非反転増幅回路の増幅倍率について

質問

書き込み初心者です。

今大学の研究でオペアンプを用いて増幅回路を設計製作しています。
設計を終了し製作に入ったのですが、ゲインの増幅倍率が理論に一致しません。どのようなことが考えられますでしょうか？

入力側に1.5kΩの抵抗を取り付けているのですが、基盤に取り付けると抵抗値が減ってしまいます。

私、機械科なもので電気についての知識が十分ではありません。説明不足な箇所が多数あると思います。申し訳ありません。

回答No.32

inara1 · ベストアンサー

＞参考URL通りに配線を行ってもできませんでした。基板2枚つなげた段階から波形が乱れてきます。しかし、1枚だけ別途に接続すると3枚とも安定します。
不思議ですね。波形がおかしくなるのは特定の基板をつないだときでしょうか。基板をＡ、Ｂ、Ｃとしたとき、ＡとＢをつなぐと波形が乱れ、ＡとＣの組み合わせなら乱れないということはないですか？電源を２つ使えば正常動作しますし、もう提出日が迫っているので、電源を２つ使って実験してください。

＞波形が取れないマイクがあり、その原因追求に追われてます
26日締め切りなのに大丈夫ですか？１週間足らずで論文を書き上げるなんて。論文は大部分できているのだと思いますが。では頑張ってください！

補足

そうですね。今の状態で計測できるので、このまま行います。
また落ち着いた時に検討してみますね。

昨日でマイクの原因追求も終わり、実験できました。
これで論文が書けます！

では今回で締め切りします。
長い間、適確なアドバイス本当にありがとうございました。

回答No.31

inara1

＞先日，以下のように配線をしたら波形を取ることができました．ありえることなのですか？
配線は参考URLのようにしてください。このように配線されているのなら波形を取ることができます（ありえます）。

これで問題は解決されると思いますが、こんなに多く回答したのは初めてです。最初の質問は12月7日ですが大学の研究（騒音の空間分布？）に支障はなかったですか？

補足

inara1さん、いつも丁寧な説明ありがとうございます。

不思議なことに、inara1さんからの参考URL通りに配線を行ってもできませんでした。基板2枚つなげた段階から波形が乱れてきます。しかし、1枚だけ別途に接続すると3枚とも安定します。

私の大学では、2月26日が論文提出締め切りです。
そのため、今週が実験できる最終週です。一生懸命頑張っています。論文、発表資料、実験とすることがあり毎日たいへんです。笑
今は、マイクロホンと回路を接続して実験しています。波形が取れないマイクがあり、その原因追求に追われてます。汗

当初、ここまで丁寧に解説してくれる人が、まさかいるとは思っていませんでした。
inara1さんは、初心者にも根気よく解説してくれるため、とてもわかりやすいです。感謝しています。

回答No.30

inara1

＞正確には±15Vと+3Vの安定化電源2つです
どんな電源ですか。メーカと型番を教えてください。

補足

＞どんな電源ですか。メーカと型番を教えてください。
菊水電子工業株式会社製：PMM18-2.5DU　です．

先日，以下のように配線をしたら波形を取ることができました．ありえることなのですか？
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp00277.bmp

回答No.29

inara1

＞やはり１つの安定化電源から分岐することは無理なのでしょうか
両電源でなく１つの出力しかない電源だったのですか？それでは基板のGND電圧が定まらないのでダメです。+15Vの安定化電源を２つ使って以下のように結線してください。
　　　　　　　　　　　　　　　　　+15V ┏━━━┓
　　　┌───────────┨+　　　 ┃
　　　│　 　　　　　　　　　　　　┌─┨-　　　 ┃ +15V電源
　　　│　　　　　　　　　　　　　 ├─┨GND　┃
　　　│　　　　　　　　　　　　　 │　 ┗━━━┛
　　　　　　　　　　　-15V　　　 │ 　 ┏━━━┓
　　　│┌──────── ） ─┨-　　　 ┃
　　　││ 　　　　　　　　　　　　├─┨+　　　 ┃ +15V電源
　　　││　　　　　　　　　　　　 ├─┨GND　┃
　　　││　　　　　　　　　　　　 │　 ┗━━━┛
　　　││　　　　　　　　　　　　 │　 ┏━━┓
　　　││　　　　　　　　　　　　 ├─┨GND┃
　　　││┌───────-┴─┨-　　┃+3V電源
　　　│││┌────────-┨+　　┃
　　　┿┿┿┿ E$4コネクタ　　+3V ┗━━┛

