TOP特許意匠商標
特許ウォッチ DM通知 Twitter
10個以上の画像は省略されています。
公開番号2020195103
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201203
出願番号2019101027
出願日20190530
発明の名称増幅回路
出願人株式会社日立製作所
代理人特許業務法人筒井国際特許事務所
主分類H03G 11/02 20060101AFI20201106BHJP(基本電子回路)
要約【課題】過大信号が入力された場合でも、増幅回路の飽和を抑え、信号消失のアイドル期間を低減すること。
【解決手段】増幅回路100は、NPNトランジスタ(バイポーラトランジスタ)111を含むエミッタ接地増幅回路(増幅回路本体)110と、エミッタ接地増幅回路110のNPNトランジスタ111のベース-コレクタ間の電位関係を維持するクランプ回路130と、を備えている。クランプ回路130は、レベルシフト回路131と、エミッタ接地増幅回路110のNPNトランジスタ111のコレクタ電位低下を抑えるクランプダイオード132と、を有している。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
バイポーラトランジスタを含む増幅回路本体と、
前記増幅回路本体のバイポーラトランジスタのベース−コレクタ間の電位関係を維持するクランプ回路と、
を備え、
前記クランプ回路は、レベルシフト回路と、前記増幅回路本体のバイポーラトランジスタのコレクタ電位低下を抑えるクランプダイオードと、を有している、
増幅回路。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
請求項1に記載の増幅回路において、
前記レベルシフト回路は、ダイオードと、抵抗と、定電流源とが直列接続された構成である、
増幅回路。
【請求項3】
請求項2に記載の増幅回路において、
前記レベルシフト回路のダイオードは、ベース−コレクタ間が結線されたバイポーラトランジスタで構成されている、
増幅回路。
【請求項4】
請求項1に記載の増幅回路において、
前記クランプダイオードは、エミッタフォロワのバイポーラトランジスタで構成されている、
増幅回路。
【請求項5】
請求項4に記載の増幅回路において、
前記クランプダイオードは、バイポーラトランジスタのベース−エミッタ間電圧を逆方向耐圧内にクランプするダイオードを備えている、
増幅回路。
【請求項6】
請求項1に記載の増幅回路において、
前記増幅回路本体は、エミッタ接地増幅回路である、
増幅回路。
【請求項7】
請求項1に記載の増幅回路において、
前記増幅回路本体は、一対の差動対を有する差動増幅器であり、
前記クランプ回路は、前記一対の差動対に含まれる一対のバイポーラトランジスタのそれぞれに対応するクランプダイオードを備えている、
増幅回路。
【請求項8】
請求項7に記載の増幅回路において、
前記クランプ回路は、前記一対のバイポーラトランジスタのそれぞれのベースと前記レベルシフト回路との間に設けられる整流回路を備え、
前記整流回路は、それぞれの前記ベースのベース電位のうちいずれかを選択し出力する、
増幅回路。
【請求項9】
請求項8に記載の増幅回路において、
前記整流回路は、前記一対のバイポーラトランジスタのそれぞれに対応する一対のエミッタフォロワのバイポーラトランジスタを有し、
前記一対のエミッタフォロワのバイポーラトランジスタは、並列接続されている、
増幅回路。
【請求項10】
請求項7に記載の増幅回路において、
前記一対の差動対に含まれるバイポーラトランジスタは、NPNトランジスタであり、
前記整流回路は、電位が高い方の前記ベース電位を選択し出力する、
増幅回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、増幅回路に関する。
続きを表示(約 5,300 文字)【背景技術】
【0002】
センサから外界の情報を得て信号処理するセンシングシステムは、近年応用範囲が拡大している。例えば自動車の自動運転には、レーダー、LIDAR(Light Detection and Ranging)等で取得する測距情報、さらに慣性センサにより取得する加速度情報や角度情報等の各種情報を信号処理するセンシングシステムが用いられる。また、超音波診断装置のような医用画像診断装置には、音響/電気変換を行うトランスデューサからの信号を処理するセンシングシステムが用いられる。センシングシステムには、センサから受信した信号を増幅する増幅回路等が含まれる。
【0003】
増幅回路の一例として、特許文献1には、相補出力を得ると同時に、正負方向の閾値電圧を任意に設定可能なシュミット回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開平5−235709号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
センサから過大信号が入力された場合、増幅回路ではバイポーラトランジスタのベース−コレクタ間の電位関係が逆転し、増幅回路は飽和状態となってしまう。これにより、増幅回路は、入力信号に応じた電位が一時的に出力できなくなり、出力信号が消失したアイドル期間が発生してしまう。
【0006】
そこで、本発明は、過大信号が入力された場合でも、増幅回路の飽和を抑え、信号消失のアイドル期間を低減することが可能な増幅回路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】
【0007】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【0008】
