信号源抵抗に着目！低雑音OPアンプ増幅回路の設計法


電圧性？電流性？主要因を分析して最適なICを選ぼう

最良のOPアンプはソース・インピーダンスによる

図1　計測用の低雑音アンプの設計において，OPアンプの信号源抵抗やノイズ特性に注意を払う必要がある．特に，信号源抵抗の選定とその影響を理解することが重要だ．［著・提供］藤森 弘己画像クリックで動画を見る．または記事を読む．詳細は［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室 【OPアンプ活用/基板実装編】

信号源抵抗に着目！低雑音OPアンプ増幅回路の設計法

OPアンプの設計において，低雑音化を実現するためには，信号源抵抗やノイズ特性に注意を払う必要があります．

信号源抵抗とノイズの関係

まず，信号源抵抗（$R_S$）が回路全体の雑音にどのような影響を与えるのかを理解する必要があります．OPアンプ回路において，雑音の主要な要因は次の3つです．

  1. 熱雑音
    2. 抵抗成分が発するランダムなノイズ．抵抗値が高いほど，熱雑音も増加します．熱雑音は，抵抗$R$において次式で表されます． \begin{align} V_n &= \sqrt{4kTR\Delta f} \end{align}

    ここで，$k$はボルツマン定数，$T$は温度，$\Delta f$は帯域幅です．

  2. OPアンプ自身のノイズ特性
    3. 特に低周波において，1/$f$ノイズが支配的になります．高精度な測定や増幅を行う際には，低ノイズ特性をもつOPアンプを選定する必要があります．
  3. 信号源抵抗によるノイズ
    4. $R_S$が大きいと，入力端での熱雑音が大きくなり，回路全体のノイズが増加します．低雑音設計を行うためには，$R_S$をできる限り低く抑えるか，入力端でインピーダンス変換を行い，影響を最小限に抑えます．

低雑音OPアンプの選定と設計ポイント

低雑音を実現するためには，ノイズ特性の優れたOPアンプを選定することが不可欠です．具体的には，入力バイアス電流，入力オフセット電圧，1/$f$ノイズ特性などを考慮する必要があります．例えば，$V_{in}$において1/$f$ノイズが重要な周波数帯域で支配的となる場合は，低周波でのノイズ性能が優れたOPアンプを選ぶべきです．

また，信号源抵抗$R_S$を小さく抑えることが難しい場合は，インピーダンス変換を行うことで$R_S$による雑音を低減することが可能です．バッファ・アンプを用いることで，インピーダンスを下げ，信号の劣化を防ぐ設計が有効です．

実装上の注意点

低雑音回路を設計する際には，単にOPアンプや抵抗の選定に注意するだけではなく，実装上の配線やレイアウトも非常に重要です．例えば，回路基板上のパターン長が長いと，外来ノイズやEMIによる影響を受けやすくなります．これを避けるために，できるだけ短い配線を心がけ，外部ノイズの影響を抑えるためにシールドを施すことも有効です．

実際の設計例

センサ回路や測定回路では，$R_S$が比較的大きくなることが多いです．このような場合には，システム全体のノイズを最小化するために，インピーダンス変換やシールド処理が施されることが一般的です．また，回路基板のレイアウトも，外部ノイズの影響を受けやすいため，慎重に設計する必要があります．

信号源抵抗$R_S$は，低雑音OPアンプ回路の設計において非常に重要な要素です．熱雑音の低減を図りつつ，OPアンプのノイズ特性を考慮し，適切なインピーダンス設計を行うことで，信号劣化を防ぐことが可能です．〈ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 1979年　芝浦工業大学　通信工学科卒業
  • 同年年　Analog Devices of Japan Inc に入社（後にアナログ・デバイセズ株式会社）同社にてアナログ・モジュール開発，Mixedシグナル・テスタのテスト・モジュール開発、高速リニア・カスタム集積回路の開発サポート，汎用リニア製品マーケティング等を担当．

著書

  1. OPアンプ増幅回路の2つのゲイン，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

  1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［Book］電子回路とプリント基板のノイズ解決 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．