オペアンプの挙動について

質問

http://fuzei.rejec.net/diagram.jpg

を見て下さい。

良品と不良品について同じテスト項目のときの電圧値を比較しました。四角で囲ってある方が不良品です。

テスト項目はR9の両端の電圧値が適正か調べることのようです。合格範囲の下限値が1.95Vで不良品はギリギリ下回っています。(上限値は2.00V)

で、これを修理したいわけなのですが、そもそもIC4B部分のオペアンプの使い方が分かりません。

良品はR12の両端が0.68Vもあり、不良品は0Vです。オペアンプの特性上入力電流は理想的には0Vなので不良品の挙動が正しいように思うのですが、何度測っても図に書いた値に間違いはなかったです。ここが一番よく分かりません。

それからIC2はそもそもどういう目的の部品なのかデータシートを見てもイマイチピンと来ません。この回路一体の挙動について勉強したいのですが、どうやったら分かるでしょうか？

注)今回のテストは供給電圧が32Vです。回路図で+24Vと書いてあるところが実際には31.1Vくらいになっていました。

以上よろしくご教示下さい。

回答No.6

kuro804

こんばんは
２回目の補足　頑張ってみました。

その４の３入力加算アンプについてです。
まず、R5とR9に注目し１入力反転増幅器について
この増幅度A9＝R5/R9＝７５ｋ/２００ｋ＝０．３７５
同様に　　　A15＝R5/R1５＝７５ｋ/７５ｋ＝１
同様に　　　A２６＝Ｒ５/R２６＝７５ｋ/７５ｋ＝１
加算回路とは上記おのおのの出力を加算したのが実際の出力として扱われる。
また、当回路のマイナス側電圧をー１５．５３Vをとすると。
R9　の入力電圧は１７．５２Vー１５．５３V＝１．９９V
R15の入力電圧は１２．５４V－１５．５３V＝ー２．９９V
R26の入力電圧は１５，５３Vー１５．５３V＝０V
従って各出力は反転増幅の為極性は反転する事に気を付けて
R9　の出力電圧は１．９９Vｘ（－０．３７５）＝ー０．７４６V
R15の出力電圧はー２．９９Vｘ（－１）＝２．９９V
R26の出力電圧は０Vｘ（－）１＝ー０V
よって加算された出力は　ー０．７４６＋２．９９Vー０V＝２．２４４V
これにマイナス電圧をくわえれば質問者のテスターの電圧に補正されるから
テスター電圧＝２，２４４V＋１５．５３V＝１７．７７４V　が計算結果です。

では実測値１７．７９Vとの差異は約０．０１６V（約０．０８９％）
まあまあの計算結果ですね！むしろ合いすぎてるきらいがありますが．．．

補足
計算結果と合いすぎですので抵抗の精度はそれなりに良いものが使われていると推察致します。
初心者の場合は下記の実装的な注意が必要です。
オペアンプの誤差は回路に使用されている抵抗の誤差が大きくなりがちです。
最低でも金属皮膜抵抗の１％は程度は必要です。
汎用のカーボン抵抗５％のものは通常その誤差も大きいですが温度特性が悪くてオペアンプの回路には向きません。
以上の補足は今回の件では十分な精度の抵抗が使われてるようですから、精度の点では問題はないようです。

回答No.5

rabbit_cat

うーん。
＞良品はR12の両端が0.68Vもあり、不良品は0Vです。オペアンプの特性上入力電流は理想的
＞には0Vなので不良品の挙動が正しいように思うのですが、何度測っても図に書いた値に
＞間違いはなかったです。ここが一番よく分かりません。

問題はそこ（R12の両端電位差）ではないです。
「良品」のIC4Bは、動作時に入力の＋－端子（IC4Bの5番と6番ピン）間の電位差が0.7V近くあるということですか？
それでいて、出力電圧（17.52V）は飽和していない？）
＃３さんのデータシートを見る限りオープンループゲインが、最低100dB（１０万倍）あるオペアンプで、入出力間の電位差が0.7Vもある状態で動作するなんてことはありえないです。
まさか、
・実は、IC4Bに供給されている電源電圧自体が、17.52Vだった
・あるいは、IC4Bの出力ノードにつながっているProbbeds６番ピンの先に実はものすごい負荷をくっつけてる
なんて落ちはないですよね。。

