小さい電流を増幅する時の入力インピーダンス

質問

フォトマルで弱光を検出して発生した電流をOPアンプで増幅しようとしています。もしくはフォトダイオードで部屋の蛍光灯程度の弱い光の強度を測る装置も作りたいです。

このとき、信号電流が非常に小さいため入力インピーダンスを高くしたほうがいいと言われたのですが理由がよくわかりません。

今の実験の場合、時間分解能は必要ないのでインピーダンス整合をする必要がないことはいいのですが、信号電流が小さい時に、入力インピーダンスを50Ωとか小さくしてしまうと、どういった問題が生じるのでしょうか？

お願いします。

回答No.9

sst7485 · ベストアンサー

４回目の回答になってしまいました・・・。
乗りかかった船なので、できるだけ協力しますが、あまり質問が多くなるようでしたら、新たな質問を立てたほうがいいと思います。
そのほうが多くの回答を得られるのでは。

>10kの大小で信号源に影響するっていうのがよくわかりません。

今回の信号源なら影響はないでしょう。
信号源の種類によっては影響する場合もある、と回答したつもりですが。
ただし１段目のアンプの入力インピーダンスは２０ＫΩです。
１０ＫΩ２本直列でＧＮＤに接続されているのですから。
ＯＰアンプ自体の入力インピーダンスは１０＾１２Ωですから無視できます。
１０ＫΩを２本直列にして、その間からＯＰアンプに入力するというのが気になった点の一つです。
電圧を半分に分圧して入力することに意味があるのか？
その後で大きく増幅しているのに。

>実験で使えているのですが、ノイズが乗る日がたまにあって困る時があります。

２段目のアンプのゲインを高くしたらノイズが乗る、ということはありませんか？
ノイズが乗る時と乗らない時で、条件に差はないですか？
ノイズの周期（周波数）は？
条件次第で対応策は変わってきます。
ただ、かなり速い応答速度が必要だとすると、対策は難しいですね。

>「気になる点」を教えていただきたいです。

気になる点としては、
１．前回回答した２段目のアンプ。
２．上記の１段目のアンプ入力。
３．３段目のアンプの「Ｃ－ｇａｉｎ」の意味。
今回はこのくらいにしておきます。
それ以上のことは技術者個人の経験・ポリシー・癖などや、会社独自の基準などで変わってきたりしますし。

>禁じ手とは、ノイズが乗りやすくなるってことですか？

ノイズもありますし、精度が下がる、発振しやすくなる、といった弊害があります。

お礼

非常に参考になる意見をありがとうございました。

ノイズ対策については、調べて新たに質問を立てたほうが良さそうですね。

１段目の抵抗は、私も疑問に思っていました。

C-gainはコンデンサーの値を変えて周波数特性を変えています。遅い変化を測定するときは高周波のノイズをカットできるように、高いCの値にするといった感じです。

色々とありがとうございました。非常に勉強になりました。

一応、コメントなどがあるかもしれないので数日、締めないでおきます。

回答No.10

astra0641

私の勉強不足のため、DC、ACカップリングの意味がよくわかりません。
>検索して調べてみたところ、ACカップリングは直流成分を取り除いてくれる、時間分解能を早くできる。と非常に興味深いことが書いてありました。もっと知りたい内容です。参考URLなどを教えていただくと助かります。

とりあえず、DCカップリングは入力信号をそのまま増幅するのに対して、ACカップリングは信号線に直列に適当なコンデンサが挟まっていると思って下さい。直列にコンデンサが入っていると、ハイパスフィルターになるので、ある程度以上の周波数の信号は通しますが、DC成分は遮断します。
このあたりの話、多分Webより本で拾った方がよいかなと思います。例えば電気に弱い人にもわかるオシロスコープ入門―2現象オシロスコープの簡単操作ガイドブック 田中 新治 (単行本（ソフトカバー）などの本があります。多分、お使いのは、メモリー付きの機種でしょうが、古いアナログオシロの本でもカップリングを含めて得るところは大きいと思います。新しく発展する知識はネットもいいですが、確立した話は、やはり本に一日の長がありますよね。

