(57)【要約】  直流増幅器のオフセットやドリフトを、市販のＩＣアンプのレベルよりも大幅に低減させうる手段を提供する。まず、個々のアンプでランダムに存在するオフセットとドリフトに対しては、複数の増幅回路を電気的に組み合わせて、同一の入力を同時に増幅した各増幅回路の出力に重みを付けて平均化するという手段により、ほとんどオフセットの無い増幅を行うことができる。一方、同種のアンプで共通の傾向を有するオフセットとドリフトに対しては、一対の同種のアンプで反転増幅回路と非反転増幅回路を構成し、これら両回路の出力に重みを付けて、差動増幅回路の両入力端子に入力して信号の増幅を行なう。これにより、信号電圧は加算されるが、非反転及び反転回路のオフセット電圧は相殺されて、ほぼゼロにすることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の入力を並列に増幅する複数の直流増幅回路と、
該増幅回路のそれぞれに対応して配され、その出力電圧を互に独立に所定の可変な重み係数で変化させる係数器と、
該係数器又は前記直流増幅回路それぞれの出力電圧を加算する加算器と、
前記係数器の重み係数を調節する係数調節手段を備え、
該係数調節手段により、前記加算器の出力オフセット電圧を０に近づけるように、前記係数器の重み係数を調節することを特徴とする直流増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載の構成に加えて、
入力電圧を０とした時の前記増幅回路それぞれのオフセット電圧を所定のタイミングでサンプリングし、その電圧値をディジタル化した各増幅回路のオフセット電圧のデータセットを、メモリーに記録するオフセットデータ記録手段と、
該記録手段に記録された所定数のオフセット電圧のデータセットを用いて、入力電圧が０の時に前記加算器の出力電圧を０に近づけるための前記係数器の重み係数の最適組合せを計算する演算手段とを備え、
該演算手段の計算結果に基いて、前記数調節手段により前記係数器の重み係数を調節することを特徴とする直流増幅器。
【請求項３】
前記複数の増幅回路の増幅率がほぼ同一である請求項２に記載の直流増幅器。
【請求項４】
前記係数器として、前記増幅回路のそれぞれに第一係数器と第二係数器の各２個の係数器を配し、
前記加算器として、前記第一係数器の出力を加算する第一加算器と前記第二係数器の出力を加算する第二加算器とを設け、
かつ前記第二加算器の出力を前記第一加算器の出力から減ずる減算器を設けるとともに、
前記係数調節手段において、各増幅回路の重み係数の計算値が正の場合に、前記第一係数器の重み係数を該計算値としかつ前記第二係数器の重み係数を０とし、
各増幅回路の重み係数の計算値が負の場合には、前記第一係数器の重み係数を０としかつ前記第二係数器の重み係数を該計算値の絶対値とする係数調節操作を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の直流増幅器。
【請求項５】
前記加算器として、第一加算器と第二加算器とを設け、
前記第二加算器の出力を前記第一加算器の出力から減ずる減算器を設け、かつ前記各係数器のそれぞれの後段に、その出力を前記第一加算器又は前記第二加算器のいずれかに振り分ける切り替えスイッチを配するとともに
前記係数調節手段において、各増幅回路の重み係数の計算値の絶対値を当該係数器の重み係数とし、
かつ前記切り替えスイッチにより、各増幅回路の重み係数の計算値が正の場合に当該係数器の出力を前記第一加算器に入力し、各増幅回路の重み係数の計算値が負の場合に当該係数器の出力を前記第二加算器に入力する切り替え操作を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の直流増幅器。
【請求項６】
前記増幅回路の個数がｍである請求項２から５のいずれかに記載の直流増幅器を用い、
同一時刻に測定された前記オフセット電圧のデータセット（ｘ１，ｘ２，………，ｘｍ）のｎセット（ただしｎ≦ｍ）のデータを、前記オフセットデータ記録手段によりメモリーにストアするステップと、
前記演算手段により、下記(１)式で示すｎ個の関係式が満たされるように、各増幅回路の前記重み係数の計算値（Ｃ１，Ｃ２，………，Ｃｍ）を定めるステップと、該計算値に基づいて前記重み係数を調節するステップを具備することを特徴とするオフセット電圧の補償方法。
Ｃ１・ｘ１１＋Ｃ２・ｘ１２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘ１ｍ ＝ ０
Ｃ１・ｘ２１＋Ｃ２・ｘ２２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘ２ｍ ＝ ０
………………………
Ｃ１・ｘｉ１＋Ｃ２・ｘｉ２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘｉｍ ＝ ０
………………………
Ｃ１・ｘｎ１＋Ｃ２・ｘｎ２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘｎｍ ＝ ０
………………(１)
ここで、ｘｉｊ：ｉ番目（ｉ＝１〜ｎ）のデータセットの、増幅回路番号ｊ番目（ｊ＝１〜ｍ）のオフセット電圧（入力電圧を０とした時の出力電圧のディジタル値）
Ｃｊ ：ｊ番目（ｊ＝１〜ｍ）の増幅回路の重み係数の計算値
【請求項７】
前記増幅回路の個数がｍである請求項３から５のいずれかに記載の直流増幅器を用い、
同一時刻に測定された前記オフセット電圧のデータセット（ｘ１，ｘ２，………，ｘｍ）のｋセット（ただしｋ＝ｍ−２）のデータを、前記オフセットデータ記録手段によりメモリーにストアするステップと、
前記(１)式で示すｋ個の関係式を満たし、下記(２)式で表される総合増幅率ＡＴが最大になり、かつ下記(３)で表される総合のノイズ出力電圧の２乗平均値＜ｖｎＴ２＞が最小になるように、前記演算手段により各増幅回路の前記重み係数の計算値（Ｃ１，Ｃ２，………，Ｃｍ）を定めるステップと、
該計算値に基づいて前記重み係数を調節するステップを具備することを特徴とするオフセット電圧の補償方法。
ＡＴ ＝ Ａ（Ｃ１＋Ｃ２＋ ……… ＋Ｃｍ)            …………(２)
＜ｖｎＴ２＞ ＝ Ａ２＜ｖｎ２＞（Ｃ１２＋Ｃ２２＋ ……… ＋Ｃｍ２)
……(３)
ここで、Ａ：各増幅回路の増幅率がほぼ一様である場合のその増幅率
＜ｖｎ２＞：各増幅回路の入力換算ノイズ電圧がほぼ一様である場合の、                  その２乗平均値
で、Ｃｊは上記と同じである。
【請求項８】
前記増幅回路立上げ時の温度変動が大きい時期に、時系列的に前記オフセット電圧のサンプリングを行い、所望セット数のオフセット電圧のデータセットを得ることを特徴とする請求項６又は７に記載のオフセット電圧の補償方法。
【請求項９】
前記増幅回路の電源電圧を標準値の上下所定の範囲で変動させる手段と、該増幅回路の環境温度を所定の範囲で変動させる手段を設け、該バイアス電圧及び／又は環境温度を変動させた各条件下で、１回又は複数回前記オフセット電圧のサンプリングを行い、所望セット数のオフセット電圧のデータセットを得ることを特徴とする請求項６又は７に記載のオフセット電圧の補償方法。
【請求項１０】
前記増幅回路として同一の電源で作動し電源電圧の変動によるオフセット電圧の変動傾向が類似する一対のアンプを用い、該アンプにより各１個の反転増幅回路と非反転増幅回路を構成し、
前記加算器として、これら両回路のそれぞれの出力を両入力端子に入力する差動増幅回路を用い、
前記係数器が、前記の反転増幅回路、非反転増幅回路及び差動増幅回路それぞれの入力側抵抗、接地側抵抗及び帰還抵抗の組合せから構成されており、
前記数調節手段が、少なくとも前記差動増幅回路を構成する抵抗を含む前記直流増幅回路の１以上の抵抗の抵抗値を可変にする手段である請求項１記載の直流増幅器。
