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アナログ電子回路コミュニティサービス終了のお知らせ

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IKUZO
タイトル
20VP-Pのパルスの検出
ポイント []
pt.
アクセス4496
カテゴリーアンプ&コンパレータ
キーワード CN1   オシロスコープ   AD8662   OPアンプ   R13   Powered by Yahoo
投稿日時15/02/02 12:47
お世話になります

回路図のようなユニットを組んでテストをしております
1.20VP-Pの1KHzの信号をOPアンプ入力としてCN1に入力
2.R13は4000MRです
3.U3-AはAD8662です
4.CN2はオシロスコープに接続しています
結果は波形の画面のようになっています
問題点ですが
ノイズがとても大きい
例えば手を接近させただけで大きく振れる
60Hzノイズを拾っている、しかも振り切れる
等ですが、これを改善する方法はありますでしょうか?
変更できない箇所は
20VP-Pの1KHzの信号(CN1)
R13の4000MRの
2点です
他どんな回路、OPアンプでも変更ができます
よろしくお願いします。
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IKUZO 回答番号 21
タイトル
なるべく近いうちに
ポイント
pt.
アクセス3219
投稿日時15/02/24 12:51
MUSUSU2 さん
すごい!
すばらしいです、事細かに原理を説明していただきました、LTスパイスは私もやりますが、実際の回路まで用意していただいているので、近いうちに実験してみたいと思います、これが十分な性能を持つ回路であれば様々な計測装置に応用できるのではないかと思います。

MUSUSU2 回答番号 20
タイトル
こんな回路では
ポイント
pt.
アクセス3418
投稿日時15/02/22 21:00
IKUZOさんへ

 始めに同期検波ですが、別に私の「奇抜なアイデア」ではありません。ノイズの大きな環境で微小な信号で伝達特性を測るために使える手法です。近年は、FFTアナライザーの方が普通かもしれませんが、デジタル処理が低コストになる前はごく普通の手法でした。

 台形波による方法について書きます。本当は台形波でなくとも良いのです。欲しいのは、電圧の高いところ、低いところが一定電圧でフラットの時間があること。そして、定電圧と高電圧の間の変化が急激でないことです。説明を添付しますので見てください。

 回答19などへいくつかコメントします。
①IKUZOさんの初めの問題提起はちょっと不適切です。それは依頼元の表現に引きずられたのかもしれませんが、「1nAを正確に計測する」ということと、「10nA以上を不良と判断..」とはえらい違いです。実際は1nAを精度よく測る必要は全くなく、単にnAオーダーまで測りたいだけでしょう。その辺で誤解される書き方をすると適切なアドバイスは得られない可能性が高くなります。

②フィードバック電流計構成(私は電流電圧変換回路と呼びますが)がこの用途に適切だと思います。必須とは考えませんが最も簡単ではないかと思います。入力点が仮想グランドになるので、特に回路の保護や漏れ電流対策の面で有利だと考えています。

③電流電圧変換回路で、大きな帰還抵抗を使うことは、IKUZOさんが考えるほど危険ではありません。ただ、普通の環境下では、高抵抗はすぐ額面の抵抗値から外れてしまいます。でも10MegΩ位なら大きな問題はないように思います。

④もうお気づきとは思いますが、電圧ゲインゼロ(ゼロデシベル=×1)が低感度で簡単と考えるのは間違いです。主な問題は信号のエネルギー関係。

⑤AD変換してマイクロコントローラに信号を取り込むときに、ADCのフルスパンまできっちり増幅する必要はないのでは。目的にかなう分解能や安定度が得られるなら、信号が小さくとも良いとおもいます。


