JPH04176204A - 高入力インピーダンス広帯域増幅器 - Google Patents

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１ 本発明は、オシロスコープ等の測定器の入力段に用いて
好適な高入力インピーダンス広帯域増幅器に関する。

〔従来の技術〕

オシロスコープ等の測定器の入力段に使用する増幅器は
、広範な測定信号に対処するため、数ミリボルトから数
百ボルトまでの広い電圧範囲に渡って、飽和しないで正
確に動作することが必要である。また、増幅器の入力イ
ンピーダンスは、利得切換に対して一定の値を保ち、か
つ高いことが必要である。これは、被測定回路に与える
影響を最小限に抑えるためである。

このような要求を満たす回路として、従来は、第４図に
示すような回路が使用されている。

第４図において、入力端子３１に供給された測定信号は
、入力結合切換器３２１入力減衰器３３．過電圧保護回
路３４を介して、広帯域緩衝増幅器３５に供給される。

緩衝増幅器３５の出力電圧は、出力端子３６から出力さ
れる。ここで、入力結合切換器３２は、ＤＣ入力とＡＣ
入力とを切り換えるもので、そのためのスイッチＳ３１
を有する。入力減衰器３３は、測定信号を適正なレベル
に減衰するものである。

ここでは、説明を簡単にするために、入力信号を１７１
で伝達するτ１減衰と、−入力信号を１７１０で伝達す
る÷１０減衰の２ステツプとなっている。スイッチＳ３
２は、そのための選択スイッチで、その接点５３２−ａ
と５３２−ｂとが連動して、減衰率を切り換える。過電
圧保護回路３４は、緩衝増幅器３５に過電圧が加わるの
を防止する保護回路である。緩衝増幅器３５は、入力・
出力間のオフセット電圧が小さく、入力インピーダンス
が高い広帯域増幅器である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した従来の技術には次のような問題
点があった。

（１）入力結合切換器３２および入力減衰器３３のスイ
ッチＳ３１およびＳ３２には、半導体スイッチの採用が
困難である。すなわち、スイッチＳ３１と３３２には、
数百ボルトの電圧が印加されることがあることと、これ
らのスイッチとアース間とのストレー容量は極力小さく
なければならないこととから、半導体スイッチの採用が
困難となる。このため、半導体スイッチを用いて、リモ
ートコントロール化することが困難である。

（２）スイッチＳ３１と３３２に、リレーを採用すると
、消費電力が増加する。また、装置の小形化および装置
製造時の省力化が難しく、コストが高くつ（。

（３）緩衝増幅器３５においては、入力・出力間に直流
オフセット電圧を生じる。このオフセット電圧は、時間
や温度によってドリフトする。

このため、測定誤差を生じ、高感度化が困難である。高
感度化が必要な場合には、特公昭６３−３９１２２号公
報記載のような改善策が必要である。

すなわち、入力信号の交流成分と直流成分とを別々の増
幅器で増幅し、交流成分増幅器の出力を直流成分増幅器
にフィードバックすることによって、オフセット電圧の
低減を図るといった、改善策が必要である。

本発明は、このような背景のもとになされたもので、リ
レーやロータリスイッチ等の機械的スイッチを使用しな
い高入力インピーダンス広帯域増幅器を提供することを
目的とする。

また、低ドリフト、低消費電力、低価格の高入力インピ
ーダンス広帯域増幅器を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

かかる目的を達成するために、本発明は、高周波数領域
用の増幅器および低周波数領域用の増幅器を有する第１
の複合増幅器と、第１の信号入力端と、該第１の信号入
力端と前記第１の複合増幅器の反転入力端との間に接続
された第１の入力抵抗と、前記第１の複合増幅器の出力
端と反転入力端との間に接続可能に設けられた複数の第
１の帰還抵抗と、前記第１の帰還抵抗の一つを前記第１
の複合増幅器の出力端と反転入力端との間に選択的に接
続する第１の切換手段と、前記第１の入力抵抗に並列接
続された第１の位相補正用のコンデンサと、前記第１の
各帰還抵抗に並列接続された第２の位相補正用のコンデ
ンサで、各並列接続の時定数が、前記第１の入力抵抗と
その並列コンデンサとがなす時定数とほぼ等しくなるよ
うにされたコンデンサとを具備することを特徴とする。

