特許 6229831 電流出力回路、および同回路を有する広帯域２線式伝送器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6229831

(24)【登録日】2017年10月27日

(45)【発行日】2017年11月15日

(54)【発明の名称】電流出力回路、および同回路を有する広帯域２線式伝送器

(51)【国際特許分類】

   G08C 19/02 20060101AFI20171106BHJP

   G08C 19/00 20060101ALI20171106BHJP

【ＦＩ】

   G08C19/02 A

   G08C19/00 U

【請求項の数】3

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2013-191738(P2013-191738)

(22)【出願日】2013年9月17日

(65)【公開番号】特開2015-60267(P2015-60267A)

(43)【公開日】2015年3月30日

【審査請求日】2016年4月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】岩野 陽一

【審査官】 菅藤 政明

(56)【参考文献】

【文献】 特開平８−３２９３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−８８５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−３９１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平３−８６４８９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許第４２５０４９０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０８Ｃ １９／０２

Ｇ０８Ｃ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部回路から２本の伝送線を介して電源の供給を受け、センサにより測定される物理量を電気信号に変換して信号処理回路で信号処理し、前記伝送線を介して前記外部回路に所定の電流を出力しながら内部電源を生成する２線式伝送器の電流出力回路であって、
前記信号処理回路から出力される制御電圧によって制御される第１の電流を出力する第１の電流源回路と、
前記第１の電流によって制御される第２の電流を出力する第２の電流源回路と、
前記第２の電流により前記内部電源を生成する第１のシャント電圧源回路と、
所定の電圧源により制御される第３の電流と前記第２の電流源回路により制御される第４の電流を生成する第３の電流源回路と、
前記第３の電流により前記第２の電流源回路の電源を生成する第２のシャント電圧源回路と、を有し、
前記第２の電流と前記第３の電流と前記第４の電流を前記内部電源で消費するとともに、前記第１の電流と前記第２の電流と前記第３の電流と前記第４の電流により、前記外部回路に前記伝送線を介して前記制御電圧によって制御される前記所定の電流を出力することを特徴とする電流出力回路。

【請求項2】

前記第３の電流源回路は、
非反転入力端子と前記２本の伝送線のうちの一方の負極電源端子間に所定の電圧が印加される演算増幅器と、
ゲート端が前記演算増幅器の出力端子に、ソース端が前記演算増幅器の反転入力端子に、ドレイン端が前記第２のシャント電圧源回路にそれぞれ接続され、前記ドレイン端を介して前記第３の電流を出力する第２の極性を有する電圧電流変換素子と、
前記電圧電流変換素子のソース端と前記負極電源端子との間に前記第１のシャント電圧源を介して接続され、前記電圧電流変換素子のソース端との接続点が前記演算増幅器の反転入力端子に接続される第１の電流検出抵抗と、
前記第２の電流源回路が有する第２の電流検出抵抗に接続され、前記第４の電流を流して前記演算増幅器と前記電圧源とを駆動する定電流ダイオードまたは駆動抵抗とを含み、
前記演算増幅器は、
前記電圧電流変換素子のゲート・ソース間電圧を制御して前記第１の電流検出抵抗に印加される電圧と前記所定の電圧源の電圧とが同じになるように制御して第１の電圧電流変換素子のドレイン端に前記第３の電流を出力することを特徴とする請求項１記載の電流出力回路。

【請求項3】

センサと、
信号処理回路と、
外部回路から２本の伝送線がそれぞれ接続される正極電源端子と負極電源端子を介して電源の供給を受け、前記センサにより測定される物理量を電気信号に変換して前記信号処理回路で信号処理し、前記伝送線を介して前記外部回路に所定の電流を出力する請求項１または請求項２記載の電流出力回路と、
を有することを特徴とする広帯域２線式伝送器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外部回路と２本の伝送線を介して接続され、外部回路を電源として用いながら外部回路へ所定の電流信号を出力する電流出力回路、および同回路を有する広帯域２線式伝送器に関する。

【背景技術】

【0002】

２線式伝送器は、ＤＣＳ（分散制御システム）等の外部回路と２本の伝送線を介して接続され、外部回路を電源として用いながら、センサ等から取得した物理量を電流信号に変換して外部回路へ出力する、例えば、フィールド機器である。２線式伝送器は、専用の電源配線が不要であり、安価に設置できることから、プラントにおける差圧・圧力伝送機器や温度伝送器等のフィールド機器として広く利用されている。このフィールド機器は、物理量をフィールド機器の信号として世界標準である４［ｍＡ］〜２０［ｍＡ］の直流電流に変換して外部回路へ送信する。

