JPS6012332Y2 - アイソレ−シヨン・アンプ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、入力信号をアイソレーションして取出すよう
にしたアイソレーション・アンプに関するものである。

本考案のアイソレーション・アンプは、入力信号をパル
ス幅変調器によりパルス幅変調してアイ／Ｌｚ−ジョン
した後復調するようにしたもので、特にその復調回路部
分に改良を施したものである。

以下、図面により本考案を説明する。第１図は本考案の
アイソレーション・アンプの一実施例を示すブロック図
である。

第１図において、ＰＷＭは帰還形のパルス幅変調回路、
ＤＭＯは復調回路、ＴＲＡはアイソレーション手段を有
する伝送回路である。

パルス幅変調回路ＰＷＭにおいて、ＩＴは直流から交流
までの入力信号Ｅｘが供給される端子、ＣＩ、Ｏは第２
図に示す一定のくり返し周期Ｔの方形波クロックを発生
する方形波電圧発生器で、この方形波電圧発生器が出力
するクロックの周波数は入力信号Ｅｘ（直流〜交流）の
周波数に対して十分高いものとなっている。

十Ｅｓ、 −Ｅｓは正負の基準電圧源、ＩＧは増幅器Ａ
とコンデンサＣよりなる積分器、ＣＯＰは零コンパレー
タ、ＶＩは電圧・電流変換器、Ｓｌ、Ｓ２はスイッチ、
Ｒ１−Ｒ９は抵抗である。

積分器ＩＧの出力端はコンパレータｃｏｐを介して電圧
・電流変換器Ｖｌの入力端に接続されている。

信号入力端子ＩＴは抵抗Ｒ１を介して、方形波電圧発生
器ＣＬＯは抵抗Ｒ２を介して、また正の基準電圧源十Ｅ
ｓはスイッチＳ１と抵抗Ｒ３の直列回路を介して、負の
基準電圧源−ＥｓはスイッチＳ２と抵抗Ｒ４の直列回路
を介してそれぞれ積分器ＩＣのサミングポイントに接続
されている。

伝送回路ＴＲＡにおいて、ＰＤは発光ダイオードのよう
な発光素子、ＰＴはフォトトランジスタのような受光素
子、Ｒ５はシャント抵抗である。

発光素子ＰＤの入力端は前記電圧・電流変換器Ｖｌの出
力端に接続され、抵抗Ｒ５の一端ｄは発光素子ＰＤの出
力端に接続され、他端は共通電位点ＣＯＭに接続されて
いる。

発光素子ＰＤと抵抗Ｒ５の接続点ｄより得られる電圧に
よりパルス幅変調回路ＰＷＭを構成する前記スイッチＳ
０とＳ２が駆動され、交互にオン・オフされるようにな
っている。

復調回路ＤＭＯにおいて、十Ｅｓ、 −Ｅｓは正・負の
基準電圧源、Ｓ３．Ｓ４はスイッチ、Ｒ６，Ｒ７は抵抗
、ＳＤはスイッチＳ３．Ｓ、を駆動する駆動回路、ＦＬ
はロウパス・アクティブ・フィルタである。

フィルタＦＬは演算増幅器Ａ、とこの演算増幅器Ａ１に
直列に接続されその増幅率Ｇが一定の広帯域直流増幅器
Ａ２、及び演算増幅器Ａ、の入出力端子間に接続された
コンデンサＣ１と、増幅器Ｎの出力端と増幅器Ａ１の入
力端（−）の間に接続された抵稙Ｂ８よりなるものであ
る。

正の基準電圧源十ＥｓはスイッチＳ３と抵抗Ｒ６の直列
回路を、また負の基準電圧源−ＥｓはスイッチＳ４と抵
抗Ｒ７の直列回路を介してそれぞれフィルタＦＬを構成
する演算増幅器Ａ１の（−）入力端に接続されている。

