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の考え方 入力容量の低い OP アンプを 同相モード容量 2pF 未満 として 別表 1 にリストしてみましたので (72 種類ありました ) 是非ご参照ください なお 実際は同相モードでの容量と 差動モードでの容量がそれぞれ異なってきますので 注意が必要です 図 4 のように 同相モードは二つの入力端子をショートしたときの入力容量なので 2C C が見え (C D は見かけ上キャンセルされます ) 差動モードは端子間の容量 ( 差動で駆動しているので C C は直列接続になります ) になるので C D+C C/2 が見えることになります AD8021 は差動モード容量については規定されていませんが 同相モード容量が低いことから 推測で ということで採用してみました 図 5. 当初の目論見 のアンプ回路図 図 4. 差動入力端子の入力容量の考え方 当初の うごくだろう 目論見の回路 当初 予定 の回路図を図 5 に示します これで当初の目論見としては DC から動作する 1pF の低入力容量 かつハイインピーダンスの信号検出回路を作ろう というものでしたが あいにくバイアス電流により 思った通りに行かず というところでした その様子は技術ノートの後半にて説明したいと思います 高速 OP アンプはバイアス電流が多くなっているところが実際です + 側入力は ( 当初 予定 としては ) 完全にオープンです つまりバイアス電流を AD8021 に与えるために DC で入力する ( コンデンサでカットできない ) 構成である必要があります ( いや ありました ) AD8021 は入力容量が低く 入力抵抗も大きい このアンプは図 6 に示したデータシート抜粋のように 同相モード入力容量が typ 1pF とかなり低いもの ( ただし同相モードでの値 ) で なおかつ入力抵抗も 10MΩ( このスペックを見ていただけなのが失敗の原因ですが ) とかなり良好なものです なお実際の用途では 先に説明したように差動モード入力容量を調べる必要があります いいアンプだし うまく行くだろう と ウキウキ甘く楽観的な考えをもって取り組み始めました 図 6. AD8021 の入力容量 ( 同相モードでの値 データシートからの抜粋 ) AD8021 の実装のようす 図 7 の写真のように 半田がツララに ( 最初の写真は再度フラックスをつけて修正したものでした ) なっていますが 入力端子側がスタンドで浮かされています またパッケージも天地を逆にして配置してあります アメリカではこの実装方法を Dead Bug ( 死んでひっくり返っている虫 ) というようです これはそれぞれ入力容量を低減させる ( 余計な浮遊容量がつかないように ) ことが目的です 入力側の白いスタンドは手持ちのもので素性不明なのですが テフロンでできているような 感じ です いずれにしても電極から スタンドがねじ込まれたプリント基板パターン間で 電極間距離を確保して キャパシタンスを低減させるようにしてあります またワイヤはポリウレタン電線ですが 短めなので (1mm = 1nH 程度なので ) 数 nh のインダクタンスしかありません - 2/10 -

図 7. Dead Bug で実装された AD8021 AD8021 の入力容量を時定数として測定してみる 図 8 はこのテフロンらしい端子に 10kΩ を入力信号との間に接続して時定数を測定することにより 入力容量を推定してみたものです 63% で 20ns ですから τ=cr で入力容量は浮遊容量こみこみで 2pF と推測できます これはスペック通りと言えるでしょう グランドプレーンとして 無垢のプリント基板を使っています こうすれば一番低いインピーダンスが実現できます 高周波回路でも同じイメージでパターンを形成できます AD8021 のマイナス端子 (pin 2) からグラウンドに接続される 680Ω マイナス電源 (pin 4) のデカップリングコンデンサ 223 (0.022uF = 22nF) は IC から直下に落とします 部品は 1608 のチップ部品です (pin 4)-(pin 5) を接続する補償用コンデンサ C COMP は IC の底面 ( ここでは Dead Bug なので腹の上 ) から直接接続します 出力 (pin 6) も 470Ω を端子から直接引き出し 56Ω をパターン上に立てたところに接続します 出力のセミリジッドがここに接続されます こうすれば余計な浮遊容量 