特開 2024-84536 送信回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024084536

(43)【公開日】2024-06-25

(54)【発明の名称】送信回路

(51)【国際特許分類】

   H04B 3/04 20060101AFI20240618BHJP

   G08C 19/02 20060101ALI20240618BHJP

【ＦＩ】

H04B3/04 Z

G08C19/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022198859

(22)【出願日】2022-12-13

(71)【出願人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(74)【代理人】

【識別番号】100202326

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 大佑

(72)【発明者】

【氏名】高畑 圭輔

(72)【発明者】

【氏名】入江 浩一

【テーマコード（参考）】

2F073

5K046

【Ｆターム（参考）】

2F073AA02

2F073AA03

2F073AA12

2F073AA25

2F073AA40

2F073AB01

2F073AB02

2F073BB04

2F073BC01

2F073CC01

2F073CC07

2F073CC12

2F073CD01

2F073CD28

2F073DD02

2F073DE07

2F073EE12

2F073FF12

2F073FG01

2F073FG02

2F073GG03

2F073GG07

2F073GG09

5K046AA01

5K046BA05

5K046BB06

5K046EF55

(57)【要約】

【課題】ソース電流及びシンク電流の非対称性に基づく発生部からの出力電圧の偏移を容易に補正可能な送信回路を提供する。
【解決手段】本開示に係る送信回路１は、デジタル信号となる出力電流Ｉｏｕｔと、出力電流Ｉｏｕｔに比例するミラー電流α・Ｉｏｕｔと、を出力する発生部１０と、発生部１０において出力電流Ｉｏｕｔが出力される第１端子１１に接続され、信号非出力時の直流電位Ｖａを定める終端部２０と、発生部１０から出力されるミラー電流α・Ｉｏｕｔと、終端部２０により定められた直流電位Ｖａと、に基づいて補正電流を生成する補正部３０と、第１端子１１及び補正部３０に接続され、発生部１０とフィールド側とをＡＣ結合する結合部４０と、を備え、補正電流は、発生部１０からの出力電流Ｉｏｕｔにおいてソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する平均電流を結合部４０の入力端子側で低減するために用いられる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

通信に用いられるアナログ信号に重畳して通信信号を生成するためのデジタル信号を出力する送信回路であって、
前記デジタル信号となる出力電流と、前記出力電流に比例するミラー電流と、を出力する発生部と、
前記発生部において前記出力電流が出力される第１端子に接続され、信号非出力時の直流電位を定める終端部と、
前記発生部から出力される前記ミラー電流と、前記終端部により定められた前記直流電位と、に基づいて補正電流を生成する補正部と、
前記第１端子及び前記補正部に接続され、前記発生部とフィールド側とをＡＣ結合する結合部と、
を備え、
前記補正電流は、前記発生部からの前記出力電流においてソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する平均電流を前記結合部の入力端子側で低減するために用いられる、
送信回路。

【請求項2】

請求項１に記載の送信回路であって、
前記補正部は、前記ミラー電流の一部を第１電圧に変換する変換部と、非反転入力端子で前記第１電圧を受け、反転入力端子で前記直流電位に対応する第２電圧を受けるオペアンプと、を有する、
送信回路。

【請求項3】

請求項２に記載の送信回路であって、
前記オペアンプは、ネガティブフィードバックにより前記第１電圧及び前記第２電圧が等しくなるように第１電流を出力し、前記第１電流に比例する第２電流を前記補正電流として前記発生部の前記第１端子に出力する、
送信回路。

【請求項4】

請求項２又は３に記載の送信回路であって、
前記オペアンプは、前記平均電流に対応する低帯域においてより高いゲインを示し、通信に関わる高帯域においてより低いゲインを示す周波数特性を有する、
送信回路。

【請求項5】

請求項２又は３に記載の送信回路であって、
前記補正部は、前記発生部において前記ミラー電流が出力される第２端子と前記変換部との間に配置されているローパスフィルタを有する、
送信回路。

【請求項6】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の送信回路であって、
前記終端部は、前記第１端子に接続されている終端抵抗群と、前記終端抵抗群と並列して配置され、前記直流電位を前記補正部に供給する分圧抵抗群と、を有する、
送信回路。

【請求項7】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の送信回路であって、
前記終端部は、前記第１端子に接続されている抵抗と、前記抵抗に接続されている参照電圧源と、を有し、
前記参照電圧源は、前記直流電位に対応する第２電圧を前記補正部に供給する、
送信回路。

【請求項8】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の送信回路であって、
前記通信信号は、ＨＡＲＴ信号である、
送信回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、送信回路に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、フィールド機器などを制御するために用いられる通信であって、アナログ信号にデジタル信号が重畳された通信信号に基づく通信に関連する技術が知られている。例えば、特許文献１には、信頼性の向上及びコストの低減がなされたハイブリッド通信用の信号処理装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－２１９８７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来の信号処理装置に用いられるデジタル信号の送信回路では、デジタル信号となる出力電流が発生部から出力される。出力電流は、ＡＣ（Alternating Current）信号として出力され、正負の極性を有する。このような出力電流において、ソース電流である正電流とシンク電流である負電流との間で大きさが非対称であると、平均電流がゼロでなくなり、発生部からの出力電圧が偏移する。このような偏移は、出力電圧を発生部が動作可能な電圧範囲内に収めて発生部を正常に動作させるという観点であまり望ましくない。

