JP2998805B2 - 積分回路 - Google Patents

積分回路

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、センサ等の微小電流の計測に用いる積分
回路に関する。
〔従来の技術〕
従来、センサから得られる微小電流を積分により計測
する回路については種々の提案が成されているが、その
一例としてカメラ等における輝度測定回路として用いる
積分回路を、第7図に基づいて説明する。
第7図において、101は第1の演算増幅器で、該演算
増幅器101の+入力端子は基準電圧源102が接続されてお
り、出力端子には回路電源VCCにコレクタを接続したト
ランジスタ103のベースが接続されている。そして該ト
ランジスタ103のエミッタには第1の演算増幅器101の−
入力端子が接続され、更に電流源104がスイッチSW1を介
してGNDとの間に接続されている。また第1の演算増幅
器101の電源端子とGND間には、前記スイッチSW1と連動
するスイッチSW2が接続されている。
第2の演算増幅器105の+−入力端子間にはフォトダ
イオード106が接続されており、そして+入力端子には
前記第1の演算増幅器101の−入力端子及びトランジス
タ103のエミッタが接続されると共に、積分コンデンサ1
07が接続されており、また−入力端子と出力端子とが直
接接続されている。第2の演算増幅器105の力端子はコ
ンパレータ108の−入力端子に接続され、該コンパレー
タ108の+入力端子には比較電圧源109が接続されてい
る。
このように構成されている積分回路において、積分開
始前にはスイッチSW1及びSW2は閉じており、第2の演算
増幅器105の+入力端子には基準電圧源102の基準電圧V
REFが加わっている。この状態でスイッチSW1及びSW2
開放すると、第1の演算増幅器101は不動作状態とな
り、トランジスタ103もオフとなって、フォトダイオー
ド106に生じる光電流は積分コンデンサ107に流れる。こ
の時第2の演算増幅器105の出力は次式(1)に示す値
となる。
ここで、IP:フォトダイオードの光電流 t:積分時間 C:積分コンデンサの容量 またこの第2の演算増幅器105の出力電圧はコンパレ
ータ108の−入力端子に印加されているので、コンパレ
ータ108の−入力電圧、すなわち第2の演算増幅器105の
出力電圧が次式(2)で表される値になったとき、コン
パレータ108の出力レベルが反転する。
ここで、VTH:比較電圧源の比較電圧 この一連の動作によりコンパレータ108は次式(3)
で示す幅のパルスを出力する。
したがって上記パルスの幅をカウントすることによ
り、フォトダイオード106の光電流を求めることができ
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、上記第7図に示した従来の積分回路におい
て、スイッチSW1,SW2が開放状態、すなわち積分動作
中、トランジスタ103はオフしており、第1の演算増幅
器101の出力、すなわちトランジスタ103のベースは開放
又は低電圧に固定され、トランジスタ103のエミッタに
はフォトダイオード106の出力電圧が加わる。したがっ
てトランジスタ103のエミッタ・ベース間には逆バイア
スVRがかかるため、この逆バイアスVRにより、次式
(4)で示すリーク電流IRが流れる。
但し、q:電子の電荷量 k:ボルツマン定数 T:絶対温度 IS:PN接合の飽和電流 このリーク電流IRは逆バイアスVR及び温度上昇と共に
増加する。このリーク電流IRが生じると第2の演算増幅
器105の出力は、 となり、フォトダイオード106の光電流が小さいと、大
きな誤差が生じるか、もしくは測定不能となる。
本発明は、従来の積分回路における上記問題点を解決
するためになされたもので、積分中のリーク電流を抑
え、微小電流の測定を可能にする積分回路を提供するこ
とを目的とする。
〔課題を解決するための手段及び作用〕
上記問題点を解決するための本発明の構成を、第2図
