JPH043607A - 広帯域増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は広帯域増幅器に関する。さらに具体的には、高
帯域の交流増幅器と低帯域の直流増幅器を組合せた高入
力インピーダンスで低出力インピーダンスの広帯域の直
流増幅器を提供せんとするものである。

［従来の技術］ 直流から１ＧＨ７近くまで平坦な周波数特性を有する高
入力インピーダンスで低い出力インピーダンスの増幅器
が、オシロスコープなどの入力部分に使用されてあり、
その回路例が第３図（ａ）および（ｂ）に示されている
。

第３図において、入力信号は高インピーダンスの入力端
子１３に印加され、ソース・ホロワをなす電界効果トラ
ンジスタ３６と抵抗４６を介して出力端子１９から低イ
ンピーダンスで出力される。

電界効果トランジスタ３７は電界効果トランジスタ３６
と同じ特性のものであり、抵抗４７の抵抗値は、抵抗４
６の抵抗値に等しい。そのため、直流オフセットおよび
温度ドリフトは出力端子１９には現れない。

第３図（ｂ）の従来例では、入力端子１３に印加された
信号のうち、高周波成分はコンデンサ６７を介してソー
ス・ホロワをなす電界効果トランジスタ３６に印加され
、その出力は抵抗４６を介して出力端子１９に得られる
。入力端子１３に印加された信号のうち、直流を含む低
周波成分は抵抗５３を介してオペアンプ（演算増幅器）
２４に印加され、その出力はトランジスタ３２で増幅さ
れて、出力はそのコレクタ側の出力端子１９に得られる
。出力端子１９からは、抵抗５２によってオペアンプ２
４に負帰還がかけられているために、たとえば抵抗５３
と５２の各抵抗値が等しいものであれば、入力端子１３
と出力端子１つとの間の低周波成分に対する電圧増幅度
は１となる。抵抗４８と抵抗４６とで電界効果トランジ
スタ３６の自己バイアス回路が構成され、電界効果トラ
ンジスタ３６およびトランジスタ３２のソース電流およ
びエミッタ電流が決定される。

［発明が解決しようとする課題］ 第３図（ａ）に示した従来例は回路構成が極めて簡単で
あるという特徴はあるが、直流オフセットおよび温度ド
リフトを小さくするためには電界効果トランジスタ３６
．３７の特性かよく揃ったものでなければならず、非常
に高価になる。また、広帯域のソース・ホロワを）ｑる
ために、ガリウム砒素の電界効果トランジスタを用いる
と、出力インピーダンスが周波数により変化するために
、直流から高周波数に至るまで、平坦な周波数特性を得
ることは困難であった。

第３図（ｂ）に示した従来例は、（ａ）に示した従来例
の問題点を解決するためのものであり、周波数特性に優
れたガリウム砒素の電界効果トランジスタ３６と、直流
特性に優れたオペアンプ２４とを用いて、それぞれ高周
波領域と低周波領域とを分担して増幅するものであり、
高性能の回路を低いコストで実現できるという特徴を有
しでいる。しかしながら、例えば超小型化等の物理的条
件のためにコンデンサ６３の容量値が大きくできず、低
域カットオフ周波数を十分下げられないような場合や、
抵抗５３に非常に大きな抵抗を使用し、オペアンプ２４
に入力される信号の高域カットオフ周波数を十分上げら
れないような場合には、合成した総合周波数特性を平坦
にすることか非常に困難になるという解決されるべき課
題が残されていた。

［課題を解決するための手段］ 本発明はこの課題を解決するためになされたものであり
、高域信号を増幅する高域用増幅器と、低域信号を増幅
する低域用増幅器と、増幅された低域信号を増幅された
高域信号と結合して平坦な周波数特性を得るためのイコ
ライザ・アンプを設けた。

［作用コ 高域用増幅器と低域用増幅器の周波数特性をオーバラッ
プせしめると、高域用増幅器の利得は実質的には無く、
低域用増幅器の利得のみか存在する領域ａと、高域用増
幅器の利得も現れはじめ、低域用増幅器の周波数特性は
直流信号に対する利得と実質的に同じである領域すと、
高域用増幅器および低域用増幅器の利得の周波数特性が
ともに平坦である領域Ｃと、高域用増幅器の利得は平坦
で低域用増幅器の利得が周波数の増加とともに下降する
領域ｄと、低域用増幅器の利得は実質的に無く、高域用
増幅器の平坦な周波数特性の存在する領域ｅが存在する
。ここで、イコライザ・アンプのオープン・ループ利得
か領域ａ、ｂにおいて十−分に大であり、領域ｄ、ｅに
おいて十分に小であるように設定した。これによって、
直流から高周波に至るまで、極めて平坦な周波数特性を
得ることが可能となった。

［実施例］ 本発明による広帯域増幅器を高入力インピーダンスで低
出力インピーダンスの差動プローブに適用した一実施例
を第１図に示し説明する。ここにおいて、第３図に示し
た従来例の構成要素に対応するものについては、同じ記
号を付した。

