マンガでよめる痔のこと・薬のこと

帯域の大きなオペアンプを使ってボルテージフォロワ回路を組んだ場合で、
被測定対象の容量が大きな場合など
どうしても発振してしまう場合どうすれば良いのでしょうか?
ボルテージフォロワの帯域を下げるにはどうしたら良いのか教えて頂けますでしょうか?
http://focus.tij.co.jp/jp/lit/an/jaja130/jaja130 …
このページに一応解説がなされているのですが、出来る限り入力インピーダンスを下げずに発振を抑えたいので、
6ページにある3.3の方法がもっとも有効だということになるのでしょうか?
ボルテージフォロワの発振を抑えるというか単にローパスフィルタで見えなくしているだけのように思うのですが、
これで最良の方法なのでしょうか?

A 回答 (1件)

最もよく使われている方法は、ボルテージフォロワと容量負荷の


間を小さい抵抗(10Ωとか)で分離するやりかたです。この場合
入れた抵抗R1のせいで出力電圧が減衰するので、この抵抗の後から
負帰還をかけます。(R2経由)

もしC1やR2がないと、抵抗R1と負荷C2によるLPFで位相が遅れ、
さらに発振しやすくなってしまうので、添付の図のように高い
周波数はOPアンプから直に帰還されるようにします。(C1経路)

これで安定にはなりますが、全体としての高周波特性が悪化
します。出力に抵抗を直列に入れた時点で、OPは容量負荷を
ドライブすることを放棄したようなもので、さらに高い周波数は
負荷を無視して帰還しているのですから。

どうしても容量負荷自体に対して、高い周波数までフォロワとして
働いて欲しい場合は、これはドライブ能力を増すしかありません。
負荷容量で位相が遅れるのが発振の原因ですから、位相が遅れない
ようにアンプの出力抵抗を下げるしかない訳です。

なお、CR直列回路を負荷に入れる(6ページ3.3の方法)は必ず
発振が止まるという方法ではありません。高周波で負荷が純粋な
容量に見えるよりは、抵抗成分も並列になっていて位相の遅れが
制限されることで安定になる、という狙いですので、容量負荷が
重いときはあまり効きません。

ただ、LPFで発振を見えなくしているといったインチキでは
ありません。ちゃんと帰還ループ一巡での位相を考えた方法です。
「ボルテージフォロワが発振しないようにする」の回答画像1
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

でも、図が添付されていないのですが・・・

図の添付をお願い出来ますでしょうか?

お礼日時:2009/10/04 11:58

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Qオペアンプのボルテージフォロアの帰還抵抗

オペアンプでボルテージフォロアを組む場合、教科書ではVoutと-入力を短絡すればいいと書いてあるのですが、あるアンプの回路をみたら短絡ではなく10kオームになっていました。
先輩に聞いたら発振防止のために入れるらしいですが、なぜ10kオームなのかという理由はわかりませんでした。
抵抗を入れるのはどういう場合なのでしょうか。
抵抗を入れる場合は定数をどうやって決めるのでしょうか。
教えてください。

Aベストアンサー

短絡でなく10kオームとなっているのは、+入力から見た信号源インピーダンスと-入力から見た信号源インピーダンスの差を小さくし、出力のDCオフセットとDCドリフトを小さくするためでしょう(バイアス電流の影響)。

ただし、ここに10kオームを入れると、高い周波数でのフィードバック位相が-入力の容量の影響で遅れますので、発振しやすくなります。
この場合、10kオームとパラレルにコンデンサを入れることもあります(位相補償)。

Qボルテージフォロワの役割がよく分かりません。

ボルテージフォロワは、電流が流れることで寄生抵抗によって電圧値が低下しないようにするために、回路の入力段及び出力段に入れるものであると思いますが、
これを入れるのと入れないのでは具体的にどのような違いが表れるのでしょうか?

オペアンプを使った回路では通常、電流は流れないはずですので、このようなものは必要ないように思うのですが、どのような場合に必要になるのでしょうか?

