JP2008160661A

JP2008160661A - 増幅器保護回路

Info

Publication number: JP2008160661A
Application number: JP2006349345A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Koakutsu; 博小圷
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】ＢＴＬ増幅器の保護回路の条件設定が難しい。
【解決手段】ＢＴＬ増幅器２の非反転出力端子Ｎ_ＯＵＴ＋の電位Ｖ_ＯＵＴ＋及び反転出力端子Ｎ_ＯＵＴ−の電位Ｖ_ＯＵＴ−に基づいて、Ｎ_ＯＵＴ＋又はＮ_ＯＵＴ−が電源Ｖ_ＣＣ等に短絡した誤接続状態を検出する。Ｖ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−の間を抵抗分割し、それらの中点の電位Ｖ_１を生成する。正常状態では、Ｖ_１はＶ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−の基準バイアス電位Ｖ_ｂ０に保たれる。バランス判定回路１４は、Ｖ_１がＶ_ｂ０近傍にあるときＬレベルを出力し、Ｖ_１が当該近傍からはずれたときＨレベルを出力する。範囲外状態検出回路６は、Ｖ_ＯＵＴ＋又はＶ_ＯＵＴ−が、Ｖ_ｂ０を内包する許容バイアス範囲から外れるとＨレベルを出力する。ＡＮＤ回路８が、バランス判定回路１４と範囲外状態検出回路６との両方がＨ出力状態であることを検出すると、制御回路１０はバイアス回路１２をオフしてＢＴＬ増幅器２を保護する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＢＴＬ（Balanced Transformer Less）増幅器を保護する保護回路に関する。

ＢＴＬ増幅器は、逆位相の２つのＳＥＰＰ（Single Ended Push-Pull）回路を含み、これら２つのＳＥＰＰ回路の出力端子から直流電位が等しく逆位相の出力信号を出力する。ＢＴＬ増幅器は、これら直流電位がバランスした２つの出力端子間に負荷を接続することで、負荷に流れる直流電流をカットするための結合コンデンサを必要としない。結合コンデンサを必要とする増幅器では、信号が低周波になる程、大きな結合コンデンサを必要とし、このことが設計を困難とする。これに対して、ＢＴＬ増幅器は、結合コンデンサが不要であるため、超低周波増幅器や直流増幅器の出力段に使われる。

ここで、ＢＴＬ増幅器の各出力端子が、正電源Ｖ_ＣＣや接地電位ＧＮＤ等と短絡すると、ＳＥＰＰ回路を構成する出力トランジスタに過大な電流が流れる等の不都合が生じる。そこで、このような短絡からＢＴＬ増幅器を保護する保護回路が必要となる。

図４は、従来の保護回路を説明するための回路図であり、ＢＴＬ増幅器を構成する１つのＳＥＰＰ回路の出力段の構成を示している。図４に示すＳＥＰＰ回路は、出力トランジスタＱ01及びＱ02を備え、Ｑ01はコレクタ及びエミッタをそれぞれＶ_ＣＣ及び出力端子Ｎ_ＯＵＴに接続され、Ｑ02はコレクタ及びエミッタをそれぞれＮ_ＯＵＴ及びＧＮＤに接続される。Ｑ01のベースとＮ_ＯＵＴとの間の電圧がＲ01とＲ02とで抵抗分割され検出トランジスタＱ03のベースに入力される。また、Ｑ02のベースとＧＮＤとの間の電圧がＲ03とＲ04とで抵抗分割され検出トランジスタＱ04のベースに入力される。例えば、Ｎ_ＯＵＴとＶ_ＣＣとが短絡した場合（この場合を以下、天絡と称する。）、Ｑ02に大きなコレクタ電流Ｉ_Ｃ２が流れ、Ｑ02のベース-エミッタ間電圧Ｖ_ＢＥは、Ｖ_ＢＥ-Ｉ_Ｃ特性に基づいて増加する。このＶ_ＢＥの増加はＱ04の導通状態を変化させる。一方、Ｎ_ＯＵＴとＧＮＤとが短絡した場合（この場合を以下、地絡と称する。）、Ｑ01のコレクタ電流Ｉ_Ｃ１が大電流となることに応じてＶ_ＢＥが変化し、Ｑ03の導通状態を変化させる。