【0005】

本開示は、ソース電流及びシンク電流の非対称性に基づく発生部からの出力電圧の偏移を容易に補正可能な送信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】

【0006】

幾つかの実施形態に係る送信回路は、通信に用いられるアナログ信号に重畳して通信信号を生成するためのデジタル信号を出力する送信回路であって、前記デジタル信号となる出力電流と、前記出力電流に比例するミラー電流と、を出力する発生部と、前記発生部において前記出力電流が出力される第１端子に接続され、信号非出力時の直流電位を定める終端部と、前記発生部から出力される前記ミラー電流と、前記終端部により定められた前記直流電位と、に基づいて補正電流を生成する補正部と、前記第１端子及び前記補正部に接続され、前記発生部とフィールド側とをＡＣ結合する結合部と、を備え、前記補正電流は、前記発生部からの前記出力電流においてソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する平均電流を前記結合部の入力端子側で低減するために用いられる。

【0007】

これにより、ソース電流及びシンク電流の非対称性に基づく発生部からの出力電圧の偏移を容易に補正可能である。送信回路は、出力電流においてソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する平均電流を低減する補正電流を生成することで、このような偏移の補正を可能にする。より具体的には、４ｍＡ～２０ｍＡのアナログ信号に重畳するデジタル信号の送信回路において、発生部から出力される出力電流のソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する、出力電圧の平均電圧の偏移が補正可能である。したがって、信号出力時に結合コンデンサに生じる電圧振幅の許容値を緩和し、結合コンデンサの容量値を１／１０程度に低減することも可能となる。送信回路は、大容量の結合コンデンサを用いずともＨＡＲＴ通信用の回路として実現可能である。

【0008】

一実施形態における送信回路では、前記補正部は、前記ミラー電流の一部を第１電圧に変換する変換部と、非反転入力端子で前記第１電圧を受け、反転入力端子で前記直流電位に対応する第２電圧を受けるオペアンプと、を有してもよい。これにより、後述する分圧抵抗群からの第２電圧をオペアンプの反転入力で受け、変換部からの第１電圧をオペアンプの非反転入力で受けて、ネガティブフィードバックにより両者が等しくなるよう第１電流をオペアンプから出力することが可能となる。これにより、送信回路は、補正電流の基礎となる電流を生成可能である。

【0009】

一実施形態における送信回路では、前記オペアンプは、ネガティブフィードバックにより前記第１電圧及び前記第２電圧が等しくなるように第１電流を出力し、前記第１電流に比例する第２電流を前記補正電流として前記発生部の前記第１端子に出力してもよい。これにより、上述したように、ソース電流及びシンク電流の非対称性に基づく発生部からの出力電圧の偏移が補正可能となる。

【0010】

一実施形態における送信回路では、前記オペアンプは、前記平均電流に対応する低帯域においてより高いゲインを示し、通信に関わる高帯域においてより低いゲインを示す周波数特性を有してもよい。これにより、出力電圧の偏移を補正する対象領域となる数Ｈｚ以下の低帯域において、十分なゲインで必要な補正量を容易に得ることができる。一方で、数ｋＨｚ程度の通信帯域（高帯域）においてゲインを十分に小さくして、ＨＡＲＴ通信における通信信号の波形への影響を抑制することが可能となる。例えば、高帯域において約－２６ｄＢ以下のゲインが得られていれば、通信信号の振幅への影響を５％以下とすることも可能となる。

【0011】

一実施形態における送信回路では、前記補正部は、前記発生部において前記ミラー電流が出力される第２端子と前記変換部との間に配置されているローパスフィルタを有してもよい。これにより、オペアンプは、図４に示されるような独特の周波数特性を有する必要がない。したがって、送信回路は、補正部に用いられるオペアンプとして、図４に示されるような独特の周波数特性を有する専用のものに代えて、汎用のものを使用することも可能となる。これにより、送信回路の汎用性が向上する。

【0012】

一実施形態における送信回路では、前記終端部は、前記第１端子に接続されている終端抵抗群と、前記終端抵抗群と並列して配置され、前記直流電位を前記補正部に供給する分圧抵抗群と、を有してもよい。例えば、終端抵抗群に含まれる第１抵抗及び第２抵抗、並びに分圧抵抗群に含まれる第３抵抗及び第４抵抗の各々の抵抗値は、第１抵抗及び第２抵抗に基づく分圧比と第３抵抗及び第４抵抗に基づく分圧比とが互いに同一となるように定められる。以上により、終端抵抗群により定められた直流電位を、分圧抵抗群から補正部に対しても同様に供給することが可能となる。

【0013】

一実施形態における送信回路では、前記終端部は、前記第１端子に接続されている抵抗と、前記抵抗に接続されている参照電圧源と、を有し、前記参照電圧源は、前記直流電位に対応する第２電圧を前記補正部に供給してもよい。

【0014】

これにより、終端部は、終端抵抗群及び分圧抵抗群を並列に配置して互いの分圧比が同一となるように抵抗値を調整又は設計する必要がなく、１つの参照電圧源に基づいて共通して直流電位を定めることが可能となる。終端抵抗群及び分圧抵抗群における分圧比が互いに同一となるように抵抗値を精度良く調整又は設計することは容易でなく、図７に示されるような構成に基づけば、このような調整又は設計に関する作業の負担が軽減される。