その「良品」の IC4Bは、いくらなんでもおかしい。
質問者の文の中にあるとおり、「不良品」のIC4Bこそが正常動作品であって、「良品」のIC4Bが壊れていると考えるのが自然というか、それ以外に考えようがないです。

ようは、「良品」といっていたものが、壊れたオペアンプの特性がたまたまうまくいっていただけで、正常なオペアンプをつけたら「不良品」になってしまった、としか解釈のしようがないです。

あと、最後に一応確認しますが、これは、ＤＣ（直流）の回路なんですよね。実はＡＣの回路で、図に示されている電圧は、平均電圧を示している、とかいうことはないですよね。。。

補足

この回路はDC回路です。

確かに私も＋－の電位差が0.7Vもあるのはおかしいとは思うのですが、別の良品を測ってもやはり0.7Vありました。データシートの許容値より遥かに入力バイアス電流が大きいので怪しい気はするのですが、よくわかりません。

IC4には今回は31.13Vの電源電圧がかかっています。

回答No.4

kuro804

こんにちは。補足に対する回答です。

その１
IC4Dの動作
ツエナーダイオードD3（３．０V)を正常に動作させるには１ｍAから１０ｍA程度の電流を流します。電流が少なければ本来の定電圧特性が得られません。R23による電流は１００ｕＡ以下であり、十分ではありません。従って当IC4DによってR24を通して電流をD3に流し、定電圧特性が良好に維持出来る電流値に制御していると考えます。
この回路はD2の両端を短絡すれば１．５倍のアンプです。入力がー３．００Vなら出力はー４．５Vになります。（注意　この電圧値はOPアンプにとっての常識である”０”のつかないグランドシンボルを０V基準です。）D2があることでダイオードにプラスの電圧をかかるのを阻止します。
R24による供給はアンプが正帰還として働く要因になりますがツエナーダイオードの非直線性により、ダイオードの等価動作抵抗が数十Ω程度で、R２4の１ｋΩとの比率となり、正帰還量は１に対して十分小さく、正帰還の発振条件１以上にはなりません。
以上IC4Dの動作は推察です。もう少しましな見方が出来る気がしますが？分かりません。
結論はIC4Dはー３．００Vを作るD3ツエナーダイオードの特性を補強している。

その２
R２５はC12とで低域フィルターとして働き＋２４Vライン上の雑音がICへ混入することを防ぎます。
下記日本語データシートP13に記述があります。
http://www.tij.co.jp/product/jp/XTR111/technicaldocuments

その３
R２５が１０ｋΩの値なるなどの不良について
通常、抵抗の破損は過熱による焼損です。つまり定格以上の電力を消費した場合ですが、
当回路では消費電力は１０ｍW以下であり電力消費による劣化は考えにくいように思えます。
R25消費電力＝
［（出力電流最大値２０ｍA）＋（IC静止電流０．５ｍA）］の２乗 ｘ　［R25 ４．７Ω］
＝　１．９８ｍW　
その他、工場などでの１KW以上の電力機器が設置されている環境での電源ラインにはサージ電圧が予想を超えた高電圧が混入する場合があり得ます。これ対するものとしてサージアブソーバーなどの異常高圧電圧をカットする素子が一次側商用電源部、２次側直流部、電子回路部に各実装する事で対応しています。
下記サイトの”DC電源開閉サージ”　あたりが適用されるでしょう。
多分４０Vから５０V辺りのブレイークダウン電圧の素子が候補でしょう。
下記サイトの”DC電源開閉サージ” ー＞　”B"　をクリックでPDFがダウンロードを参照
私ならなんの保証も致しませんが　ZP1040　辺りで取りあえず試験的に電源２４V間に入れます。
http://www.okayaelec.co.jp/product/surge/

