WPIの低ノイズアンプは安価な模倣品を凌駕します

アンプとは、簡単に言えば入力信号を増幅する電子機器です。しかし、ノイズや帯域幅の制限に対する設計方法が、最終的な出力信号の品質と持続性に大きく影響します。

用語の定義

アンプについて正確に話すために、いくつかの用語を定義しましょう。

• 利得 – 利得は入力信号の振幅がどれだけ増幅されるかを示す乗数です。X1の利得は増幅なしを意味し、X10の利得は入力信号の10倍の出力信号を生成します。
• 雑音 – 不要な信号の変動はすべて雑音と呼ばれます。雑音は外部からのものもありますが、ここでは主に電子機器であるアンプの内部動作から生じる雑音に注目します。この固有の雑音はショットノイズ（またはショットノイズ）と呼ばれます。
• 信号対雑音比（SNR） – 出力信号とアンプの雑音の比率を信号対雑音比と呼びます。アンプ内のショットノイズ信号が出力信号に比べて小さいほど、目的の信号を識別しやすくなります。アンプ設計では、最初の段の利得を上げて出力信号を大きくするか、高品質な部品を使ってショットノイズレベルを最小化することでSNRを改善できます。
• 出力範囲 – 出力範囲はアンプで生成可能な最大出力信号を決定します。これは電源の最大電圧によって決まります。出力信号の振幅が出力範囲を超えると、信号の一部が切り取られ（クリッピング）ます。
• レール – アンプの範囲の上限または下限をレールと呼びます。レールを超える信号は忠実に再現できません。
• 直流オフセット – 生体試料では直流オフセットが現れることがあります。このオフセットは出力信号がゼロ基準点からどれだけずれているかを示し、通常は電極の先端の電位差によるものです。

アンプはどのように動作するのか？

電源レールが範囲を制限する

理想的な世界では、入力信号は利得係数によって無限に増幅され、出力信号が決まります。例えば：

しかし実際には、電源のレールがアンプの出力可能範囲を制限します。例えば、生体アンプは±5.0Vの範囲を持つことがあります。出力信号を忠実に再現するためには、入力信号に利得を掛けた値が電源レールで設定された電圧範囲内に収まる必要があります。そうでなければ、出力信号はスケールオーバーし、入力信号は忠実に再現されません。これを「レールに当たる」と呼びます。 

この例では、1.0μVの入力信号に対してX10の利得⁶ 利得が1.0Vの出力信号を生成するとします。電源は最大+5.0Vまで対応しているため、この出力信号は明確に見えます。この例で入力信号が5.0μVを超えると、出力信号は+5.0Vを超えます。5.0Vは電源が供給可能な最大範囲のため、出力信号は上限に達して切り捨てられます。このアンプは5.0μV以上の入力信号に対してすべて+5.0Vの直流出力信号を出します。この場合、出力信号をアンプのダイナミックレンジ内に戻すために、より小さい利得を使用すべきです。

ノイズはアンプの使用性を制限する

すべての電子機器は内部的に電子ノイズを発生させます。これは避けられない信号で、出力信号を覆い隠すことがあります。例えば、入力信号が2mVでノイズが1mVの場合、信号対雑音比は2対1（2:1）となり、出力信号は検出不可能になります。この場合、出力のどの部分がノイズによるものか、どの部分が目的の信号かを識別することはほぼ不可能です。（図1）

図1–信号対雑音比が高いほど、目的の信号がより識別しやすくなります。

理想的には、信号対雑音比は少なくとも50対1でなければ、良質な出力信号を得ることはできません。良好な信号対雑音比は次の2つの方法のいずれかで達成できます：

• 利得を上げて出力信号を増幅する。
• ノイズを減らす。

利得を上げることが最も簡単な解決策ですが、利得が大きすぎるとアンプのダイナミックレンジに制限がかかることがあります。ノイズを減らすことはより複雑な解決策ですが、最終的にはより広いレンジと安定性を提供します。

2段階アンプ

生体アンプは通常、複数段階の増幅を含みます。

1. 第一段階 – アンプに入る元の信号はアンプの固有ノイズの影響を受けません。その後、重要な第一段階の増幅を通り、信号は一次ゲインで増幅され、望ましい信号対雑音比の出力信号が生成されます。固有ノイズは第一段階で増幅されません。第一段階で高いゲインを使うと、出力段で利用可能な動的範囲が大幅に制限される可能性があります。大きな第一段階ゲインは第二段階の増幅で使えるゲインも制限します。
2. 第二段階 – 第一段階の出力信号は第二段階の増幅に入り、第一段階の信号とノイズの両方が第二段階のゲインで一緒に増幅され、チャートレコーダーやデータ取得システムで見えるほど大きな信号になります。第二段階の増幅はユーザーが制御するゲインであり、信号対雑音比は変わりません。

増幅の第一段階で高いゲインを使う代わりに、WPIのDAMシリーズアンプのような高品質部品を使ったよく設計された生体アンプは、第一段階の増幅でノイズを最小限に抑え、増幅プロセス全体で動的範囲を維持します。設計の悪いアンプは、単に第一段階のゲインを上げて、望ましい信号対雑音比に達するまで増幅します。

なぜ電源レールを上げないのか？

理論的には、アンプに電力を供給する電圧レールを上げることで、利用可能な動的出力範囲が広がります。より大きな一次段のゲインを得るために、アンプに入る電源レールを上げるのは自然な考えのように思えます。しかし、多くのデータ取得システムは最大入力信号が±10.0Vの範囲に制限されています。したがって、生体アンプの電源レールを±10.0V以上に上げることは実用的ではありません。業界標準が±10.0Vの電源レールに制限しているため、信号対雑音比を改善する唯一の方法は、増幅の第一段階でのショットノイズを最小限に抑えることです。これが高品質なアンプ部品が不可欠である理由です。

なぜ信号が平坦化するのですか？

使用するアンプに関係なく、生物学的電位は電極が時間とともに分極するため、しばしば直流オフセットを伴います。直流オフセットは時間の経過とともに自然に増加します。初段ゲインが大きい構造の悪いアンプはダイナミックレンジが制限されているため、このオフセットを処理する能力が限られています。オフセットが増加し続けると、出力信号は最終的にオフセットによってレールに押し込まれ、信号が平坦化（クリッピング）されることがあります。（図2参照）

 図2–オフセットは時間の経過とともに自然に増加しますが、構造の悪いアンプは信号を忠実に再現できません。このオフセットは、温度上昇に伴うゲインドリフトの結果であることもあります。

最初の段階の増幅でノイズを最小限に抑えるアンプは、より大きなダイナミック出力範囲を提供し、はるかに大きなオフセット値を処理できます。

WPIのアンプ

低ノイズアンプの購入は最終的に大きなメリットをもたらします。WPIのアンプは生物医学研究者のために設計されています。バイオアンプで20〜30μVのノイズが一般的ですが、WPIのDAMシリーズアンプは0.1〜100Hzで0.4μV RMS（実効値）を生成します。（これは約2μVピークツーピークに相当します。）下のチャートはWPIのバイオアンプを比較しています。

* 1-8台のISODAM8AまたはBRIDGE8ユニットは、単一のISDB内で別々のチャンネルとして組み合わせることができます。

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