 添付説明の補足:
a)回答18の私の提案は2つの方法とも信号の時間変化に着目しようというものです。同期検波法は時間をかけて測定できる場合で、目的の信号の周波数の目的の位相だけ取り出そうとするもの。
 一方、台形波による方法は、高い周波数の妨害には弱くなっても高速に測定しようとするものです。
b)台形波法で、測定用の信号の兵站部の平坦さの重要性は、実際に傾きを付けるとどうなるかを見ていただければ理解いただけると思います。
c)負帰還路にダイオードを併設するのは意外に大切です。OPアンプが理想OPアンプなら不要でしょうが、ほとんどのOPアンプは飽和した後の回復に時間がかかります。ですから、飽和しないように帰還をかけて、入力も出力も飽和しないようにします。
d)回路図に書かれたダイオード、1N4148はこれが良いというものではありません。シミュレーションでこれが使えるというだけです。自分が仕事で制作するなら、スペック上の漏れ電流が目的を満たすダイオードを使用します。特殊なものですが、職場にストックがあるからです。私は使ったことはないですが、世間では適当な接合型FETを使う方が多いようです。
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IKUZO 回答番号 19
タイトル
今回の計画の考慮のポイントでした
ポイント
pt.
アクセス3463
投稿日時15/02/21 09:14
MUSUSU2 さんレスありがとうございます
応答してくださる方がおられますと、うれしいです.
方法1:同期検波ですが
LとかCを計測する方法で交流発生元から同期パルスを発生させて定電流で負荷を駆動して負荷の両端の電圧波形を同期パルスで反転させてからRMS処理でDCにするやりかたと思います、これを逆手に取り位相差のある部分を逆に取り除き、抵抗成分のみ取り出すというような、奇抜なアイデアですね、意図される内容がいまいち頭に浮かばないのですが
方法2:台形波の方法ですが
これも少し小生には難しくて、なにか回路図でもお願いできればと思うのですが
もう一度当時の状況を思い浮かべてみたいと思いますが
20Vを電圧元にして正確に1nAを計測すると聞いた時に、特に数値が必要というよりは絶縁が正常に保たれているのか10nA以上であれば不良とするという内容であるため、簡単に考えてなにか高インピーダンスの入力可能なOPAMPでこの20Vがあるのかどうか検出できれば良いのではないかと、考えましたA/Dの前段で高いゲインを持たせると、値が不安定になるのはわかっていますからゲイン*1でつまり増幅せずOPAMPの出力に1nA以上の電流の変化がわかれば良いのではないかと、考えました、それでピコアンペア級の低バイアス低オフセットのAD8662を使用してこのOPAMP1個とA/Dコンバータでなんとかなるのではないかと、私の頭の中でなんの根拠もなく基本仕様と言えるものを、作成したのが間違いでした、実際には今回のこの件のとうりで高インピーダンスにした場合は例えゲイン0というような低感度と思えるような状況下でもその電流感度により不安定、ノイズ要素が無視できないということでした、これは初歩的な知識不足で、考えが足りなかったというところでしょうか。
もし実際に作成となるとおそらくフィードバック電流計構成を採用して帰還抵抗を10MΩではなく1KΩ~100Ω程に下げてインピーダンスを下げその後段のOPAMPで100×100×100ぐらい増幅してその後ローパスフィルタを掛けてA/Dに入力するというような内容と思います、そうしますと4回路入りのOPアンプでも2個必要となり、AD86621個で難しいということで
今回のマザーボード基板にこの回路は12回路必要で基板面積に入りきらず、サブボード構成になってしまい、コストや性能ノイズ面から考えると相当に難しいと予想されました、特に複数の(12回路)計測機能の性能確保のために基板プレーンの確保等考えますと
ケース入りのマルチメータの環境と比べてきわめて難があると思いました、3458Aでも2メータのFPCケーブルを接続して解放状態で放置すると状況により10nA以上を示しますので、
MUSUSU2 さんのご提案のような”特別な”方法でない限りは私の考えるところでは難しいのではないかと思いました
AD86621個とA/D 16ビット~24ビットで何とかできればマザーボード基板に12回路組み込み、CPU,FPGAボードをサブボード構成にして、この仕事続行していたものと思いますが

MUSUSU2 回答番号 18
タイトル
関心なくなった話かもしれませんが
ポイント
pt.
アクセス3539
投稿日時15/02/14 21:12
IKUZOさんへ、

