JPS5942490B2 - 電流型絶縁増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、トランス入力の演算増幅器を用いた電流型絶
縁増幅器に関するものであって、詳しくは、たとえば電
流信号源を有する伝送路に複数の負荷を直列接続するよ
うな電流信号伝送系において、入力インピーダンスが極
めて小さく、電流信号源にとって理想的な負荷として用
いることができる電流型絶縁増幅器を実現するものであ
る。

従来、計測、制御、通信等において用いられてきた絶縁
増幅器としては、電圧モードのものが一般的である。

第１図はこのような従来の電圧モード絶縁増幅器の一例
を示した回路図であって、第１図ａは反転形式を、第１
図すは同相形式を示したものである。

これら第１図に示した絶縁増幅器において、信号源に悪
影響を及ぼさない負荷とするためには、絶縁増幅器の入
力インピーダンスを高くする必要がある。

このためには結合トランスＴのインダクタンスを大きく
しなければならない（なお、結合トランスＴのインダク
タンスには結合に作用する主インダクタンスともれイン
ダクタンスの２つが考えられるが、本発明においては主
インダクタンスを単にインダクタンスという）。

しかし、結合トランスＴのインダクタンスを大きくする
と、結合トランスそのものが大形となり、また、浮遊容
量の影響を受けやすくなって、絶縁増幅器の広帯域化が
困難となる。

また、このような場合、低域における特性の劣化を補償
するために、演算増幅器に積分特性をもたせることなど
も行なわれるが、完全に解決することはできない。

一方、このような電圧モード伝送に対応して電流モード
伝送も行なわれている。

第３図は、このような電流モード伝送例を示す構成図で
あって、ＴＸは電流源、Ａ１〜Ａｎは電流型絶縁増幅器
、Ｒは終端インピーダンスである。

このような伝送系において、各電流型絶縁増幅器Ａ１〜
Ａｎの入力インピーダンスが零であるとすると、電流源
ＴＸにとって理想的な負荷となる。

そこで、入力インピーダンスを小さくするために、構成
部品の小形化を図ること等の工夫が行なわれてきたが、
完全に零にすることはできなかった。

本発明は、これらの欠点を解決するために、入カインピ
ーダンスを零にすることができ広帯域において用いるこ
とができる電流型絶縁増幅器を実現したものであって、
以下図面を用いて詳細に説明する。

第２図は本発明の詳細な説明するためのブロック図であ
って、Ｔは結合トランス、Ａは演算増幅器、Ｚ１〜Ｚ４
はインピーダンス回路、ＲＬは負荷、ＴＸは電流源であ
る。

結合トランスＴはインダクタンスＬを有するものであっ
て、１次巻線には電流Ｉｓと抵抗値Ｒｓを有する抵抗Ｒ
ｓよりなる電流源ＴＸが接続されている。

結合トランスＴの２次巻線の一端ａは接地され、他端す
はインピーダンスＺ１を有する第１のインピーダンス回
路Ｚ１を介して演算増幅器Ａの第１の入力端子たとえば
負入力端子Ｃに接続されている。

演算増幅器Ａの負入力端子Ｃと出力端子ｅとの間にはイ
ンピーダンスＺ２を有する第２のインピーダンス回路Ｚ
２が接続されている。

また、演算増幅器Ａの第２の入力端子（正入力端子）ｄ
と出力端子ｅとの間にはインピーダンスＺ３を有する第
３のインピーダンス回路Ｚ３が接続され、この正入力端
子ｄはインピーダンスＺ４を有する第４のインピーダン
ス回路Ｚ４を介して接地されている。

なお、演算増幅器Ａの出力端子ｅは負荷ＲＬを介して接
地されている。

このような構成の電流型絶縁増幅器の動作について説明
する。

なお、説明を簡単にするために、結合トランスＴの変成
比は１：１の同相になっているものとするが、これに限
定するものではない。

また、演算増幅器は理想的なものとする。

第２図において、電流源Ｔｘの出力電流をＩｓ、演算増
幅器Ａの負入力端子Ｃおよび正入力端子ｄにおける電圧
はｖＦでそれぞれ等しいものとし、結合トランスＴの２
次側出力電圧をＶ２、演算増幅器Ａの出力電圧をｖｏ、
負入力端子Ｃ側に流れる電流を１２、正入力端子ｄ側に
流れる電流を１３、結合トランスＴの１次側に流れる電
流をＩ１とする。