スイッチ駆動量ＥＤの入力端は前記した伝送回路を構成
する受光素子ＰＴの出力端に接続されている。

０１ＪＴはアイソレーションされた信号ＥＯが取出され
る出力端子で、この出力端子はフィルタＦＬの出力端に
接続されている。

このような構成のアイソレーション・アンプについてそ
の動作ヲ説明すると次の通りである。

パルス幅変調回路ＰＷＭにおいて、積分器ＩＧは入力端
子ＩＴより印加される入力信号Ｅｘと方形波電圧発生器
■Ｄが出力する第２図に示す一定周期Ｔの方形波クロッ
クとともに、スイッチＳ１と８２により切換えられる正
・負一対の基準電圧＋Ｅｓまたは−Ｅｓとを加算積分す
る。

積分器ＩＧの出力電圧ｅｏは零コンパレータＣＯＰを介
して電圧−電流変換器Ｖｌに与えられて電流信号に変換
されたのち伝送回路ＴＲＡを構成する発光素子ＰＤを介
して抵抗Ｒ３に供給され、接続点ｄに電圧降下を生じさ
せる。

この場合、接続点ｄの電圧降下の大きさ及び位相をコン
パレータＣＯＰの出力と等しくなるようにすることによ
り、積分器ＩＣの出力電圧ｅｏが正−９極性、即ち接続
点ｄの電圧が正の極性のときにはスイッチＳ□がオンに
なって正の基準電圧＋Ｅｓが、またｅｏが負の極性、即
ち接続点ｄの電圧が負の極性のときにはスイッチＳ２が
オンになって負の基準電圧−Ｅｓが積分器ＩＧに加えら
れるようにスイッチＳ１．Ｓ２が接続点ｄの電圧によっ
て制御される。

これにより正、負の入力信号Ｅｘはデユーティ・レジ第
５０％（入力零）を中心に対称となるような変調が行な
われ、電圧・電流変換器ＶＩの出力端より第３図で示さ
れる１゛と°“０゛のレベルで表現され、下式（１）で
表わされるパルス幅変調信号に対応した電流が取出され
る。

ただし、Ｔ１＝十ＥＳが積分器ＩＧに加えられている 期間 Ｔ２＝−Ｅｓが積分器ＩＧに加えられている期間 Ｔ ” ＴＩ ＋Ｔ２ に１＝係数 電圧・電流変換器ＶＩより取出される第（１）式で示す
パルス幅変調信号に対応した電流は、伝送回路ＴＲＡを
構成する発光素子ＰＤに送出される。

発光素子ＰＤはこのパルス幅変調信号をアイソレーショ
ンされた光パルス信号として受光素子ＰＴに伝送腰受光
素子ＰＴはこれをパルス幅変調信号に対応した“１゛と
０゛の電気信号に変換して復調回路ＤＭＯを構成するス
イッチ駆動回路ＳＤに印加する。

伝送回路ＴＲＡより送出されたパルス幅信号が“１ルベ
ルのとき、すなわちパルス幅Ｔ□の期間、スイッチ駆動
回路ＳＤにより駆動されてスイッチＳ３が閉じ、正の基
準電圧源＋Ｅｓが抵抗Ｒ６を介してフィルタＦＬの入力
端に接続される。

また、パルス幅変調信号が“０“レベルのとき、すなわ
ちパルス幅Ｔ２の期間、スイッチＳ４が閉じて負の基準
電圧源−ＥｓがフィルタＦＬの入力端に接続される。

フィルタＦＬはその入力端に与えられる正、負の基準電
圧子Ｅｓと−Ｅｓとの平均値を出力する。

したがって、出力端子ＯＵＴより取出される出力電圧Ｅ
ｏは下式（２）で表わされる。

ただし、ｋ２＝係数 （１）式と（２）式より、Ｅｏは となり、入力信号Ｅｘに対応するとともに、アイソレー
ションされた信号Ｅｏを出力端子口パより取出すことが
できる。

