JP5696540B2 - Ad変換器、ダイヤル式入力装置、及び抵抗−電圧変換回路 - Google Patents

Ad変換器、ダイヤル式入力装置、及び抵抗−電圧変換回路 Download PDF

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Description

本発明は、2重積分型ADコンバータを有するAD変換器、ダイヤル式入力装置、及び抵抗−電圧変換回路に関する。
図3は一般的な2重積分型ADコンバータ10の構成を示した図である。2重積分型ADコンバータ10は、スイッチ11、積分器12、コンパレータ13及びLOGICブロック14を備える。スイッチ11は、LOGICブロック14からの指示にしたがい、入力される被第1積分電圧Vinと被第2積分電圧−Vrefとのうちの一方を選択的に出力する。積分器12は、オペアンプ12aと、抵抗12bと、コンデンサ12cとを有する。オペアンプ12aは、−端子に抵抗12bを介してスイッチ11からの出力が入力され、+端子が接地されている。オペアンプ12aは、抵抗12bの抵抗値Rとコンデンサ12cの容量Cとで定まる時定数にしたがって、−端子に入力された電圧と+端子に入力された電圧との差分を積分し、積分結果に応じた電圧を出力する。コンパレータ13は、積分器12の出力電圧が−端子に入力され、+端子が接地され、積分器12の出力電圧が接地電位と等しいときに信号を出力する。LOGICブロック14は、コンパレータ13の出力とクロックを入力する。LOGICブロック14は、入力したクロックをカウントし、カウント値(以下、適宜「積分時間」という)に基づいてスイッチ11を制御する。LOGICブロック14は、コンパレータ13からの信号を受信したときに、そのときのカウント値(積分時間)をデジタル値で出力する。
図4を参照して2重積分型ADコンバータ10による積分動作を説明する。図4は2重積分型ADコンバータ10の積分器12の出力の時間変化を示す図である。この2重積分型ADコンバータ10ではAD変換動作を開始する際、まずLOGICブロック14は、スイッチ11を被第1積分電圧Vinが入力されるように切替え、この切替と同時に積分時間のカウントを開始する。スイッチ11が被第1積分電圧Vin側に切替えられると、積分器12は、カウント値(積分時間)が第1カウント値T0(以下、適宜「第1積分時間T0」という)となるまでの間、第1の積分(以下、「第1積分」という)を行う。第1積分中、積分器12の出力は図4に示すように一定の傾き−Vin/RCで低下する。カウント値(積分時間)が第1カウント値T0(第1積分時間T0)となると、LOGICブロック14はスイッチ11を被第2積分電圧−Vrefが入力されるように切替え、この切替と同時に新たに積分時間のカウントを開始する。また、この切替と同時に、積分器12による第2の積分(以下、「第2積分」という)が開始する。被第2積分電圧−Vrefは被第1積分電圧Vinとは極性が逆である。そのため、第2積分中、積分器12の出力は一定の傾きVref/RCで上昇する。積分器12の出力が0に戻ると、コンパレータ13は、LOGICブロック14に対して積分器12の出力が0に戻ったことを示す信号を出力する。LOGICブロック14は、この信号を受信したときに、そのときのカウント値T(以下、適宜「第2積分時間T」という)をADコンバータ10の出力としてデジタル値で出力する。被第2積分電圧−Vrefは一定であるため、第2積分時間Tは被第1積分電圧Vinに比例した値になる。
上述の2重積分動作を数式で示すと数式1のようになる。数式1を解いて、第2積分時間Tについて整理すると、数式2のようになる。被第2積分電圧−Vref、カウント値T0は一定の値であるため、第2積分時間Tは被第1積分電圧Vinに比例した値になる。また、数式2から第2積分時間Tは抵抗R、容量Cに依存しないことが分かる。
Figure 0005696540
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一般に2重積分型ADコンバータは、被第1積分電圧Vinの積分を行う第1積分と被第2積分電圧−Vrefの積分を行う第2積分との2回の積分動作を行うため変換速度が他タイプのADコンバータに比べて遅いが、高い精度で変換できるという特徴があり、デジタルマルチメータやデジタル温度センサ等の用途で使用されている。