補足

＞両電源でなく１つの出力しかない電源だったのですか？
すみません．表記ミスでした．

正確には±15Vと+3Vの安定化電源2つです．

2つをそれぞれ分岐させることは無理なのでしょうか？

回答No.28

inara1

＞12個分の1枚の時と、12個分を3枚とも同じ波形になりました。ちなみに、12個分の1枚の時では波形を取得することができます。
電源電圧が矩形波でも波形を取得することができるというのが不思議です。電源は±電源を使っていますか？　電源の共通端子（COM）に何もつながないで、下図のようにしているということはないですか？

　　　　　　　　　　　　　　　　　+15V ┏━━━┓
　　　┌───────────┨+　　　 ┃
　　　│　 　　　　　　　　　　　　　　　┨COM　┃
　　　│┌──────────┨-　　　 ┃
　　　││　　　　　　　　　　 -15V　┗━━━┛
　　　││　　　　　　　　　　　　　　　┏━━┓
　　　││┌─────────┨-　　┃
　　　│││┌────────┨+　　┃
　　　┿┿┿┿ E$4コネクタ　+3V ┗━━┛

正しくは、以下のように、±電源の共通端子（COM）を基板のGND（AD622の5pin）につなぎます。マイク電源のGNDもそこにつなぎます。

　　　　　　　　　　　　　　　　　+15V ┏━━━┓
　　　┌───────────┨+　　　 ┃
　　　│　 ┌─────────┨COM　┃
　　　│┌ ）─────────┨-　　　 ┃
　　　│││　　　　　　　　　-15V　┗━━━┛
　　　│││　　　　　　　　　　　　　 ┏━━┓
　　　││├─────────┨-　　┃
　　　│││┌────────┨+　　┃
　　　┿┿┿┿ E$4コネクタ　+3V ┗━━┛

＞安定化電源をそれぞれの基板にセットし実験を行いました。計3個使いました。結果、正常に動作しました。
電源の電流容量が足りないのでしょうか。電源を基板から切り離した状態で、以下のように 330Ω の抵抗をつけたとき、電源から出ている電圧波形は直流ですか？　波形を見るとき、オシロのGNDを電源のCOMに接続して、電源の＋の波形と－の波形を見てください。

　　　　　　　　+15V ┏━━━┓
　　　┌─ 330Ω ─┨+　　　 ┃
　　　├─────┨COM　┃
　　　└─ 330Ω ─┨-　　　 ┃
　　　　　　　 -15V　┗━━━┛

上のように330Ωをつなぐと、電源から流れる電流が45mA程度になります。これは「回答番号：No.24」に書いてある、36個のAD622の最大消費電流になります。この電流を流しても出力電圧波形が矩形波になっていなければ電源は正常だと思います。330Ωの抵抗の許容電力が1/4Wのタイプ（直径3mm、長さ1cm程度）だと、抵抗がかなり熱くなるので注意してください。

補足

＞電源電圧が矩形波でも波形を取得することができるというのが不思議です。

すみません。私が矩形波というものを間違っていました。
正確には↓のような波形になりました。これを矩形波と勘違いしていました。

　￣　　￣　　￣
　　＿　　＿　

やはり１つの安定化電源から分岐することは無理なのでしょうか。

回答No.27

inara1

＞のようになっていました。もしかしたら測定方法が間違っていたのかもしれません。4pin,7pinの波形を測定しました。
7pin（+15V側）をオシロのGNDにして、4pin（-15V側）の波形を見たのならそうなるかもしれませんが、測定方法が間違っていたとしても、電源電圧がそのような矩形波になるのは異常です。矩形波の周波数（または周期）はどれくらいですか？

suika22さんがアップローダに添付されたファイルが古くなって読めなくなっているので、もう１度AD622基板の回路図をどこかにアップロードしてもらえないでしょうか。

補足

＞電源電圧がそのような矩形波になるのは異常です。
12個分の1枚の時と、12個分を3枚とも同じ波形になりました。
ちなみに、12個分の1枚の時では波形を取得することができます。

