(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧信号を電流信号に変換して出力する、電源電位がゼロで基準電位が負であるアナログ信号出力回路であって、
一端が前記電源電位を持つ端子に接続された第１の抵抗と、
前記電圧信号が入力される非反転増幅回路と、
前記非反転増幅回路の後段に設けられ、前記電圧信号の反転信号を出力すると共に、前記第１の抵抗の他端に所定電位を生じさせる反転増幅回路と、
制御信号入力端子が前記反転増幅回路の出力端子側に接続され、電流入力端子が前記第１の抵抗の他端に接続されると共に、電流出力端子が負荷を介して前記基準電位を持つ端子に接続される電圧／電流変換用増幅回路と、
からなることを特徴とするアナログ信号出力回路。
【請求項２】
請求項１記載のアナログ信号出力回路において、
前記非反転増幅回路は、出力端子に第２の抵抗の一端が接続された電圧フォロアの第１のオペアンプを備え、
前記反転増幅回路は、第２の抵抗の他端が反転入力端子に接続された第２のオペアンプと、第１の抵抗と第２の抵抗との間に直列接続される第３の抵抗と、第２のオペアンプの出力端子に一端が接続され、かつ他端が前記電圧／電流変換用増幅回路に接続された第５の抵抗と、を備えると共に、
前記電圧／電流変換用増幅回路が、ダーリントン接続トランジスタ回路であることを特徴とするアナログ信号出力回路。
【請求項３】
請求項２記載のアナログ信号出力回路において、
前記第１のオペアンプの駆動電圧が±１５Ｖであり、前記基準電位が−１５Ｖであることを特徴とするアナログ信号出力回路。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載したアナログ信号出力回路において、
前記電圧／電流変換用増幅回路の電流出力端子と前記基準電位を持つ端子との間に、電流信号を電圧信号に変換するための第４の抵抗が接続されてなることを特徴とするアナログ信号出力回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器に搭載されるアナログ信号出力回路に関し、最大出力電流に余裕を持たすことができ、かつ定電流回路を用いることなく０ｍＡ補償を行うことができる、外部機器接続用インタフェースとして用いられるアナログ信号出力回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある電子機器（送信側機器）から他の電子機器（受信側機器）に、アナログ信号を送信する場合、送信側機器のインタフェース回路はまず電圧信号を電流信号に変換し、これを受信側機器に出力し、受信側機器のインタフェース回路は受信した電流信号を電圧信号に変換することでアナログ信号の受信を行う。
ところが、受信側機器では、受信した電流信号が小さいと、当該電流信号に比例した正確な電圧信号を得ることができなくなる。このため、機器間接続用のインタフェース回路の中には、一定以上の駆動出力を確保するため、大電流を出力できるアナログ信号出力回路を設けたものがある。
【０００３】
図４は、送信側機器７に組み込まれた従来のアナログ信号出力回路の一例を示す図である。図４のアナログ信号出力回路７１は、オペアンプＩＣ０１（非反転増幅器）と、オペアンプＩＣ０２（反転増幅器）と、抵抗Ｒ０１〜Ｒ０５とからなる。抵抗Ｒ０１〜Ｒ０４は、Ｒ０１＝Ｒ０３，Ｒ０２＝Ｒ０４に設定されている。電圧信号Ｖｉｎとして入力されたアナログ信号は、アナログ信号出力回路７１により電流に変換され、コネクタ端子ＣＮ−Ａ１，ＣＮ−Ａ２から出力電流Ｉｏｕｔ＝−Ｖｉｎ／Ｒ０５として受信側機器に出力される。