その４
R9に流れる電流がゼロ？
R9,R15,R2６の三つは　３入力加算アンプIC4Cの入力部です。IC４Cの１０番端子電圧を０Vとして入力０Vからマイナス側のみ有効な反転増幅器です。入力端子はR9では抵抗の左端、R15では下側、R26では上側が入力端子に相当します。IC端子９と８間の帰還抵抗が７５Kですので各入力端子の増幅度はそれぞれ同一の１倍アンプとして働きます。
即ち、各端子がー１V、ー２V、－３Vならばアンプ出力はー６Vになります。
さて、R9に流れる電流についてはR9の右側は常にIC１０番端子の電圧に等しくなります。
R9の左側の電圧が変動してもIC4Cが正常動作範囲ならば常に１０番端子の電圧であり、変動しません。
例えばー２VがR9の左側電圧とすれば、Ｒ９の右側は１０番端子と同じ電圧で約０V、従って２００ｋΩで１０μAがR9の右から左に流れます。ではR9の右側から流れ込む電流は、R5の７５ｋを通してIC4Cの出力端子８番端子から流し込みます。つまりR9の左側に流れる電流はアンプ出力が＋０．７５VとなりR5を通して１０μAの電流をR9へ供給する事を意味します。但しこの時の他の２つの入力はゼロボルトとします。他の入力部のR15とR26は７５ｋであり１倍のアンプとして働きます。R9がー２V,R15がー３．０V、R26がー１VとすればIC4C出力は加算した＋４．７５Vになります。
以上はＯＰアンプの基本動作です。

以上、間違いなど含まれるかと思いますが参考になれば幸いです。

補足

返信が遅くなりすみません。ご丁寧にありがとうございます。
ただ仰っている内容が難しくてあまり理解できませんでした。

一番知りたいのは「その4」です。
三加算反転増幅回路とのことですが、計算式がわかりません。

R9の左:17.52V
IC4-9pin:15.53V
R26の上:15.53V
R15の下:12.53V

これらからどうやったらIC4C-8pin:17.79Vが導き出せるでしょうか？

回答No.3

bogen555

こうゆうとき、最初にするのは使用部品のデータシートを集めてよく読むことです。
例えば、D3:LM4040AIM3-3.0；
http://www.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/lm4040-n.pdf
IC1:TLE2426；
http://www.tij.co.jp/jp/lit/ds/sgls345/sgls345.pdf
IC2:AD633AR;
http://www.analog.com/static/imported-files/jp/data_sheets/AD633_jp.pdf
IC3:XTR111；
http://www.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/xtr111.pdf
IC4:ADA4000-4；
http://www.analog.com/static/imported-files/jp/data_sheets/ADA4000-1-2-4_jp.pdf
そうすれば、R25はIC3の電源端子に入ってるから、R25とC12で電源ノイズ除去用のフィルタだとわかります。
これがオープンになれば、IC3に電源が供給されないんで動作するわけがありません。
R9はオペアンプ回路を知っていればすぐわかる、反転増幅器の入力抵抗です。
IC4Dの回路も、オペアンプ回路を知っていればわかりますが、D3に1mAの電流を流すための回路です。

回路を見ると、R12とR16は不要だしD1ツェナー・ダイオードの漏れ電流対策が無いのは、設計者にアナログ回路設計の経験不足を感じます。
業務でやっていて成果を求められているんなら、こうゆうところで専門家を紹介してもらった方が良いですよ。
http://www.engineer.or.jp/sub01/
掲示板は無責任かつ間違った回答が多いから。

回答No.2

kuro804

こんにちは
以下推察です。

その１
IC4AはSHIPGND（船体アース？）と当該回路のグランド間の電位差を出力する。
俗称はバッファー用アンプ（OPアンプは利得１のアンプを構成し入力インピーダンスが高いことを特徴とする）