【請求項１１】
前記の反転増幅回路と非反転増幅回路それぞれのオフセット電圧を測定する手段を備えたことを特徴とする請求項１０記載の直流増幅器。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の直流増幅器を用いて、
前記一対のアンプそれぞれのオフセット電圧Ｖｉｋ（ｋ＝１，２）に対して、下記(５)式で表される総合オフセット電圧の入力換算値ＶｉＴがゼロになるように、同式内のＫＰとＫＮの値又はその比ＫＮ／ＫＰを調節することを特徴とする直流増幅回路のオフセット電圧の補償方法。
【数２】
2006093177.tif 000009
ここで、ＶｉＴ：総合オフセット電圧の入力換算値
Ｖｉ１：非反転増幅回路を構成するアンプのオフセット電圧
Ｖｉ２：反転増幅回路を構成するアンプのオフセット電圧
ＲＩ ：非反転増幅回路の接地側抵抗又は反転増幅回路の入力側抵抗
ＲＦ  ：非反転増幅回路及び反転増幅回路の帰還抵抗
Ｒ１３：差動増幅回路の非反転入力側抵抗
Ｒ２３：差動増幅回路の接地側抵抗
ＲＩ３：差動増幅回路の反転入力側抵抗
ＲＦ３：差動増幅回路の帰還抵抗
である。
【請求項１３】
請求項１０又は１１に記載の直流増幅器を用いて、
前記一対のアンプそれぞれの、正又は負の電源電圧（ＶＣＣ＋又はＶＣＣ−）の変動によるオフセット電圧の変動係数(∂Ｖｉｋ／∂ＶＣＣ＋又は∂Ｖｉｋ／∂ＶＣＣ−）に対して、下記(８)式のいずれかの関係が満たされるように、ＫＮ／ＫＰの値を調節することを特徴とするオフセット電圧の補償方法。
【数５】
2006093177.tif 000010
ここで、ＶＣＣ＋：非反転及び反転増幅回路の正側電源電圧
ＶＣＣ−：非反転及び反転増幅回路の負側電源電圧
Ｖｉ１，Ｖｉ２，ＫＰ，ＫＮ：前記(５)式で定義されたものと同じ
(ＫＮ／ＫＰ)＋：正側電源電圧の変動に対する適正値
(ＫＮ／ＫＰ)−：負側電源電圧の変動に対する適正値
である。
【請求項１４】
請求項１０又は１１に記載の直流増幅器を用いて、
前記一対のアンプの電源電圧の基準値における前記ＶｉＴの正及び負の変動係数（(∂ＶｉＴ／∂ＶＣＣ＋)０及び(∂ＶｉＴ／∂ＶＣＣ−)０）が、下記(１１)式の関係を満たすようにＫＮ／ＫＰの値を調節することを特徴とするオフセット電圧の補償方法。
(∂ＶｉＴ／∂ＶＣＣ＋)０＝(∂ＶｉＴ／∂ＶＣＣ−)０        …………(１１)
ここで、ＶｉＴ，ＶＣＣ＋，ＶＣＣ−は上に定義されたものと同じであり、添字０は電源電圧の基準値における値を意味する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直流増幅器に関し、とくにオフセット電圧とドリフトを従来より飛躍的に低減することのできる直流増幅器とそのオフセット電圧の補償方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流増幅器のオフセット電圧とドリフトの主な原因には、回路素子のパラメータのばらつき、電源電圧の変動、温度変化による半導体素子の特性の変化等があげられる。従来から、直流増幅器のオフセット電圧とドリフトを低減するために多くの努力が積み重ねられてきた。その主な対策を概説すると以下のようになる。【０００３】
(１)差動型の回路構成によって、半導体素子の特性変化を打ち消す方法：
この方法では、差動型を構成する２個の半導体素子の特性を完全に揃えることができないので、オフセットとドリフトが残ることが避けられない。
(２)負帰還により抑制する方法：
この方法では、オフセットやドリフトの入力換算値は改善できない。出力のオフセットやドリフトは抑制できるが、その分利得も低下し、抑制分と低下分の比率は変わらない。
(３)温度制御による方法：
増幅器の環境の温度を一定にすることによりドリフトを抑制するもので、回路の改善ではないから、オフセット電圧は改善されない。また、ドリフトを完全に抑制することも難しく、かつ環境を一定温度にするための設備の負担が大きい。
(４)熱帰還方式（例えば、下記非特許文献１)
増幅器初段の温度を一定に保つ方式で、信号増幅器に熱結合した同一の構成の熱帰還用増幅器の出力オフセット（信号増幅器のドリフトと同期すると期待される）に比例する熱を発生させて、両増幅器の初段の温度を制御することによって、両増幅器のオフセット電圧とドリフトを抑制するものである。この方式は、熱帰還部分の熱時定数や熱伝達時間の遅れがあるので、有効な周波数範囲が限られるという問題がある。【０００４】
【非特許文献１】橋口住久他：電子通信学会論文誌 '82/5 Vol.J65-C No.5,p399
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
直流増幅器のオフセット電圧の主な原因には、回路構成要素の特性値のばらつきによって生じるものと、電源電圧の誤差又は変動によって生じるものがある。前者ではオフセット電圧の符号や大きさが、個々のアンプでランダムに相違する。これに対して、後者ではオフセット電圧の符号や大きさが、同種のアンプで共通の傾向を有している。そのため、オフセット電圧を低減する方策が、この両者で根本的に相違することが多い。【０００６】
従来から、直流増幅器のオフセットやドリフトを低減することは、種々の分野で要請されている。市販のＩＣアンプでも、オフセット電圧５０μＶ、オフセットの温度特性１．０μＶ／℃程度のものは入手可能である。しかし、例えば精密計測の分野においては、これらの特性が計測精度を支配するから、上記のレベルより大幅に特性の優れた直流増幅器を必要とする場合が少なくない。【０００７】
そこで本発明の第一の課題は、個々のアンプでランダムにオフセットとドリフトが存在することを前提として、複数の増幅回路を電気的に組み合わせて、オフセットとドリフトを飛躍的に低減する手段を提供することである。【０００８】
上述のような、各アンプでランダムなオフセットやドリフトは、同一の入力を複数のアンプで並列に増幅して、その出力を平均化することにより、全体としてオフセットやドリフトが低減された出力を得ることができる。しかし、各アンプで共通の傾向を有するオフセットやドリフトに対しては、この方法は無効である。ゼロの周りにランダムに分散する変動は、平均化によりゼロに近付けることができるが、一定の傾向を持った変動は、平均化してもその傾向が保存されるためである。【０００９】
そこで本発明の第二の課題は、同種のアンプで共通の傾向を有するオフセットやドリフト、とくにＩＣアンプの正負電源電圧の変動に起因するオフセットやドリフトを、簡単な機構で顕著に低減させることのできる手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための本発明の直流増幅器の基本構成は、
同一の入力を並列に増幅する複数の直流増幅回路と、
該増幅回路のそれぞれに対応して配され、その出力電圧を互に独立に所定の可変な重み係数で変化させる係数器と、
該係数器又は前記直流増幅回路それぞれの出力電圧を加算する加算器と、
前記係数器の重み係数を調節する係数調節手段を備え、
該係数調節手段により前記加算器の出力オフセット電圧を０に近づけるように、前記係数器の重み係数を調節することを特徴とするものである。【００１１】
前述した二つの課題のうち、第一課題を解決するための本発明の直流増幅器（以下、第一発明の直流増幅器という）は、
上記の基本構成に加えて、入力電圧を０とした時の前記増幅回路それぞれのオフセット電圧を所定のタイミングでサンプリングし、その電圧値をディジタル化した各増幅回路のオフセット電圧のデータセットを、メモリーに記録するオフセットデータ記録手段と、
該記録手段に記録された所定数のオフセット電圧のデータセットを用いて、入力電圧が０の時に前記加算器の出力電圧を０に近づけるための前記係数器の重み係数の最適組合せを計算する演算手段とを備え、
