JPH11284446A - オフセット電圧ドリフト補正回路付き増幅回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速オペアンプ等の特化した性能を有する各
種オペアンプにおけるその特化性能をそのままにしつ
つ、温度ドリフトを低減させることができる。 【解決手段】 入力端子（１，２）から入力した信号を
増幅して出力し、かつ所定性能が特化されているオペア
ンプ（ＯＰ１）と、オペアンプよりもオフセットの温度
ドリフトが少なく、かつ、入力端子における信号を入力
するとともに、その出力をオペアンプのオフセット調整
端子に入力する低ドリフトオペアンプ（ＯＰ２）とを備
えたオフセット電圧ドリフト補正回路付き増幅回路。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はオフセット電圧ド
リフト補正回路付き増幅回路、特に高速オペアンプ等の
温度ドリフトを補正するのに適したドリフト補正回路付
き増幅回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】演算増幅器，すなわちＯＰアンプ（以
下、オペアンプという）が広く用いられている。このオ
ペアンプの特性を決める上で重要な項目としてオフセッ
ト電圧がある。まず、この点について図５を用いて説明
する。

【０００３】図５はオペアンプの初段に用いられる差動
増幅回路を示す図である。同図に示すトランジスタＴr
1，Ｔr2に対するベース電圧ＶB1，ＶB2は、オペアンプ
に対する入力電圧であり、トランジスタＴr1，Ｔr2のベ
ース電圧対コレクタ電流特性が一致すれば、ベース電圧
ＶB1，ＶB2が同電圧の時、各トランジスタＴr1，Ｔr2の
コレクタ電流が等しくなり、オペアンプの出力に対応す
るコレクタ電圧ＶC1，ＶC2の電位差は０になるはずであ
る。

【０００４】ところが、現実には素子製造におけるばら
つき等のため、トランジスタＴr1，Ｔr2のベース電圧対
コレクタ電流特性が完全には一致せず上記電位差は完全
には０にならない。逆にコレクタ電圧ＶC1，ＶC2の電位
差が０になるときのベース電圧ＶB1，ＶB2の電位差をオ
フセット電圧（以下、単にオフセットともいう）とい
う。このオフセット電圧は温度によって変化する。この
ときの比率をオフセット電圧ドリフト（以下、単に温度
ドリフトあるいはドリフトともいう）という。オフセッ
ト電圧及びオフセット電圧ドリフトはいずれも値が小さ
いほどオペアンプとしての性能がよいと言える。

【０００５】オフセット電圧を調整するためには、トラ
ンジスタＴr1，Ｔr2に流れるコレクタ電流の比率を変え
るようにしている。この調整を行うため、多くのオペア
ンプには図５中に示すオフセット電圧調整用の端子が設
けられている。また、この端子間の可変抵抗Ｒｘの抵抗
値を調整することで、所定条件（例えば室温）における
オフセットを０近くに設定できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ある温
度でのオフセット調整がなされても、オペアンプの使用
温度が変化すれば温度ドリフトによってオフセット電圧
は変化する。この温度ドリフトはオペアンプ固有のもの
であるため、使用者がこれを調整することはできない。

【０００７】このようにオペアンプの特性は、そのオペ
アンプ固有の性能に拘束されることを考慮して、オペア
ンプ製造業者はその目的別に様々な特性のオペアンプを
提供している。高速型オペアンプ、高耐圧型オペアン
プ、低ドリフト型オペアンプ、低消費電力型オペアンプ
等である。この中で例えば、高速型オペアンプは高ゲイ
ン，高ゲイン帯域幅（ＧＢ積）を目指して開発されたも
のであり、低ドリフト型オペアンプは温度ドリフトが少
ないという点に特化している。

【０００８】これらの各特性は多くの場合トレードオフ
の関係にあり、例えば高速型オペアンプ程度の高ゲイン
で、かつ低ドリフト型オペアンプ程度の低ドリフトのオ
ペアンプを開発するのは困難である。また、汎用型オペ
アンプも提供されているが、この汎用型では上記各型の
特化部分についてはその性能が及ばない。

