注 意 : この 日 本 語 版 文 書 は 参 考 資 料 としてご 利 用 ください 最 新 情 報 は 必 ずオリジ ナルの 英 語 版 をご 参 照 願 います オペアンプの AC 仕 様 とアプリケーション AN723 著 者 : はじめに 本 アプリケーション ノートでは まず 電 圧 フィード バック 型 オペアンプの AC 仕 様 を 定 義 します これらの 定 義 に 続 き 特 定 の 仕 様 に 関 連 する 問 題 によって 最 適 な 回 路 特 性 が 損 なわれるアンプ 回 路 の 例 を 示 します さらに 適 切 な 回 路 ソリューションを 提 示 します 本 書 と 対 をなして DC 仕 様 と 各 種 アプリケーション 回 路 を 解 説 するアプリケーション ノート Operational Amplifier Topologies and DC Specifications (AN722) が あります このアプリケーション ノートもマイクロ チップ 社 のウェブサイトから 入 手 できます 本 アプリケーション ノートで 説 明 する 性 能 仕 様 は 以 下 の 2 つのカテゴリに 分 類 されます 周 波 数 領 域 の 仕 様 ゲイン 帯 域 幅 積 (GBWP) 開 ループゲイン / 位 相 ( PH) 負 荷 容 量 (C L ) 出 力 インピーダンス (Z O ) フルパワー 帯 域 幅 (FPBW) 時 間 領 域 の 仕 様 Bonnie C. Baker Microchip Technology Inc. スルーレート (SR) セトリングタイム (t S ) オーバーシュート 本 書 全 体 を 通 して ボード 線 図 の 作 成 ボード 線 図 の 解 釈 安 定 性 解 析 フィードバックの 理 論 等 の 項 目 に ついて 説 明 します さらに オペアンプには 周 波 数 領 域 または 時 間 領 域 の 観 点 から 説 明 できる 数 多 くの AC 特 性 があります 例 えばアンプの 安 定 性 は 閉 ループ 位 相 マージンとア ンプの 開 ループゲインとの 関 係 から 周 波 数 領 域 で 説 明 する 事 ができます 時 間 領 域 では 度 単 位 で 表 した 位 相 マージンをセトリングタイムとオーバーシュート に 直 接 関 連 づけられます 本 アプリケーション ノート の 説 明 では 適 切 な 箇 所 でこれら 2 つの 領 域 の 間 の 相 関 を 示 します 図 に 本 書 全 体 を 通 して 参 照 する AC オペアンプの 開 ループモデルを 示 します I IN I IN 図 : e N V OS C CM C CM 電 圧 フィードバック 型 オペアンプの 周 波 数 モデル この 図 では アンプに 5 つの 端 子 が 示 されています 2 つの 入 力 端 子 は オフセット 電 圧 誤 差 (V OS ) ノイズ 源 (e N ) 差 動 容 量 (C DIFF ) を 伴 います 出 力 端 子 の 有 限 インピーダンスは R O によってモデル 化 します アン プの 周 波 数 に 対 する 開 ループゲインは (j) の 項 で 表 します このゲイン 項 は 以 下 の 通 り 2 次 の 伝 達 関 数 による 簡 単 な 式 で 表 現 できます j a = 第 ポールの 位 置 b = 第 2 ポールの 位 置 周 波 数 領 域 の 仕 様 C DIFF ボード 線 図 の 解 析 方 法 V DD V OS (s) V SS ボード 線 図 は 伝 達 関 数 の 振 幅 と 位 相 を 近 似 するため のツールです 図 2 に オペアンプのゲインと 位 相 を プロットしたボード 線 図 を 示 します R O DC = as bs 20 Microchip Technology Inc. Preliminary DS00723A_JP p.