特許文献1には、2重積分型ADコンバータの積分器及びコンパレータの基準電圧として被第2積分電圧を分圧して入力することが開示されている。
ダイヤル式チューニングラジオ等においては、受信周波数の切替えをダイヤルを操作することにより行う。ダイヤルは例えばポテンショメータにより構成される。ポテンショメータは例えば回転角度によって抵抗値が変化する可変抵抗で構成される。2重積分型ADコンバータを用いてポテンショメータのダイヤルの回転量をデジタル出力に変換するためには、ポテンショメータの可変抵抗の可変後の抵抗値を電圧に変換して2重積分型ADコンバータに入力する必要がある。
図5に示すように単純にポテンショメータ21の可変抵抗23に電流源22から電流を流して被第1積分電圧Vinを得る方法を検討した。しかし、この方法では、ポテンショメータ21及び電流源22の製造バラツキや温度等の使用環境によって可変抵抗23の抵抗値Rvや可変抵抗23を流れる電流の電流値Iが変化すると、被第1積分電圧Vinが変化してしまう。そのため、図4に破線で示すように、第1積分の傾き−Vin/RCが変わって、第1積分時間T0経過時における第1積分の積分器12の出力が変化する。一方、被第2積分電圧−Vrefはほぼ一定であり、第2積分における傾きVref/RCの値は変化しないので、第2積分における積分器12の出力が0となるまでの時間、つまり第2積分時間がTから例えば図4に示すようにT′に変化する。つまり、ポテンショメータ21のダイヤルを同じだけ回転させた場合でも、製造バラツキや使用環境により第2積分時間が異なってくるという問題がある。
これを数式で示すと数式3のようになる。つまり、ポテンショメータ21の可変抵抗23の抵抗値をRv、ポテンショメータ21の回転量(回転させた割合)をx、電流源22による電流をIとすると、被第1積分電圧Vinは数式3のようになる。数式3を数式1に代入すると数式4のようになる。つまり、数式3からもわかるように、xの値が一定であっても、ポテンショメータ21の可変抵抗23の抵抗値Rvや電流源22による電流Iが変化してしまうと第2積分時間T(デジタル出力)の値が変化してしまう。
Figure 0005696540
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本発明は、以上のような問題に鑑み、ポテンショメータの可変抵抗の抵抗値や電流源による電流が製造バラツキや使用環境等により変化した場合でも、製造バラツキや使用環境等の影響を受けないデジタル出力を得ることができるAD変換器、ダイヤル式入力装置、及び抵抗−電圧変換回路を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様として、AD変換器が提供される。AD変換器は、2重積分型ADコンバータと、可変抵抗と、抵抗−電圧変換回路とを備える。2重積分型ADコンバータは、被第1積分電圧が入力されているときに被第1積分電圧と基準電圧との差分の電圧を積分する第1積分を行い、第1積分の実行後、被第2積分電圧が入力されているときに被第2積分電圧と基準電圧との差分の電圧を積分する第2積分を行い、少なくとも第2積分に応じた積分電圧を出力する積分器と、積分器から出力される積分電圧と基準電圧とを入力し、第2積分を開始してから積分電圧と基準電圧とが等しくなるまでの時間を計測してデジタル値で出力する出力部と、を備える。抵抗−電圧変換回路は、可変抵抗の可変後の抵抗値と可変抵抗を流れる電流の値の積に比例して被第1積分電圧を変化させるとともに、可変抵抗の総抵抗値と可変抵抗を流れる電流の積に比例して被第2積分電圧及び基準電圧を変化させる
本発明の第2の態様として、第1の態様のAD変換器を用いたダイヤル式入力装置が提供される。
