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.21

inara1

＞この結果はインピーダンスが原因でしょうか？
入力12個分と入力1個分のときで違うのは、信号源から見た基板のインピーダンスです。入力1個のときのインピーダンスは約2kΩ（マイクのバイアス抵抗）ですが、入力12個並列では 2kΩ/12 = 167Ω です。信号源の出力インピーダンス設定が50Ω（負荷50Ωのときに設定値通りの出力信号が出る）だと、入力1個のときと12個のときで出力電圧が27%ほど変わります。信号源の出力インピーダンスをHiZとすれば誤差は小さくなることを ANo.17 で説明していますが、HiZ とした実験はやりましたか？

補足

入力1個分の時は1mVppの入力に対して約10Vpp程度でした。
ほぼ理論通りでした。

入力12個分の時は1mVppの入力に対して約8Vpp程度でした。
inara1さんの回答のように27%程度の誤差が出ました。

＞出力インピーダンスをHiZとすれば・・・
信号源の出力インピーダンスをHiZとするとは、どういうことですか？
信号発生器の設定ですか？

回答No.20

inara1

＞遅くなりました
私も忘れていました。

＞ちなみに回路図は以下のようになっています
閲覧できません。URLが間違っていませんか？

補足

ローパスフィルターの回路が間違っていることに気がつきました。
作り直したのでたぶん大丈夫です。

それよりも、
(1)入力1個分、出力1個分で計測。
(2)入力12個分、出力1個分で計測。

結果は以下のようになりました。
(1)ゲインが理論値に大体一致。
(2)ゲインの理論値と実験値に誤差あり。

この結果はインピーダンスが原因でしょうか？

回答No.19

inara1

＞電気的に対応とはどういうことですか？フラットケーブルの向きは間違いなかったです。
フラットケーブルの向きが間違いないというのは、回路図と実際の配線が合っているということですね？回路図通りだと動作するはずですが。

ハンダ不良ですかね？回答No.14のpin間抵抗チェックは大丈夫でしたか？回答No.17のＤＣカットコンデンサの結果はどうでした？

補足

遅くなりました。本日再実験を行いました。
12個分の増幅回路の不動作の確認を行いました。

実験内容を以下に示します。
(1)入力1個分、出力1個分で計測。
(2)入力12個分、出力1個分で計測。
(3)入力12個分、出力12個分で計測。

結果は以下のようになりました。
(1)ゲインが理論値に大体一致。
(2)ゲインの理論値と実験値に誤差あり。
インピーダンスが原因と思うのですが、よくわかりません。
(3)ゲインに関係なく、すべての波形が同じになった。
製作した回路の都合上、自作ローパスフィルタを取り付け計測しました。結果、すべての波形が重なって出力されました。おかしいですよね。
ちなみに回路図は以下のようになっています。
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp02595.bmp
もしかしたら、ローパスフィルタに問題が・・・。

回答No.18

inara1

動作確認用基板のコネクタのpin番号と、AD622基板の入力コネクタのpin番号は電気的に対応していますか？フラットケーブルの配線が逆になっていませんか？

補足

＞inara1さん
電気的に対応とはどういうことですか？フラットケーブルの向きは間違いなかったです。

本日をもちまして研究室が休みになりました。来年にもう一度実験を行ってみます。

回答No.17

inara1

＞100mVppの信号を入力してみました．波形は取得できたのですが，増幅し出力が振り切れました
出力が振り切れるのが正常です。

＞フラットケーブルをやめ，1ch分の配線に交換したらほぼ問題なく波形が取れました
フラットケーブルにすると波形が出ないのなら、フラットケーブルが原因かと思いましたが、マイク用の電源電圧がBNCコネクタに印加されているのが気になります。マイク用電源の電圧を加えないでフラットケーブルをつないだときどうなるか見てみてください。もしそれで正常になるのであれば、マイク用電源をつないだとき、信号発生器の出力端子にBNCコネクタを通して大きなDC電流が流れ込むために信号が出なくなっていたのかもしれません。

もし、マイク用電源をつないだままで試験したいのであれば、下図のように、BNC端子直後で信号線を分配しているところに10μFの電解コンデンサを入れて、ＤＣ成分をカットしてやるといいかもしれません。

