「入力バイアス電流」は通常見落としがちなアンプのパラメータの1つですが、アンプ回路の出力精度に大きな影響を与える可能性があります。

一般に、高精度アプリケーションに関して思い浮かぶ主要パラメータは、入力オフセット電圧、オフセットドリフト、CMRRです。アンプ入力が通常高インピーダンスと考えられる場合、入力バイアス電流はこれにどのように影響を与えるのでしょうか。単純な答えは、入力バイアス電流は経路内のあらゆる抵抗両端に本質的に寄生電圧を発生させ、この影響がアンプで増幅されるというものです。この影響は無視できるほど小さい場合もあれば、回路が全く機能しなくなる場合もあります。特に、電流検出やセンサインタフェースなどの高精度アプリケーションを設計するエンジニアは、確実に堅牢な設計ができるよう、入力バイアス電流の影響を認識しておくべきです。

入力バイアス電流の定義

まず、入力バイアス電流について考察してみましょう。理想オペアンプでは入力端子に電流は流れませんが、実際のオペアンプでは流れます。この値は、データシートの入力バイアス電流(IIB)という仕様で数値化されています。入力バイアス電流により入力にオフセット電圧降下が生じ、出力のオフセット誤差の原因となる可能性があります。ほとんどのアプリケーションでは、この誤差は無視できますが、考慮する必要がある場合もあります。

歴史的に、オペアンプはBJT(バイポーラ接合トランジスタ)で作られてきました。LM324などのバイポーラオペアンプでは、入力の差動トランジスタがオンのときに、ベースとエミッタの間に少量の電流が流れます。言い換えると、ベース-エミッタ電流は、トランジスタのバイアスに必要な電流量ということになります。この電流は、通常ナノアンペアまたはマイクロアンペアの範囲です。PNP入力ペアでは、この電流は入力トランジスタから流れ出します。図1に、バイポーラオペアンプの簡略化したPNP入力段を示します。レールトゥレール入力のバイポーラオペアンプの場合には、NPN入力ペアが追加されています。電流はNPN入力段に流れ込みます。

  • 入力バイアス電流

    図1. バイポーラオペアンプの簡略化したPNP入力段

しかし、最近の大抵の新しいアンプには、CMOSトランジスタが使用されています。MOSFETでは、ゲートは伝導チャネルから物理的に絶縁されているため、真の高インピーダンス入力になります。このようなタイプのアンプには、本当の意味での入力バイアス電流は流れません。それでも、入力バイアス電流のパラメータは、これらのアンプのデータシートで引き続き使用されています。では、この場合、入力バイアス電流のパラメータは何を意味するのでしょうか? CMOSアンプのいわゆる入力バイアス電流とは、ほとんどの場合、ESD構造、保護ダイオード、あるいは寄生接合からのリーク電流です。そのため、オン・セミコンダクターの「NCS20071」などのCMOSアンプの入力バイアス電流は、バイポーラアンプよりもはるかに低い値です。CMOSオペアンプでは、入力バイアス電流は、条件によって正方向にも負方向にも流れる可能性があります。図2に、PMOS入力のCMOSオペアンプの簡略化した入力段を示します。

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    図2. CMOSオペアンプの簡略化した入力段

入力ピンは、それぞれ独自の入力バイアス電流を持っているため、IN+とIN-ピンの入力バイアス電流値は異なる可能性があります。データシートでは、IN+を指す場合はIIB+、IN-を指す場合にはIIB-と記載して、入力ピンの1つを流れる電流IIBを規定している場合があります。2つの入力バイアス電流の数学的な差を入力オフセット電流IOSと呼びます。

データシートには、必ずしも入力バイアス電流が流れる方向が規定されているわけではないため、電流はピンに流入する場合もピンから流出する場合もありますが、データシートの限界値には絶対値だけが記載されている場合があります。特に記載のない限り、IIBとIOSは絶対値と考えてください。図3に「NCS20071」での、入力コモンモード電圧の変化に対する入力バイアス電流の変化を示します。

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    図3. レールトゥレール入力オペアンプではないNCS20071に印加したコモンモード電圧に対する入力バイアス電流(IIB)と入力オフセット電流(IOS)の変化