【０００９】しかしながら、現実的には高速型オペアン
プ（以下、高速オペアンプともいう）程度の高ゲインを
得つつ、低ドリフト型オペアンプ（低ドリフトオペアン
プ）程度のドリフト特性を得たい場合も多い。例えば光
パワーメータにおけるフォトダイオード出力の増幅等の
場合である。

【００１０】このような要望を満たすために、例えば高
速オペアンプのオフセット電圧調整端子間にサーミスタ
を接続することが考えられる。温度が上がるとサーミス
タの抵抗が下がることで図５のコレクタ電流の比率を調
整し、温度ドリフトに対応しようとするものである。し
かし、この場合でも、サーミスタの温度特性と温度ドリ
フトの変化量は必ずしも一致しないため、ドリフトを打
ち消せるか否か疑問であり、また、この方法は現実のオ
フセット電圧に基づいて直接的に調整を行うものではな
いため、高精度なオフセット調整を行い得ない場合もあ
る。

【００１１】また、低ドリフト型オペアンプを数段重ね
て高ゲインかつ低ドリフトな増幅回路を構築することも
考えられるが、これでは部品点数が増えて回路が複雑か
つ高コスト化するのみならず、ノイズが大きくなる等の
問題点もある。

【００１２】本発明は、このような実情を考慮してなさ
れたもので、高速オペアンプ等の特化した性能を有する
各種オペアンプにおけるその特化性能をそのままにしつ
つ、温度ドリフトを低減させることができるオフセット
電圧ドリフト補正回路付き増幅回路を提供することを目
的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に対応する発明は、オフセット調整端子を
有し、入力された信号を増幅して出力するオペアンプ
と、オペアンプよりオフセット電圧の温度ドリフトが少
なく、かつ、入力端がオペアンプの入力端に接続され、
その出力をオペアンプのオフセット調整端子に入力する
ことによって、オペアンプのオフセット電圧のドリフト
を補正するドリフト補正用オペアンプとを備えたオフセ
ット電圧ドリフト補正回路付き増幅回路である。

【００１４】本発明はこのような手段を設けたので、オ
ペアンプの入力端子に生じるオフセット電圧に基づくド
リフト補正用オペアンプからの出力が、オペアンプのオ
フセット調整端子に入力される。これにより、そのオペ
アンプ内の差動増幅器のコレクタ電流が調整されて、温
度ドリフトによるオペアンプのオフセット変化が低減さ
れる。この調整は、ドリフト補正用オペアンプ〜オペア
ンプ間のフィードバック制御ループにより行われるた
め、実際のオフセット変化に即したオフセット低減が実
現される。

【００１５】このため、オペアンプの温度ドリフトを低
減させることができる。次に、請求項２に対応する発明
は、請求項１に対応する発明において、オペアンプはド
リフト補正用オペアンプよりもゲイン帯域幅が大きいこ
と特徴としている。したがって、特に高速オペアンプに
おける温度ドリフトを有効に低減させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は本発明の実施の形態に係るオフセッ
ト電圧ドリフト補正回路付き増幅回路の構成例を示す回
路図である。

【００１７】このドリフト補正回路付きオペアンプは、
入力端子１及び２から入力電圧Ｖin１及びＶin２が信号
入力されたときに、その差電圧を高速オペアンプＯＰ１
及び抵抗Ｒｉ，Ｒｆによって出力電圧Ｖout に増幅し、
出力端子３から出力するものである。

【００１８】この回路では、入力端子１に抵抗Ｒｉを介
して高速オペアンプＯＰ１の負入力端子６及び抵抗Ｒｆ
の一端が接続され、抵抗Ｒｆの他端が高速オペアンプＯ
Ｐ１の出力側である出力端子３に接続されている。ま
た、入力端子２は抵抗Ｒ１を介して接地されるとともに
高速オペアンプＯＰ１の正入力端子７に接続されてい
る。

【００１９】一方、低ドリフトオペアンプＯＰ２の負入
力端子９及び正入力端子１０はそれぞれ高速オペアンプ
ＯＰ１の負入力端子６及び正入力端子７に接続されてお
り、低ドリフトオペアンプＯＰ２の出力端子１１は可変
抵抗Ｒ２の一端に接続されている。