【0003】

例えば、特許文献１には、ツェナーダイオードによらず、シャントレギュレータ（シャント電圧源回路）により任意に内部電圧の設定が可能であり、かつ安定した回路電源を確保することができる２線式伝送器についての発明が開示されている。

【0004】

図３には、上記した２線式伝送器において使用される従来の電流出力回路５０の構成例が示されている。図３によれば、電流出力回路５０は、電圧源回路５１と、演算増幅器５２（オペアンプ）と、電圧電流変換素子５３（ＮＰＮトランジスタ）と、カレントミラー回路５４と、シャント電圧源回路５５と、電流検出抵抗Ｒ１１と、帰還抵抗Ｒ１２と、帯域制限抵抗Ｒ１３および帯域制限容量Ｃ１１と、を含み構成される。上記構成により、電流出力回路５０は、シャント電圧源回路５５により電流Ｉ１を出力しながら２線式伝送器の内部電源＃１（不図示のセンサや信号処理回路の駆動電源）を生成し、正極電源端子ＶＰと負極電源端子ＶＮ間に、Ｉｏｕｔ＝（１＋Ｒ１２／Ｒ１１）＊Ｉ１になる電流を出力する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平９−８１８８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、図３に示す電流出力回路５０によれば、演算増幅器５２の出力端子から非反転入力端子（＋）に至る負帰還ループ（図３の点線矢印）の中にカレントミラー回路５４が挿入されている。このカレントミラー回路５４の挿入による不都合を解消するために、演算増幅器５２の出力端子と演算増幅器５２の反転入力端子（−）間に帯域制限容量Ｃ１１を接続し、この帯域制限容量Ｃ１１により、演算増幅器５２の出力から入力に至る系の安定性を確保している。

【0007】

上記した帯域制限容量Ｃ１１を接続して演算増幅器５２の出力から入力に至る系の安定性を確保する理由は、カレントミラー回路５４の持つ極が演算増幅器５２の帯域近傍にあり、ループゲインが１倍になる周波数近傍で位相が回り、位相余裕（マージン）が確保できなくなることに基づく。このように、従来の２線式伝送器の電流出力回路５０は、図３中、点線矢印で示す演算増幅器５２の負帰還ループの中にカレントミラー回路５４のような低い極を持つ回路要素が挿入されることにより狭帯域化され、かつ交流的な入力インピーダンスが低くなって耐ノイズ性が悪化するといった課題があった。

【0008】

このため、出願人は、平成２４年１１月１２日に、図４，図５に一例を示す「電流出力回路、および同回路を有する広帯域２線式伝送器」を特許出願した（特願２０１２−２４８０４２号：以下、先願という）。以下に、その内容について説明する。

【0009】

図４は、先願の広帯域２線式伝送器の基本構成を示す図である。図４によれば、広帯域２線式伝送器１は、センサ６０と、信号処理回路２０と、電流出力回路３０とから構成され、２本の伝送線Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ接続される、正極電源端子ＶＰと負極電源端子ＶＮを介してＤＣＳ等の外部回路４０に接続される。

【0010】

２線式伝送器１は、例えば、フィールド機器であり、外部回路４０から２本の伝送線Ｌ１，Ｌ２を介して電源の供給を受け、センサ６０により測定される物理量を電気信号に変換して信号処理回路２０で信号処理し、電流出力回路３０により、伝送線Ｌ１，Ｌ２を介して外部回路４０に、例えば、４［ｍＡ］〜２０［ｍＡ］の所定の電流を出力する。

【0011】

電流出力回路３０は、電流源回路３１（第１の電流源回路），３２（第２の電流源回路），３３（第３の電流源回路）と、シャント電圧源回路３４（第１のシャント電圧源回路），３５（第２のシャント電圧源回路）とを含む。電流源回路３１は、信号処理回路２０から出力される制御電圧（制御信号ｘ）によって制御される電流Ｉ１（第１の電流）を生成して電流源回路３２へ出力する。電流源回路３２（第２の電流源回路）は、電流Ｉ１によって制御される電流Ｉ２（第２の電流）を生成してシャント電圧源回路３４へ出力する。