【0015】

一実施形態における送信回路では、前記通信信号は、ＨＡＲＴ信号であってもよい。これにより、送信回路は、ＨＡＲＴ通信用の回路として実現可能である。

【発明の効果】

【0016】

本開示によれば、ソース電流及びシンク電流の非対称性に基づく発生部からの出力電圧の偏移を容易に補正可能な送信回路を提供可能である。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本開示の一実施形態に係る送信回路の概略構成を示す模式図である。

【図2】図１の送信回路の動作を説明するための第１図である。

【図3】図１の送信回路の動作を説明するための第２図である。

【図4】図１の送信回路の動作を説明するための第３図である。

【図5】図１の送信回路の動作を説明するための第４図である。

【図6】本開示の第１変形例に係る送信回路の概略構成を示す模式図である。

【図7】本開示の第２変形例に係る送信回路の概略構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

従来技術の背景及び問題点についてより詳細に説明する。

【0019】

従来、フィールド機器などを制御するためのシステムにおける入出力装置又は伝送器などにおいて、４ｍＡ～２０ｍＡのＤＣ（Direct Current）のアナログ信号にＡＣのデジタル信号を重畳させた通信信号を用いて制御通信を行う技術が知られている。例えば、ＨＡＲＴ（Highway Addressable Remote Transducer）通信方式に基づく通信などが知られている。このような通信に用いられるデジタル信号の従来の送信回路は、例えば、後述する図１において第２端子１２、分圧抵抗群２２、及び補正部３０を省略したものと等価である。

【0020】

従来の送信回路は、フィールド機器が配置されるフィールド側の負荷に対してデジタル信号となる出力電流Ｉｏｕｔを出力する発生部を有する。発生部が出力する出力電流Ｉｏｕｔは、ＡＣ信号であり、正負の極性を有する。送信回路では、信号非出力時における発生部からの出力電圧Ｖｏｕｔは、終端抵抗に基づいて定まる。送信回路において発生部が正常に動作するためには、出力電圧Ｖｏｕｔを、発生部が動作可能な電圧、すなわちコンプライアンス電圧の範囲内に収める必要がある。

【0021】

このような従来の送信回路において、信号出力時には出力電流Ｉｏｕｔが負荷インピーダンスに流れることでＶｏｕｔノードに電圧振幅が生じることが1つ目の問題となる。負荷インピーダンスは、終端抵抗、発生部とフィールド側とをＡＣ結合する結合コンデンサＣのインピーダンス、及びフィールド側での負荷インピーダンスＺＬを含む。加えて、発生部が出力する出力電流Ｉｏｕｔにおいて、ソース電流である正電流とシンク電流である負電流との間で大きさが非対称であると、平均電流がゼロでなくなり、発生部からの出力電圧Ｖｏｕｔが偏移することが２つ目の問題となる。

【0022】

上記２つの問題によって、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔについて偏移量と電圧振幅とを足し合わせた値がコンプライアンス電圧の範囲内に収まらなくなることも想定される。

【0023】

１つ目の問題の対策として、負荷インピーダンスを低減することが考えられる。しかしながら、負荷インピーダンスを決める要素のうち上記の負荷インピーダンスＺＬは、通信規格に基づいて規定される。終端抵抗は、結合コンデンサＣの通信帯域におけるインピーダンスに対して十分に高くする必要がある。これは、通信規格によるインピーダンスの制約を満たすため、及び出力電流Ｉｏｕｔの終端抵抗への分流を抑制するためである。したがって、負荷インピーダンスを低減するためには、結合コンデンサＣの容量値を増大させる必要がある。２つ目の問題の対策として、終端抵抗値を低減すること、及び発生部のソース電流とシンク電流との間の対称性を向上させることなどが考えられる。

【0024】

従来技術においては、これらの対策を組み合わせることで、上記２つの問題を解決していた。

【0025】

しかしながら、フィールド側の端子は高電圧であるため、結合コンデンサＣは高耐圧である必要がある。高耐圧で、かつ大容量のコンデンサは、高価であり、サイズも大きく、かつ入手が困難であるといったデメリットを有する。したがって、結合コンデンサＣにおいて必要になる容量値を、これらのデメリットが緩和される程度に小さく抑えることが望ましい。例えば、結合コンデンサＣの容量値として、０．１μＦ程度が想定される。

【0026】

機能安全適合が必要な製品においては、検出できない危険側故障率（λＤＵ）を抑制するために、結合コンデンサＣは２つのコンデンサの直列接続とする対策がなされる。したがって、結合コンデンサＣにおいて必要になる容量値及び個数は２倍になる。さらに、例えば、フィールド機器などを制御するためのシステムにおける入出力装置は、一般的に複数の測定チャネルを有するため、測定チャネルの数分だけ結合コンデンサＣが必要となる。

【0027】

終端抵抗値を低減する場合、インピーダンスが低下するというデメリットがある。例えば、ＨＡＲＴ通信方式ではインピーダンスの下限規定が存在し、終端抵抗値の低減には限度がある。ソース電流とシンク電流との間の対称性の向上をＩＣ（Integrated Circuit）で実現する場合、トランジスタのサイズが増大し、それに伴うコスト増加のデメリットがある。