Aベストアンサー

#1のものです。

ちょっと説明がうまくなかったようです。
ボルテージフォロワを使用するのは、次の段の入力インピーダンスが小さく電流がある程度流れる場合に、信号を元の電圧をそのまま受け渡す際に使用します。
とくに信号源の出力インピーダンスが大きいときは信号源に流れる電流を減らすため、受ける側の入力インピーダンスを大きくする必要があります。
反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができません。(反転増幅回路の入力インピーダンスは信号源と反転入力端子の間の抵抗にほぼ等しい。この抵抗の大きさはさほど大きくできない。)
非反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができます(非反転増幅回路の入力インピーダンスは非反転入力と反転入力のピン間インピーダンスにほぼ等しく、かなり大きな値になる。)が、増幅率が1よりも大きくなってしまいます。
これを元の信号のレベルに下げるために抵抗で分圧してしまうと、分圧に使用した抵抗分出力インピーダンスが増えてしまいます。これでは何のためにオペアンプを入れて電流の影響を減らしたの意味がなくなってしまいます。
元の電圧のまま、次の段に受け渡すにはボルテージフォロワがよいということになります。


次に、#1の補足に対して。
>反転増幅回路と非反転増幅回路は単に反転するかしないかの違いだと思っていたのですが、
>それ以外に特性が異なるのですか?
これは、上でも述べていますが、反転増幅回路と非反転増幅回路は、増幅回路の入力インピーダンスが異なります。
信号源の出力インピーダンスが大きく、電流が流れると電圧が変化してしまような用途では入力インピーダンスを高くできる非反転増幅が有利です。

>・出力インピーダンスとは出力端子とグラウンド間のインピーダンスだと思っていたのですが、それでいくと分圧するということは
>出力インピーダンスを下げることになるのではないのでしょうか?
違います。出力インピーダンスとは信号を発生させている元と入力先との間のインピーダンスを意味します。
出力インピーダンスは信号源から流れる電流による電圧降下の大きさを決定付けます。
オペアンプを使った回路での出力インピーダンスは、理想的な状態ですはゼロになります。
分圧用の抵抗を入れてしまうと、分圧に使用した抵抗のうち信号源と入力先に入っている抵抗分が出力インピーダンスとして寄与していしまいます。

>・それと非反転増幅回路の出力を抵抗などで分圧することで増幅率を1以上にするデメリットを教えて下さい。
これは、何かの勘違いですね。
非反転増幅回路で増幅率を1よりも大きくしたいのなら分圧などする必要はありません。
非反転増幅で増幅率を1以下にしたい場合は、何らかの方法で信号を減衰させる必要があります。ここで分圧を使うのはあまり好ましいことではないということです。

#1のものです。

ちょっと説明がうまくなかったようです。
ボルテージフォロワを使用するのは、次の段の入力インピーダンスが小さく電流がある程度流れる場合に、信号を元の電圧をそのまま受け渡す際に使用します。
とくに信号源の出力インピーダンスが大きいときは信号源に流れる電流を減らすため、受ける側の入力インピーダンスを大きくする必要があります。
反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができません。(反転増幅回路の入力インピーダンスは信号源と反転入力端子の間の抵抗...続きを読む

Qボルテージフォロワが発振しないようにするにはどうしたら良いですか?2

http://oshiete1.goo.ne.jp/qa5339759.html

ここのページで質問をして回答を頂いていたのですが、返事が出来ない状態にあったので
再度質問させて頂きます。

とりあえず回答ありがとうございます。

でも勉強不足なせいでよく理解することが出来ませんでした。

特にオペアンプの性能限界までの高い周波数まで必要というわけではないのですが、
この回路を使った場合、カットオフ周波数はどうやって計算すれば良いのでしょうか?


パラメータが4つもあるということはカットオフ周波数以外にも何かの周波数を決めることになりそうですが、
他に何のパラメータを決定することが出来るのでしょうか?