【0012】

シャント電圧源回路３４（第１のシャント電圧源回路）は、電流源回路３２から出力される電流Ｉ２から２線式伝送器１（センサ６０と信号処理回路２０）の内部電源＃１を生成する。電流源回路３３は、基準電圧Ｖｒｅｆによって制御される電流Ｉ３（第３の電流）を生成する。シャント電圧源回路３５は、電流源回路３３から出力される電流Ｉ３により電流源回路３２の電源を生成する。

【0013】

電流出力回路３０は、電流源回路３１により生成される電流Ｉ１，電流源回路３２により生成される電流Ｉ２，電流源回路３３により生成される電流Ｉ３により、伝送線Ｌ１，Ｌ２を介して外部回路４０に対し、制御電圧（制御信号ｘ）によって制御される、４〜２０［ｍＡ］の所定の電流Ｉｏｕｔを出力する。

【0014】

図５に電流出力回路３０を構成する各電流源回路３１，３２，３３の詳細な回路構成が示されている。図５において、電流源回路３１は、演算増幅器ＯＰ１と、Ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴからなる電圧電流変換素子Ｍ１（第１の極性を有する電圧電流変換素子）と、電流検出抵抗Ｒ１とを含み構成される。

【0015】

演算増幅器ＯＰ１は、非反転入力端子（＋）と伝送線Ｌ２に接続される負極電源端子ＶＮとの間に信号処理回路２０により生成される制御電圧（制御信号ｘ）が印加される。電圧電流変換素子Ｍ１は、ゲート端が演算増幅器ＯＰ１の出力端子に、ソース端が演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子（−）に、ドレイン端が電流源回路３２（後述する演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）と電圧電流変換抵抗Ｒ７の一端）にそれぞれ接続され、ここで（電流源回路３１）生成される電流Ｉ１を、ドレイン端を介して電流源回路３２に出力する。なお、電流検出抵抗Ｒ１は、一端が電圧電流変換素子Ｍ１のソース端に、他端が負極電源端子ＶＮに接続され、ソース端との接続点が演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子（−）に接続される。

【0016】

電流源回路３２は、演算増幅器ＯＰ２と、Ｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴからなる電圧電流変換素子Ｍ２（第２の極性を有する電圧電流変換素子）と、電流検出抵抗Ｒ３と、電圧電流変換抵抗Ｒ７とを含み構成される。

【0017】

演算増幅器ＯＰ２は、非反転入力端子（＋）に電流源回路３１（電圧電流変換素子Ｍ１のドレイン端）の出力が、反転入力端子（−）に電流検出抵抗Ｒ３を介して伝送線Ｌ１が接続される正極電源端子ＶＰがそれぞれ接続される。電圧電流変換素子Ｍ２は、ゲート端が演算増幅器ＯＰ２の出力端子に、ソース端が演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子（−）に、ドレイン端がシャント電圧源回路３４にそれぞれ接続され、ドレイン端を介し、電流源回路３１により生成される電流Ｉ１によって制御される電流Ｉ２を生成してシャント電圧源回路３４に出力する。なお、電流検出抵抗Ｒ３は、一端が電圧電流変換素子Ｍ２のソース端に、他端が負極電源端子ＶＮに接続され、ソース端との接続点が演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子（−）に接続される。また、電圧電流変換抵抗Ｒ７は、正極電源端子ＶＰと演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）との間に接続される。

【0018】

電流源回路３３は、演算増幅器ＯＰ３と、Ｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴからなる電圧電流変換素子Ｍ３と、電流検出抵抗Ｒ５とを含み構成される。

【0019】

演算増幅器ＯＰ３は、非反転入力端子（＋）と負極電源端子ＶＮ間に基準電圧が印加される。電圧電流変換素子Ｍ３は、ゲート端が演算増幅器ＯＰ３の出力端子に、ソース端が演算増幅器ＯＰ３の反転入力端子（−）に、ドレイン端がシャント電圧源回路３５にそれぞれ接続され、ドレイン端を介して電流Ｉ３を生成してシャント電圧源回路３５に出力する。なお、電流検出抵抗Ｒ５は、電圧電流変換素子Ｍ３のソース端と負極電源端子ＶＮとの間に接続され、電圧電流変換素子Ｍ３のソース端との接続点が演算増幅器ＯＰ３の反転入力端子（−）に接続される。

