本頁のPDF版は フリーレンジシャント概要説明 (Rev.B) (約1052Kバイト) です。
フリーレンジシャント（Free Range Shunt 以下ＦＲＳ）とは高速、大ダイナミックレンジの電流検出をオートレンジで行なう電流／電圧変換回路（Ｉ／Ｖ変換回路）の名称（造語）です。
ＦＲＳはシャント抵抗の切り替え（レンジ切り替え）を機械式接点でなく、漏れ電流による誤差防止回路を設けた半導体スイッチで高速に行なう回路です。
従来の電流測定ではレンジ切り替え時に電流回路をオープンにしない為に、必ずシャント抵抗の同時オン期間が必要でした。その為、その期間はシャント抵抗の値は２つのシャント抵抗の並列値となり、本来の値とは大きく異なるのでそのまま測定誤差になりました。
さらに、レンジ切り替えを高速に行なうにはＦＥＴやフォトＭＯＳリレー等半導体スイッチを使用する必要がありますが漏れ電流が１～１０μＡにも及ぶ為メカニカルリレーを使用せざるを得ず、その機械的・電気的寿命制限を無視したとしてもせいぜいＨｚオーダーのレンジ切り替えしかできませんでした。*1)、*2)
また、マニュアルレンジ設定でレンジ設定を誤ったり、オートレンジの動作遅れ等の原因で測定レンジと入力電流の大きさが適合しない場合に、電流出力側が過大な電圧を発生させてシャント抵抗を焼損させる等の事故の危険もありました。
ＦＲＳはこれらの問題を解決し、高速、大ダイナミックレンジの電流検出をオートレンジで検出可能にします。
ＦＲＳには幾つかのバリエーションがありますが、大きく分けて次の４種類があります。
①受動ＦＲＳ（Ｐａｓｓｉｖｅ ＦＲＳ、以下ＰＦＲＳ）
スイッチにダイオードを用いるもので、回路がシンプルです。
反面、測定確度がダイオードのＶ－Ｉ特性に依存するので１μＡレンジ以下で誤差が大きくなります。
②能動ＦＲＳ（Ａｃｔｉｖｅ ＦＲＳ、以下ＡＦＲＳ）
漏れ電流防止回路を有し、ナノアンペアオーダーの電流測定が可能です。
反面、半導体スイッチとその制御回路を必要とするので回路規模が大きくなります。
③平滑ＦＲＳ（Ｓｍｏｏｔｈ ＦＲＳ、以下ＳＦＲＳ）
ＡＦＲＳ回路において半導体スイッチの代わりに不感帯回路とリミット回路を組み合わせた回路によるスイッチを用いるので、スムーズなオートレンジでナノアンペアオーダーの電流測定が可能です。
反面、回路規模が大きくなります。
④混合ＦＲＳ（Ｍｉｘｅｄ ＦＲＳ 以下ＭＦＲＳ）
ＰＦＲＳとＡＦＲＳまたはＳＦＲＳとを併用してそれぞれの長所を活かしたものです。
（１）動作原理
図１はＰＦＲＳの基本回路で、内部３レンジの場合です。
レンジ１が最小レンジでフルスケールＩ１［Ａ］、レンジ２は中間レンジでフルスケールＩ２［Ａ］、レンジ３は最大レンジでフルスケールＩ３［Ａ］とします。
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はシャント抵抗（Ｉ／Ｖ変換抵抗）で、抵抗値の大きさはＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３［Ω］です。
Ｄ１、Ｄ２はそれぞれ両端が電圧Ｖａ［Ｖ］（＝Ｒ１×Ｉ１）、Ｖｂ［Ｖ］（＝Ｒ２×Ｉ２）以上でオン、以下でオフになるようにダイオードを必要数直列に接続したものです。
入力電流ＩがＩ１以下の場合はＤ１、Ｄ２はオフなのでレンジ１～３は全て有効です。
入力電流がＩ１からＩ２では入力電流Ｉの一部はＤ１でバイパスされレンジ１は無効、レンジ２、レンジ３は有効になります。
入力電流ＩがＩ２を越えると入力電流Ｉの一部はＤ２でバイパスされレンジ２も無効、レンジ３が有効になります。
演算回路で入力電流に応じた有効レンジの中で最小のレンジのＩ／Ｖ変換電圧出力を検出値とします。
以上の一連の動作により高速オートレンジを実現します。
動作原理の詳細については参考文献 *1)、*3) を参照して下さい。
（２）特長
ＰＦＲＳはレンジ切り替えの為の特別な制御回路が不要な点が最大の特長です。
但し、Ｄ１、Ｄ２の漏れ電流が検出精度に大きく影響するので最小レンジはＤ１、Ｄ２のＶ－Ｉ特性で制限されます。
また、入力電流が大きい場合はＤ１、Ｄ２にバイパス電流が流れるのでダイオードの直列個数が多い場合は電力損失（発熱）が大きくなります。
さらに、増幅器Ａ０の電源電圧はダイオードの電圧降下をカバーしてバイパス電流を流すだけの電圧が必要になります。
（１）動作原理
図２はＡＦＲＳの基本回路で、内部３レンジの場合です。
レンジ１が最小レンジでフルスケールＩ１［Ａ］、レンジ２は中間レンジでフルスケールＩ２［Ａ］、レンジ３は最大レンジでフルスケールＩ３［Ａ］とします。
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３はシャント抵抗で、抵抗値の大きさはＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３［Ω］です。
