JP2742822B2 - 電流増幅器 - Google Patents
電流増幅器Info
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
- H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
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- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/08—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements
- H03F1/083—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements in transistor amplifiers
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高品位かつ低ノイズの電流増幅器に関し、
更に詳細には、通常1pAから10nAのレンジにある極小信
号を増幅するために用いる電流増幅器に関する。
更に詳細には、通常1pAから10nAのレンジにある極小信
号を増幅するために用いる電流増幅器に関する。
（従来の技術） 極小信号増幅用電流増幅器は走査型トンネル顕微鏡又
は原子力顕微鏡に用いられる。走査型トンネル顕微鏡で
は、一端が原子的次元の大きさのきわめて先鋭なプロー
ブで試料表面をラスタ方式で走査をする。プローブと試
料表面間には通常２ボルト程度の低電位差が生じ、サー
ボループを有する駆動部でプローブを試料表面に対して
離接するように移動させる。
は原子力顕微鏡に用いられる。走査型トンネル顕微鏡で
は、一端が原子的次元の大きさのきわめて先鋭なプロー
ブで試料表面をラスタ方式で走査をする。プローブと試
料表面間には通常２ボルト程度の低電位差が生じ、サー
ボループを有する駆動部でプローブを試料表面に対して
離接するように移動させる。
一般に、ナノメートル（nm）オーダの距離でプローブ
が試料表面に近接すると、電子がプローブと試料表面の
空間のポテンシャル障壁を通り抜け、わずかなトンネル
電流が流れる。プローブはトンネル電流が一定となるよ
うにサーボループの制御下で駆動部により試料表面に対
して前進又は後退させられる。プローブが試料表面上を
移動するのに伴い、サーボループから試料表面の高さを
表す信号が取り出される。そして、所定の処理を行った
後にサーボループから取り出された信号を用いて試料表
面の映像が作成される。このサーボループ中には、０
（直流）から少なくとも100KHzの範囲で平坦な周波数応
答特性をもつ電流増幅器が必要とされる。
が試料表面に近接すると、電子がプローブと試料表面の
空間のポテンシャル障壁を通り抜け、わずかなトンネル
電流が流れる。プローブはトンネル電流が一定となるよ
うにサーボループの制御下で駆動部により試料表面に対
して前進又は後退させられる。プローブが試料表面上を
移動するのに伴い、サーボループから試料表面の高さを
表す信号が取り出される。そして、所定の処理を行った
後にサーボループから取り出された信号を用いて試料表
面の映像が作成される。このサーボループ中には、０
（直流）から少なくとも100KHzの範囲で平坦な周波数応
答特性をもつ電流増幅器が必要とされる。
従来、かかる電流増幅器は、高品質低ドリフトの仮想
接地帰還型の低電流演算増幅器で構成されていた。そし
て、帰還ループの寄生容量を可能な限り低減し、かつ、
帰還路の抵抗を小さくすることで可能な限り広い周波数
帯域で、かつ、可能な限り周波数応答特性を平坦なもの
とする試みがなされていた。
接地帰還型の低電流演算増幅器で構成されていた。そし
て、帰還ループの寄生容量を可能な限り低減し、かつ、
帰還路の抵抗を小さくすることで可能な限り広い周波数
帯域で、かつ、可能な限り周波数応答特性を平坦なもの
