JPH09510063A - 増幅器回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 増幅器回路（１）は容量性特性を有する光ダイオード（３）からの大きさが不定な信号を増幅するように編成されている。回路（１）は、実質的に均一な大きさの出力信号を提供するために信号の大きさに対して増幅器の利得を変化させる電圧制御可変抵抗器（８）を含む第１フィードバック経路を備える。第１フィードバック経路は、増幅器の周波数応答特性を最適化するために光ダイオード（３）と可変抵抗器（８）のキャパシタンスによって生じる回路リアクタンスの逆効果を補償するコンデンサ（７）も含む。固定値抵抗器（９）を有する第２フィードバック経路は、光ダイオード（３）から受けた信号を固定利得で増幅するために、第１フィードバック経路の抵抗が大きいときに作動可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】 増幅器回路 本発明は増幅器回路に関し、より詳細には、実質的に均一な大きさの出力信号 を提供するために、大きさが不定な（of variable magnitude）信号を増幅する 可変（variable）利得の回路に関する。 光ダイオードは電磁スペクトルの可視領域または赤外領域における電磁輻射の 強さを測定する便利な手段である。光ダイオードは非常に低い光レベルの測定を 可能にする低い内部ノイズを持つとともに、本質的に応答時間が短いので非常に 短い光パルスの測定が可能である。しかし、低い光レベルに曝される光ダイオー ドによって生じる出力信号は非常に小さいかもしれず、そのために、更なる処理 を行う前に光ダイオードの出力信号を増幅するのが通例である。光ダイオードか らの信号出力は、光ダイオードに投射される光の広範囲にわたる強さに比例した 電流を持つが、大抵の信号処理は不定電圧の信号に加えられる。光ダイオードか らの電流信号出力を対応する電圧信号に転換できることが望ましいので、この目 的のために、普通、電流電圧コンバータまたは、いわゆるトランスインピーダン ス増幅器が使用される。これらの増幅器はノイズが低いという点、帯域幅が広い という点を含め多くの望ましい特性を持ち、一般的には、高利得の転倒型あるい は反転型増幅器（inverting amplifier）から成り、普通は、仮想アース構成（v irtual earth configuration）で接続された集積回路作動の増幅器であり、フィ ードバック抵抗器が出力から入力に接続されている。 光ダイオードによって生じる最大出力電流が既知の場合、電流電圧コンバータ の最適設計は決まった手順で行える事項である。光ダイオードは、単一の設計の 増幅器では全範囲にわたる最適化が不可能な非常に広範囲の光レベルで作動する ことができる。増幅器回路ノイズを最小とするには、フィードバック抵抗をでき るだけ大きくしなければならない。しかし、高いフィードバック抵抗は回路利得 を増加させ、高い光レベルでは、増幅器回路は光ダイオードによって生じた最大 信号を処理できなくなる。利得が、光ダイオードによって生じ得る最大信号を受 け入れるのに充分なほど低い場合、増幅器回路からのノイズは、低い光レベルで の光ダイオードから の信号を超えることになる。 従って、多くの場合、可変利得の増幅器回路を設けることが便利であると同時 に実際に望ましい。また、例えば、増幅器回路のフィードバック抵抗を電子的に 制御可能な素子にすることで利得が電子的に制御可能であることも望ましい場合 が多い。このような電子制御を実現する様々な方法がよく知られている。 当該技術に精通する者には既によく知られていることであるが、線形回路への 信号入力と、その回路からの信号出力との関係は、いわゆる回路の伝達関数で記 載され、複素周波数（complex frequency）Ｓによる２つの複素多項式の比とし て表すことができる。回路の動的挙動は、閉ループ伝達関数を数学的な極（pole s）とゼロ（zeros）に対して調べることによって決定できる。つまり伝達関数の 分母がゼロ（すなわち極）になる複素周波数Ｓの値と、分子がゼロ（すなわちゼ ロ）になる複素周波数の値とを調べることにより決定できる。伝達関数の極は回 路内のリアクティブ素子（reactive element）（例えばコンデンサやインダクタ ）によって生じ、極の値は回路が不安定になって発振するかどうかを示す。 トランスインピーダンス増幅器回路のフィードバック抵抗が変化すると、その 帯域幅も変化する。高利得（大きなフィードバック抵抗）では、光ダイオード中 の容量（capacitance）とともに、フィードバック抵抗を跨ぐ漂遊容量（stray c apacitance）により応答極（response pole）が発生し、この応答極は光ダイオ ードと増幅器回路の組合せの最大高周波数帯域幅を次第に制限する。