なお、ここでフィルタＦＬとして第４図で示す公知のロ
ウパス・アクティブ・フィルタを使用することも考えら
れる。

しかし、第１図のアンプに用いられる方形波電圧発生器
ＣＬＯが出力するクロックの周波数は非常に高いものと
なっており、第１図のアンプにおいてはこの方形波電圧
発生器が出力する周波数の高いくり返し周期Ｔで系が動
作するようになっている。

このようにくり返し周波数の高いパルス入力を高精度で
濾波させるには第４図に示す公知のフィルタでは増幅器
ＡＭＰとして直流的に十分安定であり、かつパルス入力
に対して十分速い出力特性をもつことが要求される。

しかし、実際このようなＡＭＰは高価であり、実用的で
ない。

これに対して、第１図に示す構成のフィルタＦＬは安価
で容易に入手することのできる増幅器でくり返し周波数
の高いパルス入力に対して優れた特性をもつものである
。

以下、これを説明する。

すなわち、第１図に示すフィルタＦＬにおいて、周波数
ｆ（＝−９−）の交流電流１２？ｒ が入力端子ＩＮに与えられた場合、出力端子ＯＵＴより
取出される電圧ＥＯは のロウパス・アクティブ・フィルタに他ならない。

第１図に示すフィルタＦＬにおいて、そのカットオフ周
波数をｆ工とすると、（４）式より明らかなようにｆ□
は で示される。

一方、第４図に示す従来のフィルタのカットオフ周波数
をちとすると、ｆ２はとなる。

ｆ□＝ｆ２とおいたとき、第１図のフィルタＦＬと第４
図のフィルタの入、出力特性は全く同一であるが、前記
したように第４図の回路においては増幅器ＡＭＰとして
低ドリフトのものと、ハイスピード特性のものが必要で
ある。

これに対して、第１図に示すフィルタＦＬにおいては、
演算増幅器Ａ０の出力電圧をＥとするとこの電圧Ｅは出
力端子ＯＵＴより取出される出力電圧ＥＥＯの１／Ｇで
ある。

したがって、演算増幅器Ａ□は大振幅が要求されないの
で、増幅器Ａ□の負担は楽になる。

このため、フィルタＦＬに供給される電流ｉがパルス状
でかつそのくり返し周波数が高い場合でもスリュレイト
（Ｓｌｅｗ ｒａｔｅ）は良くなり、第１図のフィルタ
ＦＬにおいては十分速い出力特性をもつものを得ること
ができる。

また、第１図のフィルタＦＬにおいて、増幅器んはその
増幅率Ｇが一定の広帯域直流増幅器を必要とするが、直
流性能（ドリフト等）は要求されない。

なぜなら、例えば入力電流ｉの周波数ｆにおける増幅器
Ａ２のオフセット電圧をｅとすると、第２図に関して次
式が成立する。

（Ｅ−ｅ） Ｇ＝Ｅｏ （７）Ｅ
。

Ｒ十ｊωＣＩＥ＝ Ｏ（８） ＜７１． （８１式よりＥを消去してＥｏを求めるとと
なる。

第（９）式から明らかなように、ω＝ＯとするとＥｏ＝
Ｑとなる。

すなわち、増幅器Ａ２としては特に低ドリフト特性を有
するものでなくても第１図に示すフィルタＦＬにおいて
は、直流的に安定なロウパス・アクティブ・フィルタを
得ることができる。

このように、従来は１つの演算増幅器で構成されていた
ロウパス・アクティブ・フィルタを第１図のフィルタＦ
Ｌでは２つの増幅器を用いて構成することにより、パル
ス状でかつそのくり返し周波数が高い入力であっても低
ドリフト特性をもつと共に、入力に対して十分速い出力
特性をもつので、パルス幅変調信号を極めて高精度で復
調することができ、このためパルス幅変調回路を用いた
第１図のアイソレーション・アンプ用のフィルタとして
極めて好適なものである。

