オペアンプを使ってVCAを線形化：Design Ideas アナログ機能回路

オペアンプを用いてVCA（電圧制御アンプ）の利得を線形化するアイデアを紹介する。

[Mike Irwin，カナダ在住]

　FETはVCA（電圧制御アンプ）やアッテネーターなどによく用いられており、可変抵抗の役割を果たす。制御電圧を印加することにより、チャンネル抵抗と回路全体の利得を設定できる。しかし、個体差が大きいため、選別を行って使用する場合が多い。

　図1の回路は、整合のとれた2つのFETを使ってマスター・スレーブ・サーボ技術を実現した可変利得のVCAである。回路全体の利得は、印加する制御電圧V_Cの線形関数になる。図1の回路はV_C=0のときに最小の利得が得られる。V_Cの電圧を高くすると直線的に利得が増加する。この特性は、利得を制御する素子に1つのFETを用いる一般的な可変利得回路では得られない。

図1　FETのゲート電圧で利得を変更できるVCA
ダイナミック・レンジは−55〜0dBである。

　さらに図1の回路は、バイアスを外部から供給する必要がないため、FETの個体差を補うことができる。このためFETは厳しく選別しなくてもよい。

　この回路は、FETであるQ_1Aのドレイン電圧V_DSを低電圧（比較電圧VREF=50mVと同じ電圧）に保持する。このためFETは、I_D‐V_DS特性曲線における低い抵抗領域で動作する。

　オペアンプIC_1Aは、Q_1Aのゲート電圧V_GSをサーボ制御し、Q_1Aのドレイン電圧V_DSをV_REFに保つ。このとき、Q_1Aは、IC_1Bなどで構成したハウランド電流ソース回路^＊1）から電流を引き込む。ソース電流I_Dは、制御電圧V_Cと抵抗R₅からI_D（mA）=V_C/R₅（kΩ）と計算される。チャンネル抵抗R_Dは、R_D（kΩ）=V_REF/I_D=0.05/I_D=0.05×R₅/V_Cとなる。Q_1Aに供給したV_GSは、抵抗R₁₂を通してFETのQ_1Bにも印加する。デュアルFETのQ₁には、個体差の小さいFETを2つ収めているため、Q_1AとQ_1Bのチャンネル抵抗R_Dは同じだと考えてよい。

＊1）負荷の値に関係なく定電流を供給する回路。

　V_Cを0Vから5Vに変化させると、V_GSはV_P（この電圧は「2N3958」をQ₁に用いた場合に約−1.7V）から約370mVになる。なお、ショットキー・ダイオードD₁は、ゲート‐ソース間の保護素子として挿入した。

　オペアンプIC₂は可変利得の非反転アンプである。従って、Q_1BのR_Dと抵抗R₉によってIC₂の利得が決まる。すなわち、利得=1+R₉/R_D=1+R₉/（V_REF×R₅/V_C）となる。IC₂の利得は1+R₉/R₀のとき最大になる。ここで、R₀はQ_1Bのチャンネル抵抗の最小値である。2N3958では、V_GS=0Vのときに約450Ω。利得の最大値は、FETがオフ（V_GS=V_PINCHOFF）のときに1である。

　この回路は、オーディオ入力信号を10mV_PP以下に減衰させるアッテネーターを備えている。このアッテネーターは、FETのひずみを最小にするために導入した。さらに、IC₂の出力に対してクリッピング電圧を設定する役割も果たす。抵抗R₁₃とコンデンサーC₅、抵抗R₁₂を組み合わせたことで、高電圧の入力信号におけるひずみを低減する。

図2　VCAで変調したオーディオ出力の波形
V_Cに0V〜4Vの三角波を入力して、500MHzの正弦波を変調した。正弦波は、オーディオ入力端子に入力した。下側がV_Cの波形、上側がオーディオ出力の波形である。

　図1の部品パラメーターでは、V_Cを0Vから5Vまで変化させると、利得は−55dBから0dBまで直線的に増えていく。この回路には、6V_PPのオーディオ信号を入力できる。図2は、オーディオ入力端子に入力した500MHzの正弦波を変調した結果である。

　最高の性能を得るためには、IC₁には「OP-290」のようなオフセット電圧が低く、入力電流が小さいオペアンプを用いる必要がある。IC₂には「NE5534」のようなGB（利得帯域幅）積が高く雑音の小さいオペアンプを使う。利得が小さくても構わない場合は、「LF353」や「LF351」のような低価格品で十分である。

　この回路はIC₁にOP-290、IC₂に「TL031」を使えば、±5V電源（抵抗R₁は100kΩに替える）で動作する。このときの最大消費電流は0.33mAと小さい。

Design Ideas〜回路設計アイデア集

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事の中から200本を厳選し、5つのカテゴリに分けて収録した。