オペアンプ増幅回路について

質問

現在、超音波センサに使うための増幅回路を作ろうとしています。

回路は、基本的な反転増幅回路のみを３段重ねて１００万倍に電圧を増幅しようとしています。

実際に基盤に半田付けをして受信センサーと接続してオシロスコープで波形を見ようとしたのですが、全くそれらしい波形が出てきません。
(送信回路は確認したところ問題なく動いており、プローブに受信センサーのみをつけて波形を見ると、正常に音波を受信していることを確認しました。)

反転増幅回路の他に何か工夫が必要なのでしょうか；　それとも、単に基盤の作り方がまずいのでしょうか；
電子工作はあまり詳しくないため、何が問題かわかりません；
解決策が解る方、是非返信をよろしくお願いします；

回答No.8

inara1 · ベストアンサー

LM833は２回路入りなので、3段構成だと１個余ると思います。残ったオペアンプで中点電位を作れば大容量（33μF）のコンデンサは不要になります。その回路を参考URLに書いておきました。

お礼

返信が遅れてしまい、大変申し訳ありませんでした。
何度も回路図までUPしていただき、大変参考になりました。　現状は未だ完成出来ていない状態ですが、いただいた助言を参考にしながら考えて完成させたいと思います。
質問はこの辺で締め切らせていただきます。
たくさんのアドバイス、本当にありがとうございました。

回答No.7

inara1

増幅率が100万倍ですから、ANo.6さんのご指摘ように、回路全体を金属ケースに入れるとか、超音波受信器からオペアンプの入力までの配線はシールド線を使うなど、外来ノイズを極力抑える必要があります。また、電源（12V）は安定化されたもの（スイッチング方式でないDC電源か、三端子レギュレータで安定化させたもの）を使ってください。超音波を発生させていないとき、回路が40kHzで発振している（出力信号が電源電圧いっぱいに振れて矩形波になっている）ことはないですか？

必要な信号は40kHzだけなので、バンドパス形式の増幅回路にする方法も有効だと思います。参考URLにその回路と出力波形と周波数特性を貼っておきました。40kHz以外の信号をなるべく減衰させるためにＱ値をかなり大きくしています。そのため、通過中心周波数は素子値の誤差に非常に敏感です。コンデンサや抵抗の値は、高精度（誤差1未満）のものを使うか、精度の良いテスターで測定して選別してください。C1（33μF）は必ず入れてください。この容量が小さいと通過中心周波数での利得が下がってしまいます。

回答No.6

oyaoya65

#2,#5です。
>元の回路を直したところ、どうやら何かしらの信号（おそらく雑音）を増幅している波形が見て取れました。（雑音に混じって超音波の受信波形もときおり見えているようです）

見通しが見えて着ましたね。

信号（超音波センサー出力信号）に混入した雑音はその後の増幅器で増幅率倍されてしまいますので、信号から最初のオペアンプの入力までの回路で如何に雑音が混入しないこと、雑音を発生させないことの工夫が必要です。
何も対策しないと通常1mV位の雑音が素子から発生しますし、素子のインピーダンスが高いとすぐ室内雑音を拾いますのでできるだけインピーダンスを低くして雑音を小さくしたり、シールドして誘導雑音を減らしたりすることが重要ですね。
現在の回路では信号より雑音の方が多少大きいようですね。
オペアンプの出力はインピーダンスが非常に小さいので、素子から発生する雑音（金属皮膜抵抗はカーボン）と室内の雑音源の影響を減らす（抵抗値を小さくしたり初段の回路にシールドしたりする）ことが重要で、超音波センサーから初段のオペアンプまでの所を特に低雑音対策しないといけないですね。

回答No.5

oyaoya65

#2です。
質問者さんの図の回路の全てのアースをオペアンプのDC電源電圧の真ん中の電位に繋がないと動作しません。オペアンプの電源電圧の+V側を+10ボルト、-V側を-10ボルトとすると動作します。
あるいは＋V側を+10ボルトとした場合は-V側を0ボルトとした場合は、図の回路のアースを電源電圧の1/2の+5ボルトを作ってそこに繋いでやります。同じ容量のコンデンサーを直列に繋いで、+側を+10ボルトに、接続点を回路のアースに、-側を電源の0ボルト側に繋いでやります。コンデンサーはオペアンプ毎にその近くに兆列に繋いだ0.1μF位のマイラーコンを入れ、基板全体に25μF前後の電解コンを直列に繋いだものを入れます。直列コンの中間点は回路のアースに繋ぎます。

