(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子および特性がマッチングした１対の受光素子を含むフォトカプラと、非反転入力端子が接地され、反転入力端子に入力抵抗を介して入力信号が入力されると共に前記フォトカプラの前記１対の受光素子の一方の受光素子の出力電流が帰還され、出力端子が前記フォトカプラの前記発光素子に接続される入力側増幅器とを備え、前記フォトカプラの他方の受光素子の出力電流を増幅して出力信号を出力するよう構成された絶縁増幅器において、
前記フォトカプラの前記一方の受光素子に逆バイアスを与えると共に前記一方の受光素子の流入および流出電流の差を増幅して前記入力側増幅器の前記反転入力端子に帰還する第１の電流入力型の差動増幅器と、前記フォトカプラの前記他方の受光素子に逆バイアスを与えると共に前記他方の受光素子の流入および流出電流の差を増幅して前記出力信号を出力する第２の電流入力型の差動増幅器とを備えることを特徴とする絶縁増幅器。
【請求項２】
前記第１および第２の電流入力型の差動増幅器の電流アンプ部分の少なくとも一つの電流利得が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の絶縁増幅器。
【請求項３】
前記第１および第２の電流入力型の差動増幅器は、それぞれ非反転入力端子が前記受光素子の逆バイアス用電源に接続され、反転入力端子が前記受光素子の異なる端子に接続され、前記反転入力端子および出力端子間に帰還抵抗が接続された１対のオペアンプを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁増幅器。
【請求項４】
前記第１および第２の電流入力型の差動増幅器は、それぞれ非反転入力端子が前記受光素子の逆バイアス用電源に接続され、反転入力端子と出力端子間に帰還抵抗が接続され、前記反転入力端子が前記受光素子の異なる端子に接続された１対のオペアンプを含み、該１対のオペアンプのうち前記受光素子の流出電流が入力される一方のオペアンプの出力端子電圧を、抵抗を介して他方のオペアンプの反転入力端子へ注入することを特徴とする請求項１又は２に記載の絶縁増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁増幅器（アイソレーションアンプ）に関し、特に信号伝送にフォトカプラを用いたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
入出力間を電気的に絶縁する機能を有する絶縁増幅器（アイソレーションアンプ）は、入力段と出力段の間に絶縁バリアを形成することにより、入出力間の接地電位を互いに自由に設定できるようにしている。絶縁バリアとしては、トランス、フォトカプラ等があり、種々のタイプの絶縁増幅器が存在している。
【０００３】
図４にはフォトカプラを用いた従来の絶縁増幅器の回路図が示されている。図４において、入力側のオペアンプＱ２０１と出力側のオペアンプＱ２０２間に絶縁バリアとしてフォトカプラＰＣ２が設けられており、オペアンプＱ２０１の非反転入力には抵抗Ｒ２０１を介して入力信号が供給される。オペアンプＱ２０１の反転入力は接地されている。オペアンプＱ２０１の出力は、フォトカプラＰＣ２の発光ダイオードＬＥＤ２のアノード側が接続され、発光ダイオードＬＥＤ２のカソード側（“−”印の方）は、抵抗Ｒ２０３を介して電源（−ＶR1）に接続され、発光ダイオードＬＥＤ２に動作電流を流している。また、オペアンプＱ２０１の非反転入力と電源（−ＶR1）間にはフォトカプラＰＣ２を構成するフォトダイオードＰＤ２１がオペアンプＱ２０１の帰還素子として接続され、抵抗Ｒ２０１に流れる入力電流を打ち消すような電流がフォトダイオードＰＤ２１に流れるよう発光ダイオードＬＥＤ２の発光強度を調節している。フォトダイオードＰＤ２１は、逆バイアス（−ＶR1）されて応答速度が改善される。上記フォトカプラＰＣ２は、１つの発光ダイオード（ＬＥＤ２）と特性が揃った２つのフォトダイオード（ＰＤ２１、ＰＤ２２）で構成されている。