第１図の入力端子１１．１２には差動入力信号が印加さ
れ、入力信２号の高周波成分は交流結合用のコンデンサ
６１．６２を介して差動型の高域用増幅器２って増幅さ
れ、その出力は同軸ケーブルである伝送線路７１を介し
てエミッタ・ホロワをなすトランジスタ３１のベースに
印加される。抵抗４３は、同軸ケーブルである伝送線路
７１の特性インピーダンスに等しい抵抗値を有しており
、終端抵抗として作用する。トランジスタ３１のエミッ
タからの高周波成分出力は抵抗４４（抵抗値ＲＳ）を介
して出力端子１９に得られる。

入力端子１１．１２に印加された差動入力信号のうち、
低周波成分は、高抵抗４１．４２および伝送線路（同軸
ケーブルである必要はない）７２゜７３を介して差動型
の低域用増幅器２２で増幅され、その出力は抵抗５１を
介して破線で示すイコライザ・アンプ２０に印加される
。イコライザ・アンプ２０には、オペアンプ（演算増幅
器）２３とローパス・フィルタ５９が含まれており、こ
こを通過した低周波成分はトランジスタ３２のベースに
印加され、増幅されて、出力端子１９に得られる。出力
端子１９に得られた信号は、抵抗５２を介してオペアン
プ２３に負帰還される。

入力端子１１側の信号の極性を基準にすると、高域用増
幅器２１は非反転増幅器であり、低域用増幅器２２は反
転増幅器である。オペアンプ２３とトランジスタ３２か
らなる増幅器は、その出力端子１９から抵抗５２で負帰
還をかけてあり、入力信号は抵抗５１を介して印加され
ているから、反転増幅器であり、その利得は抵抗５２の
値（Ｒ２）と抵抗５１の値（Ｒ１）の比（Ｒ２／Ｒ１）
によって定まる。

入力信号の高周波成分の経路、すなわちコンデンサ６１
，６２．高域用増幅器２１．伝送線路７１、トランジス
タ３１．抵抗４１の経路の伝達関数をＧＨ（ｓ）　、低
周波成分の経路のうち、抵抗４１．４２．伝送線路７２
．７３．低域用増幅器２２の伝達関数をＧＬ　（ｓ）　
、オペアンプ２３．ローパス・フィルタ５９．かうなる
イコライザ・アンプのオープン・ループ利得の伝達関数
をＡ　（Ｓ）として、入力嫡子１１．１２から出力端子
１９に至る総合伝達関数Ｇ（Ｓ）を求めると、次式のよ
うになる。

±Ｒ３−１ＧＨ（Ｓ）コ ｘ　（Ｒ１＋Ｒ２＞　”Ａ（ｓ）　２−’この式を簡単
にするために、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒとし、かつ２Ｒ〉〉Ｒ８
、すなわち、イコライザ・アンプ２０とトランジスタ３
２および抵抗５１゜５２からなる負帰還増幅器の利得を
−１として、抵抗５２　（Ｒ２＞が出力端子１９におけ
る負荷とならないような値にするならば、 Ｇ（ｓ）　””　［（２ＲＥ）　−’Ｒ３Ａ（ｓ）　Ｇ
１　（Ｓ）＋ＧＨ（Ｓ）コ ｘ　　［（２ＲＥ　　）　　−１Ｒ８Ａ（ｓ）　　＋１
　］　　−１が得られる。この式から、すべての周波数
帯域で利得がたとえば１、すなわち総合伝達関数Ｇ（Ｓ
）−１となる平坦な特性を得るためのオープン・ループ
伝達関数Ａ（Ｓ）の条件を求める。

第２図には低域伝達関数ＧＬ　（ｓ）　、　ＧＨ（ｓ）
が実線で、オープン・ループ伝達関数Ａ（Ｓ）が破線で
小されている。

横軸の周波数の領域ａにおいては、高域伝達関数ＧＨ（
ｓ）の値は実質的にＯであり、低域伝達関数ＧＥ（Ｓ）
の値は１である。

周波数の領域すにおいては、高域伝達関数ＧＨ（Ｓ）の
値は大きくなり始めるが１よりは小さく、低域伝達関数
Ｇ１　（ｓ）は１である。

周波数の領域Ｃにおいては、高域伝達関数ＧＨ（Ｓ）お
よび低域伝達関数Ｇ、（Ｓ）の値はともに１である。

周波数の領域ｄにおいては、高域伝達関数ＧＨ（Ｓ）の
値は１であるが、低域伝達関数ＧＬ（Ｓ）は減少し始め
ており、その値は１より小さい。

周波数の領域ｅにおいては、高域伝達関数ＧＨ（Ｓ）の
値は１のまま平坦な特性か高い周波数に至るまで続くが
、低域伝達関数Ｇ、（Ｓ）の値は十分に減衰して実質的
にＯである。尚、ここで伝達関数が１でおるといった時
の意味は、単にその絶対値（ゲイン）が１に近いという
だけでなく、位相回りも無視できるぐらい小さいという
ことに留意する必要がある。

