JPH061873B2 - 差動増幅回路の増幅率調整方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は差動増幅回路，特にセンサ回路や計測回路など
精密な調整を要する差動増幅回路の増幅率調整方法に関
する。

〔従来の技術〕

周知のように差動増幅回路は種々の電子回路の基本的な
回路要素として広く用いられているが、上述のセンサ回
路や計測回路に用いられるときはその出力信号値のばら
つきや該出力信号値のもつ温度特性上のばらつきを最低
にするようとくに精密な調整が要求され、製品の出荷前
に例えば出力信号値が±0.1％の誤差範囲内に入るよう
に調整される。

第２図はよく知られている差動増幅回路を示すものであ
る。演算増幅器11の反転入力端子と非反転入力端子には
差動の入力信号Vi1,Vi2がそれぞれ入力抵抗Ri1,Ri2を介
して与えられ、増幅器の出力端子と反転入力端子との間
には帰還抵抗Rfが接続される。さらに、増幅器の非反転
入力端子には１対の抵抗21,22により設定されたレベル
設定電位Vsが電位入力抵抗Rvを介して与えられる。この
レベル設定電位Vsは増幅器11からの出力信号Voのレベル
を設定するための一種の基準電位である。なお、増幅器
11の２個の入力端子間の動作上の平衡を保つためには、
２個の入力抵抗Ri1,Ri2の抵抗値を等しく、また帰還抵
抗Rfと電位入力抵抗Rvの抵抗値を等しく保つのが望まし
い。

公知のようにこの差動増幅回路のもつ増幅率は帰還抵抗
Rfの抵抗値と判定入力端子側の入力抵抗Ri1の抵抗値の
比Rf／Ri1によってほぼ決まるので、その増幅率の調整
時には出力信号Voを受けるメータ12の指示を見ながら、
指示が所定値になるように帰還抵抗Rfと入力抵抗Ri1の
いずれかあるいは双方の抵抗値を調整するのがよく知ら
れた調整方法である。

実際の製品では上述の差動増幅回路中の増幅器はふつう
半導体チツプの形とされるか半導体集積回路中に組み込
まれ、抵抗類の方は抵抗値を正確に作るためのセラミツ
ク基板上の厚膜抵抗や薄膜抵抗とされることが多く、チ
ツプや集積回路は該基板上にマウントされる。この場合
の抵抗値の調整は厚膜抵抗や薄膜抵抗に対するいわゆる
トリミングによって行なわれる。またこの調整にあたつ
ては、できるだけ実際の運転時の条件に合うよう、前述
のレベル設定電位を増幅器の非反転入力端子に与えた条
件で抵抗値の調整をするのが通例である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、差動増幅回路用の上述の抵抗類を極力精密
に製作しても、それらの抵抗値が若干ばらつくことは避
けられず、とくに抵抗値間のバランスが標準から狂って
来ると上述の調整が困難になることがある。回路の増幅
率は前述のように比Rf／Ri1で決まるのであるから、例
えば帰還抵抗Rfをトリミングしてやればそれに応じた増
幅率が上がるはずなのであるが、抵抗値のバランスがあ
る程度以上狂っているとかなり帰還抵抗Rfをトリミング
しても増幅率が増加を示さない場合がある。増幅率を下
げる場合も同様で、入力抵抗Ri1のトリミングだけで充
分下がり切らない場合がある。さらにこの場合は２個の
入力抵抗間のバランスをとることが回路の増幅性を良好
に保つ上でとくに大切であるから、一方の入力抵抗Ri1
を相当程度トリミングしてしまうと、もう一方の入力抵
抗Ri2もトリミングしてやらねばならなくなり、調整に
非常に手間が掛かる。

もちろん、製作されるすべての差動増幅回路についてこ
のように調整が困難になるわけではなく、調整困難なも
のはむしろ少数なのであるが、差動増幅回路が量産品に
組み込まれたもので自動トリミングにより抵抗調整をす
る場合には、少数であっても自動トリミングで済まない
ものが出て来ると作業工程を無用に混乱させ、製作費が
高くついてしまう。しかし、従来はかかる問題は回路内
の抵抗類の抵抗値のばらつきを非常に少なく管理しない
限り不可避的に発生し、根本的には解決できないものと
考えられていた。

