非反転増幅回路の増幅倍率について

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。

No.12 回答者： inara1 回答日時： 2008/12/13 06:23

＞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/d …）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 …
[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。

この回答への補足

＞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。

補足日時：2008/12/13 21:04

No.11 回答者： inara1 回答日時： 2008/12/12 07:33

＞▽にダイオードを取り付けると12個の信号が逆流しないのではないか，と思いました

直流バイアスをかけないでダイオードだけ入れても、ダイオードの等価抵抗が非常に大きいので、入力信号がその等価抵抗とRとで分圧されて、2pinに加わる信号は非常に小さくなります。

＞今のところ×印を全てカットし，動作確認のときはカットしたパターンをスイッチにしてみようと思っています
ダイオードを入れる方法でもパターンをカットしなければならないのでそのほうがいいです。ただ、むき出しにしたパターンは基板からはがれやすいので、スイッチをつけてON/OFFしたときにパターンがはがれる恐れがあります。ON/OFF時に必要な力が小さいスイッチ（超小型のスライドスイッチ）にしたほうがいいです。

＞あと2pinの信号を入力する場合，カットした場所を全部つなぐと信号が交わったりしませんか？
カットしたパターンにスイッチをつけて、スイッチを全部ONにしたときの話ですね。当然交わりますが、それは動作確認のために、全てのAD622に共通の信号を入力するためです。マイクをつけて動作させるときにスイッチを全部OFFにすれば、マイクの信号は交わりません。

この回答への補足

実際にパターンをカットして波形確認してみました。

理想利得の1000倍に近づきました。
だいたい1000倍になったのですが、若干値が異なりました。このとき誤差はどの程度考えることができますか？
また、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？


前回の補足でスイッチを使用すると言ったのですが、利得が1/10になる原因が判明したので2pinからの信号する必要がないことに気づきました。スイッチを取り付けると構造が複雑になるのでやめます。
マイク信号の入力側から信号を発生させ補おうと思います。

補足日時：2008/12/13 01:38

No.10 回答者： inara1 回答日時： 2008/12/11 21:58

＞×印のところをダイオードに変えても無理でしょうか？

下図のように、ダイオード（▽）のバイアス電圧を変えてスイッチ動作させるということでしょうか。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　┌── バイアス電圧
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　1kΩ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　　　　┌───────────────────┬──┴─　・・・　─ 　E$1（信号入力）
　　　　　　　┌───　）　──────────────┬───　）　───　・・・　─　Ｂ＄４（マイク用電源）
　　　　　　　│　　　　　│　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│　　　　 │
　　　　　　2kΩ　　　　 ▽　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2kΩ　　　　▽
　　　　　　　　│　　　　 │　(2)　　　　　　　　　　　　　　　　　　│　　　　　│　(2)
　マイク　─┴- C ─ ・──-┤-　＼　　　　　　　マイク　─┴─ C ─ ・──-┤-　＼
　　　　　　　　　　　　　│ (1)┌┤　　　　＼　　(6)　　　　　　　　　　　　　│ (1)┌┤　　　　＼　　(6)
　　　　　　　　　　　　　│　　Rg｜AD622　　>─┬─ Vout　　　　　　　 │　　Rg｜AD622　　>─┬─ Vout
　　　　　　　　　　　　　R　(8)└┤　　　　 ／　　 │　　　　　　　　　　　　 R　(8)└┤　　　　 ／　　 │
　　　　　　　　　　　　　│ (3)┌┤+　 ／│(5)　3kΩ　　　　　　　　　　　 │ (3)┌┤+　 ／│(5)　3kΩ
　　　　　　　　　　　　　│　　│　　　　　 │　　　│　　　　　　　　　　　　 │　　│　　　　　 │　　　│
　GND ──────┴─┴────┴──┴────────┴─┴────┴──┴──　・・・　─ GND

バイアス電圧に正の電圧を加えて、ダイオードがONになるような電流を流すと、R での電圧降下が10V以上になって、AD622が飽和してしまいまいます（シミュレーション済み）。