を参照しながら第1図に示した概念図に基づいて説明す
る。本発明は、基準電圧を供給する基準電圧源1と、入
力端に積分コンデンサ16を接続した積分アンプ2と、積
分開始前に前記積分コンデンサに前記基準電圧を与える
ための、積分開始前はオンとされ積分開始後はオフとさ
れるスイッチングトランジスタ12(スイッチング回路
3)と、ベースが電流源に接続され、エミッタが前記積
分アンプの出力端に接続され、コレクタが前記スイッチ
ングトランジスタ12のベースに接続された帰還トランジ
スタ5とを備え、該帰還トランジスタ5は、前記オフ時
のスイッチングトランジスタのベースと前記積分アンプ
の入力端となる他の一方の電極との間の電圧を、該帰還
トランジスタのコレクタ・エミッタ間の飽和電圧に保持
するようにして、積分回路を構成するものである。な
お、第1図において、6はバッファアンプで、7は電流
源4の電源電圧VCCへの設初をオン・オフするスイッチ
である。
このように構成した積分回路において、積分開始前
は、スイッチングトランジスタ12はオンしており、基準
電圧源1の基準電圧が積分アンプ2に加わり、積分アン
プの出力は基準電圧と等しくなる。この際、電流源4を
開状態にしておくことにより帰還トランジスタ5はオフ
している。この状態において、外部から積分開始信号を
与えてスイッチングトランジスタ12をオフすることによ
り積分が始まる。これと同時に電流源4を閉状態にする
ことにより、定電流が帰還トランジスタ5のベースに流
れ込み、帰還トランジスタ5はオンする。この時帰還ト
ランジスタ5は飽和するため、帰還トランジスタ5のコ
レクタ・エミッタ間は、エミッタの電位が変わっても飽
和電圧VCB(SAT)(≒0.2V)に保たれる。この帰還トラン
ジスタ5のコレクタをリークが問題となるスイッチング
トランジスタ12のベースと接続することにより、スイッ
チングトランジスタ12のリークが生じるベースとコレク
タ間又はベースとエミッタ間が前記飽和電圧V
CB(SAT)(≒0.2V)に保たれるので、積分時のスイッチ
ングトランジスタ12のリーク電流を抑えることができ、
微小電流の測定が可能となる。
〔実施例〕 次に実施例について説明する。第2図は、本発明に係
る積分回路の第1実施例を示す回路構成図であり、第1
図に示した概念図を示した部材と対応する部材には、同
一符号を付して示している。第2図において、11は第1
の演算増幅器で、該演算増幅器11の+入力端子には基準
電圧源1が接続されている。また第1の演算増幅器11の
出力端子にはスイッチングトランジスタ12のベースが接
続されており、該スイッチングトランジスタ12のエミッ
タには第1の演算増幅器11の−入力端子と、GNDにスイ
ッチSW1を介して接続されている電流源(1)13の一端
が接続されており、また該トランジスタ12のコレクタは
電源電圧VCCに接続されている。なお前記第1の演算増
幅器11の−電源端子はスイッチSW2を介してGNDに接続さ
れている。
14は第2の演算増幅器で、該第2の演算増幅器14の+
−入力端子間にはフォトダイオード15が接続されてお
り、+入力端子には前記第1の演算増幅器11の−入力端
子及びスイッチングトランジスタ12のエミッタが接続さ
れると共に、積分コンデンサ16が接続されている。また
第2の演算増幅器14の−入力端子と出力端子は直結され
ていて、その出力端子は第3の演算増幅器6の+入力端
子に接続されている。第3の演算増幅器6の−入力端子
と出力端子は直結されていてバッファアンプとして用い
られ、その出力端子は帰還トランジスタ5のエミッタに
接続されている。
そして帰還トランジスタ5のベースには電源電圧VCC
にスイッチCSWを介して接続されている電流源(2)4
が接続され、コレクタは前記スイッチングトランジスタ
12のベースに接続されている。第3の演算増幅器6の出
力端子はコンパレータ17の+入力端子に接続され、該コ
ンパレータ17の−入力端子には比較電圧源18が接続され
ている。
そして第1の演算増幅器11,スイッチングトランジス
タ12,電流源(1)13,スイッチSW1,SW2によってスイッ