【０００４】
一方、オペアンプＱ２０２の反転入力はフォトダイオードＰＤ２２のカソード側に接続され、非反転入力は接地されている。また、その反転入力と出力間には帰還抵抗Ｒ２０４が接続されている。その結果、オペアンプＱ２０２の反転入力端子の電位は、非反転入力端子の電位すなわち接地電位と同じになる。フォトダイオードＰＤ２２のアノード側は電源（−ＶＲ２）に接続されているため、フォトダイオードＰＤ２２は逆バイアス状態となり、応答速度が改善される。発光ダイオードＬＥＤ２に流れる電流（＝発光強度）に応じてフォトダイオードＰＤ２２に電流が流れ、この電流がオペアンプＱ２０２で電流−電圧変換され、電圧信号として出力される。
【０００５】
以上の構成により、入力電圧に比例した電流がダイオードＰＤ２１に流れるよう発光ダイオードＬＥＤ２の発光強度が調節され、そしてフォトダイオードＰＤ２１、ＰＤ２２の特性はマッチングがとれているため、フォトダイオード２２にはフォトダイオードＰＤ２１と同じ電流が流れることになる。このフォトダイオードＰＤ２２に流れる電流を電圧に変換して出力しているので、出力には入力に比例した電圧が現われ、かつ入出力の絶縁状態が保たれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したフォトカプラを使用した絶縁増幅器は、図４中に示すように、入力回路の接地電位と受光部分との間に存在する浮遊容量Ｃsにより、入力と出力の接地間に加わる雑音電圧が出力回路に現われてしまうという問題点がある。
【０００７】
今、入力と出力の接地間の供給電圧を絶縁モード電圧（ＶIM）とし、この絶縁モード電圧ＶIMを入力換算したものを等価誤差電圧（ＶERR）とすると、絶縁増幅器におけるＶIM の除去能力である絶縁モード除去比（ＩＭＲＲ）はＩＭＲＲ＝ＶERR／ＶIM として定義される。ここで、等価誤差電圧とは、絶縁モード電圧を絶縁増幅器の利得で割った値で、絶縁増幅器の入力端において絶縁モード電圧と同じ効果を与える電圧である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、入力と出力の接地間に加わる雑音電圧が浮遊容量を介して受光素子に飛び込んだ場合でもその影響を除去できる絶縁増幅器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため本発明による絶縁増幅器は、発光素子および特性がマッチングした１対の受光素子を含むフォトカプラと、非反転入力端子が接地され、反転入力端子に入力抵抗を介して入力信号が入力されると共に前記フォトカプラの前記１対の受光素子の一方の受光素子の出力電流が帰還され、出力端子が前記フォトカプラの前記発光素子に接続される入力側増幅器とを備え、前記フォトカプラの他方の受光素子の出力電流を増幅して出力信号を出力するよう構成された絶縁増幅器において、
前記フォトカプラの前記一方の受光素子に逆バイアスを与えると共に前記一方の受光素子の流入および流出電流の差を増幅して前記入力側増幅器の前記反転入力端子に帰還する第１の電流入力型の差動増幅器と、前記フォトカプラの前記他方の受光素子に逆バイアスを与えると共に前記他方の受光素子の流入および流出電流の差を増幅して前記出力信号を出力する第２の電流入力型の差動増幅器とを備える。
【００１０】