インダクタンスを無くすことができます 高周波的に影響を与えづらいところについては ポリウレタンを長めにして 配線しています これが茶色で見える 10uF の電源コンデンサの部分です 大振幅時の周波数応答特性 図 9 は このアンプ回路への入力として 0dBm( 開放端なので 0.45V rms) の信号を 例のミノムシクリップ から与えたときの大振幅時の周波数特性です 入力信号レベルが大きいので大振幅応答になっています マーカはデルタマーカにしてあるので 低域から -3dB の周波数になっています データシートの Fig. 11 がこれに相当しますが ぼちぼち近いところがでています ( 実測での特性が暴れる原因はミノムシクリップによるところが大きい ) 図 10 に AD8021 のデータシートの Fig. 11 を示しておきます 図 8. AD8021 入力の容量を 10kΩ を接続して時定数として測定 τ = 20ns で 2pF と推測される 50Ω 系に接続するためのアンプの出力回路 出力回路について説明しておきます これはオシロスコープ (50Ω 入力にして ) に直結して 10:1 でプロービングできるようにするために 電圧ディバイダとして 9:1 の抵抗値になっています また出力側から見た合成抵抗 ( 回路の出力抵抗 ) は計測系のインピーダンスに適合した 50Ω にかなり近くなっています 図 9. 0.45V rms の信号を入力したときの AD8021 の大振幅応答のようす 無垢 ( むく ) の基板と周辺部品のレイアウト バラックの実装で どれだけハイスピードの性能が出るか? というところですが 図 7 により周辺部品のレイアウトについてご紹介します - 3/10 -

図 10. AD8021 の大振幅応答特性 ( データシートの Fig. 11 から抜粋 ) 実際の利得と小信号周波数特性 利得計算の説明をしておきます アンプが +2(6dB) 出力がディバイダで 1/10(-20dB) ディバイダの出力抵抗分 (50Ω) と計測器の入力抵抗 (50Ω) で分圧され 1/2(-6dB) になります またアンプの入力はインピーダンスが高いので 開放端入力になり +6dB 合計で -14dB が総合利得 ( ロス ) になります 小信号の周波数特性 次に入力レベルを -40dBm にしたときの測定結果とデータシートの比較をおこなってみます 図 11 は 今までこの測定で使っているネットワーク アナライザで測定したものです 最大周波数が ( 実は )150MHz までで これから上が測定できません そこで図 12 のように ( 会社のラボでの実施したものでは無かったので 高い周波数のネットワーク アナライザやトラッキング ジェネレータが無いため )SSG でステップ周波数を発生させ それをより高い周波数を計測できるスペアナのマックス ホールドで観測してみたものを示します もし実験室にネットワーク アナライザが無い場合には このようなかたちで簡便な測定方法もあることを覚えておくと良いでしょう 図 13 はデータシートの小信号応答の Fig. 14 です 図 12 の波形を見てみると 200MHz 弱で大きく暴れていることがわかります これは完全に みのむし の影響でしょう 逆にいうと AD8021 は図 13 の Fig. 14 の周波数程度まで増幅できる能力がありそうだ と見ることもできます 図 11. 4.5mV rms の信号を入力したときの AD8021 の小信号応答のようす (150MHz まで ) 図 12. 簡易的に周波数特性を測定するため ( ネットアナを使わずに )SSG とスペアナのマックス ホールドで観測してみる - 4/10 -

図 13. AD8021 の小信号応答特性 ( データシートの Fig. 14 から抜粋 ) 周波数特性の暴れを再確認 図 12 の波形が 200MHz 弱で大きく暴れていることがわかります という この上昇する原因をすこし推測してみます 入力容量は 2pF ということが判りました ( なお これは入力信号電位で容量変化しないと想定して考えています ) 最初の写真のように入力は みのむしクリップ です 長さは 50mm くらいでしょう 概略として 1mm は 1nH のコイルになりますから この長さは 50nH 程度になると考えられます これと入力容量の共振周波数は 1/ (2 πl C) = 500MHz と計算できます インダクタンスをもう少し大きく見積もると さらに周波数も低くなりますね 共振したあたりでこの暴れが生じているのだろう