高精度の不感帯回路：Design Ideas アナログ機能回路

サーボ制御システムなどに使う高精度電流源と半波反転整流器で構成した不感帯回路を紹介する。

[V Manoharan，EDN Japan]

　不感帯回路は、サーボ制御システムなどに使われる。ここでは、高精度電流源と半波反転整流器で構成した不感帯回路を示す（図1）。図1で、REF01（IC₁）は高精度の10V基準電圧源である。IC₁に単一利得バッファーIC_2Aと抵抗器R₁を付け加えることで、高精度電流源を構成する。IC_2Aは、IC₁の接地ピン（4番ピン）をIC_2Aの非反転入力電位に一致させる。IC₁は基準電圧（10V）をR₁に印加する。従ってR₁を流れる電流I₁は10V/R₁となる。

図1：高精度電流源と半波反転整流器で構成した不感帯回路 （クリックで拡大）
抵抗R1で決まる任意の電圧よりも高い電圧信号に対して不感帯を示す。

　IC_2Bの反転入力は電流源出力に接続されている。このため、フィードバック・ダイオードD₁は電流I₁によって順方向バイアスされる。順方向にバイアスしたダイオードD₁は、IC_2Bの出力を約−0.6Vに保持する。ダイオードD₂の陰極側は抵抗器R₃を通して仮想接地になっているので、ダイオードD₂は逆方向バイアスされたままである。従って、出力V_OUTは仮想接地（0V）にとどまる。入力V_INにどのような正電圧を印加しても、D₁をさらに順方向に、D₂をさらに逆方向にバイアスすることになる。このため、出力V_OUTはV_IN＞0Vに対して0V（不感帯領域）にとどまる。

図2：入力電圧と出力電圧の関係例
抵抗R₁を20k Ωとすると、図1の回路は入力電圧が−5Vよりも高いときに不感帯動作を示す。

　一方、入力V_INに負の電圧を入力することは、ダイオードD₂を順方向に、D₁を逆方向にバイアスする方向に働く。このバイアス状態は、負の電圧入力V_INによって抵抗器R₂を通過する電流が10V/R₁と同等以上になったときに生じる。従ってV_INが−10（R₂/R₁）Vに等しい値に達するまでは、出力は0V（不感帯）である。例えばR₁を20kΩに選ぶと、V_IN＞−5VでV_OUTは0Vにとどまる。V_IN≦−5Vでは、V_OUT=（−V_IN−5V）になる。図2には、このシナリオの伝達関数を示した。図1でコンデンサーC₁とC₂、およびC₃は、IC₁およびIC₂に対するデカップリング・コンデンサーである。抵抗器R₄は、非不感帯領域におけるIC_2Bのオフセット電圧を低減する。

　なお、単一利得バッファーIC_2Aを使わずに、基準電圧源に接続した高精度抵抗器を通して半波反転整流器をあらかじめバイアスすることでも、同様の回路を実現できるだろう。ただし、雑音利得が大きくなり、出力のオフセットと雑音を増大させることになってしまう。

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事の中から200本を厳選し、5つのカテゴリに分けて収録した。