第103回：電気・電子回路におけるオペアンプ応用回路　－２線式双方向信号伝送－

電気・電子回路におけるオペアンプ応用回路　－２線式双方向信号伝送－

①はじめに

電気信号を伝えるには、２本の電導線が必要です。従って、２つの機器、あるいは、基板の間で、双方向に信号を伝送するためには、４本の配線を使うことになります。不平衡信号で、グランドを共通にできる場合であれば、３線で済ますことはできますが、２線にまで減らすのは、普通の回路では困難です。

ところで、電話機は、２線で送話／受話が可能です。何か「巧妙な仕組み」があるに違いないのですが、ここでは、電話機の内容には立ち入らずに、２線で双方向の信号伝送をする回路を考えてみたいと思います。

②２線式双方向信号伝送について

信号出力回路

２つの電圧出力が共に同じ信号線を駆動するのですから、出力抵抗を挿入するしかないでしょう。これによって、２つの信号の抵抗加算回路を構成しますので、信号線には、２つの信号の加算合成電圧が現れることになります。

シミュレーション

シミュレーションファイル「２出力信号合成.asc」を参照してください。Vsig_1は、１V振幅の正弦波、Vsig_2は、０～１Ｖの矩形波で、それぞれ、10KΩの出力抵抗Ro1、Ro2を介してI/Oラインに接続されています。

V_I/O_Lineを見てください。０～２msは、Vsig_1のみ、２～４msは、Vsig_1とVsig_2の加算合成、４～６msは、Vsig_2のみの電圧となっています。また、I/Oラインでの信号振幅は、Vsig_1、Vsig_2ともに半分の0.5Vとなっています。これは、同じ抵抗値の加算回路ですから、当然の結果です。

信号入力回路

I/Oラインから入力するために、非反転アンプ（バッファアンプ）を接続します。非反転アンプは、入力インピーダンスが高いため、抵抗加算回路の演算結果には影響しませんから、アンプのゲインを２倍に設定すれば、元の信号振幅に復元することができます。

シミュレーション

シミュレーションファイル「双方向信号伝送_振幅復元.asc」を参照してください。理想オペアンプを使って、ゲイン２倍の非反転アンプを構成し、I/Oラインに接続しています。Vout_1、Vout_2は、元の１V振幅の信号となっていることを確認してください。ただし、Vsig_1、Vsig_2が同時に出力されている期間では、両方の信号が混在したままです。

不要信号除去回路

加算合成信号（Vsig_1＋Vsig_2）が得られていますから、この信号から不要信号成分を「減算」すれば、目的の信号のみを取り出すことができます。このためには、差動アンプを使います。

シミュレーション

シミュレーションファイル「双方向信号伝送_不要信号除去.asc」を参照してください。理想オペアンプを使って、ゲイン１倍の差動アンプを構成し、加算合成信号を非反転入力端に、不要信号を反転入力端に、それぞれ入力することで、以下の減算を実現しています。

Vout_1＝（Vsig_1＋Vsig_2）－Vsig_1＝Vsig_2

Vout_2＝（Vsig_1＋Vsig_2）－Vsig_2＝Vsig_1

シミュレーション

シミュレーションファイル「双方向信号伝送_オペアンプ回路例.asc」には、実際のオペアンプを使った回路例を収めてあります。理想オペアンプを現実のオペアンプICに置き換えただけの回路です。あくまでも、動作原理の理解を主眼とした回路例ですので、実用設計とは言い難いことに留意してください。

今回のまとめ

双方向信号伝送について、さらに進んだテーマとしては、「平衡信号の伝送」、「寄生要素を含む伝送線の電気的特性の影響」などが考えられますが、かなり高度な内容と思われますので、取り上げるかどうかは検討中です。

次回は、オペアンプによる位相回路について取り上げてみたいと思います。

今回取り上げましたサンプルファイルを使うには、アナログ・デバイセズのサイトよりLTspiceをダウンロードしてご利用下さい。