とする試みがなされていた。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の構成の電流増幅器では十分に広
い帯域幅を確保するのは困難であった。通常、周波数応
答特性は100KHzより低い周波数で利得が低下してしま
い、このために走査型トンネル顕微鏡の特性を十分に引
き出せないという問題があった。
い帯域幅を確保するのは困難であった。通常、周波数応
答特性は100KHzより低い周波数で利得が低下してしま
い、このために走査型トンネル顕微鏡の特性を十分に引
き出せないという問題があった。
電流増幅器を多段構成とすることも知られている。そ
の一例が、ジェイ・エム・スタンレイ（J.M.Stanley et
al）による論文「宇宙科学用計器（Space Science Ins
trumentation）」第１巻、第４号、1975年11月版の471
頁から492頁に説明されている。多段構成型電流増幅器
の初段では、増幅器の動作レンジから外れた部分で利得
が低下するように広帯域の周波数特性をもたせている。
上記論文の第５図に示されている増幅器は、初段におけ
る周波数特性は100KHz付近で下降するものである。そし
て、２段目以降の周波数特性は狭帯域であるが150KHzか
ら210KHzの有効動作レンジを有している。しかし、走査
型トンネル顕微鏡または電子力顕微鏡に用いるにはなお
十分でない。
の一例が、ジェイ・エム・スタンレイ（J.M.Stanley et
al）による論文「宇宙科学用計器（Space Science Ins
trumentation）」第１巻、第４号、1975年11月版の471
頁から492頁に説明されている。多段構成型電流増幅器
の初段では、増幅器の動作レンジから外れた部分で利得
が低下するように広帯域の周波数特性をもたせている。
上記論文の第５図に示されている増幅器は、初段におけ
る周波数特性は100KHz付近で下降するものである。そし
て、２段目以降の周波数特性は狭帯域であるが150KHzか
ら210KHzの有効動作レンジを有している。しかし、走査
型トンネル顕微鏡または電子力顕微鏡に用いるにはなお
十分でない。
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされ
たものであり、所定の動作範囲で実質的に平坦な周波数
応答特性をもつ電流増幅器を提供することを目的とす
る。特に、走査型トンネル顕微鏡または電子力顕微鏡に
用いて好適な電流増幅器を提供することを目的とする。
たものであり、所定の動作範囲で実質的に平坦な周波数
応答特性をもつ電流増幅器を提供することを目的とす
る。特に、走査型トンネル顕微鏡または電子力顕微鏡に
用いて好適な電流増幅器を提供することを目的とする。
（課題を解決するための手段） 本発明は、所定の周波数までは実質的に平坦な周波数
応答特性であり、前記所定の周波数を越えると周波数応
答特性の利得が所定の割合で低下するように仮想接地帰
還構成で接続し、かつ、抵抗とコンデンサとを並列接続
してなる帰還回路を有する第１の演算増幅器を有する初
段と、仮想接地あるいは非反転帰還構成に接続され、前
記第１の演算増幅器の周波数応答特性との組合せで所望
の動作範囲となるように選定された周波数応答特性を有
する第２の演算増幅器を有する第二段との２段構成の電
流増幅器において、前記所定の周波数が動作範囲に含ま
れ、前記第２段の周波数応答特性が前記所定の周波数に
至るまで実質的に一定の利得で、前記所定の周波数以上
においては前記第１の演算増幅器の周波数応答特性の利
得の低下に対応し、かつ、相補的に変化する利得を有
し、全体の周波数応答特性が作動範囲にわたって実質的
に平坦となるよう電流流増幅器を構成することで上記課
題を解決した。
応答特性であり、前記所定の周波数を越えると周波数応
答特性の利得が所定の割合で低下するように仮想接地帰
還構成で接続し、かつ、抵抗とコンデンサとを並列接続
してなる帰還回路を有する第１の演算増幅器を有する初
段と、仮想接地あるいは非反転帰還構成に接続され、前
記第１の演算増幅器の周波数応答特性との組合せで所望