 もともとの問題がなんなのかよく分かりませんでしたが、環境の良くないところで、長い線を経由して高抵抗を測る、あるいは、それによる電流の違いを測るには何ができるか考えてみました。単純に電流を測っているだけでは、周りからのノイズやACで測る場合には寄生容量が邪魔します。ですから大変難しそうです。
 ですが、外来ノイズに対しては時間領域や周波数領域で見たいものを選別する手法が使えます。一方寄生容量については、駆動用の信号に対する出力の位相が抵抗と静電容量では異なることを使えばかなりのS/N比で検出できると思います。

 そこで、以下の2つのやり方を考えました。
方法1:
 元の駆動信号に正弦波(たとえば1kHz)を加え、測定対象からの電流を同期検波します。これはロックインアンプの手法です。

方法2:
 元の駆動信号に台形波を用意する。台形派の山頂部と谷底部は、できる限り真平らに作る。測定対象からの電流を検知すると台形のスロープのところはパルス状になるが、台形の山頂部と谷底部は抵抗値に応じた段差があるはず。入力信号の山頂部と谷底部に同期したクロックでサンプルし、段差を見る回路を設ければよい。

 以上、簡単に考えを書きました。 

IKUZO 回答番号 17
タイトル
初心を忘れないようにしないといけませんね
ポイント
pt.
アクセス3721
投稿日時15/02/07 08:42
高野山 さん
私もこの道で30年ぐらいですが、初心を忘れないようにしないといけませんね、30年にしては進歩がないのかもしれませんが
OPアンプ回路の設計 CQ出版社は考えてみます、今回参考にしたものですがOPアンプ大全(アナログデバイセス)LowLevMsHandbk_1.pdf(ケスレー)等でしたが客先への納期のこともあり、数か月回路を検討する時間もなく、とにかく3、4日でできるかどうか、できるとなると回路検討、回路評価、回路設計、基板設計、メインボード製作、マザーボード製作、リレーボード製作、と進むわけですが、できあがってみたら仕様が満たされてなかったというようなことにもなりかねないので、慎重にやらないといけません、客先にも迷惑をかけますから、「20VP-Pのパルスの検出」というタイトルで困惑がありましたが実際には1nA~100uAを1ミリ秒で計測判定するという装置です250ミリ秒ぐらいは譲れるかなとは思いましたが、入力部のインピーダンスの問題でリレーの切り替えノイズや引き回し配線のことを考えると慎重にならざるを得ません
今回の投稿中で「20VP-Pのパルス」と表記していますがこれはまちがいで「20Vのパルス」が正しい表記と思いますので訂正させていただきます。



高野山 回答番号 16
タイトル
ご参考
ポイント
pt.
アクセス3850
投稿日時15/02/06 22:04
最終報告の後ということで・・
オペアンプの初心にかえって、こんな本はいかが?
定本OPアンプ回路の設計 CQ出版社
http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/30/30501.htm

原典は40年も前ですし、評価が分かれるとは思いますが、温故知新というかオペアンプのとっかかりを学ぶには使えると思います
私はこれと首っ引きでpA~nAに挑みました
遠い昔の学生時代・・・

その先には「OPアンプ大全」(アナログデバイセズ編)が。

IKUZO 回答番号 15
タイトル
最終ご報告
ポイント
pt.
アクセス3762
投稿日時15/02/06 08:08
高野山 さん
貴重なアドバイスありがとうございます
先日の電圧入力の件では
皆様に信頼性の置けない資料を提出しまして
まことに遺憾です、単なるAC成分が乗り移った
だけかもしれないということは今頃気がつきました
4000Mと11.5Mは抵抗のサイズが違い
その影響で差がでていることが考えられます
その後また努力いたしまして電流入力で
10M帰還で50mVが出力されていることを
確認いたしましたが、変動に対処するため
入力信号1KHzを4Hzに変更して
後段で4Hzのローパスフィルタを掛けてみましたが
結局のところ正弦波のようなことになってしまいました
5nAを安定して高速で計測するということが
いかに難しいのかということを思い知らされた思いがします
まず1KHz(1mS)では無理
2メータも裸線で伸ばすのは無理
ただアジレント3458Aでは1メータのテストリードで
5nAを計測ができていますので軽く考えたのが間違いでした
今の私の技術では10uAぐらいが精一杯かと
難しい仕事を請け負ったのはよかったのですが
残念です