該演算手段の計算結果に基いて、前記係数調節手段により前記係数器の重み係数を調節することを特徴とするものである。【００１２】
また、この増幅器においては、複数の増幅回路の増幅率がほぼ同一であることが好ましい。【００１３】
本発明の直流増幅器は上記のように構成されているので、それぞれの増幅回路のオフセット電圧特性やドリフト特性を予め測定し、そのデータに基いて係数器の重み係数を最適化することにより、各増幅回路のオフセット電圧を相殺して、全体としてオフセット電圧が０又は０に近い増幅出力を得ることができる。【００１４】
この直流増幅器は、前記係数器として、増幅回路のそれぞれに対し第一係数器と第二係数器の各２個の係数器を配し、前記加算器として、第一係数器の出力を加算する第一加算器と第二係数器の出力を加算する第二加算器とを設け、かつ第二加算器の出力を第一加算器の出力から減ずる減算器を設けるとともに、
前記係数調節手段において、各増幅回路の重み係数の計算値が正の場合に、第一係数器の重み係数を該計算値としかつ第二係数器の重み係数を０とし、各増幅回路の重み係数の計算値が負の場合には、第一係数器の重み係数を０としかつ前記第二係数器の重み係数を該計算値の絶対値とする係数調節操作を行う構成であることが好ましい。【００１５】
また、この直流増幅器は、前記加算器として、第一加算器と第二加算器とを設け、第二加算器の出力を第一加算器の出力から減ずる減算器を設け、かつ各係数器のそれぞれの後段に、その出力を第一加算器又は第二加算器のいずれかに振り分ける切り替えスイッチを配するとともに
前記係数調節手段において、各増幅回路の重み係数の計算値の絶対値を当該係数器の重み係数とし、かつ前記切り替えスイッチにより、各増幅回路の重み係数の計算値が正の場合に当該係数器の出力を前記第一加算器に入力し、各増幅回路の重み係数の計算値が負の場合に当該係数器の出力を前記第二加算器に入力する切り替え操作を行う構成であってもよい。【００１６】
このように第一加算器、第二加算器及び減算器を備えた構成にすれば、重み係数の計算値が正負いずれの場合も、係数器には正の重み係数を与えて、出力電圧の加算を行うことができる。したがって、出力の正負を反転させるために、各係数器に演算アンプを用いる必要がなくなり、この演算アンプ自体のオフセットやドリフトの影響を排除することができる。【００１７】
また、前記第一課題を解決するための本発明のオフセット電圧の補償方法（以下、第一発明のオフセット電圧の補償方法という）は、
前記増幅回路の個数がｍである上記第一発明の直流増幅器を用い、
同一時刻に測定された前記オフセット電圧のデータセット（ｘ１，ｘ２，………，ｘｍ）のｎセット（ただしｎ≦ｍ）のデータを、前記オフセットデータ記録手段によりメモリーにストアするステップと、
前記演算手段により、下記(１)式で示すｎ個の関係式が満たされるように、各増幅回路の前記重み係数の計算値（Ｃ１，Ｃ２，………，Ｃｍ）を定めるステップと、該計算値に基づいて前記重み係数を調節するステップを具備することを特徴とするものである。
Ｃ１・ｘ１１＋Ｃ２・ｘ１２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘ１ｍ ＝ ０    
Ｃ１・ｘ２１＋Ｃ２・ｘ２２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘ２ｍ ＝ ０
………………………
Ｃ１・ｘｉ１＋Ｃ２・ｘｉ２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘｉｍ ＝ ０
………………………
Ｃ１・ｘｎ１＋Ｃ２・ｘｎ２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘｎｍ ＝ ０
………………(１)
ここで、ｘｉｊは、ｉ番目（ｉ＝１〜ｎ）のデータセットの、増幅回路番号ｊ番目
（ｊ＝１〜ｍ）のオフセット電圧（入力電圧を０とした時の出力電圧のディジタル値）で、Ｃｊは、ｊ番目（ｊ＝１〜ｍ）の増幅回路の重み係数の計算値である。【００１８】
また、第一発明のオフセット電圧の補償方法は、
増幅回路の個数がｍであり、各増幅回路の増幅率がほぼ同一である第一発明の直流増幅器を用い、
同一時刻に測定された前記オフセット電圧のデータセット（ｘ１，ｘ２，………，ｘｍ）のｋセット（ただしｋ＝ｍ−２）のデータを、前記オフセットデータ記録手段によりメモリーにストアするステップと、
前記(１)式で示すｋ個の関係式を満たし、下記(２)式で表される総合増幅率ＡＴが最大になり、かつ下記(３)で表される総合のノイズ出力電圧の２乗平均値＜ｖｎＴ２＞が最小になるように、前記演算手段により各増幅回路の前記重み係数の計算値（Ｃ１，Ｃ２，………，Ｃｍ）を定めるステップと、
該計算値に基づいて前記重み係数を調節するステップを具備するものであってもよい。
ＡＴ ＝ Ａ（Ｃ１＋Ｃ２＋ ……… ＋Ｃｍ)            …………(２)
＜ｖｎＴ２＞ ＝ Ａ２＜ｖｎ２＞（Ｃ１２＋Ｃ２２＋ ……… ＋Ｃｍ２)
……(３)
ここで、Ａは各増幅回路の増幅率がほぼ一様である場合のその増幅率、＜ｖｎ２＞は、各増幅回路の入力換算ノイズ電圧がほぼ一様である場合のその２乗平均値
で、Ｃｊは上記と同じである。【００１９】
第一発明のオフセット電圧の補償方法のいずれにおいても、オフセット電圧のデータセットを得るには、増幅回路立上げ時の温度変動が大きい時期に、時系列的に前記オフセット電圧のサンプリングを行い、所望セット数のオフセット電圧のデータセットを得ることが好ましい。
あるいは、増幅回路の電源電圧を標準値の上下所定の範囲で変動させる手段と、増幅回路の環境温度を所定の範囲で変動させる手段を設け、該バイアス電圧及び／又は環境温度を変動させた各条件下で、１回又は複数回前記オフセット電圧のサンプリングを行い、所望セット数のオフセット電圧のデータセットを得るという方法によってもよい。【００２０】
次に、第二課題を解決するための本発明の直流増幅器（以下、第二発明の直流増幅器という）は、
前述した本発明の直流増幅器の基本構成において、
前記増幅回路として、同一の電源で作動し電源電圧の変動によるオフセット電圧の変動傾向が類似する一対のアンプを用い、該アンプにより各１個の反転増幅回路と非反転増幅回路を構成し、
前記加算器として、これら両回路のそれぞれの出力を両入力端子に入力する差動増幅回路を用い、
前記係数器が、前記の反転増幅回路、非反転増幅回路及び差動増幅回路それぞれの入力側抵抗、接地側抵抗及び帰還抵抗の組合せから構成されており、
前記数調節手段が、少なくとも前記差動増幅回路を構成する抵抗を含む前記直流増幅回路の１以上の抵抗の抵抗値を可変にする手段であることを特徴とするものである。
また、この直流増幅器は、前記の反転増幅回路と非反転増幅回路それぞれのオフセット電圧を測定する手段を備えたものであることが好ましい。【００２１】
一般に、ＩＣアンプのオフセットの電源電圧依存性は、同一品種のアンプでは同じ傾向を持っている。したがって、同種の２つのアンプを反転アンプと非反転アンプとして動作させ、その出力の差を作ることによって、信号は加算されるが、オフセット電圧は相殺されるため大幅な低減が可能になる。
さらに、上記の構成によれば、反転・非反転の両アンプの出力は、重み係数を乗じて加算器である差動増幅回路に入力されるので、この重み係数を最適化することにより、オフセット電圧を極めて０に近いレベルまで低減することができる。【００２２】
また、前記第二課題を解決するための本発明のオフセット電圧の補償方法（以下、第二発明のオフセット電圧の補償方法という）は、
上記第二発明の直流増幅器を用いて、
前記一対のアンプそれぞれのオフセット電圧Ｖｉｋ（ｋ＝１，２）に対して、下記(５)式で表される総合オフセット電圧の入力換算値ＶｉＴがゼロになるように、同式内のＫＰとＫＮの値又はその比ＫＮ／ＫＰを調節することを特徴とするものである。