図４の回路では、後述する同相電圧補償はなされていないし、０ｍＡ補償もなされていない。このため、これらの補償回路を有する図５に示すような回路も使用されている。
【０００４】
図５は、送信側機器８に組み込まれた従来のアナログ信号出力回路（インタフェース回路）を示す図である。図５の送信側機器８では、電圧信号Ｖｉｎとして入力されたアナログ信号は、アナログ信号出力回路８１により出力電流Ｉｏｕｔに変換され、コネクタ端子ＣＮ−Ａ１から出力される。
【０００５】
図５ではアナログ信号出力回路８１は、オペアンプＩＣ０３（ここでは、動作電圧±１５Ｖ）と、トランジスタＴＲ０１，ＴＲ０２からなるダーリントン接続トランジスタ回路と、順接続した同相電圧補償用ダイオードＤ０１，Ｄ０２と、抵抗Ｒ０６と、定電流回路Ｓとから構成されている。
出力電流Ｉｏｕｔは、電源電位Ｖｃｃを持つ端子（＋１５Ｖ）から、同相電圧補償用ダイオードＤ０１，Ｄ０２、抵抗Ｒ０６、ダーリントン接続トランジスタ回路（ＴＲ０１，ＴＲ０２）、コネクタ端子ＣＮ−Ａ１、図示しない受信側機器、コネクタ端子ＣＮ−Ａ２、グランド（０Ｖ）の経路で流れる。
【０００６】
一般に、オペアンプには同相入力電圧があり、出力電圧のダイナミックレンジを動作用電源（±１５Ｖ）の電圧値までとすることができず、実用的な電圧範囲は、電源電位より１Ｖ程度低い線形が確保される電圧までとされる。このようなことから、ダイオードＤ０１，Ｄ０２を抵抗Ｒ０６に直列に接続し、Ｄ０１，Ｄ０２のオン時電圧降下Ｖｄ（１．２〜１．４Ｖ）により、オペアンプＩＣ０３の出力電圧の線形動作を補償している。
【０００７】
また、アナログ信号出力回路８１では、オペアンプＩＣ０３の後段の増幅回路は大きな電流増幅率を必要がある。このことから、当該増幅回路をダーリントン接続トランジスタ回路とすることで大電流での動作を補償している。
さらに、図５のアナログ信号出力回路８１では、オペアンプＩＣ０３の反転入力端子（−）に定電流回路Ｓを設けることで、オペアンプＩＣ０３の電圧入力信号Ｖｉｎにより０ｍＡ補償を行っている。
【０００８】
図５のアナログ信号出力回路８１において、オペアンプＩＣ０３の非反転入力端子（＋）に、電圧信号Ｖｉｎが与えられると、非反転入力端子（＋）と反転入力端子（−）のイマジナリショートにより、反転入力端子（−）の電圧はＶｉｎとなる。したがって、電源電位Ｖｃｃと電圧入力信号Ｖｉｎとの電位差が、抵抗Ｒ０６とダイオードＤ０１，Ｄ０２との接続回路に加えられることになり、この電圧降下に相当する電流が、出力電流、
Ｉｏｕｔ＝（Ｖｃｃ−Ｖｄ−Ｖｉｎ）／Ｒ０６
として、受信側機器に流れる。
【０００９】
なお、送信側機器８から受信側機器に流れる出力電流Ｉｏｕｔは、図５に破線で示すように、ＣＮ−Ａ１，ＣＮ−Ａ２間に接続された外部負荷抵抗ＲＬでの電圧降下として検出される。この抵抗の値は、ＪＩＳ、ＩＥＣでは最大６００Ωと規定されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に機器間インタフェースの出力信号として要求される電流値のレンジは、０〜２０ｍＡ，４〜２０ｍＡが最も多い。しかし、図５のアナログ信号出力回路８１では、ダイオードＤ０１，Ｄ０２による電圧降下Ｖｄにより出力電流Ｉｏｕｔの最大値を大きくとることができず、たとえば外部負荷抵抗ＲＬが６００Ωのときに出力電流Ｉｏｕｔを２０ｍＡ確保することは容易ではない。