低利得（小 さなフィードバック抵抗）では、転倒型増幅器の移相（phase shift）と、光ダ イオードのキャパシタンスとフィードバック抵抗とによって生じる移相の組合せ 効果は、トランスインピーダンス増幅器回路の周波数応答のピークを引き起こす 一対の共役極（conjugate pair of poles）を閉ループ伝達関数にもたらすこと である。利得が減少すると、共役極の対は複素周波数平面Ｓの虚軸の方向に移動 して、激しい場合は回路が発振する。固定利得の増幅器を設計する場合、最適の 帯域幅を得るために小さなコンデンサをフィードバック抵抗器と並列に接続する ことができる。この小コンデンサの効果はフィードバック経路の伝達関数にゼロ をもたらすことであり、これが回路の単位ループ利得周波数における移相を減少 させ、閉ループ共役極の対を虚軸から離す。コンデンサの値は、光ダイオードの キャパシタンス、転倒型増幅器の入力キャパシタンス、転倒型増幅器の開ループ 利得／帯域幅の積、およびフィードバック抵 抗の値から近似的に決定できる。最適値は回路内の他の漂遊容量にも依存するの で、経験的に決定しなければならない。可変利得トランスインピーダンス増幅器 回路に関する補償コンデンサの単一の最適値を選択することはできない。この補 償コンデンサのキャパシタンスが大きすぎると、増幅器回路の閉ループ帯域幅は 不必要に削減され、それが小さすぎると増幅器回路の周波数応答が好ましくない ピークを含むことになる。固定値補償コンデンサが可変フィードバック抵抗と共 に使用されてキャパシタンスが充分大きくない場合、回路は高低の両利得で正し く機能するが、可変抵抗の値によって決定される中間利得の値では、周波数応答 は再び好ましくないピークを含むか、回路が発振することさえあるかもしれない 。本発明の目的は、少なくとも前記の問題の一部が減少するか克服されるような 増幅器回路を提供することである。 本発明の一側面によれば、増幅器を備える増幅器回路が提供され、この増幅器 は、信号ソースから信号を受けるための反転入力（inverting input）を持ち、 この増幅器からの増幅された出力が実質的に均一な振幅になるように信号ソース からの信号の振幅に反比例して変化し得る抵抗を有する第１フィードバック経路 を介して出力信号を受取るように接続されるとともに、信号ソースから受取る信 号を固定利得で増幅するために第１フィードバック経路の抵抗が大きいときに作 動可能な、固定抵抗を持つ第２フィードバック経路を介して出力信号を受取るよ うに接続されている。 本発明の別の側面によれば、容量的特性を有する信号ソースからの、大きさが 不定な信号を増幅する増幅器回路が提供され、その回路は第１フィードバック経 路を備え、第１フィードバック経路は、実質的に均一な大きさの出力信号を提供 するために信号の大きさに対して増幅器の利得を変化させる可変抵抗素子を含む とともに、増幅器の周波数応答特性を最適化するために可変抵抗素子と信号ソー スのキャパシタンスから形成される回路内のリアクタンスの影響を補償するリア クティブ素子を含む。 本発明の上記ならびに更なる特徴は添付の特許請求範囲に詳述され、それら特 徴はその利点とともに、添付図面に関して加えられる本発明の実施例の詳細な下 記説明を考慮することによって一層明瞭になるであろう。図１は、本発明を具体 化する増幅器回路の概略回路図である。 ここで、増幅器回路１が図１に示されている。増幅器回路１は演算増幅器（op er ational amplifier）２を備え、その非反転入力（＋）は回路アースに接続され 、その反転入力（−）は反転入力（−）と回路アースの間に接続された光ダイオ ード３からの信号を受取るように接続されている。光ダイオードは、例えば20 p F のキャパシタンスを持つHamamatu S1336-18BK でもよいし、演算増幅器２は、 例えば3.5 pFの入力キャパシタンスを持つAnalog Devices AD645BH でもよい。 演算増幅器２は光ダイオード３からの電流信号入力を電圧信号出力４に変換する 働きがある。 回路１は演算増幅器２の出力４から反転入力に至る２つのフィードバック経路 を含む。第１フィードバック経路は、増幅器回路１の利得を変更可能にする可変 抵抗に関するものであり、抵抗器５、６と、コンデンサ７と、電界効果トランジ スタ（field effect transistor（ＦＥＴ））８とで形成された分圧器を有する 。第２フィードバック経路は、所望の帯域幅に関して最大可能利得を与えるため に選ばれた固定値を持つ抵抗器９を有する。 ＦＥＴ８は、例えばSiliconix 3N163 で、そのソースＳとドレインＤの間の抵 抗がゲートＧに印加される制御電圧Ｃにより制御される電圧可変抵抗器として働 く。