各章の説明 |
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本書は,主にオペアンプのスペック項目で"章"を切り分けています。各章は,概ね次の構成を取っています。
この構成によって,スペックの意味を把握し,スペックの測定ができ,スペックの数値が活用できることを目標しています。本書で挙げるスペックの基準は,こちらからご覧いただけます。
本書では,上記の項目のうち「スペック項目の活用」に多くのページを割いています。ここでは,スペックをアプリケーション回路設計に応用して,設計した回路の性能や誤差を数値化することが主なテーマです。性能や誤差が数値化できることは,「ICメーカーの保証によって,回路の性能が保証できる」ことを意味します。
最終章では,スペックを横断的に活用することを目的に,設計課題を挙げて,参照すべき章の項目番号を設計手順に従って指定しています。このことで,全体的な関連付けがイメージできます。
本書では,正しくスペックの測定ができるように「測定器の製作」も含めています。測定器に使用した部品は,入手性に優れ,しかも長期間流通した実績のある部品を選んで使っています。オペアンプ・ユーザー側で測定器が準備できれば,直流・交流・雑音などのスペック項目の測定ができます。またスペック項目の測定を含めて,その数値を理解し活用することは,高品質・高性能・低コストの設計につながります。
このような本書の各章を説明します。
この章では,本書を読み進むにあたっての準備をします。直流領域の動作を中心に,「オペアンプ回路の基本動作」や,「スペックの考え方」や,「基礎的な用語」などを解説します。
反転・非反転増幅器の基本動作の説明を絡めながら,(直流)伝達関数の導出過程を丁寧に解説します。この伝達関数は,入力バイアス電流を含め直流スペック項目に対応した,反転・非反転増幅器の実用的な計算式です。
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「Nullループ」とは,図2-1に示す回路であり,主にオペアンプの直流スペック測定に用いられる回路です。
図2-1 Nullループ
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図の"DUT"が被測定オペアンプを表し,"Null"は「Nullアンプ」や「補助増幅器」と呼ばれ,被測定オペアンプの特性に影響を与えることなく高精度測定に貢献する増幅器です。
Nullループの長所として
図2-1は原理図であり,実用にするには工夫が必要です。そうした実用回路は,12章「Nullループの製作」で示しています。
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入力オフセット電圧の「意味」や「測定方法」,アプリケーション回路で発生する「誤差の計算方法」などを解説しています。 本章では「入力オフセット電圧」という具体的な誤差要因を含めて,第1章で得た伝達関数で出力電圧を計算します。その計算結果と実測結果が,6・1/2桁のディジタルマルチメーターのほぼ最小桁まで正確に一致することを示します。 オペアンプ回路を理解したり,デバッグをする際に,オペアンプの各部の電圧を測定することは有益です。しかしその測定は,注意しなければ発振など不都合な現象が発生します。そうした際に有効なテクニックが,上述の「アプリケーション回路上での簡易測定方法」です。
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オープンループ・ゲインの「意味」や「測定方法」,アプリケーション回路で発生する「誤差の計算方法」などを解説しています。 オープンループ・ゲインは,例えば反転・非反転増幅器であれば,その増幅度の誤差要因として働きます。発生する誤差の計算式と,その導出過程を示して,検証実験で確認しています。
本書に載せた数値例(両電源オペアンプを使用)を,次に示します。
「実測結果」と「スペックを含めた計算」は,僅か7[mV]の差です。一方「実測結果」と「1+Rf/RSだけで計算」は,119[mV]もの差が生じています。 使用した測定機材で,この7[mV]は測定の限界付近です。このように,測定限界を考え合わせるほどの高精度な計算結果が期待できます。
他にも「興味深い性質」の解説や,「精度の表現方法」なども紹介しています。
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CMRRの「意味」や「測定方法」,アプリケーション回路で発生する「誤差の計算方法」などを解説しています。 誤差要因としてCMRRを含めた反転・非反転増幅器の出力電圧を計算します。その計算結果と実測結果を比較して,計算どおりであることをことを示します。計算方法がオペアンプの電源によって両電源と単一電源では多少違いますので,それら両者について行います。
本書に載せた数値例(単一電源オペアンプを使用)を,次に示します。
「実測結果」と「スペックを含めた計算」は,僅か40[μV]の差です。一方「実測結果」と「1+Rf/RSだけで計算」は,610[μV]もの差が生じています。この実験はCMRRだけでなく,複数のスペック項目が影響しています。また使用した測定機材で,この40[μV]は測定の限界付近です。このように,測定限界を考え合わせるほどの高精度な計算結果が期待できます。 計算以外にも,同相入力電圧に対するオペアンプの非線形動作について説明しています。