本発明の代表的な実施の形態による増幅回路は、バイポーラトランジスタを含む増幅回路本体と、増幅回路本体のバイポーラトランジスタのベース−コレクタ間の電位関係を維持するクランプ回路と、を備えている。クランプ回路は、レベルシフト回路と、増幅回路本体のバイポーラトランジスタのコレクタ電位低下を抑えるクランプダイオードと、を有している。
【発明の効果】
【0009】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【0010】
すなわち、本発明の代表的な実施の形態によれば、過大信号が入力された場合でも、増幅回路の飽和を抑え、信号消失のアイドル期間を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
本発明の実施の形態1に係る増幅回路の一例を示す回路図である。
本発明の実施の形態2に係る増幅回路の一例を示す回路図である。
本発明の実施の形態2に係る増幅回路のDC特性の一例を示す図である。
本発明の実施の形態2における過大信号入力時の過渡状態の波形の一例を示す図である。
本発明の実施の形態3に係る増幅回路の構成の一例を示す回路図である。
本発明の実施の形態4に係る増幅回路の一例を示す回路図である。
本発明の実施の形態4に係る増幅回路のDC特性の一例を示す図である。
整流回路が必要な理由を説明する図である。
整流回路が必要な理由を説明する図である。
本発明の実施の形態4における過大信号入力時の過渡状態の波形の一例を示す図である。
本発明の実施の形態4における過大信号入力時の過渡状態の波形の一例を示す図である。
センシングシステムの構成例を示すブロック図である。
従来のセンシングシステムにおけるフロントエンドの構成例を示す図である。
トランジスタのコレクタ電流、コレクタ−エミッタ電位間の静特性を示す図である。
トランジスタ及び寄生トランジスタを示す断面図である。
過大信号入力前後の動作の一例を示すタイミングチャートである。
過大信号入力前後の動作の一例を示すタイミングチャートである。
特許文献1の図3を発明者の視点で描き直した図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
[課題についての補足]
ここで、前述した課題について補足説明を行う。図12は、センシングシステムの構成例を示すブロック図である。図12に示すように、センシングシステム500は、センサ501、LNA(Low Noise Amplifier)502、VGA(Variable Gain Amplifier)503、AAF(Anti−Alias Filter)504、ADC(Analog to Digital Converter)505、DSP(Digital Signal Processor)506を含む。
【0013】
センシングシステム500では、センシング対象の物理量がセンサ501によりアナログの電気信号に変換され、電気信号はLNA502で増幅される。増幅された電気信号は、VGA503でさらに増幅された後、ADC505でアナログ信号がデジタル信号に変換される。
【0014】
その際、アナログ/デジタル変換における離散時間サンプリングによる雑音の折り返しを低減するため、AAF504において、増幅された電気信号に含まれる所定の帯域外の不要な高周波雑音を減衰させてから、アナログ/デジタル変換が行われる。ADC505から出力されたデジタル信号は、DSP506により信号処理される。
【0015】
センサ501から過大信号が出力されると、LNA502、VGA503等の受信系回路は、線形範囲を超えた飽和動作に移行する。飽和状態に移行すると、増幅回路が通常動作へ復帰するまでに時間を要する。
【0016】
図13は、従来のセンシングシステムにおけるフロントエンドの構成例を示す図である。具体的に述べると、図13には、一般的なLNAとVGAとを組み合わせた構成が示されている。
【0017】
入力端603は、容量604を介してNPNトランジスタ605のベースと接続されている。NPNトランジスタ605のベースは、抵抗608及び直流電圧源607を介してグラウンドに接地されている。NPNトランジスタ605のベース電位は、抵抗608及び直流電圧源607からなるバイアス回路により決められる。
【0018】
LNA601の利得は、NPNトランジスタ605のトランスコンダクタンス、エミッタデジェネレーション抵抗609の抵抗値、コレクタ負荷抵抗610の抵抗値により決められる。
【0019】
図14は、トランジスタのコレクタ電流Ic、コレクタ−エミッタ電位Vce間の静特性を示す図である。図15は、トランジスタ及び寄生トランジスタを示す断面図である。
【0020】
入力端603に過大信号が入力されると、NPNトランジスタ605のベース電位は上昇し、コレクタ電位は低下する。そうすると、NPNトランジスタ605の動作は、図14に示す飽和領域701に移行する。この飽和領域701では、NPNトランジスタのベース−コレクタ間が順方向にバイアスされ、所望の利得を得ることができなくなる。このため、通常この飽和領域701に入らないようにNPNトランジスタの設計は行われる。
【0021】
飽和領域701に入ると、図15に示す寄生トランジスタの問題も発生する。シリコン基板がP型の場合、NPNトランジスタには、寄生PNPトランジスタ801も存在する。NPNトランジスタ605のコレクタ電位がベース電位より高い場合、寄生PNPトランジスタ801は、ベース電位>エミッタ電位の状態となるため寄生PNPトランジスタ801はオンしない。一方、入力端603に過大信号が入力され、NPNトランジスタ605がコレクタ電位<ベース電位の状態になると、寄生PNPトランジスタ801はベース電位<エミッタ電位の状態となり、寄生PNPトランジスタ801がオンして、NPNトランジスタ605のベース電流が基板電流IsubとしてP型基板に引き抜かれてしまう。