【００１１】
オーバレンジを１０％とすると、４〜２０ｍＡのレンジでの出力電流Ｉｏｕｔの最大値は２２ｍＡとなり、この場合の外部負荷抵抗ＲＬによる電圧降下は、６００Ω×２２ｍＡ＝１３．２Ｖとなる。
また、電源電位Ｖｃｃの変動を１５Ｖ±５％とすると、電源電位Ｖｃｃは最も小さいときには、約１４．２Ｖとなる。よって、ダイオードＤ０１，Ｄ０２、抵抗Ｒ０６での電圧降下としては、約１Ｖ（１４．２Ｖ−１３．２Ｖ）となる。結果として、出力電流Ｉｏｕｔを２２ｍＡまで流すことはできず、これよりも低い電流値が、アナログ信号出力回路８１の飽和点となってしまう。
【００１２】
また、図５のアナログ信号出力回路８１では、０ｍＡ補償用の定電流回路Ｓを設ける必要があり、同相電圧補償用ダイオードＤ０１，Ｄ０２と定電流回路Ｓとを合わせると回路が大型化する。
同相電圧補償用ダイオードＤ０１，Ｄ０２や、０ｍＡ補償用の定電流回路Ｓを設けずに、オペアンプＩＣ０３として駆動電圧までフルに出力電圧が得られる、いわゆる「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とることができ、電圧入力信号Ｖｉｎの０ｍＡ補償ができる。しかし、レールｔｏレールのオペアンプは価格が高いため、信号出力端子ごとにオペアンプＩＣ０３を設けると機器価格が高価となってしまう。
【００１３】
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できる。
ところが、受信側機器では、通常、入力信号の基準電位を、送信側機器の出力電圧の基準電位と共通にしているので、同一機器に対して電流信号および電圧信号の送信を行った場合、電圧信号Ｖｏｕｔの基準電位はＧＮＤなので、電流信号経路と電圧信号経路との間に短絡が生じてしまう。
【００１４】
たとえば、図６に示すように、送信側機器８のオペアンプＩＣ０４から電圧信号Ｖｏｕｔを受信側機器９に送信し、受信側機器９で検出用抵抗ＲＶ０の電圧降下をオペアンプＩＣ０６により検出すると同時に、送信側機器８のオペアンプＩＣ０５から出力信号Ｉｏｕｔを受信側機器９に送信し、受信側機器９で検出用抵抗ＲＩ０の電圧降下をオペアンプＩＣ０７により検出する場合、０Ｖ電圧と−１５Ｖ電圧とが短絡してしまう。このため、図６の回路では、電圧信号Ｖｏｕｔと出力信号Ｉｏｕｔとを同時に送信することができない。なお、図６において、Ｇ０１，Ｇ０２はそれぞれ送信側機器８、受信側機器９に設けられた電源である。
【００１５】
そこで本発明は、簡易な構成で、最大出力電流に余裕を持たすことができ、かつ定電流回路を用いることなく０ｍＡ補償を行うことができる、外部機器接続用インタフェースとして使用されるアナログ信号出力回路を提供しようとするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電圧信号を電流信号に変換して出力する、電源電位がゼロで基準電位が負であるアナログ信号出力回路であって、一端が、前記電源電位を持つ端子に接続された第１の抵抗と、前記電圧信号が入力される非反転増幅回路と、前記非反転増幅回路の後段に設けられ、前記電圧信号の反転信号を出力すると共に、前記第１の抵抗の他端に所定電位を生じさせる反転増幅回路と、制御信号入力端子が前記反転増幅回路の出力端子に接続され、電流入力端子が前記第１の抵抗の他端に接続されると共に、電流出力端子が負荷を介して前記基準電位を持つ端子に接続される電圧／電流変換用増幅回路と、からなるものである。