【００２０】可変抵抗Ｒ２の他端は、抵抗Ｒ３を介して
高速オペアンプＯＰ１の第１のオフセット調整端子４に
接続される一方、可変抵抗Ｒ４及び抵抗５を介して第２
のオフセット調整端子５に接続されている。

【００２１】高速オペアンプＯＰ１は、入力信号を増幅
して出力する高速型のオペアンプである。本実施形態の
高速オペアンプＯＰ１は、ゲイン帯域幅１１０ＭＨｚ
（ゲイン＝１０００）、オフセット電圧８０μＶ、オフ
セット電圧ドリフト１．０μＶ／度の特性を有するもの
である。なお、高速オペアンプというときには、一般に
はゲイン帯域幅５０ＭＨｚ以上のものであり、好ましく
はゲイン帯域幅１００ＭＨｚ以上である。

【００２２】この高速オペアンプＯＰ１における第１，
第２のオフセット調整端子４，５は、図５に示すオフセ
ット電圧調整用端子と同様なものであり、その端子４，
５の内部は図５と同様な構成となっている。なお、本実
施形態ではオフセット調整端子が２つあるオペアンプを
例示したが、かかる調整端子は１つのもの等，種々の形
態がある。

【００２３】抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は、図５で説明した
コレクタ電流を調整するための抵抗であり、可変抵抗Ｒ
４への電圧＋Ｖ並びに低ドリフトオペアンプＯＰ２から
の入力電圧により、高速オペアンプＯＰ１のオフセット
調整がなされることになる。この中で可変抵抗Ｒ４は、
図５の可変抵抗Ｒｘに相当するものであり、このボリュ
ームを調整することで初期状態（例えば室温）における
オフセットが０近くに調整されるようになっている。ま
た、可変抵抗Ｒ４への電圧＋Ｖは例えば電源から取られ
る。

【００２４】なお、入力端子１，２が同電圧の場合に
は、高速オペアンプＯＰ１の入力側には図１に示すよう
に、オフセット電圧Ｖosが生じている。一方、低ドリフ
トオペアンプＯＰ２は、温度ドリフトを低減させるため
のオペアンプであり、オフセット電圧Ｖosに基づいて高
速オペアンプＯＰ１の温度ドリフトを低減させるために
設けられる。本実施形態の低ドリフトオペアンプＯＰ２
は、ゲイン帯域幅０．９ＭＨｚ、最大オフセット電圧１
５μＶ、最大オフセット電圧ドリフト０．１μＶ／度の
特性を有する。

【００２５】この低ドリフトオペアンプＯＰ２の出力側
に設けられた可変抵抗Ｒ２は、低ドリフトオペアンプＯ
Ｐ２の出力を電圧調整するものである。次に、以上のよ
うに構成された本発明の実施の形態に係るドリフト補正
回路付き増幅回路の動作について説明する。

【００２６】このドリフト補正回路付き増幅回路を使用
するに当たっては、まず、可変抵抗Ｒ４を調整して、室
温状態でのオフセットをキャンセルする。次に可変抵抗
Ｒ２を調整する。この可変抵抗Ｒ２は、主に低ドリフト
オペアンプＯＰ２の出力の飽和を防止し、その他、出力
の簡単な調整もできるがほぼ経験的に調整される。以
下、この可変抵抗Ｒ２の役割を説明する。

【００２７】低ドリフトオペアンプＯＰ２は低ドリフト
オフセットのオペアンプであるが、ドリフトは完全に
は”０”にならない。高速オペアンプＯＰ１よりは少な
いがドリフトは生じるのである。そもそもこの増幅回路
自体の目的は、高速オペアンプＯＰ１のオフセット電圧
ドリフト（１μＶ／度程度）を低ドリフトオペアンプＯ
Ｐ２のオフセット電圧ドリフト（０．１μＶ／度程度）
に抑えることにある。

