[論文レビュー] Very simple FET amplifier with a voltage noise floor less than 1 nV/sqrt(Hz)

Luca Callegaro, Marco Pisani+1 more|ArXiv.org|Nov 18, 2008

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、演算増幅器をトランスインダランス段として用いたキャスコード構成のシンプルで離散的なFETベースの増幅器を提示している。入力等価電圧ノイズは約0.8 nV/√Hzに達し、商業的ICベースのFET増幅器（一般的に≥5 nV/√Hz）よりも顕著に低い。この設計により、最大4 MHzの帯域幅を実現し、1 MHzまでで±1 dB以内の平坦な利得応答が得られ、キャリブレーションやトリミングを要せず、信号アナライザーおよび相関測定用の低ノイズフロントエンドとして適している。

ABSTRACT

A field-effect transistor (FET) amplifier for small voltage signals is presented. Its design is elementary and the construction can be afforded by anyone. Despite its simplicity, with a voltage noise less than 1 nV/sqrt(Hz), it outperforms commercially available integrated FET amplifiers. The amplifier has a gain flatness better than 1 dB over 1 MHz bandwidth; it can be employed as a front-end for signal analyzers or signal recovery systems.

研究の動機と目的

• 小信号のための低ノイズで高インピーダンスのプリアンプを開発し、商業的ICベースのFET増幅器のノイズ性能を上回ること。
• 一般の実験者にとっても容易に構築可能なシンプルな離散部品構成を用いて、1 nV/√Hz未満の電圧ノイズフロアを達成すること。
• 複雑なキャリブレーションやトリミングを要せず、高帯域幅、平坦な利得応答、優れた電源電圧リジェクション比（PSRR）を維持すること。
• 信号アナライザーおよびロックインアンプなどの高精度計器におけるフロントエンドとしての利用を可能にすること。

提案手法

• 増幅器は、ゲート・ソース電圧を0 V近くにバイアスした共源接続の離散的FET（例：2SK170またはLSK170）を用いる。
• 演算増幅器（例：OP27）をフィードバック抵抗Rを用いてトランスインダランス増幅器として使用し、利得をG = gm × Rで設定する。
• OPアンプは単電源構成で動作し、不安定なバッテリーからの安定したバイアス電圧VBによってドレイン・ソース電圧（VDS）が決定される。
• キャスコード構成によりミラー効果が抑制され、3 dB帯域幅が約4 MHzに達し、1 MHzまで利得が平坦になる。
• 入力はコンデンサCを介してACカップリングされ、出力はネットワークアナライザーまたは信号アナライザーに接続して測定を行う。
• ノイズ測定には、信号アナライザーの2つのチャネル間のクロス相関を用い、アナライザー自体のノイズを低減することで、正確な低ノイズフロア推定が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散的FET増幅器は、構造のシンプルさと構築の容易さを保ちながら、1 nV/√Hz未満の電圧ノイズフロアを達成できるか？
• RQ2 OPアンプをトランスインダランス段として用いたキャスコード構成は、標準的なFET ICと比較して帯域幅およびノイズ性能をどのように向上させるか？
• RQ3 シンプルでトリミングを要しない離散的増幅器が、ノイズ、利得平坦性、PSRRといった主な指標において、商業的ICベースのFET増幅器と同等またはそれを上回る性能を達成できるか、その程度はどの程度か？
• RQ4 標準的な市販部品を用いた場合、このような設計で達成可能な帯域幅と利得平坦性はどの程度か？

主な発見

• 入力短絡状態でのクロス相関測定により、入力等価電圧ノイズは約0.8 nV/√Hzに達した。
• 3 dB帯域幅は約4 MHzに達し、1 MHzまでで利得平坦性が±1 dB以内であった。
• 電流ショットノイズは1 fA/√Hz未満であり、これはバイアス電流2–3 pAに相当する。
• 初期ウォームアップ後、実験室環境下で中長期的な利得安定性が10³分の1以内を維持した。
• ジョンソンノイズ等価抵抗は300 Kで約38 Ωであり、低ノイズフロアの確認が得られた。
• トリミングを要せず、2SK170 FETおよびOP27オペアンプなどの標準的で入手しやすい部品を用いて構築可能である。