本発明の第3の態様として、抵抗−電圧変換回路が提供される。抵抗−電圧変換回路は、被第1積分電圧が入力されているときに被第1積分電圧と基準電圧との差分の電圧を積分する第1積分を行い、第1積分の実行後、被第2積分電圧が入力されているときに被第2積分電圧と基準電圧との差分の電圧を積分する第2積分を行い、少なくとも第2積分に応じた積分電圧を出力する積分器と、積分器から出力される積分電圧と基準電圧とを入力し、第2積分を開始してから積分電圧と基準電圧とが等しくなるまでの時間を計測してデジタル値で出力する出力部と、を備えた2重積分型ADコンバータに、可変抵抗の抵抗値に基づいて前記被第1積分電圧を生成して出力するとともに、被第2積分電圧及び基準電圧を生成して出力する。抵抗−電圧変換回路は、可変抵抗の可変後の抵抗値と可変抵抗を流れる電流の値の積に比例して被第1積分電圧を変化させるとともに、可変抵抗の総抵抗値と可変抵抗を流れる電流の積に比例して被第2積分電圧及び基準電圧を変化させる。
本発明によれば、可変抵抗の抵抗値や可変抵抗を流れる電流の値が製造バラツキや使用環境等の影響により変化したことにより、可変抵抗の可変後の抵抗値と可変抵抗を流れる電流の値の積である被第1積分電圧が変化した場合、被第1積分電圧とともに2重積分型ADコンバータに入力される被第2積分電圧及び基準電圧についても、可変抵抗の総抵抗値と可変抵抗を流れる電流の積に比例して変化する。これにより、可変抵抗の抵抗値や可変抵抗を流れる電流の値が製造バラツキや使用環境等により変化した場合でも、第2積分を開始してから積分電圧と基準電圧とが等しくなるまでの時間に関するデジタル値の出力(以下、適宜「デジタル出力」という)に対する影響がキャンセルされる。よって、製造バラツキや使用環境等の影響を受けないデジタル出力を得ることができる。
実施の形態にかかるダイヤル式入力装置の構成 実施の形態にかかる2重積分型ADコンバータの積分器出力の時間変化を示す図である。 一般的な2重積分型ADコンバータの構成図である。 従来における2重積分型ADコンバータの積分器出力の時間変化を示す図である。 一般的な2重積分型ADコンバータの積分器の入力電圧である被第1積分電圧を可変抵抗に電流を流して得る場合の構成を示す図である。
本発明の実施の形態を説明する。
1.構成
図1は実施の形態に係るダイヤル式入力装置の構成図である。ダイヤル式入力装置は、ポテンショメータ41、2重積分型ADコンバータ10及び抵抗−電圧変換回路30を有するAD変換器を有して構成される。2重積分型ADコンバータ10の構成は、図3で説明したものと同一であり、説明を省略する。なお、2重積分型ADコンバータ10の積分器12及びコンパレータ13の+端子は接地されるのでなく、後述する基準電圧Vcomが入力される。
ポテンショメータ41は3端子タイプの可変抵抗42を利用して構成される。可変抵抗42は両端の固定端子と中間の調整端子とを備える。ポテンショメータ41としては、回転量を検出するロータリータイプのものが利用されている。ポテンショメータ41の回転軸には操作用のダイヤルが取り付けられ、このダイヤルを回転させることにより可変抵抗42の調整端子の位置を変更して、調整端子と両端の固定端子との間の抵抗値を変化させることができる。
抵抗−電圧変換回路30は、ポテンショメータ41の可変抵抗42の可変後の抵抗値を電圧に変換する回路であり、2つの電流源31、32、オペアンプ33、P型トランジスタ34、及び抵抗35、36、37、38、39を有する。抵抗35、36、37、38、39の抵抗値は、それぞれRc、Rc、Rs、Rr、Rrに設定されている。本実施形態ではRs=2Rrとしている。ADコンバータ10及び抵抗−電圧変換回路30は、一つの集積回路に集積されているが、集積回路化しなくてもよい。
電流源31の出力は可変抵抗42の一方の固定端子に接続され、電流源33の出力は可変抵抗42の他方の固定端子に接続されている。2つの電流源31、32は、カレントミラー回路により構成され、同一の電流Iを発生する。
抵抗35、36は、ポテンショメータ41の可変抵抗42の両固定端子間に直列に接続されている。
P型トランジスタ34は、ソースが電源に接続され、ゲートにオペアンプ33の出力が入力される。
P型トランジスタ34のドレインと、グランドとの間に、P型トランジスタ34側から順に抵抗37、38、39が直列に接続されている。
オペアンプ33は、−端子が2個の抵抗35、36の接続部に接続され、+端子が抵抗37と抵抗38の接続部に接続されている。
2.動作
以下、本実施形態のダイヤル式入力装置の動作を説明する。