従来は、ＢＴＬ増幅器の反転出力端子Ｎ_ＯＵＴ−、非反転出力端子Ｎ_ＯＵＴ＋それぞれに、図４に示す構成のＳＥＰＰ回路を設ける。保護回路の動作を制御する制御回路は、それらＳＥＰＰ回路における出力トランジスタＱ01，Ｑ02の短絡時大電流を検出トランジスタＱ03，Ｑ04のコレクタ電流Ｉ_Ｃ３，Ｉ_Ｃ４の変化に基づいて検出し、天絡又は地絡という誤接続状態であることを判定する。そして、制御回路は、誤接続状態と判定すると、ＢＴＬ増幅器にバイアス電源を供給するバイアス回路をオフして、ＢＴＬ増幅器の動作を停止させる。
特開２００５−００６４６４号公報

検出トランジスタＱ03，Ｑ04に流れるＩ_Ｃ３，Ｉ_Ｃ４を検出電流として、出力トランジスタＱ01，Ｑ02のＶ_ＢＥの変化を検出する従来の構成は、Ｒ01とＲ02との抵抗比及びＲ03とＲ04との抵抗比を、誤接続状態と正常状態とを精度良く判別し得るように設定する必要がある。この設定は比較的微妙な調整を要し、適切な条件を見い出す作業が必要となり得るため、設計に工数や期間を要することとなるという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、ＢＴＬ増幅器の保護回路において、条件設定が容易な構成を提供することを目的とする。

本発明に係る増幅器保護回路は、反転出力端子及び非反転出力端子それぞれから所定の基準バイアス電位での反転出力信号及び非反転出力信号を出力するＢＴＬ増幅器を、前記反転出力端子又は前記非反転出力端子に印加される許容バイアス範囲外の電位から保護する回路であって、前記反転出力端子の電位と前記非反転出力端子の電位とに基づいて、それらの中点である中点電位を求め、当該中点電位が前記基準バイアス電位に対し均衡状態にあるか不均衡状態にあるかを判定する中点判定回路と、前記反転出力信号又は前記非反転出力信号が前記許容バイアス範囲外の電位となる範囲外状態を検出する範囲外状態検出回路と、前記不均衡状態かつ前記範囲外状態であることに基づいて、前記ＢＬＴ増幅器に対する保護動作を実行する保護実行回路と、を有する。

また、前記ＢＴＬ増幅器が、バイアス回路が供給する電源に基づいて、前記基準バイアス電位にて動作する構成を有する場合に、上記保護実行回路は、前記保護動作として前記バイアス回路を停止させるように構成することができる。

本発明によれば、反転出力端子及び非反転出力端子の電位に基づいて、例えば、天絡、地絡といった異常状態をより直接的に検出する構成としたことにより、増幅器保護回路の条件設定が容易となる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。本実施形態は、ＢＴＬ増幅器を用いて構成された低周波信号増幅装置である。当該増幅装置は、ＢＴＬ増幅器を保護する増幅器保護回路を含み、ＩＣとして構成される。

図１は、実施形態に係る低周波信号増幅装置の概略の回路構成を示す模式図である。ＢＴＬ増幅器２は、入力端子Ｎ_ＩＮから入力された信号を増幅し、反転出力端子Ｎ_ＯＵＴ−から反転出力信号Ｖ_ＯＵＴ−を出力し、一方、非反転出力端子Ｎ_ＯＵＴ＋から非反転出力信号Ｖ_ＯＵＴ＋を出力する。Ｖ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−は同じ直流バイアスである基準バイアス電位Ｖ_ｂ０に、交流信号成分が互いに逆相で重畳された信号となる。例えば、Ｖ_ＯＵＴ＋の交流信号成分をＶ_ｓｉｇと表すと、Ｖ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−は、次式で表される。なお、本実施形態では、Ｖ_ｂ０は一例としてＶ_ＣＣ/２に設定する。

Ｖ_ＯＵＴ＋＝Ｖ_ｂ０＋Ｖ_ｓｉｇ ………（１）

Ｖ_ＯＵＴ−＝Ｖ_ｂ０−Ｖ_ｓｉｇ ………（２）

増幅器保護回路は、中点判定回路４、範囲外状態検出回路６、ＡＮＤ回路８、制御回路１０及びバイアス回路１２を含んで構成される。

中点判定回路４は、Ｎ_ＯＵＴ＋及びＮ_ＯＵＴ−の間に直列接続された抵抗Ｒ1，Ｒ2と、Ｒ1及びＲ2の接続点Ｐ_１の電位Ｖ_１を入力されるバランス判定回路１４とからなる。Ｒ1とＲ2との抵抗比は基本的に１：１に設定され、これにより、Ｖ_１はＶ_ＯＵＴ＋とＶ_ＯＵＴ−との中点電位となる。（１）（２）式で表されるＶ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−が出力される正常動作時には、Ｖ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−にて互いに逆相である信号成分Ｖ_ｓｉｇはＰ_１点では相殺され、原理的に、Ｖ_１は次式で示される一定の電位に保持される。