本発明の目的は上記の問題点を解決して抵抗値間のバラ
ンスが多少くずれていても容易に差動増幅回路の増幅率
を調整できる方法を得ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては、最初に述べたように差動増幅をすべ
き２個の入力信号が増幅器の２個の入力端子にそれぞれ
入力抵抗を介して与えられ、増幅器の出力端子と一方の
入力端子間には帰還抵抗が接続され、増幅器の他方の入
力端子には出力信号のレベルを設定するためのレベル設
定電位が電位入力抵抗を介して与えられる差動増幅回路
の増幅率を調整するに当たり、２個の入力信号の同相電
位を仮のレベル設定電位として与えた状態で増幅器の一
方の入力端子に接続された一方の入力抵抗と帰還抵抗と
の抵抗比を調整することにより増幅率を調整することに
よって上述の目的を達成する。

上の構成にいう同相電位は２個の入力信号間のいわば時
間的な平均電位であって、両入力信号がいずれも直流信
号である場合は両入力信号値の単純な平均電位であって
よい。

〔作用〕

上述の解決手段は、従来増幅率の調整時に常識として増
幅器の他方の入力端子に与えられていたレベル設定電位
を変えて見ると調整が簡単に済む場合があることに着目
してなされたもので、これを手掛かりに差動増幅回路の
動作を解析した結果、まずその増幅率αの近似消去指令
として次式が得られた。

ただし、Vi=Vi1-Vi2,α=(Vo-Vs)/Viであって、同相電位
Vaは Va=(Vi1+Vi2)/2……(2) としてある。また上式を導くに際しては、実用回路に則
して抵抗値RfやRvが抵抗値Ri1やRi2に比べてかなり大で
あると仮定した。

上の（１）式は２個の項からなっており、その内の第１
項は差動増幅回路のもつ元来の増幅率である。第２項は
従来から回路の調整を困難にしていた因子と考えられ
る。すなわち、(Va−Vs)／Viの値が正である場合、帰還
抵抗Rfないしは入力抵抗Ri1を調整したときのこの第２
項の増幅率に対する寄与は第１項の寄与と逆方向にな
り、このため従来から抵抗値を調整しても増幅率があま
り変化しない場合があったのである。

そこで、本発明においては、回路の調整時に、上述の同
相電位Vaを仮にレベル設定電位Vsとして与えることによ
り、つまり上式でVs=Vaとすることにより、（１）式中
の第２項を消して増幅率αが単純にα＝Rf/Ri1となる条
件で該比Rf/Ri1が変わるように、帰還抵抗Rfおよび入力
抵抗Ri1の一方または双方の抵抗値を調整してやるよう
にする。このようにすることによって、抵抗類の抵抗値
にばらつきが出て（１）式中の計数Rv/(Ri2+Rv),Ri2/Rv
等がどのように変わつても、単純に比Rf/Ri1を変えてや
ることにより差動増幅回路の増幅率を確実に調整するこ
とが可能になる。

〔実施例〕

以下、第１図を参照しながら本発明の実施例を説明す
る。この第１図中の第２図に対応する部分には同じ符号
が付されている。この実施例における差動増幅回路１０
は半導体式の圧力センサ３０からの圧力の検出信号を差
動の入力信号Vi1,Vi2として受け、その差Viを増幅して
１対の抵抗21,22で設定されるレベル設定電位Vsにより
指定される信号レベルの出力信号Voを出力するものであ
る。

圧力センサ30は半導体基板上に作込まれた４個のシリコ
ンストレンゲージ31〜34を含み、これら４個のストレン
ゲージは通例のようにブリツジ接続され、その図の上出
力端子の対角線間に例えば５Ｖの直流電圧を受ける。半
導体基板が被測定圧力により変形したとき、各ストレン
ゲージのもつ抵抗値が矢印で示したように変化するの
で、ブリツジの図の左右方向の対角線の両端から0.1Ｖ
程度の圧力検出信号が出て前述のように差動増幅回路１
０に入力信号Vi1,Vi2として与えられる。この検出信号
は周囲温度に対して負の温度依存性をもつので、これを
補償するために差動増幅回路10内の帰還抵抗Rfには正の
温度特性をもつ温度補償抵抗Rtが図示のように並列接続
されている。むろん、この温度補償抵抗Rtは場合により
帰還抵抗Rfと直列接続してもよい。

圧力センサ30への５Ｖの給電電圧には、図の左側に示す
ように２個の相同な抵抗51,52が直列接続されており、
その相互接続点に2.5Ｖの電位を発生する。圧力センサ3
0内の４個のストレンゲージはすべて同一抵抗値に作ら
れているから、この2.5Ｖの電位は常に差動入力信号Vi
1,Vi2の平均値に等しく、これが本発明における同相電
位Vaとして用いられる。