本日、安定化電源をそれぞれの基板にセットし実験を行いました。計3個使いました。
結果、正常に動作しました。

＞矩形波の周波数（または周期）はどれくらいですか？
現時点では調べていないため、わかりません。後日連絡します。

部品配置図
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp00186.bmp

一個分の回路図
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp00187.bmp

回答No.26

inara1

＞電源端子の波形を見たとき、波形が矩形波になりました．もちろん±15Vです．
電源電圧の波形が矩形波というのはこういう波形ですか？

+15V　￣　　￣　　￣
　0V　　　＿　　＿　

　0V　￣　　￣　　￣
-15V　　＿　　＿　

これだと正常動作しません。+15V側と-15V側の波形の関係がどうなっているか分かりますか？

補足

0V　￣　　￣　　￣
-30V　　＿　　＿　

のようになっていました。もしかしたら測定方法が間違っていたのかもしれません。
4pin,7pinの波形を測定しました。

回答No.25

inara1

＞36個並列させたときに変な高周波成分が乗っているとはどういうことでしょうか？
オシロスコープの「カップリング」をACにして、電源端子の波形を見たとき、波形が横一直線でなく、高周波成分が乗っていないかという意味です。

補足

本日，実験を行いました．

12個並列させたときと，36個並列させたとき，どちらも変な高周波成分は確認できませんでした．
電源端子の波形を見たとき、波形が矩形波になりました．もちろん±15Vです．

回答No.24

inara1

このデータロガーは使ったことがあります。キーエンスのNR-500とNR-HA08の組み合わせでしょう。

＞12個分で行うとそれぞれうまくいくので、原因は電源の供給方法に問題があると思うのですが
AD622の無信号時の消費電流は最大1.3mAですので36個で47mAです。普通のＤＣ電源なら全く問題ない電流ですが、36個並列させたときの電源電圧は±15Vのままで変化はないですか？　できれば、電源電圧端子の電圧波形をオシロスコープで見てみてください。12個並列のときはきれいなＤＣ電圧だけど、36個並列させたときに変な高周波成分が乗っていることはないでしょうか。

補足

正解です！NR-HA08を5つ使っています！

36個並列させたときのオペアンプの電源電圧を調べました。
±15Vのままで変化はなかったです。

36個並列させたときに変な高周波成分が乗っているとはどういうことでしょうか？

回答No.23

inara1

＞DF1905
全く同じものを持っています（笑）。原因は分かりました。

この信号発生器は安物なので出力インピーダンスは固定（50Ω）で、出力モードも「HiZ」に固定になっています（負荷抵抗を変えて確認しました）。つまり無負荷（負荷抵抗が充分大きい）のとき、設定値通りの出力電圧が出るようになっていますが、負荷抵抗が小さいほど実際の出力電圧が下がってきます。負荷抵抗が 167Ω （12個並列時の入力インピーダンス）のとき、以下のように、

　　　　　DF-1905　　　　　出力電圧 = 0.77mVpp
　　━━━━━━━━┓　↓ ┏━━━
　　 1mVpp ─ 50Ω ─╂──╂─┐
　　　　　　　　　　　　　　┃　　　┃167Ω（12回路並列）
　　　GND(0V) ───╂──╂─┘
　　━━━━━━━━┛　　　┗━━━

1mVppの信号が50Ω と167Ω で分圧されるので、1mVppの出力設定値に対して、実際の出力電圧は 1mVpp×167/( 50 + 167 ) = 0.77mVpp となってしまいます。回路が１個だけのときは以下のように

　　　　　DF-1905　　　　　出力電圧 = 0.975mVpp
　　━━━━━━━━┓　↓　┏━━━
　　　1mVpp ─ 50Ω ─╂──╂─┐
　　　　　　　　　　　　　 　┃　　　┃2kΩ（1回路）
　　　 GND(0V) ───╂──╂─┘
　　━━━━━━━━┛　　　┗━━━

出力電圧は1mVpp×2000/( 50 + 2000 ) = 0.976mVpp となります。このように、この信号発生器はHiZモードですが、出力インピーダンスが大きいので、負荷抵抗によって出力電圧が変動してしまいます。したがって、12個並列にした回路で利得を求める場合、実際の入力電圧は設定値の 0.77倍になっているとして計算をすればいいことになります。