それと出来ればこの回路に関して解説してある書籍を知ってらっしゃったら教えて下さい。

よろしくお願い致します。

Aベストアンサー

最初の質問(http://sanwa.okwave.jp/qa5339759.html)のANo.1さんの位相補償回路の伝達関数を添付します。これはオペアンプのオープンループ利得Aが
   A = A0/{ 1 + j*ω*√(A0^2 - 1 )/( 2*π*GBW ) }
で表わされると仮定したときのものです。A0 はω=0(直流)でのオープンループ利得です。GBWは利得帯域幅積(オープンループ利得が外挿で1となる周波数)で、ω = 2*π*GBW のとき |A| = 1 で位相は-90度となります。r はオペアンプのオープンループ時の出力抵抗です。グラフの破線は回路シミュレータによる利得と位相ですが、GBWを超えない周波数では計算式とよく一致しています。

発振しないようにするには、利得の大きさ |VoutVin| が 1を超えている周波数範囲で、位相が-120度~+120度の範囲になるようにします。ANo.1さん紹介の書籍には、オペアンプのオープンループ時の出力抵抗よりR1を大きくし(通常10Ω~100Ω)、C1*R2 > 10*C2*R1 とすると書いてあります。

r はデータシートに出ていないかもしれませんが、添付図の計算式で C1 = 0、R1 = 0 としたとき(位相補償なしで負荷にコンデンサC2をつけた状態)
   Vout/Vin = 1/[ 1 - ω^2*C2*r/( 2*π*GBW ) + j*ω*{ C2*r/A0 + 1/( 2*π*GBW ) } ]
となりますので、分母の実部がほぼ 0 となる周波数で利得のピークが現われます(この周波数で発振する)。利得がピークとなる角周波数 ωp は
   ωp ≒ √{ 2*π*GBW/( C2*r ) }
なので、発振周波数から r を逆算することができます。

位相補償された回路では、利得の計算式の A (分母の実部)がほぼ0となる周波数でピークを持ちますが、その角周波数 ωp2 は
   ωp2 ≒ 1/√( C1*C2*R1*R2 )
となります。そのときの利得のピークがなるべく小さくなるようにするといいでしょう。しかし、そのように位相補償すると帯域がかなり落ちます。利得1で不安定な高速オペアンプの帯域を落としてまで発振対策するよりも、容量負荷に強いオペアンプをそのまま使ったほうが安上がりだと思います。

最初の質問(http://sanwa.okwave.jp/qa5339759.html)のANo.1さんの位相補償回路の伝達関数を添付します。これはオペアンプのオープンループ利得Aが
   A = A0/{ 1 + j*ω*√(A0^2 - 1 )/( 2*π*GBW ) }
で表わされると仮定したときのものです。A0 はω=0(直流)でのオープンループ利得です。GBWは利得帯域幅積(オープンループ利得が外挿で1となる周波数)で、ω = 2*π*GBW のとき |A| = 1 で位相は-90度となります。r はオペアンプのオープンループ時の出力抵抗です。グラフの破線は回路シミュレータによる利...続きを読む

Q閉ループゲイン 開ループゲイン

オペアンプの閉ループゲイン、開ループゲインとはそもそも何なのでしょうか?
根本的なとこがわかりません。
どなたかよろしくお願いします。

Aベストアンサー

[図6.1-41]を見てください。
これが開(オープン)ループゲインです。(青色)
(フィードバックをかけていないときの利得ー周波数特性)
http://my1.interlink.or.jp/~md0858/series4/densi0613.html

70Hzくらいまでは100dBの利得がありますが、より高い周波数では-6dB/oct(=-20dB/decade)でどんどん下がっていき、7MHzくらいで0dBとなります。
(最大利得と周波数特性はオペアンプの種類によって異なるが、この”傾向”はすべてのオペアンプについて言える)

[図6.1-43]を見てください。
例えば80dB(60dB)のフィドバックをかけたとすると、利得は20dB(40dB)になりますが、利得一定の周波数幅がうんと広くなることにお気づきでしょうか?
これが閉ループゲインです。

一般に、オペアンプの開ループゲインは100dB以上ありますが、これを開ループで使うことは滅多にありません。
周波数特性が問題にならないコンパレータのときくらいのものです。

参考URL:http://my1.interlink.or.jp/~md0858/series4/densi0613.html

[図6.1-41]を見てください。
これが開(オープン)ループゲインです。(青色)
(フィードバックをかけていないときの利得ー周波数特性)
http://my1.interlink.or.jp/~md0858/series4/densi0613.html