と推測もできるわけです 図 14 のような資料がありました ワイヤと平面パターンでのインダクタンスを計算する計算式です ご参考になれば幸いです 図 14. ワイヤと平面パターンでのインダクタンスを計算する計算式 本来はきちんと入力を終端すべきだが 本来であれば ここからのアプローチとしては 入力をきちんとインピーダンスをコントロールした形で信号を与えなおすべきですが この回路は 高い入力インピーダンスを維持する 回路ということで 目的が異なっているため それは行いません それでも 大体数 10MHz くらいまでは入力ハイインピーダンスで動作しそうだ というところまでは来れたわけです と ここまではよかったのですが このアンプの目的は水晶発振回路の測定だった 図 1 の写真のように この AD8021 で作ったアンプは 2 チャンネルありました 理由は この回路で図 15 のような 10MHz の水晶発振回路の入力と出力のようすをオシロスコープで確認したかった というところが目的でした 発振回路は動作インピーダンスが高く (AD8021 の入力抵抗 10MΩ) また容量変化の影響を受けやすいものです そのため通常 オシロのプローブを当てるとプローブの入力容量が影響し 発振波形が変化してしまうものです - 5/10 -

図 15. 低入力容量アンプで測定したかった 10MHz の水晶発振回路 全く持って動かない!( 汗 ) このアンプが出来上がったところで ウキウキしながら 10MHz の発振回路に接続してみました どんな波形が出るだろか? と 出力は 1/10 の 50Ω ですから オシロの入力を 50Ω のモードに変更し 直接 SMA-BNC ケーブルでアンプとつないでみます? 発振が停止してしまうではありませんか! これは入力容量が大きすぎて発振が停止してしまったのでしょうか? そんな筈は無いのだが と思いつつ またがっくりしつつ 動作確認をしてみました 図 15 の回路図の U1 の出力 (pin 2) に接続しただけなら発振は停止しません U1 の入力 (pin 1) に接続してみると発振が停止してしまいます 悔しいことにオシロのプローブをこの回路に接続しても (U1 の入力にプローブを接続した状態で出力の波形を見ると 発振波形は変っていますが ) ちゃんと発振は継続したままです あ! そうなのです OP アンプのバイアス電流が原因なのでした 図 16 のように AD8021 は高速 OP アンプゆえ バイアス電流が大きく 7.5uA typ もあります!( いや ありました ) さきの図 14 の回路図を見てわかるように 発振のバイアス抵抗が 470kΩ ですから これではこの抵抗を電流が流れて 74HCU04 の入力バイアスレベルが大きく崩れてしまっていたわけです オレはサルか と目の前の試作回路を見ながら この低レベルな体たらくにがっくりしました 考えてみれば 当然 な話です さて どう対策しましょうか! バイアス電流の問題の対策をどうするか? さて その AD8021 ですが バイアス電流が大きくて まともに発振回路の動作をバッファリングできないと示しました これはどうしたものでしょう 単純に大きめの容量のコンデンサで DC カットする方法も考えられますが ここでは少しひねった方法で処理してみたので それを示したいと思います 基本は 1 バイアス電流が 7.5μA typ もあること 2 入力抵抗 ( 微分抵抗 ) は十分高いこと 3 入力容量は 2pF 程度であること というところです そこで DC カットが必要であることから 図 17 のように 入力に 3pF のトリマを写真のように直列に接続してみよう というところです この回路図を図 18 に示します AD8021 の入力端子のバイアスとして 100kΩ をグラウンドに対して接続してあります 3pF のトリマを回転させて 入力容量の 2pF と合わせて 1/2 の分圧としてみる というものです なおバイアスとして 100kΩ の抵抗を入れてあります 3pF のトリマを追加することの意義 さきに入力に直列に 3pF のトリマ コンデンサを接続する方法を考えたとしました このトリマを調整して 10MHz の (10MHz の発振信号を測定することが目的だったので ) 信号を測定しながら 振幅が規定の 1/2 になるレベルにします そうすると ( 図 11 の周波数条件ですが ) この 2pF - 2pF で 1/2 (-6dB) に分圧され また無事に DC カットが出来ることになります さらに! こうすることで この回路自体の入力容量を 1pF にまで低くさせることもできるわけです 図 17. 入力に 3pF のトリマを直列に接続して約 2pF の直列容量としてみる (100kΩ のバイアス抵抗も接続している ) 図 16. AD8021 の入力バイアス電流 ( データシートからの抜粋 ) - 6/10 -