［作　用〕 本発明によれば、測定信号は、インピーダンスの高い入
力回路を通して、複合増幅器の反転入力端に供給される
。この、反転入力端は、通常、零電位であるため、帰還
回路に高電圧が加わることはない。また、利得切換スイ
ッチは、帰還回路の中にあるため、多少のストレー容量
は許容される。したがって、利得切換スイッチとして、
ＦＥＴスイッチ等の半導体スイッチが利用できる。また
、入力結合切換回路も、同じ理由によって、半導体スイ
ッチが使用できる。

複合増幅器は、直流オフセットおよび温度ドリフト特性
が通常の広帯域増幅器と、安価で低ドリフトの汎用演算
増幅器を含む低周波数領域用増幅器とを組み合わせて構
成し、この低周波数領域用増幅器によって、直流オフセ
ットおよび温度ドリフトを補正するようにしている。こ
の結果、低ドリフト、低消費電力、低直流オフセットの
高入力インピーダンス広帯域増幅器を提供することがで
きる。

さらに、利得切換および入力結合切換に半導体スイッチ
を使用できるので、これらの切換スイッチをリモートコ
ントロールで動作させることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１実施例 第１図、第２図は、この発明の第１実施例の構成を示す
回路図である。

第１図において、１は入力回路、２は複合増幅器である
。入力回路１は、入力抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との並
列回路からなり、入力端子３を複合増幅器２の反転入力
端に接続し、装置の入力インピーダンスを実質的に規定
するものである。−方、複合増幅器２の非反転入力端は
接地されている。したがって、この複合増幅器２は、反
転増幅器として動作する。

複合増幅器２の出力端４は、複数の帰還回路を介して反
転入力端に接続されている。すなわち、帰還抵抗Ｒ５と
コンデンサＣ５との並列回路からなる第１の帰還回路５
と、帰還抵抗Ｒ６とコンデンサＣ６との並列回路からな
る第２の帰還回路６とが、複合増幅器２の反転入力端に
接続され、これらの帰還回路５．６のいずれかが、利得
切換スイッチＳ２によって選択的に出力端４に接続され
る。帰還回路５の時定数（Ｒ５・Ｃ５）、および帰還回
路６の時定数（Ｒ６・Ｃ６）は、入力回路１の時定数（
ＲＩＣｌ）とほぼ等しく設定されている。さらに、帰還
抵抗Ｒ５、Ｒ６の値は、Ｒ５＝Ｒ１，Ｒ６−旧／１０に
設定されている。したがって、帰還回路５が接続された
ときには利得１、帰還回路６が接続されたときには利得
１／ｌＯとなる。

複合増幅器２の出力端４は、さらに、ローパスフィルタ
８を介して複合増幅器２の反転入力端に接続されるよう
になっている。ローパスフィルタ８は、積分回路として
機能する抵抗Ｒ８およびコンデンサＣ８と、平滑回路と
して機能する演算増幅器９、抵抗Ｒ９，およびコンデン
サＣ９とから構成されている。演算増幅器９の出力（ロ
ーパスフィルタ８の出力）は、結合切換スイッチＳ１に
接続されている。スイッチＳ１は、ＡＣ結合／ＤＣ結合
を切り換えるもので、ＡＣ結合のときには、複合増幅器
２の反転入力端が抵抗Ｒ１０を通して演算増幅器９の出
力端に接続され、ＤＣ結合のときには、反転入力端が抵
抗ＲＩＯを通して接地されるように切り換える。

したがって、抵抗ＲＩＯは、ＡＣ結合が選択された場合
、帰還抵抗として機能する。すなわち、複合増幅器２の
出力の直流電圧成分を、ローパスフィルタ８を介して反
転入力端に供給し、この直流電圧成分が零となるように
する。