【0020】

以下、電流出力回路３０の動作を説明する。まず、センサ６０は、圧力や温度等の物理量を電気信号に変換して信号処理回路２０へ出力する。信号処理回路２０は、センサ６０から出力される電気信号に対して、例えば、歪み補正やノイズ除去等の所定の処理を施して制御信号ｘ（制御電圧）を生成し、電流源回路３１を構成する演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子（＋）と負極電源端子ＶＮ端子間に印加する。

【0021】

電流源回路３１は、この制御電圧（制御信号ｘ）によって制御される電流Ｉ１を生成する。すなわち、演算増幅器ＯＰ１は、電圧電流変換素子Ｍ１のゲート・ソース間の電圧を制御して、電流検出抵抗Ｒ１の両端に印加される電圧と制御電圧ｘとが同じ電圧値になるように制御する。結果的に、制御電圧（制御信号ｘ）が電流Ｉ１に変換され、その電流Ｉ１は、電圧電流変換素子Ｍ１のドレイン端を介し、電流源回路３２（演算増幅器ＯＰ２の非反転端子および電圧電流変換抵抗Ｒ７の一端）へ出力される。

【0022】

次に、電流源回路３２は、電流源回路３１により生成される電流Ｉ１によって制御される電流Ｉ２を生成する。すなわち、電圧電流変換抵抗Ｒ７に電流Ｉ１が流れることにより電圧降下が発生して電流Ｉ１が再度電圧に変換され、その電圧は、演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）と正極電源端子ＶＰ間に印加される。そして、このＶＰ基準の電圧により、演算増幅器ＯＰ２は、電圧電流変換素子Ｍ２のゲート・ソース間電圧を制御し、電流検出抵抗Ｒ３の両端に印加される電圧とＶＰ基準の電圧とが同じ電圧値になるように制御する。結果的に、ドレイン端を介して生成した電流Ｉ２をシャント電圧源回路３４に出力する。シャント電圧源回路３４は、この電流Ｉ２を利用し、センサ６０と信号処理回路２０を駆動する内部電源＃１を生成する。

【0023】

なお、電流源回路３２を構成する電圧電流変換素子（Ｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴ）の主要なキャリアはホール（正孔）であり、ゲート端に入力される電圧がソース端より低い場合（ゲート・ソース間電圧）、ソースからドレインへ電流が流れるが、その電流は、入力電圧が−側であるほど大きくなり、＋側であるほど小さくなり、所定の値で０になる。

【0024】

次に、電流源回路３３とシャント電圧源回路３５は、電流源回路３２の電源を生成する。すなわち、電流源回路３３では、演算増幅器ＯＰ３の非反転入力端子（＋）と正極電源端子ＶＰ間に基準電圧Ｖｒｅｆが印加されており、演算増幅器ＯＰ３は、電圧電流変換素子Ｍ３のゲート・ソース間電圧を制御することによって、電流検出抵抗Ｒ５の両端に印加される電圧が基準電圧と同じ値になるように制御する。結果的に基準電圧Ｖｒｅｆが電流Ｉ３に変換され、電圧電流変換素子Ｍ３のドレイン端を介してシャント電圧源回路３５に出力される。シャント電圧源回路３５は、この電流Ｉ３により電流源回路３２の電源を生成する。

【0025】

最終的に、電流出力回路３０は、電流源回路３１により生成される電流Ｉ１と、電流源回路３２により生成される電流Ｉ２と、電流源回路３３により生成される電流Ｉ３とにより、制御電圧（制御信号ｘ）によって制御される４〜２０［ｍＡ］の電流Ｉｏｕｔを生成し、２本の伝送線Ｌ１，Ｌ２を介してＤＣＳ等の外部回路４０へ出力するとともに、センサ６０と信号処理回路２０とを駆動する内部電源＃１を生成する。ここで、電流源回路３１の伝達関数をｆ（ｘ），電流源回路３２の伝達関数をｇ（Ｉ２）とすれば、Ｉ１＝ｆ（ｘ），Ｉ２＝ｇ（ｆ（ｘ）），Ｉｏｕｔ＝ｆ（ｘ）＋ｇ（ｆ（ｘ））＋１３になる。