抵抗−電圧変換回路30は、可変抵抗42の一端子と電流源32の出力との接続部の電圧を2重積分型ADコンバータ10の被第1積分電圧Vinとして出力し、P型トランジスタ34のドレインと抵抗37との接続部の電圧を2重積分型ADコンバータ10の被第2積分電圧Vrefとして出力し、抵抗37と抵抗38との接続部の基準電圧Vcomを2重積分型ADコンバータ10の積分器12のオペアンプ12aの+端子及びコンパレータ13の+端子に出力する。これらの電圧がどのような電圧になるかについては、後述する。
2重積分型ADコンバータ10は、抵抗−電圧変換回路30から被第1積分電圧Vin、被第2積分電圧Vref、及び基準電圧Vcomを受けると、以下のように動作する。すなわち、2重積分型ADコンバータ10の積分器12は、抵抗−電圧変換回路30から被第1積分電圧Vinが入力されているときに被第1積分電圧Vinと基準電圧Vcomとの差分の電圧を積分する第1積分を行い、第1積分の実行後、被第2積分電圧Vrefが入力されているときに被第2積分電圧Vrefと基準電圧Vcomとの差分の電圧を積分する第2積分を行い、積分値に応じた積分電圧を出力する。コンパレータ13は、積分器12から出力される積分電圧と基準電圧Vcomとを入力してこれらを比較し、これらが等しくなると、等しくなったことを示す信号をLOGICブロック14に出力する。LOGICブロック14は、等しくなったことを示す信号を受信したときに、そのときのカウント値T(第2積分時間T)をADコンバータ10の出力としてデジタル値で出力する。
このダイヤル式入力装置における各部の電圧等について数式を用いて説明する。まず、ポテンショメータ41のダイヤルの回転量をxとすると、被第1積分電圧Vinは前記数式3であらわされる。また、オペアンプ33の−端子に入力される電圧V−は数式5であらわされる。
Figure 0005696540
本実施形態では、抵抗35、36の抵抗値Rcはポテンショメータ41の可変抵抗42の抵抗値Rvよりも十分大きく設定されている。そのため、抵抗35、36の接続部の電圧、すなわちオペアンプ33の−端子に入力される電圧V−は数式6で近似できる。また、本実施形態の抵抗−電圧変換回路30では、オペアンプ33の−端子と+端子とがバーチャルショートするように構成されている。そのため、オペアンプ33の+端子に入力される電圧V+は数式7に示すように−端子の電圧V−と等しくなる。
Figure 0005696540
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また、積分器12のオペアンプ12aの+端子、−端子、及びコンパレータ13の+端子の入力インピーダンスは高くなっている。そのため、基準電圧Vcomは数式8、被第2積分電圧Vrefは数式9のようになる。
Figure 0005696540
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ここで、従来の図3や図5の回路では積分器12の+端子及びコンパレータ13の+端子はそれぞれ接地されているが、本実施形態の図1の回路ではコンパレータ13の+端子には基準電圧Vcomが入力されている。そのため、被第1積分電圧は(Vcom−Vin)、被第2積分電圧は(Vref−Vcom)となる。数式2のVinをVcom−Vinで、VrefをVref−Vcomで置き換えることにより、本実施形態では、第2積分時間Tは数式10のようになる。
Figure 0005696540
数式10に数式3、8、9を代入して整理すると数式11のようになる。数式11から明らかなように、第2積分時間Tはポテンショメータ41の可変抵抗42の抵抗値Rv及び電流源31、32の電流値Iには依存せず、ポテンショメータ41の回転の割合xにのみ依存することになる。つまり、可変抵抗42の抵抗値Rvや可変抵抗42を流れる電流の値Iが製造バラツキや使用環境により変化したとしても、第2積分時間T(デジタル出力)に対する影響がキャンセルされる。よって、製造バラツキや使用環境等の影響を受けないデジタル出力を得ることができる。
Figure 0005696540