入力バイアス電流の影響

オペアンプ入力に直列に大きな抵抗がある場合、それにIIBが流れオフセットが付加されます。例えば、図4に示す回路図について考えてみましょう。IIB = 10nAの電圧フォロワ回路(ユニティゲインバッファ回路とも呼ぶ)に1MΩの入力抵抗を挿入すると、抵抗の両端に10mVの電圧降下が発生し、10mVの出力誤差が生じます。

  • 入力バイアス電流

    図4. 入力バイアス電流によってユニティゲイン回路に電圧オフセットが発生

IIBによって生じるオフセット電圧を除去するために、回路設計者は、図5に示すようにオペアンプの非反転および反転入力端子両方の入力抵抗を一致させようとすることがあるでしょう。しかし、バイアス電流が一致していない場合、結果として生じる入力オフセット電流(IOS)により入力オフセット電圧が付加されることになります。IOSによって発生するこのオフセット電圧は、出力で誤差の原因となります。非常に小さな入力信号を測定する高精度アプリケーションでは、これが懸念事項となる可能性があります。

  • 入力バイアス電流

    図5. 両入力端子の入力バイアス電流が同一で入力オフセット電流が最小の場合、入力抵抗を一致させることによって入力バイアス電流の影響を軽減できる

電流センスアンプに関する考慮事項

専用の電流センスアンプは考慮すべき特別なケースです。電流センスアンプの多くは、オン・セミコンダクターの「NCS210R」のように、入力電圧を電源電圧より高くできる特別なアーキテクチャを備えています。これは多くのアプリケーションにとってである一方、数十マイクロアンペア単位の高い入力電流を引き込む必要があり、前述の理由から外付け入力抵抗の影響を特に受けやすくなります。

これを図6に図示しており、拡張コモンモード範囲を可能にする「追加回路」により、赤色の文字で記した大きな入力バイアス電流が発生します。大きな外付け抵抗を追加すると、入力バイアス電流によって各抵抗の両端に高い電圧が発生することになります。

  • 入力バイアス電流

    図6. 電流センスアンプのバイアス電流は大きいため、外付け抵抗は最大10Ωまでに抑える必要があります

このアーキテクチャでは、入力バイアス電流は外付け抵抗にのみ影響を与えます。内部抵抗R1とR3にはIIBは流れません。差動アンプの標準的なゲイン計算式では、外付け抵抗と内部抵抗に流れる電流が同一であると仮定しているため、ゲインは意図した値から若干ずれます。そのため、標準的な計算式は、次式で「近似的に等しい」の記号で表しているように、結果として得られるゲインの近似式にしかなりません。

  • G≈R_2/(R_1+R_EXT1)

また、外付け抵抗により、内部ゲイン抵抗の精密な比の一致による高いゲインの精度も損われます。このタイプの電流センスアンプのアーキテクチャでは、抵抗の絶対精度ではなく、内部抵抗の比によってゲインを設定しています。たとえすべての内部抵抗が公称値から+10%ずれていたとしても、比が一致していれば、ゲインはデータシートのゲイン誤差±1%という仕様の範囲内に収まることになります。外付け抵抗は、たとえ高精度であっても、完全な比の一致を狂わせる可能性があります。これは前の段落で説明したように、入力抵抗を追加すると実際に悪影響を及ぼし、抵抗比の不一致とIIBによるゲイン誤差が生じる可能性があることを意味しています。その上、以下の例で説明するように、IOSによってさらにオフセット電圧誤差が発生します。

オン・セミコンダクターのアプリケーションエンジニアは、電流センス回路を意図したとおり動作させるのに苦労している顧客に出会うことがあります。実際の事例の1つでは、エンジニアである顧客は、ハイサイド電流センス回路のNCS210Rの入力に1kΩ抵抗を直列に挿入して電流センスアンプのゲインを設定しようと考えていました。その回路図を図7に示します。その結果、簡潔にするために理想抵抗と標準ゲイン計算式を仮定すると、調整後ゲインは、NCS210の標準ゲインである200V/Vではなく167V/Vでした。