【００１７】
また、本発明は、前記非反転増幅回路が、出力端子に第２の抵抗の一端が接続された電圧フォロアの第１のオペアンプを備え、前記反転増幅回路が、第２の抵抗の他端が反転入力端子に接続された第２のオペアンプと、第１の抵抗と第２の抵抗との間に直列接続される第３の抵抗と、第２のオペアンプの出力端子に一端が接続され、かつ他端が前記電圧／電流変換用増幅回路に接続された第５の抵抗と、を備えると共に、前記電圧／電流変換用増幅回路がダーリントン接続トランジスタ回路により構成されているアナログ信号出力回路を含むものである。この場合、第１のオペアンプの駆動電圧を±１５Ｖ、基準電位を−１５Ｖとすることができる。
【００１８】
本発明では、第２のオペアンプとして、反転増幅回路を使用している。したがって、たとえば、ダイナミックレンジが４〜２０ｍＡであるような場合には、同相電圧補償用ダイオードを電源電位端子に設ける必要がないので、第１の抵抗における電圧降下を大きくとることができ、結果として大きな電流を出力することができる。また、０ｍＡ補償電流は、第１のオペアンプ（非反転増幅回路）の出力端子に吸い込まれるので、定電流回路を設ける必要もない。
【００１９】
本発明では、電圧／電流変換用増幅回路の電流出力端子と、前記基準電位を持つ端子との間に電流信号を電圧信号に変換するための第４の抵抗を接続して、当該抵抗における電圧降下を電圧信号として受信側機器に送信することができる。これにより、ほぼ同一の構成のアナログ信号出力回路（基準電圧が共通のアナログ信号出力回路）を用いて、同時に電流信号および電圧信号を送信しても、電源短絡が生じることはない（後述する、図３参照）。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のアナログ信号出力回路の一実施形態を示す。図１において、アナログ信号出力回路１１は、送信側機器１に備えられたインタフェース回路の一部を構成している。
【００２１】
図１において、アナログ信号出力回路１１は、２つのオペアンプＩＣ１，ＩＣ２（本発明の第１，第２のオペアンプである）と、ダーリントン接続トランジスタ回路（ＴＲ１，ＴＲ２からなる）と、抵抗Ｒ１〜Ｒ４（本発明の第１〜第４の抵抗である）およびＲ５とを含んで構成されている。抵抗Ｒ１〜Ｒ４が、本発明の第１〜第４の抵抗に対応する。また、ダーリントン接続トランジスタ回路が、本発明の電圧／電流変換用増幅回路（符号１１Ｃで示す）を構成している。
【００２２】
オペアンプＩＣ１は、電圧フォロア回路であり、オペアンプＩＣ１と抵抗Ｒ２とが本発明の非反転増幅回路（符号１１Ａで示す）を構成している。すなわち、オペアンプＩＣ１の非反転入力端子（＋）には、電圧信号Ｖｉｎが入力され、反転入力端子（−）は当該オペアンプＩＣ１の出力端子に接続されている。オペアンプＩＣ１の出力端子は抵抗Ｒ２を介して、オペアンプＩＣ２の反転入力端子（−）に接続されている。オペアンプＩＣ２と、抵抗Ｒ１，Ｒ２間に直列接続された抵抗Ｒ３と、後述する抵抗Ｒ５とが、本発明の反転増幅回路（符号１１Ｂで示す）を構成している。
【００２３】
電源電位Ｖｃｃは、本発明では０Ｖであり、０Ｖ電源電位端子は、抵抗Ｒ１の一端に接続され、当該抵抗Ｒ１の他端は抵抗Ｒ３を介してオペアンプＩＣ２の反転入力端子（−）に接続されると共に、ダーリントン接続トランジスタ回路を構成する一方のトランジスタＴＲ１のエミッタ端子および他方のトランジスタＴＲ２のコレクタ端子に接続されている。
