差動増幅回路に関して

質問

３軸加速度センサ(H48C)を用いた計測を行おうと考えています。
X軸出力(AOX)、Y軸出力(AOY)、Z軸出力(AOZ)はVref出力電圧を基準に調整してあるので差分をとって利用することがカタログで推奨されています。

そこで
http://markun.cs.shinshu-u.ac.jp/learn/OPamp/diffop.html
にあるような回路を作ってみました。

V2にAOX,AOY,AOZを、V1にVrefを３つに分岐させてそれぞれ繋ぎました。5倍に増幅するためにR1に2kΩ、R2に10kΩの金属皮膜抵抗を用いています。
オペアンプはLM358を用いており、V+に9V、V-に-9Vを供給するよう角型乾電池を繋いであります。
センサには3Vの電圧が加わるよう単三乾電池を２個直列に繋いだものを用いています。

以上の回路を作り測定してみましたが、X,Y,Zの出力は共に増幅されず、センサを揺らしてみてもほとんど値が変わりません・・・
直接AOX,AOY,AOZの値を計測するときには揺らすと値が変わるのでセンサ自体に問題はなく、センサへのハンダ付けもされていると思います。

原因が解明できず困っています。僕の直感としてはVrefを３つに分岐したのがまずいのではないかとも思うのですが・・・
単にハンダ付けが甘いのかもしれませんけど・・・
皆さんの回答をお待ちしております。
宜しくお願い致します。

回答No.6

inara

>ANo.4の回路のバッファと書いてある部分にあるR=33kΩはなぜ必要なのかと思ったのです

失礼しました。
バッファなのになぜ帰還抵抗 R が入っているかというのは、OPアンプのバイアス電流による誤差をキャンセルさせるためです。反転入力（-）側に R を入れておくと、OPアンプの入力端子から見た抵抗成分は、反転入力（-）も、非反転入力（+）も R （ R は加速度センサの出力抵抗）となるので、OPアンプのバイアス電流による誤差がキャンセルされます。FET入力のOPアンプ（TL074など）ならば、OPアンプのバイアス電流が極めて小さいので帰還抵抗 R を入れずにショートにしてもいいです。

補足

返信ありがとうございます。
回路ですがバッファ部分を取り付けたところうまく動作しました。
お世話になりっぱなしでしたね。本当にありがとうございました。

回答No.5

inara

>バッファ部分でR=33kΩとしているのはなぜでしょうか？
推測ですが、以下の理由のどれかだと思います。
　（１）　高い周波数成分の出力信号は不用（ノイズになるだけ）なので、このような信号を出さないために、外部にCRのローパスフィルタを入れることを前提として、R をあらかじめ H48C 内部に入れて、C だけ外付けにするような構成にしている
　（２）　H48C の出力に容量性の負荷が接続されても発振しないように、ダンピング抵抗として 32kΩ を入れている
　（３）　H48Cの出力端子が、誤ってGNDや電源端子に接続されたときに、内部回路が壊れないように、電流制限抵抗として 32kΩ を入れている

>どのようなオペアンプを使うのが適していますか？
加速度センサのように、低い周波数を扱う回路でのOPアンプによる誤差要因は入力オフセット電圧とバイアス電流です。この回路は全体の利得が5なので、オフセット電圧が5倍されて出力電圧に現れます。バイアス電流の影響は、OPアンプの入力端子から見た抵抗 R1//R2（ R1 と R2 の並列抵抗）が、反転入力端子(-)と非反転入力端子（+）とで同じならばキャンセルさせることができます。そのような回路構成にすれば、反転入力端子(-)と非反転入力端子のバイアス電流の違い（オフセット電流）に R1//R2 をかけた電圧をさらに5倍したものがバイアス電流による誤差になります。 出力電圧 1V に対して 1%未満の誤差に抑えるには、10mV > 5*{ オフセット電圧 + (R1//R2)*オフセット電流 } となるような OPアンプを選定します。OPアンプ以外の誤差要因は、R1 と R2 の比です。回路利得は R2/R1 なのでこの比を 1%未満の誤差にする必要があります。