Ｖ_１＝Ｖ_ｂ０ ………（３）

一方、Ｎ_ＯＵＴ＋又はＮ_ＯＵＴ−が誤接続状態となると、基本的にＶ_１は（３）式で表される電位からずれる。例えば、Ｎ_ＯＵＴ＋又はＮ_ＯＵＴ−が天絡状態となった場合、その直流バイアス電位はＶ_ＣＣとなり、Ｐ_１点のバイアス電位は（Ｖ_ｂ０＋Ｖ_ＣＣ）/２に上昇する。また、Ｎ_ＯＵＴ＋又はＮ_ＯＵＴ−が地絡状態となった場合、その直流バイアス電位はＧＮＤ（０Ｖ）となり、Ｐ_１点のバイアス電位はＶ_ｂ０/２に低下する。

バランス判定回路１４は、この正常状態と誤接続状態とでのＶ_１の差異を判別し、正常状態では、論理値“０”を表す低電圧Ｌ（Low）を出力し、誤接続状態では、論理値“１”を表す高電圧Ｈ（High）を出力する。

図２は、バランス判定回路１４の構成の一例を示す概略の回路図である。入力端子ＩＮに入力されたＶ_１は、ｐｎｐトランジスタＱ1及びｎｐｎトランジスタＱ2それぞれのベースに印加される。Ｑ1のエミッタ及びＱ2のエミッタは互いに基準電圧源Ｖ_ｒｅｆに接続される。Ｖ_ｒｅｆはＶ_ＣＣとＧＮＤとの間の電圧に設定される。Ｑ1のコレクタは、抵抗Ｒ3を介してＧＮＤに接続される。Ｒ3は、Ｑ1のコレクタに接続される側の一方端を、バランス判定回路１４の出力端子ＯＵＴに接続され、他方端をＧＮＤに接続される。

Ｑ2のコレクタは、ダイオード接続とされたトランジスタＱ3を介してＶ_ＣＣに接続される。トランジスタＱ3はトランジスタＱ4と共にカレントミラー回路を構成する。このカレントミラー回路の出力側経路のＱ4は、上述のＱ1と同じくＲ3の一方端に接続される。この構成により、Ｒ3に、Ｑ1のコレクタ電流とＱ2のコレクタ電流とを同じ向きに流すことができる。

このバランス判定回路１４は、Ｖ_１がＶ_ｒｅｆの近傍にあるときは、Ｑ1及びＱ2のいずれもオフ状態となり、Ｒ3に電流が流れないため、ＯＵＴからＬレベルの電位としてＧＮＤ電位を出力する。一方、Ｖ_１がＶ_ｒｅｆより０．６Ｖ程度低くなるとＱ1がオンし、Ｑ1の電流がＲ3に流れ、ＯＵＴの電位はＬレベルよりＲ3での電圧降下分だけ高いＨレベルとなる。また、Ｖ_１がＶ_ｒｅｆより０．６Ｖ程度高くなるとＱ2がオンし、Ｑ2の電流がカレントミラー回路で折り返されてＲ3に流れることにより、ＯＵＴの電位は、やはりＬレベルより高いＨレベルとなる。

基準バイアス電位Ｖ_ｂ０の入力時にバランス判定回路１４がＬレベルを出力するように、Ｖ_ｒｅｆはＶ_ｂ０の近傍に設定される。例えば、Ｖ_ｒｅｆはＶ_ｂ０に等しく設定することができる。Ｖ_ｒｅｆをＶ_ｂ０の近傍に設定することで、バランス判定回路１４は、正常状態にて基準バイアス電位Ｖ_ｂ０に維持されるＶ_１と、誤接続状態にて基準バイアス電位Ｖ_ｂ０から大きくずれるＶ_１とを判別し、正常状態ではＬレベルを、また誤接続状態ではＨレベルをＯＵＴから出力する。

次に、範囲外状態検出回路６は、Ｎ_ＯＵＴ＋及びＮ_ＯＵＴ−の電位をそれぞれ監視し、それら電位のいずれかが所定の許容範囲（許容バイアス範囲）からはずれると、Ｈレベルを出力し、両電位が許容バイアス範囲内にあるときは、Ｌレベルを出力する。

図３は、範囲外状態検出回路６の構成の一例を示す概略の回路図である。範囲外状態検出回路６は、入力端子ＩＮ_＋をＮ_ＯＵＴ＋に接続されＶ_ＯＵＴ＋を監視する非反転側の検出ブロック２０と、入力端子ＩＮ₋をＮ_ＯＵＴ−に接続されＶ_ＯＵＴ−を監視する反転側の検出ブロック２２と、それら両検出ブロック２０，２２の出力信号をまとめる検出信号出力部２４とを含んで構成される。

