入力電圧が微小電圧（数μV）で使えるオペアンプの選定

・入力電圧　5[μV]～10[mv]
・電圧利得　100[dB]程度
以上の条件で増幅回路を設計しようと考えています。
手元にあるオペアンプ（μPC4572C）は使えるのでしょうか。

微小電圧を扱う場合は、ノイズ対策が重要だと聞きますが、
そもそも、数μVという電圧を扱う回路を素人が個人が作ることは可能なのでしょうか。

どなたかご助言を頂けないでしょうか。

No.4 ベストアンサー 回答者： tance 回答日時： 2008/06/20 09:59

tanceです。

どうやらセンサはストレインゲージのような抵抗ブリッジのようですね。

そして、10mVの中の40μVをみたいということだと解釈しました。

これだとそれほど難しい計測ではないでしょう。OPアンプは例えば
OP177あたりで十分です。（チョッパアンプである必要はありません）
（帯域があまり重要でない場合の話しです）

帯域は、信号の変化にどのくらいの速さで追従する必要があるかで
決まります。振動などの解析で、例えば１秒間に1000データ取る
必要があるシステムと、タンクの液体の温度を１日１０回とるのと
では、要求される動作スピードが違います。

動作スピードが違うとノイズに影響します。外部から侵入してくる
ノイズや、もともと内部に持っているノイズなどは、高速応答する
系では大きなノイズとなりますが、低速でよければ同じ環境でも
ノイズを減らせます。

上記のOP177を使うとおそらく数100Hzくらいの帯域になると思います。
これだと、入力に10mVの急変があってから約3msec後には出力は
誤差40μV以内にまで追従するでしょう。（出力は約3msec遅れて
追従する）（数値は相当なる概算です）

あとは、外来ノイズ（自分の電源なども含めて）の侵入をどれだけ
防げるかです。これにはいろいろと手がありますが、ここでは
書ききれません。

あと、もし信号源がブリッジであって、バランス点だけを検出する
のであればブリッジの電源精度はあまり問題にならないのですが、
どうもこのテーマではアンバランス量を計る必要がありそうですね。

すると、ブリッジの電源の安定度が問題になります。仮に10V加えた
として、±10mVくらいの安定度が欲しいところです。

勝手にブリッジと仮定しておりますが、違っていたら無視してください。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
お察しの通りセンサはストレインゲージのブリッジ（を原理とするロードセル）です。

帯域について勉強不足でしたが、おかげさまで少し理解できました。

>入力に10mVの急変があってから約3msec後には出力は誤差40μV以内にまで追従するでしょう。
サンプリングが10msecで取れれば十分ですので安心しました。

外来ノイズと電源の安定に取り組みたいと思います。

本当にありがとうございました。

お礼日時：2008/06/20 22:20

No.3 回答者： noname#65317 回答日時： 2008/06/19 20:11

電気工作のレベルで十分実現できると思います。

30年前のアマチュア無線機では周波数30MHzで、
0.25uV時S/N比10dB　総利得100dB以上です。
デバイスは長足の日進月歩の進歩を遂げているので
チャレンジするのがよろしいと思います。

入力周波数はいくらですか？
100dBと利得が大きいので簡単に自己発振すると思います。
自己発振をさけるためアンプは2段～3段にして利得配分する方法があります。
オペアンプの選定は扱う周波数とオペアンプのGBWを加味してちょ。

この回答への補足

センサの出力をオペアンプで増幅しようと考えています。
センサの電気的特性は以下のようになっています。
・許容印加電圧 15V ACまたはDC
・推奨印加電圧 1～10V ACまたはDC
・入力抵抗 375Ω±5Ω
・出力抵抗 350Ω±3.5Ω

センサ入力への印加電圧を10Vにした場合、センサ出力電圧は最大10mVです。
センサ出力は40μVの精度で測定したいと考えています。
入力電圧5μV～としたのは間違いです。失礼しました。
これに伴って、電圧利得も15[dB]程度で十分です。

