノードにある第２のスイッチ・バンク６１８ａ−ｄを介して、フィードバック回路網６０６と信号接続している。フィードバック回路網６０６の中のＲ２Ｒインピーダンスはしご形回路網は、並列はしご形インピーダンス６３６ａ−ｄと、上方の直列はしご形インピーダンス６３２ａ−ｄと、下方の直列はしご形インピーダンス６３４ａ−ｄと、により形成されている。
【００５０】
第１および第２のスイッチ・バンク６１６ａ−ｄおよび６１８ａ−ｄの設定により、フィードバック回路網６０６内のインピーダンスの構成を切り替えて、所望のゲインを達成するためにインピーダンス値を調整する。例えば、増幅回路６００のゲインをゲイン値３に設定するために、第１のスイッチ・バンク６１６ａ−ｄ内のスイッチＳｇ３_６１６ｄと、第２のスイッチ・バンク６１８ａ−ｄ内のスイッチＳｇ３_６１８ｄとを選択してもよい。同様に、ゲインをゲイン値６に設定するために、各スイッチ・バンク６１６ａ−ｄおよび６１８ａ−ｄ内のスイッチＳｇ６_６１６ｃおよび６１８ｃを選択してもよく、ゲインをゲイン値１２に設定するために、各スイッチ・バンク６１６ａ−ｄおよび６１８ａ−ｄ内のスイッチＳｇ１２_６１６ｂおよび６１８ｂを選択してもよく、ゲインをゲイン値２４に設定するために、各スイッチ・バンク６１６ａ−ｄおよび６１８ａ−ｄ内のスイッチＳｇ２４_６１６ａおよび６１８ａを選択してもよい。これらの実施例では、ゲインは、閉じているスイッチに対応するフィードバック回路網６０６の中のＲ２Ｒインピーダンスはしご形回路網のインピーダンスに依存している。
【００５１】
動作の実施例として、第１の電流源６０２は、第１の増幅器６０８の反転入力６２４に対応する第１のノードに電流ＩＳ−offset６２８を流す。電流ＩＳ−offset６２８は、信号接地６２７に対して反転入力６２４における電圧オフセットを生成する。第２の電流源６０４はＲ２Ｒインピーダンスはしご形回路網に電流ＩＤ−offset６３０を流して、第１の増幅器６０８の反転入力６２４に対応するノードと、第２の増幅器６１０の反転入力６２６に対応するノードとの間に、Ｒ２Ｒインピーダンスはしご形回路網を横切る一定の電圧降下を生成する。信号入力６４０および６４４におけるセンサ・オフセットを補償するために、第１および第２の電流源６０２および６０４を調整して電圧オフセットＶoffsetを生成してもよい。この実施例では、インピーダンス値は以下のように選択する。すなわち、上方の直列インピーダンス６３２ａ、６３２ｂ、および６３２ｃと、下方のインピーダンス６３４ａ、６３４ｂ、および６３４ｃとは、抵抗値Ｒに設定された個々のインピーダンス値を有し、上方の直列インピーダンス６３２ｄと下方の直列インピーダンス６３４ｄとは、抵抗値２Ｒに設定された個々のインピーダンス値を有し、並列インピーダンス６３６ｂ、６３６ｃ、および６３６ｄは抵抗値４Ｒに設定された個々のインピーダンス値を有し、並列インピーダンス６３６ａは抵抗値２Ｒに設定されたインピーダンス値を有している。この実施例で示したインピーダンス値を仮定すると、電圧オフセットＶoffsetを以下の式で決定することができる。
【００５２】
【数４】
2009165121.tif 000007
【００５３】
図６に示した増幅回路６００によれば、電流源６０２および／または６０４を制御して、オフセット電流を流し、入力信号に対するセンサ・オフセット寄与を相殺する電圧オフセットＶoffsetを生成することができる。また、増幅回路６００の差動入力におけるインピーダンス（すなわち、それぞれ第１および第２の増幅器６０８および６１０の反転入力６２４および６２６におけるフィードバック回路網６０６の入力インピーダンス）を変化させない形で、スイッチ６１６ａ、６１６ｂ、６１６ｃ、６１６ｄと、６１８ａ、６１８ｂ、６１８ｃ、６１８ｄと、を用いてゲインをプログラムしてもよく、それによって、もしそのようにしなければゲインを変更することが入力オフセット調整に及ぼすことになるであろう影響を排除することができる。
【００５４】