本発明の絶縁増幅器の好適実施形態によると前記第１および第２の電流入力型の差動増幅器の電流アンプ部分の少なくとも一つの電流利得が調整可能である。また、前記第１および第２の電流入力型の差動増幅器は、それぞれ非反転入力端子が前記受光素子の逆バイアス用電源に接続され、反転入力端子が前記受光素子の異なる端子に接続され、前記反転入力端子および出力端子間に帰還抵抗が接続された１対のオペアンプを含んでいる。
【００１１】
更に、前記第１および第２の電流入力型の差動増幅器は、それぞれ非反転入力端子が前記受光素子の逆バイアス用電源に接続され、反転入力端子と出力端子間に帰還抵抗が接続され、前記反転入力端子が前記受光素子の異なる端子に接続された１対のオペアンプを含み、該１対のオペアンプのうち前記受光素子の流出電流が入力される一方のオペアンプの出力端子電圧を、抵抗を介して他方のオペアンプの反転入力端子へ注入する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明による絶縁増幅器の一実施形態を示す回路図である。図１において、入力信号は抵抗Ｒ１を介してオペアンプＱ１の反転入力に供給され、オペアンプＱ１の非反転入力は接地されている。オペアンプＱ１の出力にはフォトカプラＰＣ１を構成する発光ダイオードＬＥＤ１のアノードが接続され、発光ダイオードＬＥＤ１のカソードは抵抗Ｒ１１を介して電源−Ｖに接続され、発光ダイオードＬＥＤ１には適切な動作電流を流して発光させる。
【００１３】
発光ダイオードＬＥＤ１から発光した光は、フォトダイオードＰＤ１１により受光され、電流に変換される。フォトダイオードＰＤ１１には、図示の如く、オペアンプＱ２〜Ｑ４及び抵抗Ｒ３〜Ｒ１０から成る電流入力タイプの差動増幅器が接続され、この差動増幅器は、フォトダイオードＰＤ１１に流れる電流の変化を電圧に変換している。ここで、Ｒ５＝Ｒ６＝Ｒ７＝Ｒ８である。このように、フォトダイオードＰＤ１１のカソード側、アノード側のそれぞれに存在する浮遊容量は、かかる差動形式による信号の取り出しにより、悪影響はキャンセルされることになる。
【００１４】
フォトダイオードＰＤ１１は、＋ＶB1と−ＶB1により逆バイアスが与えられ、オペアンプＱ２、Ｑ３にそれぞれ出力オフセットを発生させる。ここで、抵抗Ｒ９、Ｒ１０は、オペアンプＱ２、Ｑ３で生ずる出力オフセットをキャンセルするためのものである。
【００１５】
オペアンプＱ４の出力は抵抗Ｒ２を介してオペアンプＱ１の反転入力に接続され、このフィードバックループによりフォトダイオードＰＤ１１に流れる電流が入力電圧に比例するようになる。
【００１６】
発光ダイオードＬＥＤ１で発光した光は、フォトダイオードＰＤ１１と特性がマッチングしている出力側のフォトダイオードＰＤ１２でも受光され、フォトダイオードＰＤ１２にはフォトダイオードＰＤ１１と同じ電流が流れる。フォトダイオードＰＤ１２側には、フォトダイオードＰＤ１１側と同様に、オペアンプＱ５〜Ｑ７、と抵抗Ｒ１２〜Ｒ１９から成り、電流入力を持つ差動増幅器が接続され、フォトダイオードＰＤ１２に流れる電流の変化を電圧に変換している。ここでも、Ｒ１４＝Ｒ１５＝Ｒ１６＝Ｒ１７とされる。オペアンプＱ５とＱ６の非反転入力には＋ＶB2と−ＶB2がそれぞれ接続され、フォトダイオードＰＤ１２を逆バイアス状態にしている。このため、オペアンプＱ５，Ｑ６にはそれぞれ出力オフセットが発生する。オペアンプＱ７の非反転及び反転入力に接続された抵抗Ｒ１８，Ｒ１９はこれらのオフセットをキャンセルするものである。
【００１７】
前述フォトダイオードＰＤ１１側と同様に、フォトダイオードＰＤ１２のカソード側、アノード側のそれぞれと装置の入力側との間に存在する浮遊容量は、差動形式で信号が取り出されるため、その悪影響はキャンセルされる。こうして、フォトダイオードＰＤ１２に流れる電流変化は電圧に変換されオペアンプＱ７の出力に電圧信号となって現われる。尚、オペアンプＱ１は、入力信号電圧とオペアンプＱ４の出力信号電圧とを入力とする差動増幅器であってもかまわない。
