高線形性信号処理増幅器
【課題】高線形性信号処理増幅器を提供する。
【解決手段】クランプポイント能動回路が提供される。クランプポイント能動回路は、少なくとも２つのレベル間で遷移する装置から出力を受信するように構成されたレート増幅器を含む。クランプポイント能動回路は、レート増幅器から出力を受信するように構成された少なくとも１つのスイッチ素子を有する。少なくとも１つのスイッチ素子は、レート増幅器の少なくとも１つのそれぞれのフィードバックループにある。少なくとも１つのスイッチ素子のスイッチングは、レート増幅器に、所望の動作範囲で高い線形性をもって増幅させ、所望の動作範囲の外にある遷移装置から受信された出力を一定レベルに固定させる。
【解決手段】クランプポイント能動回路が提供される。クランプポイント能動回路は、少なくとも２つのレベル間で遷移する装置から出力を受信するように構成されたレート増幅器を含む。クランプポイント能動回路は、レート増幅器から出力を受信するように構成された少なくとも１つのスイッチ素子を有する。少なくとも１つのスイッチ素子は、レート増幅器の少なくとも１つのそれぞれのフィードバックループにある。少なくとも１つのスイッチ素子のスイッチングは、レート増幅器に、所望の動作範囲で高い線形性をもって増幅させ、所望の動作範囲の外にある遷移装置から受信された出力を一定レベルに固定させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高線形性信号処理増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0001]光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）において、回転速度の情報は、ファイバコイルを通じて反対方向に伝播する２つの波の間の光位相で符号化される。次いで、それらの波は光検出器にともに衝突させられ、回転によって引き起こされる位相は光干渉強度及び結果として生じる光電流を決定する。次いで、この電流は、通常、おそらくは追加のアナログ又はデジタル利得が印加されて、信号処理のために電圧へとトランスインピーダンス増幅される。高性能ＦＯＧでは、回転信号対雑音比を最大化するために、電圧信号は、通常、できるだけ大きな利得で増幅される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0002]ジャイロスコープの信号処理経路において使用されるある電子コンポーネントは、最大の使用可能な利得に制限を課すことがあり得る。例えば、多くの高性能ＦＯＧは、光検出器信号をデジタル化するためにアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用する。これらのＡＤＣはやや狭い損傷しきい値をしばしば有し、安全な入力電圧範囲を、例えば０Ｖ−５Ｖに制限する。この制限された安全な入力電圧範囲は、ＡＤＣにつながる電子装置チェーン（electronics chain）に適用することができる最大利得を低減する。
【０００４】
[0003]電圧を安全な入力電圧範囲に固定するために現在利用可能な回路は、入力電圧波形をかなり変形させ、さらに、大きなジャイロスコープ過渡事象（transient events）がレートジャイロスコープ回路の捕捉領域で終了することを可能にする。そのような歪みは、雑音、バイアス変調ピックアップ、スケールファクター（倍率）非線形性及び他の要因を増加させ、ジャイロスコープの性能を悪化させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0004]本願はクランプポイント（clamp-point）能動回路に関連する。クランプポイント能動回路は、少なくとも２つのレベル間で遷移装置から出力を受信するように構成されたレート増幅器を含む。クランプポイント能動回路は、レート増幅器から出力を受信するように構成された少なくとも１つのスイッチ素子を有する。少なくとも１つのスイッチ素子は、レート増幅器の少なくとも１つのそれぞれのフィードバックループに存在する。少なくとも１つのスイッチ素子の切り替えは、レート増幅器に、所望の動作範囲の高線形性をもって増幅させ、所望の動作範囲の外にある移行している装置から受信される出力を一定のレベルに固定させる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】[0005]通常の動作中の方形波変調による干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）のフォトダイオード出力を示す。
【図１Ｂ】[0006]過渡事象中の方形波変調による閉ループ干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）の動作を示す。
【図２】[0007] 図２Ａは例示的な理想的及び理想的でないクランプ（clamping）を示す。図２Ｂは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ｃは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ｄは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ｅは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ｆは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。
【図３】[0008]本発明によるクランプポイント能動回路の実施例を示す。
【図４】[0009] 図４Ａはシミュレートされた区分的に線形の入力波形を示す。 [0010] 図４Ｂは理想的な線形回路、従来技術のクランプ回路及び図１の回路へ入力される図４Ａの入力波形に応答したシミュレートされた出力波形を示す。
【図５】[0011]本発明によるクランプポイント能動回路の実施例を示す。
【図６】本発明によるクランプポイント能動回路の実施例を示す。
【図７】[0012]従来技術のクランプ回路及び図６の回路へ入力される入力三角波形に応答したシミュレートされた出力波形を示す。
【図８】[0013]従来技術のクランプ回路を示す。
【図９】[0014]本発明による、動作範囲を拡張して回路の出力の線形性を改善する方法を表す流れ図である。
【図１０】[0015]本発明による、動作範囲を拡張し、干渉計光ファイバジャイロスコープから入力を受信する回路の出力の線形性を改善する方法を表す流れ図である。
【０００７】
[0016]一般的慣習に従って、様々な記載された特徴は縮尺どおりには描かれず、本発明に関連する特徴を強調するように描かれる。同様の参照文字は図面及びテキストの全体にわたって同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[0017]信号処理経路中のクランプ回路の実施例が本明細書に記載される。これらのクランプ回路は、電子コンポーネントの安全動作範囲内にそうでなければ存在する電圧波形の歪みがない、ＦＯＧ又は干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）信号処理における拡張された利得の使用を可能にする。回路は、脆弱な電子コンポーネントへの入力電圧を安全動作範囲（電圧損傷しきい値又は他の望ましいしきい値Ｖｄより下）へとどめるために使用される。望ましいしきい値Ｖｄは、最大の安全な電圧又は最大レベルの所望の動作範囲である。理想的なクランプ回路は、１）歪みなしに、Ｖｃ≦Ｖｄとなるように所望のクランプレベルに制限されたいくらか選択されたクランプ電圧Ｖｃ内の電圧を通し；２）選択されたクランプ範囲に対する電圧損傷しきい値又は他の望ましいしきい値Ｖｄより上の電圧可動域を回避又は制限することができる。選択されたクランプ範囲は、正常動作電圧範囲以上である。正常動作電圧範囲はまた、「正常なジャイロ動作範囲Ｖｇｏｒ」と本明細書において呼ばれる。
【０００９】
[0018]上述のＡＤＣ損傷しきい値の考えが及ばないような、所望のクランプレベルＶｃ（また、クランプ電圧Ｖｃ又は一定レベルＶｃと本明細書において呼ばれる）を選択する他の基準があってもよい。例えば、演算増幅器が飽和しないことを保証することが望ましいかもしれない；飽和は演算増幅器に対して損傷リスクをもたらさないが、にもかかわらず、各飽和事象の後の非常に長く予測不能の回復時間という形での性能劣化につながることがある。この場合、所望のクランプレベルＶｃ＜ＶｓであってＶｓが演算増幅器の飽和レベルであり、Ｖｃが回路のクランプレベルであるように、クランプ回路を設計することが望ましいかもしれない。クランプレベルＶｃの特定の値が異なる適用に応じて変化する場合があることが理解されるべきである。
【００１０】
[0019]図１Ａは、正常動作中の方形波変調による干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）のフォトダイオード出力を示す。本明細書において定義されるように、過渡事象がＩＦＯＧによって経験されていない場合、「干渉計光ファイバジャイロスコープの正常動作」はＩＦＯＧの動作である。方形波変調によるＩＦＯＧの正常動作において、変調波形２５によって示されるように、光検出器出力は、方形波の各遷移における非常に短いスパイク３１又はグリッチ３１とともに、出力波形３０として示される、実質的には方形波である。「フォトダイオード出力」という用語は、フォトダイオードの光電流出力を直接的に指すか、又は光電流を電圧に変換するトランスインピーダンス増幅器の電圧出力を指す。交流の（alternating）方形波の位相はＡとＢとラベル付けされる。レベルＡからレベルＢへの遷移は、「遷移事象」及び「線形遷移事象」と本明細書において呼ばれる。レベルＡからレベルＢへの又はレベルＢからレベルＡへの線形遷移事象は、本明細書において「正常な遷移」と呼ばれ、クランプ（clamping）を必要としない。ジャイロスコープが１つの方向に回転している場合、方形波復調によって通常得られる差信号（Ａ−Ｂ）は０より大きく、ジャイロスコープが他の（反対）方向に回転している（スピンしている）場合、差信号（Ａ−Ｂ）は０より小さい。光ビームに位相補正を提供することにより、「閉ループ」ＩＦＯＧ回路はこのＡ−Ｂ差信号をゼロにする（無効にする）。信号をゼロにするのに要する補正の量は、コイル（ジャイロ）が回している速度に比例する。
【００１１】
[0020]ＩＦＯＧ応用について、線形のＡ及びＢ信号は正確な回転速度値を得ることにとって重要である。応答が線形でない場合、ＩＦＯＧ速度測定の性能に誤差が存在する。高性能ＩＦＯＧレート増幅器は、回転速度を正確に測定するために、Ａ及びＢ信号の両方の線形性を示さなければならない。バイアス変調についてＡ位相からＢ位相へ回転する場合、電子装置はジャイロスコープの最大出力（インターフェログラムのピーク）を超えて動作点を迅速に移動させ、このポイントにおいて、光パワー中のスパイクが生成される（例えば、スパイク３１）。
【００１２】
[0021]光検出器波形３０の方形波は通常非常に振幅が低い。この実施例の１つの実施において、振幅は、開ループジャイロスコープのゼロ回転速度又は閉ループジャイロスコープのゼロ加速度に対してゼロである。いくつかの回転速度及び／又は加速度条件については、方形波の振幅は所望のクランプレベルＶｃに近づく。この場合、クランプ回路が、Ｖ≦Ｖｃの任意のＶに対して光検出器波形３０の一般に方形の形状を歪ませないことが重要である。別の方法で述べると、入力電圧が所望のクランプレベルＶｃ以下である限り、クランプ出力が方形波入力電圧（すなわち、方形波変調波形２５）において線形であることが重要である。そのようなクランプ線形性はジャイロスコープの良好なスケールファクター線形性を保証するために必要である。
【００１３】
[0022]本明細書に記載された回路は、信号処理電子装置の増加した動作範囲を提供し、この所望の動作範囲における高い線形性を提供し、過渡事象の場合でさえ動作範囲を超えて迅速にクランプするように設計されている。図１Ｂは、過渡事象中の方形波変調による干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）の動作を示す。過渡事象は、所望のクランプレベルＶｃを超過し、下流の電子装置の飽和損傷しきい値（Ｖｓ又はＶｄ）を越える、光検出器波形４０中のパルス３５を生成する。レベルＡ又はレベルＢから例示的なレベルＣへの遷移は、「過渡事象」と本明細書において呼ばれる。レベルＡからレベルＣ又はレベルＢからレベルＣへの過渡事象は、通常、クランプがない場合、信号レベルを、下流の電子装置の飽和しきい値又は損傷しきい値を超えさせる、まれな事象である。過渡事象は、本明細書に記載された回路によって、選択された所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄ（例えば、定義された範囲）に固定される。
【００１４】
[0023]本明細書に記載された回路の利点を明確に概説するために、理想的な及び理想的でないクランプの影響が記載される。図２Ａ−２Ｆは、例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ａ−２Ｂは、それぞれ、Ｖｉｎ及びＶｏｕｔに対する理想的なクランプを示す。図２Ａに示される例示的な入力電圧パルスＶｉｎは、図２Ｂに示される例示的な出力電圧パルスＶｏｕｔとして、最大の所望のクランプレベルＶｃに固定される。出力電圧パルスＶｏｕｔは水平である。例示的なジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒの電圧は、クランプ電圧Ｖｃよりわずかに小さいように示される。この理想的な場合では、ジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒ内のいかなる入力電圧もクランプ回路に影響されず、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ比（図２Ｅに示される）は、ジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒの全体にわたって、及びクランプ電圧Ｖｃまで、一定であり、１（１．０）に等しい。
【００１５】
[0024]図２Ｃ−２Ｄは理想的でないクランプを表す。図２Ｃに示される例示的な入力電圧パルスＶｉｎは、クランプ電圧Ｖｃ以下の電圧において歪みを有する理想的でない例示的な出力電圧パルスＶｏｕｔ（図２Ｄ）として固定される（クランプされる）。この理想的でない場合では、例示的な出力電圧パルスＶｏｕｔは、理想的でないクランプのために、Ｖｉｎの貧弱な表現である。 図２Ｄに示されるように、Ｖｉｎがジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒ内にある場合でさえ、出力電圧Ｖｏｕｔの一部はＶｉｎと異なる。図２Ｆに示されるように、理想的でない場合については、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ比は、ジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒ内で１より小さい。Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ比がジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒ内で１より小さい場合、ジャイロスコープ信号は悪くなる。
【００１６】