【数２】
2006093177.tif 000002
ここで、ＶｉＴは総合オフセット電圧の入力換算値、Ｖｉ１は非反転増幅回路を構成するアンプのオフセット電圧、Ｖｉ２は反転増幅回路を構成するアンプのオフセット電圧であり、ＲＩは非反転増幅回路の接地側抵抗又は反転増幅回路の入力側抵抗、ＲＦ  は非反転増幅回路及び反転増幅回路の帰還抵抗、Ｒ１３は差動増幅回路の非反転入力側抵抗、Ｒ２３は差動増幅回路の接地側抵抗、ＲＩ３は差動増幅回路の反転入力側抵抗、ＲＦ３は差動増幅回路の帰還抵抗である。【００２３】
上記の構成において、ＫＰとＫＮの値（この直流増幅回路を構成する各抵抗の抵抗値により(５)式で定義された値）を調節することは、差動増幅回路への２つの入力の重み係数を変えることに相当する。(５)式のＶｉＴがゼロになるようにＫＰとＫＮの値を調節すれば、一対のアンプのオフセット電圧の影響を完全に相殺して、差動増幅回路からはオフセット電圧の無い出力を得ることができる。【００２４】
また、第二発明のオフセット電圧の補償方法は、
上記第二発明の直流増幅器を用いて、一対のアンプそれぞれの、正又は負の電源電圧（ＶＣＣ＋又はＶＣＣ−）の変動によるオフセット電圧の変動係数(∂Ｖｉｋ／∂ＶＣＣ＋又は∂Ｖｉｋ／∂ＶＣＣ−）に対して、下記(８)式のいずれかの関係が満たされるように、ＫＮ／ＫＰの値を調節するものであってもよい。
【数５】
2006093177.tif 000003
ここで、ＶＣＣ＋，ＶＣＣ−は、それぞれ非反転及び反転増幅回路の正側，負側の電源電圧で、Ｖｉ１，Ｖｉ２，ＫＰ，ＫＮは上記で定義されたものと同じであり、(ＫＮ／ＫＰ)＋，(ＫＮ／ＫＰ)−は、それぞれ正側，負側の電源電圧の変動に対するＫＮ／ＫＰの適正値である。【００２５】
上記の構成において、(ＫＮ／ＫＰ)＋が(８)式の関係を満たす場合は、正側の電源電圧が大幅に変動しても、前述した相殺の効果により、差動増幅回路のオフセット電圧を常にゼロにすることができる。(ＫＮ／ＫＰ)−が(８)式の関係を満たす場合は、負側の電源電圧の変動に対して同じ効果が得られる。負側の電源電圧の変動の影響が大きい場合には、(ＫＮ／ＫＰ)−が(８)式の関係を満たすようにすることが好ましい。【００２６】
(８)式における各アンプの変動係数(∂Ｖｉｋ／∂ＶＣＣ＋及び∂Ｖｉｋ／∂ＶＣＣ−）は、アンプ単体で簡単な計測手段により容易に測定することができる。したがって、全体の回路構成に先立ってこの変動係数を測定し、(８)式の関係が満たされるように各抵抗の抵抗値を定めることができる。この変動係数は短期間で大幅に変化するようなものでないから、直流増幅回路の組立て時に各抵抗値を適正に選択することにより、恒久的に電源電圧の変動に起因するオフセット電圧を補償することができる。【００２７】
さらに、第二発明のオフセット電圧の補償方法は、
上記第二発明の直流増幅器を用いて、一対のアンプの電源電圧の基準値における前記ＶｉＴの正及び負の変動係数（(∂ＶｉＴ／∂ＶＣＣ＋)０及び(∂ＶｉＴ／∂ＶＣＣ−)０）が、下記(１１)式の関係を満たすようにＫＮ／ＫＰの値を調節するものであってもよい。
(∂ＶｉＴ／∂ＶＣＣ＋)０＝(∂ＶｉＴ／∂ＶＣＣ−)０        …………(１１)
ここで、ＶｉＴ，ＶＣＣ＋，ＶＣＣ−は上に定義されたものと同じであり、添字０は電源電圧の基準値における値を意味する。【００２８】
(１１)式の関係が満たされるように、ＫＮ／ＫＰの値を調節すれば、正側の電源電圧の変動量ΔＶＣＣ＋と負側の電源電圧の変動量ΔＶＣＣ−の値が等しい場合に、入力換算総合オフセット電圧ＶｉＴを常にゼロにすることができる（後記(１０)式参照）。交流電源を変圧・整流して増幅器の電源とする場合には、ΔＶＣＣ＋とΔＶＣＣ−の絶対値がほぼ等しくなるから、(１１)式に基づくこの制御方法は、交流ラインからの電源電圧の供給の場合にとくに有用である。
【発明の効果】
【００２９】
上記第一発明の直流増幅器は、多数の安価なアンプを並列に結合し、その出力に重み係数を乗じて加算することにより、各アンプのオフセットやドリフトを相殺させて、全体としてオフセットやドリフトのきわめて小さい増幅出力を得ることを可能にしたものである。この発明によれば、比較的簡単な構成で、オフセット電圧やその温度係数を、もとのアンプ単体の値よりも２桁〜３桁以上小さくすることができる。【００３０】
また、上記第二発明の直流増幅器は、同種の２つのアンプを反転アンプと非反転アンプとして動作させ、その両出力に重み係数を乗じて、差動増幅回路に入力することによって、信号は加算されるがオフセット電圧は相殺されるという原理に基づくものである。これにより、電源電圧の変動又は回路環境の変化に基づくオフセットやドリフトを、簡単な回路構成で大幅に低減することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第一発明の一実施例である直流増幅器の構成を示す図である。
【図２】第一発明の他の実施例である直流増幅器の構成を示す図である。
【図３】第一発明の第三の実施例である直流増幅器の構成を示す図である。
【図４】第二発明の実施例で用いた直流増幅回路の構成を示す回路図である。
【図５】オフセット電圧を入力電圧とみなしたアンプ単体の等価回路図である。
【図６】第二発明の実施例で用いた直流増幅回路に図５の表示を用いた等価回路図である。
【図７】第二発明の実施例で３２個の同形式アンプのオフセット電圧の電源電圧依存性を測定した結果を示す図である。
【図８】第二発明の実施例におけるオフセット電圧の低減効果を示す図である。
【図９】第二発明の実施例におけるオフセット電圧の変動係数とＫＮ／ＫＰの関係を示す図である。
【図１０】第二発明の実施例における入力換算総合オフセット電圧とＫＮ／ＫＰの関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の好ましい実施形態を、上述した第一発明に関するものと第二発明に関するものとに分けて説明する。
図１は、第一発明の一実施例である直流増幅器の構成を示す図である。この直流増幅器は、複数の直流増幅回路１と複数の係数器２と加算器３を備えている。直流増幅回路１は、同一の入力を並列に入力して、これをそれぞれ独立に増幅する。係数器２は、増幅回路１のそれぞれに対応して配置されており、各増幅回路１の出力電圧を、それぞれ独立に所定の重み係数で変化させるものである。この係数器２の係数値は可変に設定できるようになっている。加算器３は、全ての係数器２の出力を同時に入力して、その出力電圧の合計を出力するものである。【００３３】
また、この直流増幅器は、増幅回路１のそれぞれの出力電圧を同時に検出するためのサンプル／ホルダー４と、検出された電圧値をディジタル化するＡ／Ｄ変換器５と、ディジタル化したデータをメモリーに記録するパソコン６を備えている。これにより、入力電圧を０とした時の増幅回路１のそれぞれの出力電圧（オフセット電圧）を所定のタイミングでサンプリングし、その電圧値をディジタル化して、メモリーに記録することができる（オフセットデータ記録手段）。このオフセットデータは、ほぼ同一時刻にサンプリングされた、増幅回路１のそれぞれについてのデータのセットである。【００３４】
また、この直流増幅器は、重み係数の最適組合せを計算する演算手段と、この演算手段の計算結果に基いて各係数器２の重み係数を調節する係数調節手段を備えている。この演算手段は、入力電圧が０の時に加算器３の出力電圧を０にし、又は０に近づけるための重み係数の最適組合せを計算する。この演算機能は、上述したオフセット電圧の複数のデータセットに基いて、後述するような演算をパソコン６で行うことにより実行される。また、係数調節手段としては、通常は可変抵抗器を用いてその抵抗値を調節する方法が取られるが、これを手動で行っても、自動的に行ってもよい。