【0028】

本開示は、以上のような問題点を解決するために、ソース電流及びシンク電流の非対称性に基づく発生部からの出力電圧Ｖｏｕｔの偏移を容易に補正可能な送信回路を提供することを目的とする。より具体的には、４ｍＡ～２０ｍＡのアナログ信号に重畳するデジタル信号の送信回路において、発生部から出力される出力電流Ｉｏｕｔのソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する、出力電圧Ｖｏｕｔの平均電圧の偏移を補正する。これにより、信号出力時に結合コンデンサＣに生じる電圧振幅の許容値を緩和し、結合コンデンサＣの容量値を低減することを目的とする。

【0029】

以下では、添付図面を参照しながら本開示の一実施形態について主に説明する。

【0030】

図１は、本開示の一実施形態に係る送信回路１の概略構成を示す模式図である。図１を参照しながら、一実施形態に係る送信回路１の構成について主に説明する。

【0031】

図１に示されるように、送信回路１は、発生部１０と、終端部２０と、補正部３０と、結合部４０と、を有する。送信回路１は、通信に用いられるアナログ信号に重畳して通信信号を生成するためのデジタル信号を出力する。

【0032】

本開示において、「通信」は、例えば、ＨＡＲＴ通信方式に基づくものを含む。より具体的には、通信は、フィールド機器などを制御するためのシステムにおける入出力装置又は伝送器などにおいて使用される。通信は、４ｍＡ～２０ｍＡのＤＣのアナログ信号にＡＣのデジタル信号を重畳させた通信信号に基づいて行われる。通信信号は、送信回路１によって出力されたデジタル信号を所定の回路を用いてアナログ信号と重畳させることで生成される。通信信号は、例えば、ＨＡＲＴ信号である。

【0033】

本開示において、「デジタル信号」は、例えば、デジタル値の０を２．２ｋＨｚ、デジタル値の１を１．２ｋＨｚとして変調された正弦波及び台形波などの交流波を示す信号を含む。したがって、送信回路１を用いた通信の通信帯域は、１．２ｋＨｚ～２．２ｋＨｚの範囲に含まれる。

【0034】

発生部１０は、任意の電流源を含む。発生部１０は、デジタル信号となる出力電流Ｉｏｕｔを出力する。発生部１０は、出力電流Ｉｏｕｔに比例するミラー電流α・Ｉｏｕｔを出力する。発生部１０は、出力電流Ｉｏｕｔを出力する第１端子１１と、ミラー電流α・Ｉｏｕｔを出力する第２端子１２と、を有する。発生部１０は、電源などによって定まる電位を有する基準線Ｌに接続されている第３端子１３をさらに有する。発生部１０は、回路動作の基準となる電位を有するグランドに接続されている第４端子１４をさらに有する。

【0035】

終端部２０は、発生部１０において出力電流Ｉｏｕｔが出力される第１端子１１に接続され、信号非出力時の直流電位Ｖａを定める。終端部２０は、第１端子１１に接続されている終端抵抗群２１を有する。終端抵抗群２１は、各々の一端が第１端子１１に接続されている第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２を有する。第１抵抗Ｒ１の他端は、基準線Ｌに接続されている。第２抵抗Ｒ２の他端は、グランドに接続されている。終端抵抗群２１は、基準線Ｌとグランドとの間の電圧を第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２により分圧することで上記の直流電位Ｖａを定める。

【0036】

終端部２０は、終端抵抗群２１に加えて、分圧抵抗群２２も有する。分圧抵抗群２２は、終端抵抗群２１と並列して配置され、終端抵抗群２１により定められた直流電位Ｖａを補正部３０に供給する。分圧抵抗群２２は、各々の一端が補正部３０に接続されている第３抵抗Ｒ３及び第４抵抗Ｒ４を有する。第３抵抗Ｒ３の他端は、基準線Ｌに接続されている。第４抵抗Ｒ４の他端は、グランドに接続されている。

【0037】

第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３、及び第４抵抗Ｒ４の各々の抵抗値は、第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２に基づく分圧比と第３抵抗Ｒ３及び第４抵抗Ｒ４に基づく分圧比とが互いに同一となるように定められる。これにより、終端抵抗群２１により定められた直流電位Ｖａが、分圧抵抗群２２から補正部３０に対しても同様に供給される。

【0038】

補正部３０は、発生部１０から出力されるミラー電流α・Ｉｏｕｔと、終端部２０により定められた直流電位Ｖａと、に基づいて補正電流を生成する。補正電流は、発生部１０からの出力電流Ｉｏｕｔにおいてソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する平均電流を結合部４０の入力端子側、すなわち発生部１０の第１端子１１で低減するために用いられる。

【0039】

補正部３０は、発生部１０の第２端子１２に接続され、第２端子１２から出力されるミラー電流α・Ｉｏｕｔの一部である電流Ｉ１を第１電圧Ｖ１に変換する変換部３１を有する。変換部３１は、任意のＩ－Ｖ変換回路を含む。

