汎用性のあるプログラマブルゲイン増幅器：Design Ideas アナログ機能回路

マイコン制御の利得可変回路を用いて、汎用性の高いプログラマブルゲイン増幅器を構成するアイデアを紹介する。

[Luo Bencheng，中国科学アカデミー]

　「INA118」や「AD623」など標準的な計装増幅器は、高確度で利得変化幅の広いプログラマブルゲイン増幅器としても用いることができる。しかしその利得範囲は固定されており、汎用性に欠けるという問題がある。その解決策として、図1のようなマイコン制御の利得可変回路を用いることが多い。IC₂はプログラマブルな8:1アナログ・デマルチプレクサで、8個の重み抵抗R₁〜R₈に接続されており、汎用高精度増幅器IC₂の利得範囲を改善している。回路の総合利得は、次の式のように、選択した重み付け抵抗の値によって決まる。

V_OUT＝−V_IN（（R_X＋R_ON）/R₀）

図1　プログラマブルゲイン増幅器の一例
利得設定にマイクロコントローラーのデジタル出力を用いた、基本的なプログラマブルゲイン増幅器である。

　R_ONはIC₂のオン抵抗、R_XはR₁〜R₈から選択した重み付け抵抗である。IC₂のポート選択端子A〜Cをマイクロコントローラーで制御し、選択した重み付け抵抗に従って利得を設定する。しかし、この回路では、温度変動などの制御ができないIC₂のオン抵抗があるために、高性能・高品質は得られない。

　そこで、図1の回路を工夫した、図2のような回路を使用する。同じIC₁を用いているが、IC₂をプログラマブル8：2差動入力アナログ・マルチプレクサに変更し、これを4個の平衡抵抗R₀₁〜R₀₄と8個の重み付け抵抗RG₁〜RG₈に接続して、回路の利得変化範囲を改善している。IC2のポート選択端子K₁〜K₂をマイクロコントローラーで制御し、高品質のプログラマブルゲイン増幅器を構成している。回路の総合利得は、次式で与えられる。

V_OUT＝V_IN（1＋R_GB/R_GA）

　R_GAはR_G1〜R_G4から、R_GBはR_G6〜R_G8から、それぞれ選択した重み付け抵抗である。

図2　図1を改善したプログラマブルゲイン増幅器
図1の回路を工夫すると、高性能と汎用性が得られる。

　アナログ・マルチプレクサIC₂は、増幅器IC₁の入力側にある。抵抗R₀₁〜R₀₄は、信号入力チャンネルのバランスを取ってマルチプレクサIC₂のオン抵抗によるレベル・シフトを減らすことで、オン抵抗による影響を最小に抑えている。オペアンプIC₀₁とIC₀₂はフォロワー回路として働き、回路全体のドライバ性能と同相モード除去能力を改善している。

Design Ideas〜回路設計アイデア集

【アナログ機能回路】：フィルタ回路や発振回路、センサー回路など

【パワー関連と電源】：ノイズの低減手法、保護回路など

【ディスプレイとドライバ】：LEDの制御、活用法など

【計測とテスト】：簡易テスターの設計例、旧式の計測装置の有効な活用法など

【信号源とパルス処理】：その他のユニークな回路

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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。