上記のような構成で、あらかじめオフセット電圧が０になるように、各係数器２の重み係数値を最適化したのち、信号を入力して加算器３の出力を取り出せば、オフセット電圧やドリフトがほとんど０の直流増幅出力を得ることができる。【００３５】
図１のような構成では、係数器２の重み係数値が負になった場合にどう対応するかが問題になる。すなわち、重み係数が正の場合には、可変抵抗器の抵抗値の調節のみで対応可能である。しかし、重み係数が負の場合には、一般には上記に加えて、オペアンプを用いて出力電圧の正負を反転させる必要がある。どの係数器２の重み係数が負になるかは予測できないから、全ての係数器２にオペアンプを配置する必要が有り、このオペアンプ自体にオフセットやドリフトがあるため、かかる構成では発明の目的を達成することが難しくなる。【００３６】
図２は、第一発明の他の実施例である直流増幅器の構成を示す図で、上記の問題を解決するためのものである。この例では、増幅回路１のそれぞれに第一係数器２ａと第二係数器２ｂの各２個の係数器が配され、各増幅回路１の出力は両係数器に同時に入力される。また、第一加算器３ａと第二加算器３ｂの２個の加算器を備えており、第一係数器２ａの出力は、全て第一加算器３ａで加算され、第二係数器２ｂの出力は全て第二加算器３ｂで加算されるように構成されている。さらに、第二加算器の出力を第一加算器の出力から減ずる減算器７が設けられている。すなわち、減算器７では、第二加算器３ｂの出力（第二係数器２ｂの出力電圧の合計）の符号を反転して、第一加算器３ａの出力（第一係数器２ａの出力電圧の合計）に加算する。【００３７】
この直流増幅器でも、オフセットデータ記録手段で所望数のオフセット電圧のデータセットをパソコン６のメモリーに記録することや、演算手段（パソコン６）で、入力電圧が０の時に、加算器３の出力電圧が０になるように（又は０に近づくように）重み係数の最適組合せを計算することは、図１の例と同様である。しかし、この例では係数調節手段の操作が図１の例と相違する。すなわち、各増幅回路の重み係数の計算値が正の場合には、この計算値をそのまま第一係数器２ａの重み係数とするとともに、第二係数器２ｂの重み係数を０とする。一方、各増幅回路の重み係数の計算値が負の場合には、この計算値の絶対値を第二係数器２ｂの重み係数値とするとともに、第一係数器２ａの重み係数を０とする。【００３８】
上記のような構成にすれば、各係数器の重み係数は正の値になるから、符号反転のためのオペアンプを用いることなく係数器を構成することができ、オペアンプによるオフセットやドリフトの問題は生じない。第二加算器３ｂの出力の符号反転して第一加算器３ａの出力に加算するには、減算器にオペアンプを用いることが避けられないが、このアンプの利得を低く設定すれば、これによるオフセットやドリフトの影響を最小限に抑えることができる。また、このアンプの特性が予め把握されていれば、各係数器の最適係数値を計算する際に、減算器のアンプのオフセットやドリフトの影響を加味して、最適値を求めることも可能である。【００３９】
図３は、第一発明の第三の実施例である直流増幅器の構成を示す図で、図２の例と同様の目的を、これとやや異なる構成で達成するものである。この例では、加算器として、第一加算器３ａと第二加算器３ｂの２個の加算器を備え、かつ第二加算器３ｂの出力を第一加算器３ａの出力から減ずる減算器７が設けられている点は、図２と同様である。しかし、この例では、係数器３は各増幅回路１に対応して各１個設けられているのみで、各係数器３の後段に切り替えスイッチ８が設けられ、各スイッチ８の出力は、第一加算器３ａと第二加算器３ｂのいずれかを選択して入力し得るように接続されている。【００４０】
この実施例では、係数調節手段で、各増幅回路の重み係数の計算値の絶対値を当該係数器の重み係数とする。切り替えスイッチ８は、各増幅回路１の重み係数の計算値が正の場合には、これに対応する係数器の出力を第一加算器３ａに入力し、重み係数の計算値が負の場合に係数器の出力を第二加算器３ｂに入力するように、スイッチの切り替えを行う。これにより、各係数器に符号反転を目的とするオペアンプを用いる必要が無くなることは、図２の例と同様である。【００４１】
上記のいずれの実施態様においても、各増幅回路の回路構成や増幅率が同一でなくとも、発明の目的を達成することは可能である。しかし、増幅率が各増幅回路でマチマチであると、最適係数値の演算が複雑になるので、各増幅回路の増幅率は、なるべくほぼ一定であることが好ましい。また、各増幅回路の回路構成がマチマチであると、各回路のオフセットやドリフトの発生原因も多様になり、変化の幅も大きくなることが懸念されるので、各増幅回路の回路構成もなるべく同一であることが好ましい。【００４２】
なお、上記の図１〜図３のいずれの場合も、係数器と加算器を分離して表示しているが、両者が一体となって回路が構成されている加算係数器のようなものであってもよい。要するに、係数器の機能と加算器の機能を具備した構成であればよい。【００４３】
次に、第一発明のオフセット電圧の補償方法について説明する。この補償方法は第一発明の直流増幅器を用いて、演算手段により各係数器の最適重み係数の計算を行い、その結果に基づいて重み係数を調節するものである。この演算の内容は、各増幅回路のオフセット電圧の一次結合を０にする係数値を計算するもので、下記の連立方程式の解を求めることに相当する。すなわち、増幅回路１の個数をｍとし、ほぼ同一時刻に測定されたオフセット電圧のデータセット（ｘ１，ｘ２，………，ｘｍ）の一次結合（ΣＣｉｘｉ（ｉ＝１〜ｍ））を、ｎセットのデータのそれぞれについて計算することができるが、これらの一次結合の値が全て０となるように、各増幅回路の重み係数の計算値（Ｃ１，Ｃ２，………，Ｃｍ）を定めるものである。これを式で表示すれば、下記(１)式のようになる。【００４４】
Ｃ１・ｘ１１＋Ｃ２・ｘ１２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘ１ｍ ＝ ０
Ｃ１・ｘ２１＋Ｃ２・ｘ２２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘ２ｍ ＝ ０
………………………
Ｃ１・ｘｉ１＋Ｃ２・ｘｉ２＋ ……… ＋Ｃｍ・ｘｉｍ ＝ ０
………………………
Ｃ１・ｘｎ１＋Ｃ２・ｘｎ２＋ ………＋Ｃｍ・ｘｎｍ ＝ ０
………………(１)
ここで、ｘｉｊ：ｉ番目（ｉ＝１〜ｎ）のデータセットの、増幅回路番号ｊ番目
（ｊ＝１〜ｍ）のオフセット電圧（入力電圧を０とした時の出力電圧のディジタル値）、Ｃｊ：ｊ番目（ｊ＝１〜ｍ）の増幅回路の重み係数の計算値である。【００４５】
もし、オフセット電圧値が不変であれば、２個の増幅回路（ｍ＝２）で、上記の一次結合（すなわち加算器の出力オフセット電圧）を０にする重み係数の組合わせ（Ｃ１，Ｃ２）を得ることができる。しかし、立上げ直後の温度変動によるドリフトや、増幅回路の環境温度やバイアス電圧等の変動によるドリフトがあるから、これだけでは不十分である。これらが変化した条件下で、オフセット電圧のデータセット（ｘ１，ｘ２，………，ｘｍ）を複数回測定し、それらが全て０になるように重み係数の組合せを定めておけば、ドリフトが生じた場合でも相当幅広く、加算器のオフセット電圧（入力が０の時の出力電圧）を０にし、又は０に近づけることが可能になると考えられる。【００４６】
オフセット電圧のデータセットの個数ｎが、増幅回路の個数ｍより大きければ、上記(１)式の連立方程式の解は全て０となるから、ｎ≦ｍでなければならない。ｎ＝ｍであれば、上記連立方程式の解（Ｃ１，Ｃ２，………，Ｃｍ）は一義的に定まる。ｎ＜ｍであれば、係数の組合せには自由度が残り、他の要素も加味して係数値の最適組合せを決定することができる。【００４７】
