オペアンプ、コンパレータ等を使用した回路についての相談(その2）

Question

前回、点線以下内容にて質問させていただきました。回路構成としましては理解済みなのですが、
入力電圧である50mV~140mVの電圧は、ブリッジ回路出力であることをお伝えし忘れておりました。
入力電圧がブリッジ回路からの出力であっても、教えていただいた回路は問題なく動作可能でしょうか。
もし、改良すべき点、注意すべき点がございましたらアドバイスどうぞよろしくお願い申し上げます。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------


添付のように、入力電圧として50mVから140mVまで変化するアナログ電圧があります。
この入力を増幅して1Vから5Vに変換したいです。また、入力電圧が100mVを越えた時にオープンコレクタ出力をON（100mV以下ではOFF）にする回路を構成したいです。

回路、可能であればおすすめのデバイス等含めアドバイスどうぞよろしくお願い申し上げます。

※電源電圧としましては、出力のDC5Vを担保できる値に設定いたします。

m-jiro · Accepted Answer

>　B点は1.200Vにしたいわけではなく、A点の出力を1.250Vにするために可変抵抗にて調整した結果です。
→　VRを回してもAの電圧は変化しません。これに相当するのがR3とR4です。要するにBの回路は必要ないです。

No.2の回路図ではR3を+12Vにつないでいますがセンサ電源の2.5Vから取っても良いです（コンパレーターの基準電源も）。2.5Vは高安定のようですからそうした方が好ましいですね。
そうすれば+12Vはop-Ampの電源のみに使うことになります。ノイズやリップルに問題がなければ安定化してなくて大丈夫です。

そんなことを加味してNo.2の回路図を書き直しました。
これでVbは1.256V（調整範囲は計算上で1.13～1.37V）、Gainは44.44倍（同35～55倍）、Vcは1.30V（同1.24～1.46V）です。

m-jiro · Answer

こんばんは　m-jiroです。

>　VR1：入力に対するオフセット調整
>　VR2：１～５Vにするためのゲイン調整
>　認識合っておりますでしょうか。

→　そのとおりです。
この2つは関連しており一方を調整すると他方が少しズレます。交互に何度も調整して合わせ込んでください。

なおNo.7の回路図ではVRの調整範囲は検討していません。（もう少し広めにした方がよいでしょう）
本来はセンサー出力の1.25～1.34Vにどれだけ誤差があるのか、基準電圧の2.5Vの誤差、抵抗の精度を考慮して調整範囲（つまりVRの抵抗値）を決定します。これを考えておかないと量産したときに調整しきれない不良品が発生します。逆に調整範囲が広すぎるとVRをちょっと動かしただけで大きく変化して調整しづらくなります。
VRには10回転型とか20回転型といった物もあるので検討してください。
たとえば、　https://www.marutsu.co.jp/pc/i/65191/

良い物ができるようお祈りします。がんばってください。

m-jiro · Answer

m-jiroです。何度もお邪魔します。

まず確認ですが、A点（センサー出力）の電圧は 1.250～1.340V、これをこのアンプで 1～5V に変換する、ということで間違いないでしょうか。
そうであれば No.2添付の回路図は、Vb＝1.256V 、R3＝40.20KΩ になります。（No.2添付の回路図でR3＝43.15KΩは間違ってましたね。失礼しました。）

>　B点をVbに、Ａ点をViとしたのでは、うまく動作しないでしょうか。
→　B点は1.200Vにしたいのでしょう？　Vbは 1.256V でなくてはなりません。電圧が違います。
Bの電圧を1.256VにするならVbとして使用できます。その際はR3、R4を撤去し、その代わりにB点をopｰampA2の＋入力に接続します。