【0026】

上記した電流出力回路３０によれば、図中、実線矢印で示した電流源回路３１，３２を構成する演算増幅器（それぞれＯＰ１，ＯＰ２）の負帰環ループの内部に、カレントミラー回路のような低い局を持つ要素が含まれない（応答の遅い要素を除外した）ため、帯域制限の必要がなくなり、したがって広帯域化が可能な２線式伝送器１を提供することができる。具体的に、２線式伝送器1は、外部回路４０に対し、４〜２０［ｍＡ］の直流アナログ信号に交流デジタル信号を重畳して伝送するが、例えば、ＨＡＲＴ（Highway Addressable Remote Transducer）のようなキャリア周波数の低い通信波形から、Foundation Field BUSのようなキャリア周波数の高い通信波形を一つの２線式伝送器１（フィールド機器）内で、定数を変更することなく出力が可能になる。

【0027】

また、広帯域化により、交流的な入力インピーダンスが向上し、入力インピーダンスが向上することでノイズ耐性が向上するといった派生的効果も得られる。なお、電流を出力しながら内部電源を生成することも可能である。

【0028】

ところで、図５の電流出力回路３０の定電流源回路３２に注目すれば、安定制御のためには演算増幅器ＯＰ２の周波数帯域を大きくする必要があり、この場合、他の回路ブロック３１，３３に比較して相対的に消費電力も大きくなる。また、定電流源回路３２で使用される電流は定電流源回路３３により決定され、定電流源回路３２の中で閉じて使用されるが、定電流源回路３２で使用される電流を、電流出力回路３０を構成する他の回路ブロック３１，３３でも使用できれば電力効率が高まるため好ましい。

【0029】

本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、周波数帯域を大きくすることなく安定制御が可能であり、電力効率の向上をはかった電流出力回路、および同回路を有する広帯域２線式伝送器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】

【0030】

上記した課題を解決するために本発明は、外部回路から２本の伝送線を介して電源の供給を受け、センサにより測定される物理量を電気信号に変換して信号処理回路で信号処理し、前記伝送線を介して前記外部回路に所定の電流を出力しながら内部電源を生成する２線式伝送器の電流出力回路であって、前記信号処理回路から出力される制御電圧によって制御される第１の電流を出力する第１の電流源回路と、前記第１の電流によって制御される第２の電流を出力する第２の電流源回路と、前記第２の電流により前記内部電源を生成する第１のシャント電圧源回路と、所定の電圧源により制御される第３の電流と前記第２の電流源回路により制御される第４の電流を生成する第３の電流源回路と、前記第３の電流により前記第２の電流源回路の電源を生成する第２のシャント電圧源回路と、を有し、前記第２の電流と前記第３の電流と前記第４の電流を前記内部電源で消費するとともに、前記第１の電流と前記第２の電流と前記第３の電流と前記第４の電流により、前記外部回路に前記伝送線を介して前記制御電圧によって制御される前記所定の電流を出力することを特徴とする。

【0031】

本発明において、前記第３の電流源回路は、非反転入力端子と前記２本の伝送線のうちの一方の負極電源端子間に所定の電圧が印加される演算増幅器と、ゲート端が前記演算増幅器の出力端子に、ソース端が前記演算増幅器の反転入力端子に、ドレイン端が前記第２のシャント電圧源回路にそれぞれ接続され、前記ドレイン端を介して前記第３の電流を出力する第２の極性を有する電圧電流変換素子と、前記電圧電流変換素子のソース端と前記負極電源端子との間に前記第１のシャント電圧源を介して接続され、前記電圧電流変換素子のソース端との接続点が前記演算増幅器の反転入力端子に接続される第１の電流検出抵抗と、前記第２の電流源回路が有する第２の電流検出抵抗に接続され、前記第４の電流を流して前記演算増幅器と前記電圧源とを駆動する定電流ダイオードまたは駆動抵抗とを含み、前記演算増幅器は、前記電圧電流変換素子のゲート・ソース間電圧を制御して前記第１の電流検出抵抗に印加される電圧と前記所定の電圧源の電圧とが同じになるように制御して前記電圧電流変換素子のドレイン端に前記第３の電流を出力することを特徴とする。