第２図は、複合増幅器２の具体的構成例を示す回路図で
ある。この複合増幅器２は、入力段２ａとして機能する
ソースフォロワＦＥＴ、Ｑｌｌと、差動増幅器２ｂを構
成するトランジスタＱ１２．Ｑ１３と、出力段として機
能するエミッタフォロワトランジスタＱ１５と、低周波
数領域用の増幅器２３として機能する演算増幅器２３ａ
とを中心として構成されている。

複合増幅器２の反転入力端２１は、入力段２ａとしての
ソースフォロワＦＥＴ、Ｑｌｌを介して、差動増幅器２
ｂの反転入力端、つまりトランジスタＱ１２のベースに
接続される。一方、複合増幅器２の非反転入力端２２は
、低周波数領域用増幅器２３、および分圧抵抗Ｒ１２，
Ｒ１３を介して、差動増幅器２ｂの非反転入力端、つま
り、トランジスタＱ１３のベースに接続されている。増
幅器２３には、ローパスフィルタとして機能する抵抗Ｒ
１１とコンデンサＣ１ｌとが接続されている。よって、
増幅器２３は、直流成分と低周波数成分のみを増幅する
。

差動増幅器２ｂの出力は、高周波数特性を改善するため
のベース接地トランジスタＱ１４を介して、エミッタフ
ォロワ・トランジスタＱ１５に供給される。エミッタフ
ォロワ・トランジスタＱ］５のエミッタ電圧が、出力端
子２５を通して出力される。

なお、図中、ＣＲＩＩは、過電圧保護回路であり、帰還
回路切り換え時や、複合増幅器２の出力が飽和したとき
に入ってくる過電圧から回路を護るためのものである。

また抵抗Ｒ１５は、差動増幅器２ｂの利得を決定するエ
ミッ抵抗、抵抗Ｒ１６は、トランジスタ岨２．　Ｑ１３
にバイアス電流を流す抵抗、抵抗Ｒ１７は、トランジス
タＱ１２．Ｑ１４にバイアス電流を与える抵抗、抵抗Ｒ
１８は、差動増幅器２ｂの利得を決定するもう一つの抵
抗である。さらに、２４は、増幅器２３の入力の直流オ
フセット電圧を調整するための可変抵抗である。

このような構成によれば、「作用」の欄ですでに説明し
たような作用を得ることができる。すなわち、複合増幅
器２の反転入力端の電圧は、はぼ零であるから帰還回路
５．６に高電圧が印加されることが避けられる。また、
帰還回路５．６は、高インピーダンスが帰還回路の中に
あるため、多少のストレー容量は許容できる。したがっ
て、帰還回路に半導体スイッチＳ２を含ませることがで
きる。

さらに、ＡＣ結合時に、ローパスフィルタ８を通して、
複合増幅器２の出力を反転入力端に負帰還することによ
って、複合増幅器２の直流オフセット電圧を小さくし、
温度ドリフトを抑えることができる。

第２実施例 第３図は、この発明の第２実施例の構成を示す回路図で
ある。第２実施例が第１実施例と異なる主な点は、次の
点である。

（１）複合増幅器４２の入力段に、ソースフォロワに代
えて、エミッタフォロワを使用している点。

（２）３つの帰還回路４５．４６．４７を設け、３つの
利得切換１／１　、１．／１０．１／１００を選択でき
るようにした点。

（３）アナログスイッチ・コントロール回路５０によっ
て、利得切換と、入力結合切換とをリモートコントロー
ルできるようにした点。

以下、これらの点を中心にさらに説明する。入力端子４
３は、入力回路４１とダンピング抵抗Ｒ４２とを介して
、複合増幅器４２の入力段４２ａに接続されている。ダ
ンピング抵抗Ｒ４２は、リンキングやオーバーシュート
を減少して、回路動作を安定化するための抵抗で、入力
抵抗Ｒ４１に比べて微少な値に設定しである。複合増幅
器４２の入力段４２ａは、結合コンデンサＣ４３と、エ
ミッタフォロワトランジスタＱ４１と、入力ターミネー
ション抵抗Ｒ４３と、負荷抵抗Ｒ４４とから構成され、
入力信号を電流増幅して、差動増幅器２ｂに供給する。