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PSRRの「意味」や「測定方法」,アプリケーション回路で発生する「誤差の計算方法」などを解説しています。 アプリケーション回路で電源電圧が変化するとき,発生する誤差電圧をPSRRだけで計算することはできません。関係する誤差要因を全て含めて,反転・非反転増幅器の出力電圧を計算します。計算方法がオペアンプの電源によって両電源と単一電源では多少違いますので,それら両者について行います。
本書に載せた数値例(両電源オペアンプを使用)を,次に示します。
「実測結果」と「スペックを含めた計算」は,一致しています。一方「実測結果」と「-Rf/RSだけで計算」は,750[μV]もの差が生じています。この計算に含めたスペックはPSRRだけでなく,複数のスペック項目が影響しています。このように高精度な計算が期待できます。 電源電圧変化に対する誤差電圧では,計算どおりにならない経験をした人も多いでしょう。本書ではそのメカニズムも解説し,どうすれば計算に乗るのか?を示し,もちろん「実測結果と計算結果が一致する」ことも示します。 スペック項目としての「PSRR」の測定方法では,「電源電圧の変化のさせ方」の合理的な根拠を示し,正しい測定ができるように解説しています。正しい測定方法を理解すれば,正しい応用計算ができます。
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入力バイアス電流の「意味」や「測定方法」,アプリケーション回路で発生する「誤差の計算方法」などを解説しています。
スペック項目としての「入力バイアス電流」の定義や,設計にあたって注意すべき事柄について解説します。 入力バイアス電流測定や,入力バイアス電流が問題となるアプリケーションでは,高インピーダンスであることから雑音源との結合が問題になります。このような雑音源との結合のメカニズムと,対策などを解説しています。 微小入力バイアス電流測定や,微小バイアス電流が問題となるようなアプリケーションでは,絶縁体の汚染などに伴う漏れ電流が問題になります。こうした問題の対策方法も解説しています。
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入力抵抗の「意味」や「測定方法」,アプリケーション回路で発生する「誤差の計算方法」などを解説します。
入力抵抗は情報の少ないスペック項目ですが,本書では詳しく解説しています。
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本書の直流スペック測定で用いたNullループの「回路図」や「使用する部品」や「実装方法」など,詳細な情報を示します。また,製作したNullループを用いた基本測定の手順も示します。 製作するNullループの性能は,次表の通りです:
本書では,このNullループで次の8項目を測定しています。
Nullループは,これら特性を様々な動作条件で測定することができます。測定で得た数値を本書の計算式に代入すれば,発生する誤差などが正確に算出できます。
ここで製作するNullループは,「一般用」などとして販売されているオペアンプ向けに設計したもので,例えば「入力バイアス電流測定範囲を微小化する」などの改造は十分可能です。 本文では,回路の解説や,部品の選定方法や配置などを詳しく解説しています。使用している部品は,単品でも入手性が良く,しかも長期間流通実績のある製品を選んでいます。また,プリント配線板の利用が難しい場合に比較的性能の良い基板の製作方法など,製作する上でのノウハウも含めています。
このNullループで測定を行うには,Nullループ以外に電圧計や,スイープ測定では発振器は内蔵していますがオシロスコープまたはXYモニターが必要です。
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No AC Feedback回路とは,図14-1の交流スペック測定回路を指します。以降の章の説明が理解できるように,基本的な測定方法などを解説します。詳細解説は,第20章で行います。
図14-1 No AC Feedback回路
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「No AC Feedback回路」という用語は,既存の用語が見当たらなかったために,その動作から私が作ったものです。回路の抵抗値はRf≫Rsです。直流的にはCの存在で,ユニティーゲイン・アンプ(G=+1)として動作します。
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スルーレートの「意味」や「測定方法」や,アプリケーション回路で発生する「誤差の計算方法」などを解説します。 本書では,"SRv"という動特性計算に役立つパラメーターを定義します。「SRv」という用語は,既存の用語が見当たらないことから,私が作ったものです。SRvは,興味深いパラメーターです。SRvを使った応用計算や,その計算結果が実測結果と一致することを示します。 スルーレート測定では,それに用いる発振器やオシロスコープへの要求事項があります。こうした要求事項を含めて,正しい測定ができるように解説します。
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GB積の「意味」や「測定方法」や,アプリケーション回路で発生する「誤差の計算方法」などを解説します。