図７は、本発明のシングル・エンド形プログラマブル・ゲイン増幅回路７００の他の実施例を示す模式図である。増幅回路７００は、補償インピーダンス７１０を介して増幅器７０８の非反転入力７０６と信号接続している信号入力７０４において入力信号７０２を受信している。増幅回路７００は、分圧器を形成するＲ２Ｒフィードバック回路網を有するフィードバック回路網７１２を含んでいる。フィードバック回路網７１２は、第１のフィードバック・インピーダンス回路網７１４と第２のフィードバック・インピーダンス回路網７１６とを含んでいる。第１のフィードバック・インピーダンス回路網７１４は、直列接続インピーダンス７１８ａ、７１８ｂ、および７１８ｃを含んでいる。スイッチＳｇ１０_７２０ａとスイッチＳｇ１００_７２０ｂとを含む第１のゲイン・スイッチ・バンクは、スイッチ設定に対応する直列接続インピーダンス７１８ａ、７１８ｂ、および７１８ｃをスイッチの開閉で回路に組み入れたりまたは迂回して回路からはずしたりすることにより、第１のフィードバック・インピーダンス回路網７１４のインピーダンス調整を可能にする。第２のフィードバック・インピーダンス回路網７１６は、並列接続インピーダンス７２２ａ、７２２ｂ、および７２２ｃを含んでいる。スイッチＳｇ１０００_７２４ａとスイッチＳｇ１００，０００_７２４ｂとを含む第２のゲイン・スイッチ・バンクは、スイッチ設定に対応する並列接続インピーダンス７２２ａ、７２２ｂ、および７２２ｃをスイッチの開閉で回路に組み入れたりまたは回路から切り離したりすることにより、第２のフィードバック・インピーダンス回路網７１６のインピーダンス調整を可能にする。この実施例では、スイッチＳｇ１０_７２０ａは、それが閉じられているとき、シングル・エンド形プログラマブル・ゲイン増幅回路７００のゲインをゲイン値１０に設定する。同様に、スイッチＳｇ１００_７２０ｂはゲインをゲイン値１００に設定し、スイッチＳｇ１０００_７２４ａはゲインをゲイン値１０００に設定し、スイッチＳｇ１００，０００_７２４ｂはゲインをゲイン値１００，０００に設定する。各スイッチ設定におけるゲインは、フィードバック回路網７１２のＲ２Ｒフィードバック回路網で形成される分圧器の各分岐（すなわち、第１のフィードバック・インピーダンス回路網７１４および第２のフィードバック・インピーダンス回路網７１６）のインピーダンスにより決定される。
【００５５】
この実施例では、増幅回路７００は、増幅器要素７０８の反転入力７２６に対応する負の入力ノードのインピーダンスが、選択されたゲインにかかわらず一定であるという特性を有している。インピーダンスのインピーダンス値は以下のように選択してもよい。すなわち、インピーダンス７１８ａは抵抗値９Ｒを有しており、インピーダンス７１８ｂは抵抗値８１Ｒを有しており、インピーダンス７１８ｃは抵抗値８１０Ｒを有しており、インピーダンス７２２ａは抵抗値１００Ｒを有しており、インピーダンス７２２ｂは抵抗値１０Ｒを有しており、インピーダンス７２２ｃは抵抗値Ｒを有しており、補償インピーダンス７１０は抵抗値
2009165121.tif 000008
【００５６】
を有している。これらのインピーダンス値を仮定すると、増幅器７０８の反転入力７２６に対応するノードのインピーダンスは
2009165121.tif 000009
【００５７】
である。電流源７２８はノード７２６に一定のオフセット電流Ｉoffset７３０を流して、一定のオフセット電圧Ｖoffsetを生成する。この実施例のインピーダンス値に基づいて、次の関係式を利用して電圧オフセットＶoffsetを求めることができる。
【００５８】
【数５】
2009165121.tif 000010
【００５９】
図７に示した増幅回路７００により、電流源７２８を制御して、オフセット電流Ｉoffsetを流し、入力信号７０２に対するセンサ・オフセット寄与を相殺する電圧オフセットＶoffsetを生成することができる。また、増幅回路７００の入力におけるインピーダンスを変化させない形で、スイッチ７２０ａ、７２０ｂと、７２４ａ、７２４ｂとを用いてゲインをプログラムしてもよく、それによって、もしそのようにしなければゲインを変更することが入力オフセット調整に及ぼすことになるであろう影響を排除することができる。
【００６０】
図８は、本発明の差動計装プログラマブル・ゲイン増幅回路８００の他の実施例を示す模式図である。増幅回路８００は、ゲイン・インピーダンスとフィードバック・インピーダンスの両方に対してスイッチ選択可能なインピーダンス・レベルを有するフィードバック回路網８０２を含んでいる。センサは差動正負入力８０４および８０６と信号接続し、この差動正負入力８０４および８０６において、センサから第１および第２の入力信号８０５および８０７をそれぞれ受信している。正の信号入力８０４は、第１の補償インピーダンス８１２を介して第１の増幅器８１０の非反転増幅器入力８０８と信号接続している。負の信号入力８０６は、第２の補償インピーダンス８１８を介して第２の増幅器８１６の非反転増幅器入力８１４と信号接続している。第１の増幅器８１０は、第１の増幅器８１０の信号出力８５２に第１の増幅信号８５０を出力する。第２の増幅器８１６は、第２の増幅器８１６の信号出力８６２に第２の増幅信号８６０を出力する。