差動増幅器２ｂ、トランジスタＱ１４、およびエミッタ
フォロワ・トランジスタ（１１５は、第１図に示した第
１実施例と同様である。

エミッタフォロワ・トランジスタＱ１５の出力は、複合
増幅器４２の反転出力端子４４から出力されるとともに
、帰還回路４５．４６．４７と、ローパスフィルタ４８
とに供給される。

帰還回路４５は、帰還抵抗Ｒ４５と、これと並列に接続
されたコンデンサＣ４５と、この並列回路に直列接続さ
れたアナログスイッチＳ４５とから構成されている。同
様に、帰還回路４６は、帰還抵抗Ｒ４６，コンデンサＣ
４６と、アナログスイッチ３４６とから構成され、帰還
回路４７は、帰還抵抗Ｒ４７と、コンデンサＣ４７と、
アナログスイッチＳ４７とから構成されている。ここで
、帰還抵抗Ｒ４５゜Ｒ４６，Ｒ４７と入力抵抗Ｒ４１と
の比は、１／１　、１／１０゜１／１００に定められて
いる。したがって、複合増幅器４２の利得は、択一的に
オンとされるアナログスイッチによって、ｌ／１　、１
／１０．　ｌ／１００のいずれかとなる。なお、帰還回
路４５．４６．４７のそれぞれの時定数Ｒ４５Ｃ４５、
Ｒ４６・Ｃ４６、Ｒ４７・Ｃ４７は、入力回路４１の時
定数Ｒ４１Ｃ４１はぼ等しくなるように調整されている
。

ローパスフィルタ４８は、演算増幅器４９を中心に構成
され、その出力は、アナログスイッチＳ４８を介して、
帰還抵抗Ｒ５０とアナログスイッチＳ４９とに供給され
ている。アナログスイッチ３４ｇとＳ４９は、排他的に
オンとなり、入力結合を切り換える。すなわち、アナロ
グスイッチ３４ｇがオンで、Ｓ４９がオフの場合、複合
増幅器４２の反転入力端には、帰還抵抗Ｒ５０を介して
ローパスフィルタ４８の出力、つまり複合増幅器４２の
出力の直流成分が負帰還されて、ＡＣ結合となる。逆に
、アナログスイッチＳ４８がオフで、Ｓ４９がオンの場
合、複合増幅器４２の反転入力端は、帰還抵抗Ｒ５０お
よびアナログスイッチＳ４９を介して接地され、ＤＣ結
合となる。

これらのアナログスイッチは、アナログスイッチ・コン
トロール回路５０によって、切換制御される。すなわち
、制御ライン５１は、利得１／１の帰還回路４５を選択
し、制御ライン５２は、利得ｌ／１０の帰還回路４６を
、制御ライン５３は、利得１／１００の帰還回路４７を
、それぞれ選択する。さらに、制御ライン５４と５５は
、互いに排他的に動作し、ＡＣ結合とＤＣ結合とを切り
換える。

本第２実施例によれば、第１実施例と同様の作用効果を
得ることができる。さらに、リモートコントロールによ
って、利得切換や入力結合切換を行うことができる。

第３実施例 第５図は第３図の１／１　、１／１０．１／１００の反
転形利得減衰増幅器４２に利得５．利得２．５．利得１
の小ステップの利得切換反転形増幅器を縦続接続し、両
回路の間にボリュームＶＲ１５１を配し、利得微調回路
としたものである。この回路によれば、出力端子１５４
から非反転出力を取り出すことができる。本実施例の長
所は、次の通りである。

（１）非反転出力である。

（２）利得微調ができる。１−２−５ステツプの小ステ
ップ利得切換が付いたことにより、オシロスコープに最
適である。

（３）２段目の帰還回路は、回路インピーダンスを低く
設定しているため、高域補償コンデンサは必要ない。

第４実施例 帰還回路の定数すなわち利得比がある程度大きいと、複
合増幅器の利得が一定の状態では、広帯域まで安定した
帰還回路が得られないことがある。第６図は、これを解
決するため、帰還回路の切換スイッチＳ５と連動させて
、複合増幅器２の切換スイッチＳ２０も切り換え、利得
を最適値にするようにしたものである。この実施例によ
れば、広帯域まで安定した増幅を得ることができる。