【００２４】
オペアンプＩＣ２の出力端子は抵抗Ｒ５を介して、電圧／電流変換用増幅回路１１Ｃの制御信号入力端子（トランジスタＴＲ１のベース端子）に接続され、当該トランジスタＴＲ１のコレクタ端子はトランジスタＴＲ２のベース端子に接続されている。電圧／電流変換用増幅回路１１Ｃの電流出力端子（トランジスタＴＲ２のエミッタ端子）は、送信側機器１の一方のコネクタ端子ＣＮ−Ａ１に接続され、他方のコネクタ端子ＣＮ−Ａ２には、−１５Ｖを持つ基準電位端子が接続されている。
【００２５】
なお、図１では、後述するように、コネクタ端子ＣＮ−Ａ１，ＣＮ−Ａ２間には、電流信号を電圧信号に変換するための抵抗Ｒ４が接続されている。以下、アナログ信号出力回路１１の動作を説明する。
【００２６】
まず、オペアンプＩＣ１の非反転入力端子に、電圧信号Ｖｉｎが入力されると、その出力端子には電圧Ｖｉｎが現われる。抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ３との接続点（ａ点）の電位をＶａとすると、ａ点から、抵抗Ｒ３、オペアンプＩＣ２の反転入力端子（−）、抵抗Ｒ２を介してオペアンプＩＣ１の出力端子に０ｍＡ補償電流（図１ではＩａで示す）が吸い込まれる。すなわち、アナログ信号出力回路１１では、オペアンプＩＣ１が０ｍＡ補償回路としても動作することになる。
【００２７】
このとき、オペアンプＩＣ１の出力電圧Ｖｉｎは、Ｉａ＝Ｖａ／Ｒ３＝−Ｖｉｎ／Ｒ１の関係にあるので、ａ点からダーリントン接続トランジスタ回路（ＴＲ１，ＴＲ２）側に流れる電流（出力電流Ｉｏｕｔ）は、
Ｉｏｕｔ＝〔０−（−Ｒ３／Ｒ２）Ｖｉｎ〕／Ｒ１
となる。
【００２８】
図１のアナログ信号出力回路１１では、オペアンプＩＣ１が最大電圧となったとしても（すなわち、飽和領域近くで動作したとしても）、オペアンプＩＣ１の出力電圧は電圧入力と等しいＶｉｎである。したがって、図５に示した従来回路のような、同相電圧補償用のダイオード（図５の、同相電圧補償用ダイオードＤ０１，Ｄ０２）は不要となるので、ダイオードの電圧降下に起因する、出力電流Ｉｏｕｔの最大値の制限は生じない。
【００２９】
図２（Ａ）に、送信側機器１から受信側機器２に電流信号（Ｉｏｕｔ）を送信する場合の電流経路を示す。また、図２（Ｂ）に、送信側機器１から受信側機器２に電圧信号Ｖｏｕｔを送信する場合の出力電流Ｉｏｕｔによる電圧生成の様子を示す。
【００３０】
図２（Ａ）では、受信側機器２の基準電位は０Ｖに設定されており、コネクタ端子ＣＮ−Ｂ１，ＣＮ−Ｂ２間に接続された抵抗Ｒ２２において生じた電圧降下を検出することで、出力電流Ｉｏｕｔを受信している。
また、図２（Ｂ）でも、受信側機器２の基準電位は０Ｖに設定されており、この場合には、受信側機器２は、送信側機器１のコネクタ端子ＣＮ−Ａ１，ＣＮ−Ａ２間に接続された抵抗Ｒ４の電圧降下（Ｉｏｕｔ×Ｒ４）を検出することで、電圧信号Ｖｏｕｔを受信している。
なお、送信側機器１と受信側機器２とはお互いに絶縁された電源系で動作しており、コネクタ端子ＣＮ−Ａ２，ＣＮ−Ｂ２間を接続することで基準を合わせているため、送信側機器１を−１５Ｖに接続し、受信側機器２を０Ｖに接続しても、お互いの機器内の電圧であり、問題は生じない。
【００３１】