チング回路3を構成しており、また第2の演算増幅器1
4,フォトダイオード15,積分コンデンサ16とで積分アン
プ2を構成している。なお帰還トランジスタ5のベース
・エミッタ間にはスイッチング特性向上のための抵抗R1
を接続しており、第2及び第3の演算増幅器14,6は微小
電流を計測することを前提としているため、入力部をMO
Sトランジスタで構成したものを用いるのが望ましい。
次にこのように構成した積分回路の動作について説明
する。まず積分開始前と積分中における各スイッチSW1,
SW2,CSWの状態を第1表に示す。
積分開始前においては、スイッチSW1,SW2は閉じてい
るので、第2の演算増幅器14の+入力端子、その出力端
子及び第3の演算増幅器6の出力端子におけるA,B,C点
の電位は基準電圧源の電圧VREFとなる。この時、スイッ
チCSWは開であるので、帰還トランジスタ5はオフして
おり、積分アンプ2の動作に影響を及ぼさない。この状
態において、積分開始信号によりスイッチSW1,SW2が開
に、スイッチCSWが閉に切り換えられると、積分が始ま
り、前記A,B,C点の電位は、前記(1)式で示したと同
様に、VREF+IP・t/Cとなる。
これに伴い飽和した帰還トランジスタ5のコレクタ端
子D点の電位は、 となる。この動作によりスイッチングトランジスタ12の
ベース・エミッタ間は、積分動作中、逆バイアスV
CE(SAT)(≒0.2V)に保たれる。一般的にトランジスタ
のベース・エミッタ間に、このレベルの逆バスアスをか
けた状態で生じるリーク電流は、測定限界以下であるの
で問題とならず、したがってフォトダイオードに生ずる
微小光電流を高精度で測定することができる。
第3図は第2実施例を示す回路構成図で、第2図に示
した第1実施例と同一又は同等の部材には同一符号を付
して示している。この実施例は、帰還トランジスタ5を
PNPトランジスタで構成したものであり、第1実施例に
おいてNPNトランジスタで構成した場合と電流の流れる
方向が異なるのみで、同一の作用効果をもつものであ
る。
第4図は第3実施例を示す回路構成図で、同様に第2
図に示した第1実施例と同一又は同等の部材には同一符
号を付して示している。この実施例は、第1の演算増幅
器11の出力端子にスイッチングトランジスタ12のエミッ
タを接続し、ベース・エミッタ間には抵抗R2を接続する
と共にベースに電流源(1)13を接続し、コレクタを第
2の演算増幅器14の+入力端子に接続する。そして第1
の演算増幅器11の−入力端子と第2の演算増幅14の−入
力端子(出力端子)とを直結して構成するものである。
このように構成した積分回路においては、スイッチン
グトランジスタ12がオフの時には、そのベース・エミッ
タ間に電位差がなく、ベース・コレクタ間の電位差が帰
還トランジスタ5の飽和電圧VCC(SAT)に保たれるため、
スイッチングトランジスタ12の全ての端子がほぼ同電位
となり、リーク電流が有効に抑制される。
第5図は、本発明におけるスイッチング回路をIC化し
た実施例を示す回路構成図で、トランジスタQ7がスイッ
チングトランジスタであり、トランジスタQ8が帰還トラ
ンジスタである。この実施例においては、上記各実施例
と同様に、積分動作中、帰還トランジスタQ8のCE間を飽
和電圧VCE(SAT)に保つことにより、スイッチングトラン
ジスタQ7のBE間の電位を帰還トランジスタQ8の飽和電圧
VCE(SAT)に保つ動作と共に、次に述べる機能を備えてい
る。
すなわち、本発明に係るスイッチング回路を用いる
と、スイッチングトランジスタQ7のBE間が飽和電圧V
CE(SAT)に保たれると同時に、差動段のトランジスタQ4
のCB間も飽和電圧VCE(SAT)に保たれることになる。これ
によりIC化に伴って形成される差動段のトランジスタQ4
の寄生トランジスタが動作するのを防止することができ
る。もしこの差動段のトランジスタQ4の寄生トランジス
タが動作すると、フォトダイオード15の光電流は積分コ
ンデンサ16に流れず、この寄生トランジスタを流れるの