なお、上述した実施例ではアイソレーションの手段とし
て発光素子ＰＤと受光素子ＰＴによる光結合器を用いた
が、このような光結合器に代えて第３図に示すパルス幅
信号の前縁と後縁でそれぞれ微分パルスをつくり、この
パルスを変成器を介して取り出し、この変成器の出力を
フリップ・フロップ回路等によって第３図に示すパルス
幅信号にもどすようにしてもよい。

なおまた、上述の実施例ではパルス幅変調回路と復調回
路に正・負の基準電源±ＥｓとスイッチＳ１．Ｓ、を用
いているが、これらに代えて正・負の定電流源と電流ス
イッチで構成してもよい。

更に、基準電圧源±ＥｓおよびスイッチＳ１．Ｓ２とＳ
３．Ｓ４を変調回路と復調回路でそれぞれ共通にするこ
とにより、全体として部品点数を減少させることができ
、簡単な構成で誤差要因の少ないアイソレーション・ア
ンプを実現することができる。

以上説明したように、本考案のアイソレーション・アン
プは、帰還形パルス幅変調回路を用いて入力信号Ｅｘを
パルス幅変調し、このパルス幅変調された信号を伝送手
段を含む回路でアイソレーションして復調するようにし
ているので、入力信号Ｅｘを極めて正確にアイソレーシ
ョン信号として取出すことのできるアンプを得ることが
できる。

このような特徴の他に本考案のアイソレーションアンプ
においては、復調回路ＤＭＯに用イラれるフィルタＦＬ
として従属的に接続された２つの増幅器を用いて構成し
たので、これらの増幅器は容易に入手できる安価なもの
で直流的に十分安定であり、かつパルス入力に対して十
分速い出力特性をもつフィルタを得ることができる。

このため、第１図の回路においてはパルス幅変調信号を
高精度で復調することができる復調回路を具えたアイソ
レーション・アンプを得ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係るアイソレーション・アンプの一実
施例を示す電気的接続図、第２図および第３図はそれぞ
れ第１図のアンプの動作を説明するための波形図、第４
図は従来のフィルタの一例の電気的接続図である。 ＰＷＭ・・・・・・パルス幅変調回路、ＴＲＡ・・・・
・・伝送回路、ＤＭＯ・・・・・・復調回路、ＣＬＯ・
・・・・・方形波発生器、ＩＧ・・・・・・積分器、Ｃ
ＯＰ・・・・・・コンパレータ、±Ｅｓ・・・・・・基
準電圧源、Ｓ□〜Ｓ、・・・・・・スイッチ、ｖｉ・・
・・・・電圧・電流変換器、ＰＤ・・・・・・発光素子
、ＰＴ・・・・・・受光素子、ＳＤ・・・・・・スイッ
チ駆動回路、ＦＬ・・・・・・フィルタ。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. （１）入力信号をパルス幅信号に変調するパルス幅変調
   回路と、このパルス幅変調回路の出力信号を発光素子と
   受光素子よりなる光結合器によってアイソレーションし
   て伝送する伝送回路と、その人、出力端子間にコンデン
   サが接続された第１の増幅器の出力端を増幅率が一定の
   第２の増幅器を介して信号出力端子に接続するとともに
   抵抗を介して第１の増幅器の入力端に帰還するようにし
   たフィルタを有すると共に正および負の基準電源を有腰
   伝送回路を介して得られる前記パルス幅変調回路によっ
   て得られるパルス幅変調信号で駆動されるスイッチによ
   り交互に正または負の基準電源の出力を切換えて前記フ
   ィルタに入力させる復調回路とを具備し、前記フィルタ
   の信号出力端よりアイソレーションされた信号を取出す
   ようにしたアイソレーションアシプ。
2. （２）基準電源として電圧源を用いた実用新案登録請求
   範囲第１項記載のアイソレーション・アンプ。
3. （３）基準電源として電流源を用いた実用新案登録請求
   範囲第１項記載のアイソレーション・アンプ。