【００１８】
図２は、本実施形態における雑音キャンセル効果を説明するための図１の出力側の要部回路図であり、浮遊容量と雑音との関係を示している。図２において、入力側接地（１）とフォトカプラの受光部であるフォトダイオードＰＤ１２との間には浮遊容量Ｃs1、Ｃs2が存在する場合を想定する。
【００１９】
今、フォトダイオードＰＤ１２に流れる信号成分をｉsとすると、この信号成分によるオペアンプＱ５、Ｑ６及びＱ７の出力Ｖ5S、Ｖ6S、Ｖ7Sは、次のように表わせる。
Ｖ5S＝  ＶB2＋ｉs・Ｒ12                             （１）
Ｖ6S＝−ＶB2−ｉs・Ｒ13                             （２）
Ｖ7S＝Ｖ6S−Ｖ7S＝−｛２ＶB2＋（Ｒ12＋Ｒ13）・ｉs｝  （３）
となる。ここで、Ｒ１４＝Ｒ１５＝Ｒ１６＝Ｒ１７としている。抵抗Ｒ１８，Ｒ１９は、オペアンプＱ５，Ｑ６で発生した出力オフセット電圧をキャンセルするためのものである。
【００２０】
一方、浮遊容量Ｃs1、Ｃs2に起因する雑音電圧ＶNの飛び込みによる雑音成分Ｖ5N、Ｖ6Nは次のように表わせる。
Ｖ5N＝−ＶN・ｊωＣs1・Ｒ12                        （４）
Ｖ6N＝−ＶN・ｊωＣs2・Ｒ13                        （５）
ここでＶ5N＝Ｖ6Nとすれば、Ｖ7Nはゼロとなり、雑音成分は出力されない。このための条件を求めると次のようになる。
Ｃs1・Ｒ12 ＝ Ｃs2・Ｒ13                             （６）
【００２１】
通常、これら回路が形成される基板レイアウトの関係上Ｃs1≠Ｃs2であるが、その場合でもＲ12又はＲ13を調整すれば、（６）式を満足させることができる。入力側のフォトダイオードＰＤ１１についても同様なことが言える。
【００２２】
実際の調整に当たっては、（６）式を満足するようＲ12を調整してＣs1、Ｃs2の影響をキャンセルする。具体的には、入力回路の接地と出力回路の接地との間に雑音電圧に相当する交流信号を印加した後、Ｒ12を調整して、オペアンプＱ７の出力に現われる前記交流信号が最少となるようにする。入力側の受光素子フォトダイオードＰＤ１１についても同様な方法で浮遊容量の影響をキャンセルできる。
【００２３】
尚、オペアンプＱ２、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ６のそれぞれの帰還抵抗と並列にキャパシタを付加して、これらも調整すれば、各オペアンプの周波数特性も含めて調整できるので、より効果的である。
【００２４】
実測値によれば、従来技術の絶縁増幅器の絶縁モード除去比（ＩＭＲＲ）は１ｋＨｚで６７ｄＢであるのに対し、本発明のように入力側及び出力側のフォトダイオードの出力を電流入力の差動増幅器を用いて検出した場合は１１６ｄＢであった。その改善度は実に４９ｄＢ（約２８２倍）という著しいもので、フォトカプラを使用した絶縁増幅器としては画期的なＩＭＲＲ値が得られ、絶縁増幅器の新たなアプリケーションの開拓に寄与するところ大といえる。尚、このＩＭＲＲ値は使用するフォトカプラの構造にも依存する。
【００２５】
以上述べたように、本発明の絶縁増幅器によれば、フォトカプラの入力側フォトダイオードＰＤ１１と、出力側のフォトダイオードＰＤ１２のカソード側、アノード側のそれぞれに存在する浮遊容量を通して雑音電圧が注入されたとしても、差動形式でこの雑音電圧を検出するため、雑音電圧はキャンセルされ出力に現われなくなる。
【００２６】