[0025]過渡事象はクランプ回路の必要性を要求する。行き過ぎたスパイクが、変調スキームのランダム化が使用される不感帯抑制により、光ファイバジャイロスコープに周期的に生じてもよい。変調スキームのランダム化は、任意の振幅及び方向の方形パルスによって（通常、持続時間におけるマイクロ秒のオーダーで）周期的に変調される光検出器波形を生成する。信号処理電子装置の高い利得により、そのようなパルスは、電圧飽和しきい値又は損傷しきい値Ｖｓ又はＶｄを十分超えて増幅することができる。クランプ回路は損傷又は飽和を防ぐために必要である。
【００１７】
[0026]他の過渡事象は放射事象及び機械的衝撃である。放射事象において、光検出器は光電流で簡単にいっぱいになって、電圧飽和しきい値又は損傷しきい値Ｖｓ又はＶｄの上限より上の電圧スパイクを潜在的に作成する。同様に、機械的衝撃は、迅速な光損失過渡信号を生成して、低電圧飽和しきい値又は損傷しきい値Ｖｓ又はＶｄに近い電圧を駆動し得る。これらの過渡事象は光パワーの高速な一時的減少又は増加を引き起こし、通常、ＩＦＯＧの速度測定の精度を低減する。ＩＦＯＧの速度測定精度を低減する大きな光遷移又はグリッチは、本明細書において「大規模なジャイロスコープレート事象」と呼ばれる。本明細書に記載された回路の実施例は、正常な動作範囲で線形性を増加させ、クランプ処理中に高調波歪みを低減する。
【００１８】
[0027]ジャイロスコープ・ファームウェアは、遷移事象中に獲得サンプルをスキップすることによってグリッチ又はスパイクを拒絶するように構成されてもよい。しかし、クランプ回路（clamping circuitry）によって生成された歪みは、グリッチ雑音が遷移事象を超えて延在してジャイロスコープ信号を悪化させることを可能にしてもよい。
【００１９】
[0028]本明細書に記載された回路は、増幅器からの線形出力を要求する応用に適用可能であり、増幅器は２つ以上のレベル間で遷移する装置から信号を受信する。本明細書に記載された回路は、拡張されたダイナミックレンジにわたって線形動作範囲（すなわち、差動利得誤差が低い）を生成し、レート増幅器が動作範囲の末端において非線形になる可能性を低減する。
【００２０】
[0029]本明細書に記載された回路は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などの能動スイッチ素子を使用して、所望のクランプレベルまで改善された線形伝達関数（すなわち、クランプ関数）を提供する。本明細書に記載された回路は、必要に応じて又は回路のユーザーによって望まれる所望の動作範囲を含むように設計される。本明細書において定義されるように、回路から出力される「改善された線形伝達関数」は、従来技術のクランプ回路から出力される伝達関数の改善されたものである。
【００２１】
[0030]図３は、本発明によるクランプポイント能動回路１０の実施例を示す。クランプポイント能動回路１０はまた本明細書において回路１０と呼ばれる。回路１０は、レート増幅器１００、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００（または「能動スイッチ素子２００」及び「スイッチ素子２００」と本明細書において呼ばれる）、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１（または「能動スイッチ素子２０１」又は「スイッチ素子２０１」と本明細書において呼ばれる）、正電圧源２１０、第１のダイオード２２０、第２のダイオード２２１、負電圧源２１１、第３のダイオード２３０及び第４のダイオード２３１を含む。レート増幅器１００の反転入力１０５は入力抵抗２５２を介して装置５０からパルスを受信する。レート増幅器１００の非反転入力１０６は接地したラインに接続される。レート増幅器１００の出力１０７から出力信号を受信するために、出力抵抗器２５５及び出力キャパシタ２５６が連続して配置される。出力信号は、装置５０によって提供される技術的応用の種類によって、必要に応じて、バックエンド・ジャイロスコープ処理回路（図示せず）へ提供される。
【００２２】
[0031]レート増幅器１００は、２つのレベルの間で切り替わっている装置５０から出力を受信する。この実施例の１つの実施において、装置５０は干渉計光ファイバジャイロスコープのレート光検出器である。そのような実施例では、レート増幅器１００はレートジャイロスコープ増幅器１００である。したがって、「レート増幅器」及び「レートジャイロスコープ増幅器」という用語は、本明細書において交換可能に使用される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１は、レートジャイロスコープ増幅器１００のそれぞれのフィードバックループにある。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１は、レートジャイロスコープ増幅器１００から出力を受信する。回路１０中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作は、回路１０のバイポーラ接合トランジスタスイッチング動作を含まない従来技術のクランプ回路において増幅器から出力される信号よりもより線形である、所望の動作範囲内の伝達関数を有する信号を、レートジャイロスコープ増幅器１００に出力させる。例示的な従来技術のクランプ回路が図８に示される。
【００２３】
[0032]回路１０は対称的な方法で２つのバイポーラ接合トランジスタ２００及び２０１並びに４つのダイオード２２０、２２１、２３０及び２３１を使用する。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００、第１のダイオード２２０及び第２のダイオード２２１は、前半回路（first-half circuit）２１を形成する。レートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７があらかじめ選択された電圧を超過する場合、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００は、レートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７からレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５への低インピーダンスフィードバック経路を提供する。この実施例の１つの実施においては、あらかじめ選択された電圧は１Ｖ＋ＶＢＥ（約＋１．６Ｖ）であり、ＶＢＥはトランジスタのベースエミッタ（base-emitter）電圧である。第１のダイオード２２０（または本明細書においてＰＮダイオード２２０と呼ばれる）は逆電圧ブレークダウンの破損からＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００ベースエミッタ接合を保護する。第２のダイオード２２１（又は本明細書においてショットキーダイオード２２１と呼ばれる）は、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のコレクタ／エミッタ（ＣＥ）飽和を防ぎ、動作速度を改善する。
【００２４】
[0033]同様の動作が、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１、第４のダイオード２３１（または本明細書においてＰＮダイオード２３１と呼ばれる）及び第３のダイオード２３０（または本明細書においてショットキーダイオード２３０と呼ばれる）を含む、後半回路（second-half circuit）２２で生じる。ここで、レートジャイロスコープ増幅器１００の出力があらかじめ選択された値の負数を下回る場合、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１は、レートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７からレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５への低インピーダンスフィードバック経路を提供する。この実施例の１つの実施においては、あらかじめ選択された電圧の負数は−１Ｖ−ＶＢＥ（約−１．６Ｖ）である。第４のダイオード２３１は逆電圧ブレークダウンの破損からＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１ベースエミッタ接合を保護する。第３のダイオードは、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のコレクタ／エミッタ（ＣＥ）飽和を防ぎ、動作速度を改善する。前半回路２１及び後半回路２２は、ともに、動作範囲、最大動作範囲及び動作範囲を超える迅速なクランプの高い線形性をもたらす。
【００２５】
[0034]正電圧源２１０の出力、第１のダイオード２２０のアノード２２５及び第２のダイオード２２１のカソード２２７は、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のベース２７２に接続される。本明細書において定義されるように、２つの回路素子間の接続は、それら素子間の直接的な接続又は別の回路素子（例えば、抵抗器又はインダクタ）を介してなされる素子間の接続のいずれかである。この実施例の１つの実施においては、接続は回路基板上のトレースラインである。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のコレクタ２７０は、レートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。第２のダイオード２２１のアノード２２８は、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のコレクタ２７０及びレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。第１のダイオード２２０のカソード２２６は抵抗器２５４を介してレートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７に接続され、また、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のエミッタ２７１に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のエミッタ２７１は抵抗器２５４を介してレートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７に接続される。
【００２６】
[0035]負電圧源２１１の出力、第３のダイオード２３０のアノード２３５及び第４のダイオード２３１のカソード２３７は、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のベース２８２に接続される。ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のコレクタ２８０は、レートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。第３のダイオード２３０のカソード２３６は、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のコレクタ２８０及びレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。第４のダイオード２３１のアノード２３８は抵抗器２５３を介してレートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７に接続され、また、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のエミッタ２８１に接続される。ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のエミッタ２８１は抵抗器２５３を介してレートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７に接続される。
【００２７】
[0036]フィードバック抵抗器２５１及びフィードバックキャパシタ２５０はレートジャイロスコープ増幅器１００と平行に構成される。フィードバック抵抗器２５１及びフィードバックキャパシタ２５０は、レートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７からレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。このように、フィードバックがレートジャイロスコープ増幅器１００に提供される。クランプポイント能動回路１０のクランプ範囲は、精密電源２１０及び２１１を異なる値の精密電源２１０及び２１１で置き換えることにより容易に調節される。この実施例の１つの実施において、精密電源２１０及び２１１は調整可能な電源であり、クランプポイント能動回路１０のクランプ範囲は、精密電源２１０及び２１１を調整することにより調節される。
【００２８】
[0037]スイッチ素子２００及び２０１のスイッチングは、回路１０の線形動作範囲を拡張し、同時に、その他の方法では動作範囲を超過し得る過渡事象をクランプする最も大きな可能性を保証する。図３の回路１０中のスイッチ素子２００及び２０１のスイッチングは、レート増幅器１００に、所望の動作範囲の高い線形性をもって増幅させ、所望の動作範囲（例えば、Ｖｄより大きい）の外にある遷移する装置（transitioning device）５０から受信される過渡事象を一定レベルＶｃへとどめさせる。装置５０が少なくとも２つのレベルのうちの少なくとも１つのレベル（例えば、図１ＢのレベルＢを超えてレベルＣへ）移行する場合、レート増幅器１００がクランプされる。拡張された動作範囲にわたって固定された（クランプされた）過渡事象の割合を最大化するために、回路１０は選択された素子をもって設計される。
【００２９】
[0038]この実施例の１つの実施においては、固定された過渡事象の割合は９９．９９％に増加（改善）される。この実施例の別の実施では、固定された過渡事象の割合は９９．９９％に増加される。さらに別の実施例において、固定された過渡事象の割合は９９．９９９％に増加される。拡張された動作範囲にわたる固定された過渡事象の所望の割合を保証するために、回路１０は選択された素子をもって設計される。まだこの実施例のさらにの実施では、固定された過渡事象の割合は拡張された動作範囲にわたって最大化される。
【００３０】
[0039]この実施例の１つの実施において、第１のダイオード２２０はダイオード１Ｎ４１４８であり、第２のダイオード２２１はダイオード１Ｎ５７１１であり、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００はトランジスタ２Ｎ２９０７Ａであり、第３のダイオード２３０はダイオード１Ｎ５７１１であり、第４のダイオード２３１はダイオード１Ｎ４１４８であり、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１はトランジスタ２Ｎ２２２２Ａである。この実施例の別の実施では、フィードバック抵抗器２５１は６０００オームの抵抗器であり、フィードバックキャパシタ２５０は４ｐＦのキャパシタであり、抵抗器２５４は２００オームの抵抗器であり、抵抗器２５３は２００オームの抵抗器である。この実施例では、入力抵抗２５２は２０００オームの抵抗器であり、出力抵抗器２５５は８４．５オームの抵抗器であり、出力キャパシタ２５６は１ｐＦのキャパシタである。この実施例の別の実施では、回路１０は他のダイオード及びトランジスター、並びに抵抗器及びキャパシタについての他の値を含む。
