JPH02223823A - 質量流量変換器のための駆動出力回路 - Google Patents

質量流量変換器のための駆動出力回路

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JPH02223823A
JPH02223823A JP1332500A JP33250089A JPH02223823A JP H02223823 A JPH02223823 A JP H02223823A JP 1332500 A JP1332500 A JP 1332500A JP 33250089 A JP33250089 A JP 33250089A JP H02223823 A JPH02223823 A JP H02223823A
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signal
circuit
multiplication
output
mass flow
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JP1332500A
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Andrew N Dames
アンドリュー・ニコラス・デームズ
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Gemalto Terminals Ltd
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Schlumberger Industries Ltd
Schlumberger Electronics UK Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野] 本発明は、コリオリ形質量流量変換器などの質量流量変
換器のための駆動出力回路に関する。
〔従来の技術〕
コリオリ形質量流量変換器のような質量流量変換器の例
としては、GB (英国特許) −A−2,202,6
31号、GB−A−2,192,714号、GB−A−
2,212,613号に記載されるものがある。それら
の変換器の詳細は、本発明には関連しない。駆動信号に
よって振動管の共振周波数で振動管が駆動されるという
ことが知るに足りる。ここで、駆動信号は駆動コイルま
たは他の変換器(例えば圧電変換器)に使用される。そ
して、振動管が、一定の間隔に配置された2つのピック
アップコイルまたは他の変換器(例えば光ピツクアップ
)を備えている。振動管における質量流量率は、2つの
信号の位相差の比のリニアな関数である。ここで、2つ
の信号は、2つのピックアップコイルにより、共振周波
数の状態で供給される。
〔発明が解決しようとする課題〕
そのような変換器により供給されるデータは、通常、パ
イプラインを流れる流体の容積の供給に関して充満する
ための根拠を与える。ここでは、測定が非常に正確であ
るということを確実にする必要がある。比較的に小さな
誤差が、容積の供給に関する費用において、大きな合計
金額に対応する。
本発明の目的は、変換器に対して駆動信号を供給し、か
つ必要とする目的を満足させ得る比較的簡単な構成の駆
動出力回路を提供するにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の駆動出力回路は、質量流量変換器において一定
の間隔に配置されているピックアップ変換器から供給さ
れる2つの入力信号に応じて前記質量流量変換器の駆動
変換器に対して駆動信号を供給するための組み合わされ
た出力回路及び駆動回路であって、前記2つの入力信号
の少なくとも1つから第1の信号を形成しかつ前記2つ
の入力信号から差信号を形成するための手段と、前記第
1の信号により制御されると共に前記駆動信号と、互い
に直角位相である第1及び第2の乗算信号とを供給する
ための位相ロックドループ発振回路と、前記第1の信号
と前記差信号とに前記第1の乗算信号と前記第2の乗算
信号とを夫々乗算して2つの積信号を形成するための手
段と、前記2つの積信号を濾波して位相差すなわち質量
流量率に関係する2つの測定電圧を得るためのローパス
フィルタ手段とを夫々具備する。
入力信号の振幅は正確にバランスされることが望ましい
。例えば、±0.5%にバランスされることが望ましい
。仮に、変換器がこのバランスを達成することができな
いならば、バランス制御手段が設けられてもよい。
〔実施例〕
