質問: 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?
回答: (すでに解決したことと思いますが、アンプの発振の質問はあまり無いと思うので 用意してた回答を載せておきます。) >> オペアンプを使った基本的な電流電圧変換 << 「基本的な」とありますので、使用アンプは lm324 のような汎用オペアンプ だと想像して書きます。 で、 「アンプ回路の発振の話」は(昔の工作雑誌では定番記事だったそうですが)ネット上の工作サイトでは殆どありません。そのわけは 使われてるicが 極めて発振しにくいように ic内部で強力な対処がしてあるからです。 アンプの発振の質問はあまり無いと思うと書いたのも これが根拠です。 ↓元祖の一例 lm324 2ページ等価回路のコンデンサ cc がそれです。 http://www.national.com/ds/lm/lm124.pdf icの特性がばらつく主要因は 不純物拡散の濃度や深さやマスク合わせの微妙なズレなどによる トランジスタの利得と帯域幅のばらつきです。上図の cc は トランジスタの帯域幅より低い周波数で削ってるので、利得の傾きは良好な一次遮断(-20db/decadeの直線)になってます。データーシート7ページ左上の図です。 一次遮断の坂道の所では 位相遅れは 90度一定です。図で利得が0dbを切るまで良好な直線になってるので 位相は90度を保っています。これゆえ 電圧フォロア(0db帰還)で使っても発振しない。これが「汎用オペアンプ」の売りです。 ( 先人の昔話によると、新人が使っても発振しないので 先輩はウンチク話をする出番が無く「そんなアンプは邪道だ」と ぶんむくれだったそうですw 汎用アンプの王座に長く居る理由ですね。) 利得のばらつきの方は、製造メーカーの腕しだいです。質問者が知りたい発振原因は多分これが絡んでます。特性表を見ても上限は押さえてませんよね。 発振しにくい汎用アンプが 発振してしまう回路構成; 差動アンプの一般的な使用法は 教科書にあるように v1 ─z1─┬─ z2─┐ | | └|-\ | | a >─┼─ vout ┌|+/ | | | v2 ─z3─┴─ z4─┘ です。 利得aは一次遮断特性(90度遅れ)です。-入力側のループでは反転で180度加わるので もし z1,z2 の分圧回路が90度遅れなら 合計360度になります。もしその周波数で一巡利得が 1より大きいと 発振に至ります。 で、 90度遅れる分圧回路は、 v1 ─c1─┬─ r2─┐ | | └|-\ | | a >─┼─ vout ┌|+/ | | | v2 ─r3─┴─ r4─┘ こんな普通の構成です。 発振とは入力がゼロでも出力が振動することですね、本当かどうか上図の v1,v2 を共に gnd に落とすと、 ┌─┬─ r2─┐ c1 | | | └|-\ | ┷ | a >─┼─ vout ┌|+/ | ├─ r4─┘ r3 | ┷ これが(人様にお進めできるほど良い)発振回路であることは、データーシート11ページ中央右の squarewave oscillator をご覧下さい。 伝達関数で言えば 発振する必要条件『 一巡の位相が 360度、利得が 0db 以上 』の二つが同時に成立してるのです。あなたの書込み >> 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 << つまり「外部回路の位相特性は変えてない」ゆえ、『アンプの利得のばらつき』が原因だと想像が付きます。 なお「ic内部の位相90度遅れ」の方は、利得が変わっても傾斜が変わらなければ変化しません。ばらつきは少ないと考えてよいです。 回答no.2では 上図のような c1 成分が疑われたので、-入力端子につながってる素子を尋ねました。というより、汎用オペアンプを発振に陥らせるには 普通これしか無いですね。よく「出力に重いキャパシタ負荷を付けると発振する」と言いますが アンプ出力抵抗が上図の r2 で重い c が c1 なだけで、この話の範囲のことなのでした。 さて、上図は「 c1入力の微分回路」とも呼ばれます。そして「微分回路は不安定です」と注釈が付くのが常ですがその理由もこの話そのままです。質問者の回路が実は微分回路だった可能性もw 質問者の回路では +入力がグランド(シュミット帰還が無い)なのではっきり矩形波には育たなかったと思います。 で、対策は (1) 入力電流源にあると疑われる c1 を減らせれば最良です。 (2) そのcに直列に抵抗を入れる手段もあります。 (3) 上図 r2 に並列にキャパシタを入れて 閉ループ帯域幅を削って狭くする。 伝達関数で言うと アンプa、帰還路hの閉ループ伝達関数=a/(1+ah) は a>>1 で ≒1/h と逆特性になるゆえ、ハイパスフィルタはローパスフィルタとして働きます。 帯域幅を狭くして、発振の条件『一巡の位相が 360度、利得が 0db 以上』の、前者の周波数に於いて後者が成立しないようにするのです。 キャパシタは 発振を止める特効薬ですが、それが効くメカニズムをよく心得ておきましょう。 アナログ回路は細かな事をほじくると切りがないのでこの辺で。 以上いっぱい書きましたが、アナログ回路では「電源にパスコンを付けたら治りました!」というのが一番よくありますね。