電圧ー電流変換回路に関して（うまく動作できません。アドバイスお願いいたします。）

電圧入力を電流出力に変換するために、添付のような回路を検討しました。
実際手組み基板にて製作し、動作を確認したのですが、想定通りの動作になりません。

電源12V、入力がない状態の時オペアンプ1ピンの出力電圧がほぼ12Vになってしまっております。
（＝オペアンプ6ピンも同じ電位になってしまっています。）
入力電圧が入った時にトランジスタがONし、抵抗220Ωにかかる電圧差分をオペアンプ1ピンから6ピンへフィードバックしてバランスさせる想定なのですが。

回路としておかしい箇所、加えるべき箇所、チェックポイント等、アドバイスどうぞよろしくお願い申し上げます。

質問者からの補足コメント

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  kabasan様
  アドバイスいろいろとありがとうございます。
  オペアンプは、AD8642がありましたので2904から変更いたしました。
  FETがいまだ決まっておらず、手持ちのトランジスタ（1段目）と2段目にはMMBFJ177を使用して
  テストしてみました。結果、入力0Vでも約3mA程度の出力がある状態で、入力880mV時に4mA、4400mV時に20mAが作り出せておりません。
  可能な範囲で結構ですので、オペアンプはAD8642で問題ないか、推奨のFETをご紹介いただけないでしょうか。以上、どうぞよろしくお願い申し上げます。

  No.4の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/08/08 16:49

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  kabasan様
  アドバイスいろいろとありがとうございます。
  オペアンプですが、OPA2991IDDFR、ADA4666-2ARMZ-RLを選定しました。
  FETとしましては、Nチャネル（SSM3K09FU,LF、SSM3K15AFU,LF、2SK2009TE85LF）
  Pチャネル（SSM3J35MFV,L3F、SSM3J15FU,LF、RZM001P02T2L）を選定しました。
  これは×等ございましたらアドバイスどうぞよろしくお願いいたします。

    補足日時：2023/08/09 12:03

No.7 ベストアンサー 回答者： kabasan 回答日時： 2023/08/09 13:00

OPA2990 or OPA2991でいいでしょう。

ADA4666は電源18Vまでですから24VはNGです。
ちなみに私はOPA2810を使用していますが、特殊な条件ゆえに選択したのであって、これは非常に高価です。
24Vで使うならFETのVDSSは40V以上欲しいですね。
東芝のN型ならSSM3K318R、SSM3K341R、SSM3K339Rあたりでしょうか。私はRTR030N05を使用しています。
P型はSOT-23パッケージは危なっかしいですね。出力短絡時の発熱に余裕が無いかも。TJ8S06M3Lが秋月で安価に売っています。

この回答へのお礼

度々のアドバイスありがとうございます。
当初は24Vまで考えていたのですが上限15Vで区切ろうと考えております。
オペアンプはOPA2991を使用してみます。
私が選定したFET（Nチャネル,Pチャネル）で、これは×というものがございましたら、ご指摘どうぞよろしくお願いいたします。
短絡時の件のアドバイスも大変ありがとうございます。

お礼日時：2023/08/09 13:54

No.8 回答者： kabasan 回答日時： 2023/08/09 17:10

私なら上限15VとしてもVDSSが20Vのものは使用しないかな。

まあその辺は個人の選択の自由の範囲です。どれでも動くと思いますよ。

この回答へのお礼

度々のアドバイスありがとうございます。
部品注文を終えましたので、入手次第、再度テストしてみたいと思います。
治具とはいえ、VDSS、最終段のFETパッケージ、気をつけます。

以上、どうぞよろしくお願いいたします。

お礼日時：2023/08/10 10:21

No.6 回答者： kabasan 回答日時： 2023/08/08 18:47

残念、AD8642は「出力レールtoレール」で、入力はそうじゃありません。

電源の上側に制限があります。
更にMMBFJ177はエンハンスメント型のFETじゃないですね。
2段目に問題ありです。

前段の出力はちゃんと動いていますか？
コレクタ抵抗とエミッタ抵抗の両端電圧が同じになるはずです。
トランジスタにしている分、ごくわずかな違いはあるでしょうが、ここはそれなりに動作するとは思います。ご確認ください。