【００３１】
[0040]図４Ａはシミュレートされた区分的に線形の入力波形５０を示す。図４Ｂは、理想的な線形回路、従来技術のクランプ回路及び図１の回路１０へ入力される図４Ａの入力波形５０に応答する、シミュレートされた出力波形６０、７０及び８０をそれぞれ示す。図４Ｂの出力波形６０は（ブレークポイントの前の比較について）純粋な線形出力を示す。出力波形７０は、出力波形６０に重ねられ、回路中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作を欠く例示的な理想的でない従来技術のクランプ回路（図８を参照）からの出力を示す。出力波形８０は、出力波形６０及び７０に重ねられ、回路１０（図３）からの出力を示し、従来技術の回路からの出力波形７０より線形である。出力波形８０が従来技術の出力波形７０より線形であるので、出力波形８０の動作範囲は、従来技術の出力波形７０の動作範囲を超えて拡張される。理想的には、出力波形８０は、ブレークポイントの前に３ボルト／マイクロ秒に近い理想的なスルーレートを有する。この動作は、意図的に、ブレークポイント未満に縮小されたレートにおける正確なレート決定のためにＩＦＯＧ Ａ−Ｂ統合をサポートする。したがって、図３の回路１０は、従来技術のクランプ回路より高く固定し、ジャイロスコープの光遷移事象の統計的集合の歪みを低減する、クランプポイントを提供する。
【００３２】
[0041]好ましい線形関数は、ある定義されたしきい値、おそらくは１００ｐｐｍ未満だけ理想と異なる関数である；言いかえれば、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎが１００ｐｐｍ内で１．０と等しい場合、回路は高度に線形である。ここで別の定義によれば、高度な線形関数は、１０ｐｐｍ未満だけ理想と異なる関数である。ここでの１つの定義によれば、クランプが生じる領域は、クランプが生じる領域が、クランプが生じる全体の時間の初期の時間の５％未満の間、クランプ電圧Ｖｃの１％未満の振動（共鳴）を含む場合、高度に線形であると考えられる。ここでの１つの定義によれば、クランプが生じる領域は、クランプが生じる領域が、クランプが生じる全体の時間の初期の時間の１０％未満の間、クランプ電圧Ｖｃの３％未満の振動（共鳴）を含む場合、高度に線形であると考えられる。ここでの１つの定義によれば、クランプが生じる領域が、従来技術のクランプ回路から利用可能なクランプ電圧Ｖｃの１０％の共鳴ではなくクランプ電圧Ｖｃの１％未満の振動（共鳴）を含む場合、伝達関数は高度に線形である。ここでの１つの定義によれば、クランプが生じる全体の時間の２０％の間に生じる従来技術のクランプ回路における共鳴ではなく、クランプが生じる全体の時間の５％未満の間、共鳴が生じるように、伝達関数の線形性が改善される。
【００３３】
[0042]クランプ回路の他の実施例は、レートフィードバックネットワークの外部にある電圧やネットワークを必要としない。レートフィードバックネットワークの外の電圧又はネットワーク（回路素子を含む）が回路に余分な雑音を導入し得るので、これらの実施例は、外部ソース／回路を必要とする回路に関して、ランダムな及び系統的な雑音のレベルを低減することができる。レートフィードバックネットワーク回路の外部の電圧又はネットワークを必要としないクランプ回路の実施例は、従来技術のクランプ回路より、クランプ機能を行い／解放する際にかなり高速である。そのような回路は、温度又は他の環境変化に関して従来技術のクランプ回路より良好なスケールファクター線形性性能を生成し、有利である。理想的なレート増幅器は振幅及び温度に関して線形に動作し、クランプするが、記載される動作条件の下では飽和しない。
【００３４】
[0043]図５は、本発明によるクランプポイント能動回路１１の実施例を示す。クランプポイント能動回路１１はまた本明細書において回路１１と呼ばれる。回路１１は、レート増幅器１０１、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００（また「能動スイッチ素子３００」及び「スイッチ素子３００」とも本明細書において呼ばれる）、第１の抵抗器３１０、第２の抵抗器３１１及びフィードバックキャパシタ３４１を含む。レート増幅器１０１、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００、第１の抵抗器３１０及び第２の抵抗器３１１は、ともに、レートジャイロスコープ増幅器１０１へのレートフィードバックネットワーク８５を形成する。回路１１はまた、入力抵抗３５０、出力抵抗器３４２及び出力キャパシタ３４３を含む。レート増幅器１０１の反転入力１１５は入力抵抗３５０を介して電流を受信する。レート増幅器１０１の非反転入力１１６は接地される。
【００３５】
[0044]レート増幅器１０１は、２つのレベルの間で切り替わる装置５０から出力を受信する。この実施例の１つの実施では、装置５０は干渉計光ファイバジャイロスコープのレート光検出器である。この場合、レート増幅器１０１はレートジャイロスコープ増幅器１０１である。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００はレートジャイロスコープ増幅器１０１のフィードバックループにある。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００はレートジャイロスコープ増幅器１０１から出力を受信する。回路１１中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作は、正常動作電圧範囲における改善された線形性及びこの範囲の上の改善されたクランプを備えた伝達関数をレートジャイロスコープ増幅器１０１に与える。
【００３６】
[0045]ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のエミッタ３７１はレートジャイロスコープ増幅器１０１の出力１１７に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のコレクタ３７０は、レートジャイロスコープ増幅器１０１の反転入力１１５に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のベース３７２は、互いに直列な第１の抵抗器３１０と第２の抵抗器３１１との間のノード３１２に接続される。第１の抵抗器３１０及び第２の抵抗器３１１はレートジャイロスコープ増幅器１０１の反転入力１１５及び出力１１７と並列である。フィードバックキャパシタ３４１はまた、レートジャイロスコープ増幅器１０１の反転入力１１５及び出力１１７と並列である。クランプポイント能動回路１１のクランプ範囲は、抵抗器３１１を別の値の抵抗器３１１で置き換えることにより容易に調節される。
【００３７】
[0046]この実施例の１つの実施では、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００はＭＭ３９０６トランジスタであり、フィードバック抵抗器３１０は３６５０オームの抵抗器であり、フィードバック抵抗器３１１は６６５オームの抵抗器であり、フィードバックキャパシタ３４１は１８ｐＦのキャパシタであり、抵抗器３４２は１６９オームの抵抗器であり、抵抗器３５０は３８３オームの抵抗器である。この実施例の別の実施では、回路１１は別のトランジスタ、並びに抵抗器及びキャパシタについて他の値を含む。
【００３８】
[0047]図５の回路１１中のスイッチ素子３００のスイッチングは、回路１１の線形動作範囲を拡張し、同時に、その他の方法では動作範囲を超過し得る過渡事象をクランプする最も大きな可能性を保証する。スイッチ素子３００のスイッチングは、レート増幅器１０１に、所望の動作範囲で高い線形性で増幅させ、所望の動作範囲の外にある遷移装置５０から受信された過渡事象を一定レベル（クランプ電圧）Ｖｃへ固定させる。装置５０が少なくとも２つのレベルＡ及びＢ（図１Ｂ）のうち少なくとも１レベルを超えて（例えば、図１ＢのレベルＣへのレベルＢを超えて）移行する場合、レート増幅器１０１はクランプされる。拡張された動作範囲にわたって固定された過渡事象の割合を最大化するために、回路１１は選択された素子をもって設計される。
【００３９】
[0048]図６は、本発明によるクランプポイント能動回路１２の実施例を示す。クランプポイント能動回路１２はまた、「回路１２」及び「カスコード回路１２」と本明細書において呼ばれる。回路１２は、レート増幅器１０２、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００（また「能動スイッチ素子４００」及び「スイッチ素子４００」と本明細書において呼ばれる）、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１（また「能動スイッチ素子４０１」及び「スイッチ素子４０１」と本明細書において呼ばれる）、第１の抵抗器３２０、第２の抵抗器３２１、フィードバックキャパシタ３４０、抵抗器３２３及び抵抗器３２２を含む。レート増幅器１０２、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１、第１の抵抗器３２０、第２の抵抗器３２１、フィードバックキャパシタ３４０、抵抗器３２３及び３２２は、ともに、レートジャイロスコープ増幅器１０２へのレートフィードバックネットワーク８６を形成する。回路１２はまた、入力抵抗３５１、出力抵抗器３４４及び出力キャパシタ３４５を含む。レート増幅器１０２の反転入力１２５は入力抵抗３５１を介して電流を受信する。レート増幅器１０２の非反転入力１２６は接地したラインに接続される。
【００４０】
[0049]レート増幅器１０２は、少なくとも２つのレベル（例えば、レベルＡ及びＢ）の間で切り替わっている装置５０から出力を受信する。この実施例の１つの実施では、装置５０は干渉計光ファイバジャイロスコープのレート光検出器であり、レート増幅器１０２はレートジャイロスコープ増幅器１０２である。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１は、レートジャイロスコープ増幅器１０２のフィードバックループにある。回路１２中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作は、レートジャイロスコープ増幅器１０２に、改善された伝達関数を出力させる。
【００４１】
[0050]ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のエミッタ４６１はレートジャイロスコープ増幅器１０２の出力１２７に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のコレクタ４６０は、抵抗器３２３を介してレートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のベース４６２は、互いに直列の第１の抵抗器３２０と第２の抵抗器３２１との間のノード４１２に接続される。第１の抵抗器３２０及び第２の抵抗器３２１はレートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５及び出力１２７と並列である。フィードバックキャパシタ３４０はまた、レートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５及び出力１２７と並列である。
【００４２】
[0051]ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のエミッタ４７１は、抵抗器３２２を介して、レートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５に接続される。ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のコレクタ４７０はレートジャイロスコープ増幅器１０２の出力１２７に接続される。ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のベース４７２は、抵抗器３２３を介して、レートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５に接続される。ベース４７２はまた、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のコレクタ４６０に接続される。クランプポイント能動回路１１のクランプ範囲は、抵抗器３２１を別の値の抵抗器３２１で置き換えることにより容易に調節される。
【００４３】
[0052]回路１２は高速で高度に線形な応答を可能にするカスコード回路１２である。回路１１又は１２は、それぞれ、レートフィードバックネットワーク８５又は８６の外の電圧から独立しており、したがって外部の電圧によって生成される余分な雑音とは無関係である。
【００４４】
[0053]この実施例の１つの実施では、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００はトランジスタＭＭ３９０６であり、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１はトランジスタＭＰＳ２２２２であり、フィードバック抵抗器３２０は３７１１オームの抵抗器であり、フィードバック抵抗器３２１は６０４オームの抵抗器であり、フィードバックキャパシタ３４０は７ｐＦのキャパシタであり、抵抗器３２３は１０Ｋオームの抵抗器であり、抵抗器３２２は１オームの抵抗器である。この実施例の別の実施では、入力抵抗３５１は３８３オームの抵抗器であり、出力抵抗器３４４は１６９オームの抵抗器である。この実施例の別の実施では、回路１２は他のトランジスター、並びに抵抗器及びキャパシタについて他の値を含む。
【００４５】
[0054]図６の回路１２中のスイッチ素子４００及び４０１のスイッチングは、回路１２の線形動作範囲を拡張し、同時に、その他の方法では動作範囲を超過し得る過渡事象をクランプする最も大きな可能性を保証する。スイッチ素子４００及び４０１のスイッチングは、レート増幅器１０２に、所望の動作範囲で高い線形性で増幅させ、所望の動作範囲の外にある、遷移装置５０から受信された過渡事象を一定レベル（クランプ電圧）Ｖｃへ固定させる。装置５０が少なくとも２つのレベルＡ及びＢ（図１Ｂ）のうち少なくとも１つのレベルを超えて（例えば、図１ＢのレベルＣに対してレベルＢを超えて）移行する場合、レート増幅器１０２はクランプされる。拡張された動作範囲にわたってクランプされた過渡事象の割合を最大化するために、回路１２は選択された素子をもって設計される。
【００４６】
[0055]図７は、従来技術のクランプ回路１３及び図６の回路１２へ入力される入力三角波形１５０に応答する、シミュレートされた出力波形１７０及び１８０を示す。図８は従来技術のクランプ回路１３を示す。
【００４７】
[0056]図７の入力波形１５０は純粋な線形入力を示す。三角波形１５１は、回路１２（図６）のレート増幅器１０２の反転入力ノード１２５においてオフセット回路によって出力波形１５０から取り除かれたＤＣオフセット差である。出力波形１７０は、回路中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作を欠く、例示的な理想的でない従来技術のクランプ回路１３（図９）からの出力を示す。出力波形１８０は、カスコード回路１２（図６）からの出力を示す。
