OPA810-Q1 は、各チャネルに 2 つの高インピーダンス入力と 1 つの低インピーダンス出力を備えた従来型の電圧帰還アンプです。標準的な適応回路 (図 8-3 および 図 8-4 も参照) には、非反転ゲイン構成と反転ゲイン構成が含まれています。各構成の DC 動作点は、基準電圧 V_REF によってレベルシフトされます。それは通常、単一電源動作時の中間電圧に設定されます。分割電源アプリケーションでは、V_REF は多くの場合、グランドに接続されます。

図 8-3 非反転アンプ

図 8-4 反転アンプ

式 3 に非反転構成のアンプの閉ループ ゲインを示します。

式 4 に反転構成のアンプの閉ループ ゲインを示します。

低周波ゲインの大きさは、帰還抵抗 (R_F) とゲイン設定抵抗 R_G の大きさの比によって決定されます。R_F と R_G の個々の値の大きさから、アンプの安定性、帰還抵抗ネットワークの消費電力、総出力ノイズとの間のトレードオフが決定されます。帰還ネットワークにより、アンプ出力の負荷が増加します。大きい値の帰還抵抗を用いると、アンプ出力で消費される電力が低減されます。その反対に、帰還抵抗の値が大きいと、出力で見られる固有の電圧ノイズおよびアンプの電流ノイズの寄与が増加するとともに、帰還率 (β) に極が発生する周波数が低下します。この極によって、ゼロゲインのクロスオーバー周波数と潜在的な不安定性で位相マージンが減少します。小さな帰還抵抗を使用すると、消費電力が増加し、アンプの出力負荷が大きいことにより、アンプの直線性が低下します。図 8-5 に入力コンデンサを使用した反転構成における OPA810-Q1 の代表的な回路図を示します。

図 8-5 入力コンデンサを使用した反転アンプ

式 5 は、アンプの反転入力ピンの実効容量を示しています。この容量は、式 6 で表されるカットオフ周波数で β に極を形成します。

ここで、

• C_CM: アンプの同相モード入力容量
• C_DIFF: アンプの差動入力容量
• C_PCB: プリント基板 (PCB) の寄生容量

低消費電力システムでは、帰還抵抗の値が大きいほど、周波数の早い段階で位相マージンが減少し始め、不安定性が発生します。図 8-6 および 図 8-7に、反転アンプとして構成された TINA-TI の OPA810-Q1 シミュレーションで、帰還抵抗値が桁単位で変化した場合のループ ゲインの大きさと位相のプロットをそれぞれ示します。

図 8-6 図 8-5 の回路のループ ゲインと周波数との関係

図 8-7 図 8-5 の回路のループ ゲイン位相と周波数との関係

位相マージンが小さいと、図 8-8 に示すように、周波数応答にピーキングが発生し、帯域幅が狭くなります。つまり、パルス応答結果にオーバーシュートとリンギングが発生します。OPA810-Q1 のフラットバンド電圧ノイズ密度は 6.3nV/√Hz となります。TI は、電圧ノイズの寄与がアンプのノイズを超えないように R_F を選択することを推奨します。図 8-9 は、25°Cでの抵抗値による電圧ノイズ密度の変動を示しています。2kΩ 抵抗は 5.75nV/√Hz の熱ノイズ密度を示し、これは OPA810-Q1 のフラットバンド ノイズに匹敵します。このため、R_F は、2kΩ よりも小さいものを使用しつつ、アプリケーションの出力電圧振幅と電源電流要件に対して過度な電力を消費しない程度に十分な大きさのものを選択します。セクション 8.1.3 に、ノイズに寄与するさまざまな要素の詳細な分析を示します。

図 8-8 図 8-5 の回路の閉ループ ゲインと周波数との関係

図 8-9 熱ノイズ密度と抵抗との関係