ＦＥＴ８が確実に抵抗領域で作動するために、ソースＳとドレインＤの間に 印加される電圧を小さく保たなければならない。従って抵抗器５、６の値は、ド レインＤが増幅器からの出力４の電圧のごく一部を与えられるように選択される 。通常は、２個の抵抗器５、６を有する分圧器はドレインに対して、増幅器出力 電圧の１／１１を与えることができる。抵抗器５、６に対してそれぞれ１ＫΩと １００Ωの抵抗値が適当である。分圧器によって、フィードバック電流は第１フ ィードバック経路から反転入力（−）に入力されて比例的に減少し、ＦＥＴ８の ドレインＤとソースＳの間の抵抗の１１倍（例えば）の入力対出力フィードバッ ク抵抗の効果をもたらす。 ＦＥＴ８のゲート電圧を変化させることによって、第１フィードバック経路の 実効フィードバック抵抗は広範囲にわたって変更され、それによって回路１の総 合利得が変化する。ゲートＧに印加される制御電圧Ｃは任意の適切な手段で決定 することができ、例えば光ダイオード３または別の光ダイオードまたはその光ダ イオードとは独立の他の感光装置（図示せず）からの信号の大きさで示される環 境光レベル（ambient light level）から導くことができる。 光ダイオード１はキャパシタンスを持ち、ＦＥＴ８は入力共通ソースキャパシ タ ンス（input common source capacitance）（Ｃ_iss)を持ち、両キャパシタンス はＦＥＴ８のドレインＤからソースＳまでの抵抗と共に、回路１のフィードバッ ク経路の開ループ伝達関数の極を作る働きをする。増幅器２の開ループ利得は周 波数とともに低下するが、フィードバック経路の開ループ伝達関数の極は増幅器 回路１の動作を不安定にさせる場合がある。ＦＥＴ８のドレインＤからソースＳ までの抵抗が制御電圧Ｃによって変化すると、極の周波数も変化する。ＦＥＴ８ は逆伝達共通ソースキャパシタンス（Ｃ_rss）を持ち、これは抵抗器９のキャパ シタンスと共に、高低の利得値においてフィードバック経路の開ループ伝達関数 の極の影響を補償する働きをする。しかし中間の利得値では、極の影響は回路の 利得特性の望ましくないピークを生じることになる。 ＦＥＴ８のドレインＤに加えられるフィードバック電圧に位相の進み（phase lead）を与えることによって前記の問題点を克服するか、さもなければ少なくと も減少させるために、抵抗器５を跨いでコンデンサ７が接続されている。位相の 進みは、前記の望ましくないピークを生じる利得値の範囲にわたるＦＥＴのドレ インからソースまでの抵抗と光ダイオードの入力キャパシタンスとによって生じ る極に伴う移相を相殺するように選ばれる。コンデンサ７の正確な値は重要では ない。というのは、抵抗器５、６の比が少なくとも１０進周波数(a frequency d ecade)を補償するための実効周波数（effective frequency）範囲を保証するか らである。10nF のコンデンサが適当である。分圧器へコンデンサ７を接続する ことにより、コンデンサ７が、必要な場合、低い回路利得においてのみ有効であ って、より高い利得では増幅器１の帯域幅を制限しないことを保証する。 抵抗器５、６で形成される分圧器の望ましくない影響とは、それが、同じ等価 抵抗を入力から出力へ直接接続（direct input to output connection）したと きのノイズ利得と比較して、演算増幅器２とＦＥＴ８からのノイズを１１倍だけ 余分に増幅することによって回路のノイズ利得を増大させることである。このこ とにより、第１フィードバック経路によって決定される、光ダイオード３からの 信号を増幅器回路のノイズから識別可能である、回路の最大使用可能利得を制限 する。 従って、増幅器回路１を高利得にセットしたときにノイズ利得を１に減らすた めに、抵抗器９を有する第２フィードバック経路が備えられている。抵抗器９は 出力から入力に直接に接続されるので、分圧器５、６による影響はない。抵抗器 ９の値 は、望ましい回路の帯域幅に対して最大可能利得（そして最小ノイズ）をもたら すように選択され、例えば、上記の演算増幅器と共に使用する場合は、６８０Ｍ Ωの値が適当である。 ＦＥＴ８のゲートＧの電圧Ｃを増加させると、ドレインからソースまでの抵抗 値の増加が演算増幅器２の回りの全フィードバックに対する第１フィードバック 経路の効果を減少させるので、それに応じて第２フィードバック経路（抵抗器９ ）の効果が増大する。ＦＥＴ８が完全に働きを停止する限界では（すなわちドレ インからソースまでの抵抗が最大、すなわち実効的に無限である）、第１フィー ドバック経路の抵抗部分は演算増幅器２の反転入力に加えられる電圧に全く寄与 しなくなる。抵抗器５、６からなる分圧器は反転入力（−）から分離されるので 、増幅器回路１のノイズ利得は１に減り（すなわち、第２フィードバック経路の みによって発生する）、その結果、最高実用回路利得における最適の信号／ノイ ズ（Ｓ／Ｎ）比をもたらす。