本発明は多くの態様で実行されるものである。
以下に説明する好ましい実施例において、複数の乗算信
号はスイッチング波形であり、それぞれの乗算手段はス
イッチング形の乗算器である。この乗算器は乗算手段に
供給される信号の非反転バージョンと反転バージョンと
を切り換えるものである。供給される信号は、関連する
スイッチング波形を乗算するために乗算手段に供給され
ている。
第1の選択において、複数の乗算信号はアナログ信号で
あり゛、それぞれの乗算手段はアナログの乗算器である
。第2の選択において、複数の乗算信号はメモリ手段か
ら読み出されるディジタル値であり、この読み出しは、
発振回路により制御されるアドレッシング手段に応答し
て、サイクリングに行なわれる。そして、各乗算手段は
乗算ディジタルアナログ変換器である。
以下、本発明を実施例により、図面とともに詳細に説明
する。
第1図は本発明の駆動出力回路の一実施例を示すブロッ
ク図である。
第1図において、人力10′と入力11’とは2つのピ
ックアップ変換器10と11とに接続されている。また
、出力12′は上記した公知の質量流量変換器2の駆動
変換器12に接続されている。質量流量変換器2は、ヘ
ローズ3.5によって2つのフランジ7.9から隔離さ
れた管6を備え、そのフランジ7.9は管6をパイプラ
インに接続するのに用いられる。管6は2つの質量4に
よって設定された2つの節8の間で振動する。そして、
管6はその中央に配置されている駆動変換器12により
共振周波数で励起されている。ピックアップ変換器10
.11は、駆動変換器12の両側で管6の振動を検出す
る。ピックアップコイルl0111は、バランス調節手
段13に用いられる2つの入力信号を供給する。このバ
ランス調節手段13は調節可能な複数のポテンショメー
タとして図示されている。バランスされた複数の入力信
号は、非常に高い利得を有する差動アンプ14と、高い
利得を有する加算アンプ15とに供給される。差動アン
プ14は差信号りを出力し、加算アンプ15は和信号S
を出力する。
電圧制御発振h (VCO)16は相互に直角位相であ
る第1と第2の乗算信号Q、1を供給する。
これらのQ、■はスイッチング波形の形となっている。
信号■はスイッチング形の乗算器17において和信号S
と乗算され、乗算器17は誤差信号Eを出力する。誤差
信号Eはローパスフィルタ18により平滑され、ローパ
スフィルタ18は、通常の位相ロックドループ回路内で
、制御電圧を■C016に供給する。VCO16の発振
周波数はこのようにして質量流量変換器の共振周波数に
ロックされ、そして信号■はアンプ20とドライブコイ
ル12を介して、質量流量変換器を駆動するために用い
られる。
和信号Sはスイッチング形の乗算器21において直角位
相の乗算信号Qと乗算されて、第1の積信号P、が形成
される。差信号りは別のスイッチング形の乗算器22に
おいて同位相の乗算信号Iと乗算されて、第2の積信号
P、が形成される。
2つの積信号Ps、PoはSそれぞれローパスフィルタ
23.24に供給される。ローパスフィルタ23は和出
力電圧■、を出力し、ローパスフィルタ24は差出力電
圧■。を出力する。それらの出力電圧は、2つのピック
アップ10.11での振動の間の位相差に対応し、それ
故に、質量流量率に関係する。それらは質量流量率及び
変換器を通して流れる流体の濃度が検知される基礎出力
データを提供する。出力ユニット(OUTPUT II
NIT)  25は、方形波信号ににおける温度測定に
より、■、と■。とを処理するために配されている。こ
の方形波信号の周波数は、駆動周波数(流体の濃度に依
存する)によって決定され、方形波信号のマーク−スペ
ース比は、■、に対する■。の比で直線的に変化する。
■。=0のときのデータのマークスペース比は、不変で
あり(デユーティ比は50%である。)、出力ユニット
25の出力でのマーク−スペース比は1 +(vo /
vs )で与えられる。
上記出力方形波信号は、変調器/電源ユニット(MOD
)26に供給される。この変調器/電源ユニット26は
、駆動出力回路のための操作電圧を供給し、電力線27
に信号を入れる。この電力線27によって信号線を別途
必要とすることなく、上記出力方形波がリモートステー
ションに伝達される。
差信号りはスイッチング形の乗算器28において信号Q
と乗算されて、バランス制御信号Cが出力される。この
信号Cはローパスフィルタまたは積分器29で平滑され
た後に、バランス調節手段13を制御するために用いら
れる。それらの手段の実施は第2図で示される。(第2