この回答へのお礼

アドバイス大変ありがとうございます。
前段はきっちりではありませんが想定通りの動作をしております。
使用したオペアンプとFETが✖ですね。
治具での使用を考えております。責任、一切のクレーム等はいたしませんので、適切に動作可能となるオペアンプ、FETのメーカー、型式を参考に教えていただけないでしょうか。以上、どうぞよろしくお願い申し上げます。

お礼日時：2023/08/09 10:32

No.5 回答者： xs200 回答日時： 2023/08/05 17:56

No.1の回答は気にいらない(確かに抵抗のバランスをとるのが大変)ようなのであなたの回路を修正しました。

電流はV1/R4で決まります。

No.2の回路をもうちょっと説明すると1段目はカレントミラーです。電流入力です。ドレイン電流Iout=Iin*10k(OPアンプの+の抵抗)/10k(FETのソースの抵抗)、Iin=Vin/10kですからIout=Vin/10kになります。2段目はトランスコンダクタンスアンプ。入力電圧を電流に変換します。入力がレールツーレールに対応していないといけません。

No.4 回答者： kabasan 回答日時： 2023/08/04 11:41

一つめのオペアンプとNchのFETがGND基準の定電流回路１です。

FETのドレイン抵抗とソース抵抗には同じ電流が流れますから電圧も同じ、つまりそれで制御電圧をVCC基準の負の電圧に極性反転しているだけです。
入力が5Vなら、二つ目のオペアンプの入力電圧はVCC-5Vとなります。
二つめのオペアンプ以降はVCC基準のシンプルな定電流回路です。
それが分かれば話は簡単。
5V時に20mAなら200Ωを250Ωにします。

この回答へのお礼

ご丁寧な説明ありがとうございます。
早速いろいろと試してみようと考えております。
手持ちでいくつかのFETはあるのですが、もし推奨できるFETがあれば、いくつか候補を教えていただけると幸いです。
重ねてお礼申し上げます。どうぞよろしくお願いいたします。

お礼日時：2023/08/06 20:35

No.3 回答者： kabasan 回答日時： 2023/08/03 20:42

#2です。

レールツーレールのオペアンプじゃないと0ｍAまで落ちないですよ。
GND側もVCC側も目いっぱい使いますから。

この回答へのお礼

アドバイス、大変ありがとうございます。
レールツーレールのオペアンプに変更してテストしてみます。

ちなみになのですが、約1V入力時4mA、約5V入力時20mAとするには、どの箇所を調整すれば良いでしょうか。
また、電源電圧12Vですと、電流を流し得る負荷抵抗は何Ωくらいになりますでしょうか。
度々で申し訳ございません。どうぞよろしくお願い申し上げます。

お礼日時：2023/08/04 10:26

No.2 回答者： kabasan 回答日時： 2023/08/02 15:08

3ピンは6V固定になりますね。

だったらその出力である1ピンは12V以上出さないと2ピンがバランスしません。絶対無理ですね。
ローサイド入力ローサイド出力の定電流回路なら、下図が実際に私が設計し製品として出荷している回路です。4V入力時に20ｍAとなるように書き換えています。
参考にしてください。

この回答へのお礼

アドバイス大変ありがとうございます。
NCHのFETが手元になかったため、そこだけトランジスタにして実験してみました。約4Vにて20mA出力が確認できました。

しかし、入力電圧が0Vの状態でも6.5mAほど出力される状態でありました。

約1V入力時4mA、5V入力時20mAに設定するための変更箇所、定数等教えていただけますでしょうか。

感謝しております。どうぞよろしくお願いいたします。

お礼日時：2023/08/03 18:31

No.1 回答者： xs200 回答日時： 2023/08/02 11:53

複雑なので簡単にしました