図３は本発明による絶縁増幅器の他の実施形態の回路図であり、フォトダイオードＰＤ１２側の受光部分のみを示す回路図である。この実施形態では、上述実施形態の電流入力差動アンプを使用する代わりに、信号路とは別に雑音成分をキャンセルする回路を追加して使用回路構成部品数を削減したもので、具体的には、使用オペアンプの数を７個から５個に、使用抵抗を１９個から１１個に低減できる。原理的には、図３に示すフォトダイオードＰＤ１２のカソード側及びアノード側のＡ、Ｂ点の雑音は同じ位相で注入されるので、Ｂ点の雑音を反転してＡ点に加えて雑音をキャンセルするものである。
【００２７】
図３において、浮遊容量をＣs1とＣs2とし、絶縁モード電圧をＶIMとすると、フォトダイオードＰＤ１２には、図の如く浮遊容量Ｃs1、Ｃs2を介して雑音電圧ＶIMがカソード側のＡ点及びアノード側のＢ点に同じ位相で印加されている。フォトダイオードＰＤ１２には、発光ダイオードＬＥＤ１（図示せず）の発光によるフォト電流ｉｍが流れている。フォトダイオードＰＤ１２のカソードはオペアンプＱ１０１の反転入力に接続され、この反転入力と同オペアンプ出力との間には帰還抵抗Ｒ１０１が接続されている。この帰還抵抗Ｒ１０１には浮遊容量Ｃ１０１が並列に接続されている。同オペアンプＱ１０１の出力にはフォトダイオードＰＤ１２に流れる電流に比例した電圧が出力される。
【００２８】
このオペアンプＱ１０１の反転入力には、他端が電位ＶR1に接続された抵抗Ｒ１０４も接続されている。この抵抗Ｒ１０４にはフォトダイオードＰＤ１２のバイアス電圧によるオペアンプＱ１０１の出力オフセットをキャンセルするだけの電流を流す。
【００２９】
フォトダイオードＰＤ１２のアノードはオペアンプＱ１０２の反転入力に接続され、この反転入力と同オペアンプの出力との間には帰還抵抗Ｒ１０２とキャパシタＣ１０２の並列回路が接続されている。また、同オペアンプＱ１０２の非反転入力にはフォトダイオードＰＤ１２を逆バイアスするための電圧（＝−ＶR）が接続されている。オペアンプＱ１０２の出力からはフォトダイオードＰＤ１２に流れる信号電流ｉmに比例した信号電圧が出力される。オペアンプＱ１０２の出力は、抵抗Ｒ１０３とキャパシタＣ１０１の並列回路を介してオペアンプＱ１０１の反転入力に接続されている。
【００３０】
信号電流ｉmについて考えると、フォトダイオードＰＤ１２のアノードから流出した電流ｉmは、オペアンプＱ１０２を経由してオペアンプＱ１０１の反転入力に注入される。このため、信号電流の大きさは２imと等価になる。
【００３１】
一方、雑音成分である絶縁モード電圧ＶIMを考えると、ＶIMのうち浮遊容量ＣS2経由のものはオペアンプＱ１０２で反転されオペアンプＱ１０１の反転入力に逆位相で注入される。このため信号に重畳しているＣS1経由のＶIM成分はキャンセルされる。
【００３２】
図３の回路については次の基本式が成立する。
ｉs1＝ｊωＣs1・ＶIM                             （７）
【００３３】
回路が正常に動作している場合には、フォトダイオードＰＤ１２のカソードとアノードには同じ交流成分が印加されているためフォトダイオードＰＤ１２には交流成分は流れずisd＝０となる。このため、
ｉs2＝ｊωＣs2・ＶIM                              （８）
Ｅ2＋ＶR ＝ −Ｚ2(im＋is2)                       （９）
Ｅ0＝Ｚ1(ｉm−ｉs1−(Ｅ2／Ｚ3)−(ＶR1／Ｒ104))   （１０）
ここでＺ1＝Ｒ101//Ｃ101、Ｚ2＝Ｒ102//Ｃ102、Ｚ3＝Ｒ103//Ｃ103である。（ａ//ｂは、ａとｂの並列接続を表わす）
【００３４】
基本式(７)〜（１０）)から、ｉs1、ｉs2、Ｅ2を消去してＥ0を求めると次のようになる。
【数１】
0003818608.tif 000002
【００３５】