図 2: アナログシステムの 周 波 数 応 答 は ボード 線 図 によって 特 性 を 表 す 事 ができます ボード 線 図 は システムのゲインと 位 相 を 図 示 したものです これら 2 つのグラフは 代 表 的 なオペアンプのゲイン ( 上 ) と 位 相 応 答 ( 下 ) を 表 しています ゲイン 曲 線 の y 軸 の 単 位 はデシベル (db) です デシベルは 以 下 の 式 でボルトに 変 換 できます j in db = 20 log V j OUT j 位 相 プロットの y 軸 の 単 位 は 度 ( ) です 角 度 ( ) は 以 下 の 式 でラジアンに 変 換 できます ラジアン 単 位 の 位 相 = ( 度 単 位 の 位 相 )/ 2 度 単 位 の 位 相 は 以 下 の 式 により 位 相 遅 延 または 群 遅 延 ( 秒 ) に 変 換 できます 位 相 遅 延 = ( 度 単 位 の 位 相 /f)/360 両 方 のグラフをそれぞれの x 軸 を 同 じ 周 波 数 スケール で 揃 え 並 べて 表 示 します ゲイン 帯 域 幅 積 (GBWP) 仕 様 の 説 明 アンプのゲイン 帯 域 幅 積 (GBWP) とは アンプの 開 ループゲインに アンプの 応 答 が 周 波 数 decade 当 たり 20 db の 割 合 で 減 衰 する 領 域 の 任 意 の 周 波 数 を 掛 けた 値 です 定 義 上 アンプがユニティゲイン 安 定 の 場 合 信 号 入 力 に 非 反 転 入 力 を 使 い 反 転 入 力 を 出 力 に 直 接 接 続 した 場 合 アンプは 発 振 しません アンプのユニティゲイン 帯 域 幅 は アンプの GBWP と 等 価 です アンプがユニティ ゲイン 安 定 であるという 事 は 開 ループゲインの 曲 線 が 0 db と 交 差 する 点 で 非 反 転 入 力 から 出 力 への 位 相 シ フトが 0 ~ 80 の 範 囲 にある 事 を 意 味 します ユニ ティゲイン 安 定 ではないアンプもあります この 場 合 開 ループゲインの 0 db 交 差 周 波 数 は GBWP より 小 さい 値 です アプリケーションの 課 題 図 3 に バッファとして 構 成 されたアンプを 示 します この 回 路 ではバッファを 競 合 するインピーダンスの 電 気 的 な 分 離 または 大 きな 負 荷 の 熱 的 な 分 離 に 使 用 します このようなアプリケー ションでは ユニティゲイン 安 定 のアンプを 選 択 する 必 要 があります バッファの 安 定 性 をテストする 優 れた 方 法 として ア ンプの 入 力 に 矩 形 波 を 入 力 する 方 法 があります アン プ 出 力 のオーバーシュートとリンギングは ゲインが 3 db 低 下 する 周 波 数 における 位 相 シフトを 直 接 反 映 し ています 例 えば 図 4 にユニティゲイン 安 定 ではないアンプの ボード 線 図 を 示 します このアンプをバッファとして 構 成 する 場 合 ステップ 応 答 はアンプの 発 振 傾 向 を 示 します ( 図 5) このようなアプリケーションの 課 題 を 解 決 する 唯 一 の 方 法 は ユニティゲイン 安 定 のアンプ を 選 ぶ 事 です これは もう つのアンプの 応 答 に 示 されています 図 6 にこの 第 2 のアンプのボード 線 図 応 答 を 図 7 にステップ 応 答 を 示 します 図 3: 図 4: R R 2 MPC60 Precision Amplifier *Bypass Capacitor, µf V DD * V S アンプの 代 表 的 アプリケーションとして 電 圧 バッファ / フォロワがあります ユニティゲイン 安 定 ではないアンプの ボード 線 図 です ユニティゲイン 安 定 で ないのは 0 DB 交 差 周 波 数 における 位 相 がほぼ 80 であるためです * Buffer DS00723A_JP p. 2 Preliminary 20 Microchip Technology Inc.
V/div 図 5: Open Loop Gain (db) 図 6: 50 mv/div Time (0usec/div 図 4のボード 線 図 によって 示 されるアン プのユニティゲイン ステップ 応 答 は このアンプの 不 安 定 性 を 示 しています 20 00 80 60 40 20 0 20 40 60 Gain Phase C L = 50pF, R L = 00k V DD = 5V 200 50 00 50 00 50 200 250 00. 