図はより詳細にバランシング回路を示す図である。)2
つの入力信号は、オペアンプ30によって、2つの分圧
回路y431に供給される。2つの分圧回路網31から
差動アンプ14における使用のために2つのバランス入
力信号1.、I2が取り出される。加算アンプ15を構
成するオペアンプの一方の入力である実際のアースに分
圧回路網31は共に接続される。
各分圧回路網31は、上部と下部とのFET32U、3
2Lとを含む。バランス制御信号は、ローパスフィルタ
29によって平滑されて信号C′になる。このローパス
フィルタ29は帰還部にコンデンサを有するオペアンプ
により構成される。
制御信号C′は、第2図における、左側の分圧回路網3
1の上部のFET32 Uと、右側の分圧口B’A31
の下部のFET32Lとを制御する。反転アンプ33に
よって供給される反転された制御信号C“は、他の2つ
のFETを制御する。一方の検出における信号C′の変
化が入力信号1.を増加させるとともに入力信号12を
減少させ、他方の検出における変化が入力信号11を減
少させるとともに入力信号I2を増加させるということ
が、容易に理解できる。それによって、所望のバランス
制御が得られる。
バランス調節手段13を詳細に構成することによって、
導かれる異なった位相が非常に小さい(700tlzで
、2:1アンバランス補正に対して0゜0003°)と
いうことが保証される。この理由の1つとしては、その
出力インピーダンスが低くかつほぼ一定であるという事
実が挙げられる。これに対する解決の糸口は、向いあっ
て駆動されるFET32Uと32L(右側)、FET3
2Uと32L(左側)の2組にある。
次に、第3図は発振回路と乗算回路の詳細を示す図であ
る。
第3図において、VCO16、フィルタ18及び乗算器
17.21.22.28の詳細が示されており、それぞ
れの乗算器において、場合によっては、制御信号lまた
は制御信号Qは、差信号りと反転アンプ35により供給
される反転される差信号D′とを切り換え、あるいは、
和信号Sと反転アンプ36により供給される反転された
和信号S′とを切り換える。発振器16は2つのDタイ
プフリップフロップ37.38にクロックを供給する。
第1のフリップフロップ37の反転出力は、第2のフリ
ップフロップ38の人力に供給される。
第2のフリップフロップ3日の非反転出力は第1のフリ
ップフロップ37の入力に供給される。その結果、2つ
のフリップフロップ37.38の出力は、発振器16か
ら供給されるクロックパルス列の周波数の区で、直角位
相にある信号Iと信号Qとを形成する。
図示しないが、ロック検出及び発振器走査回路が、走査
の初期に発振器周波数を強制するために配されてもよい
。発振器周波数が強制されるのは、位相ロックが達成さ
れ、和電圧■、が無視し得なくなるまでである。
次に、第4図は出力回路の詳細を示す図である。
第4図において、信号Iはデュアル切換スイッチ40を
駆動するために用いられる。そして、このデュアル切換
スイッチ40は、2つのターミナル41に対して、正極
と負極との供給電圧を交互に切り換える。この2つのタ
ーミナル41は第1図の駆動コイル12に接続するため
のものである。
このようにして、位相ロックドループ発振回路によって
決定される周波数でのバランスされた駆動が提供される
。和電圧■sはトランジスタ42を制御して駆動振幅を
制限する。それによって、電源電圧に近づく電圧■3が
大きくなるのを妨げる。
電源電圧への接近により電圧■、のゆがみがもたらされ
る。
第1図の出力ユニット25は、Dタイプフリップフロッ
プ44などによって構成される。このDタイプフリップ
フロップ44は、信号Iによってセットされ、積分器4
3の出力によってリセットされる。フリップフロップ4
4の反転出力と電圧■、との積とは、積分器43によっ
て入力電圧V。
に加算される。・フリップフロップ44の反転出力と電
圧V、との積は、フリップフロップの出力で駆動される
スイッチング乗算器45と、供給される電圧■3と■、
′とによって形成される。ここで、■、′は反転電圧4
6によって反転された■。
である。フリップフロップ44のリセットが生じた時に
、フリップフロップ44の期間を通して、瞬時において
マーク−スペース比がt+ (VO/V、)であること
いう関係を設定するように調節する。
フィルター23とフィルター24は、分路コンデンサに
関連した帰還路を有するオペアンプで構成されてもよい
。とくに、フィルタは、3極ヘツセルフイルタであって
よい。それらのフィルタは、動作する周波数から雑音を