高野山 回答番号 14
タイトル
仮説と結果
ポイント
pt.
アクセス3886
投稿日時15/02/05 18:13
たとえばオペアンプで3倍アンプを組立て、正弦波1Vppを入力したのに、電源電圧に張りついた方形波が出力されたなら、「これはマトモに動いていない」とわかりますよね。
3枚の動作波形を提示されていますが、この波形は正しいですか? 自分が立てた仮説に(そもそもこうなるはずという仮説は立てた?)違わぬ結果は得られているのでしょうか?

「値を変えたら違う波形が見えたから、これで出来そう」では技術者とはいえません
キビシイようですが、リカルドさんが何度も問いかけている中身を、もっと真剣に考察すべきかと。

抵抗値の大きさで「しきい値」を設定し、それよりも上か下かを検出する、というのであれば、
抵抗の値の大小で変化する物理量は何なのか、それをオペアンプでどうやって検出するのか。段階を踏んで考えられますように。

IKUZO 回答番号 13
タイトル
再び電圧入力でやってみた
ポイント
pt.
アクセス3970
投稿日時15/02/04 13:34
電流入力でなにが悪かったのかわかりませんが
一番最初の電圧入力でうまく行っていたと思ったので
少し回路変更しまして(6.8MΩを入力と並列に追加)
10倍のゲインで1000Hzのハイパスフィルタを
フィルタプロのソフトで算出し回路を構成しました
ためしに最初の1段のみ回路を作成しテストたところ
5段回路やらなくても60Hz変動が十分キャンセルできていると
判断してAD8662の片側を利用して回路を構成しました
添付回路図のようにいたしました
その結果は添付波形画面のようになっております
出力波形はDCではないものの安定しております
20VP-Pのパルス間隔でA/Dコンバータで複数回サンプリングして
平均することで目的達成かと思えますが
一つ大きな問題があります高野山 さんが指摘された
浮遊容量のことがありまして
実用時には4000MΩは否シルードで2メーター以内の
FPCケーブルで基板の外に配置されます
そのためこの4000MΩに接続した2本の配線間で
浮遊容量の影響で信号が乗り移り
4000MΩを接続していなくとも
添付波形画面よりも大きな振幅で出力されます
(あたりまえだよ!!)
なんとかならないものでしょうか?
ハイパスフィルタでベースの直流変動を抑えようとしたのですがこれが解決になっていなのかもしれません
純直流であれば乗り移らないはずなので
この直流変動をフィルタ以外の方法で安定させる
方法があれば突破口となるのではないかと想像します
なにか良い方法はありませんでしょうか?
もう一度電流入力にして増幅率を1000ぐらいで
入力インピーダンスを下げて、でも増幅率を上げると
入力インピーダンスが低くても同じような現象にはなりませんか、みなさんどう思われますか?
入手資料によると最新のピコアンメータや新しいエレクトロメータの電流測定機能は、フィードバック電流計構成(電流入力)だけを使用しています。ということでした、やはり電流入力が正解のようです、添付に
フィードバック電流計構成(電流入力)図を添付しました
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IKUZO 回答番号 12
タイトル
これは失礼しました
ポイント
pt.
アクセス3899
投稿日時15/02/04 12:49
これからやってみたいと思います
ということで、やってみた結果ですが
先ほど提出した資料に重大な誤りがありました
オシロの出力波形ですが4000MΩを批准したものではなく
単に20VP-Pのパルスが乗り移っていただけでした
4000MΩを外しても同じような波形が観測されますし
4000MΩの代わりに10MΩを接続すると波形が大きくなると
予想していたのですが、波形は小さくなりました
リカルドさんご指摘のように
4000MΩを判断する回路にはなっていないようです
なにか良い方法はないものでしょうか?

