昇圧電源を内蔵したIC

前からあっても不思議じゃないな、と思いつつも、実際に現物を見たことが無いから存在しないのだろうなと思っていたICがありました。それは、IC内部にスイッチングレギュレータを持つOPアンプです。

そんな折、EDN Japanチャージポンプを活用した単電源オペアンプという記事を見つけたので、ついでに考えたことを書こうと思います。


単電源OPアンプ


OPアンプの同相入力電圧範囲と出力電圧振幅は、ふたつの電源入力端子に加えられる電源電圧に依存します。
これらのパラーメータは、一般的なOPアンプでは、負の電源電圧よりも2~3V高いから正の電源電圧よりも2~3V低いところまでです。
fig.1は、NJM4580の出力電圧振幅の例で、出力できる電圧の範囲は、これら日本のラインの間の領域になります。


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fig.1: NJM4580の電源電圧-出力電圧振幅のグラフ,両電源OPアンプの例


こういった一般的な両電源OPアンプに対して、入出力できる範囲を負の電源電圧ギリギリまで改善したものを単電源OPアンプと呼びます。さらに、正の電源電圧側にも広げたものはレールtoレールOPアンプと呼ばれます。
fig.2は、単電源OPアンプであるLM358の同相入力電圧範囲です。


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fig.2: LM358の電源電圧-同相入力電圧のグラフ,単電源OPアンプの例


しかしながら、単電源OPアンプのGND付近での非線形性とバイアスのエントリにも書いたとおり、如何に単電源OPアンプといえど、完全に負の電源電圧までキレイに増幅ができるわけではないようです。

こういった理由から、単電源で扱えるはずの信号電圧範囲であっても、OPアンプのためだけに負電源を用意することがしばしばあります。

ADM3202


ADM3202は、TTL-RS232Cレベル変換ICです。
簡単に言うと、5Vの信号を±10Vぐらいの信号に変換できるということです。

このICは、正負の電圧を出力できるにもかかわらず、電源電圧は5V単電源です。その秘密は、IC内部に発振回路を持っていて、外付けしたコンデンサとあわせてチャージポンプ方式の昇圧電源と反転電源を構成しているところにあります。

ADM3202はデジタルICですが、NOT回路の代わりにOPアンプを入れておけば、単電源で完全なレールtoレールOPアンプになるはずです。


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fig.3: NOTの代わりにOPアンプを入れるとレールtoレールOPアンプになる?


というものの、実在する現物を見たことが無かったので、アナログ信号を扱うICの内部にスイッチング回路を仕込むのはノイズなどの観点から難しいのだろうなと思っていました。

オートゼロアンプ


一方で、内部にスイッチング回路を持つことによって高い特性を発揮させるアナログICも存在します。昔から存在するものとしては、チョッパアンプやオートゼロアンプと呼ばれるものがあります。


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fig.4: 古典的なオートゼロアンプ


これらのアンプは、スイッチングによってアンプのオフセットやドリフトを小さくすることができます。この方式は、低オフセットとされている高精度OPアンプのOP07などと比較しても、さらに優れたオフセット特性を持っています。

その反面で、周波数特性は極端に悪く、使われるのは熱電対アンプなどの高精度かつ直流とみなしていい周波数の回路のようです。

チャージポンプを活用した単電源オペアンプでは、スイッチングノイズと帯域の関係を以下のように書いています。

また、チャージポンプを用いる場合、スイッチングノイズが問題になる。それについては、チャージポンプのスイッチング周波数をオペアンプの帯域よりも高く設定することで、スイッチングノイズがオペアンプの熱雑音より小さく抑えられるようになっている。


オートゼロアンプでは、扱う周波数帯域が非常に低いことを前提としているため、こういった問題を回避することができるのでしょう。

PSoCのSMP


さて、自分自身の電源電圧を内蔵昇圧回路で生成するOPアンプという観点からすると、PSoCのスイッチモード・ポンプ(SMP)もまた、この定義に当てはまります。

PSoCのSMPのスイッチング周波数は約1.3MHzと、この手のスイッチング電源としては、少々高めです。この周波数設定も、チャージポンプ内蔵OPアンプのノイズ問題と同様の考え方に起因するのでしょう。

逆に、アナログ回路を含まないマイコンで似たようなことを考える場合は、スイッチング周波数を下げることができるかもしれません。参考:PSoC SMP風のDC-DC昇圧をPICでやってみる

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