【0040】

補正部３０は、変換部３１及び分圧抵抗群２２に接続されているオペアンプ３２を有する。オペアンプ３２は、非反転入力端子で第１電圧Ｖ１を受け、反転入力端子で直流電位Ｖａに対応する第２電圧Ｖ２を受ける。オペアンプ３２は、ネガティブフィードバックにより第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２が等しくなるように第１電流Ｉｃ１を出力し、第１電流Ｉｃ１に比例する第２電流Ｉｃ２（＝１／α・Ｉｃ１）を上記の補正電流として発生部１０の第１端子１１に出力する。

【0041】

結合部４０は、発生部１０の第１端子１１及び補正部３０に接続され、発生部１０とフィールド側とをＡＣ結合する。結合部４０は、一端が第１端子１１に接続され、他端が負荷インピーダンスＺＬを有するフィールド側の負荷に接続されている結合コンデンサＣを有する。本開示において、「フィールド側」は、送信回路１に対してフィールド機器が配置される側を意味する。

【0042】

フィールド機器は、被測定対象となる物理量に対する測定処理を実行して測定値を取得する任意の機器を含む。本開示において、「物理量」は、例えばフィールド機器が配置されているプラント設備において発生した気体及び液体などを含む流体の温度、圧力、流量、及びＰＨ、並びにプラント設備の腐食度及び振動量などを含む。これに限定されず、物理量は、バルブ、モータ、及びリレーなどを含むアクチュエータに関連する、温度及び圧力などを含む状態パラメータを含む。

【0043】

本開示において、「プラント設備」は、例えば化学などの工業プラントの他、ガス田及び油田などを含む井戸元、並びにその周辺を管理制御するプラントを含む。その他にも、プラント設備は、水力、火力、及び原子力などの発電を管理制御するプラント、太陽光及び風力などの環境発電を管理制御するプラント、並びに上下水及びダムなどを管理制御するプラントなどを含んでもよい。

【0044】

図２は、図１の送信回路１の動作を説明するための第１図である。図２は、発生部１０からの出力電圧Ｖｏｕｔの信号波形の第１例を示す。図２では、出力電圧Ｖｏｕｔは、一例として、直流電位Ｖａを中心に一定の周波数で正弦波状に変化する信号波形を示す。発生部１０からの出力電流Ｉｏｕｔにおいて、ソース電流である正電流とシンク電流である負電流との間で大きさが対称、すなわち同一であり、理想的な状態である場合、出力電圧Ｖｏｕｔも対称的な信号波形を示す。より具体的には、出力電圧Ｖｏｕｔは、平均電圧Ｖａｖｅが直流電位Ｖａに対応して一定のまま、平均電圧Ｖａｖｅを中心に一定の周波数で正弦波状に変化する信号波形を示す。

【0045】

図３は、図１の送信回路１の動作を説明するための第２図である。図３は、発生部１０からの出力電圧Ｖｏｕｔの信号波形の第２例を示す。図３では、出力電圧Ｖｏｕｔは、一例として、直流電位Ｖａから所定の電位差ΔＶだけ平均電圧Ｖａｖｅが偏移しながら、一定の周波数で正弦波状に変化する信号波形を示す。発生部１０からの出力電流Ｉｏｕｔにおいて、ソース電流である正電流とシンク電流である負電流との間で大きさが非対称である場合、終端抵抗群２１に出力電流Ｉｏｕｔの平均電流が流れ、出力電圧Ｖｏｕｔの平均電圧Ｖａｖｅが直流電位Ｖａに対して電位差ΔＶだけ偏移する。図３に示される例では、ソース電流がシンク電流よりも大きくなり、電位差ΔＶが正となって、出力電圧Ｖｏｕｔが直流電位Ｖａに対し正の方向に電位差ΔＶだけオフセットを受けている。

【0046】

図１に示されるように、発生部１０は、出力電流Ｉｏｕtを第１端子１１から出力すると同時に、出力電流Ｉｏｕｔに比例するミラー電流α・Ｉｏｕｔを第２端子１２から補正部３０に出力する。αは、第１電圧Ｖ１がオペアンプ３２の入力電圧範囲内に収まるように設定される。加えて、終端抵抗群２１における分圧比と分圧抵抗群２２における分圧比とが互いに同一であることで、分圧抵抗群２２により、信号非出力時のＶｏｕｔノードの直流電位Ｖａを得る。

【0047】

補正部３０においてＩ－Ｖ変換回路として機能する変換部３１の伝達式は以下のとおりである。

【0048】

【数1】

ここで、βは定数であり、第１電圧Ｖ１がオペアンプ３２の入力電圧範囲内に収まるように設定される。式１によれば、Ｉ１＝α・Ｉｏｕｔ－Ｉｃ１＝０ｍＡであるとき、オペアンプ３２における非反転入力と反転入力との間で電圧が等しくなる。

【0049】

図４は、図１の送信回路１の動作を説明するための第３図である。図４は、補正部３０に含まれるオペアンプ３２の周波数特性の一例を示す。オペアンプ３２は、平均電流に対応する低帯域ＲＬにおいてより高いゲインを示し、通信に関わる高帯域ＲＨにおいてより低いゲインを示す周波数特性を有する。より具体的には、オペアンプ３２は、数Ｈｚ以下の低帯域ＲＬにおいて出力電圧Ｖｏｕｔの偏移を補正するために必要となる補正量を得るうえで十分となるゲインを有する。オペアンプ３２は、ＨＡＲＴ通信における通信信号の波形への影響を抑制するために、数ｋＨｚ程度の通信帯域（高帯域ＲＨ）において十分に小さいゲインを有する。例えば、通信信号の振幅への影響を５％以下とするためには、高帯域ＲＨにおいてゲインが約－２６ｄＢ以下であればよい。