本発明者らの知見によれば、ｎ＝ｍ−２として、残った自由度により、下記(２)式で表される総合増幅率ＡＴが最大になり、かつ下記(３)で表される総合のノイズ出力電圧の２乗平均値＜ｖｎ０Ｔ２＞が最小になるように、係数値（Ｃ１，Ｃ２，………，Ｃｍ）の組合せを定めることが好ましい。【００４８】
ＡＴ ＝ Ａ（Ｃ１＋Ｃ２＋ ……… ＋Ｃｍ）            ………(２)
＜ｖｎ０Ｔ２＞ ＝ Ａ２＜ｖｎ２＞（Ｃ１２＋Ｃ２２＋ ……… ＋Ｃｍ２）
………(３)
ここで、Ａ：各増幅回路の増幅率がほぼ一様である場合のその増幅率、＜ｖｎ２＞：各増幅回路の入力換算ノイズ電圧がほぼ一様である場合の、その２乗平均値であり、Ｃｊは上記と同じである。【００４９】
第一発明の直流増幅器の総合入力換算ノイズ＜ｖｎＴ２＞は、下式で示すように、(３)式で与えられる総合のノイズ出力電圧の２乗平均値＜ｖｎ０Ｔ２＞を総合増幅率ＡＴの２乗で除した値で定義される。
＜ｖｎＴ２＞ ＝ ＜ｖｎ０Ｔ２＞／ＡＴ２ ＝ Ｋ・＜ｖｎ２＞
ここで、Ｋ ＝（Ｃ１２＋Ｃ２２＋ ………＋Ｃｍ２）／（Ｃ１＋Ｃ２＋………＋Ｃｍ）２
このＫは、（増幅器の総合ノイズ）／（各増幅回路のノイズ）に相当するもので、この値がなるべく小さくなるように、できればＫが１以下になるように、係数値（Ｃ１，Ｃ２，………，Ｃｍ）の組合せを定めることが好ましい。【００５０】
増幅回路１の数ｍは、最低限は２個あればよいが、ドリフトにも幅広く対応するという観点からは、ある程度の個数例えば１０個程度以上であることが好ましい。また、ｍの上限もとくに限定する必要はないが、例えば５０〜１００個程度あれば十分である。これがあまり多くなると、設備の負担が大きくなるとともに、計算の手間が増大して好ましくない。
なお、この第一発明の直流増幅器においては、各増幅回路として、市販のアンプの比較的安価なものを用いることができ、その個数が上記の範囲程度であれば、増幅回路のアンプを入手するための費用負担はさほど問題にならないと考えられる。【００５１】
次に、第二発明の直流増幅器について説明する。図４は、この第二発明の実施例で用いた直流増幅回路の構成を示す図である。この直流増幅器は、３個のアンプ９ａ，９ｂ，９ｃで構成されている。アンプ９ａと９ｂは同一の電源で作動する同形式のアンプであり、アンプ９ａは非反転増幅回路を、アンプ９ｂは反転増幅回路を構成している。この両アンプは、それぞれプラス入力端子（＋端子）とマイナス入力端子（−端子）に同一入力（信号電圧）が入力される。【００５２】
また、アンプ９ｃは、アンプ９ａとアンプ９ｂの出力の差をとって増幅する差動増幅回路を構成している。すなわち、非反転増幅のアンプ９ａの出力がアンプ９ｃのプラス（＋）端子に、反転増幅されたアンプ９ｂの出力がアンプ９ｃのマイナス（−）端子に入力されるから、差動増幅アンプ９ｃは、アンプ９ａとアンプ９ｂの出力を加算して増幅することに相当する。なお、本実施例では、アンプ９ａとアンプ９ｂの入力側抵抗をＲＩ、帰還抵抗をＲＦとして、同一の抵抗値を与えているから、両アンプの増幅率は同一になる。【００５３】
かかる直流増幅回路のオフセット電圧について考察する際して、オフセット電圧を或る値の入力電圧に置き換えて扱うのが便利である。すなわち、オフセット電圧は、図５に示すように入力端子のいずれか一方に（この例では＋端子に）電圧源Ｖｉを付加することによって等価的に表すことができる。図６は、図４の回路のオフセット電圧を電圧源として等価的に表示したものである。なお、ここでは、アンプ９ａとアンプ９ｂのオフセット電圧のみを問題とし、それぞれＶｉ１，Ｖｉ２で表示する。【００５４】
図６の回路における出力電圧ｖｏｕｔは、下記(４)式で与えられる。
【数１】
2006093177.tif 000004
ここで、ｖｉｎ：入力電圧
Ｖｉ１：アンプ９ａのオフセット電圧
Ｖｉ２：アンプ９ｂのオフセット電圧
ＲＩ  ：アンプ９ａの接地側抵抗又はアンプ９ｂの入力側抵抗
ＲＦ  ：アンプ９ａ及びアンプ９ｂの帰還抵抗
Ｒ１３：アンプ９ｃの非反転入力側抵抗
Ｒ２３：アンプ９ｃの接地側抵抗
ＲＩ３：差動増幅回路の反転入力側抵抗
ＲＦ３：アンプ９ｃの帰還抵抗
である。
(４)式の右辺第１項は、出力電圧のうち入力電圧ｖｉｎに依存する部分を、第２項はオフセット電圧に依存する部分を表すから、この第２項の値を如何にして小さくするかが課題となる。【００５５】
ここで、オフセット電圧の大小は、入力電圧（信号強度）に対する比で考えるのが適切であるから、総合オフセット電圧の入力換算値ＶｉＴとして、(４)式の右辺第２項を右辺第１項のｖｉｎの係数で割った値で定義する。すなわち、ＶｉＴは前記(５)式で与えられる。この式は、ＶｉＴがＶｉ１と−Ｖｉ２の一次式で与えられることを示している。したがって、その係数の比ＫＮ／ＫＰを適切に選択すれば、ＶｉＴをゼロにすることができる。【００５６】
この第二発明のオフセット電圧の補償方法には、いくつかの実施態様がある。その実施態様の第一は、前記(５)式で表されるＶｉＴがゼロになるように、ＫＰとＫＮの値又はその比ＫＮ／ＫＰを調節するものである。具体的には、入力電圧ｖｉｎがゼロの時のアンプ９ａ及び９ｂの出力電圧（オフセット電圧）Ｖｉ１，Ｖｉ２を実測し、この測定値から(５)式のＶｉＴがゼロになるように、ＫＮ／ＫＰの比を変えればよい。【００５７】
ＫＮ／ＫＰの値を変える手段は、ＲＩ，ＲＦ，Ｒ１３，Ｒ２３，ＲＩ３，ＲＦ３のいずれか１又は２以上の抵抗値を変えることである。この目的に対して、アンプ９ａ及びアンプ９ｂの抵抗（ＲＩ，ＲＦ）を変えるよりも、アンプ９ｃの抵抗（Ｒ１３，Ｒ２３，ＲＩ３，ＲＦ３）を変えることが好ましい。その理由は、アンプ９ａ及びアンプ９ｂは、その増幅率（ＲＦ／ＲＩ）を大きく（例えば１００以上に）するのが一般的なので、 (５) 式から理解されるように、ＲＩやＲＦを変えてもＫＰとＫＮがほとんど変化しないためである。【００５８】
また、アンプ９ｃの抵抗のうちＲ１３を変えてもよいが、Ｒ２３を変えることが好ましい。その理由は、非反転入力に対する重みのみを変化させるので、他に影響を与えないことによる。【００５９】
本発明においては、少なくとも差動増幅回路を構成する抵抗を含む１以上の抵抗の抵抗値を変える手段を備えていればよく、その手段を限定することを要しない。特定の抵抗に可変抵抗器を用いる方法が一般的であるが、特定の抵抗を交換可能に取り付けるという方法によってもよい。また、予めアンプの特性を把握して、回路の組立て時に適切な抵抗値のものを選択して、オフセットの補償を行うことも、本発明の範囲に含まれるものである。【００６０】
オフセット電圧Ｖｉ１，Ｖｉ２が常に一定であれば、ＶｉＴをゼロにするＫＮ／ＫＰの値は一義的に定まる。しかし、電源電圧に依存するオフセットは、電源電圧の変動量によって変化するから、できるだけ広い範囲でＶｉＴをミニマムにするように、ＫＰとＫＮの比を定めることが望ましい。以下、その方法について説明する。【００６１】
電源電圧の変動に依存するオフセット電圧Ｖｉｋ（ｋ＝１，２）には、正の電源電圧ＶＣＣ＋に依存する部分と、負の電源電圧ＶＣＣ−に依存する部分があるから、Ｖｉｋ＝Ｖｉｋ(ＶＣＣ＋，ＶＣＣ−)と表し、電源電圧の基準値をＶＣＣ＋０，ＶＣＣ−０と表示する。
Ｖｉｋは下記(６)式で表される。
【数３】
2006093177.tif 000005
ここで、ＶＣＣ＋：正の電源電圧
ＶＣＣ−：負の電源電圧
Ｖｉｋ(ＶＣＣ＋０，ＶＣＣ−０)：電源電圧の基準値におけるオフセット電圧
である。【００６２】
前出の(５)式のＶｉ１，Ｖｉ２に、(６)式の関係を代入して整理すれば、下記の(７)式が得られる。
【数４】
2006093177.tif 000006
この(７)式は、変数ΔＶＣＣ＋の係数がＡ＝ＫＮ(Ｖｉ１／ＶＣＣ＋)−ＫＰ(Ｖｉ２／ＶＣＣ＋) であり、変数ΔＶＣＣ−の係数がＢ＝ＫＮ(Ｖｉ１／ＶＣＣ−）−ＫＰ(Ｖｉ２／ＶＣＣ−)であり、定数項がＣ＝ＫＮＶｉ１(ＶＣＣ＋０，ＶＣＣ−０)−ＫＰＶｉ２(ＶＣＣ＋０，ＶＣＣ−０)であることを示している。【００６３】