後は、センサー出力をオシロで観察しておおよその出力の電圧の振幅幅を測定し、そして最終段のオペアンプ出力の電圧範囲の幅の比をとって、オペアンプの増幅度を決め、その増幅度を各反転増幅器の利得に割り当ててやります。いたずらに増幅度を上げるだけでは、最集段のオペアンプ出力が大きくなりすぎ振幅がクリップされてしまいますので、利得の配分や抵抗比を調節して最終段の出力電圧が飽和しないように利得調節をする必要があります。

お礼

重ね重ね回答していただきありがとうございます；
元の回路を直したところ、どうやら何かしらの信号（おそらく雑音）を増幅している波形が見て取れました。（雑音に混じって超音波の受信波形もときおり見えているようです）
今度は雑音を取り去るために帯域通過フィルタ等を通して雑音を減らせないかどうか、また、その上で本当に組んだ回路が正しいのかを見ていきたいと思います。
増幅率の方も見直したいと思います。ご助言していただき、ありがとうございました。

回答No.4

inara1

LM833を 12Vの単電源で動作させると、入力電圧範囲は 2V～10V 程度になります [1]。ご質問にある回路では入力電圧が0V付近になるので動作しません。参考URLの回路ように、非反転入力端子に電源電圧の半分程度のDC電圧（6V）を与えると動作します（センサの一方もここに接続）。参考URLでは回路シミュレータで増幅率の周波数特性を見てみました。R4016A は40.1kHzあたりに感度のピークがあるので [2]、その周波数で100万倍（120dB）増幅する設計だと思いますが、ほぼ100万倍に増幅されています（2μVppの入力で2Vppの出力）。なお、参考URLの出力波形から分かるように、出力電圧は6Vを中心に出てきます。

[1]　LM833データシート　http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM833.pdf
[2]　R4016Aデータシート 　http://www.nicera.co.jp/pro/ut/pdf/R4016A1(ENG).pdf

お礼

回路例まで添付してくださり、本当にありがとうございますｍ（＾_ _＾）ｍ
元の回路を直したところ、とりあえず動作はしているようです。
雑音がかなりひどい状態になっている（？）ように思いますので、帯域通過フィルタ等を通して雑音を減らすことが出来ないかを考えてもう一度きちんと回路を組んでみたいと思います。

回答No.3

inara1

オペアンプの非反転入力（＋）がGNDになっていますが、オペアンプはGNDの入出力が可能なものですか？
オペアンプの型番と電源電圧（±15Vとか、+5V/0Vとか）を教えてください。超音波センサの型番も分かればそれも教えてください（秋月で売っているのようなものでしょうか）。

補足

回答いただきありがとうございます；
ICはLM833Nを使用しており、アンプ側の電源電圧は12[V]にしております。
超音波センサは、T/R4016A1（日本セラミック製）を用いております。

回答No.2

oyaoya65

回路図を添付し、回路中の素子値、オペアンプ規格、超音波センサー出力の出力規格（出力の電圧レベル）などの情報を書いてください。

100万倍という増幅する場合は、入力側の雑音レベル（1mVのオーダー）が問題で、おそらくセンサー出力より大きな雑音が混入してしまう可能性があります。雑音がセンサー出力より大きければ、雑音増幅器ななってしまう可能性があります。特に初段の増幅回路の雑音対策が重要になりますね。
最終段のオペアンプ出力を±10Vとすると,
±10/1000000[V}=±10[μV]ですから、
センサー出力は±1～±10[μV]位の電圧範囲に収まっていること。
初段オペアンプの入力側で雑音は少なくてもセンサー出力の1/10位以下の
ノイズ電圧範囲に収まるようにしないと、センサー出力と雑音のどちらを増幅しているか分からなくなりますね。

補足

添付ファイルを載せさせていただきました。
使っているICは、LM833N(低雑音タイプのオペアンプ)で、超音波センサは、日本セラミック製のT/R4016A1を用いております。
この超音波センサの出力電圧レベルは仕様書を見てみましたがわかりませんでした；反射感度としては-67[dB]ということですが…；
ちなみに、送信側の入力電圧は12[V]にしております。
よろしくお願いしますｍ(_ _)ｍ

回答No.1

wathavy

普通に１個の回路で、１００万倍にしていますか？
センサーの波形が読めているということでしたら、試しに倍率１にした回路をつくり、その出力の波形を見てください。
OKなら、倍率をまずは、１０倍、ないしは、１００倍にしてみましょう。
いきなり倍率を上げすぎると、飽和したりしていてわからなかったりしませんか？
せめて、１０００倍にして、２段にしたほうが１００万倍にするのには有利だと思いますが。

いかがでしょうか？

お礼

回答いただきありがとうございます。
確かにいきなり100[万倍]は早計ですかね；　もう一度慎重に、確かめながら回路をくみたいと思います。