第５実施例 第７図は入力回路に分圧・分流回路７０を設け、入力電
流を１／１　、１／１００に切り換え、帰還回路の１／
１　、１／１０と組み合せて、１／１　、１／１０．　
ｌ／ｌｏｏ　。

１／１０００の利得を実現している。

第６図で説明したように、帰還回路の定数に必要以上の
比を設けなくても良いように、入力回路の抵抗を１７１
００にし、入力電流の９９／１００を接地電流として捨
て、１／１００を反転入力部に供給することによって、
１／１００の減衰を得ている。

第６実施例 第８図は第３図の回路を並列に設け、差動形を形成した
回路である。ＡＣ／ＤＣ切換回路を構成するのにあたり
、双方の複合増幅器４２．４２’の出力を抵抗８１．ア
ナログスイッチ８２および抵抗８１°によって結び、コ
モン電圧を検出し、これを、ローパスフィルタ４８．４
８’を介して各々の反転入力に帰還してコモン電圧を零
とする。

したがって、両入力端に、例えば、数１００ｖのバイア
ス電圧が加わったときにも、差動信号を飽和させること
なく高感度で増幅できる。

用途としては、差動入力形オシロスコープおよびフロー
ティングプローブ等がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、測定信号は、イ
ンピーダンスの高い入力回路を通して、複合増幅器の反
転入力端に供給されるが、この反転入力端は、通常、零
電位であるため、帰還回路に高電圧が加わることはない
。また、利得切換スイッチは、帰還回路の中にあるため
、多少のストレー容量は許容される。したがって、利得
切換スイッチとして、ＦＥＴスイッチ等の半導体スイッ
チが利用できる。また、入力結合切換回路も、同じ理由
によって、半導体スイッチが使用できる。

また、複合増幅器は、直流オフセットおよび温度ドリフ
ト特性が普通の広帯域増幅器と、安価で低ドリフトの汎
用演算増幅器を含む低周波数領域用増幅器とを組み合わ
せて構成し、この低周波数領域用増幅器によって、直流
オフセットおよび温度ドリフトを補正するようにしてい
る。この結果、低ドリフト、低消費電力、低直流オフセ
ットの高入力インピーダンス広帯域増幅器を安価に提供
することができる。