その２
IC4BはIC2がフィードバックに入った非線形増幅器（対数又は指数？）でIC4Aの出力を非直線増幅を行う。

その３
IC4Cは入力のマイナス方向の信号のみ増幅し、プラス入力はほぼゼロ電圧となる。
入力には複数の入力があり、これらは加算回路として加算されて合成された電圧が入力値として扱われる。　
加算されるIC4B以外の入力として考えられる信号は、オフセット用電圧（ゼロ点微調整？）、或いはドリフト補正電圧　及び、計測の校正用電圧　等が考えられます。

その４
IC4は多分Ａ／Ｄコンバータでデジタル信号としてCPU等に取り込まれるのでしょう。

その５
R9の両端電圧について、R9の右側電圧はIC4Cの１０番端子電圧と同じになります（ICの破損がない限り）。
従ってR9の左側電圧を注視します。左側についての回路には特に調整回路が有りませんので判定基準に満たない場合は計測方法又は部品の偏差によるものと考える事になります。
但し、回路設計が２４Vで、使用時は３１V等と解釈すれば、通常ＯＰアンプなどを使用する電源としては極めて不都合な回路と考えられ、電源電圧の安定化が必要でしょう。
回路図上ではIC2の７番端子などはズバリ計測要因として電源電圧の変動が影響するでしょう。
さらに、回路上のグランド電圧が１５V近辺の値になってる事が大きな問題をはらんでる可能性があります。通常回路の動作を見極めるには当該回路に置いてはグランド（R12では回路図下側）を計測するゼロV基準にします。理由はOPアンプの出力とは、OPアンプのグランドに対する電圧を保証し、OPアンプのマイナス電源を基準にはしないことです。

その６
R12の電圧ゼロの不良について
通常汎用バイポーラのOPアンプ（トランジスタ構成）の入力バイアス電流は１μＡ以下ですがゼロではありません。従って４７０ｋで０．６８Vとは計算すると１．４５μA　少々多いですが型が古いのでしょう。これに対してゼロはおそらく破損しているとの判定でしょう。

以上　間違いも多く、思いつくままですので参考程度ということで
がんばって下さい　！

お礼

すみません、オペアンプとは無関係なのですが、R25(ピンクの蛍光ペン)の役割がもしお分かりでしたら教えていただけないでしょうか？検査をするとこのR25がオープン(例えば10kΩとか)になってしまうという不具合が多発しています。回路の設計に問題がないか解析中ですがよく分かりません。

補足

http://fuzei.rejec.net/diagram.org.jpg
が完全な回路図です。

まず、
その５
「回路上のグランド電圧が１５V近辺の値になってる事が大きな問題をはらんでる可能性があります。」
についてですが、説明不足ですみません。

完全な回路図を見てお分かりの通りGNDと思われいらっしゃる部分はGNDではありません。
本当のGNDは横線四本の下矢印の右下に「0」と書いてある部分です。

その２
IC4BはIC2がフィードバックに入った非線形増幅器（対数又は指数？）でIC4Aの出力を非直線増幅を行う。

以外についてはおっしゃっていることは理解できました。
入力バイアス電流があり、0.68Vについても完全に理解しました。

で、本日、IC4、R12両方を交換してみましたが不具合は直りませんでした。
で、R9の新品がなかったので、R9を基板から外してその両端を測ってみましたが、
1.940Vでした。

R9実相時、R9の左から右には電流が流れていないと思います。
このR9は何の役割をするのでしょうか？

それからIC4D周辺の回路も少し難しくて理解に苦しみます。
どういう意図でIC4Dの回路があるのだろう？？？？

修理の次の一手を考えるに当たってはIC2とIC4Bの回路を理解する必要がありそうですが、ここが分かりません。

何か参考になるHPか本か理論などないでしょうか？

回答No.1

bakabon_X

今日は

１）OPアンプ一個単位のの部分で、不具合点、不明点を明示する必要があります（回答を得るためには）。

２）回路全体の動作につきましては、LTspiceがあり、詳しい分析が出来ます。
　米国のエンジニヤーの間では、活発な活用があり、１日に２０人くらいの
　ヂスカッションがあります（書籍もあります）。

以上