>オシロの入力を50Ωにすると、暗い時に5Vに合わせられなくなってしまいます。がんばって2V程度。これでも、おそらく測定できるかもしれません。今度試してみます。
>オシロの入力インピーダンスを1Mにすると、どんな問題が生じてしまうのですか？時間分解能が落ちてしまう？

もし、IVの出力インピーダンスが十分にあれば、オシロの入力を50にしても出力レベルは変化しないはずなので、IVの出力インピーダンスが負けているような気がします。
IMにする問題ですが、オシロの測定周波数の高周波側の値が50と1Mで異なり、1Mの方が低くなっているかと思います。これは、（私のいい加減な理解だと）RC回路の時定数が絡む問題です。
例えばBNCケーブルも同軸なのでコンデンサとしての容量があります。そこにものすごく大きな抵抗を通して電流を注入しても、直ぐには、電源電圧になりません。ケーブルのコンデンサへのチャージに使われるからです。というわけで、今の場合の時定数は測定ケーブルを含めたコンデンサ容量と、回路の抵抗で定まっていて、RC程度になります。通常、BNCは１ｍで100pファラッド程度の容量なので、たとえば、１Mの入力インピーダンスに対しては時定数は100マイクロ秒程度になると思います。もっと早い物まで取りたかったら、通常はケーブル長さはあんまり変えられないので、入力インピーダンスを下げる必要が生じます。

>確かに野蛮ですね。1%の変化ということは50ｍVの変化ということですね。それくらい変化する測定もあるので、その時に試してみます。

えっと、フォトマルの平均最大陽極電流（それ以上流すと劣化する限界）は物によりますが、たとえば、0.1mAとします。で、オシロの最大感度が5mV/Divぐらいとすると、1%の変化率なら500mVのDC出力があれば、まあ、見えるだろうと思います。0.1mAのDC成分で500mV出すためには、フォトマルの最終段に５Kオームの抵抗をつけておけばOKで、これなら１ｍのBNCでオシロにつないでも、それなりの時定数にはなります。（ただ、この手の測定は信号の反射とかいろいろあって、これで確実に取れるかといわれると、まあ、やって様子をみるかな程度の答になりますが）。ので、こんな感じで測定してしまうのも、場合によってはありかなと思った次第です。

お礼

再回答ありがとうございます。

>通常、BNCは１ｍで100pファラッド程度の容量なので、たとえば、１Mの入力インピーダンスに対しては時定数は100マイクロ秒程度になると思います。もっと早い物まで取りたかったら、通常はケーブル長さはあんまり変えられないので、入力インピーダンスを下げる必要が生じます。

非常に参考になりました。こういうことも、ちゃんと考えないといけないのですね・・・。良い測定ができるためにもっと勉強が必要みたいですね。
また質問させていただく機会があると思いますが、そのときはよろしくお願いします。

素人質問に付き合ってくださり、ありがとうございました。

コメントなどがあるかもしれないので数日締めずに置いておきます。

回答No.8

astra0641

最初の質問というより回答５へのお礼の中に実験に対するコメントです。10nmパルスに対する応答を見るのに、DCカップリングだと変化分が小さいので、オフセットを懸けて０位置にして変化を見ているわけですね。個人的には…　フォトマルのDC出力は別途確認した上で、ACカップリングで拾っちゃう方が感度も取れるし楽かなと思います。あと、アンプを通しているなら、オシロの入力は５０オームで良いかなと思います。
それにしても最終的には10MHz超の応答になりそうだから、オペアンプを自作するよりも（それなりに高いけれど）市販の高速アンプの入手を考えた方が、本業がらみだったら良いのかなという気もします。
それから、野蛮な手法ですけれどフォトマルを適当な抵抗で受けて、そのままオシロで電圧を見るという技もあります（抵抗でＩＶする）。時定数の問題は絡んでくるけれども、変化が1%あれば、なんとか見られるかなという気はします。ただし、フォトマルの最大陽極電流の定格を越えてないかは気をつけて下さいね。

お礼

回答ありがとうございます

私の勉強不足のため、DC、ACカップリングの意味がよくわかりません。
検索して調べてみたところ、ACカップリングは直流成分を取り除いてくれる、時間分解能を早くできる。と非常に興味深いことが書いてありました。もっと知りたい内容です。参考URLなどを教えていただくと助かります。
もしくは、教えていただけると助かります。