なお、被第1積分電圧Vinは、可変抵抗42の可変後の抵抗値と可変抵抗42を流れる電流の値Iの積に比例して変化するので、Vin=α・x・Rv・Iとあらわすことができる。αは定数である。一方、被第2積分電圧Vref及び基準電圧Vcomは可変抵抗42の総抵抗値(両端間の抵抗値)と可変抵抗42を流れる電流の値Iの積に比例して変化するので、Vref=β・Rv・I、及びVcom=γ・Rv・Iとあらわすことができる。β、γは定数である。これらの式を上記数式10に代入して整理すると、数式12となる。
Figure 0005696540
この数式からもわかるように、第2積分時間Tは可変抵抗42の抵抗値Rvや可変抵抗42を流れる電流の値Iに依存せず、定数α、β、γ、可変抵抗42の回転量x、及び第1積分時間T0にのみ依存することとなる。ここで、定数α、β、γ、及び第1積分時間T0は一定であるから、第2積分時間Tは回転量xにのみ基づいて変化する。つまり、可変抵抗42の抵抗値Rvや可変抵抗42を流れる電流の値Iが製造バラツキや使用環境により変化したとしても、第2積分時間Tに関するデジタル出力に対する影響がキャンセルされる。よって、製造バラツキや使用環境等の影響を受けないデジタル出力を得ることができる。
なお、本実施の形態は、数式12においてα=1、β=2、γ=1の場合に該当し、これらの値を数式12に代入すると、上記数式11を得ることができる。
図2は、積分器12の出力の変化を示す図である。積分器12の出力は、第1積分中(第1積分時間時間T0が経過するまでの間)一定の傾き(Vcom−Vin)/RCで上昇し、第1積分時間T0が経過して第2積分が開始すると、一定の傾き−(Vref−Vcom)/RCで低下する。ここで、仮に可変抵抗42及び電流源31、32の製造バラツキや使用環境により第1積分の傾きが実線から破線のように変わったとしても、第2積分の傾きも実線から破線のように変化して同じ第2積分時間Tになる。したがって、一定のデジタル出力を得ることができる。つまり、ポテンショメータ41のダイヤルを同じ角度だけ回転させた場合、製造バラツキや使用環境によらず、回転量xにのみ基づいた一定の第2積分時間T(デジタル出力)を得ることができる。
3.まとめ
以上説明したように、本実施形態のダイヤル式入力装置(ADコンバータ)では、被第1積分電圧Vinを可変抵抗42の可変後の抵抗値と可変抵抗42を流れる電流Iの値の積に比例して変化させ、被第2積分電圧Vref及び基準電圧Vcomを可変抵抗42の総抵抗値Rv(両端間の抵抗値)と可変抵抗42を流れる電流Iの積に比例して変化させる。これにより、第2積分時間Tは回転量xにのみ基づいて変化する。つまり、可変抵抗42の抵抗値Rvや可変抵抗42を流れる電流の値Iが製造バラツキや使用環境により変化したとしても、第2積分時間Tに関するデジタル出力に対する影響がキャンセルされる。よって、製造バラツキや使用環境等の影響を受けないデジタル出力を得ることができる。
また、抵抗−電圧変換回路30及び2重積分型ADコンバータ10は一つの集積回路に集積されているので、外付け部品は可変抵抗のみでよい。そのため、コストを削減することができる。
また、2つの電流源31、32はカレントミラー回路で構成されているので、単純な回路で同一の電流を流す2つの電流源を構成できる。
また、本実施形態のダイヤル式入力装置は、上記のような抵抗−電圧変換回路30を備えているので、ダイヤルの目盛りに対応する高精度のデジタル出力を得ることができる。
本実施形態では、ポテンショメータとして回転量を検出するロータリータイプのポテンショメータを利用した場合について説明したが、本発明は、直線的な移動量を検出するリニアタイプのポテンショメータを利用した場合にも適用できる。
また、本実施の形態では、数式12においてα=1、β=2、γ=1の場合について説明したが、これは一例であり、α、β、γは他の値であってもよい。
本発明にかかるAD変換器、ダイヤル式入力装置、及び抵抗−電圧変換回路によれば、製造バラツキや使用環境等の影響を受けないデジタル出力を得ることができる。本発明にかかるAD変換器は、2重積分型ADコンバータを利用したAD変換器において広く利用することができる。
10 2重積分型ADコンバータ
11 スイッチ
12 積分器
13 コンパレータ
14 LOGICブロック
30 抵抗−電圧変換回路
31 電流源
32 電流源
33 オペアンプ
34 P型トランジスタ
35 抵抗
36 抵抗
37 抵抗
38 抵抗
39 抵抗