【００４８】
[0057]回路１１の線形性と歪みの性能は従来技術のクランプ回路１３（図８）よりよいが、カスコード回路１２のそれよりは小さい。有利なことに、回路１１は、より少数のコンポーネントが高線形性を提供することを要求する。回路１２の線形性と歪みの性能は非常に高いが、回路１２は回路１１に要求されるコンポーネントの２倍より多くのものを必要とする。バイポーラ接合トランジスタスイッチング動作は、正常動作電圧範囲Ｖｇｏｒにおいてより線形である伝達関数を提供しつつ、それぞれ回路１０、１１及び１２中のレートジャイロスコープ増幅器１００、１０１及び１０２の出力を、所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄに固定する。回路１０、１１及び１２中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作は、それぞれ、レートジャイロスコープ増幅器１００、１０１及び１０２に、回路１０、１１又は１２のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作のない増幅器から出力される信号より線形である伝達関数を備えた所望のクランプレベルＶｃより下の信号を出力させる。実施例において、本明細書に記載された回路は、記載された要素と直列の及び／又は並列の追加の素子を含む。
【００４９】
[0058]異なるジャイロスコープの適用されたバイアス変調振幅（変調深さ）に基づき、本明細書に示された回路１０、１１及び１２の異なる実施例が好ましい。例えば、図５及び６の回路１１及び１２は３／４π変調を有するジャイロスコープにとってよりよい回路である一方、図３の回路１０はπ／２変調を有するジャイロスコープにとってよりよい回路である。
【００５０】
[0059]図９は、本発明による、動作範囲を拡張し、回路の出力の線形性を改善する方法９００を表す流れ図である。方法９００に関して記載された回路は回路１０、１１又は１２のいずれかである。
【００５１】
[0060]ブロック９０２において、少なくとも２つのレベルの間で切り替わる装置５０からの出力は、回路１０、１１又は１２中のレート増幅器１００、１０１又は１０２の反転入力において、それぞれ受信される。
【００５２】
[0061]ブロック９０４において、フィードバックが、少なくとも１つのスイッチ素子を介して、レート増幅器１００、１０１又は１０２に提供される。この実施例の１つの実施では、スイッチ素子は少なくとも１つのＰＮＰバイポーラ接合トランジスタである。回路１０において、図３に関して上に記載されるように、フィードバックは、バイポーラ接合トランジスタ２００及び２０１を介してレート増幅器１００に提供される。回路１１において、図５に関して上に記載されるように、フィードバックは、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００を介してレート増幅器１０１に提供される。回路１２において、図６に関して上に記載されるように、フィードバックは、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１を介してレート増幅器１０２に提供される。
【００５３】
[0062]ブロック９０６において、装置が少なくとも２つのレベルのうち少なくとも１つのレベルを超えて移行する場合にレート増幅器の出力がクランプされる一方、同時に、回路の線形動作範囲が拡張される。例えば、回路１０、１１及び１２のレート増幅器１００、１０１及び１０２はそれぞれ、装置がレベルＡからレベルＣなどのレベルＢを超えたレベルへ遷移する場合、クランプされる。
【００５４】
[0063]複数の遷移事象（transitioning events）（あるレベルから別のレベルへの装置５０のスイッチング）について、線形の遷移事象（例えば、必要に応じてクランプあり又はクランプなしで所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄを下回る遷移事象）の割合は、拡張された動作範囲にわたって増加させられる。複数の過渡事象について、固定された（クランプされた）過渡事象（例えば、所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄに固定される過渡事象）の割合は、拡張された動作範囲について増加される。本明細書において定義されるように、線形の遷移事象は、レート増幅器からの高度に線形な伝達関数をもたらす遷移事象である。したがって、線形の遷移事象は、その他の方法では電子コンポーネントの安全動作範囲内にある電圧波形の歪みを低減する。
【００５５】
[0064]図１０は、本発明による、動作範囲を拡張し、干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）から入力を受信する回路の出力の線形性を改善する方法１０００を表す流れ図である。方法１０００に関して記載された回路は回路１０、１１又は１２のいずれかである。
【００５６】
[0065]ブロック１００２において、２つのレベル間で遷移するＩＦＯＧ５０からの出力は、回路１０、１１又は１２のレートジャイロスコープ増幅器１００、１０１又は１０２の入力において、それぞれ受信される。
【００５７】
[0066]ブロック１００４において、フィードバックは、スイッチ素子を介して、レートジャイロスコープ増幅器１００、１０１又は１０２に提供される。この実施例の１つの実施では、スイッチ素子は少なくとも１つのＰＮＰバイポーラ接合トランジスタである。回路１０において、図３に関して上に記載されるように、フィードバックは、レート増幅器１００の反転入力１０５にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のコレクタ２７０を接続し；レート増幅器１００の反転入力１０５にＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のコレクタ２８０を接続し；正電圧源２１０の出力、第１のダイオード２２０のアノード２２５、及び第２のダイオード２２１のカソード２２７をＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のベース２７２へ接続し；負電圧源２１１の出力、第３のダイオード２３０のアノード２３５及び第４のダイオード２３１のカソード２３７を、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のベース２８２へ接続することによって、バイポーラ接合トランジスタ２００及び２０１を介してレート増幅器１００に提供される。
【００５８】
[0067]回路１１において、図５に関して上に記載されるように、フィードバックは、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のエミッタ３７１にレート増幅器１０１の出力１１７を接続し；レート増幅器１０１の反転入力１１５にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のコレクタ３７０を接続し；互いに直列な第１の抵抗器３１０と第２の抵抗器３１１との間のノード３１２へＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のベース３７２を接続することによって、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００を介してレート増幅器１０１に提供される。
【００５９】
[0068]回路１２において、図６に関して上に記載されるように、フィードバックは、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のエミッタ４６１にレート増幅器１０２の出力１２７を接続し； 抵抗器３２３を介してレート増幅器１０２の反転入力１２５にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のコレクタ４６０を接続し；互いに直列である第１の抵抗器３２０と第２の抵抗器３２１との間のノード４１２にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のベース４６２を接続し；ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のベース４７２にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のコレクタ４６０を接続し；レート増幅器１０２の出力１２７にＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のコレクタ４７０を接続し；第３の抵抗器３２２を介してレート増幅器１０２の入力１２５にＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４００のエミッタ４７１を接続することによって、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１を介してレート増幅器１０２に提供される。
【００６０】
[0069]ブロック１００６において、ＩＦＯＧ５０が少なくとも２つのレベルのうち少なくとも１つのレベルを超えて移行する場合、レートジャイロスコープ増幅器１００、１０１又は１０２の出力はクランプされる。例えば、ＩＦＯＧ５０がレベルＡからレベルＣなどのレベルＢを超えたレベルへ移行する場合、回路１０、１１及び１２のレートジャイロスコープ増幅器１００、１０１及び１０２は、それぞれ、所望のクランプレベルＶｃに固定される。複数の遷移事象（あるレベルから別のレベルへのＩＦＯＧ５０のスイッチング）について、線形の遷移事象（例えば、必要に応じてクランプあり又はクランプなしに所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄを下回る遷移事象）の割合は、拡張された動作範囲にわたって増加させられる。複数の過渡事象について、固定された過渡事象（例えば、所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄに固定される過渡事象）の割合は、拡張された動作範囲について増加される。回路１０（図３）において、精密電源２１０及び２１１はクランプ調節をもたらすために切り替えられる。この実施例の１つの実施では、精密電源２１０及び２１１は調整可能であり、精密電源２１０及び２１１はクランプ調節をもたらすために調整される。回路１１及び１２（それぞれ図５及び６）において、抵抗器３１１又は３２１は、クランプ動作電圧に対して調節をもたらすために、異なる抵抗値の抵抗器で置き換えられる。この実施例の１つの実施では、抵抗器３１１又は３２１は調整可能であり、抵抗値はクランプ動作電圧に対して調節をもたらすために調整される。このように、複数の遷移事象について、固定された過渡事象の割合は、拡張された動作範囲に対して増加される。
【００６１】
[0070]特定の実施例が本明細書において示され記載されたが、当業者であれば、同じ目的を達成することを意図した任意の構成が、開示された特定の実施例の代わりに用いられてもよいことが理解されよう。本出願は、本発明についての任意の適応及び変更を含むように意図される。したがって、本発明が請求項及びその均等物によってのみ限定されることが明白に意図される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高線形性信号処理増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0001]光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）において、回転速度の情報は、ファイバコイルを通じて反対方向に伝播する２つの波の間の光位相で符号化される。次いで、それらの波は光検出器にともに衝突させられ、回転によって引き起こされる位相は光干渉強度及び結果として生じる光電流を決定する。次いで、この電流は、通常、おそらくは追加のアナログ又はデジタル利得が印加されて、信号処理のために電圧へとトランスインピーダンス増幅される。高性能ＦＯＧでは、回転信号対雑音比を最大化するために、電圧信号は、通常、できるだけ大きな利得で増幅される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0002]ジャイロスコープの信号処理経路において使用されるある電子コンポーネントは、最大の使用可能な利得に制限を課すことがあり得る。例えば、多くの高性能ＦＯＧは、光検出器信号をデジタル化するためにアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用する。これらのＡＤＣはやや狭い損傷しきい値をしばしば有し、安全な入力電圧範囲を、例えば０Ｖ−５Ｖに制限する。この制限された安全な入力電圧範囲は、ＡＤＣにつながる電子装置チェーン（electronics chain）に適用することができる最大利得を低減する。
【０００４】
[0003]電圧を安全な入力電圧範囲に固定するために現在利用可能な回路は、入力電圧波形をかなり変形させ、さらに、大きなジャイロスコープ過渡事象（transient events）がレートジャイロスコープ回路の捕捉領域で終了することを可能にする。そのような歪みは、雑音、バイアス変調ピックアップ、スケールファクター（倍率）非線形性及び他の要因を増加させ、ジャイロスコープの性能を悪化させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0004]本願はクランプポイント（clamp-point）能動回路に関連する。クランプポイント能動回路は、少なくとも２つのレベル間で遷移装置から出力を受信するように構成されたレート増幅器を含む。クランプポイント能動回路は、レート増幅器から出力を受信するように構成された少なくとも１つのスイッチ素子を有する。少なくとも１つのスイッチ素子は、レート増幅器の少なくとも１つのそれぞれのフィードバックループに存在する。少なくとも１つのスイッチ素子の切り替えは、レート増幅器に、所望の動作範囲の高線形性をもって増幅させ、所望の動作範囲の外にある移行している装置から受信される出力を一定のレベルに固定させる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】[0005]通常の動作中の方形波変調による干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）のフォトダイオード出力を示す。
【図１Ｂ】[0006]過渡事象中の方形波変調による閉ループ干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）の動作を示す。
【図２】[0007] 図２Ａは例示的な理想的及び理想的でないクランプ（clamping）を示す。図２Ｂは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ｃは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ｄは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ｅは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ｆは例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。
