3.3. オペアンプの内部ノイズ

オペアンプはセンサーなどの微小信号を増幅するアンプとして用いられます。ノイズはこれら微小信号に加算され増幅されます。このようなことからセンサーの感度や精度を劣化する因子の一つになります。
オペアンプに関連するノイズには電磁妨害や外付け部品などに起因する外部雑音と内部雑音に分けられます。ここでは内部雑音に関して説明します。

オペアンプのノイズ（内部雑音）は大きく分けて2種類のノイズが入力換算ノイズとして定義されています。

• 周波数依存性のある、1/fノイズ・・・抵抗で発生する熱ノイズや半導体のキャリアの自由運動に伴い発生するショットノイズ
• 周波数依存性のない、白色雑音・・・結晶欠陥などに起因すると言われているフリッカーノイズやバーストノイズ

このノイズのイメージ図を図 3-9に、実際のノイズ測定例を図 3-10に示します。
図-2では当社の汎用オペアンプ TC75S51と低ノイズタイプのオペアンプ TC75S67を比較しています。
汎用タイプの白色雑音ノイズは約30 nV/√Hz、コーナー周波数300 Hzに対して、低ノイズタイプの白色雑音ノイズは約6 nV/√Hz、コーナー周波数100 Hzとノイズ性能が良好なことがわかります。

これらのノイズは入力で発生するノイズ（入力換算雑音電圧）として定義されています。つまり出力ではオペアンプのゲイン倍の入力換算雑音電圧がノイズとして信号に加算されることになります。特に、低周波のノイズは周波数依存性があるので注意が必要です。

微小信号を増幅する場合に、異常発振などの対策で多段アンプを構成する場合があります。多段にした場合、出力ノイズに対する各段の影響を考えます。
例として、図 3-11の3段のカスケードアンプを計算します。
図を見てわかるように信号の出力 (P_Sout3) とノイズの出力 (P_Nout3) は以下のようになります。
図を見るとわかりますが、入力ノイズ (P_Nin) と初段のアンプの入力換算ノイズ (P_N1) が出力のノイズに最も影響します。

出力の信号P_Sout3と出力ノイズP_Nout3は以下の式で表されます。

P_Sout3 = G₁ × G₂ × G₃ × P_Sin
P_Nout3 = G₁ × G₂ × G₃ × (P_Nin+P_N1) + G₂ × G₃ × P_N2 + G₃ × P_N3

従って、ノイズを表す指標であるノイズファクター (F) は下式になります。

2段目のアンプの入力換算ノイズP_N2は初段の利得G₁、3段目のアンプの入力換算ノイズP_N3は初段の利得G₁と2段目の利得G₂で割られ、後段になるほど影響が小さくなることがわかります。
このように影響度の高い初段のアンプには低ノイズのアンプが必要なことがわかります。