JPS6052104A - 電源電圧変動補償型増幅装置 - 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 本発明は、ログアンプなどのように、入力信号レベルの
変化範囲が大きい信号を非線形増幅する場合、電源電圧
変動による出力電圧値変化を零とする電源電圧変動補償
型増幅装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 演算増幅器（以下ＯＰアンプと呼ぶ）を用いた増幅回路
としては、一般に第１図に示す反転増幅回路と非反転増
幅回路（図示せず）が知られている。このうち反転増幅
回路を例にとると入出力信号の関係は（１）式で表わさ
れる。

Ｖ　−−Ｒ／Ｒ、Ｖ、　・・・・・・・・・　（１）ｏ
ｌ　２　１　ｚｌ ここでｖｏｌはＯＰアンプの出力電圧、ｖｉｌは入力電
圧、Ｒ１は入力抵抗、Ｒ２は帰還抵抗である。（１）式
でｖｉ１＝ｏのときｖ０１＝ｏとならなければならない
。（１）式は理想的な○Ｐアンプで成立する式であり、
実際のＯＰアンプではｖｉ１＝０としだときｏｐアンプ
１の出力端にはある電圧があられれる。これをオフセッ
ト電圧と呼び、通常ｏＰアンプ１にオフセット調整用ポ
テンショメータｖＲ１を接続し、これに電源電圧＋ｖｏ
または一■　を供給する。そしてポテンショメータｖＲ
ｌを調整してオフセット電圧を零とする構成となってい
る。通常はこのような回路方式でオフセット電圧を零に
調整することができるが、使用条件が変化するとオフセ
ット電圧を零にすることができなくなる。

オフセット電圧を調整ができなくなる条件として次の３
つがある。第１にＯＰアンプ１への入力信号レベル変化
により、ＯＰアンプ１への流入電流が増加する場合、第
２に、周囲温度変化によシＯＰアンプ１０人カ段トラン
ジスタ（第４図に示すＱｌ、Ｑ２）の特性が変化し、Ｏ
Ｐアンプ１への入力電流変化が生ずる場合、第３にＯＰ
アンプ１に印加する電源電圧が変化し、その結果入力段
トランジスタＱ１．Ｑ２の動作特性が変化する場合であ
る。

このうち、第１および第２については、変化補償方式の
検討が進められており、たとえば第１については入力抵
抗Ｒｉ１　の影響を除去するため、ＯＰアンプ１の非反
転入力端子（＋）（反転増幅回路では接地されている）
に抵抗を接続する方法が用いられて゛おり、第２につい
ては温度特性の改善されたｏＰアンプの開発や、動作温
度条件を限定した使用が推奨されている。しかし、第３
については従来、定電圧電源下での動作が一般的であっ
たため、あまり問題となっていなかった。また出力電圧
レベルの利用範囲も、オフセット電圧の変化範囲である
ミリボルト程度にくらべ十分大きなボルトオーダで使用
することが多く、問題となって　−いなかった。

一方、最近では、バッテリで動作させる計測機器が多く
なり、電源電圧を安定させることが消費電流上困難とな
ってきており、ｏＰアンプとしても電源電圧の変化に対
して安定に動作することが要求されてきている〇一般に
ＯＰアンプの出力は増幅後の信号電圧レベル■８とオフ
セ、７）電圧ｖＯ８の和として表わされる。入力信号レ
ベルが大きい範囲では■８）ｖ０８となり■。８の変化
は無視できるが、入力信号レベルが小さい範囲ではＶ　
が無視できなくなる。さらに、測定範囲も従来Ｓ のボルトオーダー（１０１〜１０２程度の変化範囲）か
ら、ミリボルトオーダー（１０５〜１ｏ４程度の変化範
囲）に拡大される場合が多くなってきている０このよう
な状況に対処するため、ｏＰアンプのフィードバックル
ープにトランジスタなどの非線形素子を接続し、１−０
５〜１０４程度の入力信号レベル変化を非線形に圧縮す
るログアンプなどが用いられるよ５になってきた。この
ような場合、フィードバックループに接続した非線形素
子の影響でオフセット電圧変化以上の変化が出力にあら
れれることになる。たとえば、第２図に示すようにＯＰ
アンプ１のフィードバックループにトランジスタＱ３を
接続すると、入力電圧ｖｉ２が高い範囲では、ＯＰアン
プ１の出力信号レベルが大きく、オフセット電圧は出力
信号レベルにくらべて小さいのでその変化は問題となら
ない。しかし入力電圧ｖｉ２が低下しトランジスタＱ３
の動作レベルが低下し、トランジスタＱ３を流れる信号
電流が小さくなる。その結果オフセット電圧変化による
トランジスタＱ３のベース電流変化が生じ、このベース
電流がさらに増幅されてＯＰアンプ１のフィードバック
抵抗が大きく変化したのと同等となり出力電圧ｖ０２の
変化で一層大きくなる。