>オシロの入力は５０オームで良いかなと思います

オシロの入力を50Ωにすると、暗い時に5Vに合わせられなくなってしまいます。がんばって2V程度。これでも、おそらく測定できるかもしれません。今度試してみます。
オシロの入力インピーダンスを1Mにすると、どんな問題が生じてしまうのですか？時間分解能が落ちてしまう？

>それから、野蛮な手法ですけれどフォトマルを適当な抵抗で受けて、そのままオシロで電圧を見るという技もあります（抵抗でＩＶする）。時定数の問題は絡んでくるけれども、変化が1%あれば、なんとか見られるかなという気はします。ただし、フォトマルの最大陽極電流の定格を越えてないかは気をつけて下さいね。

確かに野蛮ですね。1%の変化ということは50ｍVの変化ということですね。それくらい変化する測定もあるので、その時に試してみます。
時定数の問題が絡んでくるというのはどういうことなのですか？

すみません、よろしくお願いします。

回答No.7

sst7485

>２．低インピーダンスの回路は信号源の負荷となり、信号の精度そのものが下がる。
っていうのが知りたいのですが・・・

信号源（センサー類）の内部回路にもよりますので、一概には言えないのですが。
一言で言えば、回路のバランスが崩れるからです。
例えば、信号源がブリッジ回路で構成されていて、その一角を出力としているような場合は非常に敏感で、高インピーダンスで受けないと使い物になりません。
場合によっては、回路にダメージを与えます。
こういうことはＯＰアンプではなく、「センサー」について勉強したほうがいいでしょう。
まず使用するセンサーの仕様・出力特性を把握して下さい。
それから、そのセンサーの内部がどのような回路で構成されているか、どのくらいのインピーダンスを持っているか、等々。

>どのくらいのゲインが必要か？っていうのは・・・

回路図を拝見しました。
１段目のアンプのゲインが約１．５倍。
２段目が約２０倍。３段目が約５倍。
トータルで約１５０倍。
いくつか気になる点はありますが、問題なく使えているのなら「実験用」としてならいいでしょう。
でも製品設計でこの回路を作ったら、却下されます。
一番問題なのは、２段目のアンプです。
フィードバック回路に１００ＫΩのボリウムを入れて、ゲインを０・２倍～２０倍まで可変する。
こういう方法は製品設計では「禁じ手」です。

お礼

またまた回答していただきありがとうございます。助かります。

>まず使用するセンサーの仕様・出力特性を把握して下さい。

http://jp.hamamatsu.com/resources/products/etd/pdf/R928_R955_TPMS1001E07.pdf

を使っています。素人目で読んだんですが、出力はアノードから直接とっているから抵抗なしってことになるのですか？そのあと、BNC(50Ω)でアンプに入れています。アンプの入力インピーダンスは10kΩ。アノードから電流iが流れてくるとして、(50+10k)*iの電圧が、1段目のOPアンプに入力される。こう考えると、10kの大小で信号源に影響するっていうのがよくわかりません。考え方が間違えだらけですかね・・・？

>いくつか気になる点はありますが、問題なく使えているのなら「実験用」としてならいいでしょう。

実験で使えているのですが、ノイズが乗る日がたまにあって困る時があります。
できました、「気になる点」を教えていただきたいです。よろしくお願いします。

>フィードバック回路に１００ＫΩのボリウムを入れて、ゲインを０・２倍～２０倍まで可変する。
こういう方法は製品設計では「禁じ手」です。

禁じ手とは、ノイズが乗りやすくなるってことですか？

すみません、よろしくお願いします。

回答No.6

sst7485

少し話しが本題とズレてしまったかも知れません。
最初の質問に戻ります。

＞このとき、信号電流が非常に小さいため入力インピーダンスを高くしたほうがいいと言われたのですが理由がよくわかりません。
今の実験の場合、時間分解能は必要ないのでインピーダンス整合をする必要がないことはいいのですが、信号電流が小さい時に、入力インピーダンスを50Ωとか小さくしてしまうと、どういった問題が生じるのでしょうか？