この実施例では差動増幅回路の増幅率の調整は帰還抵抗
Rfのトリミングによってなされる。この調整時には、増
幅器11の図では下側の他方の入力端子に前述の１対の抵
抗51,52によって発生された同相電位Vaが電位入力抵抗R
vを介して与えられる。一方、増幅器11の出力端子には
それからの出力信号Voを受ける自動トリミング機40が接
続される。この自動トリミング機40としてはふつう市販
されているものでよい。

実際の製品では増幅器11と圧力センサ30とは関連する回
路とともに共通の半導体チツプ内に集積化され、差動増
幅回路内の抵抗やレベル設定用抵抗21,22が作り込まれ
たセラミツク基板上に実装される。このハイブリツド集
積回路は差動増幅回路の増幅率調整時に上述の自動トリ
ミング機40に装入され、その調整用端子Ｔに同相電位Va
を与えた状態で圧力センサ30に所定の圧力を加える。自
動トリミング機40は出力信号Voを受け、これが規定値に
なるように帰還抵抗Rfをトリミングする。本発明の場
合、増幅率の調整が困難になったりそれに失敗すること
がないので、製品の自動トリミング機への装入や同相電
位の供給を自動化すれば、この増幅率の調整工程を全自
動化することもできる。

増幅率の調整完了後、レベル設定電位発生用抵抗21,22
の相互接続点と調整用端子Ｔとはセラミツク基板上で例
えばボンデイングにより接続される。両抵抗21,22によ
り発生されるレベル設定電位Vsは同相電位Vaと同じ場合
もありうるが、ふつうは出力信号Voに所望のレベルを与
えるようそれぞれとは異なる電位値が必要で、両抵抗の
抵抗値比はこれに応じて選択される。

なお、増幅率調整中の出力信号Voはレベル設定電位Vsの
かわりに同相電位Vaが与えられているので、温度補償抵
抗Rtを無視すると次式で表わされる。

温度補償抵抗Rtを考慮すると次式のようになる。

(3)式の場合、帰還抵抗Rfをトリミングにより増加させ
ると自動トリミング機に入力される出力信号Voが直線的
に増加する。(4)式の場合帰還抵抗Rfの増加に伴う出力
信号Voの増加は双曲線的になり、帰還抵抗Rfの抵抗値の
増加とともに出力信号Voの増加率は漸次低下して行く
が、、帰還抵抗Rfのトリミングにより出力信号Voが単調
に増加して行くことには変わりがない。これによって、
自動トリミング機は温度補償抵抗付きの場合を含めて容
易に帰還抵抗Rfのトリミングにより差動増幅回路の増幅
率を調整することができる。

〔発明の効果〕

以上の説明からわかるように、本発明においては差動増
幅回路への２個の入力信号の同相電位を出力信号のレベ
ルを設定するためのレベル設定電位のかわりに増幅器に
与えた状態でその増幅率を調整することにより、差動増
幅回路内の諸抵抗の抵抗値に製作上のばらつきがある場
合にも容易かつ確実に差動増幅回路の増幅率を調整して
その出力信号値を所期の公差内に納めることができる。
本発明のもつこの効果はセンサ回路用や計測回路用など
の差動増幅回路に対する精密な調整や量産品に対する自
動トリミングによる調整に対してとくに有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による差動増幅回路の増幅率調整方法を
圧力センサからの検出信号用差動増幅回路に適用した実
施例を示す回路図、第２図は従来方法による差動増幅回
路の増幅率調整の様子を説明するための回路図である。
図において、 10：差動増幅回路、11：増幅器、21,22：レベル設定電
位の設定用抵抗、30：圧力センサ、31〜34：ストレンゲ
ージ、40：自動トリミング機、51,52：同相電位発生用
抵抗、Ri,Ri1,Ri2：入力抵抗、Rf：帰還抵抗、Rt：温度
補償抵抗、Rv：電位入力抵抗、Ｔ：調整用端子、Va：同
相電位、Vi：入力信号値、Vi1,Vi2：差動入力信号、V
o：出力信号、Vs：レベル設定電位、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】差動増幅すべき２個の入力記号が増幅器の
   ２個の入力端子にそれぞれ入力抵抗を介して与えられ、
   増幅器の出力端子と一方の入力端子間には帰還抵抗が接
   続され、増幅器の他方の入力端子には出力信号のレベル
   を設定するためのレベル設定電位が電位入力抵抗を介し
   て与えられる差動増幅回路の調整方法であって、２個の
   入力信号の同相電位を仮のレベル設定電位として与えた
   状態で増幅器の一方の入力端子に接続された一方の入力
   抵抗と帰還抵抗との抵抗比を調整することにより増幅率
   を調整することを特徴とする差動増幅回路の増幅率調整
   方法。