>もう少し回路を小さくすることはできないでしょうか
複雑すぎましたか。H48C の出力インピーダンスを見込んで利得が 5 になるようにするのであれば、以下の回路はいかがでしょうか。H48C の出力インピーダンスが 32kΩのとき、R1 = 33kΩ、R2 = 330kΩとすれば、差動アンプの電圧利得は 330/( 32 + 33 ) = 5.08倍となります。これだと4回路入りOPアンプ（16pin)１個でできます。ただし、H48C の出力インピーダンスを利用して利得を決めているので、出力インピーダンスがばらつくと電圧利得も変化します。また、出力インピーダンスの温度依存性や長期安定性については何も保障されていないので、利得の安定性は未知です。やはり、回路が複雑になりますが、出力インピーダンスの変動の影響を受けない、バッファで受ける回路のほうが優れていると思います。複雑といっても、４回路入りのOPアンプなら２個で済みます。

　　　　　　　　　　　　　 ┌─ R2 ───┐
　　　　　　　　　　　　　 │　 ┏━━┓　 │
　X ─┬─ R1 -──┴─┨-　　┠─┴─ 5*( X - Vref )
　　　 Cx　　　　　┌───┨+　　┃
　　　 ┷　　　　　 │　　　　┗━━┛
　　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　　│　┌─ R2 ───┐
　　　　　　　　　　　│　│　 ┏━━┓　 │
　Y ─┬─ R1 ─　）-┴─┨-　　┠─┴─ 5*( Y - Vref )
　　　 Cy　　　　　　│　　┌┨+　　┃
　　　 ┷　　　　　　├─-┘┗━━┛
　　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　　│　┌─ R2 ───┐
　　　　　　　　　　　│　│　 ┏━━┓　 │
　Z ─┬─ R1 ─　）-┴─┨-　　┠─┴─ 5*( Z - Vref )
　　　 Cz　　　　　　│　　┌┨+　　┃
　　　 ┷　　　　　　├─-┘┗━━┛
　　　　　　　　　　　└────────-┐
　　　　　　　　　　バッファ　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　┏━━┓　　　　　　　　　│
　Vref ─┬──┨+　　┠─┬　R3 ┬─┘
　　　　　Cref　┌┨-　　┃　│　　　R4
　　　　　 ┷　 │┗━━┛　│　 　 ┷
　　　　　　　　└─────┘

　　R1 = 33kΩ、R2 = 330kΩ、R3 = 66kΩ（33kΩ+33kΩ）、R4 = 330kΩ
　　Cx = Cy = Cz = 0.047μF、Cref = 0.01μF

>ANo.11の補足に対しての回答もお待ちしております
あら？補足が来ていましたか。最近このサイトは応答が遅いので過去の質問をチェックするのがつらいです。後でお答えしますので少々お待ちを・・・

補足

返信ありがとうございました。
すみません、少し質問がくい違っている部分があります。
センサ内部の32kΩのことではなく、ANo.4の回路のバッファと書いてある部分にあるR=33kΩはなぜ必要なのかと思ったのです。
バッファアンプなら抵抗を挟まないのではと思ったもので・・・
宜しくお願い致します。

回答No.4

inara

tadys さんがコメントされているように、H48C の出力インピーダンスが 32kΩ [1] ととても大きいので、[2] の回路で R1 = 1kΩ、R2 = 10kΩとすると、DC信号に対する利得 G は
　　G = R2/( 32kΩ + R1 ) = 0.303
と、増幅されていないことになります。

例えば以下の回路のように、高入力インピーダンスのバッファで受けた後に、Vref との差動増幅回路をつければ、設計通りの「利得5倍」になります。Vref のところにもOPアンプ（バッファ）を入れていますが、R1 = 20kΩ、R2 = 100kΩ とすれば、ここのOPアンプは必要ないかもれません。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　×５の差動アンプ
　　　　　　　　バッファ　　　　　　　　　　　　　　　┌─ R2 ───┐
　　　　　　　　┏━━┓　　　　　　　　　　　　　　│　 ┏━━┓　 │
　X ─┬──┨+　　┠┬─── R1 ───-┴─┨-　　┠─┴─ X - Vref
　　　 Cx　 ┌┨-　　┃│　　　　　　　　　　┌───┨+　　┃
　　　 ┷　 │┗━━┛│　　　　　　　　　　│　　　　┗━━┛　
　　　　　　 └─ R ─-┘　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│　┌─ R2 ───┐
　　　　　　　　┏━━┓　　　　　　　　　　　│　│　 ┏━━┓　 │
　Y ─┬──┨+　　┠┬─── R1 ─-（─┴─┨-　　┠─┴─ Y - Vref
　　　 Cy　 ┌┨-　　┃│　　　　　　　　　 ├───┨+　　┃
　　　 ┷　 │┗━━┛│　　　　　　　　　　│　　　　┗━━┛　
　　　　　　 └─ R ─-┘　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│　┌─ R2 ───┐
　　　　　　　　┏━━┓　　　　　　　　　　　│　│　 ┏━━┓　 │
　Z ─┬──┨+　　┠┬─── R1 ─-（─┴─┨-　　┠─┴─ Z - Vref
　　　 Cz　 ┌┨-　　┃│　　　　　　　　　 ├───┨+　　┃
　　　 ┷　 │┗━━┛│　　　　　　　　　 │　　　　┗━━┛　
　　　　　　 └─ R ─-┘　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　バッファ　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　┏━━┓　　　　　　　　　│
　Vref ─┬──┨+　　┠─┬　R1 ┬─┘
　　　　　Cref　┌┨-　　┃　│　　　R2
　　　　　 ┷　 │┗━━┛　│　 　 ┷
　　　　　　　　└─────┘

