計装アンプ

計装アンプ（インアンプまたはInAmpと略されることもある）は、入力バッファアンプを備えた高精度差動アンプです。入力バッファアンプにより入力インピーダンス整合が不要になるため、計測機器や試験装置での使用に特に適しています。その他の特徴としては、非常に低いDCオフセット、低いドリフト、低いノイズ、非常に高い開ループゲイン、非常に高い同相除去比、および非常に高い入力インピーダンスが挙げられます。計装アンプは、回路の短期および長期にわたる高い精度と安定性が求められる用途で使用されます。

計装アンプは通常、標準的な演算アンプ（オペアンプ）と回路図上同一に示されますが、電子計装アンプはほぼ​​常に内部で3つのオペアンプで構成されています。これらは、各入力（+、 −）をバッファリングするオペアンプが1つ、機能に適したインピーダンス整合で目的の出力を生成するオペアンプが1つ配置されるように構成されています。^{[ 1 ] [ 2 ]}

計装アンプは高インピーダンス電圧信号の精密増幅に最適化されていますが、この設計上の選択は柔軟性を犠牲にしています。したがって、計装アンプは積分、微分、整流、またはその他の非電圧利得機能を実行することを目的としておらず、これらの機能はオペアンプに任せるのが最適です。^{[ 3 ]}

最も一般的に使用される計装アンプ回路を図に示す。この回路のゲインは

${\displaystyle A_{v}={\frac {V_{\text{out}}}{V_{2}-V_{1}}}=\left(1+{\frac {2R_{1}}{R_{\text{gain}}}}\right){\frac {R_{3}}{R_{2}}}.}$

一番右のアンプと、ラベルの付いた抵抗器${\displaystyle R_{2}}$そして${\displaystyle R_{3}}$これは、ゲインが${\displaystyle R_{3}/R_{2}}$および差動入力抵抗$2 ⋅ R₂$左側の2つのアンプはバッファです。${\displaystyle R_{\text{gain}}}$取り外す（開放する）と、それらは単純なユニティゲインバッファになります。その状態では回路は動作し、ゲインは単純に${\displaystyle R_{3}/R_{2}}$バッファのため入力インピーダンスが高くなります。バッファの反転入力とグランドの間に抵抗を挿入して負帰還の一部を分流することでバッファゲインを上げることができますが、単一の抵抗では${\displaystyle R_{\text{gain}}}$2 つの反転入力の間には、より洗練された方法があります。これは、バッファペアの差動モードゲインを増加させながら、コモンモードゲインを 1 のままにします。これにより、回路のコモンモード除去比(CMRR) が増加し、バッファが分離されていて同じゲインを持つ場合よりも、クリッピングなしではるかに大きなコモンモード信号を処理できるようになります。この方法のもう 1 つの利点は、ペアではなく単一の抵抗を使用してゲインを増幅するため、抵抗マッチングの問題を回避し、単一の抵抗の値を変更するだけで回路のゲインを簡単に変更できることです。スイッチで選択可能な抵抗のセット、またはポテンショメータを使用することもできます。${\displaystyle R_{\text{gain}}}$これにより、抵抗器のペアを交換するような複雑な操作をすることなく、回路のゲインを簡単に変更できます。

計装アンプの理想的な同相ゲインはゼロである。図示の回路では、抵抗比の不一致によって同相ゲインが生じる。${\displaystyle R_{2}/R_{3}}$また、2 つの入力オペアンプのコモンモードゲインの不一致によっても影響を受けます。これらの回路を製造する上で、非常に近い抵抗値を得ることは大きな困難であり、コモンモード性能を最適化することも同様に困難です。^{[ 4 ]}

計装アンプはコスト削減のために2つのオペアンプで構成することもできますが、ゲインは2（+6  dB）より高くなければなりません。^{[ 5 ] [ 6 ]}

計装アンプは、個々のオペアンプと高精度抵抗器を組み合わせて構成することもできますが、複数のメーカー（テキサス・インスツルメンツ、アナログ・デバイセズ、ルネサスエレクトロニクスなど）から集積回路（IC）としても提供されています。IC計装アンプは通常、レーザートリミングされた高精度な抵抗器を内蔵しているため、優れた同相除去比を実現しています。代表的なICとしては、INA128、AD8221、LT1167、MAX4194などが挙げられます。

計装アンプは、「間接電流帰還アーキテクチャ」を使用して設計することもできます。これにより、これらのアンプの動作範囲が負の電源レール、場合によっては正の電源レールまで拡張されます。これは、負の電源レールが単に回路のグランド (GND) である単一電源システムで特に役立ちます。このアーキテクチャを採用している部品の例としては、MAX4208/MAX4209およびAD8129/AD8130 があります。 (2014 年 11 月 11 日にWayback Machineにアーカイブされました)

フィードバックフリー計装アンプは、外部フィードバックネットワークを使用せずに設計された高入力インピーダンス差動アンプです。これにより、アンプの数を削減（3個ではなく1個）、ノイズを低減（フィードバック抵抗による熱雑音が発生しない）、帯域幅を拡大（周波数補償が不要）することができます。LTC2053などのチョッパ安定化（またはゼロドリフト）計装アンプは、スイッチング入力フロントエンドを使用してDCオフセット誤差とドリフトを排除します。

• アイソレーションアンプ
• オペアンプの応用

• 計測アンプのインタラクティブ解析（ 2019年1月12日、 Wayback Machineにアーカイブ済み）
• オペアンプ計装アンプ（ 2011年3月2日、 Wayback Machineにアーカイブ済み）
• 電気回路入門 ― 第3巻 ― 計装アンプ
• コモンモード増幅器と計装増幅器の実践的レビュー（ 2011年5月16日、 Wayback Machineにアーカイブ済み）
• 計測アンプのソリューション、回路、およびアプリケーション
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