最初に×印を全てカットしておいて、動作確認のときはカットしたパターンをジャンパー線などで全部つなぎ、マイクの信号を入力するときはジャンパー線を全部切り離すという方法が一番確実ですが、それが面倒なら、×印を全てカットした状態で、マイク信号が入るコネクタにテスト信号を入れて動作確認するというのはどうでしょうか。この場合、テスト専用コネクタを作って、１つの信号が全てのマイク入力に分配されるようにすればいいと思います。

この回答への補足

▽にダイオードを取り付けると，片方向にしか電流が流れなくなりますよね？そうすると12個の信号が逆流しないのではないか，と思いました．
初心者なのでダイオードの特徴があいまいでした．

今のところ×印を全てカットし，動作確認のときはカットしたパターンをスイッチにしてみようと思っています．

あと2pinの信号を入力する場合，カットした場所を全部つなぐと信号が交わったりしませんか？

補足日時：2008/12/12 01:28

No.9 回答者： inara1 回答日時： 2008/12/10 21:59

パターン図にはGNDパターンが描かれていませんが、この基板は３層パターンで、AD622の5pin(REF)、AD622の3pin(+入力)、3kΩの一端、入力抵抗R（1.5kΩ→1MΩ）の一端は、隠れたGNDパターンに接続されているのでしょうね。

だとしたら、おかしいのは、12回路全てに渡って、AD622の2pin(-入力)が互いにつながっていることです（下図）。2pin が互いにつながっていると、１２個のマイクを接続したとき、それぞれのマイクの音声信号が全部混合されて 2pin に接続されるので、AD622の出力は全て同じ信号（マイクの音声信号が混合されたもの）になってしまいます。

　　　　　　　　　　　　　┌───────────────────┬────────────　・・・　─　E$1
　　　　　　　┌───　）　──────────────┬───　）　───────────　・・・　─　Ｂ＄４（マイク用電源？）
　　　　　　2kΩ　　　　 │　(2)　　　　　　　　　　　　　　　　　　2kΩ　　　　│
　マイク　─┴- C ─ ・──-┤-　＼　　　　　　　マイク　─┴ C ─ ・──-┤-　＼
　　　　　　　　　　　　　│ (1)┌┤　　　　＼　　(6)　　　　　　　　　　　　　│ (1)┌┤　　　　＼　　(6)
　　　　　　　　　　　　　│　　Rg｜AD622　　>─┬─ Vout　　　　　　　 │　　Rg｜AD622　　>─┬─ Vout
　　　　　　　　　　　　　R　(8)└┤　　　　 ／　　 │　　　　　　　　　　　　 R　(8)└┤　　　　 ／　　 │
　　　　　　　　　　　　　│ (3)┌┤+　 ／│(5)　3kΩ　　　　　　　　　　　 │ (3)┌┤+　 ／│(5)　3kΩ
　　　　　　　　　　　　　│　　│　　　　　 │　　　│　　　　　　　　　　　　 │　　│　　　　　 │　　　│
　GND ──────┴─┴────┴──┴────────┴─┴────┴──┴──　・・・　─ GND

AD622の2pinがどういう理由で互いにつながっているのか分かりませんが、以下のように、互いにつながっている配線を×印のところで全部カットすれば、１２個のマイクの音声信号がそれぞれのAD622でちゃんと増幅されるはずです。

　　　　　　　　　　　　　┌─────　×　───────────-┬─────　×　────　・・・　─　E$1
　　　　　　　┌───　）　──────────────┬───　）　───────────　・・・　─　Ｂ＄４（マイク用電源？）
　　　　　　2kΩ　　　　 │　(2)　　　　　　　　　　　　　　　　　　2kΩ　　　　│
　マイク　─┴- C ─ ・──-┤-　＼　　　　　　　マイク　─┴─ C ─ ・──-┤-　＼
　　　　　　　　　　　　　│ (1)┌┤　　　　＼　　(6)　　　　　　　　　　　　　│ (1)┌┤　　　　＼　　(6)
　　　　　　　　　　　　　│　　Rg｜AD622　　>─┬─ Vout　　　　　　　 │　　Rg｜AD622　　>─┬─ Vout
　　　　　　　　　　　　　R　(8)└┤　　　　 ／　　 │　　　　　　　　　　　　 R　(8)└┤　　　　 ／　　 │
　　　　　　　　　　　　　│ (3)┌┤+　 ／│(5)　3kΩ　　　　　　　　　　　 │ (3)┌┤+　 ／│(5)　3kΩ
　　　　　　　　　　　　　│　　│　　　　　 │　　　│　　　　　　　　　　　　 │　　│　　　　　 │　　　│

