質問: opアンプの周波数帯域が小さいです 今現在、大学4年生で、pdを用いた電流-電圧変換回路を設計しているのですが、周波数帯域が100khz程度までしかなく、困っております。どなたか答えていただけたら幸いです。図がかけないため質問するのも答えるのも間違ってるかもしれませんが、教えていただきたいです。回路は、pdの後、アンプの2番ピン(反転増幅であるため)入力をして、2番からは500kωの抵抗と1pfのコンデンサを並列につなげています。opアンプは、lf357nというのを使っております。周波数帯域の計算は 1/(2*π*1p*500k)で間違えているのでしょうか?pdの前には抵抗とコンデンサをつけていますが、周波数帯域には関わらないと思い割愛しました。
回答: lf357でi-v変換回路を構成した場合、周波数特性はせいぜい200khzまでです。 手持ちの回路シミュレータに lf357 がなくて、シミュレーションで確かめることはできませんでしたので、周波数特性の計算式を紹介します。 資料 [1] の式(9) は i-v変換回路の変換利得(vout/iin) の理論式です。これを書き直すと vout/iin = a0*rf/( 1 + a0 )/[ 1 - ( 2*π*f )^2*( cd + cf )*rf/( 1 + a0 )/f0 + j*( 2*π*f )*{ cf*rf + ( 1/ f0 + cd*rf )/( 1 + a0 ) } ] | vout/iin | = a0*rf/( 1 + a0 )/√[ { 1 - ( 2*π*f )^2*( cd + cf )*rf/( 1 + a0 )/f0 }^2 + ( 2*π*f )^2*{ cf*rf + ( 1/ f0 + cd*rf )/( 1 + a0 ) }^2 ] --- (1) となります。vout は i-v変換回路の出力電圧 [v]、iin は入力電流 [a]、f は周波数 [hz]、rf は帰還抵抗 [ω]、cd はopアンプの反転入力端子の容量 [f]、cf は帰還抵抗と並列に入れたコンデンサの容量 [f]、a0 はopアンプの直流での open loop gain、f0 はopアンプの open loop gainのカットオフ周波数 [hz] です。lf357 の f0 と a0 は資料 [2] のデータシートによれば、f0 = 60 [hz]、a0 = 106 [db] = 2×10^5 [倍] で、cd をlf357 の入力容量 [3] とすれば、cd = 3×10^(-12) [f] ですので、cf = 10 [pf] = 1×10^(-11) [f]、rf = 500 [kω] = 5×10^5 [ω] として周波数特性(vout/iin の絶対値)を式(1)で計算すると、f = 10khz あたりまでは | vout/iin | = 499997.5 [v/a] と一定ですが、それより周波数が大きくなると、| vout/iin | が落ちてきます。 cf = 0 のときは、f = 430khzあたりでピークを持った特性になりますが、cf = 0.9pf とすればピークはなくなり、200khz程度まで平坦な特性になります。cf = 10pf はちょっと大きすぎると思います。 一方、opアンプの入力部分にはコンデンサが入っているとのことですが、このコンデンサは i-v変換回路の周波数特性に影響します。cf = 0.9pf として、cd を変えると、cf = 100pfで周波数帯域は 75khz、cd = 1000pf で 25khz にまで落ちてしまいます。pdの等価容量 c が大きいと、以下の回路のように、等価的に opアンプの入力容量が 「c + opアンプの入力容量」 になったことになるので、等価容量の大きな pd を使うと周波数特性が悪化します。 pdのバイアス電圧 ┌ cf ┐ │ ┌─┴ rf ┴-┐ △ pd │ ┏━━┓│ └───┴─┨- ┠┴─ vout iin → ┌┨+ ┃ │┗━━┛ ┷ gnd 【i-v変換回路】 ┌ cf ┐ ┌─┴ rf ┴-┐ │ ┏━━┓│ iin ──┼─┨- ┠┴─ vout c┌┨+ ┃ └┤┗━━┛ c はpdの容量とopアンプの入力容量の和 ┷ gnd 【pdの等価容量 c を考慮した等価回路】 [1] i-v変換回路の周波数特性 http://www.graviton.co.jp/jp/homeroom/brsrpt2.doc/brsrpt2.html [2] lf357の f0 と a0 ( pdfファイル8ページの open loop frequency responce) http://etmikan.nifs.ac.jp/datasheet/national_semiconductor/opamp/lf355j.pdf [3] lf357の cin ( pdfファイル3ページの input capacitance) 同上