図３には、非反転側の検出ブロック２０について具体的な回路構成例を示しており、以下、この構成を説明する。なお、反転側の検出ブロック２２は、基本的に非反転側の検出ブロック２０と同一の回路構成とすることができ、ここでは図示及び説明を省略する。

検出ブロック２０は、ＶＣＣとＧＮＤとの間に直列に接続された抵抗Ｒ4，Ｒ5，Ｒ6を有する。Ｒ4とＲ5との接続点Ｐ_２の電位Ｖ_２は、許容バイアス範囲の上限に応じて設定され、Ｒ5とＲ6との接続点Ｐ_３の電位Ｖ_３は、許容バイアス範囲の下限に応じて設定される。

接続点Ｐ_２にはｐｎｐトランジスタＱ5のベースが接続され、接続点Ｐ_３にはｎｐｎトランジスタＱ6のベースが接続される。Ｖ_ＯＵＴ＋を入力されるＩＮ_＋は、ダイオードＤ1を介してＱ5のエミッタに接続され、また、ダイオードＤ2を介してＱ6のエミッタに接続される。Ｄ1は、Ｖ_ＯＵＴ＋がＰ_２の電位Ｖ_２を上回る電位にて順方向バイアスとなり、Ｄ2は、Ｖ_ＯＵＴ＋がＰ_３の電位Ｖ_３を下回る電位にて順方向バイアスとなる向きに設けられる。

Ｑ5は、Ｖ_ＯＵＴ＋が許容バイアス範囲の上限を上回るとオンし、そのコレクタ電流が出力端子から、検出信号出力部２４に流れる。検出信号出力部２４は、検出ブロック２０から出力される電流を抵抗Ｒ7で正電圧に変換し出力する。

Ｑ6は、Ｖ_ＯＵＴ＋が許容バイアス範囲の下限を下回るとオンする。Ｑ6のコレクタ電流は、ダイオードＤ3とトランジスタＱ8とからなるカレントミラー回路によって折り返され、Ｑ5のオン時のコレクタ電流と同じ向きの電流とされ、出力端子から検出信号出力部２４へ出力される。検出信号出力部２４は、この場合も、上述のＱ5のオン時と同様に、Ｈレベルを出力する。

検出信号出力部２４には、上述した非反転側の検出ブロック２０と並列に反転側の検出ブロック２２が接続される。この検出ブロック２２は、Ｖ_ＯＵＴ−が許容バイアス範囲の上限を上回ったとき、及び下限を下回ったときに、検出ブロック２０と同様に電流を出力し、これに応じて検出信号出力部２４はＨレベルを出力する。

一方、Ｖ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−のいずれもが、許容バイアス範囲内にある状態では、検出ブロック２０，２２のＱ5，Ｑ6はオフ状態にあり、基本的にＲ7に電流が流れず、Ｒ7の端子間電圧は０Ｖに保たれ、検出信号出力部２４はＬレベルを出力する。

Ｖ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−は、天絡時にはＶ_ＣＣに応じた電位となり、地絡時にはＧＮＤに応じた電位となる。これに対応して、範囲外状態検出回路６は、天絡状態、地絡状態が継続する間、基本的に持続的にＨレベルを出力する。一方、正常状態では、Ｖ_ｓｉｇの振幅が許容バイアス範囲をはみ出す期間のみＨレベルとなり、その他の期間はＬレベルとなる。すなわち、範囲外状態検出回路６は、正常状態では基本的にＨレベルを継続的に出力しない。本低周波信号増幅装置は、誤接続状態と正常状態とで異なる特徴を示す範囲外状態検出回路６の出力を、中点判定回路４の出力と共に、誤接続状態の検出に利用する。

ＡＮＤ回路８は、中点判定回路４の出力信号と範囲外状態検出回路６の出力信号とを入力され、それらの論理積に応じた信号を出力する。

制御回路１０はＡＮＤ回路８の出力信号に基づいて、Ｎ_ＯＵＴ＋又はＮ_ＯＵＴ−における天絡、地絡の発生の有無を判断し、バイアス回路１２のオン／オフを制御する。

バイアス回路１２は、ＢＴＬ増幅器２にバイアス電源を供給する回路である。バイアス回路１２から供給されるバイアス電源により、ＢＴＬ増幅器２の出力トランジスタが駆動され、またＶ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−の直流バイアス電位が基準バイアス電位Ｖ_ｂ０に設定される。