　BNC　10μF
　　◎─┤├─┬─ E$7
　　　　 -　　+　├─ E$8
　　　　　　　　　└─ E$9

動作確認用基板のBNCコネクタの芯線から３本パターンが出ていますが、その途中のパターンをカットしてそこに10μFの電解コンデンサ（BNCコネクタ側がマイナス極性）を取り付けてみてください。

＞回路図，部品配置図を訂正してみました
回路シミュレーションしてみました（参考URL）。信号源の出力インピーダンス（R0）を50Ωとし、その出力に50Ωの負荷抵抗(RL）をつけた回路にしました。利得設定抵抗をRG=50Ωとしたとき、AD620の入力電圧がほぼ1000倍されています（位相は反転している）。テスト基板を使って信号を36回路に分配した場合、前に説明したように RL = 55.4Ωになりますが、36回路に分配しなければ RL がない（RL=無限大）ことになるので、入力信号の振幅は2倍の4mVppになることに注意してください。

信号源の出力インピーダンスが50Ωになっていると、１回路のテストと36回路のテストで負荷抵抗が変わり、信号源の出力レベルがが変わってしまい面倒です。もし、信号源の出力インピーダンスを HIZ にできるのなら HIZ にしてください。そうすれば負荷抵抗が極端に小さくない限り、負荷抵抗が変わっても設定電圧通りの出力振幅が出ます。

補足

＞マイク用電源の電圧を加えないでフラットケーブルをつないだときどうなるか見てみてください。

正常な正弦波は出力されませんでした．

電気科の先生に相談してみました．オシロスコープを使ってオペアンプの入力，出力を調べてもらったところ，動作は正常に行われました．
しかし，私の研究室で確認してみたところ，正弦波を取得できませんでした．

こんな不安定なことってありえますか？？

回答No.16

inara1

＞よって利得は820～850倍でした．
半固定抵抗を回して利得をちょうど1000倍にすることはできませんか？半固定抵抗を左に回しきったときと右に回しきったときの出力電圧は何Vppになりますか？

＞マイク用電源にはDC電圧を加えています．信号発生器の出力インピーダンスは 50Ωでした．
マイク用電源にDC電圧を加えると、マイク入力端子は 2kΩ の抵抗を通じてDC電源につながっているので、マイク入力端子から増幅基板側を見たときのインピーダンス（交流抵抗）は、2kΩと1MΩ の抵抗の並列抵抗（1.996kΩ）になります（DC電源は交流的にはGNDと同じなので）。新しいコネクタ基板（http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp02247.bmp）を見ると、BNC に加えられた信号は36個の回路に分配されているので、BNCコネクタから増幅基板側を見たインピーダンスは 1.996kΩ/36 = 55.4Ω になります。

出力インピーダンスが 50Ω の信号発生器というのは、信号発生器の出力に 50Ω の負荷がつながったときに設定した振幅の信号が出ます。50Ω以外の負荷をつないだときの出力振幅は設定値と違ってきます。今の場合、負荷は 50Ω でなく 55.4Ω になるので、設定振幅を 1mVpp としたとき、BNCコネクタのところでの振幅は 1mVpp*2*55.4/( 50 + 55.4 ) = 1.055mVpp になります。したがって、動作確認用のプリント基板に３枚の基板をつなぎ、マイク用電源にはDC電圧を加えた状態で、BNCコネクタに 1kHz・1mVpp の信号を入れると、AD622の 2pin には1.05mVpp の信号が来ているはずです（「入力電圧の設定値が1mVppのとき測定値は1.2mVpp」というのはこの電圧のことでしょうか？）。しかし、このような微弱な信号を精度良く測定るのは難しいでしょうから、BNCコネクタに 1mVpp でなく、100mVpp 程度の信号を入れてみて、それぞれのAD622の 2pin に105mVpp の信号がちゃんと来ているか見てみてください。このときAD622が動作していても壊れることはありません（AD622の出力は振り切れてしまうでしょうが）。