【００２８】ここで、図１に示す構成において、高速オ
ペアンプＯＰ１が発生するオフセットが低ドリフトオペ
アンプＯＰ２のオフセットよりも大きいと、低ドリフト
オペアンプＯＰ２の出力に電圧が発生し、電流ｉが流れ
る。電流ｉと可変抵抗Ｒ４から加えられる電流ｉ0 が電
流ｉ1 と電流ｉ2 とに分岐し、高速オペアンプＯＰ１の
オフセットが低ドリフトオペアンプＯＰ２のオフセット
と等しくなる。

【００２９】一方、低ドリフトオペアンプＯＰ２自体は
電流ｉを調整するための抵抗でもあるので、可変抵抗Ｒ
２を変化させると低ドリフトオペアンプＯＰ２の出力電
圧は変化するものの、電流ｉ自体は変化しない。また、
オフセット電圧Ｖosも可変抵抗Ｒ２の値によっては変わ
らない。したがって、可変抵抗Ｒ２は温度に対する低ド
リフトオペアンプＯＰ２の出力電圧の変化量を決める抵
抗として位置付けられるものである。

【００３０】以上のような関係から、抵抗Ｒ２が大きす
ぎると、低ドリフトオペアンプＯＰ２の出力電圧が飽和
してしまい、高速オペアンプＯＰ１を制御できなくな
る。一方、抵抗Ｒ２が小さくなると、出力電圧が小さく
なり、ノイズに弱くなる。そこで、上記したように、可
変抵抗Ｒ２を適宜に調整するのである。

【００３１】こうして各可変抵抗Ｒ２，Ｒ４が調整され
たドリフト補正回路付き増幅回路の各部の特性について
示す。まず、図２はドリフト補正回路付き増幅回路の時
間的な温度変化に対応する低ドリフトオペアンプ出力の
変化を示す図である。

【００３２】同図に示すように、温度の時間変化に追従
して低ドリフトオペアンプ出力が変化していることがわ
かる。図３は図２と同様な温度変化に対応した高速オペ
アンプの出力変化を示す図である。

【００３３】同図では、入力端子１，２からの信号入力
がない場合が示されている。また、同図（ａ）には本実
施形態の図１に示す回路の場合の出力が示され、同図
（ｂ）には、本実施形態との比較のために、低ドリフト
オペアンプがない場合の出力変化が示されている。

【００３４】図３（ａ），図３（ｂ）を比較すると、本
実施形態では温度ドリフトによるオフセット変化が十分
に抑制され、オフセット電圧が低減されていることがわ
かる。これは、上述したように、抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５
による電圧＋Ｖの分圧ひいてはコレクタ電流が、オペア
ンプＯＰ１の出力から見た場合に、見掛け上オフセット
電圧Ｖosが小さくなるように低ドリフトオペアンプ出力
により修正されるためである。

【００３５】なお、上記場合は、入力端子１，２からの
信号入力がないときにオフセット電圧Ｖosを低減させた
場合を説明しているが、信号入力がある場合でもこのオ
フセット電圧低減効果は維持される。すなわち、高速オ
ペアンプＯＰ１に対応した高周波数の信号が入力された
場合には、低ドリフトオペアンプＯＰ２はこれに応答す
ることができず、高速オペアンプＯＰ１は低ドリフトオ
ペアンプＯＰ２の影響を受けることなく、信号を増幅し
て取り出すことができる。つまり、低ドリフトオペアン
プＯＰ２は、変化する信号の中心値のみを、オフセット
がなくなるように調整することになる。

【００３６】次に本実施形態のドリフト補正回路付き増
幅回路の適用例を説明する。このドリフト補正回路付き
オペアンプは、例えば光パワーメータに適用される。光
パワーメータは、受光部たるフォトダイオードと、増幅
回路と、Ａ／Ｄ変換器並びにその処理系を主要構成と
し、測定する光の強さの表示出力等を行うものである。

【００３７】この増幅回路の部分に、例えば本実施形態
のドリフト補正回路付き増幅回路を使用することが考え
られる。その場合、まず、フォトダイオードで受光され
た測定光が、ドリフト補正回路付き増幅回路で増幅さ
れ、その増幅信号が以下の処理に供されることになる。
この場合、温度変化の影響を低減できる。