負荷抵抗が分かっている場合は、このようにして計算で実際の出力電圧を求めればいいのですが、負荷抵抗が分からないときは計算できないので、負荷抵抗によって出力電圧が変動しないように、以下のように、DF1905と回路の間にオペアンプによるバッファ回路を入れれるという方法もあります。

　　　　　DF-1905　　　　　　　バッファ回路
　　━━━━━━━━┓　　　　 │＼　　　　出力電圧 = 設定電圧
　　　1mVpp ─ 50Ω ─╂─┬─┤+　＼　　　↓　　　┏━━━
　　　　　　　　　　　　　　┃　　1M 　│　　　　>─┬──╂─┐
　　　 GND(0V) ───╂─┤ ┌┤-　／　　　│　　　┃167Ω（12回路並列）
　　━━━━━━━━┛　 │　││／　　　　 │　┌╂─┘
　　　　　　　　　　　　　　　　　│　└─────┘　│┗━━━
　　　　　　　　　　　　　　　　　└────────-┘
DF1905の出力電圧範囲は、DCオフセット電圧が最大±5V、信号振幅が最大±10Vppですが、そんな大きな電圧を出力しないのであれば、オペアンプの電源電圧を±15Vとすれば±12V程度の出力電圧が得られます。ただし最大電圧はオペアンプの最大出力電流値で制限されます。オペアンプにLM358（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01012/）を使ったとき、オペアンプの最大出力電流は10mA程度なので、167Ωの負荷のとき、最大出力電圧は±1.67V程度になります（実際には±2Vは出ると思います）。LM358を使ったときの配線図を以下に示します。このように、DF1905と基板との間にバッファを入れれば、基板側の入力インピーダンスが変わっても信号レベルは変わりません（DF1905の設定値通りになる）。

電源のGND(0V)　　　　　+15V（電源）　　　-15V（電源）　
　　　│　　　　　　 ┌──┤┌┐┌─┬─┘
　　　│　　　　　　 │　 ┏┷┷┷┷┓│　
　　　│　　　　　0.1μF　　） LM358　┃│
　　　│　　　　　　 │　 ┗┯┯┯┯┛│
　　　│　　　　　　 │　　　├┘│├─┘
　　　│　　　　　　 │　　　│　 │0.1μF
　　　└───┬-┴── ）─　）┴──┬── DF1905(GND)
　　　　　　　　　│　　　　　│　 │　　　　1MΩ
　　　　　　　　　↓　　　　　↓　 └───┴─── DF1905
　　　　　　　　基板　　　　基板
　　　　　　　　GND　　　　入力

1MΩの抵抗は、DF1905をつないでいないときに、オペアンプの出力電圧が電源電圧まで振り切れるのを防ぐためのものです。0.1μFのコンデンサは電源のバイパスコンデンサで、0.1μF程度の積層セラミックコンデンサ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00090/）を最短距離で配線してください。オペアンプの電源電圧は±5Vとしても±1V程度の出力電圧は得られます。オペアンプはNJM072（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02370/）でもいいです（同じpin配置）。

LM358データシート　http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM358.pdf

お礼

いつもありがとうございます。
お礼覧を借りてまた質問です。すみません。

実験装置を製作しました。（バッファ回路のことではありません）
36個並列させ実験を行ったのですが、うまくいきません。
12個分で行うとそれぞれうまくいくので、原因は電源の供給方法に問題があると思うのですが。
ちなみのすべてのオペアンプには±15Vしていました。
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp00151.bmp

補足

丁寧な説明ありがとうございます。非常に理解し易いです。

実際には、36個並列させます。
そのため、36個並列時の入力インピーダンスは56Ωになりますね。
出力は0.53mVpp ですね。

実際の入力電圧は設定値の 0.53倍になっているとして計算をすればいいですね。

＞バッファ回路
そんなに難しい回路じゃないので、近いうちに作ってみます。

回答No.22

inara1

＞信号発生器の設定ですか？
はい、信号発生器の設定です。出力モードをHiZにすると、出力端子がオープン（何もつながっていない）のとき、設定された電圧が出力に出ます。出力モードが50Ωのときは、負荷に50Ωをつないだときに設定電圧が出ます（無負荷のときは設定値の２倍の電圧になる）。信号発生器のメーカと型番は分かりますか？

補足

信号発生器は『株式会社エヌエフ回路設計ブロック製:DF1905』です。

普通、信号発生器にはそのような機能が付加しているのでしょうか？