I-V変換回路

半導体検出器からの信号電流を、オペアンプで電流電圧変換することを考えています。
そこで使いやすいように5Ｖ単電源を考えています。そこで質問なんですが
１．入力が0のとき、単電源の場合出力は5VとGNDの中心の2.5Vが出力さ　れるのでしょうか？

２．よくある抵抗とオペアンプのみのI-V変換では発振しやすいときい　たのですが、その防止方法としてオペアンプをもう1段追加すると言　われました。その場合どのような回路となるのでしょうか？

３．電流電圧変換でなく、電荷電圧変換も考えているのですがその場合　積分回路のようになるのでしょうか？

質問がわかりずらいかもしれませんが、どれでもいいので回答できるようであればおねがいします。

No.2 ベストアンサー 回答者： overmoat2 回答日時： 2007/10/11 18:07

反転増幅回路の入力側の抵抗を省略した形の電流電圧変換回路だという前提で回答します。

１について。

入力電流が０のときは、出力電圧はほぼ０Vになります。
おそらくオペアンプの正入力端子は接地されているはずです。ということは、正入力端子の電位は０であり、仮想接地が成立していれば負入力端子の電位もやはり０になります。入力電流が０であれば、負入力端子と出力端子とを接続している負荷抵抗には全く電流が流れなくなり、その両端の電位差は０になります。したがって、出力端子の電位もやはり０になります。

２について。

発振を防ぐために初段の電流電圧変換利得を低く抑えて、第２段で利得を稼ぐという意味でしょうか？そうであれば、２段目は通常の非反転増幅回路でいいと思います。（単電源で作りたいのであれば、信号が反転する増幅回路は使えません。）
１段目と２段目の回路は物理的になるべく離し、そろぞれ別の金属ケースにおさめるなどして、２段目の出力信号が初段に紛れ込まないようにする等の措置が必要です。
ただし、発振防止のためならば、多段化する前に次のような方法をとる方が良い結果が得られると思います。なるべく初段で利得を稼いだ方がSN比は良くなります。

a) 負荷抵抗に並列に数p～数10pFの位相補償用コンデンサを挿入する。
b) 半導体検出器から電流電圧変換回路への配線を極力短くするか、シールド線を用いる。

位相補償用コンデンサはあまり大きすぎると時間分解能を低下させます。位相補償コンデンサと負荷抵抗の作るCR時定数が、必要な時間分解能よりも小くなる範囲でコンデンサの容量を選んでください。

３について
おそらくその通りだと思います。積分回路に、たまった電荷をリセットするための回路を付加することになるのではないでしょうか。

補足
No.1さんがおっしゃっているように、オペアンプはある程度選ぶ必要があります。測定したい電流がnAオーダーとのことなので、JFET入力のオペアンプを使うべきでしょう。

電流電圧変換回路の周波数特性は、感度とのトレードオフになります。負荷抵抗を大きくすれば、オームの法則でIV変換利得は大きくなりますが、回路のカットオフ周波数は小さくなります。
定量的には、最大周波数(f)は、負荷抵抗の抵抗値(R)、オペアンプのゲインバンド積(GBP)、半導体検出器および配線の寄生容量(C)の３つの要素で決まり、
f = Sqrt[ GBP / 2πCR ]
と書けます。

No.3 回答者： inara 回答日時： 2007/10/12 08:20

ANo.1です。

質問ばかりで恐縮ですが、電流パルスの幅（時間）はどれくらいでしょうか（OPアンプのSlew Rateを考えなければならないので）。また、電源電圧を10V以上にはできないでしょうか。

nA未満の入力バイアス電流の単電源OPアンプはCMOSタイプになりますがSlew Rateが小さいので、パルス幅が1μs程度と狭い場合はピークに追随できません（例外的にSlew Rateが大きいCMOS OPアンプはありますが使ったことがないので自信なし）。FET入力のOPアンプを5V単電源で使うと信号電圧範囲が2～3Vに制限され使いにくくなります。電源電圧が10V以上あれば、安価でSlewRateの大きなFET入力のOPアンプを単電源で使うという方法が使えるのですが。

No.1 回答者： inara 回答日時： 2007/10/09 21:57

OPアンプを使ったI-V変換について説明すると長くなるので以下の情報を教えてください。

それによって使うOPアンプを選ぶ必要があります。
　・半導体検出器の最小・最大電流（この範囲の電流値を測定したい）
　・信号電流の最大周波数（時間に対してほとんど一定の信号電流なのか、幅が狭いパルス電流のピーク値を捕らえるような用途なのか）

この回答への補足

・半導体検出器の最小電流は0で、最大電流は100nAとなっています
・信号電流はパルス状で一定間隔で同じパルスが出力されてきます。目的としてはこのパルスを数Vにまで増幅したいと考えています。パルス間隔は5msecです。

補足日時：2007/10/10 17:12