【図３】[0008]本発明によるクランプポイント能動回路の実施例を示す。
【図４】[0009] 図４Ａはシミュレートされた区分的に線形の入力波形を示す。 [0010] 図４Ｂは理想的な線形回路、従来技術のクランプ回路及び図１の回路へ入力される図４Ａの入力波形に応答したシミュレートされた出力波形を示す。
【図５】[0011]本発明によるクランプポイント能動回路の実施例を示す。
【図６】本発明によるクランプポイント能動回路の実施例を示す。
【図７】[0012]従来技術のクランプ回路及び図６の回路へ入力される入力三角波形に応答したシミュレートされた出力波形を示す。
【図８】[0013]従来技術のクランプ回路を示す。
【図９】[0014]本発明による、動作範囲を拡張して回路の出力の線形性を改善する方法を表す流れ図である。
【図１０】[0015]本発明による、動作範囲を拡張し、干渉計光ファイバジャイロスコープから入力を受信する回路の出力の線形性を改善する方法を表す流れ図である。
【０００７】
[0016]一般的慣習に従って、様々な記載された特徴は縮尺どおりには描かれず、本発明に関連する特徴を強調するように描かれる。同様の参照文字は図面及びテキストの全体にわたって同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[0017]信号処理経路中のクランプ回路の実施例が本明細書に記載される。これらのクランプ回路は、電子コンポーネントの安全動作範囲内にそうでなければ存在する電圧波形の歪みがない、ＦＯＧ又は干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）信号処理における拡張された利得の使用を可能にする。回路は、脆弱な電子コンポーネントへの入力電圧を安全動作範囲（電圧損傷しきい値又は他の望ましいしきい値Ｖｄより下）へとどめるために使用される。望ましいしきい値Ｖｄは、最大の安全な電圧又は最大レベルの所望の動作範囲である。理想的なクランプ回路は、１）歪みなしに、Ｖｃ≦Ｖｄとなるように所望のクランプレベルに制限されたいくらか選択されたクランプ電圧Ｖｃ内の電圧を通し；２）選択されたクランプ範囲に対する電圧損傷しきい値又は他の望ましいしきい値Ｖｄより上の電圧可動域を回避又は制限することができる。選択されたクランプ範囲は、正常動作電圧範囲以上である。正常動作電圧範囲はまた、「正常なジャイロ動作範囲Ｖｇｏｒ」と本明細書において呼ばれる。
【０００９】
[0018]上述のＡＤＣ損傷しきい値の考えが及ばないような、所望のクランプレベルＶｃ（また、クランプ電圧Ｖｃ又は一定レベルＶｃと本明細書において呼ばれる）を選択する他の基準があってもよい。例えば、演算増幅器が飽和しないことを保証することが望ましいかもしれない；飽和は演算増幅器に対して損傷リスクをもたらさないが、にもかかわらず、各飽和事象の後の非常に長く予測不能の回復時間という形での性能劣化につながることがある。この場合、所望のクランプレベルＶｃ＜ＶｓであってＶｓが演算増幅器の飽和レベルであり、Ｖｃが回路のクランプレベルであるように、クランプ回路を設計することが望ましいかもしれない。クランプレベルＶｃの特定の値が異なる適用に応じて変化する場合があることが理解されるべきである。
【００１０】
[0019]図１Ａは、正常動作中の方形波変調による干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）のフォトダイオード出力を示す。本明細書において定義されるように、過渡事象がＩＦＯＧによって経験されていない場合、「干渉計光ファイバジャイロスコープの正常動作」はＩＦＯＧの動作である。方形波変調によるＩＦＯＧの正常動作において、変調波形２５によって示されるように、光検出器出力は、方形波の各遷移における非常に短いスパイク３１又はグリッチ３１とともに、出力波形３０として示される、実質的には方形波である。「フォトダイオード出力」という用語は、フォトダイオードの光電流出力を直接的に指すか、又は光電流を電圧に変換するトランスインピーダンス増幅器の電圧出力を指す。交流の（alternating）方形波の位相はＡとＢとラベル付けされる。レベルＡからレベルＢへの遷移は、「遷移事象」及び「線形遷移事象」と本明細書において呼ばれる。レベルＡからレベルＢへの又はレベルＢからレベルＡへの線形遷移事象は、本明細書において「正常な遷移」と呼ばれ、クランプ（clamping）を必要としない。ジャイロスコープが１つの方向に回転している場合、方形波復調によって通常得られる差信号（Ａ−Ｂ）は０より大きく、ジャイロスコープが他の（反対）方向に回転している（スピンしている）場合、差信号（Ａ−Ｂ）は０より小さい。光ビームに位相補正を提供することにより、「閉ループ」ＩＦＯＧ回路はこのＡ−Ｂ差信号をゼロにする（無効にする）。信号をゼロにするのに要する補正の量は、コイル（ジャイロ）が回している速度に比例する。
【００１１】
[0020]ＩＦＯＧ応用について、線形のＡ及びＢ信号は正確な回転速度値を得ることにとって重要である。応答が線形でない場合、ＩＦＯＧ速度測定の性能に誤差が存在する。高性能ＩＦＯＧレート増幅器は、回転速度を正確に測定するために、Ａ及びＢ信号の両方の線形性を示さなければならない。バイアス変調についてＡ位相からＢ位相へ回転する場合、電子装置はジャイロスコープの最大出力（インターフェログラムのピーク）を超えて動作点を迅速に移動させ、このポイントにおいて、光パワー中のスパイクが生成される（例えば、スパイク３１）。
【００１２】
[0021]光検出器波形３０の方形波は通常非常に振幅が低い。この実施例の１つの実施において、振幅は、開ループジャイロスコープのゼロ回転速度又は閉ループジャイロスコープのゼロ加速度に対してゼロである。いくつかの回転速度及び／又は加速度条件については、方形波の振幅は所望のクランプレベルＶｃに近づく。この場合、クランプ回路が、Ｖ≦Ｖｃの任意のＶに対して光検出器波形３０の一般に方形の形状を歪ませないことが重要である。別の方法で述べると、入力電圧が所望のクランプレベルＶｃ以下である限り、クランプ出力が方形波入力電圧（すなわち、方形波変調波形２５）において線形であることが重要である。そのようなクランプ線形性はジャイロスコープの良好なスケールファクター線形性を保証するために必要である。
【００１３】
[0022]本明細書に記載された回路は、信号処理電子装置の増加した動作範囲を提供し、この所望の動作範囲における高い線形性を提供し、過渡事象の場合でさえ動作範囲を超えて迅速にクランプするように設計されている。図１Ｂは、過渡事象中の方形波変調による干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）の動作を示す。過渡事象は、所望のクランプレベルＶｃを超過し、下流の電子装置の飽和損傷しきい値（Ｖｓ又はＶｄ）を越える、光検出器波形４０中のパルス３５を生成する。レベルＡ又はレベルＢから例示的なレベルＣへの遷移は、「過渡事象」と本明細書において呼ばれる。レベルＡからレベルＣ又はレベルＢからレベルＣへの過渡事象は、通常、クランプがない場合、信号レベルを、下流の電子装置の飽和しきい値又は損傷しきい値を超えさせる、まれな事象である。過渡事象は、本明細書に記載された回路によって、選択された所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄ（例えば、定義された範囲）に固定される。
【００１４】
[0023]本明細書に記載された回路の利点を明確に概説するために、理想的な及び理想的でないクランプの影響が記載される。図２Ａ−２Ｆは、例示的な理想的及び理想的でないクランプを示す。図２Ａ−２Ｂは、それぞれ、Ｖｉｎ及びＶｏｕｔに対する理想的なクランプを示す。図２Ａに示される例示的な入力電圧パルスＶｉｎは、図２Ｂに示される例示的な出力電圧パルスＶｏｕｔとして、最大の所望のクランプレベルＶｃに固定される。出力電圧パルスＶｏｕｔは水平である。例示的なジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒの電圧は、クランプ電圧Ｖｃよりわずかに小さいように示される。この理想的な場合では、ジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒ内のいかなる入力電圧もクランプ回路に影響されず、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ比（図２Ｅに示される）は、ジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒの全体にわたって、及びクランプ電圧Ｖｃまで、一定であり、１（１．０）に等しい。
【００１５】
[0024]図２Ｃ−２Ｄは理想的でないクランプを表す。図２Ｃに示される例示的な入力電圧パルスＶｉｎは、クランプ電圧Ｖｃ以下の電圧において歪みを有する理想的でない例示的な出力電圧パルスＶｏｕｔ（図２Ｄ）として固定される（クランプされる）。この理想的でない場合では、例示的な出力電圧パルスＶｏｕｔは、理想的でないクランプのために、Ｖｉｎの貧弱な表現である。 図２Ｄに示されるように、Ｖｉｎがジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒ内にある場合でさえ、出力電圧Ｖｏｕｔの一部はＶｉｎと異なる。図２Ｆに示されるように、理想的でない場合については、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ比は、ジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒ内で１より小さい。Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ比がジャイロスコープ動作範囲Ｖｇｏｒ内で１より小さい場合、ジャイロスコープ信号は悪くなる。
【００１６】
[0025]過渡事象はクランプ回路の必要性を要求する。行き過ぎたスパイクが、変調スキームのランダム化が使用される不感帯抑制により、光ファイバジャイロスコープに周期的に生じてもよい。変調スキームのランダム化は、任意の振幅及び方向の方形パルスによって（通常、持続時間におけるマイクロ秒のオーダーで）周期的に変調される光検出器波形を生成する。信号処理電子装置の高い利得により、そのようなパルスは、電圧飽和しきい値又は損傷しきい値Ｖｓ又はＶｄを十分超えて増幅することができる。クランプ回路は損傷又は飽和を防ぐために必要である。
【００１７】
[0026]他の過渡事象は放射事象及び機械的衝撃である。放射事象において、光検出器は光電流で簡単にいっぱいになって、電圧飽和しきい値又は損傷しきい値Ｖｓ又はＶｄの上限より上の電圧スパイクを潜在的に作成する。同様に、機械的衝撃は、迅速な光損失過渡信号を生成して、低電圧飽和しきい値又は損傷しきい値Ｖｓ又はＶｄに近い電圧を駆動し得る。これらの過渡事象は光パワーの高速な一時的減少又は増加を引き起こし、通常、ＩＦＯＧの速度測定の精度を低減する。ＩＦＯＧの速度測定精度を低減する大きな光遷移又はグリッチは、本明細書において「大規模なジャイロスコープレート事象」と呼ばれる。本明細書に記載された回路の実施例は、正常な動作範囲で線形性を増加させ、クランプ処理中に高調波歪みを低減する。
【００１８】
[0027]ジャイロスコープ・ファームウェアは、遷移事象中に獲得サンプルをスキップすることによってグリッチ又はスパイクを拒絶するように構成されてもよい。しかし、クランプ回路（clamping circuitry）によって生成された歪みは、グリッチ雑音が遷移事象を超えて延在してジャイロスコープ信号を悪化させることを可能にしてもよい。
【００１９】
[0028]本明細書に記載された回路は、増幅器からの線形出力を要求する応用に適用可能であり、増幅器は２つ以上のレベル間で遷移する装置から信号を受信する。本明細書に記載された回路は、拡張されたダイナミックレンジにわたって線形動作範囲（すなわち、差動利得誤差が低い）を生成し、レート増幅器が動作範囲の末端において非線形になる可能性を低減する。
【００２０】
[0029]本明細書に記載された回路は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などの能動スイッチ素子を使用して、所望のクランプレベルまで改善された線形伝達関数（すなわち、クランプ関数）を提供する。本明細書に記載された回路は、必要に応じて又は回路のユーザーによって望まれる所望の動作範囲を含むように設計される。本明細書において定義されるように、回路から出力される「改善された線形伝達関数」は、従来技術のクランプ回路から出力される伝達関数の改善されたものである。
【００２１】
[0030]図３は、本発明によるクランプポイント能動回路１０の実施例を示す。クランプポイント能動回路１０はまた本明細書において回路１０と呼ばれる。回路１０は、レート増幅器１００、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００（または「能動スイッチ素子２００」及び「スイッチ素子２００」と本明細書において呼ばれる）、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１（または「能動スイッチ素子２０１」又は「スイッチ素子２０１」と本明細書において呼ばれる）、正電圧源２１０、第１のダイオード２２０、第２のダイオード２２１、負電圧源２１１、第３のダイオード２３０及び第４のダイオード２３１を含む。レート増幅器１００の反転入力１０５は入力抵抗２５２を介して装置５０からパルスを受信する。レート増幅器１００の非反転入力１０６は接地したラインに接続される。レート増幅器１００の出力１０７から出力信号を受信するために、出力抵抗器２５５及び出力キャパシタ２５６が連続して配置される。出力信号は、装置５０によって提供される技術的応用の種類によって、必要に応じて、バックエンド・ジャイロスコープ処理回路（図示せず）へ提供される。
【００２２】
[0031]レート増幅器１００は、２つのレベルの間で切り替わっている装置５０から出力を受信する。この実施例の１つの実施において、装置５０は干渉計光ファイバジャイロスコープのレート光検出器である。そのような実施例では、レート増幅器１００はレートジャイロスコープ増幅器１００である。したがって、「レート増幅器」及び「レートジャイロスコープ増幅器」という用語は、本明細書において交換可能に使用される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１は、レートジャイロスコープ増幅器１００のそれぞれのフィードバックループにある。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１は、レートジャイロスコープ増幅器１００から出力を受信する。回路１０中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作は、回路１０のバイポーラ接合トランジスタスイッチング動作を含まない従来技術のクランプ回路において増幅器から出力される信号よりもより線形である、所望の動作範囲内の伝達関数を有する信号を、レートジャイロスコープ増幅器１００に出力させる。例示的な従来技術のクランプ回路が図８に示される。
【００２３】