【0050】

図５は、図１の送信回路１の動作を説明するための第４図である。図５は、発生部１０からのミラー電流α・Ｉｏｕｔ及び第１電流Ｉｃ１の信号波形の一例を示す。図５に示す波形は、第２電流Ｉｃ２によるフィードフォワードがかかっていないと仮定したときのものである。オペアンプ３２は、ミラー電流α・Ｉｏｕｔの平均電流（α・Ｉｏｕｔ）ａｖｅを打ち消すように第１電流Ｉｃ１を出力する。さらに、第１電流Ｉｃ１の１／α倍の第２電流Ｉｃ２がＶｏｕｔノードに出力されることにより、出力電流Ｉｏｕｔの平均電流を打ち消すようなフィードフォワードがかかる。

【0051】

以上により、送信回路１は、フィールド側の負荷によらず安定に、かつ通信信号への影響が抑制された状態で、出力電圧Ｖｏｕtの直流電位の偏移ΔＶを補正する。結果、送信回路１は、ΔＶが小さくなる分、結合コンデンサＣの容量値を低減可能である。

【0052】

このような効果を、数値例を用いて具体的に示す。ＨＡＲＴ通信に用いられる送信回路１と比較される従来技術において、Ｃ＝１μＦ、ＺＬ＝２００Ω、Ｉｏｕｔ＝３ｍＡｐｐとする。このとき、Ｖｏｕｔに生じる電圧振幅は、以下のとおりである。

【0053】

【数2】

ここで、ＨＡＲＴ通信における通信信号の代表的な周波数として１２００Ｈｚという値を用いた。

【0054】

加えて、ソースシンク非対称性を±４％とする。本開示において、「ソースシンク非対称性」は、例えば、出力電流Ｉｏｕｔにおいてソース電流の大きさとシンク電流の大きさとが互いに異なる場合の、シンク電流の振幅の絶対値に対するソース電流の振幅の絶対値の割合を意味する。例えば、ソースシンク非対称性が＋４％である場合、ソース電流の振幅の絶対値は、シンク電流の振幅の絶対値に対して１０４％の大きさとなる。例えば、ソースシンク非対称性が－４％である場合、ソース電流の振幅の絶対値は、シンク電流の振幅の絶対値に対して９６％の大きさとなる。

【0055】

さらに、発生部１０から出力される出力電流Ｉｏｕｔの波形は台形波であり、終端抵抗群２１に含まれる第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２の各々の抵抗値は２００ｋΩであるとする。すると、出力電圧Ｖｏｕｔに生じる直流電位の偏移は以下のとおり計算される。

【0056】

【数3】

なお、ソースシンク非対称性が±４％のときのそれぞれの平均電流の値である±２５．７７９μＡは、シミュレーションにより算出したものである。

【0057】

以上により、式（２）及び（３）に基づく出力電圧Ｖｏｕｔの電圧範囲は、１．０Ｖｐｐ＋５．２Ｖｐｐ＝６．２Ｖｐｐとなる。このように、従来技術では出力電圧Ｖｏｕｔの電圧範囲が大きくなり、コンプライアンス電圧の範囲内に収まらなくなることも想定される。

【0058】

一方で、本開示の一実施形態に係る送信回路１によれば、信号出力時に結合コンデンサＣに生じる電圧振幅の許容値を緩和し、結合コンデンサＣの容量値を低減することが可能となる。

【0059】

より具体的には、ミラー電流α・Ｉｏｕｔにおける比例係数αのばらつきを±５％、１／αのばらつきを±５％、及びオペアンプ３２の直流でのゲインを３０ｄＢとする。比例係数αのばらつきは、回路のばらつきに起因するものである。このとき、第２電流Ｉｃ２の理想値、すなわち出力電流Ｉｏｕｔの平均電流値に対する誤差は、以下のとおり計算される。

【0060】

【数4】

ここで、α及び１／αのばらつきは独立事象とし、二乗和平方根とした。

【0061】

以上により、式（３）で計算された直流電位の偏移は、±２．６Ｖの１１．２％である±０．３Ｖに低減する。したがって、２．６Ｖ－０．３Ｖ＝２．３Ｖ（４．６Ｖｐｐ）が、結合コンデンサＣに生じる電圧振幅に割り当てることができる。結果として、結合コンデンサＣに必要な容量値は、以下のとおり計算される。