【0032】

本発明の電流出力回路を有する広帯域２線式電送器は、センサと、信号処理回路と、外部回路から２本の伝送線がそれぞれ接続される正極電源端子と負極電源端子を介して電源の供給を受け、前記センサにより測定される物理量を電気信号に変換して前記信号処理回路で信号処理し、前記伝送線を介して前記外部回路に所定の電流を出力する電流出力回路と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0033】

本発明によれば、周波数帯域を大きくすることなく安定制御が可能であり、電力効率の向上をはかった電流出力回路、および同回路を有する広帯域２線式伝送器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明の実施の形態にかかる電流出力回路の回路構成を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態にかかる電流出力回路の変形例の回路構成を示す図である。

【図3】従来の電流出力回路の構成を示す図である。

【図4】先願の広帯域２線式伝送器の基本構成を示す図である。

【図5】先願の電流出力回路の回路構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための実施の形態（以下、単に実施形態という）について詳細に説明する。

【0036】

（実施形態の構成）
図１は、本実施形態にかかる電流出力回路の回路構成を示す図である。本実施形態の電流出力回路１０は、外部回路（図４の符号４０）から２本の伝送線（図４の符号Ｌ１，Ｌ２）を介して電源の供給を受け、センサ（図４の符号６０）により測定される物理量を電気信号に変換して信号処理回路（図４の符号２０）で信号処理し、伝送線Ｌ１，Ｌ２を介して外部回路４０に所定の電流を出力しながら内部電源（内部電源＃１）を生成する広帯域２線式伝送器（図４の符号１）に使用される。

【0037】

図１によれば、電流出力回路１０は、電流源回路１１（第１の電流源回路）と，電流源回路１２（第２の電流源回路）と，電流源回路１３（第３の電流源回路）と、シャント電圧源回路１４（第１のシャント電圧源回路），シャント電圧源回路１５（第２のシャント電圧源回路）とを含み構成される。

【0038】

電流源回路１１は、信号処理回路２０から出力される制御電圧（制御信号ｘ）によって制御される電流Ｉ１（第１の電流）を生成して電流源回路１２へ出力する。電流源回路１２（第２の電流源回路）は、電流Ｉ１によって制御される電流Ｉ２（第２の電流）を生成してシャント電圧源回路１４へ出力する。

【0039】

電流源回路１３（第３の電流源回路）は、所定の電圧源により制御される電流Ｉ３（第３の電流）と電流源回路１２により制御される電流Ｉ４（第４の電流）を生成して第１の電流源回路１１へ出力する。シャント電圧源回路１４（第１のシャント電圧源回路）は、電流Ｉ２により内部電源＃１を生成し、電流Ｉ３と電流Ｉ４を消費する。また、シャント電圧源回路１５（第２のシャント電圧源回路）は、電流Ｉ３により電流源回路１２の電源を生成する。

【0040】

電流出力回路１０は、電流源回路１１により生成される電流Ｉ１と電流源回路１２により生成される電流Ｉ２とにより、伝送線Ｌ１，Ｌ２を介して外部回路（図４の符号４０）に対し、制御電圧（制御信号ｘ）によって制御される、４〜２０［ｍＡ］の所定の電流Ｉｏｕｔを出力する。

【0041】

図１において、図５に示す先願の電流出力回路３０との構成上の差異は、電流源回路１３の構成と内部電源＃１への接続形態にあり、特徴的には、電流源回路１２により生成される電流Ｉ３と電流Ｉ４が内部電源＃１の電流として消費されることにある。他の構成は、図５と同様である。このため、以下に、説明の重複を回避する意味で電流源回路１３の構成に着目して説明する。

【0042】

電流源回路１３は、演算増幅器ＯＰ３と、Ｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴからなる電圧電流変換素子Ｍ３と、電圧源になるツェナーダイオード１６と、分圧抵抗Ｒ２，Ｒ４と、定電流ダイオードＤ１と、電流検出抵抗Ｒ５と、を含み構成される。

【0043】

演算増幅器ＯＰ３には、非反転入力端子（＋）と負極電源端子ＶＮ間にツェナーダイオード１６による電圧源が印加される。電圧電流変換素子Ｍ３は、ゲート端が演算増幅器ＯＰ３の出力端子に、ソース端が演算増幅器ＯＰ３の反転入力端子（−）に、ドレイン端がシャント電圧源回路１５にそれぞれ接続され、ドレイン端を介して電流Ｉ３を生成してシャント電圧源回路１５に出力する。なお、電流検出抵抗Ｒ５は、電圧電流変換素子Ｍ３のソース端と負極電源端子ＶＮとの間にシャント電圧源回路１４を介して接続され、電圧電流変換素子Ｍ３のソース端との接続点が演算増幅器ＯＰ３の反転入力端子（−）に接続される。