【0022】
このときの動作をタイミングチャート用いて説明する。図16、図17は、過大信号入力前後の動作の一例を示すタイミングチャートである。図16は、過大信号入力時においても寄生PNPトランジスタがオンしない場合のタイミングチャートである。通常信号期間901の後、過大信号バースト期間902においてLNA601の入力端603に過大信号が入力される。その後、通常信号期間903に復帰する。
【0023】
図16に示すように、過大信号バースト期間902では、線形範囲を超えて矩形波のように歪んだ信号が出力されるが、過大信号バースト期間902終了後は、再び通常信号を出力する。後段のVGAにおいても同様の信号が出力される。
【0024】
一方、図17は、過大信号入力時に寄生PNPトランジスタがオンした場合のタイミングチャートである。LNA入力は、図16と同様である。通常信号期間1001から過大信号バースト期間1002に移行すると、NPNトランジスタ605の寄生PNPトランジスタ801がオンし、ベース電流の一部が基板電流IsubとしてP型基板に引き抜かれる。
【0025】
その結果、NPNトランジスタ605のベース電位には、図17に示すオフセット1004が発生する。LNA利得によりオフセットは増幅され、LNA出力にも出力オフセット1005が発生する。過大信号バースト期間1002終了後、VGA602にはオフセットを含む信号が入力されるため、VGA602は線形範囲を超える飽和状態となる。その結果、出力信号は1006のようになり、VGA602は、入力信号を線形に増幅して出力することができない。
【0026】
LNA601のオフセット1004は徐々に解消され、LNA601は、過大信号バースト期間1002前の通常動作に向かう。ただし、オフセット減衰に係る時定数は、LNA入力の容量結合ハイパスフィルタを構成する容量604の容量値と、抵抗608の抵抗値で決まり、低域を通過させる設計であるほど入力オフセットが解消されるまでに時間を要する。この期間はLNA+VGAの信号が消失するため、センシングシステムとして正常に動作できず、アイドル期間となる。
【0027】
このようなNPNトランジスタの飽和、寄生PNPトランジスタの問題を回避するためには、LNA601を構成するトランジスタ605のコレクタ電位が所定電位以下に下がらないようにクランプする方法が考えられる。前述の特許文献1には、ダイオードによるコレクタ電位をクランプ方法が特許文献1に提案されている。
【0028】
図18は、特許文献1の図3を発明者の視点で描き直した図である。特許文献1では、シュミット回路において相補出力を得ると同時に、正負方向の閾値電圧を任意に設定可能である。図18は、ヒステリシス幅を任意に設定できるシュミット回路1500を示している。シュミット回路1500は、信号を線形増幅する回路ではないが、NPNトランジスタ1503、エミッタデジェネレーション抵抗1509、コレクタ負荷抵抗1510がエミッタ接地増幅回路を構成しているとみれば、コレクタ負荷抵抗1510と並列にクランプダイオード1515が接続され、NPNトランジスタ1503のコレクタ電位が過渡的に下がりすぎて飽和状態に入るのを防いでいるとみなすことができる。
【0029】
シュミット回路1500が、センサからの過大信号を直接受けるような回路として使用される場合、図18の差動対を構成するNPNトランジスタ1501も飽和領域に入り得る。仮に差動対を構成するNPNトランジスタ1501のコレクタ負荷抵抗1506にも、これと並列にクランプダイオードが追加されたとしても、入力端1512の電位が上昇すれば、NPNトランジスタ1501はいずれ飽和状態に移行し、前述の寄生PNPトランジスタがオンになり得る。
【0030】
このような点から、センサからの過大信号に対してバイポーラトランジスタが飽和領域に入らないようなクランプ方法が求められる。
(【0031】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する

関連特許

株式会社日立製作所
移動体
株式会社日立製作所
飛翔体
株式会社日立製作所
除塵機
株式会社日立製作所
軌条車両
株式会社日立製作所
検査装置
株式会社日立製作所
開閉装置
株式会社日立製作所
増幅回路
株式会社日立製作所
開閉装置
株式会社日立製作所
電源装置
株式会社日立製作所
撮像装置
株式会社日立製作所
鉄道車両
株式会社日立製作所
軌条車両
株式会社日立製作所
二次電池
株式会社日立製作所
編成車両
株式会社日立製作所
保安装置
株式会社日立製作所
軌条車両
株式会社日立製作所
制御装置
株式会社日立製作所
電気機器
株式会社日立製作所
鉄道車両
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
直動電動機
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
光計測装置
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
汚泥掻寄機
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
ガス遮断器
株式会社日立製作所
位相調整器
株式会社日立製作所
X線撮像装置
株式会社日立製作所
半導体チップ
株式会社日立製作所
エレベーター
株式会社日立製作所
細胞製造装置
株式会社日立製作所
映像生成装置
株式会社日立製作所
静止誘導電器
続きを見る