0 000 K 00000 00K 0000000 0M Frequency (Hz) MCP60 ユニティゲイン アンプの ボード 線 図 µs / div 50 0 V DD = 5V R L = 00k C L =50 pf G = V/V Phase Margin (degrees) 開 ループゲイン / 位 相 ( PH) 仕 様 の 説 明 理 想 的 には アンプの 開 ループゲインは 出 力 端 子 の 電 圧 を 2 つの 入 力 端 子 間 に 印 加 された 電 圧 の 差 で 除 算 した 比 率 の 絶 対 値 に 等 しい 値 です (db) = 20 log 開 ループゲインの 比 率 が 無 限 大 であれば 理 想 的 です しかし 実 際 には 開 ループゲインの 全 周 波 数 応 答 (j) は DC においても 理 想 を 下 回 り 伝 達 関 数 の 第 ポールが 現 れる 周 波 数 から 20 db/decade の 割 合 で 減 衰 しはじめます 図 2 のボード 線 図 にこの 様 子 を 示 します 通 常 オペアンプの 開 ループ 応 答 の 第 ポールは Hz ~ 0 khz の 範 囲 に 現 れます 第 2 ポールは 開 ループゲインの 曲 線 が 0 db と 交 差 する 周 波 数 近 くの やや 高 い 周 波 数 に 現 れます アンプのゲイン 応 答 は 第 2 ポールが 現 れる 周 波 数 から 40 db/decade の 割 合 で 減 衰 しはじめます この 開 ループ 構 成 を 持 つアンプの 位 相 応 答 もかなり 予 測 しやすい 特 性 を 示 します 位 相 シフト つまりアン プの 非 反 転 入 力 から 出 力 への 位 相 変 化 は DC の 場 合 0 です 逆 に 反 転 入 力 端 子 から 出 力 への 位 相 変 化 は DC の 場 合 80 です 第 ポール f より decade 低 い 周 波 数 (/0 f ) から 既 に 非 反 転 入 力 から 出 力 への 位 相 が 遅 れはじめていま す ( 約 5.7 ) 開 ループゲインの 曲 線 に 第 ポールが 現 れる 周 波 数 (f ) では 位 相 は 45 まで 低 下 してい ます その 後 も 位 相 は 低 下 を 続 け さらに decade 高 い 周 波 数 (0f ) では 最 終 値 の 90 より 5.7 高 い 値 に 達 します この 位 相 応 答 の 説 明 は 第 2 ポールの f 2 に ついても 成 り 立 ちます 理 解 する 必 要 があるのは このアンプの 入 力 から 出 力 への 位 相 関 係 の 変 化 がもたらす 影 響 です 第 2 ポール より decade 高 い 周 波 数 位 置 で 非 反 転 入 力 の 位 相 シフトは 80 です 同 じ 周 波 数 で 反 転 入 力 から 出 力 への 位 相 シフトは 0 言 いかえれば 360 です このようなシフトが 発 生 すると は 実 際 には 出 力 への 信 号 を 反 転 します つまり 2 つの 入 力 の 極 性 が 逆 転 するという 事 です 閉 ループ アンプ システムの 安 定 性 通 常 オペアンプは 開 ループゲイン 応 答 の 部 品 間 ばら つきを 低 減 するために フィードバック ネットワーク と 組 み 合 わせて 使 います 図 8 に そのようなネット ワークのブロック 図 を 示 します 図 7: ユニティゲイン 安 定 な MCP60 アンプ のステップ 応 答 20 Microchip Technology Inc. Preliminary DS00723A_JPp. 3
図 8: B C (j (j VOUT アンプのゲインセル とフィード バック ネットワーク からなるアンプ 回 路 のブロック 図 図 8 の はフィードバック 係 数 を 表 します アンプの 開 ループゲイン ( ) が 比 較 的 大 きいため 反 転 入 力 にフィードバックするのは 出 力 電 圧 の 一 部 です を 非 反 転 端 子 にフィードバックすると この 出 力 電 圧 の 一 部 が 減 算 される 代 わりに 加 算 されます この 回 路 構 成 は その 性 質 にふさわしく ポジティブ フィード バック と 呼 ばれ 最 終 的 に 出 力 は 飽 和 します このネットワークにおけるフィードバック 係 数 の 役 割 は システム 内 の 部 品 間 ばらつきを 低 減 する 事 です し かし 慎 重 に 設 計 しないとフィードバック ネットワー クによって 不 要 な 周 波 数 発 振 が 発 生 します このような 状 況 に 至 るのは システム 入 力 にポジティブ フィードバックが 印 加 された 場 合 です 閉 ループ 伝 達 関 数 図 8 のループは A の 電 圧 を (j)に 等 しくする 出 力 電 圧 が 存 在 すると 仮 定 する 事 で 解 析 できます 信 号 がフィードバック システム (j) を 通 過 すると B の 電 圧 は (j) (j) と 等 しくなります この 電 圧 が 入 力 電 圧 つまり C の 電 圧 に 加 算 されます C は ( (j) (j) (j)) に 等 しくなります ゲインセル (j) を 通 過 した 信 号 の D における 電 圧 は (j)( (j) (j) (j)) です この 電 圧 が 最 初 のノード A つまり の 電 圧 に 等 し い 事 に 注 意 してください この 閉 ループシステム 全 体 を 表 す 式 は 以 下 の 通 りです A = D である 