プリアンプとフィルタの使い方

アンプのノイズ

アンプは、「自分自身がノイズを発生しない」というのが理想です。しかしながら、必ずアンプはノイズを発生します。アンプのノイズがどれくらい影響するものなのか？
アンプ内の各所で発生するノイズが、すべてアンプの入力箇所で発生したものと仮定したノイズを「入力換算雑音」で表します。
アンプの入力換算雑音レベルが信号入力レベル以上であれば、信号はアンプ自身の発生するノイズに埋もれてしまいます。
微少信号を増幅する場合は、特に入力換算雑音レベルと信号入力レベルの比が重要になります。

アンプの雑音は・・・・

• 低い周波数では1/fのノイズがあり、周波数が低い程大きくなります。
• 高い周波数でもノイズが増加します。
• ノイズの分布が平坦な周波数帯域では、ノイズレベルは周波数帯域の平方根 (√) に比例します。
• 信号側(信号源) のインピーダンスによっても影響を受けます。
  アンプの入力側のSN比と出力側のSN比を比較したものが、「ノイズフィギュア」です。
  信号源インピーダンスと信号周波数とノイズフィギュアの関係を等高線のように表した特性図がよく用いられます。

ノイズの実例とアンプの組み合わせ例

プログラマブルゲインアンプ　CA-206L2の場合

CA-206L2は、
　入力換算雑音：1kHzで7nV/√Hz(typ.)
　G＝最大100
　周波数帯域：500kHz
ですから、
　7×√(500×1000) ＝4,949nV
約5μVです。

利得が100倍の時、出力では500μVなので、5μV以下の入力信号は、ノイズに隠れてしまいます。
信号が5μV、ノイズも入力側に5μV存在することと等価のため、出力ではノイズと信号が同レベルになってしまいます。

低雑音増幅器　CA-261F2の場合

CA-261F2は、
　入力換算雑音：1kHzで0.8nV/√Hz(typ.)
　G＝100
　周波数帯域：200kHz
ですから、
　0.8×√(200×1000) ＝358nV　です。

利得100倍で出力は約36μVとなり、CA-206L2の1/10以下です。
アンプが発生するノイズが小さいので、十分なS／Nが得られます。

それでは、上のCA-261F2とCA-206L2を組み合わせて、10万倍 (100dB) 増幅してみます。
（入力信号 5μV）

図の2段目のアンプの出力ノイズは・・

この例のように、アンプを組み合わせて増幅するときは、アンプ自身のノイズを考慮して、初段には低雑音アンプ使用することが、ポイントとなります。

• プリアンプを選択するポイント

プリアンプを選択するポイント

増幅したい信号のレベル

信号のレベルが極端に小さいため、アンプを数段使用して、利得を設定する場合があります。この時、初段のアンプで発生したノイズは、後段で増幅されるため、初段には特に低雑音タイプのアンプを使用します。

信号の周波数範囲

周波数の下限は直流から必要か？ 上限の周波数は？
帯域の広いアンプは高速応答し、波形の立ち上がりが忠実です。しかし、帯域が広いアンプというのは、ノイズも多くなりますので、必ずしも帯域が広ければいいというものではありません。

利得の切換え

利得は、固定タイプと切換えタイプがあります。利得を変化させる用途には、切換えタイプを選択します。

入力・出力のインピーダンス

低周波のアンプの理想は、十分に高い入力インピーダンス、低い出力インピーダンスです。

入力モード

通常は片線接地ですが、接続される入力信号がグラウンドから電位 (同相ノイズ) を有している場合には、差動入力が有効です。差動入力タイプのアンプを使うと、その電位がキャンセルされます。
差動入力のアンプを選択する際は、同相入力の信号除去能力 (CMRR) が十分大きく、安定していることがポイントとなります。

その他

最大出力電圧、出力ノイズ、出力オフセット、オフセットドリフト、ひずみ、形状、電源、消費電力なども考慮する必要があります。

センサの出力が電流出力の場合は、電流／電圧変換増幅器 (I/Vアンプ) を選択

選択のポイント

• 低入力インピーダンス
• 信号源の容量が総合周波数特性に影響大　→　センサとアンプの入力ケーブルを最短に設定

• エヌエフのプリアンプ

エヌエフのプリアンプ

エヌエフは、低雑音プリアンプを豊富に取り揃えています。
「プリアンプを選択するポイント」をチェックしながら、最適な製品をお選びください。

*1-2番ピン短絡時

さらに低雑音なアンプは・・・　

• 超低雑音増幅器　SAシリーズ

• プリアンプの利得設定

プリアンプの利得設定

ここでは、当社のプリアンプの中で、利得の切換えができるプログラマブルフィルタ CA-206L2、差動増幅器 CA-406L2 (エヌエフの低雑音なプリアンプ参照)を例に、利得の設定方法をご紹介します。

プログラマブルゲインアンプCA-206L2、差動増幅器CA-406L2の利得設定

CA-206L2／CA-406L2は、1, 2, 5, 10, ×1, ×10の計6本のコントロール端子を、TTLまたはCMOS負論理で制御して、利得を設定します。

固定またはスイッチによる設定

(10)～(13)は×1～×10を、(14), (15)は×1, ×10を設定します。
左の図は、10×10＝100倍の設定となります。

(10)～(13)のいずれか1点および(14), (15)のいずれかが常に0Vになるようにする。

バイナリラッチアダプタ　CA-903Nを使った設定

CA-206L2／CA-406L2は、バイナリラッチアダプタ　CA-903N を組み合わせることにより、利得をバイナリコードで行え、さらにラッチ機能を持たせることができます。
ラッチ制御入力端子を開放または＋5Vにすると、利得設定バイナリコード入力がスルーとなり、負論理のレベル信号で利得設定が可能となります。
ラッチ機能を働かせる時は、ラッチ制御入力を0Vにします。0Vになるエッジで、利得設定バイナリコード入力の情報がラッチされます。

CA-206L2とCA-903Nの組み合わせ

CA-406L2とCA-903Nの組み合わせ