【0044】

演算増幅器ＯＰ３は、電流検出抵抗Ｒ５の両端の電圧をツェナーダイオード１６等の電圧源を抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧して得られる電圧Ｙになるように、電圧電流変換素子Ｍ３のゲート電圧を制御する。この動作により、電圧Ｙ／電流検出抵抗Ｒ５で求まる電流Ｉ３が流れ、電流源回路１２の演算増幅器ＯＰ２とツェナーダイオード１４とを駆動することができる。

【0045】

このとき、定電流ダイオードＤ１は、演算増幅器ＯＰ３や電圧源であるツェナーダイオード１６を駆動する電流Ｉ４を流す。この定電流ダイオードＤ１を電流源回路１２の電流検出抵抗Ｒ３に接続することにより、電流Ｉ４は、電流源回路１２により制御される電流Ｉ２の一部となる。したがって、定電流ダイオードＤ１の電流精度や電流変動は、演算増幅器ＯＰ３によって吸収され、したがって出力電流Ｉｏｕｔの誤差にはならない。このように、電流Ｉ３，Ｉ４を内部電源＃１の電流として消費できるため、２線式伝送器１の回路全体としての電力効率が向上する。

【0046】

（実施形態の動作）
以下、本実施形態にかかる電流出力回路１０の動作について詳細に説明する。まず、センサ６０は、圧力や温度等の物理量を電気信号に変換して信号処理回路２０へ出力する。信号処理回路２０は、センサ６０から出力される電気信号に対して、例えば、歪み補正やノイズ除去等の所定の処理を施して制御信号ｘ（制御電圧）を生成し、電流源回路１１を構成する演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子（＋）と負極電源端子ＶＮ端子間に印加する。

【0047】

電流源回路１１は、この制御電圧（制御信号ｘ）によって制御される電流Ｉ１を生成する。すなわち、演算増幅器ＯＰ１は、電圧電流変換素子Ｍ１のゲート・ソース間の電圧を制御して、電流検出抵抗Ｒ１の両端に印加される電圧と制御電圧ｘとが同じ電圧値になるように制御する。結果的に、制御電圧（制御信号ｘ）が電流Ｉ１に変換され、その電流Ｉ１は、電圧電流変換素子Ｍ１のドレイン端を介し、電流源回路１２（演算増幅器ＯＰ２の非反転端子および電圧電流変換抵抗Ｒ７の一端）へ出力される。

【0048】

次に、電流源回路１２は、電流源回路１１により生成される電流Ｉ１によって制御される電流Ｉ２を生成する。すなわち、電圧電流変換抵抗Ｒ７に電流Ｉ１が流れることにより電圧降下が発生して電流Ｉ１が再度電圧に変換され、その電圧は、演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子（＋）と正極電源端子ＶＰ間に印加される。そして、このＶＰ基準の電圧により、演算増幅器ＯＰ２は、電圧電流変換素子Ｍ２のゲート・ソース間電圧を制御し、電流検出抵抗Ｒ３の両端に印加される電圧とＶＰ基準の電圧とが同じ電圧値になるように制御する。結果的に、ドレイン端を介して生成した電流Ｉ２をシャント電圧源回路１４に出力する。シャント電圧源回路１４は、この電流Ｉ２によりセンサ６０と信号処理回路２０を駆動する内部電源＃１を生成する。

【0049】

なお、電流源回路１２を構成する電圧電流変換素子（Ｐ型ＭＯＳ−ＦＥＴ）の主要なキャリアはホール（正孔）であり、ゲート端に入力される電圧がソース端より低い場合（ゲート・ソース間電圧）、ソースからドレインへ電流が流れるが、その電流は、入力電圧が−側であるほど大きくなり、＋側であるほど小さくなり、所定の値で０になる。