の動作範囲となるように選定された周波数応答特性を有
する第２の演算増幅器を有する第二段との２段構成の電
流増幅器において、前記所定の周波数が動作範囲に含ま
れ、前記第２段の周波数応答特性が前記所定の周波数に
至るまで実質的に一定の利得で、前記所定の周波数以上
においては前記第１の演算増幅器の周波数応答特性の利
得の低下に対応し、かつ、相補的に変化する利得を有
し、全体の周波数応答特性が作動範囲にわたって実質的
に平坦となるよう電流流増幅器を構成することで上記課
題を解決した。
（作用） 第２段目に含まれる第２の演算増幅器は、第１の演算
増幅器に対して相補的な周波数特性を所定周波数から前
記所定周波数よりも高い第２の周波数に亘って与える。
第３の演算増幅器は前記第２の周波数までの帯域で一定
の利得を有する。そして、第３の演算増幅器は電流増幅
器の動作範囲の少なくとも残りの部分において第１の演
算増幅器の利得の低下を相補的に補償するような利得を
有する。
増幅器に対して相補的な周波数特性を所定周波数から前
記所定周波数よりも高い第２の周波数に亘って与える。
第３の演算増幅器は前記第２の周波数までの帯域で一定
の利得を有する。そして、第３の演算増幅器は電流増幅
器の動作範囲の少なくとも残りの部分において第１の演
算増幅器の利得の低下を相補的に補償するような利得を
有する。
（実施例） 本発明に係る電流増幅器について図面を参照しながら
説明する。
説明する。
本発明に係る電流増幅器は、第１の演算増幅器IC1よ
りなる初段と第２、第３の演算増幅器IC2、IC3よりなる
二段で構成される。第１の演算増幅器IC1は低ドリフト
低電流演算増幅器で、例えば、バーブラウン型（Burr B
rown Type）OPA111が用いられる。第１の演算増幅器IC1
は分圧帰還型構成のものであり、コンデンサC1と抵抗R1
の並列回路が出力端子（端子ピン６）と反転入力端子
（端子ピン２）の間に接続されている。入力抵抗R5が電
流増幅器の入力端子I/Pと反転入力端子（端子ピン２）
間に接続されている。電圧保護ダイオードD1及びD2が第
１の演算増幅器IC1の反転入力端子（端子ピン２）と非
反転入力端子（端子ピン３）の間に並列に接続されてい
る。演算増幅器IC1の出力は抵抗R2と同軸ケーブルCAXを
介して第２段目へ接続されている。
りなる初段と第２、第３の演算増幅器IC2、IC3よりなる
二段で構成される。第１の演算増幅器IC1は低ドリフト
低電流演算増幅器で、例えば、バーブラウン型（Burr B
rown Type）OPA111が用いられる。第１の演算増幅器IC1
は分圧帰還型構成のものであり、コンデンサC1と抵抗R1
の並列回路が出力端子（端子ピン６）と反転入力端子
（端子ピン２）の間に接続されている。入力抵抗R5が電
流増幅器の入力端子I/Pと反転入力端子（端子ピン２）
間に接続されている。電圧保護ダイオードD1及びD2が第
１の演算増幅器IC1の反転入力端子（端子ピン２）と非
反転入力端子（端子ピン３）の間に並列に接続されてい
る。演算増幅器IC1の出力は抵抗R2と同軸ケーブルCAXを
介して第２段目へ接続されている。
第２の演算増幅器IC2にはプレシジョン モノリシッ
クス社（Precision Monolithics Incorporated）製の型
番OP37を用いて、非反転帰還構成に接続する。第２の演
算増幅器IC2の出力の一部は、可変抵抗VR2と抵抗R16を
直列接続してなる帰還ループを介して出力端子（端子ピ
ン６）から反転入力端子（端子ピン２）へ帰還する構成
となっている。この帰還ループはさらに抵抗R17とコン
デンサC10を介してアースされている。抵抗R17とコンデ
ンサC10によって第２の演算増幅器IC2の周波数特性が決
定される。
クス社（Precision Monolithics Incorporated）製の型
番OP37を用いて、非反転帰還構成に接続する。第２の演
算増幅器IC2の出力の一部は、可変抵抗VR2と抵抗R16を
直列接続してなる帰還ループを介して出力端子（端子ピ
