アイソレーションアンプ技術ノート（第４回）

１．アイソレーションアンプの概要と特長

アイソレーションアンプの変調/復調部には、アナログ振幅変調回路を採用しています。その理由として、特に高電圧下の環境で使われる事が 多いアイソレーションアンプは、誘導ノイズによる外乱に強く、エラーを起こさない事が要求されるためです。デジタル処理の場合には、 大きな外乱があると、まれに致命的な動作異常、動作停止を起こすことがあります。

一方、アナログ処理方式では、外乱に対してノイズ加算による誤差が多くなりますが、動作異常や停止となるリスクが極めて低いという メリットがあるため、当社はこの方式を採用しています。

主な特長として、以下が挙げられます。

• 独自設計の小型トランスを用いたアナログ入力/アナログ出力
• 高精度の変調/復調回路を内蔵（直線性誤差　±0.025%FS～）
• 信号入力範囲: ±5V、±10V
• 耐圧（アイソレーション電圧）: 1kVACrms ～ 5kVACrms（連続）
• 入力回路のオペアンプは、外部で自由に回路構成する事ができる
• 全ての製品に、絶縁電源回路を内蔵
• 別回路を構成できるよう絶縁された正負電源出力を用意（＋Viso、-Viso）
• 小型サイズのモジュール

２．回路構成

アイソレーションアンプの代表的な回路構成を図１（入力絶縁タイプ）及び、図２（出力絶縁タイプ）に示します。

(１)　入力絶縁タイプ

図１　入力絶縁タイプ

(２)　出力絶縁タイプ

図２　出力絶縁タイプ

入力絶縁タイプ（図1）による基本動作

• 変調回路：変調用信号 φ1 による振幅変調
• 復調回路：復調用信号 φ2 による同期整流
• φ1 と φ2 は、同一周期/位相で、デューティ 50％ の矩形波
• 発振回路：矩形波発振器、φ2 生成、絶縁電源生成用のトランスを駆動
• 整流回路/平滑回路：変調用信号φ1の出力、絶縁部の内部電源電圧生成、及び外部用絶縁電圧 ±Viso を出力（オペアンプ1個程度の駆動、 オフセット調整等に使用）
• 入力段のオペアンプは、+IN、-IN、FB を外部端子とし、回路を自由に構成可能

３．振幅変調回路/復調回路の基本原理

変調/復調回路の基本原理は、以下（図３）のようになります。

図３

• 信号絶縁トランスの結合容量は、極力小さくして入出力間の交流的な結合/漏れ電流を小さく抑える。
• トランス絶縁回路では R1 が必須
• 変調/復調用の SW 素子には、J-FET 又は CMOS-SW を使用
• 変調/復調用の φ1、φ2 信号はデューティ 50％、同一タイミングの矩形波、但しこの信号間も絶縁する。

Eａ：Einをφ1でON/OFFするので、Ein ～ GND（0V）の矩形波となる。
　　  Ea は Ein に完全比例するので振幅変調された矩形波となる。
Eb：トランスにより伝送されたEa
Eo：Eb を SW1 が ON のタイミングで、SW2 にて同期整流し、出力 Eo を得る。
（同期整流とすれば、Ein が負の時、出力も負となる）

・変調

変調波形 Ea は理想的には Ein ～ 0V の矩形波ですが、トランスはインダクタンス素子であり、SW1 の ON/OFF 時にインダクタンスへの エネルギーの蓄積/放出があるため図４②のようになります。実際の波形は変調回路の方式により異なります。
（φ１、φ２の１周期のフェーズ前半をα、後半をβとします。）

図４

・復調

トランスにより伝送された Eb（=Ea）について、フェーズ前半αを SW2 による同期整流で取出し C で平滑することで、Ein と同等の出力 Eo が得られます。

図５

• 上記の原理は変調周波数の1周期のうちのフェーズ前半αのみを使った半波の変復調方式です。高精度を得る方式としては、1周期のうちの前半と 後半（αとβ）の両方を用いた全波の変復調方式があり、Ｃ容量も少なくできるメリットがあります。

※ 当社の高精度製品では、全波の変復調方式を用いています。

４．電源回路

• 当社のアイソレーションアンプは、全て電源を内蔵しています。
• 入力側（入力回路、変調回路）と出力側（復調回路、出力回路）を動作させるために、それぞれ電源供給が必要、入力絶縁タイプの場合は、 入力側に絶縁電源を構成、出力絶縁タイプの場合は、出力側に絶縁電源を構成、３ポートタイプの場合は、入力側出力側共に絶縁電源を 構成しています。
• 電源部は、DC/DC コンバータ構成とし、トランスにより絶縁を確保しますが、入出力間の結合容量を極力小さく抑えたトランスとします。 この結合容量が大きいと交流的に接続された状態となり、絶縁アンプではなくなります。
  一般の DC/DC コンバータは、この容量が数 100pF ～ 数1000pF と極めて大きく、交流の漏れ電流が多いので、実用的ではありません。そのため、 それを考慮して設計された電源を内蔵しているアイソレーションアンプを採用した方が、望ましいと考えられます。

次回（第５回）では当社アイソレーションアンプの使用例を紹介致します。