I-V変換の周波数特性

質問

現在フォトダイオードを用いた計測を行うため，オペアンプを用いた電流電圧変換回路を作成中ですが，製作した回路の周波数特性が測定できずに困っています。

電流出力タイプのファンクションジュネレータが手元にない上に，想定する電流値が数マイクロアンペアと微小であるため，はじめはファンクションジュネレータの出口に直列に１Mの抵抗をつなぐ事で，1V流せば1uといった形で測定しようと試みました。しかし，実際に計測すると，回路シミュレーションなどで想定していたものと大幅に異なる特性しか得られませんでした。

はじめは，回路に問題があると考え，改造を試みましたが，どうやら，ファンクションジュネレータの出口につないだ１Mの抵抗の出口ですでに高周波では信号が減衰してしまっていることがわかりました。（後ろのCとローパスしてしまうのかも？）ファンクションジュネレータの出力電圧は10mV～10Vであるため，ローパスしないように抵抗値を小さくするのにも限界があります。

どうすればI-V変換回路の周波数特性を調べられるでしょうか？また，通常I-V変換の周波数特性はどのように計測するものなのでしょうか？（ちなみに数MHz程度のカットオフ周波数のオペアンプを製作しています。）

回答No.3

tadys

＞製作した回路の周波数特性が測定できずに困っています。
測定は出来ているんでしょ！
出来ているからシミュレーションと異なると言えるのではないですか。

どんな回路を作って、シミュレーション結果と測定結果がどのように異なるのかを示してもらわないと他人には分かりません。
実験ノートの無い実験と同じです。
条件をちゃんと示してくれれば、答えのほうも良くなるでしょう。

シミュレーションは所詮、パソコン内の架空の世界です。
パソコン内の世界をどれだけ現実に合わせられるのかが問題なのです。

現実の世界には純粋なLCRは存在しません。
どんな抵抗にもLC成分はあります。
他の素子でもLCRの成分を含まないものはありません。
配線ですらLCR成分を持っています。
シミュレーションの結果が思わしくない場合には付随するＬＣＲの成分の影響を考える必要があります。

LCRにおいて、その値が非常に大きい場合や小さい場合には他の成分の影響が目立ってきます。
たとえば、１MΩの抵抗に１ｐFの寄生容量がある場合、１００ｋHzでの１ｐFのインピーダンスは１．６７MΩとなり無視できる値ではありません。
１MΩ//１ｐFの抵抗は１ｋHzでは１MΩ//ｊ 167M、１００ｋHzでは１MΩ//j１．６７MΩです。
（注：//の記号は並列接続の意味）
１MΩの抵抗で１ｐFの寄生容量は十分に有り得る数値です。

それではどうするかというと、抵抗を小さくするしか有りません。
ファンクションジュネレータの出力が大きいのは、アッテネータを挿入することで対応します。
６０ｄBのアッテネータを挿入すると振幅は１／１０００になるので、１０ｍVが１０ｕＶになります。

アッテネータを自作する場合は１段で６０ｄＢでは性能を出しにくいので、１０～２０ｄＢを数段繋ぐのがいいでしょう。
秋月でアッテネータを購入できます。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00052/
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00050/
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回答No.2

xpopo

今晩は。

＞ファンクションジュネレータの出口に直列に１Mの抵抗をつなぐ事で，1V流せば1uといった形で測定しようと試みました。しかし，実際に計測すると，回路シミュレーションなどで想定していたものと大幅に異なる特性しか得られませんでした。
＞どうすればI-V変換回路の周波数特性を調べられるでしょうか？また，通常I-V変換の周波数特性はどのように計測するものなのでしょうか？（ちなみに数MHz程度のカットオフ周波数のオペアンプを製作しています。）

回答＞＞測定方法はそれで問題ありません。
　回路シミュレーションで想定されたということですが、OPアンプの反転入力と非反転入力の間にはフォトダイオードの等価容量（100pF前後）と配線による寄生容量（数pF）を織り込んでシミュレーションされてますか？これらの容量を織り込まないでシミュレーションしてしまいますと随分実際の特性からずれてしまいます。こちら（http://yahoo.jp/box/uP5msn）にフォトダイオードの等価容量を100pF、OPアンプはFET入力タイプのLF356を使った場合に信号源に電圧信号源とそれにシリーズに１MegΩの抵抗をつないだ擬似電流源と理想電流源を使った場合について周波数特性をシミュレーションした結果を載せてあります。
　回路は信号源に電圧信号源とそれにシリーズに１MegΩの抵抗をつないだ擬似電流源の場合を（ａ）に、理想電流源を使った場合を（ｂ）に示してあります。
　シミュレーション結果を見てください。信号源に電圧信号源とそれにシリーズに１MegΩの抵抗をつないだ擬似電流源の場合の出力の周波数特性を黄色の線でV(out_1)で、理想電流源を使った場合の出力V(out_2)を青い線で示してあります。
　電圧信号源とそれにシリーズに１MegΩの抵抗をつないだ擬似電流源の場合は電流源の電流に換算するには入力電流は電圧信号源の１／１MegΩになりますから、黄色のV(out_1)は電流入力の場合のゲインに換算するにはV(out_1)を１MegΩ倍すればよいわけです。シミュレーション結果の上側の周波数特性V(out_1)*1Megになります。この特性は青い線の理想電流源を使った場合の出力特性V(out_2)に完全に一致しています。
　と言うことは、ファンクションジュネレータの出口に直列に１Mの抵抗をつなぐ事で等価的に理想電流源を使った場合に等しいということになります。
　ただ、測定する場合は必ずフォトダイオードの等価容量に相当する容量をOPアンプの反転入力と非反転入力の間に接続することが必要です。

回答No.1

kuro804

こんばんは

通常ファンクションジュネレータ等は出力インピーダンスが５０Ωであり、５０Ωの終端を用いることが前提です。
つまりインピーダンスのマッチングを行って始めて正常な波形が出力出来ます。

従って、今回の場合は、どの程度の周波数を扱われるか不明ですが、一般的には高インピーダンスでの高い周波数の扱いは浮遊容量などの影響を受けやすい為、高度な技量が必要です。
１MΩは出来るだけ低い値が望ましいですので、必要最小の値を求めるのも必要でしょう。

取りあえず私が分かる範囲では、ファンクションジュネレータから電流電圧変換回路までは同軸ケーブルで持ってゆき、変換器入り口で５０Ωの終端抵抗を入れます。この終端抵抗のホット側から１MΩの抵抗で変換回路へ接続します。

ファンクションジュネレータから同軸ケーブルで引き回し（１ｍ程度）、この終端抵抗と１MΩと変換回路入力部は大きくても２cm角の広さに納めれば、平均的な計測が出来ると思います。
これで誤差が多ければさらに、実装面での考察などが必要でしょう。