事 から j = j jj j 項 を 整 理 して 変 形 した 伝 達 関 数 は 以 下 の 通 りです j = j この 式 は 実 質 的 にシステムの 閉 ループゲイン A CL (j) と 等 価 です D A j jj これは 非 常 に 重 要 な 結 果 です アンプの 開 ループゲイン ( (j)) を 無 限 大 に 近 づける 事 ができれば フィード バック 係 数 の 応 答 は 以 下 の 通 り 簡 単 に 評 価 できます A CL j = j この 式 を 使 うと アンプの 閉 ループシステムの 周 波 数 安 定 性 を 簡 単 に 判 断 できます / の 計 算 / を 計 算 するには アンプの 非 反 転 入 力 に 信 号 源 を 直 接 接 続 する 方 法 が 最 も 簡 単 です この 計 算 方 法 では 実 際 の 信 号 に 対 する 回 路 の 適 切 な 閉 ループ ゲインの 式 は 得 られないという 指 摘 があるかも 知 れま せん これは 正 しい 指 摘 です しかし 回 路 安 定 性 の 程 度 を 確 認 するには 十 分 です 図 9 の 回 路 を 使 って / の 計 算 方 法 を 説 明 します a. b. R 図 9: 回 路 9a への DC 入 力 信 号 は (R 2 / (R R 2 )( / ) のゲインで 増 幅 さ れます 回 路 9b の 入 力 信 号 に 対 する DC ゲインは / です これらのゲイン 式 のいずれもフィードバック 係 数 の DC ゲインである / には 一 致 しません 図 9a では 安 定 性 解 析 のための /の 計 算 に 仮 想 電 圧 源 V STABILITY を 使 っています この 電 圧 源 は 実 際 のアプリケーションの 入 力 源 ではない 事 に 注 意 して ください アンプの 開 ループゲインが 無 限 大 であると 仮 定 する と この 回 路 の 伝 達 関 数 は 以 下 の 式 で 表 せます R 2 V STABILITY V STABILITY V STABILITY = RF CF RF CF = DS00723A_JP p. 4 Preliminary 20 Microchip Technology Inc.
= j j j j 上 記 式 の がゼロの 場 合 = j が 無 限 大 に 近 づく 場 合 = j C IN 伝 達 関 数 には つのゼロと つのポールがあります ゼロの 位 置 は 次 式 で 得 られます f z = 2R IN f p = 2 / の 伝 達 関 数 が 図 9a と 図 9b で 同 じである 事 に 注 目 してください システム 安 定 性 の 判 断 閉 ループ アンプ システムで は システムの 位 相 マージンがわかれば 安 定 性 を 判 断 できます 解 析 にはボードの 安 定 性 解 析 手 法 が 広 く 使 われます この 手 法 では アンプの 開 ループ 応 答 と 回 路 のフィードバック 係 数 双 方 の 振 幅 (db 単 位 ) と 位 相 応 答 をボード 線 図 にプロットします システムの 閉 ループゲインは 2 つのゲインの ( 振 幅 が ) いずれか 小 さい 方 です システムの 位 相 応 答 は 開 ループゲインの 位 相 シフトからフィードバック 係 数 の 逆 数 の 位 相 シフトを 減 算 した 値 です システムの 安 定 性 は アンプの 開 ループゲインが 閉 ループゲイン 応 答 と 交 差 する 周 波 数 で 決 まります こ の 周 波 数 で システムの 理 論 的 位 相 シフトが 80 よ り 大 きい 必 要 があります 実 際 の 設 計 では システム の 位 相 応 答 を35 より 大 きくします 図 ~ 4に この 手 法 を 示 します 図 と 図 2 に 示 すのは 安 定 し たシステムです 図 3 と 4 に 示 すのは 不 安 定 なシ ステムです 図 0 に 図 9a の 回 路 の /j 伝 達 関 数 をボード 線 図 で 表 したものを 示 します 図 0: 図 9A の 回 路 の 入 力 源 として V STABILITY を 接 続 した 場 合 のフィードバック 係 数 の 逆 数 (/) をボード 線 図 にプロットした 図 です 図 9b の 場 合 も 同 様 に 解 析 に 使 う 入 力 源 は 実 際 のア プリケーション 回 路 の 入 力 源 とは 異 なります しかし アンプの 安 定 性 は 同 じ 方 法 で 求 めます V STABILITY に よって 求 めた 閉 ループ 伝 達 関 数 は 下 記 の 通 りです V STABILITY = = または R IN j j = j j 図 : この 閉 ループシステムは と / の 曲 線 が 交 差 する 点 の 位 相 シフトが 90 であるため 安 定 しています 図 では アンプの 開 ループゲイン ( (j)) が 周 波 数 変 化 率 0 db で 開 始 し すぐに 20 db/decade の 傾 きに 変 化 しています 第 ポールが 現 れる 周 波 数 