このように、ログアンプなどの非線形増幅回路では、バ
ッテリ動作させた時、入力信号電圧の低い範囲で電源電
圧変動による出力電圧変化が大きくなり、使用上制約と
なっている。

発明の目的 本発明は、上記問題点を解消するもので、ｏＰアンプを
用いた非線形増幅回路において、電源電圧が変化した時
、オフセット電圧を零にして、広い入力信号範囲に対し
て、精度の良い電源電圧変動補償型増幅装置を提供する
ことを目的とする。

発明の構成 本発明は、ｏＰアンプと、ｏＰアンプのフィードバック
ループに接続された非線形素子と、オフセット電圧調整
用ポテンショメータと、ポテンショメータに電源電圧変
化に対応した電圧を供給すす記憶素子とを備え、電源電
圧が変化した時、記憶素子で発生した電圧をオフセット
電圧調整用ポテンショメータに印加し、ＯＰアンプ出力
を一定値（信号出力のみ）とすることができるものであ
る。

実施例の説明 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第３図に非線形増幅回路の例としてログアンプを用い
た時の実施例を示す０この実施例では記憶素子２をＡ／
Ｄコンバータ２１と、メモリ２２と、Ｄ／Ａコンバータ
２３で構成し、オフセット電圧調整用電源としては＋■
。を使用している。この実施例をもとに本発明の動作に
ついて説明する。

ログアンプ３は２つのＱＰアンプＡ１．Ａ２とコンプリ
メンタトランジスタＱ４．Ｑ５から構成される。ログア
ンプ３では、入力電圧■ｉ３をＯＰアンプＡ１とトラン
ジスタＱ４で対数圧縮し、その出力をＱＰアンプＡ２で
増幅し、圧縮率を定めるように動作する。なおトランジ
スタＱ６はトランジスタＱ４の温度特性を補償する。す
なわち、ｏＰアンプＡ２は対数変換された信号を増幅す
る役目をもち（Ｒ６とＲ７が増幅度を決定する）ＩＲＥ
Ｆは出力信号の傾きを決める。入力信号−電圧Ｖ・　は
信号電流として入力抵抗Ｒ４を通じて口３ グアンプ３の入力段ＯＰアンプＡ１に入力される０は非
常に高く、また反転入力端子（−）は非反転入力端子（
→と同電圧レベルとなるようにＯＰアンプＡ１が動作す
る。その結果、入力端からの流入電流工ｉｎは工ｉｎ”
　ｖｉ３／Ｒ４とほぼ等価となる。

この入力電流工、。は○ＰアンプＡ１の入カインピーダ
が通常１ｏ１０Ω以上と高いため二巻アンプＡ１のフィ
ードバンクループを通って出力端子に伝達される。ログ
アンプではこのフィードバックルーズに対数変換用のト
ランジスタＱ４が接続されている０そこで、トランジス
タＱ４のベース。

エミッタ間には、ｏＰアンプＡ１の出力電圧値ｖＡ１が
Ｒ５を通じて印加されｖＡｌ　に応じたベース電流がト
ランジスタＱ４に流れる。一般にトランジスタのベース
・エミッタ間電圧ｖＢＥとコレクタ電流Ｉ。は第５図に
示すような非線形の関係が成立する。ベース・エミッタ
間電圧ｖＢＥが大きい範囲、すなわちｖＡｌが大きい範
囲では■ＢＥの変化に対し、工。の変化が／ＪＳさく■
ＢＥの小さい範囲、すなわちｖＡｌの小さい範囲では■
。の変化は大きく々る。

第３図で、ポテンショメータｖＲ２はＯＰアンプＡ１の
オフセット電圧調整用で、電源電圧力ニ一定のとき一定
入力電圧に対して、ＯＰアンプＡ１の出力電圧■Ａ１が
一定値（ＯＰアンプＡ１の増幅度に応じた電圧）となる
ように調整される。ここで電源電圧が変化すると、ＯＰ
アンプＡ１の入力端子（−）および（＋）のノ（ランス
がくずれ、オフセット電圧がＯＰアンプＡ１の出力端に
発生する。ＯＰアンプ内ではオフセ・ノド回路が、第４
図に示すように入力段差動増幅回路（ＱｌとＱ２で構成
され、る）のバランスをとるように接続されている。し
たがって差動増幅回路本体を流れる電流とポテンショメ
ータＶＲ１から流入する電流とのノ（ランス力くスれ直
流レベルシフト回路１１、電力増幅回路１２を通って出
力端にオフセット電圧としてあられれる。このオフセッ
ト電圧が第３図ではトランジスタＱ４のベース端子に印
加され、コレクタ電流の変化、ｏＰアンプＡ１のフィー
ド）＜ツク抵抗の変化としてあられれＱＰアンフ゛Ａ１
の増幅度を変化され出力電圧ｖＡ１の大きなずれの原因
となる。これを第６図のトランジスタのベース・エミッ
タ電圧ｖＢＥ　とコレクタ電流工。の関係で説明する。