リカルド 回答番号 11
タイトル
この回路でどのような動作を期待しているのですか。
ポイント
pt.
アクセス3968
投稿日時15/02/04 09:38
 理想オペアンプとして、電圧振幅、入力インピーダンス、分布容量なども問題無いとして、抵抗値の違いによって出力がどのように変化すると考えているのですか。

 バッファアンプだから抵抗値にかかわらず、入力信号と同じ波形が出力されます。

IKUZO 回答番号 10
タイトル
電流入力での波形
ポイント
pt.
アクセス3939
投稿日時15/02/04 09:21
高野山 さん
MUSUSU2 さん
貴重なアドバイスありがとうございます
「±12Vで動かしてはいけません」
添付回路図のごとく±5Vに変更しました
配線まわりの浮遊容量が10pFあれば、
「4GオームとでできるLPFのカットオフはわずか4Hz
1kHzは、ほとんど消えますね。」
といいますか前の電圧入力の回路図で
波形の出力を確認していただきますと
出力波形はなまらずに出力しているように見られますが
その波形は拡大できないかと
AD8662の1番ピンから2番ピンへ帰還させている配線をはずすと
出力波形はP-P5Vぐらいにはなるようですが
バイアスが安定しないのかその波形は安定しません
そんな帰還ゼロのような回路は実用性はないのはわかっているのですが
とりあえず出力波形はP-P5Vは確認したということで
「コロコロ変わります」これをなんとかしたいのですが
「ボルテージフォロワ」でしたので
「R13をOPアンプのマイナス入力につなげ、反転増幅器にします。
帰還抵抗を10MΩ位にすると」
添付回路図1の如く電流入力の回路に
変更してみました、
添付波形1のような結果になりました
相当なスパイクが発生しております
これフィルターで除去できるのでしょうか?
「CN1の信号入力点は1kΩの抵抗を並列につけるなどで」
添付回路図2もやってみました
添付波形2のような結果になりました
約200mVP-Pの出力がされております
60Hzでベースが変動しておりますので
これにハイパスフィルタを掛けて10倍程増幅
すればどうかなとは思いますのでこれからやってみたいと思います
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MUSUSU2 回答番号 9
タイトル
???
ポイント
pt.
アクセス3974
投稿日時15/02/04 00:41
IKUZOさんへ
 回路の目的が、R13を見るものであるなら、回路の思想が間違っています。IKUZOさんの回路は、ボルテージフォロワですが、見ているのは入力信号一定で、R13がどう出力に影響するかになっています。それを考えると、Opアンプの入力部のインピーダンス等の違いでころころ変わるのはまずいでしょう。比較対象がはっきりしないのに何かと比較するようなもので、わけがわからなくなってしまいます。
 改造するなら、R13をOPアンプのマイナス入力につなげ、反転増幅器にします。帰還抵抗を10MΩ位にすると、R13が4GΩの時に -1/400になるので、20Vppの入力に50mVppの出力になる計算。後は適当に料理したらいいでしょう。 後段フィルターで1KHz成分だけ、あるいはその高調波などを取り出すということもできるでしょう。

 ですが、このような回路で、遮蔽をしっかりやるのはすべての前提です。「手を近づけたら...」等と言わないこと。そんなの当たり前ですから。
 また、CN1の信号入力点は1kΩの抵抗を並列につけるなどで、インピーダンスを下げることもお勧めします。信号源との接続がどうなっているかによっては不要ですが。

高野山 回答番号 8
タイトル
絶対最大定格は厳守
ポイント
pt.
アクセス4123
投稿日時15/02/03 21:34
AD8662のデータシートを見ると電源電圧は最大18V。
±12Vで動かしてはいけません
「とりあえず評価」以前の問題ですよ

配線まわりの浮遊容量が10pFあれば、4GオームとでできるLPFのカットオフはわずか4Hz
1kHzは、ほとんど消えますね。
この浮遊容量の値は実装が変われば平気で倍半分とか、コロコロ変わりますから、定量的な応答を期待するのはダメです

