プリアンプとノイズフィギュア

微弱な信号を計測しようとする際に、センサからの信号が小さいために満足な計測ができないことがあります。そんな時はセンサの信号を増幅器（プリアンプ）を使って大きくしてやれば良いように思えます。

確かに増幅器を使えば信号は大きくなります。しかし同じ割合で雑音も大きくなります。さらに、増幅器には少なからず内部雑音があるので、結果的に増幅器出力の雑音は信号よりも大きな割合で増えてしまいます。

それならば、内部でノイズを発生しない理想増幅器を使えば全くノイズの無い出力が得られるかというと、これもそうもいきません。というのは、センサなどの信号源の中にも必ずノイズがあるからです。

そのノイズとは、センサの熱雑音です。デジタル機器からのパルス雑音や交流電源からのハム雑音など、外部に起因する雑音ではありません。外部雑音は人為的に取り除くことができます。

これに対して、熱雑音の大きさ（パワー）は温度と信号の帯域幅で決まり、センサの出力に現れる雑音電圧はパワーと信号源の内部インピーダンスで決まります。＜図１＞

例えば、信号の帯域幅が10kHzで内部インピーダンスが1ｋオームのセンサは、何もしなくても室温で約400nVもの雑音を発生することがわかります。熱雑音は人為的に取り除くことができません。

＜図1＞熱雑音

＜図2＞入力と出力のS/N

図2は、こうしたセンサと増幅器をつないだ時の様子を表したものです。増幅器の出力は信号と雑音が混ざり合っており、雑音はさらに信号源に起因するものと増幅器に起因するものがあって判別が付きません。

従って、増幅器の出力の雑音だけではその増幅器がどれくらい低雑音なのかという雑音性能を評価することはできません。

図からも分かるように、肝心なのは「入力の信号とノイズの比率」と「出力での信号とノイズの比率」です。もし、両者が等しければ、増幅器は理想的であるといえます。

信号とノイズの比率は”S/N比（えすえぬひ）" と呼ばれ、値が大きい方が雑音の割合が小さいことを意味します。また、入力のS/Nと出力のS/Nの比率をノイズフィギュア[NF]と言い、プリアンプなどの雑音性能評価やシステムの信号検出限界算出などに用いられます。因みに、雑音が付加されない理想増幅器のNFは０dBであり、NF=３dB は信号源のノイズ量と増幅器のノイズ量が同じに見えている状態を意味します。

増幅器を2段、3段と縦続接続する場合は、図３のようにノイズと信号の関係は複雑になります。

結論から言うと、この場合は、できるだけ利得が大きくノイズフィギュアの小さい増幅器を前段に置いた方がS/Nの良い出力が得られます。

＜図3＞ 2段増幅器のS/N

センサの出力インピーダンスがごく小さい場合は、増幅器の出力には増幅器の内部雑音しか現れません。
ちょうど増幅器の入力をショートしたように見えるからです。

従ってこの場合は増幅器の入力をショートした時の雑音の大きさで増幅器の雑音性能を評価することができます。

増幅器の出力に現れる雑音は増幅器の各段間で発生したものの集積ですが、通常は全てが増幅器の入力端で発生したものとみなし、出力に現れた電圧を増幅器の利得で除した「入力換算雑音」で表わします。