Ａ５は電流Ｉ２［Ａ］をドライブ可能な増幅器、Ａ４はバッファアンプ、Ｄ１はダイオード、Ｒ４はＡ４の負荷抵抗、ＳＷ１はＡ５をオン－オフさせる半導体スイッチでこれらによりシャント抵抗Ｒ１の電流バイパス回路を構成します。
同様に、Ａ６、Ａ７、Ｄ２、Ｒ５、ＳＷ２でシャント抵抗Ｒ２の電流バイパス回路を構成します。
入力電流ＩがＩ１以下の場合は演算回路はＳＷ１、ＳＷ２をオフにするので、Ｄ１、Ｄ２各々の両端電圧が等しくなってオフ状態になり、電流はバイパスされないのでレンジ１～３は有効です。
入力電流がＩ１からＩ２では演算回路はＳＷ１をオン、ＳＷ２をオフにするので電流Ｉ１ｘがＡ５でバイパスされレンジ１は無効、レンジ２、３は有効になります。
入力電流ＩがＩ２を越えると演算回路はＳＷ２もオンにするので電流Ｉ２ｘがＡ７でバイパスされ、レンジ１、レンジ２は無効、レンジ３は有効になります。
演算回路で入力電流に応じた有効レンジの中で最小のレンジのＩ／Ｖ変換電圧出力を検出値とします。
以上の一連の動作により高速オートレンジを実現します。
動作原理の詳細については参考文献 *4) を参照して下さい。
（２）特長
バイパス回路オフ時にダイオードＤ１、Ｄ２の両端を強制的に同電位にし、その漏れ電流を無くして測定精度を高めるのがＡＦＲＳの特長です。これにより低レンジのフルスケール電流値を小さくできます。
また最大レンジのフルスケール電流値を大きくしても、Ａ７はＲ３とＤ２をドライブするだけなのでその電源電圧を低くして電力損失（発熱）を小さくする事ができます。
（１）動作原理
図３はＳＦＲＳの基本回路で、内部３レンジの場合です。
図中ｄｂ（Ｖｍ、Ｅｍ）は入力電圧Ｖｍに対して±Ｅｍの不感帯を持つ不感帯回路を示し、ｌｍ（Ｖｎ、Ｅｎ）は入力電圧Ｖｎに対して出力を±Ｅｎに制限するリミット回路を示します。何れも一般的に知られたオペアンプ回路で構成出来ます。
基本的動作は３．節のＡＦＲＳと同等で、そのレンジ切り替えスイッチ（ＳＷ１、ＳＷ２）を不感帯回路とリミット回路に置き換えたものです。
各不感帯電圧とリミット電圧を適切に設定する事により、レンジ切り替え時の回路各部の電圧、電流変化を滑らか（ＳＭＯＯＴＨ）にします。
動作原理の詳細については参考文献 *5) を参照して下さい。
（２）特長
滑らかなオートレンジにより、低ノイズのＦＲＳが実現できます。
（１）動作原理
図４はＰＦＲＳとＡＦＲＳによるＭＦＲＳの基本回路で、内部３レンジの場合です。
レンジ１－レンジ２間のレンジ切り替えはＡＦＲＳで行ない、レンジ２－レンジ３間のレンジ切り替えはＰＦＲＳで行ないます。
（２）特長
大レンジ側の電流が比較的大きい場合に、少ない回路で精度を確保する事ができます。
（１）電流を信号とする装置または測定器への応用
（２）フォトダイオード等、電流を出力とするセンサを用いる装置または測定器への応用
【応用例】
①モバイル機器用電流計、電気量計（クーロンメータ）、メッキ装置
－－→ エレクトロニクス分野、電池、メッキ等電気化学分野
②フォトダイオード等光デバイス応用装置（輝度計、照度計）
－－→ 光デバイス分野、化学分析分野、バイオ研究機器分野
－－→ 計測タクトタイム短縮化を要する生産ライン
③ＬＣＤ、有機ＥＬ、ＬＳＩ等の直流特性検査装置
－－→ 表示デバイス、ＬＳＩ開発、製造検査分野
④分子電気伝導度測定装置
－－→ 分子エレクトロニクス分野
（１）携帯電話用電流計 スーパークーロンメータ「ＰＸ０３ＳＣ１」
ＡＦＲＳの実証機として携帯電話の消費電流を高精度測定できる電流計（兼クーロンメータ）を開発しました。
詳細は 携帯電話用電流計 スーパークーロンメータ「ＰＸ０３ＳＣ１」 を参照して下さい。
（２）電流・電圧発生器
回路の類似性により、ＦＲＳによる電流／電圧変換回路は容易に電流・電圧発生器に回路変更ができます。
図５はＡＦＲＳの電流値表示器付きの電圧発生器（ＣＶ）への応用例です。
（３）電圧計
図６は電圧検出回路への応用例です。電圧入力ＶｉｎをバッファアンプＡ８で受けＲ６により電流Ｉに変換します。
動作は反転増幅器にオートレンジ機能を付けたものと同等です。外置きシャント抵抗からの電圧信号を測定する場合等に便利です。
製品にＦＲＳを適用して頂けるメーカーを求めております。
ＦＲＳ応用製品の受託開発も承ります。
スーパークーロンメータ「ＰＸ０３ＳＣ１」、電流・電圧発生器のデモも可能です。
不明点は webmaster@proxi.co.jp にお気軽にお問い合わせ下さい。
【ＦＲＳに関連する参考文献】
*1) トランジスタ技術2003年3月号(275頁)「高速レンジ切り替え可能なクーロンメータの製作」
*2) 特許第3207037号 レンジ切替回路
*3) 特許第3628948号 電流／電圧変換回路
*4) 特開2005-167429 電流／電圧変換回路
*5) 特開2007-315980 電流／電圧変換回路