[0032]回路１０は対称的な方法で２つのバイポーラ接合トランジスタ２００及び２０１並びに４つのダイオード２２０、２２１、２３０及び２３１を使用する。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００、第１のダイオード２２０及び第２のダイオード２２１は、前半回路（first-half circuit）２１を形成する。レートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７があらかじめ選択された電圧を超過する場合、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００は、レートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７からレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５への低インピーダンスフィードバック経路を提供する。この実施例の１つの実施においては、あらかじめ選択された電圧は１Ｖ＋ＶＢＥ（約＋１．６Ｖ）であり、ＶＢＥはトランジスタのベースエミッタ（base-emitter）電圧である。第１のダイオード２２０（または本明細書においてＰＮダイオード２２０と呼ばれる）は逆電圧ブレークダウンの破損からＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００ベースエミッタ接合を保護する。第２のダイオード２２１（又は本明細書においてショットキーダイオード２２１と呼ばれる）は、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のコレクタ／エミッタ（ＣＥ）飽和を防ぎ、動作速度を改善する。
【００２４】
[0033]同様の動作が、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１、第４のダイオード２３１（または本明細書においてＰＮダイオード２３１と呼ばれる）及び第３のダイオード２３０（または本明細書においてショットキーダイオード２３０と呼ばれる）を含む、後半回路（second-half circuit）２２で生じる。ここで、レートジャイロスコープ増幅器１００の出力があらかじめ選択された値の負数を下回る場合、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１は、レートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７からレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５への低インピーダンスフィードバック経路を提供する。この実施例の１つの実施においては、あらかじめ選択された電圧の負数は−１Ｖ−ＶＢＥ（約−１．６Ｖ）である。第４のダイオード２３１は逆電圧ブレークダウンの破損からＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１ベースエミッタ接合を保護する。第３のダイオードは、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のコレクタ／エミッタ（ＣＥ）飽和を防ぎ、動作速度を改善する。前半回路２１及び後半回路２２は、ともに、動作範囲、最大動作範囲及び動作範囲を超える迅速なクランプの高い線形性をもたらす。
【００２５】
[0034]正電圧源２１０の出力、第１のダイオード２２０のアノード２２５及び第２のダイオード２２１のカソード２２７は、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のベース２７２に接続される。本明細書において定義されるように、２つの回路素子間の接続は、それら素子間の直接的な接続又は別の回路素子（例えば、抵抗器又はインダクタ）を介してなされる素子間の接続のいずれかである。この実施例の１つの実施においては、接続は回路基板上のトレースラインである。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のコレクタ２７０は、レートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。第２のダイオード２２１のアノード２２８は、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のコレクタ２７０及びレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。第１のダイオード２２０のカソード２２６は抵抗器２５４を介してレートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７に接続され、また、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のエミッタ２７１に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のエミッタ２７１は抵抗器２５４を介してレートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７に接続される。
【００２６】
[0035]負電圧源２１１の出力、第３のダイオード２３０のアノード２３５及び第４のダイオード２３１のカソード２３７は、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のベース２８２に接続される。ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のコレクタ２８０は、レートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。第３のダイオード２３０のカソード２３６は、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のコレクタ２８０及びレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。第４のダイオード２３１のアノード２３８は抵抗器２５３を介してレートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７に接続され、また、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のエミッタ２８１に接続される。ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のエミッタ２８１は抵抗器２５３を介してレートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７に接続される。
【００２７】
[0036]フィードバック抵抗器２５１及びフィードバックキャパシタ２５０はレートジャイロスコープ増幅器１００と平行に構成される。フィードバック抵抗器２５１及びフィードバックキャパシタ２５０は、レートジャイロスコープ増幅器１００の出力１０７からレートジャイロスコープ増幅器１００の反転入力１０５に接続される。このように、フィードバックがレートジャイロスコープ増幅器１００に提供される。クランプポイント能動回路１０のクランプ範囲は、精密電源２１０及び２１１を異なる値の精密電源２１０及び２１１で置き換えることにより容易に調節される。この実施例の１つの実施において、精密電源２１０及び２１１は調整可能な電源であり、クランプポイント能動回路１０のクランプ範囲は、精密電源２１０及び２１１を調整することにより調節される。
【００２８】
[0037]スイッチ素子２００及び２０１のスイッチングは、回路１０の線形動作範囲を拡張し、同時に、その他の方法では動作範囲を超過し得る過渡事象をクランプする最も大きな可能性を保証する。図３の回路１０中のスイッチ素子２００及び２０１のスイッチングは、レート増幅器１００に、所望の動作範囲の高い線形性をもって増幅させ、所望の動作範囲（例えば、Ｖｄより大きい）の外にある遷移する装置（transitioning device）５０から受信される過渡事象を一定レベルＶｃへとどめさせる。装置５０が少なくとも２つのレベルのうちの少なくとも１つのレベル（例えば、図１ＢのレベルＢを超えてレベルＣへ）移行する場合、レート増幅器１００がクランプされる。拡張された動作範囲にわたって固定された（クランプされた）過渡事象の割合を最大化するために、回路１０は選択された素子をもって設計される。
【００２９】
[0038]この実施例の１つの実施においては、固定された過渡事象の割合は９９．９９％に増加（改善）される。この実施例の別の実施では、固定された過渡事象の割合は９９．９９％に増加される。さらに別の実施例において、固定された過渡事象の割合は９９．９９９％に増加される。拡張された動作範囲にわたる固定された過渡事象の所望の割合を保証するために、回路１０は選択された素子をもって設計される。まだこの実施例のさらにの実施では、固定された過渡事象の割合は拡張された動作範囲にわたって最大化される。
【００３０】
[0039]この実施例の１つの実施において、第１のダイオード２２０はダイオード１Ｎ４１４８であり、第２のダイオード２２１はダイオード１Ｎ５７１１であり、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００はトランジスタ２Ｎ２９０７Ａであり、第３のダイオード２３０はダイオード１Ｎ５７１１であり、第４のダイオード２３１はダイオード１Ｎ４１４８であり、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１はトランジスタ２Ｎ２２２２Ａである。この実施例の別の実施では、フィードバック抵抗器２５１は６０００オームの抵抗器であり、フィードバックキャパシタ２５０は４ｐＦのキャパシタであり、抵抗器２５４は２００オームの抵抗器であり、抵抗器２５３は２００オームの抵抗器である。この実施例では、入力抵抗２５２は２０００オームの抵抗器であり、出力抵抗器２５５は８４．５オームの抵抗器であり、出力キャパシタ２５６は１ｐＦのキャパシタである。この実施例の別の実施では、回路１０は他のダイオード及びトランジスター、並びに抵抗器及びキャパシタについての他の値を含む。
【００３１】
[0040]図４Ａはシミュレートされた区分的に線形の入力波形５０を示す。図４Ｂは、理想的な線形回路、従来技術のクランプ回路及び図１の回路１０へ入力される図４Ａの入力波形５０に応答する、シミュレートされた出力波形６０、７０及び８０をそれぞれ示す。図４Ｂの出力波形６０は（ブレークポイントの前の比較について）純粋な線形出力を示す。出力波形７０は、出力波形６０に重ねられ、回路中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作を欠く例示的な理想的でない従来技術のクランプ回路（図８を参照）からの出力を示す。出力波形８０は、出力波形６０及び７０に重ねられ、回路１０（図３）からの出力を示し、従来技術の回路からの出力波形７０より線形である。出力波形８０が従来技術の出力波形７０より線形であるので、出力波形８０の動作範囲は、従来技術の出力波形７０の動作範囲を超えて拡張される。理想的には、出力波形８０は、ブレークポイントの前に３ボルト／マイクロ秒に近い理想的なスルーレートを有する。この動作は、意図的に、ブレークポイント未満に縮小されたレートにおける正確なレート決定のためにＩＦＯＧ Ａ−Ｂ統合をサポートする。したがって、図３の回路１０は、従来技術のクランプ回路より高く固定し、ジャイロスコープの光遷移事象の統計的集合の歪みを低減する、クランプポイントを提供する。
【００３２】
[0041]好ましい線形関数は、ある定義されたしきい値、おそらくは１００ｐｐｍ未満だけ理想と異なる関数である；言いかえれば、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎが１００ｐｐｍ内で１．０と等しい場合、回路は高度に線形である。ここで別の定義によれば、高度な線形関数は、１０ｐｐｍ未満だけ理想と異なる関数である。ここでの１つの定義によれば、クランプが生じる領域は、クランプが生じる領域が、クランプが生じる全体の時間の初期の時間の５％未満の間、クランプ電圧Ｖｃの１％未満の振動（共鳴）を含む場合、高度に線形であると考えられる。ここでの１つの定義によれば、クランプが生じる領域は、クランプが生じる領域が、クランプが生じる全体の時間の初期の時間の１０％未満の間、クランプ電圧Ｖｃの３％未満の振動（共鳴）を含む場合、高度に線形であると考えられる。ここでの１つの定義によれば、クランプが生じる領域が、従来技術のクランプ回路から利用可能なクランプ電圧Ｖｃの１０％の共鳴ではなくクランプ電圧Ｖｃの１％未満の振動（共鳴）を含む場合、伝達関数は高度に線形である。ここでの１つの定義によれば、クランプが生じる全体の時間の２０％の間に生じる従来技術のクランプ回路における共鳴ではなく、クランプが生じる全体の時間の５％未満の間、共鳴が生じるように、伝達関数の線形性が改善される。
【００３３】
[0042]クランプ回路の他の実施例は、レートフィードバックネットワークの外部にある電圧やネットワークを必要としない。レートフィードバックネットワークの外の電圧又はネットワーク（回路素子を含む）が回路に余分な雑音を導入し得るので、これらの実施例は、外部ソース／回路を必要とする回路に関して、ランダムな及び系統的な雑音のレベルを低減することができる。レートフィードバックネットワーク回路の外部の電圧又はネットワークを必要としないクランプ回路の実施例は、従来技術のクランプ回路より、クランプ機能を行い／解放する際にかなり高速である。そのような回路は、温度又は他の環境変化に関して従来技術のクランプ回路より良好なスケールファクター線形性性能を生成し、有利である。理想的なレート増幅器は振幅及び温度に関して線形に動作し、クランプするが、記載される動作条件の下では飽和しない。
【００３４】
[0043]図５は、本発明によるクランプポイント能動回路１１の実施例を示す。クランプポイント能動回路１１はまた本明細書において回路１１と呼ばれる。回路１１は、レート増幅器１０１、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００（また「能動スイッチ素子３００」及び「スイッチ素子３００」とも本明細書において呼ばれる）、第１の抵抗器３１０、第２の抵抗器３１１及びフィードバックキャパシタ３４１を含む。レート増幅器１０１、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００、第１の抵抗器３１０及び第２の抵抗器３１１は、ともに、レートジャイロスコープ増幅器１０１へのレートフィードバックネットワーク８５を形成する。回路１１はまた、入力抵抗３５０、出力抵抗器３４２及び出力キャパシタ３４３を含む。レート増幅器１０１の反転入力１１５は入力抵抗３５０を介して電流を受信する。レート増幅器１０１の非反転入力１１６は接地される。
【００３５】
[0044]レート増幅器１０１は、２つのレベルの間で切り替わる装置５０から出力を受信する。この実施例の１つの実施では、装置５０は干渉計光ファイバジャイロスコープのレート光検出器である。この場合、レート増幅器１０１はレートジャイロスコープ増幅器１０１である。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００はレートジャイロスコープ増幅器１０１のフィードバックループにある。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００はレートジャイロスコープ増幅器１０１から出力を受信する。回路１１中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作は、正常動作電圧範囲における改善された線形性及びこの範囲の上の改善されたクランプを備えた伝達関数をレートジャイロスコープ増幅器１０１に与える。