さらに、利得切換スイッチおよび入力結合スイッチに半
導体スイッチを使用できるので、これらの切換スイッチ
をリモートコントロールで動作させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１実施例による高入力インピー
ダンス広帯域増幅器の構成を示す回路図、 第２図は、第１実施例の複合増幅器２の構成を示す回路
図、 第３図は、この発明の第２実施例による高入力インピー
ダンス広帯域増幅器の構成を示す回路図、 第４図は、従来の高入力インピーダンス広帯域増幅器の
構成を示す回路図、 第５図ないし第８図は、それぞれ第３実施例ないし第６
実施例の構成を示す回路図である。 １．４１・・・入力回路、 ２．４２・・・複合増幅器、 ２ａ、　４２ａ・・・複合増幅器の入力段、２ｂ、　４
２ｂ・・・複合増幅器の差動増幅器、３．４３・・・入
力端子、 ４．４４・・・出力端子、 ５．６，４５，４６．４７・・・帰還回路、８．４８・
・・ローパスフィルタ、 ２３・・・複合増幅器の低周波領域用増幅器、Ｓ２．　
Ｓ４５．Ｓ４６．　Ｓ４７・・・利得切換スイッチ、Ｓ
ｌ、Ｓ４８、Ｓ４９・・・結合切換スイッチ、５０・・
・アナログスイッチ・コントロール。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）高周波数領域用の増幅器および低周波数領域用の増
   幅器を有する第１の複合増幅器と、 第１の信号入力端と、 該第１の信号入力端と前記第１の複合増幅器の反転入力
   端との間に接続された第１の入力抵抗と、 前記第１の複合増幅器の出力端と反転入力端との間に接
   続可能に設けられた複数の第１の帰還抵抗と、 前記第１の帰還抵抗の一つを前記第１の複合増幅器の出
   力端と反転入力端との間に選択的に接続する第１の切換
   手段と、 前記第１の入力抵抗に並列接続された第１の位相補正用
   のコンデンサと、 前記第１の各帰還抵抗に並列接続された第２の位相補正
   用のコンデンサで、各並列接続の時定数が、前記第１の
   入力抵抗とその並列コンデンサとがなす時定数とほぼ等
   しくなるようにされたコンデンサと を具備することを特徴とする高入力インピーダンス広帯
   域増幅器。 ２）前記第１の複合増幅器の高周波数領域用増幅器は、
   該第１の複合増幅器の反転入力端に接続されたソースフ
   ォロワまたはエミッタフォロワ入力段と、該入力段の出
   力端に反転入力端が接続された差動増幅器とを有し、前
   記低周波数領域用増幅器は前記第１の複合増幅器の非反
   転入力端に非反転入力端が接続された演算増幅器を有し
   、該演算増幅器の出力端は前記差動増幅器の非反転入力
   端に供給されたことを特徴とする請求項１記載の高入力
   インピーダンス広帯域増幅器。 ３）前記第１の帰還抵抗の値は、前記第１の入力抵抗の
   値より小さいことを特徴とする請求項１記載の高入力イ
   ンピーダンス広帯域増幅器。 ４）前記第１の複合増幅器の出力端に入力端が接続され
   たローパスフィルタと、該ローパスフィルタの出力端と
   接地端とを前記第１の複合増幅器の反転入力端に択一的
   に接続する第２の切換手段とを具備することを特徴とす
   る請求項１記載の高入力インピーダンス広帯域増幅器。 ５）前記第１の切換手段は、前記第１の複合増幅器の出
   力端と前記第１の各帰還抵抗との間に設けられたアナロ
   グスイッチと、該アナログスイッチをオン・オフ制御す
   る制御手段とを具備することを特徴とする請求項１記載
   の高入力インピーダンス広帯域増幅器。 ６）前記制御手段は、リモートコントロール装置に接続
   されたことを特徴とする請求項５記載の高入力インピー
   ダンス広帯域増幅器。 ７）前記第１の複合増幅器に可変抵抗器を介して縦続接
   続された第２の複合増幅器と、 該第２の複合増幅器の出力をその反転入力端に帰還する
   複数の帰還回路と、 該帰還回路の一つを前記第２の複合増幅器の出力端と反
   転入力端との間に選択的に接続する第３の切換手段と を具備することを特徴とする請求項１記載の高入力イン
   ピーダンス広帯域増幅器。 ８）前記第１の複合増幅器の利得を変更するための第４
   の切換手段を有し、該第４の切換手段と前記第１の切換
   手段とを連動させる構成としたことを特徴とする請求項
   １記載の高入力インピーダンス広帯域増幅器。 ９）前記第１の入力抵抗と前記第１の複合増幅器との間
   に設けられた分圧・分流回路と、該分圧・分流回路の分
   圧・分流比を切り換える第５の切換手段と を具備することを特徴とする請求項１記載の高入力イン
   ピーダンス広帯域増幅器。 １０）前記第１の複合増幅器に並列接続された第３の複
   合増幅器と、 第３の信号入力端と、 該第３の信号入力端と前記第３の複合増幅器の反転入力
   端との間に接続された第３の入力抵抗と、 前記第３の複合増幅器の出力端と反転入力端との間に接
   続可能に設けられた複数の第３の帰還抵抗と、 前記第３の帰還抵抗の一つを前記第３の複合増幅器の出
   力端と反転入力端との間に選択的に接続する第６の切換
   手段と、 前記第３の入力抵抗に並列接続された第３の位相補正用
   のコンデンサと、 前記第３の各帰還抵抗に並列接続された第４の位相補正
   用のコンデンサで、各並列接続の時定数が、前記第３の
   入力抵抗とその並列コンデンサとがなす時定数とほぼ等
   しくなるようにされたコンデンサと を具備することを特徴とする請求項１記載の高入力イン
   ピーダンス広帯域増幅器。