3pF のトリマを追加したときの特性がどうなるか この 3pF のトリマを追加して調整し 直列に 2pF が挿入されたものとして 入力回路がどのように見えるか シミュレーションで確認してみたいと思います 周波数特性を NI Multisim でシミュレーションしてみました 図 19 はシミュレーションの回路図 図 20 は AC simulation の結果です 測定対象の信号の源周波数 10MHz あたりでは 振幅 位相ともども問題無い特性になっていることがわかります 図 18. 図 17 のように入力に 3pF のトリマを直列に接続した回路図 (100kΩ のバイアス抵抗も接続している ) 図 19. 入力が 2pF のときの周波数特性を考えるシミュレーション 図 20. 図 19 の回路を NI Multisim でシミュレーション ( 上 : 振幅特性 下 : 位相特性 ) - 7/10 -

直列の 2pF による位相変動はどうなる? 入力に ( トリマ コンデンサの )2pF という容量が直列に付いているわけですが これで位相はどうなるの? という疑問があろうかと思います しかし 先の図 20 で示した位相特性のように 1MHz を超えたあたりから位相がゼロになってきています これは入力容量の 2pF とこのトリマの 2pF が バランスがとれて それで分圧回路となって このような結果になっているわけです 面白いものですね 図 21. 2pF で分圧した回路の周波数特性 (-40dBm in 小信号 ) バイアス抵抗は実験により 100kΩ とした バイアス抵抗を 100kΩ としましたが 7.5uA typ のバイアス電流であれば 0.75V 程度の電圧降下になって もう少し抵抗値を大きくしておいても それほど問題は生じないはずでした しかし 270kΩ をつけて入力を開放した状態で電源を投入すると 電源投入の過渡動作で出力が飽和して立ち上ってしまう場合 どうも出力飽和状態でバイアス電流が増加するようで 開放状態にしたままだと 出力が張り付いたままでした そのためここでは 少し低めの 100kΩ としてみました まとめ やはり高速回路で低いインピーダンスで動作させることを基本として考えられているアンプは このような特殊な使い方ではいろいろ面白い じゃじゃ馬的要素 が出てくるようで たしなめる技術も重要というところでしょうか 特に高速 OP アンプはバイアス電流が大きめということは頭に入れておくべきことと思います 図 22. 2pF で分圧した回路の周波数特性 (0 dbm in 大振幅 ) 2pF(3pF のトリマ ) で分圧した実際の回路の周波数特性 図 21 にネットワーク アナライザを使用しログスイープ モードに変更して 図 18 の回路の周波数特性を測定してみたもの その小信号のときの特性を示します ここでの測定では 入力はミノムシクリップにせず きちんと 50Ω のケーブルをはんだ付けして行いました 小振幅では 100MHz 程度の帯域まで動作可能なことがわかります 高域は接続方法を変えてピーキングが減少したためか 若干落ちています 図 22 は同じく大振幅 (0dBm 入力 ) での測定結果です 最後にすこし補足 最後に 2 点ほど補足しておきます - 8/10 -

Part# Small Signal Bandwidth 別表 1 入力容量の低い ( 同相モード容量が 2pF 未満 )OP アンプ Slew Rate Input Offset Voltage Amplifiers Per Package Vcc-Vee Input Bias Current Cin Package ADA4856-3 225MHz 800V/us 1.3mV 3 3V-5.5V 3.8uA 500fF CSP ADA4853-1 90MHz 100V/us 1mV 1 2.65V-5V 1uA 600fF SC70 ADA4853-2 100MHz 120V/us 2mV 2 2.65V-5V 1uA 600fF CSP ADA4853-3 100MHz 120V/us 1mV 3 2.65V-5V 1uA 600fF CSP; SOP AD8022 130MHz 50V/us 1.5mV 2 4.5V-26V 2.5uA 700fF