JP2016127443A - 差動増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波領域においても良好なＣＭＲＲが得られる差動増幅装置を実現すること。
【解決手段】２つの信号の差分を増幅するように構成された差動増幅装置において、
前記２つの信号の差分を増幅する第１の増幅器と、前記２つの信号の差分を増幅する第２の増幅器と、前記第１の増幅器の出力信号と前記第２の増幅器の出力信号との差分を増幅する第３の増幅器、とを含むことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２つの信号の差分を増幅する差動増幅装置に関し、詳しくは、同相信号除去比（ＣＭＲＲ;Common Mode Rejection Ratio）の改善に関する。

差動増幅装置は、従来から、微小信号を増幅する手段として、精密計測や通信などの各種の分野で広く用いられている。

図４は従来から用いられている各種の差動増幅装置の構成説明図であり、（Ａ）は計装増幅器を示し、（Ｂ）は差電圧増幅器を示し、（Ｃ）は差動増幅器を示し、（Ｄ）はこれらの等価回路を示している。なお、以下の説明では、増幅器ＡＭＰとして集積回路技術により回路部品として一体化された演算増幅器を用いる例について説明しているが、個別部品を組み合わせて増幅器として構成されたものであってもよい。

図４（Ａ）において、増幅器ＡＭＰの一方の入力端子（反転入力端子）には抵抗Ｒ１を介して共通電位点が接続されるとともに抵抗Ｒ２を介して一方の入力端子ＩＮ１が接続され、他方の入力端子（非反転入力端子）には抵抗Ｒ３を介して他方の入力端子ＩＮ２が接続されるとともに抵抗Ｒ４を介して共通電位点が接続されている。

図４（Ｂ）において、増幅器ＡＭＰの一方の入力端子（反転入力端子）には抵抗Ｒ１を介して出力端子ＯＵＴが接続されるとともに抵抗Ｒ２を介して一方の入力端子ＩＮ１が接続され、他方の入力端子（非反転入力端子）には抵抗Ｒ３を介して他方の入力端子ＩＮ２が接続されるとともに抵抗Ｒ４を介して共通電位点が接続されている。

図４（Ｃ）において、増幅器ＡＭＰの一方の入力端子（反転入力端子）には抵抗Ｒ１を介して一方の出力端子ＯＵＴ１が接続されるとともに抵抗Ｒ２を介して一方の入力端子ＩＮ１が接続され、他方の入力端子（非反転入力端子）には抵抗Ｒ３を介して他方の入力端子ＩＮ２が接続されるとともに抵抗Ｒ４を介して他方の出力端子ＯＵＴ２が接続されている。

これらのように構成される差動増幅装置において、ＣＭＲＲ（同相信号除去比）は同相成分が出力に現れる程度を表すパラメータであり、性能上の重要な要素である。これらの回路のＣＭＲＲは、抵抗のＣＭＲＲと増幅器ＡＭＰのＣＭＲＲによって決まる。

図４（Ａ）〜（Ｃ）において、抵抗のＣＭＲＲは、抵抗値をＲ１／Ｒ２＝Ｒ４／Ｒ３になるように選択することで理想的には無限の値が実現できるため、以降は抵抗のＣＭＲＲについては省略し、増幅器ＡＭＰのＣＭＲＲのみ考慮する。

増幅器ＡＭＰのＣＭＲＲは同相利得と差動利得の比で求められることから、増幅器ＡＭＰの出力ＶoutおよびＣＭＲＲは次式で求まる。
Ｖout＝（Ｖc＊Ａcom）＋（Ｖd＊Ａdiff） （１）
ＣＭＲＲ＝２０＊log（Ａdiff/Ａcom） （２）
Ａcom:同相利得，Ａdiff：差動利得

特許文献１には、高周波領域でも、定電流源部の出力インピーダンスを確保して、差動増幅回路の同相信号除去比の低下を抑えることができる定電流源部回路及び差動増幅装置について記載されている。

特開２００９−２１６８５号公報

しかし、増幅器ＡＭＰのＣＭＲＲは有限であり、不要な同相成分が出力に現れる。ＣＭＲＲは、特に高周波領域において悪化する。

たとえば市販されている周波数帯域幅が５００ＭＨｚの増幅器ＡＭＰのＣＭＲＲに着目すると、公表されている図５の特性図によれば、低周波域では１００ｄＢ近くのＣＭＲＲがあるが周波数が高くなるのにしたがって悪化し、１００ＭＨｚでは４０ｄＢ程度しかない。