図３は、送信側機器１から電流信号および電圧信号を同時に、受信側機器２に送信する場合を示す図である。図３においては、送信側機器１のアナログ電圧出力回路１１１は、抵抗Ｒ４に生じた電圧信号（Ｖｏｕｔ）を受信側機器２のアナログ電圧入力回路２１１に送出し、送信側機器１のアナログ電流出力回路１１２は、電流信号（Ｉｏｕｔ）を受信側機器２のアナログ電流入力回路２１２に送出する場合を示している。なお、送信側機器１の電圧信号出力用のコネクタ端子をＣＮ−ＶＡ１，ＣＮ−ＶＡ２で示し、電流信号出力用のコネクタ端子をＣＮ−ＩＡ１，ＣＮ−ＩＡ２で示してある。また、受信側機器２の電圧信号入力用のコネクタ端子をＣＮ−ＶＢ１，ＣＮ−ＶＢ２で示し、電流信号入力用のコネクタ端子をＣＮ−ＩＢ１，ＣＮ−ＩＢ２で示してある。
【００３２】
なお、図３では、説明の便宜上、送信側機器１の、アナログ電圧出力回路１１１，アナログ電流出力回路１１２のオペアンプをＩＣ１１，ＩＣ１２で示し、トランジスタをＴＲ１１，ＴＲ１２で示してある。また、受信側機器２のアナログ電圧入力回路２１１，アナログ電流入力回路２１２のオペアンプをＩＣ２１，ＩＣ２２で示し、アナログ電流入力回路２１２の入力抵抗をＲ２２で示してある。
【００３３】
図３の回路においては、送信側機器１の電流信号および電圧信号を送信するアナログ信号出力回路は共に基準電位が−１５Ｖであり、また送信側機器１の電流信号および電圧信号を受信する受信側機器２の回路は共に基準電位が０Ｖである。
図３では、送信側機器１の電源Ｇ０１および受信側機器２の電源Ｇ０２は、共にＤＣ／ＤＣコンバータであり−１５Ｖ，０Ｖ，＋１５Ｖの電圧を出力することができる。便宜上、電源Ｇ０１およびＧ０２からの配線の図示は省略してある。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、２つのオペアンプと、数個の抵抗、ダーリントン接続トランジスタ回路のみにより、ダイオードを使用することなく同相電圧補償を実現でき、この結果、最大出力電流に余裕を持たすことができ、さらに定電流回路を用いることなく０ｍＡ補償を行うことができる。
これにより、性能の優れたインタフェースを安価に機器に組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアナログ信号出力回路の一実施形態を示す図である。
【図２】（Ａ）は送信側機器から受信側機器に電流信号を送信する場合の電流経路を示す図、（Ｂ）は送信側機器から受信側機器に電圧信号を送信する場合の電流Ｉｏｕｔによる当該電圧信号の生成を示す図である。
【図３】図１に示したアナログ信号出力回路を用いて、送信側機器から電流信号および電圧信号を同時に送信する場合を示す図である。
【図４】送信側機器に組み込まれた従来のアナログ信号出力回路の一例を示す図である。
【図５】送信側機器に組み込まれた従来のアナログ信号出力回路の他の例を示す図である。
【図６】図５に示した従来のアナログ信号出力回路を用いて、送信側機器から電流信号および電圧信号を同時に送信する場合を示す図である。
【符号の説明】
１  送信側機器
２  受信側機器
１１  アナログ信号出力回路
１１Ａ  非反転増幅回路
１１Ｂ  反転増幅回路
１１Ｃ  電圧／電流変換用増幅回路
１１１  アナログ電圧出力回路
１１２  アナログ電流出力回路
２１１  アナログ電圧入力回路
２１２  アナログ電流入力回路
Ｒ１  第１の抵抗
Ｒ２  第２の抵抗
Ｒ３  第３の抵抗
Ｒ５  第５の抵抗
【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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