このような状態において、負入力端子Ｃに着目すると、 Ｖ２−ＶＶ−Ｖ。

−−−−Ｉ２ ・・・（１） ＺＩ Ｚ２ という関係式が得られ、正入力端子ｄに着目すると、 ０ ＶＦ ＶＦ ＶＯ −−−−Ｉ ３ ・・・（２）Ｚ４
Ｚ３ という関係式が得られる。

これら第（１）式および第（２）式から、電流■３、電
圧ＶｏおよびＶ２を求めると次のようになる。

Ｉ３−（Ｚ２／Ｚ３）Ｉ□ ・・・（３）Ｖ
ｏ＝−Ｚ２（１＋Ｚ４／Ｚ３）Ｉ２ ・・・（４）Ｖ２
＝（Ｚｌ−Ｚ２−Ｚ４／Ｚ３）Ｉ２・（５）一方、結合
トランスＴの２次側から演算増幅器回路をみたインピー
ダンスをＺｌとすると、このインピーダンスはＺ■−ｖ
２／■２で表わされるが、インピーダンスＺ■は、上記
第（５）式から、Ｚ■−Ｚｌ−（Ｚ２・Ｚ４／Ｚ３）
・・・（６）で表わすことができる。

また、結合トランスＴの１次側からみた入力インピーダ
ンスをＺＩとすると、この入力インピーダンスＺＩは、 ＺＩＩ・ＺＴ Ｚ１＝□ ・・・（７）ＺＩＩ＋Ｚ
Ｔ となる。

なお、ＺＴは結合トランスＴの主インダクタンスしによ
るインピーダンスである。

ここにおいて、使用信号周波数領域におけるインピーダ
ンスＺ■が結合トランスＴのインピーダンスＺＴに比べ
て充分小さいものであるとすると、第（７）式％式％（
８） という関係が成立する。

すなわち、第（６）式で表わすことのできるインピーダ
ンスＺ■を小さくすることにより、入力インピーダンス
Ｚ■も小さくすることができる。

したがって、演算増幅器Ａに接続された４個のインピー
ダンス回路Ｚ１〜Ｚ４の値を調整してインピーダンスＺ
Ｉを小さくすることにより、入力インピーダンスＺＩを
任意に小さくすることができる。

また、結合トランスＴの１次巻線に流れる電流Ｉ、は、 ｓ ■ −□・Ｉｓ ・・・（９）’
Ｒ８＋Ｚ１ となり、演算増幅器Ａの負入力端子Ｃ側に流れる電流■
２は、 ＺＴ １′−ン１＋ＺＩＩ”１・ °°°０°）となる
。

したがって、ＺＩ＜Ｒ８およびＺｌ＜ｚＴを満足する場
合には、 ■２≠１８ ・・
・旧）となって、第（４）式で表わされる出力電圧Ｖｏ
は、Ｖｏ ’＝ −Ｚ２ （１＋Ｚ ４／Ｚ ３ ）
Ｉ ｓ ・”（１２）で表わすことができる。

このように、第２図の回路構成において、インピーダン
ス回路Ｚ１〜Ｚ４のインピーダンスＺ１〜Ｚ４を、第（
６）式で示したインピーダンスＺ１を小さくする値に設
定することにより、入力インピーダンスＺＩが極めて小
さく、電流源Ｔｘの出力電流Ｉｓを損失なく伝送するこ
とができる電流型絶縁増幅器が実現できる。

なお、第２図の演算増幅器の正負の入力端子を入れ替え
ても同様な効果が得られる。

また、このような絶縁増幅器においては、入力インピー
ダンスを等測的に負性インピーダンスとすることにより
、伝送路における損失を補償することもできる。

また、インピーダンスＺ１〜Ｚ４をＺｌ・Ｚ３＝Ｚ２・
Ｚ４と設定することにより入力インピーダンスＺ４を理
論的に零にすることができ、電流源Ｔｘにとって理想的
な負荷（受信器）を実現することができる。

次に、本発明に基づく電流型絶縁増幅器の伝送帯域につ
いて考えてみる。

まず、低域限界は、結合トランスＴの磁束飽和により定
まるものであるが、結合トランスＴを短絡モードで用い
るために磁束飽和による影響は電圧モードの場合のそれ
に比べて極めて小さいものであり、結合トランスＴのイ
ンダクタンスを大きくとることなく、低周波領域でも用
いることができる。