除去し、期間を通して位相の読取りを平均化する。それ
らは、必要とする応答時間を達成することができる、で
きるだけ低いカットオフ周波数を有するべきであって、
例えば、約111zのカットオフ周波数である。
特に、バランス11節手段13が用いられるときに、和
信号Sは入力信号11と12との中の1つによって置き
換えられてもよい。
第3図の乗算器は、ありのままに示されている。
実際上、それぞれのサイクルにおいて、それらは(1、
−1〕で差信号りまたは和信号Sのサンプルを乗算する
。値(1、−1〕の対は、正弦波にたいして可能な最も
粗い近似である。ここで、この正弦波はナイキストの定
理により許容される正弦波である。より良い近似は、正
弦波に対して〔0,1、O,−13のフオームであり、
余弦波に対して(1、0,−1、O)のフオームである
第3図の装置は、これに基づいて、容易に変形可能なも
のである。基本■COクロック周波数は、振動する管6
の共振周波数の8倍であることが必要である。同程度に
良い近似は、実例を挙げて説明すると、正弦波に対して
(0,1、1、0゜1−13のフオームであり、余弦波
に対して(1、O,−1、−1、0,1〕のフォー、ム
である。
基本■COクロック周波数は共振周波数の12倍である
ことが必要である。
含まれる乗算器だけが、■、−1及び0であるかぎり、
第3図におけるテクニック、すなわち正極と負極のアナ
ログ値の単純なスイッチングが用いられてよい。しかし
ながら、アンプ14.15で実行される乗算は、ディジ
タル的に完全に実行され得る。このように、■COは質
量流量検知管の振動の周波数の適当な倍数で作動するよ
うに設定される。そして、その出力はそれぞれのA/D
コンバータにトリガして用いられる。ここで、A/Dコ
ンバータはアンプ14.15のそれぞれの出力をサンプ
リングする。このようにして得られたディジタルのサン
プルは、上記したような形状の粗いディジタルの正弦波
及び余弦波に乗算されることができ、このため単純なス
イッチが必要となる。このスイッチは単純な加算及び減
算に用いられて所望の積が得られる。そして、フィルタ
23.24.28及び29は、ディジタルフィルタに置
き換えられる。
駆動出力回路は、電気回路の構成部分を含んで変形され
てもよい。その電気回路の構成部分は、変調器26によ
って供給される出力信号に、変換器の振動要素の温度が
この振動要素に結合された白金抵抗温度計によって検出
されたとき、この温度を表わす追加マーク−スペース信
号を加えるものである。これによって、質量流量測定に
おいて振動要素のヤング率の温度による変化に対して補
正を行うことができる。温度信号を提供する電気回路の
構成部分は第5図に示されている。(第5図は変形され
た質量流量変換器回路を示す図である。)第5図は第1
図の変調器26をもまた示しており、この変調器26に
温度信号を伝達するために必要な変形が設けられている
。温度信号を提供する電気回路の構成部分は、基本的に
第4図の構成要素43.44.45に基づく同様の回路
である。そして、第3図と第4図とにおける信号1の反
転化によって、上記の電気回路の構成部分は駆動される
。(例えば、信号Iの反転化は第3図におけるDタイプ
フリップフロップ38の反転Q出力から得られるもので
ある。) このように、第5図は白金抵抗温度計50と、フリップ
フロップ52により駆動される結合された乗算器51と
を示す。ここで、このフリップフロップ52は反転され
た信号Iによってクロックを供給される。(第3図中の
フリップフロップ38から反転された信号Iが得られる
。)積信号はローパスフィルタ53で平滑にされ、フリ
ップフロップ52のS入力に供給する。このフリップフ
ロップ52のQ出力は、■信号とともにナントゲート5
4に用いられる。ナントゲート54は変調器26に制御
人力を供給する。X点(第4図に示す。)は、フリップ
フロップ44のS入力に接続される。このフリンブフロ
・〉ブ44の反転Q出力はインバータ55で反転される
。変調器26中の乗算器スイッチ56を制御するために
、インバータ55の出力は用いられる。
第6図は、この回路によって送信されるパルスのパター
ンを示している。正極性パルス60は、変換器の周期(
ピリオド)を確定する。第1の負極性パルス61は、正
極性パルスの発生後の間隔T2で生じる。そして、この
第1の負極性パルス61は次の関係に一致して位相上方
を表わす。
位相−7(0,47Tz /T) 第2の負極性パルスは、正極性パルスの発生前の間隔T
ffで生じる。そして、この第2の負極性パルスは次の