第６図で人力信号レベルが大きいときは、信号電圧ｖｓ
１に対してオフセット電圧Δｖ０は小さく、コレクタ電
流の変化もΔｉｏ１と小さい。しかし入力信号電圧レベ
ルがｖｓ２小さくなると同一のオフセット電圧Δｖ０の
変化に対してコレクタ電流はΔ、。２の変化を示しΔ、
。２）Δｉｏ１となり変動範囲が大きくなる。

このような現象を防ぐには、ＯＰアンプＡ１の出力電圧
ｖＡ１を電源電圧変動に関係なく一定にする必要がある
。ＯＰアンプＡ１の出力電圧ｖＡ１　を一定にするには
電源電圧変化に対してポテンショメータｖＲ２を調整し
ＯＰアンプＡ１の入力段トランジスタのバランスをとる
ようにする必要がある。すなわち、ポテンショメータＶ
Ｒ２より流入する電流比を変化させる必要がある。本発
明では、ボテ／７−ＪメータｖＲ２の中点に印加する電
圧をコントロールしてこれを実現する。

電源電圧＋■ｏが（十ｖｃ十Δ■）に変化した時（＋Ｖ
　十ΔＶ）を記憶素子２内のＡ／Ｄコンノ（−タ２１で
ディジタル値に変換する。一方、メモリ２２内には電源
電圧値が（＋Ｖｏ＋ΔＶ）に変化した時、ＯＰアンプＡ
１の出力オフセット調整を零とするためポテンショメー
タｖＲ２に印加する電圧をディジタル値でストアしてお
く。メモリ２２内にはΔＶを種々変化させた時のポテン
ショメータｖＲ２への印加電圧をすべてストアしておく
。このようにしておくとＡ／Ｄコンバータ２１の出力で
メモリ２２をアドレスするとメモリ２２からは、変化し
た電源電圧に対応したポテンショメータｖＲ２への（４
）電圧（ディジタル値）が得られる。メモリ２２の出力
は、Ｄ／Ａコンノ（−夕２３でアナログ電圧値に変換さ
れＯＰアンプＡ１のポテンショメータサＲに印加され、
オフセット電圧を零に保つ０ここで、メモリ２２にスト
アすべき電源電圧とオフセット電圧調整用ポテンショメ
ータ印加電圧の関係は使用するＯＰアンプにより異なり
、あらかじめめておけばよい。

上記実施例ではオフセット調整用ポテンショメータに印
加する電圧を正電源から供給したが、これは使用するＯ
Ｐアンプによって選択すればよい。

すなわち、正電源によりオフセット調整を実施するもの
は正電源より負電源により行なうものは負電圧より供給
すればよい。

また、電源電圧とオフセット調整用ポテンショメータに
印加する電圧とが直線的に変化する場合抵抗器により電
源電圧を一定の割合で低下させるか、あるいは電源電圧
をオフセット調整用ポテンショメータに印加する電圧よ
り一定の割合で低下させる方法もある。

発明の効果 以上のように本発明によれば非線増幅回路の特有の機能
である広い入力信号電圧範囲、たとえば１０５〜１０４
程度の入力信号レベル変化に対して、電源電圧が変化し
ても一定な出力電圧が得られる。

特に低入力信号レベルでの誤差が大幅に軽減できる。ま
た、電源電圧を安定化する方式ではないので、消費電流
を小さくすることができ　／％７テ１）動作計測機器に
用いることが可能である。さらに非線形増幅回路のオフ
セット調整用ポテンショメータに記憶素子を付加する構
造であるので、構成が簡単である０

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例における演算増幅器の反転増幅回路の回
路図、第２図は同非線形素子をフィードバックループに
接続した反転増幅回路の回路図、第３図は本発明の一実
施例における電源電圧変動補償型増幅装置の回路図、第
４図は同装置の演算増幅器内部の回路図、第５図は同装
置説明のだめのトランジスタのベース・エミッタ間電圧
ｖＢＥとコレクタ電流ｉｃとの関係を示す特性図である
。 ＡＩ　、Ａ２・・・・・・演算増幅器、２・・・・・・
記憶素子、３・・・・・・ログアンプ、２１・・・・・
・Ａ／Ｄ−７ンノ（−タ、２２・・・・メモリ、２３・
・・・・・Ｄ／Ａコンノ（−タ、１１・・・・・・直流
レベルシフト回路、１２・・・・・・電力増幅回路。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 −宿

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 演算増幅器と、この演算増幅器のフィードバックループ
   に接続された非線形素子と、前記演算増幅器に接続され
   前記演算増幅器の出力オフセット電圧を零に調整するオ
   フセット調整用ポテンショメータと、このポテンショメ
   ータに接続され電源電圧変化に対し前記演算増幅器の出
   力オフセット電圧を零とするために前記オフセット調整
   用ポテンショメータに印加する電圧を記憶する記憶素子
   とを備えた電源電圧変動補償型増幅装置。