直流に重畳した微小信号の測定

直流に重畳した微小信号の測定に影響する要素

大きな直流電圧に重畳した微弱な交流信号を測定する際に、測定限界値に影響する要素は主に次の2つがあります。

• 測定器のダイナミックレンジ
• 測定器（測定系）の雑音

これらの一般的な解決方法を以下に示します。

1. 測定器のダイナミックレンジ

大きな直流電圧に重畳した微弱な交流信号や微小雑音を測定する場合、直流成分を除去することが有効です。

例えば、直流10 Vに1mVの交流信号が重畳していた場合、そのまま測定器に接続すると、測定器の測定レンジは10V以上になります。10Vの測定レンジで1mVの変化を検出するためには、ダイナミックレンジ80dB以上の測定器が必要です（オシロスコープでは14 bit以上の分解能が必要です）。
このように直流成分が大きければ大きいほど、微小な交流信号を検出することが困難になります。

この解決方法として、AC結合にて直流成分を除去する方法があります。直流成分を除去できれば、測定する交流信号レベルに合わせた測定レンジに設定できるため、測定器に要求されるダイナミックレンジは現実的な値になります。表1に1mVの変化量のときの測定レンジと必要なダイナミックレンジを示します。例えば、測定器の設定レンジを100mVに下げた場合、1mVを測定するために必要な測定器のダイナミックレンジは40dBとなり、直流除去する前に対して測定器のダイナミックレンジの要求が40dB緩和されます。

表1. 1mVの変化量の測定に必要な測定器のダイナミックレンジの例

2. 測定器（測定系）の雑音

微小信号を測定する際、測定したい信号レベルに対して測定器（測定系）の雑音を考慮する必要があります。例えば、普及品のディジタルオシロスコープの雑音レベルは数mVあるので、数μVオーダの微小信号を測定することはできません。このような場合、低雑音アンプを測定器の前段に入れて信号を増幅してから測定することが一般的です。しかし、低雑音に特化したアンプは過大入力に弱く、大きな直流電圧成分をもつ信号をアンプに印加すると、アンプの損傷（故障）が生じることがあります。

過大入力からアンプを守るため、通常は抵抗とダイオードからの直列回路からなる入力保護回路を用います（図1）。しかしながら印加される直流電圧Vinが大きいと、印加される電流Iinを制限するための保護抵抗R1を大きくする必要があります。保護抵抗R1が大きくなると、抵抗の熱雑音Vnが大きくなるため、入力保護と雑音性能はトレードオフの関係になります。例えば、40Vの入力Vinがアンプに接続された時に流れる電流Iinを10mA以下にするためには、R1を4kΩ以上にする必要がありますが、室温における4kΩの熱雑音は8.1nV/√ Hzなので、これ以下の雑音性能は得られません。

この問題を克服するために、エヌエフでは独自の電流制限型保護回路を用いて入力保護と低雑音特性を両立したアンプを開発しました。 次のセクションにて開発したアンプを紹介します。