入出力電圧には
Vo＝（Vi－Vb）×（R2／R1）＋Vi　　の関係があります。

コンパレーターの閾値も1.30Vに変更になりますね。R5＝38.68KΩ になるはずです。

m-jiro · Answer

こんばんは、mｰjiroです。

ブリッジ回路（追加された手書きの回路図）にされるのならNo.3の回答に添付した「計装アンプ」が絶対のお勧め。op-ampを4回路使っています。入力信号の変化範囲が50mV～140mVであればこのままの回路・定数で1～5Vを出力することができます。ViとGND間、VnとGND間の電圧はいくらであろうと動作に関係ありません（極端にズレるとA1、A2が飽和します）。ViとVnの差の電圧にのみ反応します。

No.2の回答に添付した回路図にはひとつ問題があります。
GND配線の抵抗です。センサー電源の2.5Vはこのアンプ基板から送るでしょうね。GND線は信号の基準電位を伝えると共に電源電流が流れることで電圧降下を生じます。
AWG24（約0.2sq）の電線は1mで約0.1Ωの抵抗がありますがセンサーに10mA流れれば1mVの電圧が発生します。センサーは正しく1300mVを出したとしてもアンプ側では1301mVとして届くので出力電圧は44.4mV（約1.1%）増加することになります。
アンプのVbを少しずらせば対応できるでしょうが、もし接続コネクタの接触が悪くなれば大きな誤差になります。No.3に書いた計装アンプではVi、Vnの配線は電線の抵抗が相当に高くなっても誤差になりません。またセンサー電源をこのアンプから送っても配線の電圧降下は誤差になりません。

m-jiro · Answer

こんばんは
説明の都合で重量計にたとえて書かせていただきます。
すなわち、計量値が0Kgのときセンサーからは1.30Vが出力され、100Kgのとき1.39Vが出力されるものとします。

No.2 の回答に書いた回路図は、
入力が1.30Vのとき出力は1.00V、入力が1.39Vのとき5.00Vを出力する回路です。
センサーがブリッジになっていることも無視しています。よって「50mV云々」と書かれても無視せざるを得ません。
50mVを基準にするのであれば No.3 回答に書いた計装アンプの回路でなくてはなりません。

>　Vn側は基本的にブリッジ回路に印加しております電源電圧が変動しない限り変動することはございません。
→　センサー電源の2.5Vは厳重に管理してください。これが変動すると基準点も感度も変わります。すなわち0Kgで1.31V、100Kgで1.42Vといった具合になります。
計装アンプ回路を使用してもVnの電圧が変動するのでダメです。

>　センサー側の初期出力は1.25Vで、上記可変トリマで調整をし、ブリッジ回路の出力として50mVにしようとしております。
>　こうなりますとバイアスをかける電圧レベルが変更になりますでしょうか。
→　VRを回したとき「0Kgではセンサー出力は1.30V、100Kgのとき出力は1.39V」。これは変動しませんか？　もし変動するのであれば基板上のVRを調整し直さねばなりません。

>　ブリッジ回路の出力であっても片側は使用せず（こちらはあくまで初期の出力設定用）、センサー側のみから信号を取り出すというパターンもありでしょうか。
→　「初期の出力設定用」ということはこの回路に1.25Vを加えることがある、ということでしょうか。No.2回路の入出力関係は、
Vo＝（Vi－1.307）×44.44＋1.307　　ですから、Viを1.25Vとして計算するとVoは－1.23Vとなります。opｰampの負電源端子はGND（つまり0V）ですから0V以下は出て来ません。実際に負の電圧を出すのであればop-ampには負電源として-5～ｰ12Vを与えてください。

→　本件ではブリッジであっても片側には信号は乗っていないので信号側だけを使う方法で構いません。

m-jiro · Answer

m-jiroです。何度も失礼します。

添付図は計装アンプと言われるものです。
この回路はVi、VnのGNDに対する電位がいくらであろうとViとVnの差の電圧のみに反応します。また出力にオフセットを与える場合でもゲインとオフセットは独立して調整できます（互いに影響しません）。
本件では利得は44.44倍必要ですので、2つのアンプは4.44倍と10倍にしています。
（Vi－Vn）が50mVでオフセットがないときの出力は
Vo ＝ 50mV × 44.44 ＝ 2.22V　になります。
貴殿のご希望は Vo＝1V ですから －1.22V のオフセットを加えれば良いということになります。
（Vi－Vn）が140mV では
Vo ＝ 140mV × 44.44 － 1.22 ＝ 5.00V　になります。