【００３８】上述したように、本発明の実施の形態に係
るオフセット電圧ドリフト補正回路付き増幅回路は、高
ゲイン帯域幅（高ゲイン）に特化した高速オペアンプを
使用する場合に、高速オペアンプ入力と同一入力に基づ
く低ドリフトオペアンプの出力によって、高速オペアン
プのオフセット調整を修正するようにしたので、温度ド
リフトで高速オペアンプのオフセットが変化した場合に
もこれを低減するように自動的な再調整を行うことがで
きる。したがって、極めて高速かつ低ドリフトな増幅回
路を実現することができる。これにより高ゲインでの信
号増幅が広い温度範囲にわたって安定に行うことができ
る。

【００３９】本実施形態では、高速オペアンプを例にと
って説明しているが、本発明はこれに限られるものでは
ない。高耐圧型オペアンプ、低消費電力型オペアンプ等
の各種のオペアンプを図１の高速オペアンプＯＰ１に置
き換えることができる。したがって、本発明によれば、
高速オペアンプ等の特化した性能を有する各種オペアン
プにおけるその特化性能をそのままにしつつ、温度ドリ
フトを低減させることができる。

【００４０】また、本発明によれば、低ドリフト型オペ
アンプを数段重ねて高ゲインかつ低ドリフトな増幅回路
に比べて、部品点数を少なくすることができ、またその
回路制御を容易なものとして低コスト化を図ることがで
きるとともに、ノイズを少なくすることができる。

【００４１】なお、本発明は、上記各実施の形態に限定
されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に
変形することが可能である。まず例えば、実施形態では
低ドリフトオペアンプＯＰ２の出力端子側に可変抵抗Ｒ
２を設けることでオペアンプＯＰ１の温度ドリフトを調
整するようにしたが、本発明はこのような調整方法に限
られるものではなく、例えば低ドリフトオペアンプＯＰ
２に図１の抵抗Ｒｆに相当する抵抗を入力端子〜出力端
子間に設けてその抵抗値を調整して、低ドリフトオペア
ンプ出力自体を調整するようにしてもよい。これによっ
ても同様な効果が得られる。

【００４２】また、実施形態では入力端子１及び２を夫
々低ドリフトオペアンプＯＰ２の負入力端子及び正入力
端子に接続するようにしたが、例えば入力端子１を低ド
リフトオペアンプＯＰ２の正入力端子に、入力端子２を
低ドリフトオペアンプＯＰ２の負入力端子に接続し、本
発明を実施するようにしてもよい。

【００４３】

【実施例】本発明を用いた実施例として、実施形態で説
明したオフセット電圧ドリフト補正回路付き増幅回路を
光検出器に適用した例を具体的に説明する。図４は本実
施例の光検出器における主要部の構成例を示す図であ
り、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省
略する。

【００４４】この光検出器は、オフセット電圧ドリフト
補正回路付き増幅回路３１の前段に光検出電圧変換回路
３２が設けられたものであり、ドリフト補正回路付き増
幅回路３１については実施形態と同様に構成されてい
る。なお、抵抗Ｒｓは図１の抵抗Ｒｉに相当する。

【００４５】光検出電圧変換回路３２は、フォトダイオ
ード３３と、この出力を負入力端子に入力するオペアン
プＯＰ３からなっている。オペアンプＯＰ３の出力端子
と負入力端子間にはゲイン抵抗Ｒｇが設けられる。

【００４６】ここで、フォトダイオード３２は光量に比
例した電流を発生し、オペアンプＯＰ３はフォトダイオ
ード３３が発生した電流を電圧に変換するものである。
高速オペアンプＯＰ１は、オペアンプＯＰ３が出力する
電圧Ｖ１を増幅して電圧Ｖ２を出力する。