SOIC; SOP AD549 1MHz 3V/us 500uV 1 10V-36V 150fA 800fF TO-X AD8008 650MHz 1KV/us 500uV 2 5V-12V 4uA 1pF SOIC; SOP AD8021 490MHz 150V/us 400uV 1 4.5V-24V 7.5uA 1pF SOIC; SOP AD8061 320MHz 650V/us 1mV 1 2.7V-8V 350nA 1pF SOIC; SOT AD8007 650MHz 1KV/us 500uV 1 5V-12V 4uA 1pF SC70; SOIC AD8018 130MHz 300V/us 1mV 2 3.3V-8V 1uA 1pF SOIC; SOP AD8062 320MHz 650V/us 1mV 2 2.7V-8V 350nA 1pF SOIC; SOP AD8063 320MHz 650V/us 1mV 1 2.7V-8V 350nA 1pF SOIC; SOT AD8565 5MHz 6V/us 2mV 1 4.5V-16V 600nA 1pF SC70 AD8566 5MHz 6V/us 2mV 2 4.5V-16V 600nA 1pF SOIC; SOP AD8567 5MHz 6V/us 2mV 4 4.5V-16V 600nA 1pF CSP; SOP ADA4841-1 80MHz 13V/us 40uV 1 2.7V-12V 3uA 1pF SOIC; SOT ADA4841-2 80MHz 13V/us 40uV 2 2.7V-12V 3uA 1pF SOIC; SOP ADD8704 6.8MHz 6V/us 2mV 4 4.5V-16.5V 200nA 1pF CSP; SOP ADD8710 5MHz 8V/us 4mV 11 4.5V-18V 500nA 1pF SOP AD8036 240MHz 1.2KV/us 2mV 1 6V-12V 4uA 1.2pF DIP; SOIC AD8037 270MHz 1.5KV/us 2mV 1 6V-12V 3uA 1.2pF DIP; SOIC AD9631 320MHz 1.3KV/us 3mV 1 6V-12V 2uA 1.2pF DIP; SOIC AD9632 250MHz 1.5KV/us 2mV 1 6V-12V 2uA 1.2pF DIP; SOIC ADA4850-1 175MHz 220V/us 600uV 1 2.7V-6V 2.3uA 1.2pF CSP ADA4850-2 175MHz 220V/us 600uV 2 2.7V-6V 2.3uA 1.2pF CSP ADA4851-1 130MHz 375V/us 600uV 1 2.7V-12V 2.2uA 1.2pF SOT ADA4851-4 130MHz 375V/us 600uV 4 2.7V-12V 1.8uA 1.2pF SOP AD8045 1GHz 1.35KV/u s 200uV 1 3.3V-12V 2uA 1.3pF CSP; SOIC AD8091 110MHz 170V/us 1.6mV 1 3V-12V 1.3uA 1.4pF SOIC; SOT AD8092 110MHz 170V/us 1.6mV 2 3V-12V 1.3uA 1.4pF SOIC; SOP AD8051 110MHz 170V/us 1.7mV 1 3V-12V 1.4uA 1.4pF SOIC; SOT AD8052 110MHz 170V/us 1.7mV 2 3V-12V 1.4uA 1.4pF SOIC; SOP AD815 120MHz 900V/us 10mV 2 10V-36V 2uA 1.4pF DDPAK; SIP; SOIC AD8397 69MHz 53V/us 1mV 2 3V-24V 200nA 1.4pF SOIC ADA4851-2 130MHz 375V/us 600uV 2 2.7V-12V 2.2uA 1.4pF SOP - 9/10 -