この回答への補足

失礼しました。補足を付け足します。

＞パターン図にはGNDパターンが描かれていませんが
この基盤は2層基盤で、裏面（青パターン）の周り（全体）がGNDになっています。

＞AD622の2pinがどういう理由で互いにつながっているのか
AD622の2pinにはマイクとは、別に信号発生器から信号を入力できるようにしてあります。12個同じ信号を発生させたかったので、発生源を1つにまとめるために、このような回路にしています。

＞音声信号が全部混合されて・・・
なんとなく理解しました。
2pinからの信号をカットするとこは避けたいので、×印のところをダイオードに変えても無理でしょうか？

補足日時：2008/12/11 17:30

No.8 回答者： inara1 回答日時： 2008/12/09 22:21

手元の回路シミュレータにはAD622はないのですが、ほとんど同じ特性のAD620のモデルがあったので、AD620で出力波形と周波数特性をシミュレーションしてみました。

その結果を参考URLに貼っておきます。

AD622は Rg = 50.55Ω のときに設定利得が1000倍になります（ [1] の8ページに計算式が出ています）。設定利得が1000倍のときの周波数特性はAD620もAD622も10kHzあたりまでフラットで非常に良く似た特性になっています（AD622は [1] の図８、AD620は [2] のFig.19に特性が出ています）。スルーレートもどちらも 1.2V/μs なので、大振幅での特性もほぼ同じと考えられます。したがって、AD620でのシミュレーション結果はAD622の場合とほぼ同じとみなしていいと思います。

シミュレーション結果を見ると、入力信号が１ｋＨｚ・ 3mVppの正弦波のとき、AD620(AD622）の出力端子（6pin）とOUT端子の波形はほぼ同じで、振幅はどちらもほぼ3Vppあるので電圧利得はちゃんと1000倍になっています。AD620(AD622）の出力には 1kΩ と 0.01μF からなるLPFが入っているので、その前後での周波数特性は10kHz以上の周波数では異なりますが、1kHz付近の利得はほとんど同じ（60dB = 1000倍）です。したがって、回路シミュレーションで見る限り、suika22さんの回路では、1kHz・ 3mVppの正弦波はちゃんと1000倍増幅されるはずです。

可変抵抗の Rg は本当に100Ωですか？可変抵抗に 101 （ 100Ω の意味）と書いてありますか？102と書いてあったらそれは 1kΩ の可変抵抗なので、可変抵抗の回転子を真ん中あたりにしたときの抵抗は500Ω（そこでの設定利得は100倍）になります。

[1]　AD622データシート　http://www.analog.com/static/imported-files/jp/d …
[2]　AD620データシート　http://www.analog.com/static/imported-files/data …

この回答への補足

シュミレーション可能ってことは、回路図的には問題ないんですかね・・・。

この場合カットオフ周波数から非常に高い周波数（1～3kHz程度）だと利得の減衰量は0に近いですよね？
私の回路では3mVppの正弦波を入力した場合、1kHz、2kHz（それ以降）で利得の増幅倍率が変わってしまいます。

可変抵抗の Rg は間違いないです。1ピンと8ピンをテスタで調べました。


１つだけ追加項目があります。
作った回路は１２個分を１枚の基盤とし、並列につなげてあります。
http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isis …
赤が表パターン、青が裏パターンです。

補足日時：2008/12/10 01:47

No.7 回答者： yoyox 回答日時： 2008/12/09 02:34

＞カットオフ周波数（10.6kHz）に比べ、入力周波数（1kHz）が

＞1/10倍になっているため、ゲインと周波数の関係図より、減衰量は-20dBである。
＞このような考え方で良いですか？

見てほしかったのは真ん中の周波数解析のところです。
0dBがいわゆる減衰なし(1倍)で、1E3(1*10^3＝1000)Hzの部分では
-20dB(1/10倍)となっていることを言いたかったのです。
カットオフ周波数の1/10だから信号も1/10ということではないです。
（正しく理解していたのでしたらごめんなさい。）
ちなみにカットオフ周波数の定義は-3dBの減衰となる周波数のことです。