関係に一致して温度計の抵抗を表わす。
抵抗=270 (T3 /T) 十s OR。
第7図は選択しえる別の出力回路を示すものであって、
その出力回路において、水晶発振器70と分周回路(F
REQ、DIV、)71とは、1200Hzの信号「。
をエツジトリガ位相検知器(DET)72に供給する。
このエツジトリガ位相検知器72の出力は、フリップフ
ロップ73のD入力に供給される。フリップフロップ7
3は共振周波数f、の2倍でクロックを供給される。ナ
ントゲート74は、フリップフロップのQ出力がrc/
f、を示す信号を出力する間、帰還信号を出力する。こ
れは、スイッチング乗算器75中で電圧V、と乗算され
る。
電圧■。は、アンプ77で白金抵抗温度計の測定値■□
、に加算される。アンプ77の出力は乗算器78に用い
られる。2つの乗算器75.7日の出力は、積分器79
で加算され、かつ平滑にされる。積分器の出力は、フリ
ップフロップ8oの0人力に用いられる。フリップフロ
ップ80はfcでクロックを供給される。そして、フリ
ップフロップ80は、乗算波形を乗算器78に供給する
ナントゲート81によって供給される出力パルス率は、
流量の廟当り1パルスであり、次式によって与えられる
(L/V、) (f、/f、) (Rr +Rpi+t
) (Rz +Rrtt)この方程式は、ヤング率に対
する温度補正を含み、そして少ない構成要素を有する低
コストの回路に対して非常に正確な出力を与える。
エツジトリガが位相検知器72に基づくループは、方形
波信号を発生する。この方形波信号の周波数は、管の振
動周波数frで割算された参照周波数ftに比例する。
この方形波信号は、積分器79に至る電圧■、を切り換
える。これによって積分器79は、制御ループの制御の
もとで、電圧■、から得られる切り換えられた電圧を逆
に受は入れる。(しかし、管の温度に応じてVPRTに
より補正される。)各時間でこの積分器79の出力は、
所定のしきい値(ゼロ)を越える。積分器79とその制
御ループは、このようにして■がらFに変換するコンバ
ータとして効果的に作動して出力信号を発生し、その出
力信号の周波数は、質量流量に比例している。とくに、
流体流量のキログラム当り1パルスである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すブロック図、第2図は
より詳細にバランシング回路を示す図、第3図は発振回
路と乗算回路の詳細を示す図、第4図は出力回路の詳細
を示す図、第5図は変形された出力回路を示す図、第6
図は第5図に関連する波形を示す図、第7図は別の出力
回路を示す図である。 なお図面に用いた符号において、 1(1−ピックアップ変換器(ピックアップコイル)1
1−・・・・ピックアップ変換器(ピックアップコイル
)12−−一−−・−駆動変換器(駆動コイル)14−
・・・差動アンプ 15−・−加算アンプ 16−・・・−電圧制御発振器(VCO)17−−・−
・−乗算器 1 B−一一一一・−ローパスフィルタ2ニー・・−・
・−乗算器 22−−−−・・−乗算器 23−・・−・ローパスフィルタ 24・−−一一−−ローパスフィルタ である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、質量流量変換器において一定の間隔に配置されてい
    るピックアップ変換器から供給される2つの入力信号に
    応じて前記質量流量変換器の駆動変換器に対して駆動信
    号を供給するための組み合わされた出力回路及び駆動回
    路であって、 前記2つの入力信号の少なくとも1つから第1の信号を
    形成しかつ前記2つの入力信号から差信号を形成するた
    めの手段と、 前記第1の信号により制御されると共に前記駆動信号と
    、互いに直角位相である第1及び第2の乗算信号とを供
    給するための位相ロックドループ発振回路と、 前記第1の信号と前記差信号とに前記第1の乗算信号と
    前記第2の乗算信号とを夫々乗算して2つの積信号を形
    成するための手段と、 前記2つの積信号を濾波して位相差すなわち質量流量率
    に関係する2つの測定電圧を得るためのローパスフィル
    タ手段とを夫々具備することを特徴とする質量流量変換
    器のための駆動出力回路。 2、前記第1の信号が前記2つの入力信号の和である請
    求項1記載の回路。 3、前記第1の信号が前記2つの入力信号から選ばれた
    1つの信号である請求項1記載の回路。 4、前記2つの測定電圧に応答して方形波出力を得るた