一般論として、小さな信号電流を低インピーダンスの回路で受けると、
１．信号が小さくなり、アンプのゲイン（増幅率）を高くしなければならなくなる。
ゲインを高くすると、ノイズ等も同様に増幅されてしまい、精度が下がる。
２．低インピーダンスの回路は信号源の負荷となり、信号の精度そのものが下がる。
簡単に説明すると、こういうことです。
これらのことを具体的に細かく説明すると、バイアス電流云々というような話になります。
とりあえずは「高入力インピーダンスのアンプを使わなければならない」ということで、実験を進められたほうがいいように思います。
（細かい理由の追求は後回し）

＞フォトマルに光が入っていない状態で5Vにする。
測定したい試料に定常光を照射し、透過光がフォトマルに入った状態を0Vにセットします。
この状態で試料に励起光(10nsのパルス)を照射したときにフォトマルに入っていくる光強度の時間変化を測定しいます。
この条件でのデータ変化の大きさは数10mVです。大きさも比較したいのである程度の精度は必要になりそうです。

ここで言う「データ変化の大きさは数10mV」と言うのは、ＯＰアンプの出力ですよね。
だとしたら、フルスケール５Ｖに対して、数10mVの変化を捉えたいということですね。
貴方の使用するフォトマルの出力特性が分からないので具体的なことは言えないのですが、最も重要なのは「どのくらいのゲインが必要なのか？」ということです。
１０倍程度のゲインなら、単なる非反転アンプでも、そこそこの精度は出せるでしょう。
それ以上のゲインが必要なら、低ノイズ・低バイアス・高精度のＯＰアンプを選択するのは当然ですが、２個以上のＯＰアンプを組み合わせたり、精密抵抗を使用したり、といったことをしないと、精度が大きく低下します。
ＯＰアンプ２個を使った差動アンプとか、ＯＰアンプ３個＋精密抵抗の計測アンプ回路といったものもあります。
数百倍以上のゲインが必要な場合は、１段のアンプでやるより、２～３段に分けたほうがいいでしょう。

最後に、ＯＰアンプは非常に便利ですが、他の方法もあります。
以前、ゲイン１０００倍超のアンプを作ろうとした時に、計測アンプではどうしても精度が出せず「カレントミラー回路」を使いました。

お礼

再度回答ありがとうございます。

＞とりあえずは「高入力インピーダンスのアンプを使わなければならない」ということで、実験を進められたほうがいいように思います。

実際、今までそのように実験を進めてきました。そこまで支障はありませんが、やはり理解した上で装置を扱いたいと思い現在勉強しています。

>２．低インピーダンスの回路は信号源の負荷となり、信号の精度そのものが下がる。

っていうのが知りたいのですが、これも難しい話になってしまうのなら…。キーワードだけでもいいので教えてほしいです。どのようにアプローチしていけばいいのかがわかりません。現在、基本的な本（はじめて学ぶ電子回路　(著)谷本正幸 / 絵解きでわかるオペアンプ　/ オペアンプ回路の設計　(著)岡村・・)を読んでいるのですが、量が多すぎて、一から読むのは時間がかかりすぎるので必要な部分をピックアップして読んでいきたいのですが・・・。もしかしたら、最初から読むことが一番の近道なのかもしれませんが・・・。最近、トラ技の4月号も買いました。

＞ここで言う「データ変化の大きさは数10mV」と言うのは、ＯＰアンプの出力ですよね。

そういうことです。

>貴方の使用するフォトマルの出力特性が分からないので具体的なことは言えないのですが、最も重要なのは「どのくらいのゲインが必要なのか？」ということです。

私が使っているアンプの回路図を以下のURLでダウンロードできるようにしました。パスワードは「macus」です。ダウンロード回数が制限されているのでもしかしたらダウンロードできないかも知れません。可変抵抗は精密なやつを使っています。

http://www.upken.jp/up2/download.php?id=00006b29aTiPu0CCSjPNcobp

どのくらいのゲインが必要か？っていうのは、よくわからにのですが、変化量が測定できれば(波長依存性が見れれば)、問題ないっていう説明ではだめですか？
どれくらいのゲインが必要かっていうのは、何を目安に考えればいいのでしょうか？

