連 載第１６回 増幅器の総合雑音特性「ノイズ・フィギュア」

遠坂 俊昭
Toshiaki Enzaka

低雑音のトランジスタや FET のデータシートには，必ず「ノイズ・フィギュア」という特性パラメータがりも出力の S/N は必ず悪化します．

記載されています．誤解されやすいのですが，増幅素● 信号源抵抗は S/N に大きな影響を与える子の雑音特性を総合的に表す重要なパラメータです．
今回はその意味するところを説明します．少しくどい

ノイズ・フィギュアの基準になるのが信号源抵抗です．

説明になりますがご了承ください．

信号源抵抗からは熱雑音が発生し，抵抗値が大きいほど大きな雑音が発生します．少し乱暴な言いかたを

S/N とはすると，信号源抵抗が大きいと入力信号の S/N がもともと悪く，基準になる信号に含まれる雑音が多いの● 現実の増幅器は必ず S/N を悪化させるですから，少々増幅器の内部雑音が加わっても S/N

センサなどから信号が発生する場合，同時にセンサの信号源抵抗から熱雑音も発生しています．

はあまり悪化しません．
しかし，OP アンプの入力雑音電流は，S/N に大き信号には必ず雑音が含まれ，信号対雑音の比が決定しています．例えば，信号源抵抗が 1 kΩのセンサかな影響を与えます．なぜなら，信号源抵抗に入力雑音電流が流れて雑音電圧に変換されるからです．また信ら 1 mVRMS の信号が発生したとします．1 kΩの抵抗

号源抵抗が大きいと，増幅器の入力インピーダンスにからは約 4 nV/√￣
Hz の熱雑音が発生しますから，その比，つまり S/N は 1 Hz 帯域幅のとき，よって，信号成分が分圧されて小さくなり，S/N を悪化させます．

1 mV ： 4 nV ＝ 250000 ： 1になります．10 kHz 帯域幅の場合は，雑音電圧がこのように信号源抵抗は S/N に大きく関わり，増幅器の入力インピーダンス，入力雑音電流の多寡によ√10000￣￣￣倍になるので，って，その悪化度合いが異なります．

1 mV ： 400 nV ＝ 2500 ： 1になります．

● S/N を悪化させる三つの要因

雑音は信号を不確かなものにするので，この S/Nの値が大きいほど正確で純度の良い信号になります．

雑音が発生しない理想的な増幅器は，信号源の信号電圧と雑音電圧の両者を同じ倍率で増幅するので，入センサから出力された信号の S/N は，どんなにす力の S/N と出力の S/N は等しくなります．

ばらしい増幅器をもってきても，それ以上改善されることはありません．

現実には，増幅器内部で雑音が発生します．その等価回路を図 16 − 1 に示します．

例えば，100 倍の増幅器は，信号源で発生した信号を 100 倍に増幅します．このとき，信号源で発生した前回（連載第 15 回，2006 年 5 月号）説明したように，増幅器内部で発生する雑音は入力換算雑音電圧 v n と雑音も 100 倍に増幅され，これに増幅器内で発生した雑音が加わります．したがって，増幅器出力には 100

入力雑音電流 in で表せます．また増幅器には，大小はあれ必ず入力抵抗 Rin と入力容量 Cin があります．

倍の信号と，入力雑音の 100 倍の値以上の雑音が現れ

図 16 − 1 に，ノイズ・フィギュアの求めかたを示します．このように実際の増幅器では，入力の S/N よます．後段に接続した理想増幅器のゲインは A，入出Keywords
ノイズ・フィギュア，S/N，NF，ノイズ・ゲイン，入力浮遊容量，入力換算雑音電圧，入力雑音電流2242006 年 6 月号

力の S/N は変化しないと仮定します．電圧で S/N を考えると，その悪化要因は次のようになります．

信号源>入力換算雑音が加わり雑音が増加する>入力雑音電流が R S と R in， C in に流れて雑音電RS

理想増幅器

vN

圧に変換されて加わる>信号電圧が R S と R in， C in で分圧されて小さくなり増幅器の雑音が加わる

vS

RiniN

Cin

● 信号源の抵抗値や増幅器の雑音性能と S/NvS ：信号源の出力電圧
RS ：信号源抵抗
Rin ：入力抵抗
Cin ：入力容量vN ：入力換算雑音電圧
i N ：入力雑音電流