GB積は,交流領域のオープンループ・ゲインを表すスペックです。直流のオープンループ・ゲインと同様に,増幅器の増幅度に影響を与えるパラメーターです。しかし増幅度の誤差計算に,直流と同じ計算式は使えません。本書では,交流領域の計算式とその導出過程を示し,実測結果と一致することを示します。 その計算式を用いた一例を図16-1に示します。これは,4580のデータシートにも示してあるAv=40[dB](=100倍)の電圧増幅器の周波数特性です。4580は複数のICメーカーから供給されており,各社とも同様の実測データを載せています。図16-1の計算値とメーカーの実測データを比較すると,双方とも100[kHz]付近で電圧増幅度が-2[dB]を迎えています。位相特性も,計算結果とおおむね合っています。
図16-1 4580の周波数特性の計算例
図16-1は,データシートのスペックに記載してある標準値を,40[dB]の電圧増幅器として計算したものです。高域で計算値は実測値との差が大きくなりますが,この領域はデータシートのスペックだけでは計算できません。しかし,この領域でも計算に乗る方法があります。この方法は,第17章ユニティーゲインで扱います。 図16-1では,メーカーのデータに合わせて電圧増幅度をデシベルで表していますが,計算結果は[V/V]です。例えば,0.1[%]の誤差が発生する周波数も逆算できます。図16-1は,帰還回路は抵抗器のみで構成したものですが,本書では帰還回路にコンデンサを持つ回路でも,同様に計算式を示しています。 これ以外のGB積を利用した応用計算結果と実測結果は,こちらのGにも示しています。 このような交流領域における計算方法は,ほとんどの書籍で論じられていません。本書では,各計算式の導出過程を含めて丁寧に解説しています。オペアンプのアプリケーションは数多くありますが,これら導出過程を参考に,目的とするアプリケーション回路の交流領域における伝達関数を立てることもできるでしょう。
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ユニティーゲイン帯域幅の意味や測定方法や,アプリケーション回路で発生する誤差の計算方法などを解説しています。
ユニティーゲイン周波数(オープンループ・ゲインが1になる周波数)に近づくと一般的なスペック項目だけでは,アプリケーション回路の特性が計算どおりにならなくなります。一般的なオペアンプのスペック項目にはありませんが,計算に乗るような管理方法はあります。本章では,計算に乗らなくなるメカニズムを示して,それを解決する方法を紹介しています。 ユニティーゲイン帯域幅の測定(ユニティーゲイン周波数を測定すること)では,ほかの測定にはない配慮が必要です。必要な配慮の根拠を示して,正しい測定ができるように解説しています。
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出力抵抗の意味や測定方法や,アプリケーション回路で発生する誤差の計算方法などを解説しています。
出力抵抗には,「交流出力抵抗」と「直流出力抵抗」とがあり,またオペアンプ回路の状態によって,「オープン・ループ出力抵抗」と「クローズド・ループ出力抵抗」とがあります。これらの違いについて説明します。 交流回路や直流回路では,負荷の変化によって出力電圧の振幅や交流であれば位相を含めて僅かですが変化します。こうした変化を数値計算で求めます。また,実際のオペアンプを使って負荷が変化したときのときの反転・非反転増幅器の出力電圧変化を計算し,実測結果と一致することを示します。 更に出力抵抗が存在することは,外部から出力端子へ流れ込む電流によって出力電圧に変化が生じます。直流であれば出力電圧変化が,交流であればリプル電圧の振幅と位相がそれぞれ計算できます。これらも実測結果と比較して,計算結果と一致することを示します。
これら計算式の応用例として,ヘッドフォン・アンプのような低インピーダンス駆動で発生する振幅特性や位相特性を数値計算で求めています。もちろん実測結果と比較して,計算結果と一致することを示します。
静電容量負荷は,交流出力抵抗との組み合わせで発振するなど,安定性に影響を与えます。この計算方法について示します。また静電容量負荷では,交流出力抵抗とは関係のない発振メカニズムが存在します。このメカニズムについて解説します。
出力抵抗の測定方法も,正確で・実用的な測定ができるように解説しています。
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VCCSとは,Voltage Controlled Current Source(電圧制御電流源)の略です。入力電圧に比例した出力電流が得られます。例えば,入力電圧が正弦波であれば,出力電流も正弦波になります。
オペアンプの評価測定では,主に出力抵抗などのパラメーター測定に用います。市販品例が見あたらず,一部の測定では不可欠になることから製作例を載せました。その性能は,次表の通りです:
このVCCSの特徴は,極性切り替えなしで出力電流を±20[mA]の範囲で連続変化できることです。フラットネス帯域幅は,使用するオペアンプの変更によって1[MHz]程度まで伸ばすことができます。
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No AC Feedback回路を使い,正確な測定を行うための解説をしています。正確な測定には,周辺部品の適正なチューニングが必要です。チューニングのコツは,周辺部品の変化によって生じるNo AC Feedback回路の特性の変化を理解することです。 No AC Feedback回路の動作は,計算に乗ります。このことから本章では,個別の周辺部品の変化に対する特性の変化をグラフ化し,イメージからの理解を促します。もちろん計算式や,その結果が実際と一致することもあわせて示しています。 測定項目によっては,ちょっとしたアイデアの有無で測定の難易が分かれます。こうしたアイデアも紹介しています。また,No AC Feedback回路を使った測定では「落とし穴」があります。誤った測定データが,あたかも正しいデータであるかのように見えるのです。こうしたメカニズムも紹介しています。