正の電源電圧の変動ΔＶＣＣ＋に対するオフセット電圧をゼロにするには、上記のＡをゼロにすればよい。一方、負の電源電圧の変動ΔＶＣＣ−に対するオフセット電圧をゼロにするには、上記のＢをゼロにすればよい。すなわち、前記(８)式のいずれかが満たされるように、ＫＰとＫＮの比を定めればよい。【００６４】
そこで、本発明のオフセット電圧補償方法の実施態様の第二は、各アンプ（９ａ，９ｂ）の電源電圧の変動に対するオフセット電圧の変動係数(Ｖｉｋ／ＶＣＣ±）（以下、単に正又は負の変動係数という）を把握して、前記(８)式の関係が満たされるように、ＫＮ／ＫＰの値を調節するものである。なお、上記の変動係数は、使用する各アンプについて、簡単な計測手段により容易に測定することができる。したがって、全体の回路構成に先立って、この変動係数を測定し、(８)式の関係が満たされるように各抵抗値の値を定めればよい。【００６５】
上記の変動係数は、短期間で大幅に変化するようなものでないから、直流増幅回路の組立て時に、各抵抗値を適正に選択しておけば、恒久的に(８)式の関係を満たすことができ、本発明の原理によるオフセット電圧の抑制を行うことができる。なお、本発明においては、何らかの手段でこの変動係数の値が得られていればよく、変動係数の値を求める手段を特に限定する必要はない。【００６６】
正の電源電圧も負の電源電圧も、いずれも電源電圧の変動が起こりうる。この場合は、(８)式の２つの式をともに満足することは、一般には不可能であるから、正負いずれかの変動係数を用いて、ＫＮ／ＫＰの比を定める必要がある。後記実施例に示すように、負の変動係数の値がより大きい場合には、これがオフセット電圧に与える影響が大きいので、負の変動係数を用いてＫＰ／ＫＮの比を定めることが好ましい。【００６７】
また、電源電圧の変動は、正負の変動分が互いに関連する場合が多い。例えば、商用の交流ラインから整流・変圧して電源電圧を供給する場合には、下式に示すように、正負の変動分の絶対値が同じになる。
ΔＶＣＣ＋＝−ΔＶＣＣ−                            …………(９)
【００６８】
一方、入力換算総合オフセット電圧ＶｉＴは近似的に下式で表されるから、
ＶｉＴ＝(ＶｉＴ／ＶＣＣ＋)０・ΔＶＣＣ＋＋(ＶｉＴ／ＶＣＣ−)０・ΔＶＣＣ−
…………(１０)
ここで、(ＶｉＴ／ＶＣＣ＋)０，(ＶｉＴ／ＶＣＣ−)０は、それぞれ電源電圧の基準値におけるＶｉＴの正、負の変動係数である。
(９)式と(１０)式から、ＶｉＴ＝０にするには、下記(１１)式の関係を満たすことが必要である。
(ＶｉＴ／ＶＣＣ＋)０＝(ＶｉＴ／ＶＣＣ−)０          …………(１１)
【００６９】
詳しい説明は省略するが、Ｘ＝(ＶｉＴ／ＶＣＣ＋)０，Ｙ＝(ＶｉＴ／ＶＣＣ−)０はともに（ＫＮ／ＫＰ）の一次式として表され、後記実施例に見られるように、ＫＮ／ＫＰ＞０の領域でＸ＝Ｙとなる。
すなわち、本発明のオフセット電圧補償方法の実施態様の第三は、電源電圧の変動に対する入力換算オフセット電圧ＶｉＴの正負の変動係数(ＶｉＴ／ＶＣＣ±）０（基準電圧における値）を把握して、(１１)式の関係が満たされるようにＫＮ／ＫＰの値を調節するものである。【００７０】
上記の変動係数（Ｘ又はＹ）は直接測定することも容易であるし、また、各アンプ（９ａ，９ｂ）のオフセット電圧の変動係数(Ｖｉｋ／ＶＣＣ±）（ｋ＝１，２）から算定することもできる。したがって、直流増幅回路の組立て前に、使用するアンプのオフセット電圧特性を測定しておき、回路の組立て時に各抵抗値を適正に選択すれば、恒久的に(１１)式の関係を満たすことが可能になる。この第三の方法は、交流ラインから整流・変圧して増幅回路の電源電圧を供給する場合にとくに有効である。【００７１】
本発明において、アンプ９ａと９ｂは必ずしも同形式（同一構造）のものでなくともよい。電源電圧の変動に対する両アンプのオフセット電圧の変動傾向が類似（変動係数の正負が同じ）ものであれば、本発明によるオフセット電圧の低減効果を得ることができる。また、上記実施例においては、アンプ９ａと９ｂの入力側抵抗ＲＩと帰還抵抗ＲＦには、抵抗値が同じものを用いているが、この抵抗値の一方又は双方が相違していても差し支えない。【００７２】
上記実施例においては、アンプ９ｃは一般的な差分増幅回路を構成しているが、その構成を図４のものに限る必要は無く、アンプ１ａと１ｂの出力を正負の両入力端子に入力して、両者の電圧値に重み係数を掛けて、減算する機能を有するものであればよい。本発明において「差分増幅回路」の語は、かかる機能を有する回路の総称である。なお、本発明においてアンプ９ｃの増幅率は、１に近いものであることが好ましい。この増幅率が大きいと、このアンプに起因するオフセットの影響が大きくなって、本発明の目的に適合しないからである。
【実施例１】
【００７３】
第一発明の直流増幅器の実施例として、同じ形式の市販のアンプ（ＬＭ７４１，National Semiconductor社製）を３２個用い、いずれも増幅率１００倍（４０ｄｂ）に設定して、図２に示すような一次結合を形成するとともに、アンプの環境条件を広範囲に変えて、各アンプのオフセット電圧のデータセットをパソコンのメモリーに記録し、本発明に基いて一次結合の重み係数の最適組合せを求めた。【００７４】
環境条件として、負側の電源電圧（−Ｖｃｃ）を−１０，−１１，−１２，−１３，−１４Ｖの５水準に変え、その各水準で正側の電源電圧（＋Ｖｃｃ）も１０，１１，１２，１３，１４Ｖの５水準に変えた計２５水準（環境温度は２５℃一定）で、３２個のアンプのオフセット電圧（入力を０としたときの出力電圧）のデータセット（ｘ１，ｘ２，………，ｘ３２）を得た。【００７５】
また、正負の電源電圧を標準値（±１２Ｖ）とし、環境温度を０，１０，２５，４０，５０℃の５水準に変えて、同様にオフセット電圧を測定し、上記とあわせてセット数ｎ＝３０個のデータセットを取得した。【００７６】
これら３０個のデータセットについて、前記(１)式の関係を満たし、(２)式の総合増幅率ＡＴが最大になり、かつ(３)の総合のノイズ出力電圧の２乗平均値＜ｖｎ０Ｔ２＞が最小になるように、重み係数（Ｃ１，Ｃ２，………，Ｃ３２）の組合せを試行的に定めた結果を表１に示す【００７７】
【表１】
2006093177.tif 000007
【００７８】
この重み係数を用い、各水準におけるオフセット電圧のデータセットから、予想される減算器の出力電圧を計算した結果を、表２のＡ欄に示す。この値は、増幅器の総合の出力オフセット電圧に相当するが、環境条件が大幅に変化した場合でも、ほぼ１ｍＶ以下であることが知れる。この値は測定限界（本測定の分解能は２ｍＶ）以下になっている。なお、前記(２)式で計算される総合増幅率は、約４６０倍（単体アンプの４．６倍）であるから、オフセット電圧の入力換算値は、出力値の１／４６０である。【００７９】
【表２】
2006093177.tif 000008
【００８０】
本発明によるオフセット電圧とドリフトの低減効果を理解するために、以下のように設定して比較してみる。本実施例の増幅器の総合出力オフセット電圧を最も悲観的に見て、±２ｍＶとし、温度０〜５０℃でのドリフト幅を４ｍＶとする。この場合のオフセット電圧の入力換算値は、２ｍＶ／４６０＝４．３μＶで、入力オフセット電圧の温度係数は、４ｍＶ／４６０／５０＝０．１７μＶ／℃と計算される。もとの単体アンプ（ＬＭ７４１）の入力オフセット電圧及びその温度計数は、それぞれ６ｍｖ，１５μＶ／℃であるから、本発明により、入力オフセット電圧で１／１４００倍、その温度係数で１／８８倍の低減効果が得られることになる。【００８１】
市販のＩＣアンプで、オフセット及びドリフト特性のとくに優れたもの、例えばリニアテクノロジー(株)のＬＴ１０９７では、入力オフセット電圧は５０μＶ、その温度係数は１．０μＶ／℃程度であるが、本発明によれば、安価な単体アンプを用いて、オフセットやドリフトをこれよりも１桁小さくできることが知れる。また、もとの単体アンプに、ＬＭ７４１より特性の良いものを用いれば、さらにオフセットやドリフト特性を改善しうることは言うまでもない。【００８２】