70Hzくらいまでは100dBの利得がありますが、より高い周波数では-6dB/oct(=-20dB/decade)でどんどん下がっていき、7MHzくらいで0dBとなります。
(最大利得と周波数特性はオペアンプの種類によって異なるが、この”傾向”はすべてのオペアンプについて言える)

[図6.1-43]を見てください。
例えば80dB(60...続きを読む

Qオペアンプのばらつきでおきる発振理由について

オペアンプを使った基本的な電流電圧変換の回路の発振について教えてください。
(+入力側はグランド、-入力側に電流入力と抵抗を返してネガティブフィードバックさせています)

最初は普通に動いていた回路だったのですが、オペアンプを交換したら発振すしてしまいました。

オペアンプはまったく同じシリーズのもので、違いは特性のばらつきのみです。
違うリールのものなので、おそらくロットが違います。
オペアンプ周辺のRやCはそのままにしており、オペアンプが変わることで発振したりしなかったりするのですが、これは、オペアンプのどの特性のばらつきが影響しているのでしょうか?
オフセット?増幅度?
どなたか、オペアンプのばらつきにより発振の有無が発生する理由を教えていただけないでしょうか?

Aベストアンサー

I/V変換に限ったことではないと思いますが、AMPなんてものは、動作自体がゆとりのあるものかギリギリなものかなんて紙一重です。そんな条件の中、例えばオープンループゲインが10%変わるなんて十分有り得るでしょうし、内部の位相補償コンデンサだって10%ぐらいすぐ変わるでしょう。ばらつきでの動作を補償できる程ゆとりを持ったTYP設計を行うか、昔で言う軍事向けぐらいのばらつきのものを用いるか、どちらかですね。
そもそもI/Vってのは「発振しやすいもの」と考えて良い回路構成です。当方も何度も苦しめられたので、よくわかります。
質問の答えですが、「AC特性」と一言で済ませられると思います。ゲインが上がればゼロクロスは伸びますし、ゼロクロスがあがる要因は、何もゲインだけでは無いですし。複合的な「AC特性」と言わざるを得ません。
アナログは10年で一人前と言われる領域です。是非頑張ってくださいませ!

Qオペアンプに使用するパスコンは何故0.1μFなのでしょう?

いろいろ本を見てもパスコンは0.1μFをつければいい。という内容が多く、
何故パスコンの容量が0.1μFがいいかというのがわかりません。
計算式とかがあるのでしょうか?

Aベストアンサー

下記の「図2コンデンサの特性:(b)」を見てください。
http://www.cqpub.co.jp/dwm/contents/0029/dwm002900590.pdf

0.1μFのセラコンは、ほぼ8MHzで共振しています。
つまり8MHzまではキャパシタとしての特性を示しており、これより高い周波数ではインダクタと
なってしまうことがわかります。

0.1μFは単純に計算すると8MHzで0.2Ωのインピーダンスを示し、これは実用上十分低い
インピーダンスと考えられます。
つまり、大ざっぱにいって、10MHzまでは0.1μFのセラコンに守備を任せることができるわけです。
(従って、当然のことですが、10MHz~1GHzを扱うデバイスでは0.1μFでは不十分で、0.01μF~10pFといったキャパシタを並列に入れる必要が出てきます)

では低域の問題はどうでしょうか?
0.1μFは1MHzで2Ω、100kHzでは20Ωとなり、そろそろお役御免です。
この辺りからは、電源側に入れた、より大容量のキャパシタが守備を受け持つことになります。
(この「連携を考えることが、パスコン設計の重要なポイント」です)

ここで考えなければならないのが、この大容量キャパシタと0.1μFセラコンとの距離です。
10MHzは波長30mです。
したがって、(これも大ざっぱな言い方ですが)この1/4λの1/10、すなわち75cmくらいまでは、回路インピーダンスを問題にしなくてよいと考えます。

「1/40」はひとつの目安で、人によって違うと思いますが、経験上、大体これくらいを見ておけば、あまり問題になることはありません。
厳密には、実際に回路を動作させ、て異常が出ればパスコン容量を変えてみる、といった
手法をとります。