    めの出力ユニットを具備し、この方形波出力のマークス
    ペース比は他方の前記測定電圧により除された一方の前
    記測定電圧に依存してデータ値から変化されることを特
    徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の回路。 5、前記位相ロックドループ発振回路に応答して出力波
    形を供給する出力ユニットを具備し、この出力波形は前
    記質量流量変換器の周期に対応する周期を有しかつ前記
    位相差を表わす前記周期の第1の間隔を区分するマーカ
    を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記
    載の回路。 6、前記出力ユニットは、前記質量流量変換器における
    温度測定を表わすために前記周期の第2の間隔を区分す
    る第2のマーカを前記出力波形に更に供給することを特
    徴とする請求項5記載の回路。 7、出力パルスを供給する出力ユニットを具備し、リフ
    ァレンス周波数と前記駆動信号の周波数との比が乗算さ
    れる、第1の測定電圧と第2の測定電圧との比に比例し
    た割合で前記出力パルスが供給されることを特徴とする
    請求項1〜3のいずれかに記載の回路。 8、前記出力ユニットは更に前記パルスの割合に式(R
    _1+R)/(R_2+R)である補正項を乗算する(
    ここで、Rは前記質量流量変換器での温度測定値を表わ
    す抵抗値であり、R_1及びR_2は2つの固定値であ
    る)ことを特徴とする請求項7記載の回路。 9、前記乗算信号はスイッチング波形であると共に、各
    前記乗算手段はスイッチング形の乗算器であり前記乗算
    手段に供給される前記信号の非反転バージョンと反転バ
    ージョンとを切り換えて関連の前記スイッチング波形を
    乗算するものであることを特徴とする請求項1〜8のい
    ずれかに記載の回路。 10、各前記スイッチング波形がフォーム〔0、1、1
    、0、−1、−1〕の正弦波で表わされている請求項9
    記載の回路。 11、前記乗算信号はアナログ信号であると共に各前記
    乗算手段はアナログ乗算器である請求項1〜9のいずれ
    かに記載の回路。 12、前記乗算信号はメモリー手段からサイクリックに
    読み出されるディジタル値であり、この読み出しは前記
    発振回路によって制御されるアドレッシング手段に応答
    するものであると共に、各前記乗算手段は乗算ディジタ
    ルアナログ変換器であることを特徴とする請求項1〜9
    のいずれかに記載の回路。 13、前記乗算手段はアナログディジタル変換器を具備
    し、このアナログディジタル変換器は前記第1の信号及
    び前記差信号に応じて作動し前記質量流量変換器の前記
    周波数よりも高いサンプリング周波数で対応ディジタル
    信号を供給するものであり、さらに前記乗算手段はディ
    ジタル化された正弦波信号及び余弦波信号をこれらのデ
    ィジタル信号に乗算して前記2つの積信号を形成するた
    めの手段を具備することを特徴とする請求項1〜9のい
    ずれかに記載の回路。 14、前記サンプリング周波数は前記質量流量変換器の
    周波数の4〜6倍であると共に各正弦波信号はフォーム
    〔0、1、0、−1〕又は〔0、1、1、0、−1、−
    1〕から成る請求項13記載の回路。 15、前記差信号の積及び前記第1の乗算信号から得ら
    れるバランス制御信号に応答して前記2つの入力信号の
    バランスを調節するためのバランス調節手段を具備する
    請求項1〜14のいずれか記載の回路。 16、前記バランス調節手段は2つの分圧回路網を具備
    し、各前記分圧回路網は直列に配された第1及び第2の
    FETを夫々備えており、第1のFETと第2のFET
    との間の接続点から各々のバランス入力信号が取り出さ
    れると共に、前記バランス制御信号は一方の分圧回路網
    の第1のFET及び他方の分圧回路網の第2のFETを
    制御し、反転された前記バランス制御信号は前記一方の
    分圧回路網の第2のFET及び前記他方の分圧回路網の
    第1のFETを制御するものであることを特徴とする請
    求項15記載の回路。
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