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等価入力雑音電圧の意味や測定方法や,アプリケーション回路で発生する雑音の計算方法などを解説しています。 雑音は,一部の書籍を除いてあまり詳しく論じられていません。その雑音は,基礎を理解すれば実際と計算結果が一致します。ですから本書では,雑音の基礎から応用までを丁寧に解説しています。 雑音の基礎では,等価入力雑音電圧を考える上で必須の熱雑音やショット雑音などを,解説しています。計算では,計算の背景にある考え方を解説し,雑音計算の基礎が把握できるように努めました。 雑音の応用では,実際のオペアンプ回路の出力に現れる雑音を等価入力雑音電圧から求める計算式を示しています。もちろんその導出過程や,計算結果が実測結果と一致することも示しています。 雑音の低減には,簡便な方法として帰還回路に並列コンデンサを付加します。この場合に得られる出力雑音電圧を求める計算式も示しています。並列コンデンサを付加すると,信号帯域幅への影響が現れます。これを含めた適正な並列コンデンサを計算するための計算式も示しています。 雑音は,その実効値と共に必要になるのが,雑音振幅の瞬時値です。これは確率で論じます。この瞬時値の確率分布が,正規分布を成すことは広く知られています。この数値計算が,等価入力雑音電圧から実際にできるよう解説しています。もちろん,この数値計算結果が検証実験結果と一致することも示しています。 等価入力雑音電圧の測定は,「雑音の応用課題」といっても差支えありません。この測定では,DUT単独で閉ループ回路を構成させ,その出力に現れる雑音電圧を測定します。このとき閉ループ回路が取り得るノイズゲインの範囲を求めるなどします。そのとき,帰還抵抗器が発生する熱雑音が与える影響も数値計算で求めます。このような実践的な数値の導出過程なども詳しく説明しています。雑音測定での検討事項は,その測定のみでなく,低雑音増幅器の設計にも活かせます。
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等価入力雑音電圧・電流測定に使う,雑音測定器の設計・製作に必要な情報や解説をしています。 雑音測定器の仕様は,次のとおりです。
この雑音測定器で,大抵のオペアンプの等価入力雑音電圧・電流が測定できます。本章では,部品や測定周波数などの仕様が変わっても作れるように,設計・製作のポイントを解説しています。 雑音測定器の帯域幅は,「等価雑音帯域幅」で設計します。本書では,バターワースで設計したアクティブフィルターを使っています。アクティブフィルターの伝達関数を数値計算ができる計算式で表し,それを基に等価雑音帯域幅の計算や部品に求める精度を求めています。このような計算式の導出過程も,丁寧に解説しています。 アクティブフィルターができあがると,できあがったフィルターの等価雑音帯域幅の評価が必要です。特に低域通過フィルターではこの評価が難しくなりますが,数点の周波数における振幅測定で評価できる手法を紹介しています。 完成した雑音測定器の調整・校正方法も示しています。雑音測定器は,抵抗器が発生する熱雑音を測定しても,計算結果と2[%]の違いしかなく,実用的です。
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絶対最大定格の意味と,比較的多い故障原因例を挙げてその対策を示しています。
絶対最大定格を超えた電気的条件にさらすことを,「EOS(Electrical Over Stress)を加える」などと表現します。大抵のEOSは,設計者が意図しない状況で発生します。そうしたEOSの中でも,多くの電子機器がさらされる可能性があり,しかも気づき難いEOSを2例取り上げています。これらEOSの発生メカニズムと対策を示しています。
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V/Iトレーサーとは,抵抗器を介して被測定対象に電圧を与えて,そこを通じる電流の特性を表示する装置です。V/Iトレーサーで3.9Vのツェナーダイオードを測定した波形は,ここをクリックするとご覧になれます。
V/Iトレーサは,EOS破壊のルートを探す場合に重宝します。
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本書は,オペアンプのスペック項目で章を区切っています数百ページにも及ぶ内容を把握して,使いこなすのは大変です。そこで,各章を横断的に解説したのが本章です。 内容の一例を挙げれば,反転・非反転増幅器で最終的に出力に現れる直流誤差電圧を,関係するスペック項目とその理由を挙げ,それを解説した小見出しの番号を挙げています。これを実際に設計する順序で示しています。このことで,スペックの相互関係などが把握できます。 同様に直流・交流・雑音を含めて,19パターン示しています。本ホームページで,その概要をご覧いただけます。
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