本発明は、このような課題を解決するものであって、その目的は、高周波領域においても良好なＣＭＲＲが得られる差動増幅装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
２つの信号の差分を増幅するように構成された差動増幅装置において、
前記２つの信号の差分を増幅する第１の増幅器と、
前記２つの信号の差分を増幅する第２の増幅器と、
前記第１の増幅器の出力信号と前記第２の増幅器の出力信号との差分を増幅する第３の増幅器、
とを含むことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の差動増幅装置において、前記第３の増幅器は差動出力形であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載の差動増幅装置において、前記第３の増幅器はシングル出力形であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項１記載の差動増幅装置において、前記第１から第３の増幅器は演算増幅器であることを特徴とする。

これらにより、高周波領域においても良好なＣＭＲＲが得られる差動増幅装置を実現できる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 本発明の他の実施例を示す構成説明図である。 従来の差動増幅器の一例を示す構成説明図である。 従来から用いられている各種の差動増幅装置の構成説明図である。 市販されている周波数帯域幅が５００ＭＨｚの増幅器ＡＭＰの特性例図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、本発明に基づく差動増幅装置は、３つの増幅器ＡＭＰ１〜ＡＭＰ３で構成されている。

増幅器ＡＭＰ１の反転入力端子は増幅器ＡＭＰ２の非入力端子に接続され、増幅器ＡＭＰ１の非反転入力端子は増幅器ＡＭＰ２の反転入力端子に接続されている。増幅器ＡＭＰ１の反転入力端子および増幅器ＡＭＰ２の非入力端子には出力電圧−Ｖｄ／２の電圧源の一端が接続され、増幅器ＡＭＰ１の非反転入力端子および増幅器ＡＭＰ２の反転入力端子には出力電圧＋Ｖｄ／２の電圧源の一端が接続されている。

出力電圧−Ｖｄ／２の電圧源の他端および出力電圧＋Ｖｄ／２の電圧源の他端は出力電圧Ｖｃの電圧源の一端に接続され、出力電圧Ｖｃの電圧源の他端は共通電位点に接続されている。

増幅器ＡＭＰ１の同相利得と増幅器ＡＭＰ２の同相利得は等しく、増幅器ＡＭＰ１の差動利得と増幅器ＡＭＰ２の差動利得も等しいと仮定すると、増幅器ＡＭＰ１の出力Ｖout１および増幅器ＡＭＰ２の出力Ｖout２は、それぞれ以下の式で表すことができる。
Ｖout１＝（Ｖc＊Ａcom）＋（Ｖd＊Ａdiff） （３）
Ｖout２＝（Ｖc＊Ａcom）＋（−Ｖd＊Ａdiff） （４）

そして、増幅器ＡＭＰ３の同相成分Ｖc３および差動成分Ｖd３は、それぞれ以下の式で表すことができる。
Ｖc３＝（（Ｖc＊Ａcom）−（Ｖc＊Ａcom））＊Ａcom３＝０ （５）
Ｖd３＝（（Ｖd＊Ａdiff）−(-Ｖd＊Ａdiff））＊Ａdiff３
＝２＊Ｖd＊Ａdiff＊Ａdiff３ （６）

この結果、増幅器ＡＭＰ３の出力Ｖout３は、
Ｖout３＝Ｖc３＋Ｖd３＝２＊Ｖd＊Ａdiff＊Ａdiff３ （７）
となる。

増幅器ＡＭＰ３の出力Ｖout３を表す（７）式において、同相成分Ｖc３は０であり、これは同相利得が０と同義である。したがって、増幅器ＡＭＰ１および増幅器ＡＭＰ２の同相利得を等しくすることにより、理想的にはＣＭＲＲを無限大にすることができる。

図２は本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、（Ａ）は差動入力シングル出力の例を示し、（Ｂ）は差動入力差動出力の例を示したもので、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。

図２（Ａ）において、増幅器ＡＭＰ１の一方の入力端子（反転入力端子）には一方の入力端子ＩＮ１が接続されて他方の入力端子（非反転入力端子）には他方の入力端子ＩＮ２が接続され、増幅器ＡＭＰ２の一方の入力端子（反転入力端子）には他方の入力端子ＩＮ２が接続されて他方の入力端子（非反転入力端子）には一方の入力端子ＩＮ１が接続されている。

そして、増幅器ＡＭＰ１の一方の出力端子（反転出力端子）は増幅器ＡＭＰ３の一方の入力端子（反転入力端子）に接続されて他方の出力端子（非反転出力端子）は増幅器ＡＭＰ３の他方の入力端子（非反転入力端子）に接続され、増幅器ＡＭＰ２の一方の出力端子（反転出力端子）は増幅器ＡＭＰ３の一方の入力端子（反転入力端子）に接続されて他方の出力端子（非反転出力端子）は増幅器ＡＭＰ３の他方の入力端子（非反転入力端子）に接続されている。