4Gオームといえば、基板の絶縁抵抗や湿度も無視できない世界ですから、テフロンスタンドオフを使う、デシケータが必要とかの配慮も要りそうです

4Gオームと1kHzを用いて、どんな計測手段が考えられるか、もう少し机上検討やシミュレーションをやり直したほうが良いと思います。
(高抵抗なら電流→電圧変換回路とか)

先にレスしてくださった先輩方も「この回路ではムリだ」と確信しているはずです。失礼ながら、私もこれで10Gオームかゼロかの判別は無理ではないかと・・・。

IKUZO 回答番号 7
タイトル
直流でない理由
ポイント
pt.
アクセス4003
投稿日時15/02/03 14:14
リカルドさん
なぜ直流で測らないのですか?
応答性能を見るためです
4000Mオームも有ったら分布容量の影響を受けるから、1KHzはCRフィルタを通した波形になるでしょう。
たぶんでしょう、4000Mオームを無制限に時間をかけて計測出来るのはわかっています、今回の場合1ミリ秒ぐらいで計測しないといけませんので、その応答性能が判断できるようにです
・20Vではオペアンプの電源電圧を超えているので、無理が有ります。
とりあえず評価のためですので、バイアス低くて高電圧が手元にないためです
・入力端子が解放の時、入力が電気的に浮いています。
とりあえず評価のためですので解放しないという約束で

リカルド 回答番号 6
タイトル
なぜ直流で測らないのですか?
ポイント
pt.
アクセス4047
投稿日時15/02/03 13:32
>固定抵抗の抵抗値です

 なぜ直流で測らないのですか?

・4000Mオームも有ったら分布容量の影響を受けるから、1KHzはCRフィルタを通した波形になるでしょう。

・20Vではオペアンプの電源電圧を超えているので、無理が有ります。

・入力端子が解放の時、入力が電気的に浮いています。

IKUZO 回答番号 5
タイトル
計測したいのは抵抗値
ポイント
pt.
アクセス3982
投稿日時15/02/03 12:40
リカルドさん
固定抵抗の抵抗値です
4000MΩ付近の抵抗値です
基本的に変更してはいけないものは
20VP-Pの1KHzの入力パルスです
4000MΩの固定抵抗ですが、
これは仮に4000MΩの固定抵抗としたもので
本当は0Ωから10000MΩぐらい変化する対象物を
検出できないか?ということです
当然0Ωの場合は振り切れるのですが
この場合まだ評価段階ですので4000MΩを閾値にして
それ以上かそれ以下かが詳細でなくともパルスの形で
目に見える形で表示させるのがいまのところの目標です、
1KHzパルスとしているのは応答性の関係で
1KHzの速度で判定したいということです

リカルド 回答番号 4
タイトル
被測定物の何を測りたいのですか?
ポイント
pt.
アクセス4015
投稿日時15/02/03 10:07
 被測定物の何を測りたいのですか?
 どんな出力波形を期待しているのですか?

IKUZO 回答番号 3
タイトル
4000MΩ
ポイント
pt.
アクセス4073
投稿日時15/02/03 08:21
yoshi05 さん
やま さん
400M ではなくて4000MΩです
バンドパスフィルタではなんとかならないものでしょうか?
オシロの下の緑の波形が出力信号ですが
この信号の振幅をもっと大きく、手などが接近してもベースが振れないようにできないものでしょうか?
これは20VP-Pというのは信号源です
4000MΩというのが被計測物です
これはセンサ等の製品ではなく固定抵抗なので
アプリケーションノートはありません
OPアンプで振り切れないような高電圧のもので
ピコアンペア級のものないですか?
インピーダンス下げると出力波形がなくなり
例として保護ダイオードを入れたのみでも
出力波形が小さくなります

やま 回答番号 2
タイトル
アンテナになっているのでは?
ポイント
pt.
アクセス4021
投稿日時15/02/02 23:07
IKUZOさん お疲れ様です。

400MRも意味が分からないですが、
オペアンプの入力は高抵抗ですので、
アンテナになっていると思います。

入力回路のインピーダンスを下げたらどうでしょうか?

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