たくさん質問してしまい、すみません。最初の質問以外の事もたくさんしてしまっていますが、答えれる範囲だけでもいいのでよろしくお願いします。

回答No.5

sst7485

ＮＯ．４の回答者さんの言うように、質問者さんと回答者さんの技術レベルにギャップがありすぎて、話がかみ合わないようです。
そこで、もう少し情報を補足して頂きたいと思います。
１．電子工作と言っていますが、これは個人の趣味的なものですか？
だとしたら、測定器などの機材はどの程度のものをお持ちですか？
（オシロスコープは絶対に必要です）
何度も実験を繰返すだけの、充分な材料はありますか？
２．ＯＰアンプで増幅したあとの信号はどのように利用されますか？
どのくらいの電圧・電流が必要ですか？
どのくらいの精度が必要ですか？

小さな信号源を大きく増幅するには、アナログ回路技術としてはかなり高度なものを要求されます。
初心者が個人レベルで高精度・高ゲインの回路を作るのは大変ですよ。

お礼

回答ありがとうございます。

>１．電子工作と言っていますが、これは個人の趣味的なものですか？
だとしたら、測定器などの機材はどの程度のものをお持ちですか？
（オシロスコープは絶対に必要です）
何度も実験を繰返すだけの、充分な材料はありますか？

新しく測定系を立ち上げたいと考えています。趣味と言えば趣味です。ただ、しっかり理解したいと思っています。(ただ、そんなに暇な時間はありません。)
測定器、機材などは問題ありません。大学の研究室に所属しています。

２．ＯＰアンプで増幅したあとの信号はどのように利用されますか？
どのくらいの電圧・電流が必要ですか？
どのくらいの精度が必要ですか？

現在の測定系ではOPアンプからの信号をオシロスコープに表示し時間変化を見ています。オシロの入力インピーダンスは1Mにしています。
電圧、電流、精度は…、観測できればどれくらいでもかまいません。

参考までに現在行っている実験は
・フォトマルに光が入っていない状態で5Vにする。
・測定したい試料に定常光を照射し、透過光がフォトマルに入った状態を0Vにセットします。
・この状態で試料に励起光(10nsのパルス)を照射したときにフォトマルに入っていくる光強度の時間変化を測定しいます。

この条件でのデータ変化の大きさは数10mVです。大きさも比較したいのである程度の精度は必要になりそうです。

そんなに難しいのですか…。もっともっと勉強が必要みたいですね。普段、あまり時間が取れないので週末の暇な時間に本を読んでいる程度です。

よろしくお願いします。

回答No.4

esezou

macusさん、今晩は。
こちらをご精読ください。
浜松ホトニクス
http://jp.hamamatsu.com/resources/products/etd/pdf/PMT_4-15.pdf

失礼ながら、他の回答者さんへのお返事を拝見するに、質問者様はこの分野の電子工作をするのに十分なスキルをお持ちでないように感じます。

今後、ノイズによって、検出できないという問題に直面すると思われます。
まずフォトマルの扱い方、ＯＰアンプ回路の基本、電流電圧変換、ノイズ、特に電流ノイズ、など良く学習されることをお勧めします。
今のまま作成されても性能が出るとは思えません。

お礼

回答ありがとうございます。

スキルが足りないのは感じています。最初は秋月電気のキットを作って動いたことは動いたのですが、原理について詳しく書いていなくて(書いていたかもしれないけど理解できなかったかもしれません）、あまり理解できなかったため応用が利かないと思い、実際に自分で考えて何かを作る必要があると思い挑戦中です。最終目標は高周波(～10MHzくらい)の増幅です。

現在、行っていることは実際に誰かが作ったと思われるアンプ(～100KHzまでの増幅アンプ)を分解して、どうなっているのか理解したく質問させていただきました。まだ、ノイズ対策などについては詳しく勉強していないため不安です。

また、紹介していただいた参考URLは以前に読んだことがありますが、そのときはほとんど理解できませんでした。もう一度読んでみます。

アドバイスありがとうございます。

回答No.3

tadys

電流増幅のためのＯＰアンプの入力バイアス電流は被測定電流に比べて十分に低い必要があります。
微小電流を測定するためにはさらに微小な入力バイアス電流のＯＰアンプを使用する必要があり、そのようなアンプの入力インピーダンスは高インピーダンスのものになります。