ン６）から反転入力端子（端子ピン２）へ帰還する構成
となっている。この帰還ループはさらに抵抗R17とコン
デンサC10を介してアースされている。抵抗R17とコンデ
ンサC10によって第２の演算増幅器IC2の周波数特性が決
定される。
初段の出力は第２の演算増幅器IC2の非反転入力端子
（端子ピン３）に印加され、第２の演算増幅器IC2から
の出力（端子ピン６）は抵抗R18とバイパスコンデンサC
11を介して第３の演算増幅器IC3の非反転入力端子（端
子ピン３）に印加される。第３の演算増幅器IC3につい
ても第２の演算増幅器IC2と同様にプレシジョンモノリ
シックス社製の型番OP37の演算増幅器を用いる。第３の
演算増幅器IC3も第２の演算増幅器IC2と同様非反転帰還
接続されている。第３の演算増幅器IC3の帰還ループ
は、可変抵抗VR1と抵抗R23の直列回路で構成されてお
り、出力（端子ピン６）と反転入力（端子ピン２）の間
に接続されている。帰還ループはさらに抵抗R24とコン
デンサC8を介してアースに接続されている。この抵抗R2
4とコンデンサC8によって第３の演算増幅器IC3の周波数
特性が決定される。上記２段構成の電流増幅器の出力は
抵抗R25を介して第３の演算増幅器IC3の出力（端子ピン
６）に接続された出力端子O/Pから取り出される。
（端子ピン３）に印加され、第２の演算増幅器IC2から
の出力（端子ピン６）は抵抗R18とバイパスコンデンサC
11を介して第３の演算増幅器IC3の非反転入力端子（端
子ピン３）に印加される。第３の演算増幅器IC3につい
ても第２の演算増幅器IC2と同様にプレシジョンモノリ
シックス社製の型番OP37の演算増幅器を用いる。第３の
演算増幅器IC3も第２の演算増幅器IC2と同様非反転帰還
接続されている。第３の演算増幅器IC3の帰還ループ
は、可変抵抗VR1と抵抗R23の直列回路で構成されてお
り、出力（端子ピン６）と反転入力（端子ピン２）の間
に接続されている。帰還ループはさらに抵抗R24とコン
デンサC8を介してアースに接続されている。この抵抗R2
4とコンデンサC8によって第３の演算増幅器IC3の周波数
特性が決定される。上記２段構成の電流増幅器の出力は
抵抗R25を介して第３の演算増幅器IC3の出力（端子ピン
６）に接続された出力端子O/Pから取り出される。
第２図は各演算増幅器の周波数応答特性、すなわち、
周波数に対する利得の特性を表わしたグラフである。第
１の演算増幅器IC1は750Hz近傍までほぼ平坦な周波数応
答特性を有し、それより高い周波数帯では１ディケード
当り−20dBの一定比率で利得が低下している。一方、第
２の演算増幅器IC2は750Hz近傍まではほぼ一定の単位利
得を有しており、750Hzより高い周波数帯では初段の利
得の低下に対応して１ディケード当り＋20dBの割合で利
得が増加している。そして、この例では、30KHz近傍で
飽和して第２図に示すように利得はほぼ一定となる。第
３の演算増幅器IC3は30KHz近傍まではほぼ一定の単位利
得を有し、30KHzより高い周波数帯では第１の演算増幅
器の利得の低下に対応して１ディケード当り＋20dBの比
率で増加して第１の演算増幅器の利得を補償している。
第２と第３の演算増幅器IC2、IC3の周波数応答特性が正
の傾きを持つ開始点の周波数は可変抵抗VR2とVR1の抵抗
値をそれぞれ変えることで設定することができる。
周波数に対する利得の特性を表わしたグラフである。第
１の演算増幅器IC1は750Hz近傍までほぼ平坦な周波数応
答特性を有し、それより高い周波数帯では１ディケード
当り−20dBの一定比率で利得が低下している。一方、第
２の演算増幅器IC2は750Hz近傍まではほぼ一定の単位利
得を有しており、750Hzより高い周波数帯では初段の利
得の低下に対応して１ディケード当り＋20dBの割合で利
得が増加している。そして、この例では、30KHz近傍で
飽和して第２図に示すように利得はほぼ一定となる。第
３の演算増幅器IC3は30KHz近傍まではほぼ一定の単位利
得を有し、30KHzより高い周波数帯では第１の演算増幅