における 位 相 シフトは 45 です 第 ポールより decade 高 い 周 波 数 の 位 相 シフトは 約 90 です ゲインの 傾 きは 周 波 数 に 対 応 して 減 衰 し やがて 第 2 ポールが 現 れます この 点 から 開 ループゲイン 応 答 が 40 db/decade に 変 化 します 第 2 ポールも 位 相 の 変 化 を 伴 います 応 答 特 性 が 3 度 目 の 変 化 を 示 すのはゼロが 現 れる 点 で 開 ループゲイン 応 答 は 20 db/decade の 傾 きに 戻 ります 同 じグラフの/ 曲 線 は 周 波 数 変 化 率 0 db/decadeで 開 始 します / は 周 波 数 が 高 くなっても 平 坦 なまま 推 移 し 最 後 にポールが 現 れ 20 db/decade で 減 衰 しはじめます このグラフで 注 目 すべき 場 所 は (j) 曲 線 が / 曲 線 と 交 差 する 点 です これら 2 つの 曲 線 が 接 近 する 20 db/decade の 割 合 はシステムの 位 相 マージンを 反 映 し その 結 果 システムの 安 定 性 が 予 測 可 能 です 20 Microchip Technology Inc. Preliminary DS00723A_JPp. 5
この 図 の 場 合 位 相 シフトへの 寄 与 はアンプが 90 フィードバック 係 数 が 0 です 位 相 シフトと 最 終 的 な システムの 安 定 性 は この 交 差 点 で 判 断 します シス テムの 位 相 シフトは (j) の 位 相 シフトから /(j) の 位 相 シフトを 減 算 して 求 めます この 場 合 システ ムの 位 相 シフトは 90 です 理 論 上 は 位 相 シフトが 0 ~ 80 の 間 にあればシステムは 安 定 します 図 3 の (j) は 20 db/decade の 割 合 で 変 化 して います /(j) は 20 db/decade の 割 合 で 変 化 して います 2 つの 曲 線 が 接 近 する 割 合 は 40 db/decade システムの 位 相 シフトは 68 です このシステム の 安 定 性 には 著 しく 疑 問 の 余 地 があります 図 4 の (j) は 40 db/decade の 割 合 で 変 化 して います /(j) は 0 db/decade の 割 合 で 変 化 してい ます 2 つの 曲 線 が 接 近 する 割 合 は 40 db/decade 位 相 シフトは 70 です このシステムの 安 定 性 にも 疑 問 の 余 地 があります 図 2: このシステムは 2 つのゲイン 曲 線 の 交 差 点 における 位 相 シフトが 35 を 示 し かろうじて 安 定 しています 図 2 に 示 す 例 で (j) 曲 線 と /(j) 曲 線 の 交 差 点 を 見 ると かろうじて 安 定 しているシステムである 事 がわかります この 点 で (j) 曲 線 は 20 db/decade で 変 化 しています 一 方 /(j) 曲 線 は 20 db/decade から 0 db/decade に 傾 きが 変 化 しています (j) 曲 線 の 位 相 シフトは 90 です /(j) 曲 線 の 位 相 シフト は 45 です システムの 位 相 シフトは 35 となり ます 位 相 シフトが 0 ~ 80 の 範 囲 にあるため このシス テムは 安 定 しているように 見 えますが 実 装 される 回 路 は 計 算 またはシミュレーションによるものほどク リーンではありません ボードの 寄 生 容 量 とインダク タンスが 位 相 誤 差 の 増 大 に 寄 与 します そのため こ のシステムはこの 位 相 シフトの 値 でも かろうじて 安 定 と 見 なされます この 閉 ループ 回 路 の 著 しいオー バーシュートとリンギングについては 時 間 応 答 の 説 明 で 言 及 します 図 3: 実 際 の 回 路 実 装 に 伴 うレイアウトの 寄 生 素 子 の 影 響 により このシステムは 不 安 定 です 図 4: 実 際 の 回 路 実 装 に 伴 うレイアウトの 寄 生 素 子 の 影 響 により このシステムも 不 安 定 です 負 荷 容 量 (C L ) 出 力 インピーダンス (Z O ) アンプを 使 う 主 な 目 的 は 信 号 源 を 負 荷 から 分 離 する 事 です 分 離 すべき 負 荷 は 基 本 的 に 抵 抗 性 である 場 合 と 純 粋 な 容 量 性 である 場 合 があります 第 3 のシナ リオは アンプに R/C 負 荷 が 接 続 されている 場 合 です 図 5 に 抵 抗 性 と 容 量 性 の 負 荷 を 持 つアンプ 回 路 の 例 を 示 します このシステムの 安 定 性 に 大 きな 影 響 を 与 える 要 因 は アンプの 開 ループ 出 力 インピーダンス R O と 開 ループ 位 相 応 答 です DS00723A_JP p. 6 Preliminary 20 Microchip Technology Inc.