＞フラットケーブルの長さは10cm程度です．
それなら問題ありません。

補足

＞利得をちょうど1000倍にすることはできませんか
利得を1000倍にすることはできます．抵抗値を50.6±0.3Ωにした場合です．誤差は14％前後ですね．

＞BNCコネクタ
信号発生器の出力インピーダンスが50Ωのときに設定値になるのですね．そのため設定値と測定値に違いがでたんですね．

100mVppの信号を入力してみました．波形は取得できたのですが，増幅し出力が振り切れました．
しかし，フラットケーブルをやめ，1ch分の配線に交換したらほぼ問題なく波形が取れました．図を参照．
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp02253.bmp
この時，オペアンプは1個しか取り付けていません．

回路図，部品配置図を訂正してみました．評価してもらえますか？
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp02251.bmp
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp02252.bmp

回答No.15

inara1

＞1mVppの入力に対して9Vpp程度ですね．ものによっては13Vppになったりもします
電圧利得で9000倍～13000倍ですか。RGのところの半固定抵抗を調整して出力が1Vpp程度になるようにできませんか？半固定抵抗を右か左に回しきって出力が最も小さくなるとき、何Vppになっていますか？　出力波形はきれいな正弦波ですか？

＞コネクタのみ信号を送り，確認したところ問題はなかったのですが
これは、動作確認用のプリント基板の多ピンコネクタに何も接続しない状態で、BNCコネクタに信号を入れたときに、多ピンコネクタにちゃんと入力信号が出ているという確認でしょうか。

＞増幅回路に取り付け信号を入力すると波形が取れません
以下の情報を教えてください。
　　　・マイク用電源（E&4の4pin?）にＤＣ電圧を加えていますか？
　　　・BNCコネクタに接続している信号発生器の出力インピーダンスはどういう設定になっていますか？　（ 50Ω または HiZ ）

＞フラットケーブル（虹色の配線）を使っています
1kHz程度の周波数なら虹色フラットケーブルでも問題ないと思いますが、フラットケーブルの長さはどれくらいですか？

補足

本日，再度波形取得を行いました．大体10Vpp程度でした．
しかし，入力電圧の設定値は1mVppですが，測定値は1.2mVppでした．よって利得は820～850倍でした．
出力波形についてですが，若干のうねりがあるもののきれいな正弦波でした．

＞多ピンコネクタにちゃんと入力信号が出ているという確認でしょうか。
そうです．つくった基盤の動作確認を行いました．
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp02249.bmp

マイク用電源にはDC電圧を加えています．
信号発生器の出力インピーダンスは 50Ωでした．

フラットケーブルの長さは10cm程度です．

回答No.14

inara1

＞しかし、確認波形の利得は誤差以上だと考えられます
1mVppの入力に対して何Vpp出ているのですか？
100Ωの半固定抵抗で調整できる利得範囲は、1kHzの正弦波なら、500倍～5000倍程度になりますので、多回転型の半固定抵抗を使えば、利得をかなり正確に1000倍に合わせられるはずです（１回転型だと回転子をちょっと回しただけで利得が大きく変わってしまう）。

＞おそらくはんだ付けのミスだと考えられますが・・・。
ハンダ不良は見た目で分からないこともあるので、電源を入れない状態で、AD622のpinとGND間などの抵抗値をテスターで測定してみてください。AD622のpinというのは基板のランドパターンでなく、ICのリード端子のことです（リード端子から測定すればICのハンダ不良を見分けられる）。
　　2pin-GND間　1MΩ（コンデンサの充電の時間がかかるので値が落ち着くのに時間がかかるかも）
　　1pin-8pin間　RGの値
　　3pin-GND間　0Ω
　　5pin-GND間　0Ω
　　6pin-GND間　3kΩ
この方法では入力コンデンサのチェックはできませんが、電源を入れない状態で、マイク入力に1kHz・1Vppの信号を入れてみて、AD622の2pinに同じ振幅の信号が来ているかでチェックできるはずです。また電源投入後に、ICの電源端子（4min, 7pin）に±15Vの電圧が来ているかどうかも確認したほうがいいと思います。

補足

＞利得の誤差
1mVppの入力に対して9Vpp程度ですね．ものによっては13Vppになったりもします．はんだ付けのミスを見つけることができたので，当初に比べ大分落ち着いてきました．