制御回路１０は、中点判定回路４及び範囲外状態検出回路６の双方がＨレベルとなる状態をＡＮＤ回路８が検出すると、その出力をセット入力部Ｓに受け、バイアス回路１２をオフする。バイアス回路１２がオフすることで、ＢＴＬ増幅器２に誤接続に起因する過大な電流が流れることが防止され、ＢＴＬ増幅器２の保護が図られる。また、制御回路１０は、そのリセット入力部Ｒに、範囲外状態検出回路６がＬレベルになったことを示す信号を受けると、バイアス回路１２をオン状態にし正常動作に復帰させる。

上述の構成において、正常状態でのＶ_１は原理的にはＶ_ＯＵＴ＋及びＶ_ＯＵＴ−の中点電位となり、交流信号成分を相殺された直流信号である基準バイアス電位Ｖ_ｂ０に維持される。そのため、原理的には、中点判定回路４の出力は、正常状態にてＬレベルに保たれ、範囲外状態検出回路６は不必要であるかのようにも思われる。しかし、現実には、Ｖ_１は種々の要因でＶ_ｂ０の近傍にて変動する可能性がある。中点判定回路４がＬレベルを出力する入力信号電位の幅は比較的小さく、中点判定回路４は、正常状態でのＶ_１の変動によってもＨレベルを出力することがあり得る。すなわち、中点判定回路４だけでは、天絡、地絡といった誤接続状態を誤検出することが考えられる。

これに対し、本低周波信号増幅装置では、中点判定回路４とは異なる動作をする範囲外状態検出回路６を設け、両者の論理積に基づいて誤接続状態を検出することとして、誤検出により保護回路が誤動作することを抑制している。つまり、範囲外状態検出回路６は、正常状態では基本的に一時的にしかＨレベルを出力しないので、正常状態にて中点判定回路４及び範囲外状態検出回路６の双方の出力がＨレベルとなり誤検出を生じる可能性は、中点判定回路４のみの構成の誤検出の可能性より抑えられる。

また、範囲外状態検出回路６のみを用い、そのＨレベル出力が一定の猶予時間以上継続する場合を誤接続状態として、保護回路を動作させる構成も考えられるが、その構成では、判定を下すまでに一定時間が必要で、迅速な判定が困難である。その結果、保護回路の動作までの時間が長くなり、その間にＢＴＬ増幅器２に悪影響が発生する可能性が高くなる。特に、ＢＴＬ増幅器２が増幅の対象とする信号Ｖ_ｓｉｇが低周波であるほど猶予時間を長く設定する必要があり、保護回路によってＢＴＬ増幅器２が効果的に保護されなくなり得る。

これに対し、本低周波信号増幅装置で用いる上述の保護回路は、誤接続状態を迅速、かつ上述のように高い信頼性で検出することで、ＢＴＬ増幅器２を効果的に保護することが可能である。

本発明の実施形態に係る低周波信号増幅装置の概略の回路構成を示す模式図である。バランス判定回路の構成の一例を示す概略の回路図である。範囲外状態検出回路の構成の一例を示す概略の回路図である。従来の保護回路を説明するための回路図である。

符号の説明

２ＢＴＬ増幅器、４中点判定回路、６範囲外状態検出回路、８ＡＮＤ回路、１０制御回路、１２バイアス回路、１４バランス判定回路、２０，２２検出ブロック、２４検出信号出力部。

Claims

反転出力端子及び非反転出力端子それぞれから所定の基準バイアス電位での反転出力信号及び非反転出力信号を出力するＢＴＬ増幅器を、前記反転出力端子又は前記非反転出力端子に印加される許容バイアス範囲外の電位から保護する保護回路であって、
前記反転出力端子の電位と前記非反転出力端子の電位とに基づいて、それらの中点である中点電位を求め、当該中点電位が前記基準バイアス電位に対し均衡状態にあるか不均衡状態にあるかを判定する中点判定回路と、
前記反転出力信号又は前記非反転出力信号が前記許容バイアス範囲外の電位となる範囲外状態を検出する範囲外状態検出回路と、
前記不均衡状態かつ前記範囲外状態であることに基づいて、前記ＢＬＴ増幅器に対する保護動作を実行する保護実行回路と、
を有することを特徴とする増幅器保護回路。
請求項１に記載の増幅器保護回路において、
前記ＢＴＬ増幅器は、バイアス回路が供給する電源に基づいて、前記基準バイアス電位にて動作し、
前記保護実行回路は、前記保護動作として前記バイアス回路を停止させること、
を特徴とする増幅器保護回路。