. 図 7 に 修 正 した 開 ループゲイン ( ) と 位 相 の 曲 線 のボード 線 図 をアンプの 実 際 の と 併 せて 示 します フィードバック 伝 達 関 数 は 以 下 の 通 りです / = 0 k / 0 k 図 7 には /のボード 線 図 も 示 しています (S) R O C L R L 図 5: アンプに 対 するあらゆる 負 荷 は 閉 ルー プ 回 路 の 性 能 に 影 響 を 与 える 可 能 性 があ ります 容 量 性 負 荷 の 場 合 周 波 数 安 定 性 も 劣 化 する 場 合 があります この 閉 ループシステムでアンプの 出 力 インピーダンス を 考 慮 する 場 合 アンプの 有 効 な 開 ループゲインの 式 を 以 下 のように 変 更 します j = j R X C L j R P = R L かつ R X = R O R L R P R P R O アプリケーションの 課 題 アンプがユニティゲイン 安 定 であっても 容 量 性 負 荷 によってシステムが 不 安 定 になる 場 合 があります 図 7: アンプの 容 量 性 負 荷 はシステムの 安 定 性 を 劣 化 させます このボード 線 図 は 図 6 に 示 した 負 荷 の 影 響 を 表 すものです この 簡 単 な 計 算 から 不 安 定 性 という 面 でこの 回 路 の マージンがきわめて 低 い 事 がわかります ボードの 寄 生 容 量 は 状 況 をさらに 悪 化 させるだけです 容 量 性 負 荷 の 影 響 は 図 8 に 示 す 回 路 を 実 装 する 事 で 補 正 できます Parasitic board Capacitance pf to 2pF V DD Analog Multiplexer 0k MCP602 400 0k R O 0nF 5k MCP60X R ISO C L 図 6: このアンプ 構 成 は 閉 ループゲインが 小 さく 大 きな 容 量 性 負 荷 が 接 続 されてい るため 潜 在 的 に 不 安 定 です 図 6 に ユニティゲイン 安 定 なアンプが 不 安 定 にな り 得 る 例 を 示 します 開 ループ 出 力 抵 抗 は 400です 上 記 の R P と R X の 式 から R P = 0 k 0 k =2.5 k R X = 400 0 k 5 k= 357 図 8: ほとんどの 場 合 抵 抗 R ISO をアンプ 出 力 と 容 量 性 負 荷 の 間 に 挿 入 する 事 で 不 要 な 発 振 を 回 避 できます 20 Microchip Technology Inc. Preliminary DS00723A_JPp. 7
フルパワー 帯 域 幅 仕 様 の 説 明 アンプのフルパワー 帯 域 幅 (FPBW) と は アンプの 出 力 がダイナミック レンジ 全 体 で 顕 著 な 歪 みなく 振 幅 できる 最 大 周 波 数 です 低 周 波 領 域 で はアンプの 出 力 振 幅 によって FPBW が 制 限 されます 高 周 波 領 域 では アンプのスルーレートによって 応 答 が 制 限 されます スルーレートの 定 義 は 本 アプリ ケーション ノートで 後 出 する 時 間 領 域 の 仕 様 で 説 明 します アンプのスルーレート 制 約 に 伴 う 歪 み は 正 弦 波 の dv/dt が 最 大 になる 点 つまりピーク ツーピーク 値 の 中 間 点 で 発 生 しはじめます 正 弦 波 の 最 大 傾 きが 高 周 波 におけるアンプのスルーレートに 等 しいとすれば フルパワー 応 答 は 以 下 の 式 で 表 され ます 図 20に CMOSアンプMCP60のFPBWを 示 します FullScale Output Voltage Swing (V) 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2.5 0.5 f FP SR = Vp p V DD = 5V 0 000 K 0000 0K 00000 00K 000000 M 0000000 0M Frequency (Hz) 図 20: RF MCP60 MCP60 によって 2 ビット A/D コン バータ MCP320 を 駆 動 しています MCP320 のサンプリング 周 波 数 を 50 khz とすると この 回 路 のアンプには 図 20 の V A/D のノードをナイキ スト 周 波 数 の /2 つまり 25 khz でフルスケール 振 幅 させる 駆 動 力 が 必 要 です MCP60 の FPBW は 25 khz に 対 して 3 倍 以 上 の 余 裕 があるため この 性 能 要 件 を 十 分 に 満 たす 事 ができます 時 間 領 域 の 仕 様 VA/D V DD = V REF = 5V MCP320 Sampling Rate = 50KHZ アンプ 回 路 の 時 間 領 域 応 答 は 前 述 の 周 波 数 に 関 する 検 討 に 対 して 現 実 の 回 路 における 解 を 提 供 します 図 2 に 時 間 領 域 の 各 種 仕 様 を 図 示 します この 図 の 波 形 は 回 路 にステップ 入 力 を 与 えた 場 合 のアンプ の 出 力 すなわちステップ 応 答 を 示 しています この 図 は 以 降 の 説 明 で 参 照 します 図 9: MCP60 のフルパワー 帯 域 幅 アプリケーションの 課 題 A/D コンバータのアプリ ケーションでは 通 常 A/D コンバータへの 入 力 をア ンプによって 駆 動 します ユニティゲイン 帯 域 幅 に 基 づいてアンプを 選 択 したくなるかもしれませんが ア プリケーションがA/Dコンバータのダイナミック