【0062】

【数5】

式（５）より、Ｃ＝０．０８０μＦと計算される。

【0063】

以上により、上記仮定においては、結合コンデンサＣに必要な容量値が１μＦから０．０８０μＦにまで低減可能であることが分かる。

【0064】

以上のような一実施形態に係る送信回路１によれば、ソース電流及びシンク電流の非対称性に基づく発生部１０からの出力電圧Ｖｏｕｔの偏移ΔＶを補正可能である。送信回路１は、出力電流Ｉｏｕｔにおいてソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する平均電流を低減する補正電流を生成することで、このような偏移ΔＶの補正を可能にする。より具体的には、４ｍＡ～２０ｍＡのアナログ信号に重畳するデジタル信号の送信回路１において、発生部１０から出力される出力電流Ｉｏｕｔのソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する、出力電圧Ｖｏｕｔの平均電圧の偏移が補正可能である。したがって、信号出力時に結合コンデンサＣに生じる電圧振幅の許容値を緩和し、結合コンデンサＣの容量値を１／１０程度に低減することも可能となる。送信回路１は、大容量の結合コンデンサＣを用いずともＨＡＲＴ通信用の回路として実現可能である。

【0065】

補正部３０は、変換部３１とオペアンプ３２とを有する。これにより、分圧抵抗群２２からの第２電圧Ｖ２をオペアンプ３２の反転入力で受け、変換部３１からの第１電圧Ｖ１をオペアンプ３２の非反転入力で受けて、ネガティブフィードバックにより両者が等しくなるよう第１電流Ｉｃ１をオペアンプ３２から出力することが可能となる。これにより、送信回路１は、補正電流の基礎となる電流を生成可能である。

【0066】

オペアンプ３２は、ネガティブフィードバックにより第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２が等しくなるように第１電流Ｉｃ１を出力し、第１電流Ｉｃ１に比例する第２電流Ｉｃ２を補正電流として発生部１０の第１端子１１に出力する。これにより、上述したように、ソース電流及びシンク電流の非対称性に基づく発生部１０からの出力電圧Ｖｏｕｔの偏移ΔＶが補正可能となる。

【0067】

オペアンプ３２は、平均電流に対応する低帯域ＲＬにおいてより高いゲインを示し、通信に関わる高帯域ＲＨにおいてより低いゲインを示す周波数特性を有する。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔの偏移を補正する対象領域となる数Ｈｚ以下の低帯域ＲＬにおいて、十分なゲインで必要な補正量を容易に得ることができる。一方で、数ｋＨｚ程度の通信帯域（高帯域ＲＨ）においてゲインを十分に小さくして、ＨＡＲＴ通信における通信信号の波形への影響を抑制することが可能となる。例えば、高帯域ＲＨにおいて約－２６ｄＢ以下のゲインが得られていれば、通信信号の振幅への影響を５％以下とすることも可能となる。

【0068】

終端部２０は、第１端子１１に接続されている終端抵抗群２１と、終端抵抗群２１と並列して配置され、直流電位Ｖａを補正部３０に供給する分圧抵抗群２２と、を有する。例えば、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２、第３抵抗Ｒ３、及び第４抵抗Ｒ４の各々の抵抗値は、第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２に基づく分圧比と第３抵抗Ｒ３及び第４抵抗Ｒ４に基づく分圧比とが互いに同一となるように定められる。以上により、終端抵抗群２１により定められた直流電位Ｖａを、分圧抵抗群２２から補正部３０に対しても同様に供給することが可能となる。

【0069】

通信信号がＨＡＲＴ信号であることで、送信回路１は、ＨＡＲＴ通信用の回路として実現可能である。

【0070】

本開示は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。開示の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。

【0071】

例えば、上述した各構成部の形状、大きさ、配置、向き、及び個数は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、大きさ、配置、向き、及び個数は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。図示した送信回路１の各構成要素は機能概念的なものであり、各構成要素の具体的形態は図示のものに限定されない。

【0072】

図６は、本開示の第１変形例に係る送信回路１の概略構成を示す模式図である。上記実施形態では、補正部３０は、変換部３１とオペアンプ３２とを有すると説明したが、これに限定されない。補正部３０は、補正電流を生成可能な任意の他の構成を有してもよい。例えば、補正部３０は、変換部３１及びオペアンプ３２に加えて、ローパスフィルタ３３を有してもよい。ローパスフィルタ３３は、発生部１０においてミラー電流α・Ｉｏｕｔが出力される第２端子１２と変換部３１との間に配置されている。ローパスフィルタ３３は、例えば、図４で示すオペアンプ３２の周波数特性と同様の周波数特性を有する。

【0073】

補正部３０がローパスフィルタ３３を有することで、オペアンプ３２は、図４に示されるような独特の周波数特性を有する必要がない。したがって、送信回路１は、補正部３０に用いられるオペアンプ３２として、図４に示されるような独特の周波数特性を有する専用のものに代えて、汎用のものを使用することも可能となる。これにより、送信回路１の汎用性が向上する。

【0074】

上記実施形態では、オペアンプ３２は、ネガティブフィードバックにより第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２が等しくなるように第１電流Ｉｃ１を出力し、第１電流Ｉｃ１に比例する第２電流Ｉｃ２を補正電流として発生部１０の第１端子１１に出力すると説明したが、これに限定されない。補正部３０は、任意の他の原理に基づいて補正電流を生成してもよい。

【0075】

上記実施形態では、オペアンプ３２は、平均電流に対応する低帯域ＲＬにおいてより高いゲインを示し、通信に関わる高帯域ＲＨにおいてより低いゲインを示す周波数特性を有すると説明したが、これに限定されない。図６を用いて上述したとおり、補正部３０がローパスフィルタ３３を有するとき、オペアンプ３２は、汎用のものであってもよく、図４に示されるような独特の周波数特性に代わる一般的な周波数特性を有してもよい。