＞はんだ付けのミス
inara1さんのアドバイス通りミスの確認を行いました．数点の不備が確認できました．ありがとうございました．

全体（2pin）に入力するために，新しいコネクタを製作しました．
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isisuke_uljp02247.bmp
コネクタのみ信号を送り，確認したところ問題はなかったのですが，増幅回路に取り付け信号を入力すると波形が取れません．波形が取れない原因がわかりません．またフラットケーブル（虹色の配線）を使っています．

回答No.13

inara1

ANo.12でURLを貼付け忘れました。
[4]　金属被膜抵抗器 １／４Ｗ ５１Ω±１％　http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/search.php?toku=%25C4%25F1%25B9%25B3%25B8%25C7%25C4%25EA&cond8=and&dai=%25B6%25E2%25C8%25EF&chu=1%252F4&syo=F&k3=0&pflg=n&list=1

回答No.12

inara1

＞このとき誤差はどの程度考えることができますか？
利得をちょうど1000倍にするには、AD622のデータシート（http://www.analog.com/static/imported-files/jp/data_sheets/AD622_JP.pdf）の8ページの左下の式で計算すると、RG = 50.551Ωにする必要があります。RG = 49.5Ω なら利得は1021倍、RG = 51.5Ω なら利得は981倍になります。基板のパターンを見ると、利得の調整は１回転タイプの半固定抵抗を使っているみたいなので、ちょうど1000倍に合わせるのは難しいと思います。多回転型の半固定抵抗 [3] なら調整しやすいと思います。RG を厳密に合わせたとしても、AD622の内部抵抗の誤差があります。データシートの2ページの表の上から３行目に出ている「ゲイン誤差」を見ると最大0.5%なので、RG を厳密に合わせたとしても利得は995～1005の範囲でばらつきます。

[3]　25回転型の半固定抵抗　http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/search.php?toku=%25A4%25DD%25A4%25C6%25A4%25F3%25A4%25B7%25A4%25E7&cond8=or&dai=25&chu=&syo=&k3=0&pflg=n&list=2
[4]　金属被膜抵抗器 １／４Ｗ ５１Ω±１％

＞無駄なパターンがあるため誤差が大きくなったのでしょうか？
利得の調整を半固定抵抗で行っているのであればパターンの電気抵抗は関係ありません。パターンの引き回しによる影響は1kHz程度の周波数なら問題ないと思います。

マイク端子から信号を入れて動作確認するとき、入力の1kHz・3mVppの信号はちゃんとした信号発生器で出しているのでしょうか。入力信号の大きさが正確でないと利得が正確かどうか分かりません。安物のテスターのAC電圧モードで3mV程度の入力レベルを測定しても正確な測定はできません。もし正確な信号発生器がない場合には、以下のように、3.003Vppの信号を1/1001のアッテネータで3mVppに落としてマイク入力に入れればいいと思います（抵抗は [4] のように誤差の小さいものを使ってください）。

　Vin ─┐
　　　　1MΩ
　　　　　├──→ マイク入力端子
　　　　1kΩ
　GND ┴─── 基板のGND

3Vppの信号なら安物のテスターでもある程度正確に振幅を測定できます（3.003Vppなら1.0617Vrms）。テスターの誤差はもちろんありますが、出力信号の測定でも同じテスターを遣えば、そこにも同じ誤差が入っているので、「出力レベル/入力レベル」を計算したとき、テスターの誤差がキャンセルされます（利得の値は正確に出る）。上の回路で信号を入力したとき、AD622の利得は
　　　利得 = 1001*AD622の出力電圧/Vin
で計算できます。Vin = 1Vpp で AD622の出力電圧 = 1Vpp なら利得は1001倍ということになります。この方法で12個の利得を1000倍に調整するのが良いと思います。

補足

＞誤差についての回答
非常に丁寧な解説だったので、解かりやすかったです。
ありがとうございました。
しかし、確認波形の利得は誤差以上だと考えられます。原因は不明です。おそらくはんだ付けのミスだと考えられますが・・・。

多回転型の半固定抵抗って物があるのですね。知りませんでした。
次回、本番用には多回転型の半固定抵抗を使用することにします。

信号は良質の信号発生器を用いています。利得の確認は1mVppで行いました。
1mVpp以外で確認を行っても良いのですが、使用しているデータロガーの測定範囲が10Vppまでなので大きい値が出力できないのです。

後日、改めて回路図を載せます。評価お願いします。