Part# Small Signal Bandwidth 別表 1 入力容量の低い ( 同相モード容量が 2pF 未満 )OP アンプ ( つづき ) Slew Rate Input Offset Voltage Amplifiers Per Package Vcc-Vee Input Bias Current Cin Package AD817 50MHz 350V/us 500uV 1 5V-36V 3.3uA 1.5pF DIP; SOIC AD847 50MHz 300V/us 500uV 1 9V-36V 3.3uA 1.5pF DIP; SOIC AD8001 880MHz 1KV/us 2mV 1 6V-12V 3uA 1.5pF DIP; SOIC; SOT AD8002 600MHz 1.2KV/us 2mV 2 6V-12V 3uA 1.5pF DIP; SOIC; SOP AD8004 250MHz 3KV/us 1mV 4 4V-12V 35uA 1.5pF DIP; SOIC AD8042 170MHz 225V/us 3mV 2 3V-12V 1.2uA 1.5pF DIP; SOIC AD8047 250MHz 750V/us 1mV 1 6V-12V 1uA 1.5pF DIP; SOIC AD8048 260MHz 1KV/us 1mV 1 6V-12V 1uA 1.5pF DIP; SOIC AD8054 150MHz 190V/us 1.7mV 4 3V-12V 2uA 1.5pF SOIC; SOP AD8067 54MHz 640V/us 200uV 1 5V-24V 600fA 1.5pF SOT AD8074 600MHz 1.6KV/us 2.5mV 3 9V-11V 5uA 1.5pF SOP AD8075 550MHz 1.35KV/us 2.5mV 3 9V-11V 5uA 1.5pF SOP AD8079 260MHz 800V/us 5mV 2 6V-12V 3uA 1.5pF SOIC AD818 130MHz 500V/us 500uV 1 5V-36V 3.3uA 1.5pF DIP; SOIC AD826 50MHz 350V/us 500uV 2 5V-36V 3.3uA 1.5pF DIP; SOIC AD827 50MHz 300V/us 500uV 2 9V-36V 3.3uA 1.5pF DIP; LCC; SOIC AD828 130MHz 450V/us 500uV 2 5V-36V 3.3uA 1.5pF DIP; SOIC AD829 120MHz 230V/us 200uV 1 9V-36V 3.3uA 1.5pF DIP; LCC; SOIC ADA4817-1 1.05GHz 870V/us 400uV 1 5V-10V 2pA 1.5pF CSP; SOIC ADA4817-2 1.05GHz 870V/us 2mV 2 5V-10V 2pA 1.5pF CSP ADA4858-3 600MHz 600V/us 500uV 3 3V-5.5V 700nA 1.5pF CSP ADA4859-3 265MHz 740V/us 3 3V-5.5V 700nA 1.5pF CSP ADA4860-1 520MHz 790V/us 3.5mV 1 5V-12V 1.5uA 1.5pF SOT ADA4861-3 730MHz 680V/us 100uV 3 5V-12V 700pA 1.5pF SOIC AD8032 80MHz 35V/us 1mV 2 2.7V-12V 450nA 1.6pF DIP; SOIC; SOP AD8005 270MHz 1.5KV/us 5mV 1 4V-12V 500nA 1.6pF DIP; SOIC; SOT AD8031 80MHz 35V/us 1mV 1 2.7V-12V 450nA 1.6pF DIP; SOIC; SOT AD8044 160MHz 190V/us 1.4mV 4 3V-12V 2uA 1.6pF DIP; SOIC AD8072 100MHz 500V/us 2mV 2 5V-12V 4uA 1.6pF DIP; SOIC AD8073 100MHz 500V/us 2mV 3 5V-12V 4uA 1.6pF DIP; SOIC AD812 145MHz 425V/us 2mV 2 2.4V-36V 300nA 1.7pF DIP; SOIC AD813 100MHz 250V/us 2mV 3 2.4V-36V 500nA 1.7pF DIP; LCC; SOIC AD8639 1.5MHz 2V/us 3uV 2 5V-16V 1pA 1.7pF CSP; SOP AD8099 500MHz 1.35KV/us 200uV 1 5V-12V 3uA 1.8pF CSP; SOIC AD823 16MHz 25V/us 700uV 2 3V-36V 5pA 1.8pF DIP; SOIC AD8041 170MHz 170V/us 2mV 1 3V-12V 1.2uA 1.8pF DIP; SOIC - 10/10 -