　　R = 33kΩ、R1 = 2kΩ、R2 = 10kΩ、Cx = Cy = Cz = 0.047μF、Cref = 0.01μF

[1]　1ページ目の Function block diagram　　http://markun.cs.shinshu-u.ac.jp/learn/OPamp/diffop.html​
[2]　http://markun.cs.shinshu-u.ac.jp/learn/OPamp/diffop.html

補足

いつもお世話になっております。
返信ありがとうございました。

上の回路大変参考になりました。
そこでひとつ疑問があります。
バッファ部分でR=33kΩとしているのはなぜでしょうか？
またこのときどのようなオペアンプを使うのが適していますか？
また、もう少し回路を小さくすることはできないでしょうか？

質問攻めで申し訳ありません・・・
「アンプICを探しています！！ 」のANo.11の補足に対しての回答もお待ちしております。
宜しくお願い致します。

回答No.3

tadys

H48Cというのは下記URLのものでしょうか。

このICは出力インピーダンスが32kΩとなっているので、
示された回路ではR1に32kΩを追加した回路になってしまいます。
また、LM358はあまり入力インピーダンスが高くないので
このようはハイインピーダンスの出力信号を受けるのには
ふさわしくありません。
入力インピーダンスの高いオペアンプでバッファした後で
増幅したほうが良いでしょう。

インスツルメントアンプを使用するのが良いです。
秋月でINA128を売っています。
http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%22I-01755%22&s=score&p=1&r=1&page=

参考URL：

http://www.hitachimetals.com/product/sensors/accelerometer/documents/H48Ccatalog041226.pdf

お礼

ありがとうございました。
大変参考になりました。

回答No.2

foobar

センサの出力インピーダンスはいくらでしょうか？
センサの出力インピーダンスがV1に関してはR1(2k）、V2に関してはR1+R2(12k)より十分低くないと、センサの出力端電圧が下がってしまいます。
（もし同じ増幅回路3個をVrefにつないでいるのなら、Vrefの出力インピーダンスは増幅器入力インピーダンスの1/3より十分低い必要があります。）

回答No.1

A-Tanaka

こんばんは。
３軸の各出力を一つにしてしまうと・・動作はどうなるでしょう？
それはさておき・・。

その前に、各出力に同等品のH34Cの資料用の参考URLを掲げますが、
http://www.hitachi-metals.co.jp/prod/prod06/pdf_p14/hb203-tb203.pdf
こちらにあるように、各出力とグランドの間にコンデンサーをつけましたか？
これをやっておかないと、OPアンプが発振するか、全然動きません。なぜならば、確かに電圧を出していますが、OPアンプとの間でインピーダンス調整が出来ないためです。重要なことは、確かにOPアンプの入力は、理論的には無限大のインピーダンスを持ちます。しかしながら、現実には基板の浮遊容量や結線のインピーダンス、更には半導体特有のインピーダンスによって、多少のばらつきがあるからです。
そのため、センサー出力回路には、上の資料にも掲げましたように、発振防止用のコンデンサーを取り付けるのが普通です。ついでに、このコンデンサーによって、センサーの出力が3Vとなるように保証されるわけです。

補足

説明不足でしたが
http://www.hitachi-metals.co.jp/prod/prod06/pdf_p14/hb203-tb203.pdf
にあるように各AOX,AOY,AOZ,Vrefとグランドの間にコンデンサは付けてあります。
増幅後の出力にも同じようなことをしなければいけないということでしょうか？
素人の質問ですが宜しくお願い致します。