41 ポテンショメータ
42 可変抵抗
特開平05−083135号公報

Claims (7)

  1. 被第1積分電圧が入力されているときに前記被第1積分電圧と基準電圧との差分の電圧を積分する第1積分を行い、前記第1積分の実行後、被第2積分電圧が入力されているときに前記被第2積分電圧と基準電圧との差分の電圧を積分する第2積分を行い、少なくとも前記第2積分に応じた積分電圧を出力する積分器と、前記積分器から出力される積分電圧と前記基準電圧とを入力し、前記第2積分を開始してから前記積分電圧と前記基準電圧とが等しくなるまでの時間を計測してデジタル値で出力する出力部と、を備えた2重積分型ADコンバータと、
    可変抵抗と、
    前記可変抵抗の可変後の抵抗値と前記可変抵抗を流れる電流の値の積に比例して前記被第1積分電圧を変化させるとともに、前記可変抵抗の総抵抗値と前記可変抵抗を流れる電流の積に比例して前記被第2積分電圧及び前記基準電圧を変化させる抵抗−電圧変換回路と、
    を備え、
    前記可変抵抗は、
    両端の固定端子と、接地された調整端子とを備え、
    前記抵抗−電圧変換回路は、
    前記可変抵抗の両端の固定端子に電流を流すための二つの電流源と、
    前記可変抵抗の両端の固定端子間に直列に接続された二つの抵抗と、
    前記二つの抵抗同士の接続部に生じる電圧に比例する第1の電圧と第2の電圧とを生成する電圧生成部とを備え、
    前記可変抵抗のうちの一方の固定端子の電圧を前記被第1積分電圧として出力し、
    前記第1の電圧を前記被第2積分電圧として出力し、
    前記第2の電圧を前記基準電圧として出力する、
    ことを特徴とするAD変換器。
  2. 前記抵抗−電圧変換回路は一つの集積回路に集積されていることを特徴とする請求項1記載のAD変換器。
  3. 前記二つの電流源はカレントミラー回路で構成されていることを特徴とする請求項1または2記載のAD変換器。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載のAD変換器を用いたダイヤル式入力装置。
  5. 被第1積分電圧が入力されているときに前記被第1積分電圧と基準電圧との差分の電圧を積分する第1積分を行い、前記第1積分の実行後、被第2積分電圧が入力されているときに前記被第2積分電圧と基準電圧との差分の電圧を積分する第2積分を行い、少なくとも前記第2積分に応じた積分電圧を出力する積分器と、前記積分器から出力される積分電圧と前記基準電圧とを入力し、前記第2積分を開始してから前記積分電圧と前記基準電圧とが等しくなるまでの時間を計測してデジタル値で出力する出力部と、を備えた2重積分型ADコンバータに、可変抵抗の抵抗値に基づいて前記被第1積分電圧を生成して出力するとともに、前記被第2積分電圧及び前記基準電圧を生成して出力する抵抗−電圧変換回路であって、
    前記可変抵抗の可変後の抵抗値と前記可変抵抗を流れる電流の値の積に比例して前記被第1積分電圧を変化させるとともに、前記可変抵抗の総抵抗値と前記可変抵抗を流れる電流の積に比例して前記被第2積分電圧及び前記基準電圧を変化させ、
    前記可変抵抗は、
    両端の固定端子と、接地された調整端子とを備え、
    前記抵抗−電圧変換回路は、
    前記可変抵抗の両端の固定端子に電流を流すための二つの電流源と、
    前記可変抵抗の両端の固定端子間に直列に接続された二つの抵抗と、
    前記二つの抵抗同士の接続部に生じる電圧に比例する第1の電圧と第2の電圧とを生成する電圧生成部とを備え、
    前記可変抵抗のうちの一方の固定端子の電圧を前記被第1積分電圧として出力し、
    前記第1の電圧を前記被第2積分電圧として出力し、
    前記第2の電圧を前記基準電圧として出力する、
    ことを特徴とする抵抗−電圧変換回路。
  6. 前記抵抗−電圧変換回路は一つの集積回路に集積されていることを特徴とする請求項5記載の抵抗−電圧変換回路。
  7. 前記二つの電流源はカレントミラー回路で構成されていることを特徴とする請求項5または6記載の抵抗−電圧変換回路。
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