(57)【要約】【課題】  フォトダイオード等の電流信号を雑音の影響を最小限にして増幅する電流信号増幅器において、簡便な回路構成で、より高精度な電流信号増幅が可能となる電流信号増幅器を提供する。【解決手段】  電流出力の信号源を電流電圧変換する増幅器において、電流源の上流側と下流側双方に電流電圧変換器を有することを特徴とする電流信号増幅器。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流出力の信号源を電流電圧変換する増幅器において、電流源の上流側と下流側双方に電流電圧変換器を有することを特徴とする電流信号増幅器。
【請求項２】
前記記載の一対の電流電圧変換器は、双方の出力電圧を差動増幅器にて、減算することを特徴とする請求項１記載の電流信号増幅器。
【請求項３】
前記記載の差動増幅器は、双方の出力電圧に適当な重み付けをして、減算することを特徴とする請求項２記載の電流信号増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオード等の電流信号を雑音の影響を最小限にして増幅する電流信号増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、フォトダイオード等の電流信号を増幅するには、図１０のような電流電圧変換回路が用いられる。一般にこのような回路は、ノイズに対して敏感で、電源からのラインノイズ、空間からの電磁波ノイズ等の影響を受けやすいため、ノイズフィルタやシールドを用いて、ノイズ対策を行うのが一般的である。また温度変動に起因よるドリフトに関しては、ドリフトの少ないアンプを選定したり、暖機時間を設けることで対応するのが一般的である。
【０００３】
電流信号増幅回路の一例として、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開２００２−１９８７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ｎＡオーダーの電流、ｐＣオーダーの電荷を扱うような増幅器では、これらの対策では十分とは限らず、より高度なノイズ対策が望まれている。
【０００５】
また、特別な低ノイズ電源やノイズフィルタを用いたり、シールドすることで、増幅器の部品点数が多くなったり、部品選定、実装の制約が大きいという課題もあった。
【０００６】
本発明は、以上の点に着目して成されたもので、簡便な回路構成で、より高精度な電流信号増幅が可能となる電流信号増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に対して本発明では、電流信号の上流側、下流側双方に電流電圧変換回路を設けることで逆相の信号を取り出し、これらの差分を取ることで、信号成分は従来の二倍、同相成分のノイズはキャンセルされるため、信号雑音比（Ｓ／Ｎ）が改善される。
【０００８】
また、二つの回路の特性を揃えることにより、ドリフトも同方向に同程度発生するようになり、これらの差分を取ることで、キャンセルされる。
【０００９】
よって、簡便な回路構成で、より高精度な電流信号増幅が可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フォトダイオードなどの電流信号の増幅器において、電流の上流側、下流側双方に電流電圧変換回路を設けることにより、逆相の信号電圧が得られ、減算することにより、２倍の信号電圧が得られる。
【００１１】
また、電源ノイズや電磁波ノイズは双方のアンプに同相で乗ってくるので、減算することによりキャンセルされる。
【００１２】
双方の回路でそれぞれ発生するランダムなノイズ成分は減算（加算）することにより、√２倍されるため、Ｓ／Ｎは、同相ノイズがない場合でも、Ｓ／Ｎ＝２／√２＝√２倍に改善する。
【００１３】
このように、簡便な回路構成で、より高精度な電流信号増幅が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。
【実施例１】
【００１５】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【００１６】
図１は本発明に係る電流信号増幅器の回路図である。
【００１７】
１０１はフォトダイオード等の電流信号源である。電流信号源１０１の上流側、下流側双方にに電流電圧変換回路１０２が設けられ、電圧信号Ｓ１、Ｓ２が得られる。この回路にパルス上の電流信号が流れた場合の信号波形を図２の上段と中段に示す。Ｓ１において、信号成分は、０．１Ｖ立ち上がり、Ｒｆ、Ｃｆで決まる時定数で減衰する。上段のＳ１と中段のＳ２では逆相の信号が得られる。また、これらの波形はノイズにより若干歪んでいる。