なお、本発明の一つの問題点は、多数の単体アンプの並列結合により、アンプ相互間でオフセットやドリフトを相殺することの代償として、総合のノイズが大きくなるおそれがあることである。例えば、総合の入力換算ノイズ＜ｖｎＴ２＞と単体アンプの入力換算ノイズ＜ｖｎ２＞との比＜ｖｎＴ２＞／＜ｖｎ２＞は、前記のＫで与えられるが、本実施例の場合にはＫ＝１．７となり、総合のノイズが単体アンプの１．７倍になることが知れる。【００８３】
本発明の直流増幅器において、係数器２，２ａ，２ｂには、通常は可変抵抗器が用いられるので、係数値設定の精度はあまり高くない。そこで、係数値設定の精度が、オフセットやドリフト特性に如何なる影響を及ぼすかをシミュレーションした結果を以下に説明する。表１に示した重み係数の有効数字を１桁とした場合（２桁目を四捨五入）と、２桁とした場合（３桁目を四捨五入）について、先に示した表２のＡ欄と同様に、環境条件の異なるオフセット電圧のデータセットから、予想される減算器の出力電圧を計算した結果を、表２に併せて示す。この表のＡ欄が、重み係数の全桁有効とした場合、Ｂ欄が１桁有効とした場合、Ｃ欄が２桁有効とした場合である。【００８４】
有効数字１桁のＢ欄の場合、出力オフセット電圧の最大値は５８ｍＶであり、(２)式で計算される総合増幅率は約５５０倍（単体アンプの５．５倍）となる。これらの数値から入力換算のオフセット電圧とその温度係数を計算すると、それぞれ１０６μＶ，０．２４μＶ／℃となる。この値をもとの単体アンプＬＭ７４１と比較すると、入力オフセット電圧で１／５７倍、その温度係数で１／６３倍に改善されている。しかし、特性の優れたＬＴ１０９７と比較すると、入力オフセット電圧は約２倍、温度係数は１／４倍程度にとどまり、やや改善効果が不十分といえる。【００８５】
一方、有効数字２桁のＣ欄の場合、出力オフセット電圧の最大値は９．８ｍＶであり、(２)式で計算される総合増幅率は約４８０倍（単体アンプの４．８倍）となる。これらの数値から入力換算のオフセット電圧とその温度係数を計算すると、それぞれ２０．５μＶ，０．１１μＶ／℃となる。この値をもとの単体アンプＬＭ７４１と比較すると、入力オフセット電圧で１／２９２倍、その温度係数で１／１３６倍に改善されている。ＬＴ１０９７と比較しても、入力オフセット電圧で１／２．４倍、その温度係数で１／９倍になっており、ほぼ満足しうる改善効果が得られる。なお、詳細は省略するが、有効数字を３桁とした場合についても検討したが、有効数字２桁の場合に比してさほど顕著には改善されない。したがって、本発明においては、係数器の重み係数設定の精度は、有効数字２桁程度であれば良いことが知れる。
【実施例２】
【００８６】
第二発明の直流増幅器の実施例として、市販の汎用オペアンプを用いて、本発明によるオフセット電圧の低減効果を検討した。用いたアンプはNational Semiconductor社製のＬＭ７４１ＮＣである。まず、同形式のアンプ３２個について、正負の電源電圧を変えて、オフセット電圧の入力換算値を測定した。測定結果を図７に示す。このアンプの基準電源電圧は＋１２Ｖと−１２Ｖである。図７(ａ)は、正側電源電圧を１２Ｖとし、負側電源電圧を−１４〜−１０Ｖの範囲で変えた場合を示し、図７(ｂ)は、負側電源電圧を−１２Ｖとし、正側電源電圧を１０〜１４Ｖの範囲で変えた場合を示す。【００８７】
図に見られるように、オフセット電圧（入力換算値）の絶対値は、各アンプでまちまちであるが、その変動の勾配は、正負の電源電圧の変動で、それぞれにほぼ一定であることが知れる。【００８８】
そこで、上記の３２個のアンプの中でオフセット電圧の絶対値の大きいもの（オフセットを低減する必要性の高いもの）として、図７の上部にプロットされた２つのアンプ（＃２９と＃２１）を選んだ。図７のデータから、この２つのアンプのオフセット電圧の正負の変動係数並びに基準電源電圧におけるオフセット電圧の値を読取ると下記のようになる。
(Vｉ２９／VＣＣ＋)１２Ｖ＝−5.09×10−６Ｖ／Ｖ
(Vｉ２９／VＣＣ−)−１２Ｖ＝22.2×10−６Ｖ／Ｖ
Ｖｉ２９(12,-12)＝1.34×10−３Ｖ
(Vｉ２１／VＣＣ＋)１２Ｖ＝−5.80×10−６Ｖ／Ｖ
(Vｉ２１／VＣＣ−)−１２Ｖ＝18.1×10−６Ｖ／Ｖ
Ｖｉ２１(12,-12)＝1.14×10−３Ｖ
【００８９】
そこで、＃２１を非反転増幅回路に、＃２９を反転増幅回路に用いて、図４に示した直流増幅回路を構成すれば、前記の(８)式における(ＫＮ／ＫＰ)±の値は下式のようになる。
(ＫＮ／ＫＰ)＋＝(Vｉ２９／VＣＣ＋)／(Vｉ２１／VＣＣ＋)＝5.09／5.80＝0.88
(ＫＮ／ＫＰ)−＝(Vｉ２９／VＣＣ−)／(Vｉ２１／VＣＣ−)＝22.2／18.1＝1.23
(ＫＮ／ＫＰ)の値を上記のように調整した場合の、差動増幅回路のオフセット電圧（入力換算値）ＶｉＴは、先の(９)式にこの(ＫＮ／ＫＰ)の値を代入して計算することができる。【００９０】
図８には、このようにして計算したＶｉＴの値（(ＫＮ／ＫＰ)＝０．８８と１．２３の場合）を示す。なお、図８(ａ)は正側電源電圧を固定し、負側電源電圧を変えた場合、図８(ｂ)は負側電源電圧を固定し、正側電源電圧を変えた場合を示す。図中には、＃２１及び＃２９の単体アンプのオフセット電圧（入力換算値）を併せて示しているが、これと比較してＶｉＴの値が顕著に小さくなっていることが知れる。とくに(ＫＮ／ＫＰ)−＝１．２３にした時の改善効果が大きい。【００９１】
この時には、(VｉＴ／VＣＣ＋)１２Ｖ＝−4.1×10−６Ｖ／Ｖ、(VｉＴ／VＣＣ−)−１２Ｖ＝−12.7×10−９Ｖ／Ｖ、ＶｉＴ(12,-12)＝24×10−６Ｖとなり、この値は＃２９アンプでの値の、それぞれ０．８、０．０００５、０．０１８倍である。この結果から、本発明の方法により、電源電圧の変動に起因するオフセット電圧を、顕著に低減し得ることが分かる。【００９２】
また、本実施例において、前記の(１１)式の関係を満たすようにＫＮ／ＫＰの値を調節した場合の、ＶｉＴの低減効果について検討した結果を以下に示す。図９は、Ｘ＝(ＶｉＴ／ＶＣＣ＋)１２Ｖ又はＹ＝(ＶｉＴ／ＶＣＣ−)−１２ＶとＫＮ／ＫＰの関係を示す図である。図に見られるように、ＸはＫＮ／ＫＰに対し右下がりの直線に、Ｙは右上がりの直線になり、両者はＫＮ／ＫＰ＝１．１４の付近で交差して、(１１)式の関係が満たされる。また、図１０はＶｉＴと(ＫＮ／ＫＰ)の関係を示す図で、ＫＮ／ＫＰ＝１．１４付近でＶｉＴがゼロに近付くことが知れる。【００９３】
ＫＮ／ＫＰ＝１．１４に調節した時には、(VｉＴ／VＣＣ＋)１２Ｖ＝−0.76×10−６Ｖ／Ｖ、(VｉＴ／VＣＣ−)−１２Ｖ＝−0.82×10−６Ｖ／Ｖ、ＶｉＴ(12,-12)＝−24×10−６Ｖとなる。これらは、＃２９アンプでの値の、それぞれ０．０５、０．０３７、０．０１８倍である。したがって、(１１)式の関係を満たすようにＫＮ／ＫＰの値を調節した場合にも、電源電圧の変動に起因するオフセット電圧を顕著に低減し得ることが分かる。【００９４】
本明細書は、２００５年３月４日出願の特願２００５−０６０５６５および２００５年９月１３日出願の特願２００５−２６４９８９に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
【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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【国際調査報告】
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