上記URLは、横軸目盛りがはっきりしていないので、お詫びにいくつかのパスコンに関するURLを貼っておきます。
ご参考にしてください。
http://www.rohm.co.jp/en/capacitor/what7-j.html
http://www.cqpub.co.jp/toragi/TRBN/contents/2004/tr0409/0409swpw.pdf
http://www.murata.co.jp/articles/ta0463.html

参考URL:http://www.cqpub.co.jp/dwm/contents/0029/dwm002900590.pdf

下記の「図2コンデンサの特性:(b)」を見てください。
http://www.cqpub.co.jp/dwm/contents/0029/dwm002900590.pdf

0.1μFのセラコンは、ほぼ8MHzで共振しています。
つまり8MHzまではキャパシタとしての特性を示しており、これより高い周波数ではインダクタと
なってしまうことがわかります。

0.1μFは単純に計算すると8MHzで0.2Ωのインピーダンスを示し、これは実用上十分低い
インピーダンスと考えられます。
つまり、大ざっぱにいって、10MHzまでは0.1μFのセラコンに守備を任せることができるわけ...続きを読む

Qオペアンプ 発振防止

テキストを読むと、ゲイン余裕や位相余裕等の説明があります。
しかし肝心な発振対策はあまり見られません。余裕関連の測定を各自やってケースバイケースで勝手にやれという事でしょうか?発振対策に使えるテキストや文献があれば紹介して下さい。

Aベストアンサー

発振現象は,帰還経路があり,
その周波数帯域でプラスのゲインを持ち,
発振の位相条件がそろったときに起きる現象です.

一般的には帰還経路があり広帯域でプラスのゲインを持つと,
どこかで位相条件を満たすため発振をします.
広帯域アンプなどは注意が必要です.

具体的な発振対策としては
1)帰還経路を遮断する.
2)ゲインを下げる.
3)位相をいじる.

という順ではないかと思います.

まずは,帰還しないようにすれば,発振は止まります.
しかし,どうしても帰還経路を止めることができない場合は
発振周波数付近でのゲインを下げ,発振を止めることもあります.
これは,所望の帯域でのゲインも下がってしまうことがあるので,
あまり使いたくないですが,帰還経路をどうにもできない場合には
この方法を使うこともあります.
最後ですが,このもの(1品)が何とかすればいい場合は,
帰還経路にCやLなどを入れて位相をずらすことも考えられます.
しかし,位相をずらしても,広帯域でプラスゲインを持っていると
ほかの周波数で発振条件を満たしてしまう場合が多く難しい
対処方法になります.

発振現象は,帰還経路があり,
その周波数帯域でプラスのゲインを持ち,
発振の位相条件がそろったときに起きる現象です.

一般的には帰還経路があり広帯域でプラスのゲインを持つと,
どこかで位相条件を満たすため発振をします.
広帯域アンプなどは注意が必要です.

具体的な発振対策としては
1)帰還経路を遮断する.
2)ゲインを下げる.
3)位相をいじる.

という順ではないかと思います.

まずは,帰還しないようにすれば,発振は止まります.
しかし,どうしても帰還経路を止めることができない場合は
発振周波数付近で...続きを読む

Q電気・電子回路のバッファについて

電気回路にバッファというものがありますが、これはどのような働きをしているのですか?(74LS~ とか) 安定化のためにあるようですが…
詳しく教えて頂けませんでしょうか。

Aベストアンサー

バッファー(Buffer)は日本語に直訳すれば緩衝増幅器になります。緩衝増幅器は電流(波形)の増幅、電圧(波形)の増幅や整形、出力インピーダンス変換(高出力インピーダンスを低インピーダンスや整合インピーダンスに変換)のために挿入されます。回路1の出力を回路2の入力に接続する時、回路2を接続した影響が回路2に及ばなくしたり、出力波形の整形や出力インピーダンスを変換します。
ディジタル回路では出力用のバッファーでは
1)出力電流増幅、2)出力インピーダンスを下げる、3)論理レベル(1や0に対応する電圧)の電圧レベル調整・波形整形、が目的で
1)と2)はファンアウト増やす機能です。出力のタイプはオープンコレクター(オープンドレイン)、3ステート、単にファンアウトが大きいものがあります。
入力用バッファーでは、1)雑音や論理レベルが明確でないデジタル信号の波形整形(論理1と論理0の明確な信号に再生)、2)後続の回路の負荷(ファンイン)を減らして前置回路への影響を少なくする。
といった目的で使われ、主に入力電圧振幅に対して出力電圧にヒステリシス特性を持つシュミット回路が採用されています。

