OPアンプの空中配線に関する質問

質問

pAオーダーの微小な電流を計測するI/Vコンバータを作製するときなどに
空中配線するのがもっとも良いというような話を聞くのですが、
これに関して教えて下さい。

理由は基板に落とすと寄生容量によってノイズが大きくなるということだと思うのですが、
基板上は空中と比べてそれほど容量は大きいのでしょうか？
例えばユニバーサル基板でランドとランドの間の容量はpF以下ではないのでしょうか？
空中だとこれがもっと少なくなるのでしょうか？

それとI/Vコンバータの場合には計測端子側で寄生容量を持った場合、OPアンプのプラス端子に接続された
グラウンドから入ってくるホワイトノイズにより容量成分による電流がOPアンプに流れ込み
ノイズが大きくなるため、上記のような処置が必要になるということだと思うのですが、
I/Vコンバータ以外の例えばμVオーダーの電圧を測るフォロワとかだとこういった容量成分は
問題にはならないのでしょうか？

回答No.5

KEN_2 · ベストアンサー

No.4 です。
失礼しました。
プリント基板のパターン化で起こる問題で、逆に言えば空中配線であれば影響が軽減する例として取り上げたものです。

テフロン端子の上に部品を組んでいけば、リーク電流の影響を軽減できます。
また配線間の結合も軽減できますので、低レベル高インピーダンスの増幅回路はテフロン端子の上で組んでシールドケースに組み込みます。

＊一番大きい理由はリーク連流です。

回答No.4

KEN_2

基板の漏れ電流や寄生容量も影響がありますが、実験回路をパターン化して問題化するのは、パターン間の電磁誘導とグランドパターンを介しての共通インピーダンスによるアースの信号回り込みです。

高インピーダンス・増幅度のアンプをパターン化すると顕著に発生します。
空中配線ではお互いの配線が結合し難いですが、パターンは並行に引き回したりアース側パターンを纏めると共通インピーダンスによる信号回り込みを発生させます。

高インピーダンス・高増幅度のアンプの場合はノウハウが必要です。

お礼

ありがとうございます。

でもお聞きしたのは空中配線のことなのですが・・

極微小な電圧を扱うときにも空中配線は有効なのかについても教えて頂けないでしょうか？

それと空中配線でなくともテフロン端子の上に配線を組んで行くのであれば、同等の効果が得られるそうなのですが、この理由はなになのでしょうか？
テフロンであると表面の汚れなどの影響が少なくなる理由でもあるということなのでしょうか？

回答No.3

inara1

ANo.2さんの補足ですが、空中配線が良いのは、寄生容量よりも、漏れ電流を抑制する効果が大きいためです。

プリント基板は空気よりも誘電率が大きいので、基板上で配線したほうが寄生容量は大きくなりますが、たとえ寄生容量が完全にゼロでも、オペアンプの入力端子には数pFの入力容量がありますから、これは取り除きようがありません。

プリント基板上に信号ラインと電源ラインが隣接している場合、その配線間の基板表面が汚れたり結露すると絶縁抵抗が小さくなります。絶縁抵抗は下図の R に相当します。

電源Vcc　 ──┬─────────────
　　　　　　　　　 R 絶縁抵抗　　　→ I+Vcc/R
　　　 Vcc/R ↓│　　　┌─── Rf -┐
　　　　　　　 　　│　　　│　　│＼　　　│
信号ライン -─┴──┴─┤-　　＼　│
　　　　　　　　→　　　　　　　 │　　　　 >┴─ Vout = Rf *( I + Vcc/R )
　　　　　　　　I　　　　　　　┌┤+　　／
　　　　　　　　　　　　　　　 ││ ／
　　　　　　　　　　　　　　　 │
　　　　　　　　　　　　　　　 ┷ GND ( 0V )

絶縁抵抗 R が 1GΩであっても、漏れ電流（Vcc/R ）は 15nA になります。これではnAオーダの電流計測はできません。空中配線すればこの漏れ電流を非常に小さくできます。ただし空中配線しても、オペアンプのパッケージ表面が汚れていればpin間に漏れ電流が流れるので意味がありません。どうしても空中配線できないときは、信号ラインの周辺を、下図のように、GND電位の配線（ガード配線）パターンで囲めば、電源-ガード配線間に漏れ電流が流れますが、信号ライン-ガード配線間の電位差はほとんどゼロなので、この間に流れる漏れ電流は非常に小さくなります。ガード配線というのはいつも0Vとするのでなく、信号ラインと同じ電位にすることに意味があります。

電源Vcc　 ────────────────
　　　　　　　　　　↓漏れ電流
　　GND　　───────── ガード配線
　　　　流れない↓　　　 ┌─── Rf -┐
　　　　　　　　　　　　　　 │　│＼　　　　│
信号ライン -────┴─┤-　＼　　│
　　　　　　　　→　　　　　　　 ｜　　　　 >┴─ Vout = Rf *I
　　　　　　　　I　　　　　　　┌┤+　　／
　　　　　　　　　　　　　　　 ││ ／
　　　　　　　　　　　　　　　 │
　　　　　　　　　　　　　　　 ┷ GND ( 0V )

お礼

ありがとうございます。

納得しました。

それと最初の質問文にも書いていますが、
ポテンショメータというかボルテージフォロワで極めて小さな電圧を検出したい場合にも空中配線は有効であるという話を聞いたことが
あるのですが、これはどういった理由からくるものなのでしょうか？
漏れ電流が問題になるというのであれば、電圧には影響しないように思うのですが、どうなのでしょうか？

回答No.2

noname#252164

空中配線する理由は、プリント基板だと絶縁部分に流れる漏れ電流が無視できないからです。寄生容量はあんまり関係ありませんし、寄生容量が問題になるならチップ部品を使って回路を極端に小さくしたほうがいいことになります。ものすごい高周波だとチップ部品を使って立体回路を組む猛者とかもいますが。

プリント基板自体の抵抗値がある程度あったとしても、基板表面がしけったり付着物があったりすると電流がもれちゃうんですよ。

回答No.1

foobar

絶縁抵抗（漏れ電流）を改善する、という理由で空中配線を使用することが多いように思います。