【００３６】
[0045]ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のエミッタ３７１はレートジャイロスコープ増幅器１０１の出力１１７に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のコレクタ３７０は、レートジャイロスコープ増幅器１０１の反転入力１１５に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のベース３７２は、互いに直列な第１の抵抗器３１０と第２の抵抗器３１１との間のノード３１２に接続される。第１の抵抗器３１０及び第２の抵抗器３１１はレートジャイロスコープ増幅器１０１の反転入力１１５及び出力１１７と並列である。フィードバックキャパシタ３４１はまた、レートジャイロスコープ増幅器１０１の反転入力１１５及び出力１１７と並列である。クランプポイント能動回路１１のクランプ範囲は、抵抗器３１１を別の値の抵抗器３１１で置き換えることにより容易に調節される。
【００３７】
[0046]この実施例の１つの実施では、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００はＭＭ３９０６トランジスタであり、フィードバック抵抗器３１０は３６５０オームの抵抗器であり、フィードバック抵抗器３１１は６６５オームの抵抗器であり、フィードバックキャパシタ３４１は１８ｐＦのキャパシタであり、抵抗器３４２は１６９オームの抵抗器であり、抵抗器３５０は３８３オームの抵抗器である。この実施例の別の実施では、回路１１は別のトランジスタ、並びに抵抗器及びキャパシタについて他の値を含む。
【００３８】
[0047]図５の回路１１中のスイッチ素子３００のスイッチングは、回路１１の線形動作範囲を拡張し、同時に、その他の方法では動作範囲を超過し得る過渡事象をクランプする最も大きな可能性を保証する。スイッチ素子３００のスイッチングは、レート増幅器１０１に、所望の動作範囲で高い線形性で増幅させ、所望の動作範囲の外にある遷移装置５０から受信された過渡事象を一定レベル（クランプ電圧）Ｖｃへ固定させる。装置５０が少なくとも２つのレベルＡ及びＢ（図１Ｂ）のうち少なくとも１レベルを超えて（例えば、図１ＢのレベルＣへのレベルＢを超えて）移行する場合、レート増幅器１０１はクランプされる。拡張された動作範囲にわたって固定された過渡事象の割合を最大化するために、回路１１は選択された素子をもって設計される。
【００３９】
[0048]図６は、本発明によるクランプポイント能動回路１２の実施例を示す。クランプポイント能動回路１２はまた、「回路１２」及び「カスコード回路１２」と本明細書において呼ばれる。回路１２は、レート増幅器１０２、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００（また「能動スイッチ素子４００」及び「スイッチ素子４００」と本明細書において呼ばれる）、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１（また「能動スイッチ素子４０１」及び「スイッチ素子４０１」と本明細書において呼ばれる）、第１の抵抗器３２０、第２の抵抗器３２１、フィードバックキャパシタ３４０、抵抗器３２３及び抵抗器３２２を含む。レート増幅器１０２、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１、第１の抵抗器３２０、第２の抵抗器３２１、フィードバックキャパシタ３４０、抵抗器３２３及び３２２は、ともに、レートジャイロスコープ増幅器１０２へのレートフィードバックネットワーク８６を形成する。回路１２はまた、入力抵抗３５１、出力抵抗器３４４及び出力キャパシタ３４５を含む。レート増幅器１０２の反転入力１２５は入力抵抗３５１を介して電流を受信する。レート増幅器１０２の非反転入力１２６は接地したラインに接続される。
【００４０】
[0049]レート増幅器１０２は、少なくとも２つのレベル（例えば、レベルＡ及びＢ）の間で切り替わっている装置５０から出力を受信する。この実施例の１つの実施では、装置５０は干渉計光ファイバジャイロスコープのレート光検出器であり、レート増幅器１０２はレートジャイロスコープ増幅器１０２である。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１は、レートジャイロスコープ増幅器１０２のフィードバックループにある。回路１２中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作は、レートジャイロスコープ増幅器１０２に、改善された伝達関数を出力させる。
【００４１】
[0050]ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のエミッタ４６１はレートジャイロスコープ増幅器１０２の出力１２７に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のコレクタ４６０は、抵抗器３２３を介してレートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５に接続される。ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のベース４６２は、互いに直列の第１の抵抗器３２０と第２の抵抗器３２１との間のノード４１２に接続される。第１の抵抗器３２０及び第２の抵抗器３２１はレートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５及び出力１２７と並列である。フィードバックキャパシタ３４０はまた、レートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５及び出力１２７と並列である。
【００４２】
[0051]ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のエミッタ４７１は、抵抗器３２２を介して、レートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５に接続される。ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のコレクタ４７０はレートジャイロスコープ増幅器１０２の出力１２７に接続される。ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のベース４７２は、抵抗器３２３を介して、レートジャイロスコープ増幅器１０２の反転入力１２５に接続される。ベース４７２はまた、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のコレクタ４６０に接続される。クランプポイント能動回路１１のクランプ範囲は、抵抗器３２１を別の値の抵抗器３２１で置き換えることにより容易に調節される。
【００４３】
[0052]回路１２は高速で高度に線形な応答を可能にするカスコード回路１２である。回路１１又は１２は、それぞれ、レートフィードバックネットワーク８５又は８６の外の電圧から独立しており、したがって外部の電圧によって生成される余分な雑音とは無関係である。
【００４４】
[0053]この実施例の１つの実施では、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００はトランジスタＭＭ３９０６であり、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１はトランジスタＭＰＳ２２２２であり、フィードバック抵抗器３２０は３７１１オームの抵抗器であり、フィードバック抵抗器３２１は６０４オームの抵抗器であり、フィードバックキャパシタ３４０は７ｐＦのキャパシタであり、抵抗器３２３は１０Ｋオームの抵抗器であり、抵抗器３２２は１オームの抵抗器である。この実施例の別の実施では、入力抵抗３５１は３８３オームの抵抗器であり、出力抵抗器３４４は１６９オームの抵抗器である。この実施例の別の実施では、回路１２は他のトランジスター、並びに抵抗器及びキャパシタについて他の値を含む。
【００４５】
[0054]図６の回路１２中のスイッチ素子４００及び４０１のスイッチングは、回路１２の線形動作範囲を拡張し、同時に、その他の方法では動作範囲を超過し得る過渡事象をクランプする最も大きな可能性を保証する。スイッチ素子４００及び４０１のスイッチングは、レート増幅器１０２に、所望の動作範囲で高い線形性で増幅させ、所望の動作範囲の外にある、遷移装置５０から受信された過渡事象を一定レベル（クランプ電圧）Ｖｃへ固定させる。装置５０が少なくとも２つのレベルＡ及びＢ（図１Ｂ）のうち少なくとも１つのレベルを超えて（例えば、図１ＢのレベルＣに対してレベルＢを超えて）移行する場合、レート増幅器１０２はクランプされる。拡張された動作範囲にわたってクランプされた過渡事象の割合を最大化するために、回路１２は選択された素子をもって設計される。
【００４６】
[0055]図７は、従来技術のクランプ回路１３及び図６の回路１２へ入力される入力三角波形１５０に応答する、シミュレートされた出力波形１７０及び１８０を示す。図８は従来技術のクランプ回路１３を示す。
【００４７】
[0056]図７の入力波形１５０は純粋な線形入力を示す。三角波形１５１は、回路１２（図６）のレート増幅器１０２の反転入力ノード１２５においてオフセット回路によって出力波形１５０から取り除かれたＤＣオフセット差である。出力波形１７０は、回路中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作を欠く、例示的な理想的でない従来技術のクランプ回路１３（図９）からの出力を示す。出力波形１８０は、カスコード回路１２（図６）からの出力を示す。
【００４８】
[0057]回路１１の線形性と歪みの性能は従来技術のクランプ回路１３（図８）よりよいが、カスコード回路１２のそれよりは小さい。有利なことに、回路１１は、より少数のコンポーネントが高線形性を提供することを要求する。回路１２の線形性と歪みの性能は非常に高いが、回路１２は回路１１に要求されるコンポーネントの２倍より多くのものを必要とする。バイポーラ接合トランジスタスイッチング動作は、正常動作電圧範囲Ｖｇｏｒにおいてより線形である伝達関数を提供しつつ、それぞれ回路１０、１１及び１２中のレートジャイロスコープ増幅器１００、１０１及び１０２の出力を、所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄに固定する。回路１０、１１及び１２中のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作は、それぞれ、レートジャイロスコープ増幅器１００、１０１及び１０２に、回路１０、１１又は１２のバイポーラ接合トランジスタのスイッチング動作のない増幅器から出力される信号より線形である伝達関数を備えた所望のクランプレベルＶｃより下の信号を出力させる。実施例において、本明細書に記載された回路は、記載された要素と直列の及び／又は並列の追加の素子を含む。
【００４９】
[0058]異なるジャイロスコープの適用されたバイアス変調振幅（変調深さ）に基づき、本明細書に示された回路１０、１１及び１２の異なる実施例が好ましい。例えば、図５及び６の回路１１及び１２は３／４π変調を有するジャイロスコープにとってよりよい回路である一方、図３の回路１０はπ／２変調を有するジャイロスコープにとってよりよい回路である。
【００５０】
[0059]図９は、本発明による、動作範囲を拡張し、回路の出力の線形性を改善する方法９００を表す流れ図である。方法９００に関して記載された回路は回路１０、１１又は１２のいずれかである。
【００５１】
[0060]ブロック９０２において、少なくとも２つのレベルの間で切り替わる装置５０からの出力は、回路１０、１１又は１２中のレート増幅器１００、１０１又は１０２の反転入力において、それぞれ受信される。
【００５２】
[0061]ブロック９０４において、フィードバックが、少なくとも１つのスイッチ素子を介して、レート増幅器１００、１０１又は１０２に提供される。この実施例の１つの実施では、スイッチ素子は少なくとも１つのＰＮＰバイポーラ接合トランジスタである。回路１０において、図３に関して上に記載されるように、フィードバックは、バイポーラ接合トランジスタ２００及び２０１を介してレート増幅器１００に提供される。回路１１において、図５に関して上に記載されるように、フィードバックは、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００を介してレート増幅器１０１に提供される。回路１２において、図６に関して上に記載されるように、フィードバックは、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１を介してレート増幅器１０２に提供される。
【００５３】
[0062]ブロック９０６において、装置が少なくとも２つのレベルのうち少なくとも１つのレベルを超えて移行する場合にレート増幅器の出力がクランプされる一方、同時に、回路の線形動作範囲が拡張される。例えば、回路１０、１１及び１２のレート増幅器１００、１０１及び１０２はそれぞれ、装置がレベルＡからレベルＣなどのレベルＢを超えたレベルへ遷移する場合、クランプされる。
【００５４】
[0063]複数の遷移事象（transitioning events）（あるレベルから別のレベルへの装置５０のスイッチング）について、線形の遷移事象（例えば、必要に応じてクランプあり又はクランプなしで所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄを下回る遷移事象）の割合は、拡張された動作範囲にわたって増加させられる。複数の過渡事象について、固定された（クランプされた）過渡事象（例えば、所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄに固定される過渡事象）の割合は、拡張された動作範囲について増加される。本明細書において定義されるように、線形の遷移事象は、レート増幅器からの高度に線形な伝達関数をもたらす遷移事象である。したがって、線形の遷移事象は、その他の方法では電子コンポーネントの安全動作範囲内にある電圧波形の歪みを低減する。
【００５５】
[0064]図１０は、本発明による、動作範囲を拡張し、干渉計光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）から入力を受信する回路の出力の線形性を改善する方法１０００を表す流れ図である。方法１０００に関して記載された回路は回路１０、１１又は１２のいずれかである。
【００５６】
[0065]ブロック１００２において、２つのレベル間で遷移するＩＦＯＧ５０からの出力は、回路１０、１１又は１２のレートジャイロスコープ増幅器１００、１０１又は１０２の入力において、それぞれ受信される。
【００５７】