バッファー(Buffer)は日本語に直訳すれば緩衝増幅器になります。緩衝増幅器は電流(波形)の増幅、電圧(波形)の増幅や整形、出力インピーダンス変換(高出力インピーダンスを低インピーダンスや整合インピーダンスに変換)のために挿入されます。回路1の出力を回路2の入力に接続する時、回路2を接続した影響が回路2に及ばなくしたり、出力波形の整形や出力インピーダンスを変換します。
ディジタル回路では出力用のバッファーでは
1)出力電流増幅、2)出力インピーダンスを下げる、3)論理レベル(1...続きを読む

Qカップリングコンデンサの容量は大きくしすぎるとよくない?

以前、カップリングコンデンサの容量を大きくしすぎるとよくない(直流を通過させてしまう?)
という話をどこかで目にした覚えがあるのですが、本当でしょうか?
(どこで目にしたのかは忘れてしまったのですが)

Aベストアンサー

はじめまして♪

回路上の設計にもよりますが、コンデンサーの容量を増やしても直流がそのまま通過する事は一般的にありません。

しかし、設計上の適した容量と言う物が有りますので、むやみに変更する事は止めるべきです。

昔のアナログ回路では実装の電線によるL分やC分なども考慮した回路図からは理解出来ない設計製品も多数有ります。
 
単純に「良い」「悪い」かと 質問されるレベルでは、本質的解決やスキルアップには繋がらないと思います。(なんて おおきな事が言えない 素人です。ごめんなさい。)

Q反転増幅回路の発振を防ぐ方法について

反転増幅回路の発振を防ぐ方法として、OPアンプ出力後(添付図参照)に抵抗を入れるとよいと聞いたのですが、なぜなのかわかりません。
詳しい方いらっしゃいましたら、ご回答よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

回答NO.2です。 回答の補足です。OPアンプの出力へRxとCsを負荷した場合のOPアンプの出力OUTの出力抵抗の前からOUT端子までの伝達関数はsをラプラス演算子として以下の式で与えられます。

V(out)/V(1)={Cs*Rx*s+1}/{Cs*(r0+Rx)*s+1}  (1)


式(1)で分子のゼロωzは

   ωz=1/(Cs*Rx)   (2)

で与えられ、分母のポールωpは

   ωp=1/{Cs*(r0+Rx)} (3)

で与えられます。周波数特性は式(1)でs=jωとおいて得られますが、形としては低い周波数ではゲインは0dB。ポール周波数ωpでゲインはωzが十分高ければー3dB。この場合はωpにωzが近いのでー1dB程度の低下・そして位相も少し遅れる。
 周波数がさらに上がってゆくとゼロの影響でゲインは再び上昇してゆきます。位相も戻ってゆきます。この周波数特性をシミュレーション計算した結果を添付しておきます。

 黄色がRx=1uΩ、即ちショートした状態で太い線がゲインを細い点線が位相wp示してます。薄青色がRx=100Ωの時の特性です。

 Rxに100Ωを入れただけで位相の遅れは約-7.5°に抑えられているのが分かると思います。Rxがショートされた状態だとCsの影響がもろに出て位相は大きく遅れてゆく(周波数の上昇に伴って)のが分かります。

 これがRxを挿入する効果ということになります。

回答NO.2です。 回答の補足です。OPアンプの出力へRxとCsを負荷した場合のOPアンプの出力OUTの出力抵抗の前からOUT端子までの伝達関数はsをラプラス演算子として以下の式で与えられます。

V(out)/V(1)={Cs*Rx*s+1}/{Cs*(r0+Rx)*s+1}  (1)


式(1)で分子のゼロωzは

   ωz=1/(Cs*Rx)   (2)

で与えられ、分母のポールωpは

   ωp=1/{Cs*(r0+Rx)} (3)

で与えられます。周波数特性は式(1)でs=jωとおいて得られますが、形としては低い周波数ではゲインは0dB。ポール周...続きを読む


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