【0050】

次に、電流源回路１３を構成する演算増幅器ＯＰ３は、電流検出抵抗Ｒ５の両端の電圧をツェナーダイオード１６等の電圧源を抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧して得られる電圧Ｙになるように、電圧電流変換素子Ｍ３のゲート電圧を制御する。この動作により、電圧Ｙ／抵抗Ｒ５で求まる電流Ｉ３が流れ、電流源回路１２の演算増幅器ＯＰ２とツェナーダイオード１４とを駆動する。このとき、定電流ダイオードＤ１は、演算増幅器ＯＰ３や電圧源であるツェナーダイオード１６を駆動する電流Ｉ４を流す。この定電流ダイオードＤ１を電流源回路１２の電流検出抵抗Ｒ３に接続することにより、電流Ｉ４は、電流源回路１２により制御される電流Ｉ２の一部となる。したがって、定電流ダイオードＤ１の電流変動は演算増幅器ＯＰ３により吸収され、したがって、定電流ダイオードＤ１の精度や電流変動が出力電流Ｉｏｕｔの誤差になることはない。

【0051】

なお、電流源回路１３とシャント電圧源回路１５は、電流源回路１２の電源を生成する。すなわち、電流源回路１３では、演算増幅器ＯＰ３の非反転入力端子（＋）と正極電源端子ＶＰ間に電圧源となるツェナーダイオード１６による電圧が印加されており、演算増幅器ＯＰ３は、電圧電流変換素子Ｍ３のゲート・ソース間電圧を制御することによって、電流検出抵抗Ｒ５の両端に印加される電圧が基準電圧と同じ値になるように制御する。結果的に電流Ｉ３に変換され、電圧電流変換素子Ｍ３のドレイン端を介してシャント電圧源回路１５に出力される。シャント電圧源回路１５は、この電流Ｉ３により電流源回路１３の電源を生成する。

【0052】

最終的に、電流出力回路１０は、電流源回路１１により生成される電流Ｉ１と、電流源回路１２により生成される電流Ｉ２と、電流源回路１３により生成される電流Ｉ３とにより、制御電圧（制御信号ｘ）によって制御される４〜２０［ｍＡ］の電流Ｉｏｕｔを生成し、２本の伝送線Ｌ１，Ｌ２を介してＤＣＳ等の外部回路４０へ出力するとともに、センサ６０と信号処理回路２０とを駆動する内部電源＃１を生成する。

【0053】

図２に変形例の構成が示されている。図１に示す実施形態との差異は、定電流回路１３を構成する定電流ダイオードＤ１を、演算増幅器ＯＰ３と電圧源であるツェナーダイオード１６とを駆動する駆動抵抗Ｒ６で代替したことにある。この場合も電流Ｉ４の変動は、演算増幅器ＯＰ３により吸収されるため、出力電流Ｉｏｕｔの誤差になることはない。

【0054】

（実施形態の効果）
以上説明のように本実施形態にかかる電流出力回路１０によれば、電流源回路１３により生成される電流Ｉ３と、電流源回路１２により生成される電流Ｉ２の一部であるＩ４を内部電源＃１で消費する構成とすることで、電力効率の向上をはかった電流出力回路１０、及び同回路を有する２線式伝送器１を提供することができる。

【0055】

また、本実施形態にかかる電流出力回路１０によれば、電流源回路１１，１２を構成する演算増幅器（それぞれＯＰ１，ＯＰ２）の負帰環ループの内部に、カレントミラー回路のような低い局を持つ要素が含まれない（応答の遅い要素を除外した）ため、帯域制限の必要がなくなり、したがって広帯域化が可能な２線式伝送器１を提供することができる。また、広帯域化により、交流的な入力インピーダンスが向上し、入力インピーダンスが向上することでノイズ耐性が向上するといった派生的効果も得られる。なお、電流を出力しながら内部電源を生成することも可能である。

【0056】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【符号の説明】

【0057】

１…広帯域２線式伝送器、１０…電流出力回路、１１…第１の電流源回路、１２…第２の電流源回路、１３…第３の電流源回路、１４…第１のシャント電圧源回路、１５…第２のシャント電圧源回路、１６…ツェナーダイオード、２０…信号処理回路、４０…外部回路、６０…センサ、ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３…演算増幅回路、Ｒ２，Ｒ４…分圧抵抗、Ｒ１，Ｒ３，Ｒ５…電流検出抵抗、Ｒ６…駆動抵抗、Ｒ７…電圧電流変換抵抗、Ｄ１…定電流ダイオード、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…電圧電流変換素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】