[0066]ブロック１００４において、フィードバックは、スイッチ素子を介して、レートジャイロスコープ増幅器１００、１０１又は１０２に提供される。この実施例の１つの実施では、スイッチ素子は少なくとも１つのＰＮＰバイポーラ接合トランジスタである。回路１０において、図３に関して上に記載されるように、フィードバックは、レート増幅器１００の反転入力１０５にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のコレクタ２７０を接続し；レート増幅器１００の反転入力１０５にＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のコレクタ２８０を接続し；正電圧源２１０の出力、第１のダイオード２２０のアノード２２５、及び第２のダイオード２２１のカソード２２７をＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ２００のベース２７２へ接続し；負電圧源２１１の出力、第３のダイオード２３０のアノード２３５及び第４のダイオード２３１のカソード２３７を、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ２０１のベース２８２へ接続することによって、バイポーラ接合トランジスタ２００及び２０１を介してレート増幅器１００に提供される。
【００５８】
[0067]回路１１において、図５に関して上に記載されるように、フィードバックは、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のエミッタ３７１にレート増幅器１０１の出力１１７を接続し；レート増幅器１０１の反転入力１１５にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のコレクタ３７０を接続し；互いに直列な第１の抵抗器３１０と第２の抵抗器３１１との間のノード３１２へＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００のベース３７２を接続することによって、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ３００を介してレート増幅器１０１に提供される。
【００５９】
[0068]回路１２において、図６に関して上に記載されるように、フィードバックは、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のエミッタ４６１にレート増幅器１０２の出力１２７を接続し； 抵抗器３２３を介してレート増幅器１０２の反転入力１２５にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のコレクタ４６０を接続し；互いに直列である第１の抵抗器３２０と第２の抵抗器３２１との間のノード４１２にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のベース４６２を接続し；ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のベース４７２にＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００のコレクタ４６０を接続し；レート増幅器１０２の出力１２７にＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１のコレクタ４７０を接続し；第３の抵抗器３２２を介してレート増幅器１０２の入力１２５にＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４００のエミッタ４７１を接続することによって、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ４００及びＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ４０１を介してレート増幅器１０２に提供される。
【００６０】
[0069]ブロック１００６において、ＩＦＯＧ５０が少なくとも２つのレベルのうち少なくとも１つのレベルを超えて移行する場合、レートジャイロスコープ増幅器１００、１０１又は１０２の出力はクランプされる。例えば、ＩＦＯＧ５０がレベルＡからレベルＣなどのレベルＢを超えたレベルへ移行する場合、回路１０、１１及び１２のレートジャイロスコープ増幅器１００、１０１及び１０２は、それぞれ、所望のクランプレベルＶｃに固定される。複数の遷移事象（あるレベルから別のレベルへのＩＦＯＧ５０のスイッチング）について、線形の遷移事象（例えば、必要に応じてクランプあり又はクランプなしに所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄを下回る遷移事象）の割合は、拡張された動作範囲にわたって増加させられる。複数の過渡事象について、固定された過渡事象（例えば、所望のクランプレベルＶｃ≦Ｖｄに固定される過渡事象）の割合は、拡張された動作範囲について増加される。回路１０（図３）において、精密電源２１０及び２１１はクランプ調節をもたらすために切り替えられる。この実施例の１つの実施では、精密電源２１０及び２１１は調整可能であり、精密電源２１０及び２１１はクランプ調節をもたらすために調整される。回路１１及び１２（それぞれ図５及び６）において、抵抗器３１１又は３２１は、クランプ動作電圧に対して調節をもたらすために、異なる抵抗値の抵抗器で置き換えられる。この実施例の１つの実施では、抵抗器３１１又は３２１は調整可能であり、抵抗値はクランプ動作電圧に対して調節をもたらすために調整される。このように、複数の遷移事象について、固定された過渡事象の割合は、拡張された動作範囲に対して増加される。
【００６１】
[0070]特定の実施例が本明細書において示され記載されたが、当業者であれば、同じ目的を達成することを意図した任意の構成が、開示された特定の実施例の代わりに用いられてもよいことが理解されよう。本出願は、本発明についての任意の適応及び変更を含むように意図される。したがって、本発明が請求項及びその均等物によってのみ限定されることが明白に意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのレベル間で遷移する装置（５０）から出力を受信するように構成されたレート増幅器（１００、１０１、１０２）と、
前記レート増幅器の少なくとも１つのそれぞれのフィードバックループ中にあり、前記レート増幅器からの出力を受信するように構成された少なくとも１つのスイッチ素子（２００）であって、前記少なくとも１つのスイッチ素子のスイッチングは、前記レート増幅器に、所望の動作範囲で高い線形性で増幅させ、前記所望の動作範囲の外にある前記遷移装置から受信された出力を一定レベルに固定させる、少なくとも１つのスイッチ素子と
を備えるクランプポイント能動回路（１０、１１、１２）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのスイッチ素子（２００）は、
ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ（３００）を含み、前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのエミッタ（３７１）は前記レート増幅器（１０１）の出力に接続され、前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのコレクタ（３７０）は前記レート増幅器（１０１）の反転入力（１１５）に接続され、前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのベース（３７２）は互いに直列の第１の抵抗器（３１０）と第２の抵抗器（３１１）との間のノード（３１２）に接続される請求項１に記載の回路（１１）。
【請求項３】
前記少なくとも１つのスイッチ素子（２００）は、
ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ（４０１）をさらに含み、前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタのベース（４７２）は前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのコレクタ（４７０）に接続され、前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタのコレクタは前記レート増幅器（１０２）の出力に接続され、前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタのエミッタ（４７１）は第３の抵抗器（３２２）を介して前記レート増幅器（１０２）の反転入力（１２５）に接続される請求項２に記載の回路（１２）。
【請求項４】
前記少なくとも１つのスイッチ素子（２００）は、
ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ（２０１）であって、前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタのコレクタ（２８０）は前記レート増幅器（１００）の反転入力（１０５）に接続される、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタと、
ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ（２００）であって、前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのコレクタ（２７０）は前記レート増幅器の反転入力に接続される、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタと、
正電圧源（２１０）と、
第１のダイオード（２２０）と、
第２のダイオード（２２１）であって、前記正電圧源の出力、前記第１のダイオードのアノード（２２５）及び前記第２のダイオードのカソード（２２７）は前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ（２００）のベース（２７２）に接続される、第２のダイオードと、
負電圧源（２１１）と、
第３のダイオード（２３０）と、
第４のダイオード（２３１）であって、前記負電圧源の出力、前記第３のダイオードのアノード（２３５）及び前記第４のダイオードのカソード（２３７）は前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ（２０１）のベース（２８２）に接続される、第４のダイオードと
を含む請求項１に記載の回路（１０）。
【請求項１】
少なくとも２つのレベル間で遷移する装置（５０）から出力を受信するように構成されたレート増幅器（１００、１０１、１０２）と、
前記レート増幅器の少なくとも１つのそれぞれのフィードバックループ中にあり、前記レート増幅器からの出力を受信するように構成された少なくとも１つのスイッチ素子（２００）であって、前記少なくとも１つのスイッチ素子のスイッチングは、前記レート増幅器に、所望の動作範囲で高い線形性で増幅させ、前記所望の動作範囲の外にある前記遷移装置から受信された出力を一定レベルに固定させる、少なくとも１つのスイッチ素子と
を備えるクランプポイント能動回路（１０、１１、１２）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのスイッチ素子（２００）は、
ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ（３００）を含み、前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのエミッタ（３７１）は前記レート増幅器（１０１）の出力に接続され、前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのコレクタ（３７０）は前記レート増幅器（１０１）の反転入力（１１５）に接続され、前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのベース（３７２）は互いに直列の第１の抵抗器（３１０）と第２の抵抗器（３１１）との間のノード（３１２）に接続される請求項１に記載の回路（１１）。
【請求項３】
前記少なくとも１つのスイッチ素子（２００）は、
ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ（４０１）をさらに含み、前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタのベース（４７２）は前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのコレクタ（４７０）に接続され、前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタのコレクタは前記レート増幅器（１０２）の出力に接続され、前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタのエミッタ（４７１）は第３の抵抗器（３２２）を介して前記レート増幅器（１０２）の反転入力（１２５）に接続される請求項２に記載の回路（１２）。
【請求項４】
前記少なくとも１つのスイッチ素子（２００）は、
ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ（２０１）であって、前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタのコレクタ（２８０）は前記レート増幅器（１００）の反転入力（１０５）に接続される、ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタと、
ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ（２００）であって、前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタのコレクタ（２７０）は前記レート増幅器の反転入力に接続される、ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタと、
正電圧源（２１０）と、
第１のダイオード（２２０）と、
第２のダイオード（２２１）であって、前記正電圧源の出力、前記第１のダイオードのアノード（２２５）及び前記第２のダイオードのカソード（２２７）は前記ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ（２００）のベース（２７２）に接続される、第２のダイオードと、
負電圧源（２１１）と、
第３のダイオード（２３０）と、
第４のダイオード（２３１）であって、前記負電圧源の出力、前記第３のダイオードのアノード（２３５）及び前記第４のダイオードのカソード（２３７）は前記ＮＰＮバイポーラ接合トランジスタ（２０１）のベース（２８２）に接続される、第４のダイオードと
を含む請求項１に記載の回路（１０）。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１９１６１６（Ｐ２０１２−１９１６１６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−５０２３０（Ｐ２０１２−５０２３０）
【出願日】平成２４年３月７日（２０１２．３．７）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０２３０（Ｐ２０１２−５０２３０）
【出願日】平成２４年３月７日（２０１２．３．７）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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