同じ増幅器でも，信号源のインピーダンスが異なれば，S/N の悪化度合いも異なります．
つまり，どんな増幅器でも信号源インピーダンスが入力部のＳ /Ｎ

S /Nin ＝ v

ただし，S /Nin：信号源の入力信号のＳ /Ｎ ，vS ：信号源の出力電圧，vN（RS）：信号源抵抗の熱雑音電圧大きいほど S/N は悪化します．そして，入力雑音電流が多く，入力インピーダンスが低い増幅器ほど，信出力部のＳ /Ｎ

号源インピーダンスが大きくなったときの S/N の悪

S /Nout ＝化が大きくなります．

ノイズ・フィギュアとはvS

N（RS）

vS Tf
2vN（RSRin）2 ＋vN 2 ＋（ i N RZin ）ただし，S /Nout ：出力部のＳ /Ｎ ，Tf ：信号源に対する入力伝達関数(後出)，RZin ：理想増幅器から見た入力部イン
ピーダンス，vN（RSRin）：RS //Rin の熱雑音電圧，vN ：入力換算雑音電圧， i N ：入力雑音電流

ノイズ・フィギュア

● ノイズ・フィギュアの定義
ノイズ・フィギュアとは，信号源に増幅器を接続し，信号源の S/N が増幅器の出力でどれだけ悪化したかを示すパラメータです．
ノイズ・フィギュア NF ［dB］は次式で求まります．
S/Nout………………………
（16 − 1）
NF ＝ 20 log
S/Nin
ただし，S/Nout ：増幅器の出力信号の S/N［倍］

S/Nin ：増幅器の入力信号の S/N［倍］
S/N を電力で表す場合は，式（16 − 1）の 20 log を10 log に変えます．具体的には図 16 − 1 に示した式から求まります．

NF ＝20 log

ただし，NF ：ノイズ・フィギュア［dB］

RS の熱雑音vN（RS）＝ 4 kT RS
RS //Rin の熱雑音vN（RSRin）＝ 4 kT

増幅器の入力換算雑音電圧は変わらなくても，信号源抵抗が小さくなれば信号源で発生する熱雑音が減り，

RS RinRS ＋Rin

信号源に対する入力伝達関数

Tf ＝Rin
RS ＋Rin11＋ 2πf Cin

RS Rin 2
RS ＋Rin増幅器から見た入力部インピーダンス（ RZin ）の実数部

R（＝e RZin ）● 信号源抵抗を小さくするとノイズ・フィギュアは悪くなるが出力雑音は減る

2vN（RSRin）2 ＋vN 2 ＋（ i N RZin ）vN（RS）Tf

RS RinRS ＋Rin
RS Rin 21＋ 2πf Cin
RS ＋Rin

図 16 − 1 ノイズ・フィギュアの求めかた基準になる雑音が小さくなるので，相対的にノイズ・● ノイズ・フィギュアとは入力の S/N と出力の S/Nフィギュアは悪化します．信号源抵抗が小さくなると，ノイズ・フィギュアは悪化しますが，出力の雑音電圧の比
例えば，インピーダンスが 1 kΩで，1 kHz，1 mVは小さくなります．
いくら増幅器の入力換算雑音電圧が小さくても，入を出力する信号源に，1 kΩ，1 kHz でのノイズ・フィギュアが 6 dB，ゲイン 100 倍が得られる増幅器を接続

力雑音電流が大きかったり，入力インピーダンスが低かったりすると，信号源インピーダンスが高いときのすると，S/N は 6 dB（2 倍）悪くなります．したがって入力では，ノイズ・フィギュアの悪化度合いは大きくなります．

Hz
1 mVRMS ： 4 nV/√￣

インピーダンスがわかっている信号源に増幅器を接続する場合，増幅器の出力の S/N を最良にするためという S/N が，出力では100 mVRMS ： 800 nV/√￣
Hzには，そのインピーダンスにおいてノイズ・フィギュアが一番小さくなる増幅器を選びます．となります．
逆に言えば，ノイズ・フィギュア 6 dB の増幅器を使用しているとき，どんなに理想的な超低雑音増幅器

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