【0076】

図７は、本開示の第２変形例に係る送信回路１の概略構成を示す模式図である。上記実施形態では、終端部２０は、第１端子１１に接続されている終端抵抗群２１と、終端抵抗群２１と並列して配置され、直流電位Ｖａを補正部３０に供給する分圧抵抗群２２と、を有すると説明したが、これに限定されない。終端部２０は、発生部１０において出力電流Ｉｏｕｔが出力される第１端子１１に接続され、信号非出力時の直流電位Ｖａを定めつつ、直流電位Ｖａを補正部３０に供給することが可能な任意の他の構成を有してもよい。

【0077】

例えば、終端部２０は、第１端子１１に接続されている、抵抗値Ｒ５を有する抵抗２３と、抵抗２３に接続されている参照電圧源２４と、を有してもよい。参照電圧源２４は、直流電位Ｖａに対応する第２電圧Ｖ２を補正部３０に供給してもよい。

【0078】

これにより、終端部２０は、終端抵抗群２１及び分圧抵抗群２２を並列に配置して互いの分圧比が同一となるように抵抗値を調整又は設計する必要がなく、１つの参照電圧源２４に基づいて共通して直流電位Ｖａを定めることが可能となる。終端抵抗群２１及び分圧抵抗群２２における分圧比が互いに同一となるように抵抗値を精度良く調整又は設計することは容易でなく、図７に示されるような構成に基づけば、このような調整又は設計に関する作業の負担が軽減される。

【0079】

上記実施形態では、通信信号はＨＡＲＴ信号であると説明したが、これに限定されない。通信信号は、任意の他の通信方式に基づくものであってもよい。

【0080】

以下に本開示の実施形態の一部について例示する。しかしながら、本開示の実施形態はこれらに限定されない点に留意されたい。
［付記１］
通信に用いられるアナログ信号に重畳して通信信号を生成するためのデジタル信号を出力する送信回路であって、
前記デジタル信号となる出力電流と、前記出力電流に比例するミラー電流と、を出力する発生部と、
前記発生部において前記出力電流が出力される第１端子に接続され、信号非出力時の直流電位を定める終端部と、
前記発生部から出力される前記ミラー電流と、前記終端部により定められた前記直流電位と、に基づいて補正電流を生成する補正部と、
前記第１端子及び前記補正部に接続され、前記発生部とフィールド側とをＡＣ結合する結合部と、
を備え、
前記補正電流は、前記発生部からの前記出力電流においてソース電流及びシンク電流の非対称性により発生する平均電流を前記結合部の入力端子側で低減するために用いられる、
送信回路。
［付記２］
付記１に記載の送信回路であって、
前記補正部は、前記ミラー電流の一部を第１電圧に変換する変換部と、非反転入力端子で前記第１電圧を受け、反転入力端子で前記直流電位に対応する第２電圧を受けるオペアンプと、を有する、
送信回路。
［付記３］
付記２に記載の送信回路であって、
前記オペアンプは、ネガティブフィードバックにより前記第１電圧及び前記第２電圧が等しくなるように第１電流を出力し、前記第１電流に比例する第２電流を前記補正電流として前記発生部の前記第１端子に出力する、
送信回路。
［付記４］
付記２又は３に記載の送信回路であって、
前記オペアンプは、前記平均電流に対応する低帯域においてより高いゲインを示し、通信に関わる高帯域においてより低いゲインを示す周波数特性を有する、
送信回路。
［付記５］
付記２乃至４のいずれか１つに記載の送信回路であって、
前記補正部は、前記発生部において前記ミラー電流が出力される第２端子と前記変換部との間に配置されているローパスフィルタを有する、
送信回路。
［付記６］
付記１乃至５のいずれか１つに記載の送信回路であって、
前記終端部は、前記第１端子に接続されている終端抵抗群と、前記終端抵抗群と並列して配置され、前記直流電位を前記補正部に供給する分圧抵抗群と、を有する、
送信回路。
［付記７］
付記１乃至５のいずれか１つに記載の送信回路であって、
前記終端部は、前記第１端子に接続されている抵抗と、前記抵抗に接続されている参照電圧源と、を有し、
前記参照電圧源は、前記直流電位に対応する第２電圧を前記補正部に供給する、
送信回路。
［付記８］
付記１乃至７のいずれか１つに記載の送信回路であって、
前記通信信号は、ＨＡＲＴ信号である、
送信回路。

【符号の説明】

【0081】

１ 送信回路
１０ 発生部
１１ 第１端子
１２ 第２端子
１３ 第３端子
１４ 第４端子
２０ 終端部
２１ 終端抵抗群
２２ 分圧抵抗群
２３ 抵抗
２４ 参照電圧源
３０ 補正部
３１ 変換部
３２ オペアンプ
３３ ローパスフィルタ
４０ 結合部
Ｃ 結合コンデンサ
Ｌ 基準線
Ｒ１ 第１抵抗
Ｒ２ 第２抵抗
Ｒ３ 第３抵抗
Ｒ４ 第４抵抗
ＲＨ 高帯域
ＲＬ 低帯域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】