【００６１】
第１の増幅器８１０の反転増幅器入力８２０は、ゲイン・インピーダンス回路網８２２と、第１のフィードバック・インピーダンス回路網８２４と、に信号接続している。第１のフィードバック・インピーダンス回路網８２４は、スイッチ８２８ａおよび８２８ｂの第１のスイッチ・バンクと連通する直列接続フィードバック・インピーダンス８２６ａ、８２６ｂ、および８２６ｃの分岐を形成している。ゲイン・インピーダンス回路網８２２は、それぞれ第１および第２の増幅器８１０および８１６の反転入力に対応するノード８２０と８３２の間に、並列接続ゲイン・インピーダンス８３０ａ、８３０ｂ、および８３０ｃの分岐を形成している。ノード８２０は第１のフィードバック・インピーダンス回路網８２４と信号接続しており、ノード８３２は第２のフィードバック・インピーダンス回路網８３４と信号接続している。第２のフィードバック・インピーダンス回路網８３４は、スイッチ８３８ａおよび８３８ｂの第２のスイッチ・バンクと連通する直列接続フィードバック・インピーダンス８３６ａ、８３６ｂ、および８３６ｃの分岐を形成してもよい。ゲイン・インピーダンス回路網８２２のインピーダンス８３０ａ−ｃは、スイッチ８４０ａおよび８４０ｂの第３のスイッチ・バンクと信号接続している。スイッチＳｇ１０_８２８ａおよび８３８ａ、スイッチＳｇ１００_８２８ｂおよび８３８ｂ、スイッチＳｇ１０００_８４０ａ、またはスイッチＳｇ１００，０００_８４０ｂのうちの１つを選択することにより、ゲインを設定してもよい。それぞれの第１および第２のスイッチ・バンク内のスイッチＳｇ１０_８２８ａおよび８３８ａと、スイッチＳｇ１００_８２８ｂおよび８３８ｂとは、各分岐内の直列接続インピーダンス８２６ａ−ｃおよび８３６ａ−ｃをスイッチの開閉で回路に組み入れたりまたは迂回して回路からはずしたりすることにより第１および第２のフィードバック・インピーダンス回路網８２４および８３４のインピーダンスを調整して、ゲイン・インピーダンス回路網８２２内のインピーダンス８３０ｃと接続する。第３のスイッチ・バンクのスイッチＳｇ１０００_８４０ａとスイッチＳｇ１００，０００_８４０ｂとは、並列接続インピーダンス８３０ａ−ｃをスイッチの開閉で回路に組み入れたりまたは回路から切り離したりすることによりゲイン・インピーダンス回路網８２２のインピーダンスを調整して、第１および第２のフィードバック・インピーダンス回路網８２４および８３４のインピーダンスと接続する。
【００６２】
第１の電流源８４２は、第１の増幅器８１０の反転入力のノード８２０に電流ＩＳ−offset８４４を流す。電流ＩＳ−offset８４４は、ノード８２０において信号接地８４６に対して電圧オフセットを生成する。第２の電流源８４８はゲイン・インピーダンス回路網８２２に電流ＩＤ−offset８５０を流して、ノード８２０と８３２の間にゲイン・インピーダンス回路網８２２を横切る一定の電圧降下を生成する。信号入力８０４および８０６におけるセンサ・オフセットを補償するために、第１および／または第２の電流源８４２および８４８を調整して全体の電圧オフセットＶoffsetを生成してもよい。実施例として、インピーダンス値を以下のように選択する。すなわち、インピーダンス８２６ａおよび８３６ａを抵抗値９Ｒに設定し、インピーダンス８２６ｂおよび８３６ｂを抵抗値８１Ｒに設定し、インピーダンス８２６ｃおよび８３６ｃを抵抗値８１０Ｒに設定し、インピーダンス８３０ａを抵抗値２００Ｒに設定し、インピーダンス８３０ｂを抵抗値２０Ｒに設定し、インピーダンス８３０ｃを抵抗値２Ｒに設定している。これらの値を仮定すると、電圧オフセットＶoffsetを以下の式で決定することができる。
【００６３】
【数６】
2009165121.tif 000011
【００６４】