次にボルテージフォロアの件ですが、大体あってます。
利得を1倍に固定したオペアンプのことです。
文献によってはバッファアンプと呼ばれているかもしれません。
ソースの出力インピーダンスによってはオペアンプをドライブすることで
入力電圧に影響が出てしまうことを避けるため、
増幅器の前段にボルテージフォロアを挟むことがあります。
自分がイオンセンサーの信号を増幅する回路を組む時に
手こずったところなので強く説明してしまいました。

まずは回路の抵抗を取り換えてみてから、
それで解決したのであれば組む必要はないでしょう。

参考URL：http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/volt …

この回答への補足

1MΩで回路を組みました．しかし，ゲインを1000倍に設定しているのに100倍になってしまいます．

おそらく回路自体に誤りがあると思います．よろしかったら回路を添削してもらえませんか？http://www4.uploader.jp/user/isisuke/images/isis …

補足日時：2008/12/09 20:32

No.6 回答者： inara1 回答日時： 2008/12/08 23:36

R = 1.5kΩ、C = 0.01μF の場合、1000Hz の信号に対するAD622の入力レベルの理論値は 0.0938倍（約1/10）になります（yoyoxさんの指摘通り）。

R = 100kΩ なら理論値は 0.988倍、R = 1MΩ ならば理論値は 0.999倍 となります。R は100kΩ以上としたほうがいいです。

この回答への補足

近いうちに1MΩで実験してみます。

補足日時：2008/12/09 01:19

No.5 回答者： yoyox 回答日時： 2008/12/08 22:05

このサイトで実際に計算してみてください。

1kHzの正弦波を入力するときの減衰量は-20dBですから、
10分の1の信号強度になるのは理論値通りです。

参考URL：http://sim.okawa-denshi.jp/CRhikeisan.htm

この回答への補足

カットオフ周波数（10.6kHz）に比べ、入力周波数（1kHz）が1/10倍になっているため、ゲインと周波数の関係図より、減衰量は-20dBである。

このような考え方で良いですか？

補足日時：2008/12/09 01:09

No.4 回答者： yoyox 回答日時： 2008/12/07 22:08

配線済みの回路で、図の赤丸部分にテスターを当てれば、

青で示した部分とピンクで示した部分の並列合成直流抵抗になりますよね。

あと、inara1さんがご指摘の通り、カットオフ周波数が高すぎます。

さらにマイクのような小電力の入力を使用されるのでしたら
ボルテージフォロアを噛ますことをお勧めします。
利用目的によっては出力側にも付加回路が必要かもしれません。

この回答への補足

画像を見ることができませんが、yoyoxさんの回答文で理解することができました。
並列回路のため、合計した抵抗値になるんですね。理解しました。

ボルテージフォロアとは、出力をフィードバックさせる回路のことですか？

補足日時：2008/12/09 01:03

No.3 回答者： inara1 回答日時： 2008/12/07 21:46

＞抵抗値は1.5kΩ、コンデンサは0.01μF

その場合、入力部分のRCフィルタのカットオフ周波数は 10.6kHz なので、入力信号の周波数が 10.6kHz 以上でないと、AD622で設定したゲインは得られません。入力信号の周波数が10kHz未満なら一致しなくて当たり前です。R = 1MΩ とすれば、16Hz以上の周波数の入力信号に対して「ゲインの増幅倍率が理論と一致する」はずです。なぜ R = 1.5kΩ なのでしょうか。

この回答への補足

入力信号は1000Hzです．
inara1さんの回答によると・・・一致しなくて当たり前ですね。

RCフィルタ（1次ハイパスフィルタ）のゲインと周波数の関係図で安定領域に入っていないから一致しないんでしょうか？

＞なぜ R = 1.5kΩ なのでしょうか。
実は，過去の研究で1.5kΩの抵抗を使用していたので，何も考えず選定しました．

この回路に1000Hzを入力した場合，RCフィルタの出力が約1/10になりました．この結果は理論通りの結果なのでしょうか？

補足日時：2008/12/08 20:49