The World Leader in High Performance Signal Processing Solutions SPICEツールでロー・ノイズ OPアンプ回路を実現するテクニック その2 【実践編】 アナログ・デバイセズ株式会社 石井 聡 1 アジェンダ 1. 抵抗の熱ノイズを測定する回路をシミュレーションで考える 2. AD797を用いて抵抗の熱ノイズを測定してみる 3. 信号源インピーダンスに適したOPアンプを選定する 4. I-Vアンプのローノイズ設計ノウハウ 5. コンバータ・システムにおけるノイズ特性の考え方 6. カスケード接続とNFの考え方 7. まとめ 2 Analog Devices Proprietary Information © その1 【基礎編】をご覧いただいた うえで本セッションをご覧いただくと 理解がより深まります 3 Analog Devices Proprietary Information © 1. ローノイズOPアンプ AD797で 抵抗の熱ノイズを測定する回路を シミュレーションで考える 4 使用するSPICEシミュレータについて このセッションではNational InstrumentsのNI Multisim Ver.11 Analog Devices Edition （無償版）を用いる 5 Analog Devices Proprietary Information © 弊社サイトで検索 してみてください スーパー・ローノイズOPアンプAD797のノイズ特性 AD797A AD797B AD797の入力換算ノイズ特性 @1 kHz 電圧性ノイズ= 0.9 nV/√Hz typ (1.2 nV/√Hz max) 電流性ノイズ = 2.0 pA/√Hz typ 6 Analog Devices Proprietary Information © AD797でのノイズ・シミュレーション (ex. 1: R1 = 1k, R2 = 9k) 信号源イン ピーダンス ほぼゼロ 7 AD797でのノイズsim (ex. 1: R1 = 1k, R2 = 9k) マーカ・リードアウト 1/f ノイズ 10Hz 8 1kHz Analog Devices Proprietary Information © 1MHz AD797でのノイズsim (ex. 1: R1 = 1k, R2 = 9k) onoise_rr1 onoise_rr2 onoise_spectrum R1から出力に現 れるノイズ R2から出力に現 れるノイズ 出力での全ノイズ 36.6nV/√Hz 大きい レベル 12.2nV/√Hz 影響は低めだ が大きい inoise_ spectrum 入力V1換算 V = 44.4nV/√Hz V = 4.44nV/√Hz AD797の入力換算ノイズ特性 @1 kHz 電圧性ノイズ= 0.9 nV/√Hz typ (1.2 nV/√Hz max) 電流性ノイズ = 2.0 pA/√Hz typ R1とR2から大きいノイズ（38nV/√Hz）が発生している 9 Analog Devices Proprietary Information © AD797でのノイズsim (ex. 2: R1 = 10, R2 = 90) R1, R2からの熱ノイズを 低減させる！ 抵抗値 を低く 10 AD797でのノイズsim (ex. 2: R1 = 10, R2 = 90) 出力での全ノイズ V = 9.96nV/√Hz 入力(V1)換算量 V = 0.99nV/√Hz AD797の入力換算ノイズ特性 @1 kHz 電圧性ノイズ= 0.9 nV/√Hz typ (1.2 nV/√Hz max) 電流性ノイズ = 2.0 pA/√Hz typ (2nV @1kΩ) ノイズ量がAD797自体の特性に近くなっている 11 Analog Devices Proprietary Information © AD797 SPICEノイズ・モデル EN VCVS x 0.1 非反転入 力端子 * INPUT VOLTAGE NOISE GENERATOR VN1 40 0 DC 2 DN1 40 41 DEN DN2 41 42 DEN VN2 0 42 DC 2 * +INPUT CURRENT NOISE GENERATOR VN3 43 0 DC 2 DN3 43 44 DIN DN4 44 45 DIN 反転入力端子のノイ VN4 0 45 DC 2 EN 3 1 41 0 0.1 GN1 0 1 44 0 1E-3 ズ発生源については 示してない GN VCCS x 1E-3 ホワイト・ノイズのパラメータ * DIODE MODEL USED .MODEL DEN D(IS=1E-12 RS=6.3708E3 AF=1 KF=1.59E-15) 12 1/fノイズのパラメータ 非反転入 力端子 2. （実験）ローノイズOPアンプ AD797を用いて 抵抗の熱ノイズを測定してみる 13 実験回路：AD797カスケード80dBゲイン段 R0 1kΩ被 測定抵抗 14 2 IC1 － 7 3 ＋ 4 5 8 AD797 C1 47P 10 R-UT R1 1K -10V R3 6 R5 R4 1K 2 10 IC2 － 7 3 ＋ 100 4 5 8 AD797 C2 47P +10V R2 +10V 1段目のノイズ特性が 支配的。