レン ジ 全 域 を 必 要 としている 場 合 アンプの 帯 域 幅 はユニ ティゲイン 帯 域 幅 よりずっと 狭 い 範 囲 です 図 20 に この 種 の 回 路 を 示 します ここでは 単 電 源 オペアンプ MCP60 によって 2 ビット A/D コンバータの MCP320 を 駆 動 しています 図 9 で 示 した 通 り MCP60 の FPBW は 80 khz です これに 対 し 標 準 的 なユニティゲイン 帯 域 幅 ( 微 弱 信 号 動 作 に 対 する 仕 様 ) は 2.8 MHz です 図 2: 閉 ループシステムを 構 成 するアンプの 時 間 領 域 におけるステップ 応 答 の 挙 動 は 図 内 に 定 義 した 各 種 パラメータによって 説 明 できます スルーレート (SR) 仕 様 の 説 明 アンプのスルーレート (SR) 仕 様 は アン プ 入 力 で 駆 動 する 信 号 に 対 して 出 力 電 圧 をフルス ケール 振 幅 させるスピードを 定 量 化 したものです この 仕 様 はアンプ 内 部 で 制 御 され 内 部 コンデンサの 充 放 電 に 使 用 できるテール 電 流 量 によって 決 まりま す この 仕 様 の 単 位 はボルト 毎 秒 (V/s) です スルー レートは アンプ 出 力 のフルスケール 電 圧 振 幅 の 0% から 90% の 点 で 計 測 します この 種 の 仕 様 で 最 大 の 課 DS00723A_JP p. 8 Preliminary 20 Microchip Technology Inc.
題 となるアンプ 回 路 が 図 22 に 示 すバッファまたは フォロワ 構 成 です この 構 成 では 反 転 入 力 端 子 が 低 速 に 動 作 する 出 力 端 子 に 直 接 接 続 されているおかげ で 入 力 端 子 が 非 線 形 領 域 から 外 れます Analog Multiplexer pf to 2pF 0k V DD = V REF = 5V 0k MCP60 0nF MCP320 5k MCP60 図 23: この 多 重 化 回 路 には 図 6 のドライバ 構 成 を 適 用 しています このドライバ 回 路 がシステムを 不 安 定 化 させる 事 はない ものの オペアンプ 回 路 が 最 終 値 にセト リングするまで A/D コンバータによる 変 換 が 遅 延 します 図 22: スルーレートの 最 も 厳 しいテスト 条 件 が ここに 示 すバッファ 構 成 です セトリングタイム (t s ) とオーバーシュート フルスケールのスルー 遷 移 の 上 下 端 では ある 程 度 のリ ンギングが 発 生 します このリンギングは 閉 ループシ ステムの 位 相 シフトに 直 接 関 係 し オーバーシュートな らびに 信 号 が 規 定 の 誤 差 範 囲 内 に 落 ち 着 くまでの 時 間 によって 表 されます % オーバーシュートは 波 形 の この 部 分 の 最 大 ピークによって 定 義 されます ここでシ ステムのリンギングが 開 始 します システムのオーバー シュート 量 とセトリングまでに 要 する 時 間 は 周 波 数 領 域 におけるシステムの 位 相 シフトに 直 接 関 係 します アンプ 回 路 のセトリングタイム (t s ) は アンプ 出 力 が 立 ち 上 がり 所 定 の 誤 差 範 囲 内 に 落 ち 着 くまでに 要 す る 時 間 と 定 義 されます 図 2 に 示 すように 入 力 励 起 に 対 して 出 力 が 最 初 に 応 答 した 時 点 から 出 力 信 号 が 最 後 に 誤 差 範 囲 外 に 出 た 時 点 までの 時 間 です アプリケーションの 課 題 t s 誤 差 は アンプのコモン モード 入 力 に フルスケールのステップ 信 号 が 印 加 さ れるアプリケーションで 顕 著 に 現 れます この 場 合 ア ンプはフルスルーレート 状 態 (SR) となり その 後 最 終 値 にセトリングします (t s ) この 例 では 図 6 に 示 す 回 路 が 図 23 に 示 す 回 路 に 組 み 込 まれています システ ム 信 号 の 動 きは 低 速 であるものの この 回 路 のマルチ プレクサはアンプにステップ 信 号 を 印 加 します 図 24 にこのアンプシステムのステップ 応 答 を 示 します 図 24: 参 考 文 献 閉 ループシステム 内 のアンプの 位 相 シフ トは オーバーシュート (5%) とリン ギングという 形 でステップ 応 答 に 反 映 さ れます Wait, Huelsman, Korn, 'Introduction to Operational Amplifier Theory and Applications', McGraw Hill, 975. Baker, Bonnie C, 'Operational Amplifier Topologies and DC Specifications', AN722, Microchip Technology, Inc. Ott, Henry W., 'Noise Reduction Techniques in Electronic Systems', John Wiley & Sons, 988. Frederiksen, Thomas M., 'Intuitive Operational Amplifiers', McGraw Hill, 988. ISBN: 9786345436 20 Microchip Technology Inc. Preliminary DS00723A_JPp. 9