ここで信号と雑音との関係のみに着目するため、（11）式の右辺からＶIMを含む項のみを取り出すと次のようになる
【数２】
0003818608.tif 000003
ここで、τ1=Ｃ101・Ｒ101、τ2=Ｃ102・Ｒ102、τs02=(Ｃ102・ＣS1-Ｃ103・ＣS2)・Ｒ102・Ｒ103、τs1=(ＣS1・Ｒ103-ＣS2・Ｒ102)、τs2=τs02／τs1である。
【００３６】
（13）、（14）式より、Ｅ0/ＶIM＝０となる条件は、τs1及びτs02をゼロにすれば良い事がわかる。この条件より次の関係式が導かれる。
【数３】
0003818608.tif 000004
【数４】
0003818608.tif 000005
【００３７】
実際の調整にあたっては、例えば、入力側接地端子と出力側接地端子との間に矩形波信号を印加し、最初に抵抗Ｒ102、Ｒ103の比を調整して浮遊容量ＣS1、ＣS2の影響をキャンセルし（15）式を満足させる。次にＣ102、Ｃ103を調整して（16）式を満足させる。
【００３８】
以上で述べた図３に示す回路は、絶縁増幅器の出力側の受光部分についてのものであるが、絶縁増幅器の入力側の受光部分についても同様の方法でフォトダイオードＰＤ１１から雑音を除去して信号を取り出すことができる。
【００３９】
このように、浮遊容量を介して受光素子に飛びつく雑音成分があったとしても、入力側及び出力側の受光部分に図３の回路を適用することにより雑音成分を除去できる。
【００４０】
尚、以上の説明において、フォトカプラは発光ダイオード素子およびフォトダイオード素子で構成されているものについて説明したが、他の形式の素子であってもかまわない。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、フォトカプラを用いた絶縁増幅器において、入力側及び出力側のフォトダイオードの出力を電流入力タイプの差動増幅手段で検出している。このため、入力側接地と出力側接地との間に存在している雑音電圧が浮遊容量を介して受光素子に飛び込んだとしても、この雑音電圧は同相成分であるため差動増幅器によりキャンセルされる。この結果、より忠実に信号を増幅することができる。
【００４２】
また、本発明の他の実施形態によれば、受光部分で検出した雑音を含む信号のうち雑音成分をキャンセルできる電流−電圧変換回路を設けた。この電流−電圧変換回路を入力側及び出力側の受光部に用いることにより、入力側接地と出力側接地との間に雑音電圧が存在していても信号を忠実に増幅できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態例による絶縁増幅器の回路図である。
【図２】  浮遊容量による雑音の注入経路の説明図である。
【図３】  本発明の他の実施形態による絶縁増幅器の回路図である。
【図４】  従来の絶縁増幅器の回路図である。
【符号の説明】
ＬＥＤ１ 発光素子
ＰＤ１１、ＰＤ１２ 受光素子
Ｑ１ 入力側増幅器
Ｒ１ 入力抵抗
Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４ 第１の電流入力型の差動増幅器
Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７ 第２の電流入力型の差動増幅器
Ｒ３、Ｒ４、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１６ 帰還抵抗
＋ＶＢ１、−ＶＢ１、＋ＶＢ２、−ＶＢ２ 逆バイアス電源
【図１】
0003818608.tif 000006
【図２】
0003818608.tif 000007
【図３】
0003818608.tif 000008
【図４】
0003818608.tif 000009