光ダイオード３からの信号出力レベルが増加したと きは（より多くの光が光ダイオードに投射される結果として）、増幅器回路１の 利得を減少させるために、それに対応して制御電圧Ｃを増加させる。制御電圧Ｃ が増大されてＦＥＴ８が作動を開始すると、増幅器回路１の信号利得が減少して 回路のノイズ利得が上昇する。しかし、光ダイオードからの信号レベルの増加は ノイズ利得の変化によるノイズレベルの増大よりもはるかに大きいので、信号は 、以前と同様、回路１内に生じたバックグランドノイズからは容易に識別可能な ままである。 回路の他のコンポーネントによってもたらされる漂遊容量は、高利得での回路 ノイズを最小にする最大フィードバック抵抗値を大きくするために、できるだけ 小さくしなければならない。また、回路１の帯域幅も抵抗器９を跨ぐ漂遊容量と ＦＥＴ８の漂遊容量とによって制限される。より詳細には、ＦＥＴ８のキャパシ タンスＣ_rssと抵抗器９の漂遊容量とが、光ダイオード３と増幅器２のキャパシ タンスと共にＦＥＴ８のキャパシタンスＣ_issと抵抗器９によって発生するフィ ードバック極を補償するので、低いキャパシタンス値を持つ増幅器と光ダイオー ドとＦＥＴとを選択することにより、抵抗器９に関する高い抵抗値が選択可能と なる。これによって、所望の回路帯域幅における最適な利得−帯域幅の積と最小 回路ノイズを持つ回路が得られる。上記の回路１は 4kHz の設計帯域幅を持ち、 70dB の利得変化に対して最大 15kHz を超えて上昇することはない。回路で観察 された最大利得のピークは 2dBである。 好ましい実施例によって本発明を詳細に説明したが、記載の実施例は単なる例 示であって、当業者によって思考される修正や変更が、添付の特許請求範囲に記 載された発明およびそれに相当する技術の精神と範囲から逸脱することなく実施 可能であることは言うまでもない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/28

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 信号ソースからの信号を受取る反転入力と、出力とを有し、 前記反転入力は； 増幅器からの増幅された信号出力が実質的に均一な振幅になるように前記ソ ースからの信号の振幅に反比例して変化し得る抵抗を有する第１フィードバック 経路を介して出力信号を受取るように接続されるとともに、 前記ソースから受取る信号を固定利得で増幅するために前記第１フィードバ ック経路の抵抗が大きいときに作動可能な、固定抵抗を持つ第２フィードバック 経路を介して出力信号を受取るように接続されている、 増幅器を備え、 前記第１フィードバック経路は、前記第１フィードバック経路を通して伝達され る前記フィードバック信号に対して位相の進みをもたらすリアクティブ素子を備 える、 増幅器回路。 ２． 前記第１フィードバック経路が電圧制御抵抗器を備える、 請求項１に記載の増幅器回路。 ３． 前記電圧制御抵抗器が電界効果トランジスタを備える、 請求項２に記載の増幅器回路。 ４． 前記第１フィードバック経路は、前記出力信号が前記電界効果トランジス タに加えられる前に同信号を減衰させる減衰器を備える、 請求項３に記載の増幅器回路。 ５． 前記減衰器が分圧器を備える、 請求項４に記載の増幅器回路。 ６． 前記増幅器が演算増幅器を備える、 上記請求項のいずれかに記載の増幅器回路。 ７． 前記信号ソースが光ダイオードを備える、 上記請求項のいずれかに記載の増幅器回路。 ８． 前記リアクティブ素子がコンデンサを備える、 上記請求項のいずれかに記載の増幅器回路。 ９． 容量性特性を有するソースからの不定の大きさの信号を増幅する増幅器回 路であって、 実質的に均一な大きさの出力信号を提供するために信号の大きさに対して増幅 器の利得を変化させる可変抵抗素子を含むとともに、 前記増幅器の周波数応答特性を最適化するために前記可変抵抗素子と前記ソー スのキャパシタンスから形成される前記回路のリアクタンスの影響を補償するリ アクティブ素子とを含む第１フィードバック経路を備える、 増幅器回路。 １０． 更に、前記可変抵抗素子の抵抗が所定の値を超えるときは前記増幅器の 最大利得を定めるために作動可能となる、固定抵抗の第２フィードバック経路を 備える、 請求項９に記載の増幅器回路。 １１． 前記ソースが光ダイオードを備える、 請求項９または１０に記載の増幅器回路。 １２． 前記可変抵抗素子が電界効果トランジスタを備える、 請求項９、１０もしくは１１に記載の増幅器回路。 １３． 前記第１フィードバック経路が、前記電界効果トランジスタを通して伝 達される信号の大きさを減少させる分圧器を備える、 請求項１２に記載の増幅器回路。 １４． ここで実質的に記載されている増幅器回路。