図２（Ａ）の増幅器ＡＭＰ３の出力端子はＯＵＴのみの１系統であり、増幅器ＡＭＰ３は１系統の出力信号のみを出力する。

図２（Ｂ）において、増幅器ＡＭＰ１の一方の入力端子（反転入力端子）には一方の入力端子ＩＮ１が接続されて他方の入力端子（非反転入力端子）には他方の入力端子ＩＮ２が接続され、増幅器ＡＭＰ２の一方の入力端子（反転入力端子）には他方の入力端子ＩＮ２が接続されて他方の入力端子（非反転入力端子）には一方の入力端子ＩＮ１が接続されている。

そして、増幅器ＡＭＰ１の一方の出力端子（反転出力端子）は増幅器ＡＭＰ３の一方の入力端子（反転入力端子）に接続されて他方の出力端子（非反転出力端子）は増幅器ＡＭＰ３の他方の入力端子（非反転入力端子）に接続され、増幅器ＡＭＰ２の一方の出力端子（反転出力端子）は増幅器ＡＭＰ３の一方の入力端子（反転入力端子）に接続されて他方の出力端子（非反転出力端子）は増幅器ＡＭＰ３の他方の入力端子（非反転入力端子）に接続されている。

図２（Ｂ）の増幅器ＡＭＰ３には出力端子としてＯＵＴ１とＯＵＴ２の２系統が設けられていて、増幅器ＡＭＰ３は２系統の差動出力信号を出力する。

本発明に基づく実際の回路設計にあたっては、差動増幅装置の具体的な用途に応じて、図２（Ａ）のシングル出力構成か図２（Ｂ）の差動出力構成かを選択することになる。

図３も本発明の他の実施例を示す構成説明図であって、図２（Ａ）に示したシングル出力回路構成を、抵抗を使用して差動利得が設定できるようにしたものであり、図２と共通する部分には同一の符号を付けている。

図３において、増幅器ＡＭＰ１の一方の入力端子（反転入力端子）には抵抗Ｒ５を介して出力端子が接続されるとともに抵抗Ｒ６を介して一方の入力端子ＩＮ１が接続され、他方の入力端子（非反転入力端子）には抵抗Ｒ７を介して他方の入力端子ＩＮ２が接続されるとともに抵抗Ｒ８を介して共通電位点が接続されている。

増幅器ＡＭＰ２の一方の入力端子（反転入力端子）には抵抗Ｒ９を介して出力端子が接続されるとともに抵抗Ｒ１０を介して他方の入力端子ＩＮ２が接続され、他方の入力端子（非反転入力端子）には抵抗Ｒ１１を介して一方の入力端子ＩＮ１が接続されるとともに抵抗Ｒ１２を介して共通電位点が接続されている。

増幅器ＡＭＰ３の一方の入力端子（反転入力端子）には抵抗Ｒ１３を介して出力端子ＯＵＴが接続されるとともに抵抗Ｒ１４を介して増幅器ＡＭＰ１の出力端子が接続され、他方の入力端子（非反転入力端子）には抵抗Ｒ１５を介して増幅器ＡＭＰ２の出力端子が接続されるとともに抵抗Ｒ１６を介して共通電位点が接続されている。

図３の回路構成における抵抗Ｒ６〜Ｒ１６の抵抗値を各増幅器ＡＭＰ１〜ＡＭＰ３について所望の差動利得が得られるように設定することで、増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２の出力端子に現れる不要な同相成分を、増幅器ＡＭＰ３により除去することができる。

なお、上記実施例では、増幅器ＡＭＰとして集積回路技術により回路部品として一体化された演算増幅器を用いる例について説明したが、個別部品を組み合わせて増幅器として構成されたものであってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、高周波領域においても良好なＣＭＲＲが得られる差動増幅装置を実現でき、精密計測や通信などの各種の分野における微小信号を増幅する手段として好適である。

ＡＭＰ１〜ＡＭＰ３ 増幅器
ＩＮ１、ＩＮ２ 入力端子
ＯＵＴ 出力端子
Ｒ５〜Ｒ１６ 抵抗

Claims (4)

1. ２つの信号の差分を増幅するように構成された差動増幅装置において、
   前記２つの信号の差分を増幅する第１の増幅器と、
   前記２つの信号の差分を増幅する第２の増幅器と、
   前記第１の増幅器の出力信号と前記第２の増幅器の出力信号との差分を増幅する第３の増幅器、
   とを含むことを特徴とする差動増幅器。
2. 前記第３の増幅器は差動出力形であることを特徴とする請求項１記載の差動増幅器。
3. 前記第３の増幅器はシングル出力形であることを特徴とする請求項１記載の差動増幅器。
4. 前記第１から第３の増幅器は演算増幅器であることを特徴とする請求項１記載の差動増幅器。