印加電圧は直流を考えていましたが、直流の方がノイズの影響が大きいのであれば、交流を使おうと思います。

周波数帯域というのは、交流の電圧を印加する際に決まるものなのでしょうか。

補足日時：2008/06/20 09:06

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

お礼日時：2008/06/20 09:06

No.2 回答者： imoriimori 回答日時： 2008/06/19 19:28

重要情報がいくつか抜けていますが。

（１）動作帯域幅が書いてありませんが。雑音はそれ次第かと。
ＯＰアンプ雑音が4nV/√Hzなら、1MHzもある広帯域だと４μVの雑音ですからあぶない。
1KHz帯域幅なら数字上は十分可。（雑音だけなら）

「ノイズ対策が重要だと聞きますが、
そもそも、数μVという電圧を扱う回路を素人が個人が作ることは可能なのでしょうか」
ここでしょうね。遮蔽の仕方とか、接地の仕方とか。あと電源も気を配らないといけないし。商用電源の50/60Hzとかその高調波が気になる低周波域だと遮蔽も難しい。可能だとは思います。でも楽じゃないのは確か。

（２）ＡＣかＤＣか。
ＤＣだと数μＶは滅茶苦茶難しいのでは？オフセットドリフトがあるので私ならプロに任せます。

（３）精度
雑音だけじゃなくてつねに数μＶの誤差範囲に入っていろと言われると、ダイナミックレンジからして感度変化は2千分の１以内に抑えないといけない、こうなると感度ドリフトも難しい。温度の安定化をする必要ありそう。

以上

この回答への補足

センサの出力をオペアンプで増幅しようと考えています。
センサの電気的特性は以下のようになっています。
・許容印加電圧 15V ACまたはDC
・推奨印加電圧 1～10V ACまたはDC
・入力抵抗 375Ω±5Ω
・出力抵抗 350Ω±3.5Ω

センサ入力への印加電圧を10Vにした場合、センサ出力電圧は最大10mVです。
センサ出力は40μVの精度で測定したいと考えています。
入力電圧5μV～としたのは間違いです。失礼しました。
これに伴って、電圧利得も15[dB]程度で十分です。

印加電圧は直流を考えていましたが、直流の方がノイズの影響が大きいのであれば、交流を使おうと思います。

周波数帯域というのは、交流の電圧を印加する際に決まるものなのでしょうか。

補足日時：2008/06/20 09:04

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

お礼日時：2008/06/20 09:06

No.1 回答者： tance 回答日時： 2008/06/19 19:28

μVを扱うと言っても、どの性能が重要なのかによって雲泥の違いが

あります。

D/Aコンバータなどの分解能が1μV必要、というのでしたらノイズだけ
考えれば良いので、帯域次第ではたいして難しいテーマではありません。

でも、直流特性が大事で、ドリフトが1μVしか許されないとしたら
とてつもなく難しいです。

どちらにしてもノイズとの戦いは覚悟が必要です。特に1/fノイズには
注意してください。

微少信号を扱うというのは実にいろいろなことを考慮しなくては
なりません。やはり、どの性能が大事なのかを明確にする必要が
あります。

直流特性が大事だとするとuPC4572は全く使えません。
信号源インピーダンスが高いとDC特性無視だとしても苦しいでしょう。
帯域が広かったりすると、すぐに「不可能」という状態になります。
どうしても実現しなくてはならない場合は、極端な話し、液体ヘリウム
でアンプを冷やす、なんていう荒技も実際に行われています。（IC
メーカが聞いたらひっくり返るでしょうね）

とりあえず、ドリフト仕様、ノイズ仕様、帯域仕様、くらいは明確に
してみてください。

この回答への補足

センサの出力をオペアンプで増幅しようと考えています。
センサの電気的特性は以下のようになっています。
・許容印加電圧 15V ACまたはDC
・推奨印加電圧 1～10V ACまたはDC
・入力抵抗 375Ω±5Ω
・出力抵抗 350Ω±3.5Ω

センサ入力への印加電圧を10Vにした場合、センサ出力電圧は最大10mVです。
センサ出力は40μVの精度で測定したいと考えています。
入力電圧5μV～としたのは間違いです。失礼しました。
これに伴って、電圧利得も15[dB]程度で十分です。

印加電圧は直流を考えていましたが、直流の方がノイズの影響が大きいのであれば、交流を使おうと思います。

周波数帯域というのは、交流の電圧を印加する際に決まるものなのでしょうか。

補足日時：2008/06/20 08:17

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

お礼日時：2008/06/20 09:03