ゲインとオフセットは無関係に調整できると書きましたがこれは入力が 0mV の時です。本件では50mVと140mVで合わせるので繰返し調整・確認してください。
op-ampは 超超精密用途 でない限りLM358あたりで良いでしょう。
A4アンプのあたりは負電圧を扱うので正負両電源が必要です（A1～A3は正電源だけで働きます）。正電源は5Vを出力する関係で8Vは必要ですね。負電源は5V程度でも良いです。汎用性を考えれば±12Vになるかな？
どうしても正電源だけで－1.22Vのオフセットを作りたいのであればA3アンプの－入力端子と+12V電源の間に抵抗を接続して回路のバランスを崩してください。抵抗値は300KΩ程度になるはずです。もちろん実際の回路で調整しなくてはいけません。ただし邪道な使い方なのでお勧めはしません。

計装アンプは半導体メーカーからワンチップにしたものが販売されています。例えば、
https://www.ti.com/jp/lit/ds/symlink/ina114.pdf?ts=1717170278416&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252Fja-jp%252FINA114

m-jiro · Answer

こんにちは、m-jiro です。

ブリッジ出力だったんですね。でも信号が乗っているのは片側だけですね。
信号側だけを使い1.30～1.39Vを1～5Vに増幅するようにしました。
アンプゲインは前回と同じで 44.44倍ですが、オフセット（バイアス電圧）を1.307Vにしています。ここにバッファアンプを入れたのは分圧抵抗の値が大きくなりそのインピーダンスがゲインに影響し過ぎるためです。（前回は分圧抵抗の100Ωをプラスして都合良く2.3Kになったんです）
これで入出力の関係式は
Vo＝（Vi－1.307）×44.44＋1.307　となります。
（入力1.3Vで出力は1.00V、1.39Vのとき5.00V）
各抵抗値は計算上での値です。たとえばR1の2.302Kなんて値は市販されていません。市販されている2.2Kに200～500Ωの可変抵抗を直列に入れ、テストの段階で調整してください。R3、R5も同様です。
R1とR3は互に関係しているので何度も調整・確認してください。

コンパレーター部は閾値を1.35Vにしました。ヒステリシスを10mV弱付加しています。ヒステリシスを大きくするにはR7を小さくしてください。

※　添付図の抵抗値などは再計算してください。
※　センサー信号がブリッジ形式（Vn側にも信号が乗っている）であるならこの回路ではダメですね。専門的には「計装アンプ」と言われるop-ampを3つ使った回路があります。しかし本件に対応させるには負の電圧を用意せねばなりません。１、２日中に書いてみますので良かったら見てください。

angkor_h · Answer

50mV-140mVを1V-5Vという事は、
50mV×20倍-140mV×36倍と倍率が変化するので、
非直線増幅器となるため、実現は難しいです。

差分比率から見れば、44倍の増幅器でよいです。
50mV-140mVの入力は、出力が2.2V-6.2Vになり、
出力の基準点をｰ1.0Vにすれば、目的の出力を得られます。

> 入力電圧が100mVを越えた時に
単にその電圧を閾値として、オペアンプの+-に入力すればよいです。
入力電圧ではなく、相当する出力電圧を使ってもよいです。

> ブリッジ回路出力であることをお伝えし忘れておりました。
回路の右側からの出力電圧は抵抗分割の固定値なので、
ブリッジ回路出力だから、という意味は無いです。
逆に、上下の電圧が電源と接地で変化しないので、
ブリッジ回路とは言いません。

オペアンプ、コンパレータ等を使用した回路についての相談(その2）

> B点は1.200Vにしたいわけではなく、A点の出力を1.250Vにするために可変抵抗にて調整した結果です。

こんばんは m-jiroです。

m-jiroです。

こんばんは、mｰjiroです。

こんばんは

m-jiroです。

こんにちは、m-jiro です。

50mV-140mVを1V-5Vという事は、

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