器の利得の低下に対応して１ディケード当り＋20dBの比
率で増加して第１の演算増幅器の利得を補償している。
第２と第３の演算増幅器IC2、IC3の周波数応答特性が正
の傾きを持つ開始点の周波数は可変抵抗VR2とVR1の抵抗
値をそれぞれ変えることで設定することができる。
３つの演算増幅器により第２図に一点鎖線で示すよう
な合成利得を得ることができる。合成利得は300KHzに至
るまでほぼ平坦な周波数応答特性となっており、300KHz
より高い周波数帯では１ディケード当り−20dBの割合で
利得が低下している。
な合成利得を得ることができる。合成利得は300KHzに至
るまでほぼ平坦な周波数応答特性となっており、300KHz
より高い周波数帯では１ディケード当り−20dBの割合で
利得が低下している。
上記実施例では第２段に２つの演算増幅器を含む場合
を説明したが、３つ乃至３以上の演算増幅器を含むよう
に構成してもよい。
を説明したが、３つ乃至３以上の演算増幅器を含むよう
に構成してもよい。
第４図は本発明の第２の実施例を示したブロック図で
あり、第２段目（Ｓ）に第４の演算増幅器IC4を含めた
場合を示したものである。第３図に示すように、第２段
目に含まれる３つの演算増幅器が協同して第１の演算増
幅器IC1の利得の低下を第一の実施例で説明したのと同
様な方法で補償している。
あり、第２段目（Ｓ）に第４の演算増幅器IC4を含めた
場合を示したものである。第３図に示すように、第２段
目に含まれる３つの演算増幅器が協同して第１の演算増
幅器IC1の利得の低下を第一の実施例で説明したのと同
様な方法で補償している。
以上詳述したように、本発明によれば、第１の演算増
幅器の帰還ループに大きい容量のコンデンサを意図的に
接続し、かつ、帰還ループの抵抗値を増加させて平坦な
周波数応答特性が得られる帯域幅を狭くし、同時に帰還
ループのインピーダンスの増加によりドリフト及びノイ
ズに対する演算増幅器の影響を低下するようにした。第
１の演算増幅器の平坦な周波数帯は最大1KHzまでとする
が、第一の演算増幅器の利得の低下は相補的利得を有す
る第２段を結合させることで補償され、結果として平坦
な周波数応答特性が得られる帯域を非常に広げることが
できる。電流増幅器を上記のように構成とすることで、
300KHz近傍までほぼ平坦な周波数特性を得ることができ
る。
幅器の帰還ループに大きい容量のコンデンサを意図的に
接続し、かつ、帰還ループの抵抗値を増加させて平坦な
周波数応答特性が得られる帯域幅を狭くし、同時に帰還
ループのインピーダンスの増加によりドリフト及びノイ
ズに対する演算増幅器の影響を低下するようにした。第
１の演算増幅器の平坦な周波数帯は最大1KHzまでとする
が、第一の演算増幅器の利得の低下は相補的利得を有す
る第２段を結合させることで補償され、結果として平坦
な周波数応答特性が得られる帯域を非常に広げることが
できる。電流増幅器を上記のように構成とすることで、
300KHz近傍までほぼ平坦な周波数特性を得ることができ
る。
なお、第１図に示した回路の各構成要素の種類、設定
値を以下に示す。
値を以下に示す。
R1 100M C1 2P2 R2 47R C8 1N0 R3 47R C10 47N R4 47R C11 100P R5 120R A1 22N R14 47R A2 22N R15 47R A15 22N R16 2K7 A16 22N R17 100R A21 22N R18 4K7 A22 22N R21 47R VR1 5K R22 47R VR2 5K R23 2K7 R24 470R R25 47R （発明の効果） 本発明に係る電流増幅器は従来の単一段構成の電流増
幅器に比べてS/N比をかなり向上することができるとい
う効果がある。具体的には10から100倍程度のS/N比の向
上が図れる。このS/N比の向上は走査型トンネル顕微鏡
で得られるような低レベルの入力電流を処理する際にき
わめて有効となる。
幅器に比べてS/N比をかなり向上することができるとい
う効果がある。具体的には10から100倍程度のS/N比の向