一方、高域限界は、結合トランスＴのもれインダクタン
スおよび浮遊容量で定まるものであるが、前述のように
主インダクタンスを大きくしなくてよいためにこれらも
本質的に小さく、また、短絡モードで用いるため浮遊キ
ャパシタンスの影響は少ないので、高周波領域でも用い
ることができる。

このように相乗効果があるため、小型化が図れ、かつ広
帯域化が図れる。

このようにして構成した電流型絶縁増幅器はいろいろな
応用ができる。

たとえば、前述の第３図に示した電流モード伝送系の電
流型絶縁増幅器として用いることができる。

ここにおいて、絶縁増幅器Ａ１〜Ａｎの入力インピーダ
ンスを零にすることができるので、電流源Ｔｘに細組の
絶縁増幅器を接続しても悪影響を及ぼすことはなく、バ
ス伝送方式の受信部として、あるいは通信路の分岐等に
有効である。

第４図は第２図の回路の演算増幅器Ａの出力端子ｅにト
ランジスタＴｒを付加して電流出力を取り出すようにし
たものであって、この場合のゲインＩｏ／ＩＩは、−２
Ｒ／Ｒｆで表わすことができる。

第５図は第２図の増幅器を構成するインピーダンス回路
を負荷としたものであって、第５図ａは第３のインピー
ダンス回路Ｚ３を負荷とし、第５図すは第４のインピー
ダンス回路Ｚ４を負荷としたものである。

第５図ａの回路は電圧出力形式であって、出力電圧Ｖｏ
は１■１・Ｒ２で表わすことができる。

第５図すは電流出力形式であって、ゲインＩｏ／１１は
−Ｒ２／Ｒ３で表わすことができる。

第６図は電圧モードとして用いることができる応用例で
あって、結合トランスＴの１次巻線に直列に抵抗値Ｒ５
を有する高抵抗Ｒ５を接続したものである。

この場合、ゲインは（−Ｒ２／Ｒ５）（１＋Ｒ４／Ｒ３
）、入力インピーダンスはＲ５となる。

前述のように、結合トランスＴを短絡モードで用い、さ
らに、高抵抗Ｒ５を１次巻線に直列に接続しているので
、低周波領域において入力インピーダンスが低下するこ
とはなく、また高周波領域においてももれインダクタン
スや浮遊容量は極めて小さいので、広帯域にわたって高
い入力インピーダンスを有する電圧型絶縁増幅器が実現
できる。

なお、以上の実施例ではインピーダンス回路Ｚ１〜Ｚ４
として抵抗を用いた例について説明したが、キャパシタ
ンスやインダクタンスを用いてフィルタ等のいわゆるシ
グナルコンディショナとすることもできる。

また、小型で広帯域の理想的な電流受信器が実現できる
ので、チョッパと組み合わせることにより特性の優れた
直流アイソレータとして用いることもできる。

以上説明したように、本発明によれば、小型で特性の優
れた電流型絶縁増幅器が実現でき、いろいろな応用が可
能であり、その効果は太きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電圧型絶縁増幅器の一例を示す回路図、
第２図は本発明の詳細な説明するためのブロック図、第
３図から第６図はいずれも本発明の応用例を示す回路図
である。 Ｔ・・・・・・結合トランス、Ａ・・・・・・演算増幅
器、Ｚ１〜Ｚ４・・・・・・インピーダンス回路、Ｒｏ
・・・・・・負荷、’ｒｘ・・・・・・電流源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 結合トランスを介して電流源と接続され負荷に電流
   出力を送出する電流型絶縁増幅器であって、両入力端子
   間にはそれぞれインピーダンス回路を介して前記結合ト
   ランスの２次巻線が接続され各入力端子と出力端子間に
   はそれぞれ正帰還回路および負帰還回路を形成するイン
   ピーダンス回路が接続された演算増幅器を含む演算増幅
   器回路として構成され、この演算増幅器回路の各インピ
   ーダンス回路のインピーダンスを調整することにより前
   記結合トランスの１次側からみた入力インピーダンスが
   負または零に近い正の値になるようにしたことを特徴と
   する電流型絶縁増幅器。