図８に示した増幅回路８００は、電流源８４２および／または８４８を制御して、オフセット電流を流し、入力信号に対するセンサ・オフセット寄与を相殺する電圧オフセットＶoffsetを生成する可能性を利用者に提供する。また、増幅回路８００の差動入力におけるインピーダンス（すなわち、それぞれ第１および第２の増幅器８１０および８１６の反転入力８２０および８３２におけるフィードバック回路網８０２の入力インピーダンス）を変化させない形で、スイッチ８２８ａ−ｂと、８３８ａ−ｂと、８４０ａ−ｂとを用いてゲインをプログラムしてもよく、それによって、もしそのようにしなければゲインを変更することが入力オフセット調整に及ぼすことになるであろう影響を排除することができる。
【００６５】
図３〜図８を参照しながら説明した増幅回路の実施例により、利用者はセンサ・オフセットを補償するように入力オフセットを設定することができる。図３、図５、および図７に示した増幅回路３００、５００、および７００のようなシングル・エンド形増幅回路では、ブリッジ回路形のＴＣＤのブリッジ回路からの一方の導線はシングル・エンド形入力と信号接続しており、他方の導線は接地されていてもよい。ＧＣ用途では、リファレンスガスだけが存在する状態で作動するように、シングル・エンド形増幅回路を構成しかつ設定してもよい。シングル・エンド形増幅回路の出力がゼロになるまでシングル・エンド形増幅回路内の電流源を調整することにより、入力オフセットを調整してもよい。その結果として、サンプルガスが存在する状態で、動作中、全出力ゲイン範囲を利用できる。
【００６６】
同様に、図４、図６、および図８の増幅回路４００、６００、および８００のような差動計装増幅回路では、ＴＣＤのブリッジ回路の導線は、差動計装増幅回路の差動入力と信号接続していてもよい。その後、ＴＣＤがリファレンスガスの存在する状態にあるときに、差動計装増幅回路内の電流源により生成された電流を調整することにより入力オフセットを調整してもよい。
【００６７】
図５、図６、図７、および図８の増幅回路５００、６００、７００、および８００のようなプログラマブル・ゲイン増幅回路は、利用者がゲインを容易にプログラムすることを可能にする。上述したようにスイッチを設定することにより、または他の好適なゲイン調整装置または手段により、ゲインをプログラムしてもよい。任意の種類のスイッチ（例えば、１組のディップスイッチ、またはソフトウェアで制御してもよい電子スイッチ）を用いてスイッチを実現してもよい。増幅回路のすべてのゲインに対して所要の入力オフセット調整が等しくなるように、すべてのゲインに対して同じノード・インピーダンスを提供している。
【００６８】
入力オフセット調整が双方向（正または負）のオフセット入力電流に比例するように１つ以上の実施態様を構成してもよい。ブリッジ回路では、リファレンスとしてブリッジ励起を用いるデジタル／アナログ変換器からオフセット調整電流を駆動することにより、レシオメトリック入力オフセット調整を実現できる。
本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の様々な態様または細目を変更してもよいということが理解されるであろう。例えば、上述した実施例で説明したインピーダンス回路網は、回路に対して選択された全体的ゲインとは無関係に増幅器要素の負の入力において一定のインピーダンスを提供する様々な微細構成を用いて実現してもよい。さらに、具体的なインピーダンス、ゲイン設定、抵抗値、電流、および電圧オフセット、ならびに他の値は、説明および実施例を示す目的のために提供したものであり、したがって、それに限定するものではない。さらに、上述の説明は、あくまで例を示したに過ぎず、それに限定しようとするものではなく、本発明は特許請求の範囲で規定される。
【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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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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【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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【図７】
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【図８】
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