【００１８】
信号が無いときのノイズ波形を拡大したものが、図３である。これによるとＳ１とＳ２はほぼ同相で変動しているようなので、Ｓ１とＳ２の波形の相関を見たものが図４である。それによると確かに正の相関が見られるため、Ｓ１とＳ２のノイズは同相成分が支配的であることがわかる。また、図３ではＳ１、Ｓ２が同方向にドリフトしている様子が伺える。
【００１９】
これらノイズ及びドリフトの影響を緩和するために、図１の回路図では、差動増幅器１０３が設けられている。差動増幅器１０３の出力を示したのが、図２の下段の波形である。そのまま引き算すると、信号レベルが２倍になるので、ここではゲインを１／２にして信号レベルはＳ１、Ｓ２と同じ０．１Ｖに保っている。それに対し、ノイズ及びドリフトは同相成分がキャンセルされ、さらにゲインが１／２となっているため、ノイズによる歪が大幅に低減されている様子がわかる。図３下段のノイズの差分を見れば、その効果は明らかである。
【００２０】
この方法により効果的にノイズ及びドリフトを低減させるには、一対の電流電圧変換器１０２の特性はよく揃えてあるほうがよく、実装場所も双方を近傍に配置する、理想的には二素子入りのＩＣを使用するのが好ましい。
【００２１】
また、この方式は図１のようにすぐさま差動増幅器１０３により差分を取るよりも、図５のように差動伝送路５０１を介して、Ａ／Ｄ変換器５０２のところまで、差動伝送を行えば、伝送路で乗る同相ノイズがキャンセルされるため、Ｓ／Ｎの劣化がほとんど無く伝送することが可能となる。
【実施例２】
【００２２】
以下、図面を用いて本発明の第二の実施例を説明する。
【００２３】
図６は温度的に十分安定して、ドリフトはほとんど見られなくなったときのノイズの波形である。下段のノイズの差分を見ると、まだＳ１とＳ２で支配的なノイズ成分である３ｋＨｚのノイズがまだ若干観測される。上段のＳ１と中段のＳ２のノイズを見ると、３ｋＨｚの成分の振幅がＳ２のほうが大きいことがわかる。そのため、そのまま引き算して、１／２をかけると下段のように３ｋＨｚの成分が残ってしまう。
【００２４】
そこで、図７のような回路で、差分増幅器１０３で重み係数ｗ１、ｗ２を用いて、重み付け演算を行うことで、同相のノイズ成分をより低減することが可能となる。ｗ１＋ｗ２＝１とすることで、信号レベルはＳ１、Ｓ２と同レベルに保つことができる。
【００２５】
以下重み付けを変化させたときのノイズのｒｍｓ値Ｎｒｍｓを表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１より、（ｗ１，ｗ２）＝（０．６，０．４）のときが、ノイズレベルが最小であることがわかる。このときのノイズの波形を示したのが表８である。下段の重み付け演算を行ったノイズ波形は、図６の下段と比べて、レベル的に小さくなっており、支配的だった３ｋＨｚのノイズ成分もほとんど見られなくなっていることがわかる。
【００２８】
また、重み付け演算は、図７のように回路で実現する方法の他に図９のようにＳ１、Ｓ２それぞれＡ／Ｄ変換して、マイコン９０２にて演算で求めることも可能である。Ａ／Ｄ変換器５０２の特性がＳ１とＳ２で異なると、また新たな誤差要因になるので、マルチプレクサ９０１で信号を切り換えて、同じＡ／Ｄ変換器５０２を使用するほうが好ましい。
【００２９】
また、マイコン９０２で演算する方法だと、初期の調整やノイズ環境が変化した場合にも対応がし易いという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第一の実施例に係る電流信号増幅器の回路図
【図２】本発明の第一の実施例に係る電流信号増幅器の信号波形図
【図３】本発明の第一の実施例に係る電流信号増幅器のノイズ波形図
【図４】本発明の第一の実施例に係る電流信号増幅器のノイズの相関図
【図５】本発明の第一の実施例に係る電流信号増幅器の伝送路を含む回路図
【図６】本発明の第二の実施例に係る電流信号増幅器のノイズ波形図
【図７】本発明の第二の実施例に係る電流信号増幅器の回路図
【図８】本発明の第二の実施例に係る電流信号増幅器の改善されたノイズ波形図
【図９】本発明の第二の実施例に係る電流信号増幅器の伝送路及び処理系を含む回路図
【図１０】従来の電流信号増幅器の回路図
【符号の説明】
【００３１】
１０１  電流信号源
１０２  電流電圧変換回路
１０３  差動増幅器
５０１  伝送路
５０２  Ａ／Ｄ変換器
９０１  マルチプレクサ
９０２  マイコン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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