この５つの周波数の領域ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅについて総
合伝達関数Ｇ　（ｓ）を求めると、領域ａにおいて、 Ｇ１　（ｓ）　＝１．　ＧＨ（ｓ）　＝０だからＧ（ｓ
）＝　（Ｒ３／２ＲＥ　＞　（Ｒ３／２ＲＥ＋　１　／
Ａ（ｓ）　）　−１ ここで△（Ｓ）−閃なら Ｇ（ｓ）＝１ 領域すにおいて、 ＧＬ　（Ｓ）　＝　１　、　ＧＨ（Ｓ）　＝ｇ（０＜Ｑ
＜　１　）だから ここでＡ（ｓ）＝■なら Ｇ（ｓ）＝１ 領域Ｃにおいて、 ＧＬ（ｓ）　−１、ＧＨ（Ｓ）　＝　１だから領域ｄに
おいて、 Ｇ１　（ｓ）＝ｇ（０＜Ω＜１＞、ＧＨ（Ｓ）＝１だか
ら ここでＡ（Ｓ）＝Ｏなら Ｇ（Ｓ）＝１ 領域ｅにおいて、 ここでＡ（ｓ）＝Ｏなら Ｇ（ｓ）＝１ が得られる。

各領域ａ−ｅにおけるイコライザ・アンプのオープン・
ループ伝達関数Ａ（Ｓ）の条件を図示するならば、第２
図の破線で示すようになり、ループ伝達関数Ａ（Ｓ）が
領域ａ、ｂ！、：おいて実質的に無限大であるとみなせ
る程に十分に大きく、領域ｄ。

ｅにおいてはＯとみなせる程に十分に小さくなれば、領
域Ｃにおいてはどのような値であろうとも、すべての周
波数領域ａ〜ｅにおいて総合伝達関数Ｇ　（ｓ）は１を
示すことがわかる。但し、このイコライザ・アンプは、
外部帰還抵抗により帰還増幅器として動作するので、そ
の帰還ループにおける位相余裕も十分考慮する必要があ
る。

第１図においては、オシロスコープなどの使用に適した
プローブに本発明を実施した例を示した。

そのために、プローブの先端部と出力部との間に伝送線
路７１〜７３が用いられている。したがって、この伝送
線路７１〜７３を必要としない場合には伝送線路７１〜
７３と抵抗４３を省略してもよい。低域用増幅器２２は
負帰還をかけたオペアンプを含む回路で構成可能である
。高域用増幅器２１はたとえば広帯域オシロスコープの
増幅器と同じものによって容易に実説することができる
。

また、ローパス・フィルタ５９は抵抗とコンデンサある
いはインダクタンスとコンデンサなどの組合せによって
容易に突環することができる。第１図には差動型の入力
端子１１．１２を例示したが、１つの入力端子の場合で
あっても本発明を適用することかできることは以上の説
明から明らかであろう。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によるならば、
高域特性に優れた高域用増幅器と低域特性に優れた低域
用増幅器とを用いて両特性をイコライザ・アンプによっ
て平坦にして優れた総合特性を得ることができるように
なったから本発明の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の広帯域増幅器の一実施例の回路図、 第２図は第１図に示した広帯域増幅器の周波数特性を説
明するための周波数特性図、 第３図は従来の広帯域増幅器の回路図である。 １〜４８．５１〜５３・・−抵抗 ９・・・ローパス・フィルタ １〜６３・・・コンデンサ １〜７３・・・伝送線路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 高域信号を増幅する高域用増幅手段（２１、３１）と 前記高域用増幅手段の平坦部の利得に等しい平坦部の利
   得を有する低域信号を増幅する低域増幅手段（２２）と
   、 前記高域用増幅手段の利得は実質的には無く、前記低域
   用増幅手段の利得のみが存在する周波数の領域ａと、前
   記高域用増幅手段が前記平坦部の利得よりは小さい利得
   を示し、前記低域用増幅手段が前記平坦部の利得を有す
   る周波数の領域ｂと、前記高域用増幅手段および前記低
   域用増幅手段がともに前記平坦部の利得を有する周波数
   の領域ｃと、前記高域用増幅手段が平坦部の利得を有し
   、前記低域用増幅手段が前記平坦部の利得よりは小さい
   利得を示す周波数の領域ｄと、前記高域用増幅手段が平
   坦部の利得を有し、前記低域用増幅手段の利得は実質的
   に無い周波数の領域ｅが存在し、オープン・ループ利得
   が前記領域ａおよびｂにおいては前記平坦部の利得に対
   して十分大きな利得を有し、前記領域ｄおよびｅにおい
   ては前記平坦部の利得に対して十分に小なる利得を示し
   て、前記高域用増幅手段と前記低域用増幅手段のそれぞ
   れの出力を結合して平坦な周波数特性を得るためのイコ
   ライザ手段、（２０、３２、５１、５２）とを含む広帯
   域増幅器。