で著しく計測精度が低下してしまう。
この点について更に詳細に説明すると、第6図(A)
に示すように、IC化した差動段のトランジスタQ4を構成
するNPNトランジスタには、そのベース領域と基板間に
寄生PNPトランジスタQXが形成され、第6図(B)の等
価回路に示すように接続されることになる。ここで本発
明に係るスイッチング回路を用いない場合の差動段のト
ランジスタQ4に注目して、その動作を説明すると、積分
動作中、このトランジスタQ4のコレクタ端子の電圧は、
積分動作前にコンデンサC1にチャージされていたある電
位VXである。これに対してトランジスタQ4のベースの電
位は、(1)式で示したように、(VREF+IP・t/C)の
ように大きく変化し、この電位が、 上記(7)式で示す値に達すると、寄生トランジスタQX
が動作し、光電流IPが流れてしまい、正しい積分が行わ
れなくなる。しかしながら本発明のようにスイッチング
回路を設けることにより、トランジスタQ4のCB間が飽和
電圧VCE(SAT)に保持されるようになっているので該トラ
ンジスタQ4の寄生トランジスタQXの動作を確実に防止す
ることができ、高精度の微小光電流の計測を行うことが
できる。
〔発明の効果〕
以上実施例に基づいて説明したように、本発明によれ
ば、積分中に動作する帰還トランジスタにより、スイッ
チングトランジスタのベースと積分アンプの入力端とな
る他の一方の電極との間の電圧を、帰還トランジスタの
コレクタ・エミッタ間の飽和電圧に保持するように構成
されているので、スイッチングトランジスタのリーク電
流が小さく抑えられ、高精度で微小電流を計測すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る積分回路を説明するための概念
図、第2図は、本発明の第1実施例を示す回路構成図、
第3図は、本発明の第2実施例を示す回路構成図、第4
図は、本発明の第3実施例を示す回路構成図、第5図
は、本発明のスイッチング回路をIC化した実施例を示す
回路構成図、第6図(A)は、寄生トランジスタの形成
態様を示す図、第6図(B)は、寄生トランジスタを接
続した等価回路を示す図、第7図は、従来の積分回路の
構成例を示す図である。 図において、1は基準電圧源、2は積分アンプ、3はス
イッチング回路、4は電流源、5は帰還トランジスタ、
6はバッファアンプを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−159055(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 19/00 - 19/32 G01D 1/04 H03F 1/34

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基準電圧を供給する基準電圧源と、入力端
    に積分コンデンサを接続した積分アンプと、積分開始前
    に前記積分コンデンサに前記基準電圧を与えるための、
    積分開始前はオンとされ積分開始後はオフとされるスイ
    ッチングトランジスタと、ベースが電流源に接続され、
    エミッタが前記積分アンプの出力端に接続され、コレク
    タが前記スイッチングトランジスタのベースに接続され
    た帰還トランジスタとを備え、該帰還トランジスタは、
    前記オフ時のスイッチングトランジスタのベースと前記
    積分アンプの入力端となる他の一方の電極との間の電圧
    を、該帰還トランジスタのコレクタ・エミッタ間の飽和
    電圧に保持するように構成されていることを特徴とする
    積分回路。
  2. 【請求項2】前記帰還トランジスタのベースに接続され
    た電流源は、前記積分アンプの蓄積開始に従ってオン
    し、終了に従ってオフするように構成されていることを
    特徴とする請求項1記載の積分回路。
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