【００４７】このように構成された光検出器において
は、各部の電圧Ｖ１，Ｖ２の関係は以下のようになる。 Ｖ１＝ｉp ・Ｒｇ＋Ｖos1(T) …（１） Ｖ２＝−Ｒｆ／Ｒｓ｛Ｖ１−Ｖos2(T)｝ …（２） ここで、ｉp ：フォトダイオード電流、Ｖos1(T)：オペ
アンプＯＰ３のオフセット電圧、Ｖos2(T)：低ドリフト
オペアンプＯＰ２のオフセット電圧である。なお、式
（２）はほぼ等しいものであり、Ｒｆ／Ｒｓ＝１００〜
１０００程度である。

【００４８】また、高速オペアンプは本発明のドリフト
補正回路付き増幅回路の一部であることから、各電圧Ｖ
１，Ｖ２の温度ドリフトは次のようになる。 ｄＶ１／ｄＴ＝ｄＶos1 ／ｄＴ（Ｖ／度） …（３） ｄＶ２／ｄＴ＝−Ｒｆ／Ｒｓ｛ｄＶ１／ｄｔ−ｄＶos2 ／ｄｔ｝ ＝−Ｒｆ／Ｒｓ｛ｄＶos1 ／ｄｔ−ｄＶos2 ／ｄｔ｝（Ｖ／度）…（４） 以上よりわかるように、低ドリフトオペアンプＯＰ２に
よる回路を付加して高速オペアンプＯＰ１のオフセット
電圧ドリフト（ｄＶos2 ／ｄＴ）を抑えることにより、
出力電圧のドリフトは初段オペアンプのドリフトによる
ものが支配的になる。

【００４９】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、高
速オペアンプ等の特化した性能を有する各種オペアンプ
におけるその特化性能をそのままにしつつ、温度ドリフ
トを低減させることができるオフセット電圧ドリフト補
正回路付き増幅回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るオフセット電圧ドリ
フト補正回路付き増幅回路の構成例を示す回路図。

【図２】ドリフト補正回路付き増幅回路の時間的な温度
変化に対応する低ドリフトオペアンプ出力の変化を示す
図。

【図３】図２と同様な温度変化に対応した高速オペアン
プの出力変化を示す図。

【図４】本発明を適用した実施例における光検出器の主
要部構成例を示す図

【図５】オペアンプの初段に用いられる作動増幅回路を
示す図。

【符号の説明】

１，２…入力端子 ３…出力端子 ４…第１のオフセット調整端子 ５…第２のオフセット調整端子 ６…ＯＰ１の負入力端子 ７…ＯＰ１の正入力端子 ８…ＯＰ２の負入力端子 ９…ＯＰ２の正入力端子 １０…ＯＰ２の出力端子 ３１…オフセット電圧ドリフト補正回路付き増幅回路 ３２…光検出電圧変換回路 ３３…フォトダイオード ｉ，ｉ0 ，ｉ1 ，ｉ2 ，ｉp …電流 ＯＰ１…高速オペアンプ ＯＰ２…低ドリフトオペアンプ ＯＰ３…オペアンプ Ｒ１，Ｒｆ，Ｒｉ，Ｒｓ，Ｒｇ…抵抗 Ｒ２…可変抵抗 Ｒ３，Ｒ５…抵抗 Ｒ４…可変抵抗 Ｖos，Ｖos1 ，Ｖos2 …オフセット電圧

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オフセット調整端子（４，５）を有し、
   入力された信号を増幅して出力するオペアンプ（ＯＰ
   １）と、 前記オペアンプよりオフセット電圧の温度ドリフトが少
   なく、かつ、入力端（９，１０）が前記オペアンプの入
   力端（６，７）に接続され、その出力を前記オペアンプ
   のオフセット調整端子（４，５）に入力することによっ
   て、前記オペアンプのオフセット電圧のドリフトを補正
   するドリフト補正用オペアンプ（ＯＰ２）とを備えたこ
   とを特徴とするオフセット電圧ドリフト補正回路付き増
   幅回路。
2. 【請求項２】 前記オペアンプは前記ドリフト補正用オ
   ペアンプよりもゲイン帯域幅が大きいことを特徴とする
   請求項１記載のオフセット電圧ドリフト補正回路付き増
   幅回路。