  • 入力バイアス電流

    図7. 入力バイアス電流の差により、入力オフセット電流IOSが発生します。外付け抵抗を追加すると、VINと表示している入力オフセット電圧が計算式に追加され、入力オフセット電圧のみの場合よりも大きな誤差が生じます

外付け抵抗を追加すると、IOSが内部オフセット電圧VOSをも上回る重大な影響を及ぼします。NCS210Rには、データシートに記載されているように、IOS = 0.1μA(標準値)の入力オフセット電流があるため、アンプの入力で1kΩ × ±0.1μA = ±100μV(標準値)の誤差が付加されます。この場合、標準的な入力オフセット電流によって、製品のデータシートに記載されているVOS = ±35μVの最大入力オフセット電圧よりもさらに大きな入力オフセットが発生します。これらの入力オフセット電圧はともに、基本的にゲイン倍されて出力に誤差として付加されます。

この顧客はVOSによる±6mVの出力誤差を予測していたかもしれませんが、IOSによってさらに少なくとも±17mVの出力誤差が付加されるという事実を見落としていました。IOSがデータシートに記載されている標準値よりも大きい場合、この誤差はさらに大きくなります。

この顧客の問題の解決策は、かなり簡単なものでした。NCS210Rの200V/Vという標準ゲインがアプリケーションにとって高すぎる場合、このアンプの100V/Vバージョン(NCS214R)を外付け抵抗をまったく追加しないで使用する必要があります。こうすることによって、IOSによるあらゆる誤差がなくなります。出力の電圧を同一に維持するために、状況に応じてセンス抵抗値を増やす必要がありますが、こうすることによって入力オフセット電圧による全体的な誤差も低減できます。この場合のトレードオフは、センス抵抗値を大きくすると、センス抵抗での損失が多少増加することです。

このアーキテクチャを持つ電流センスアンプを使用するときの留意点は、電流センスアンプに外付け抵抗を追加しない限り、固有のIIBとIOSは有害な影響を及ぼさないということです。

高精度オペアンプに関する考慮事項

集積化電流センスアンプでは容易に得られない特殊なゲイン値を必要とする電流センスアプリケーションの場合、ソリューションの1つがオン・セミコンダクターの「NCS21911」などの高精度オペアンプです。電流センス機能を実行するために、高精度オペアンプを外付けゲインネットワークを備えた差動アンプとして実装することができます。この方法では、必要なゲイン精度とCMRRを確立するために、ゲインネットワーク抵抗を十分に整合させることが課題となります。必要な高精度整合抵抗は高価になる場合があります。しかし、このソリューションを用いると、きわめて特殊なゲインを必要とするアプリケーションにおいて、入力バイアス電流により生じる誤差を低減できる可能性があります。

高精度アンプでは、入力バイアス電流が独自の挙動を示す可能性があることに注意してください。高精度アンプによく使用されるゼロドリフトアーキテクチャは、周期的に入力をサンプリングし、それを補正することによって実現されます。そのため、コンデンサとスイッチでの電荷注入とクロックフィードスルーにより、入力に電流スパイクが発生します。データシートに記載されているIIBは平均化されたDC値ですが、電流スパイクが存在します。この場合、非常に大きな外付け入力抵抗を使用することは推奨できません。必要に応じて、チョッピング周波数より低いカットオフ周波数を持つ単純なRCフィルタを追加すれば、電圧スパイクを最小限に抑えることができます。この挙動のため、ゼロドリフトアンプをトランスインピーダンスアンプとして使用することはできません。

しかし、ゼロドリフトアンプは、これからも電流センスアプリケーション向けの信頼性の高い選択肢となります。

まとめ

大部分のアプリケーションでは通常、入力バイアス電流は重要なパラメータとは考えられていません。それでも特定の状況において性能に重大な影響を及ぼすため、設計を成功させる上で入力バイアス電流の知識が大いに役立ちます。回路設計者は、入力バイアス電流が入力オフセット電圧の増加に及ぼす要因を把握すれば、高精度アプリケーションで最高精度を実現する方法を会得できます。

著者プロフィール

Farhana Sarder
ON Semiconductor
Application Engineer
Linear Power & Amplifier Business Unit, Power Solutions Group