この2段目の 影響は無視できる（後 半のスライドで説明） C3 271 R1 // R2 < 10Ωとしてノイズ が無視（ Vn & In = 0 ）できる ようにする -10V 想定外の過剰ノイズが発生しないように、金属被膜抵抗を 被測定抵抗に用いている 6 80dBの利得を確認（-40dB ATTつき） +39.75dB 15 1kΩの被測定抵抗をマーカで計測（50回のアベレージング） -28.36dBmとなる・・・ しかし、この値は何を 意味するのか？ 16 スペアナのマーカ・リードアウトをノイズ・マーカ・モードに 変更する 17 Analog Devices Proprietary Information © 1kΩの被測定抵抗をノイズ・マーカで計測してみる -72.42dBm/Hz 18 測定結果と計算値を比較してみる 測定結果から 1Vrms = 13dBm なので －72.42dBm は 差分が－85.4dB = 1/18664、故に 56.23μV/√Hz G = 10,000(80dB)なので入力換算ノイズは5.36nV/√Hz 理論値による計算値 1.2dB（14%）の違い程度 √[(4.07)2 + (1.20)2 + (2.0)2] = 4.69nV/√Hz R 1kΩ 被測定抵抗の 熱ノイズ 19 AD797の 電圧性 ノイズ 1kΩ×AD797の 電流性ノイズ （電圧に変換） Analog Devices Proprietary Information © この差分はノイズの クレスト・ファクタによる 計測器で生じる誤差と 考えられる 3. 信号源インピーダンスに適した OPアンプを選定する 20 （再掲） OPアンプAD797のノイズ特性 AD797A AD797B AD797の入力換算ノイズ特性 @1 kHz 電圧性ノイズ= 0.9 nV/√Hz typ (1.2 nV/√Hz max) 電流性ノイズ = 2.0 pA/√Hz typ 21 Analog Devices Proprietary Information © AD797は低信号源インピーダンスの回路に適する VN = 0.9nV/√Hz R = 1kΩでは INにより、2nV/√Hz のノイズ電圧が発生 22 IN = 2.0pA/√Hz Analog Devices Proprietary Information © 信号源インピーダンスに適したOPアンプを選定する 電圧 発生 電圧 発生 小 VNが 支配的 信号源インピーダンス が低い場合 23 大 信号源インピーダンス が高い場合 信号源インピーダンスZが・・・ 低い場合 ⇒ VN に注意をはらい 高い場合 ⇒ IN×Z に注意をはらう INによる電圧降 下（ノイズ電圧） が支配的 異なる信号源インピーダンスに対し適切なアンプを選定 する アンプのノイズ抵抗 Rnは Vnoise Rn Inoise 24 参考文献 “最適ノイズ性能を得るための低ノイズ・アンプ選択の手引き”, AN-940 4. I-Vアンプのローノイズ設計ノウハウ 25 高速FET ADA4627-1（GBW = 19MHz）のIVアンプ ADA4627-1 補償コンデンサは 最適な大きさ を選択。 1.3pF接続 （現実は浮遊容量 が影響大！） 26 Analog Devices Proprietary Information © Rfbが単独1MΩのときと100kΩ+10倍のときのノイズ量を比較 Rfb = 1MΩとRfb = 100kΩ＋10倍ではIVアンプとしての 利得（トランスインピーダンス）は同じになりますが・・・ 1MΩから100kΩに変更 コンデンサも4pFを接続 ゲインが低下するので10倍 のポスト・アンプを接続 ここを観測 27 Analog Devices Proprietary Information © I-VアンプのRfbが単独1MΩのときと100kΩ+10倍のときのノイ ズ量を比較（つづき） 100kΩ + 10 倍アンプ 100kΩ+10倍アンプ 411nV/√Hz @10kHz 28 1MΩ 単独アンプ Analog Devices Proprietary Information © 1MΩ単独アンプ 134nV/√Hz @10kHz 5. コンバータ・システムにおける ノイズ特性の考え方 29 ADCの信号レベルとSN比の考え方（1Hzあたりではな く全ノイズ量として考えている） LSBspanから は－10.8dB 量子化ノイズ 量子化ノイズレベル ADC 理論的SN比 = 6.02 x N + 1.76[dB] 入力アンプでのノイズ Vpk = FS/2 ADC FS Vrms = FS/(2√2) 一例とすると 12bit SAR ADC AD7276 SN比スペック = 70dB typ フルスケールFS = 3.5V (@Vdd = 3.5V) 理論的SN比 = 6.02 x 12 + 1.76 = 74dB (スペック+4dB) 実際のノイズレベル= 30 Vrms (1.24V) – 70dB = 392uV Analog Devices Proprietary Information © rms フロント・エンド回路からADC入力までの回路図 （システム全体でノイズ解析） ADCとの接続箇所 信号源イン ピーダンス 10kΩセンサ ここでどれだけの ノイズ量があるか？ プリアンプ LPF段 ゲイン段 31 入力換算計算用 Analog Devices Proprietary Information © フロント・エンドの全rmsノイズ量をSPICEツールで得る （1Hzあたりのノイズ密度ではなく、本来のrms値） この積分は難しいのでMultisimを活用して全積分ノイズ量を求 3 1/f ノイズ ホワイ トノイズ フィルタ カーブ 2 0 1 -10 -20 Value [V or A] フィルタの減衰量 [dB] ノイズ電力 [dBm] める 積分 -1 1 10 100 1k 10k 100k 周波数 (Hz) -2 -3 全rmsノイズ量はノイズ電力スペク トルを周波数領域で積分したもの 32 rms ノイズ レベル 0 Analog Devices Proprietary Information © 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time [s] 0.6 Multsimを使えば全ノイズ量を簡単に求められる 全rmsノイズ量 √(97×1012) = 9.8uV rms 「ノイズの合計値 を計算」ラジオ・ ボタンを選択 33 Analog Devices Proprietary Information © シミュレーション結果 36dB ノイズスペクトル密度 出力ノイズ 小信号利得 入力換算ノイズ20nV/√Hz (R 10kΩ = 12.9nV/√Hz) 全rmsノイズ量 √(76-E9) = 276uV rms 3dB の差異 ADC（AD7276）入力換算ノイズ = 392uV rms 34 Analog Devices Proprietary Information © ADC入力で低ノイズであれば良いのか？ 8 bit ADC f = 100Hz; 0.64 LSB p-p (-52dB FS)の正弦波 ノイズが全くない場合 0 -10 Level FS = 0dB -20 -30 フルスケール (FS)振幅レベル = 0dB 理論的SN比 = 50dB -40 -50 -60 100Hzの信号は何 も検出されない サンプリング周 波数の½ -70 -80 0 35 500 1000 Frequency [kHz] 1500 2000 ADC入力で低ノイズであれば良いのか？（つづき） 8 bit ADC f = 100Hz; 0.64 LSB p-p (-52dB FS)の正弦波 Vrms = 0.5 LSBのノイズが加えられた場合 0 -10 Level FS = 0dB -20 -30 -40 フルスケール (FS)振幅レベル = 0dB 理論的SN比 = 50dB 若干ノイズがあると 理論SN比より低い 信号も検出できる -52dB FS -50 サンプリング周 波数の½ -60 -70 -80 0 36 500 1000 Frequency [kHz] 1500 2000 6. カスケード接続とNFの考え方 37 ローノイズ回路で使われるNoise Figure, NF （電力で 計算する） 入力信号の SN比 (SNin) Sig in 増幅された出力のSN比 (SNout) アンプ自体で発生したノイズも含まれる アンプ 利得 G Sig out Nadd = アンプの入力換算ノイズ 38 NFは大体 dB値に 変換され 表記される 信号源抵抗とNF アンプの入力インピーンダンスZINが高く、Nadd が一定であれば ※ここでは説明を簡略にするためにこのように仮定 （実際は信号源抵抗RとZINの関係になる） ● NFはNi (つまり信号源抵抗 R ）が高い方がよくなる ●信号源抵抗Rの高低で同じNFなら、高い方がノイズ自体は大きい NI （電力） VN （電圧） 39 Analog Devices Proprietary Information © 従属接続の場合は初段のアンプが一番重要 アンプ1 G1, NF1 アンプ2 G2, NF2 アンプ3 G3, NF3 Sig in 1段目のアンプ のNFが支配的 G1で割られる ためあまり 重要でない G1G2 で割られるため ほぼ無関係 利得Gは電力利得 = (電圧利得)2 入出力インピーダンスが等しくない場合は計算は複雑 40 Analog Devices Proprietary Information © Sig out 7. まとめ 41 まとめ 抵抗素子は熱ノイズ源である 複数のノイズ源の合成はRoot Sum Square (RSS)の計 算でおこなう 帯域を広くするとノイズが増える（適切に帯域制限する） SPICEツールのノイズ・シミュレーションで、各素子が出 力に与えるノイズの影響を予測できる onoise_rr1などで個別素子の影響度がわかる V^2（二乗）で表示されるので変換に注意 信号源インピーダンスに適したノイズ特性のOPアンプを選定 全rmsノイズ量を得るのは難しいのでSPICEツールの 機能を有効に活用する 42 Analog Devices Proprietary Information © 1次RCフィルタの等価ノイズ帯域（矩形フィルタ相当に変換 する。しかしSPICEツールで簡単に答えが出る） 減衰量 [dB] 1次RCフィルタの等価ノイズ帯域 = 1.57× f @-3dB 1次RCフィルタ -3dB (10kHz) 0 -10 -20 1 10 100 1k 10k 100k 周波数 (Hz) 矩形フィルタ （等価ノイズ帯域 = 15.7kHz） 1.57 43 Analog Devices Proprietary Information ©