フォトマル、フォトダイオードからの信号を増幅するには通常Ｉ－Ｖ変換アンプを使います。
Ｉ－Ｖ変換アンプと言ってもＯＰアンプを使った反転回路で入力抵抗を使わずに直接フォトダイオードを繋ぎます。
こうするとアンプの入力インピーダンスは低い状態で使う事になります。
ただし、ここで使用するＯＰアンプの入力バイアス電流は出来るだけ低いもの（pAあるいはfAオーダーのもの）を使います。
そのようなＯＰアンプの入力インピーダンスは高い値になります。

回路のインピーダンスと使用するアンプのインピーダンスを混同しないでください。

ＩＶ変換＋フォトダイオード 等で検索してみてください。

参考URL：

http://www.proxi.co.jp/products/photo_diode_if.pdf,http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/iv.html

お礼

回答ありがとうございます。
ごめんなさい。以下のことがわかりませんでした。

>電流増幅のためのＯＰアンプの入力バイアス電流は被測定電流に比べて十分に低い必要があります。

これは、測定したいのは被測定電流なのに、増幅されるのは「被測定電流＋入力バイアス電流」になってしまうい、入力バイアス電流が被測定電流に対して無視できない場合、本当の信号の強度がわからなくなってしまうから、という解釈でよろしいのでしょうか？

>微小な入力バイアス電流のＯＰアンプを使用する必要があり、そのようなアンプの入力インピーダンスは高インピーダンスのものになります。

OPアンプの入力インピーダンスではなく、OPアンプに信号電流を入れる前に、10ｋΩの抵抗を入れています。だとしたらOPアンプのインピーダンスは関係ないと考えてはだめですか？

>Ｉ－Ｖ変換アンプと言ってもＯＰアンプを使った反転回路で入力抵抗を使わずに直接フォトダイオードを繋ぎます。

入力抵抗を使わずに・・・？使わない方がいいのですか？

>こうするとアンプの入力インピーダンスは低い状態で使う事になります。

OPアンプの入力インピーダンスは非常に大きいと本で読んだのですが、低い状態で使うとは、どういう意味でしょうか？

参考URLもありがとうございます。

わからないことが多すぎてすみません。今回が初めての電子工作になります。回路の勉強も日が浅いので基礎的な事柄の勉強が不足しています。最終的には高周波の信号を増幅したいと考えています。

よろしくお願いします。

回答No.2

outerlimit

＃１が適切な回答をなされていますが

入力インピーダンスは前段の負荷になります（質問の場合、前段はフォトマルやフォトダイオード）
負荷を駆動するのに電力が必要です　その電力が確保できないと　前段の出力電圧が下がります、また直線性が悪化します

それを防止するために　入力インピーダンスをできるだけ大きくします
駆動電力は　(Vout）^2/Zin　ですから入力インピーダンスが10倍になれば、駆動電力は1/10になります

電圧増幅回路設計の基本は　出力イーピーダンスは低く、入力インピーダンスは高くです　このことで次段の状態変化が前段に影響を及ぼすことを防止します

お礼

回答ありがとうございます。

すみません。以下の部分が、よくわかりませんでした。

>負荷を駆動するのに電力が必要です　その電力が確保できないと　前段の出力電圧が下がります、また直線性が悪化します

負荷を駆動するっていうのは？？
電力が確保できないと、出力電圧が下がる？
直線性が悪化？これは前段に対する影響が時間によって違うからってことですか？

また、駆動電力が「(Vout)^2/Zin」になるのも、わかりません。
最後の次段の状態変化とは、どういったときに起きてしまう事なのですか？

すみません、わからないことだらけです。回路を勉強し始めて日が浅いので基礎知識が欠けている部分があります。(基本的なキルヒホッフの法則、電圧、電流、電力などの関係式は覚えています)

回答No.1

himara-hus

電圧を増幅するのか、電力を増幅するのかで対処が変ります。
電力を増幅する場合は整合を取る必要がありますが、今回のように微信号の電圧を増幅する場合は通常ハイ入力インピーダンスで受けます。
　電圧＝電流Ｘインピーダンス　だからです。
　ハイインピーダンスで受けないと高い電圧で受けることができないからです。

お礼

早速の回答ありがとうございます。

電圧を増幅するつもりです。

低い電圧でもOPアンプで増幅すれば高い電圧にできるので最初に高い電圧にする必要はないと思ってしますのですが・・・。増幅率を高くするとノイズも大きくし増幅してしまうから困るとかの理由なのですか？