各 国 の 営 業 所 とサービス 北 米 本 社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224699 Tel: 4807927200 Fax: 4807927277 技 術 サポート : http://www.microchip.com/ support URL: www.microchip.com アトランタ Duluth, GA Tel: 678957964 Fax: 678957455 ボストン Westborough, MA Tel: 7747600087 Fax: 7747600088 シカゴ Itasca, IL Tel: 630285007 Fax: 6302850075 クリーブランド Independence, OH Tel: 264470464 Fax: 264470643 ダラス Addison, TX Tel: 972887423 Fax: 972882924 デトロイト Farmington Hills, MI Tel: 2485382250 Fax: 2485382260 インディアナポリス Noblesville, IN Tel: 377738323 Fax: 377735453 ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: 9494629523 Fax: 9494629608 サンタクララ Santa Clara, CA Tel: 408966444 Fax: 408966445 トロント Mississauga, Ontario, Canada Tel: 9056730699 Fax: 9056736509 アジア / 太 平 洋 アジア 太 平 洋 支 社 Suites 37074, 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: 852240200 Fax: 852240343 オーストラリア シドニー Tel: 6298686733 Fax: 6298686755 中 国 北 京 Tel: 86085697000 Fax: 8608528204 中 国 成 都 Tel: 8628866555 Fax: 862886657889 中 国 重 慶 Tel: 862389809588 Fax: 862389809500 中 国 杭 州 Tel: 8657289387 Fax: 8657289389 中 国 香 港 SAR Tel: 852240200 Fax: 852240343 中 国 南 京 Tel: 862584732460 Fax: 862584732470 中 国 青 島 Tel: 8653285027355 Fax: 8653285027205 中 国 上 海 Tel: 86254075533 Fax: 86254075066 中 国 瀋 陽 Tel: 862423342829 Fax: 862423342393 中 国 深 圳 Tel: 8675582032660 Fax: 867558203760 中 国 武 漢 Tel: 862759805300 Fax: 8627598058 中 国 西 安 Tel: 862988337252 Fax: 862988337256 中 国 厦 門 Tel: 86592238838 Fax: 86592238830 中 国 珠 海 Tel: 86756320040 Fax: 86756320049 アジア / 太 平 洋 インド バンガロール Tel: 98030904444 Fax: 9803090423 インド ニューデリー Tel: 9460863 Fax: 94608632 インド プネ Tel: 920256652 Fax: 920256653 日 本 大 阪 Tel: 86652 760 Fax: 86652930 日 本 横 浜 Tel: 84547 666 Fax: 84547622 韓 国 大 邱 Tel: 8253744430 Fax: 82537444302 韓 国 ソウル Tel: 8225547200 Fax: 8225585932 または 8225585934 マレーシア クアラルンプール Tel: 6036209857 Fax: 6036209859 マレーシア ペナン Tel: 6042278870 Fax: 6042274068 フィリピン マニラ Tel: 6326349065 Fax: 6326349069 シンガポール Tel: 6563348870 Fax: 6563348850 台 湾 新 竹 Tel: 88635778366 Fax: 88635770955 台 湾 高 雄 Tel: 8867536488 Fax: 88673309305 台 湾 台 北 Tel: 88622500660 Fax: 88622508002 タイ バンコク Tel: 66269435 Fax: 662694350 ヨーロッパ オーストリア ヴェルス Tel: 437242224439 Fax: 4372422244393 デンマーク コペンハーゲン Tel: 4544502828 Fax: 4544852829 フランス パリ Tel: 3369536320 Fax: 3369309079 ドイツ ミュンヘン Tel: 4989627440 Fax: 49896274444 イタリア ミラノ Tel: 390337426 Fax: 3903346678 オランダ ドリューネン Tel: 346690399 Fax: 346690340 スペイン マドリッド Tel: 3497080890 Fax: 349708089 イギリス ウォーキンガム Tel: 448925869 Fax: 448925820 /29/ DS00723A_JP p. 0 Preliminary 20 Microchip Technology Inc.