上が図れる。このS/N比の向上は走査型トンネル顕微鏡
で得られるような低レベルの入力電流を処理する際にき
わめて有効となる。
第１図は本発明に係る電流増幅器の回路図、 第２図は本発明の第一の実施例に係る各段並びに全体の
電流増幅器の周波数特性を示したグラフ、 第３図は本発明の第二の実施例に係る各段の周波数特性
を示したグラフ、 第４図は本発明の第二の実施例に係る電流増幅器のブロ
ック図である。 図中、IC1,IC2,IC3……演算増幅器、R1……抵抗、C1…
…コンデンサ、VR1,VR2……可変抵抗
電流増幅器の周波数特性を示したグラフ、 第３図は本発明の第二の実施例に係る各段の周波数特性
を示したグラフ、 第４図は本発明の第二の実施例に係る電流増幅器のブロ
ック図である。 図中、IC1,IC2,IC3……演算増幅器、R1……抵抗、C1…
…コンデンサ、VR1,VR2……可変抵抗
Claims (9)
- 【請求項１】所定の周波数までは実質的に平坦な周波数
応答特性であり、前記所定の周波数を越えると周波数応
答特性の利得が所定の割合で低下するように仮想接地帰
還構成で接続し、かつ、抵抗（R1）とコンデンサ（C1）
とを並列接続してなる帰還回路を有する第１の演算増幅
器（IC1）を有する初段と、仮想接地あるいは非反転帰
還構成に接続され、前記第１の演算増幅器（IC1）の周
波数応答特性との組合せで所望の動作範囲となるように
選定された周波数応答特性を有する第２の演算増幅器
（IC2）を有する第二段との２段構成の電流増幅器にお
いて、前記所定の周波数が動作範囲に含まれ、前記第２
段の周波数応答特性が前記所定の周波数に至るまで実質
的に一定の利得で、前記所定の周波数以上においては前
記第１の演算増幅器（IC1）の周波数応答特性の利得の
低下に対応し、かつ、相補的に変化する利得を有し、全
体の周波数応答特性が作動範囲にわたって実質的に平坦
となるように構成されたことを特徴とする電流増幅器。 - 【請求項２】前記第２段は、仮想接地にあるいは非反転
帰還型に接続され、かつ、前記第２の演算増幅器（IC
2）に直列に接続された第３の演算増幅器（IC3）を更に
有し、前記第２の演算増幅器（IC2）は前記第１の演算
増幅器（IC1）に対して前記所定の周波数から当該所定
の周波数よりも高い第２の周波数の範囲で相補的な周波
数応答特性を有し、前記第３の演算増幅器（IC3）は前
記第２の周波数に至るまでは一定の利得を有し、作動範
囲の他の少なくも一部分にわたって、前記第１の演算増
幅器（IC1）の利得の低下に対応し、かつ、相補的に変
化する利得を有する請求項１に記載の電流増幅回路。 - 【請求項３】前記所定の周波数は前記動作範囲の低周波
数側の周波数であることを特徴とする請求項１もしくは
２に記載の電流増幅器。 - 【請求項４】前記動作範囲は０から300kHzの範囲にあ
り、前記所定の周波数は1kHzよりも低い周波数であるこ
とを特徴とする請求項３に記載の電流増幅器。 - 【請求項５】前記所定の周波数がほぼ750kHz出あること
を特徴とする請求項４に記載の電流増幅器。 - 【請求項６】前記第二の周波数は10kHzよりも大きいこ
とを特徴とする請求項４もしくは５に記載の電流増幅
器。 - 【請求項７】前記第二の周波数がほぼ30kHzであること
を特徴とする請求項６に記載の電流増幅器。 - 【請求項８】前記第二段は第４の演算増幅器（IC4）を
有し、前記第３の演算増幅器（IC3）は第二の所定周波
数よりも高い第３の所定周波数まで前記第１の演算増幅
器（IC1）に対して相補的周波数応答特性を有し、前記
第４の演算増幅器（IC4）は前記第３の所定周波数まで
実質的に一定の利得を有し、第３の所定の周波数より高
い周波数では第一の演算増幅器の利得の低下に対して相
補的となるようにしたことを特徴とする請求項２に記載
の電流増幅器。 - 【請求項９】請求項１ないし８に記載の電流増幅器を有
する走査型トンネルもしくは原子力顕微鏡。
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