未発表論文から
ゲイン選択可能な低ノイズ・アンプ

    Nathan Carter Chilann Chan 共著 (コメントは英語でお願いいたします


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入力信号が広範囲に変動するデータ・アクイジション、セン サーのシグナル・コンディショニングなどのアプリケーション では、ゲインを選択できるアンプが必要です。ゲインの選択が 可能な従来のアンプの場合、帰還ループにスイッチを使用して 抵抗を反転入力に接続します。しかし、スイッチ抵抗によって アンプのノイズ性能が低下し、反転入力で容量が大幅に増加し、 非直線性のゲイン誤差が生じます。このようなノイズと容量の 増加は低ノイズ・アンプの場合には特に厄介であり、また非直 線性のゲイン誤差は高精度なアプリケーションにおいて問題と なります。

図1. CO-AX一酸化炭素センサー

図1. ADA4896-2とADG633を使用した、低抵抗負荷を駆動 するゲイン選択可能な低ノイズ・アンプ

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図1に示すゲイン選択可能なアンプは、ADA4896-2の 1nV/√Hz というノイズ性能を維持するとともに非直線性のゲ イン誤差を低減する、革新的なスイッチング技術を使用してい ます。この技術によって、最小の容量を持つスイッチを選択し て回路の帯域幅を最大限に高めることができます。

これらのスイッチにはトリプルSPDT CMOSスイッチの ADG633を使用し、S1AとS2Aがオン、またはS1BとS2B がオンになるように設定します。スイッチS1は帰還抵抗の出口 端部に接続します。スイッチS2は、非直線性のスイッチ抵抗 がゲインに影響を与えないポイント(V1またはV2)でサンプ リングします。これによって、ノイズ性能を保ちながらゲイン 誤差を低減します。図に示す値を使用した場合、第1段のアン プ・ゲインは、「A」スイッチがオンのときに4V/V、「B」スイッ チがオンのときに2V/Vです。切り替えるゲインの数を拡大する には、スイッチ・デバイスを追加するか、4:1のADG659また は8:1のADG658などのマルチプレクサを使用します。

なお、出力バッファの入力バイアス電流がS2サンプリング・ス イッチの非直線性のオン抵抗を流れるときにオフセットが発生 します。このオフセットを補償するには、出力バッファの帰還 パスに未使用のスイッチ(S3B)を配置します。

さらに、入力アンプのバイアス電流によって、ゲインに依存 するオフセットが発生します。入力アンプと出力バッファを同 じチップ上に作成するため、これらのバイアス電流の相対的な マッチングを使用して、変化するオフセットを相殺できます。 RF2とRF1との差に等しい抵抗をスイッチS2Aと直列に配置す ると、オフセット電圧の変動が小さくなります。

次の式から、V1でのサンプリングによってゲイン誤差なしに 所望の信号ゲインが得られることがわかります。RSは、スイッ チ抵抗を示します。V2も同じ方法で計算することができます。

(1)
(2)

式1を式2に代入すると、

(3)

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なお、VO1によってゲイン誤差なしに所望の信号ゲインが得ら れれば、バッファ出力(VO2)にもゲイン誤差は発生しません。 図2は、VO2でのこの回路の正規化された周波数応答です。

図2. VO2/VINの周波数応答

図2. VO2/VINの周波数応答

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