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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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kei1024
タイトル
オペアンプ差動増幅回路の発振について
ポイント []
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アクセス4402
カテゴリーアンプ&コンパレータ
キーワード NJM2137D   オペアンプ   同位相   発振   オペアンプ差動増幅回路   Powered by Yahoo
投稿日時16/12/06 19:28
NJM2137dのオペアンプを使用して添付ファイルのような差動増幅回路を作成したのですが、どうも40kHzの周波数で発振してしまいます。用途としては0-3.3vの信号を同位相と反転したもので入力し、±400mV程度の信号を得るためです。
発振の原理をまだよく理解できてないかと思いますが、オペアンプのマイナスに負帰還が同位相にならなければよいと考えております。その観点でNJM2137Dは入力信号で利用する100kHz周辺ではほとんど位相遅れがなく、入力出力間で反転してしまうことはないと考え選択致しました。そのため発振してしまう理由がよくわかりません。
アドバイス宜しくお願いいたします。
なお入力信号は100kHzをキャリア周波数とした帯域幅10kHzの信号です。
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YandH 回答番号 24
タイトル
良かったらシミュレーションを使えるようになりませんか?
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アクセス3115
投稿日時16/12/21 09:45
NJM2137のシミュレーション用のモデルが入手できなかったのでうまくいくとは限りませんが。
ほかのICでは効果がありました。
pFオーダーのコンデンサーで良いと思います。

「YOshimさん 回答番号21」「YandH 回答番号 8」などは同じ考え方です。

良かったらシミュレーションを使えるようになりませんか?
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kei1024 回答番号 23
タイトル
Re: まず発振をとめましょう 回答16の写真を見て
ポイント
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アクセス3093
投稿日時16/12/21 08:51
ありがとうございます。試させていただきます。
ちなみに位相補償回路で、負帰還にコンデンサを並列につなぐことがありますが、これは得策ではないのでしょうか。

kei1024 回答番号 22
タイトル
Re:えと、
ポイント
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アクセス3100
投稿日時16/12/20 22:25
以前私がブレッドボードにて100k,12kで回路を作成したときも発振はしなかったのでユニバーサル基板で実装しましたが、現在発振している状態です。
ただユニバーサル基板に1番シンプルな形でフィルタ等もつけずに実装したところ発振しておりましたので、icソケットか何かですでに位相が回ってしまっているようです。
Icを変えるか抵抗値を下げることは必須のようです。

いただいた要望ですが、
乾電池は、今しばらくお待ちください。
信号のノイズについては、FPGAからの信号を直接繋げているのでノイズはないです。GNDもなるべく太くしております。
ただし信号源(FPGA)のGNDと、出力のGND間をオシロで観測しましたが、添付したような波形が見られました。1秒ごとに1.6ミリ秒の信号を入力しているので、その立ち上がりがコンデンサを通じてこのような波形を生じさせているのだと考えています。
使用してない方の適切な処理はどのようにすれば良いのでしょうか。100k120kでユニバーサル基板に実装したものについては入力の線をプラスマイナスでショートさせています。ブレッドボード上ではなにも接続しておりません。
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YOshim 回答番号 21
タイトル
オペアンプの出力にコンデンサを実装すると発振する可能性あり
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アクセス3120
投稿日時16/12/20 16:27
オペアンプの出力部に直接コンデンサを実装すると
位相がずれて発振する事があります。
対策としては、C1の手前に直列に抵抗を入れる事です。
数10オーム程度でも効果はあると思いますが、
得たい出力信号の周波数範囲を考慮して数値を決めてください。

YandH 回答番号 20
タイトル
まず発振をとめましょう 回答16の写真を見て
ポイント
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アクセス3209
投稿日時16/12/19 06:34
いろいろな条件があるでしようが、まず発振を止めることをやったほうが良いと思います。
このICでの増幅度を上げてみることをお勧めします。

100kΩの部分を12kΩ1200Ωと変化させてみてください。入力をなしとするために抵抗は信号源ではなくアースに接続してください。もしかしたら発振は止まるかもしれません。
もし発振が止まったらどのくらいの増幅度まで大丈夫か100kΩ部分の抵抗値を調べてください。
余裕をとるためにもっと抵抗を下げ増幅度を上げておきます。

あとは必要な信号が得られるようにレヴェル合わせを行えばよいと思います。止まらない場合はほかにもっと大きな原因があると思います。
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リカルド 回答番号 19
タイトル
インターネットで調べて、すぐ出てきましたよ。
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アクセス3237
投稿日時16/12/18 10:17
 インターネットで調べたら、直ぐに出てきましたよ。

http://www.njr.co.jp/products/semicon/PDF/NJM2136_NJM2137_NJM2138_J.pdf
.
http://www.njr.co.jp/products/semicon/products/NJM2137.html

yoshi05 回答番号 18
タイトル
えと、
ポイント
pt.
アクセス3276
投稿日時16/12/17 17:19
> NJM2137のデータが手に入らないので

え? と思ったのですが、NJRCのHPでみると仰るとおりですね。 ごめんなさい。

/*
私の手元にあるのはなんだろう・・

http://www.spicepark.info/オペアンプ-opamp/新日本無線-njr/njm2137/

にはあるので、期間限定で公開していたものか、なにか問題があって取り下げたのかもしれません。
*/

4580で試したらどうでしょう? 
このデータなら公開しているみたいですし、(2137と同系統の)バイポーラタイプだし、
kei1024さんの想定している 100khz 前後ならつかえるんじゃないかな。 
電源電圧を+-9v位に大きくすれば(できるから)入力レベルが大きくても安心だし。
  
kei1024さんの回路と同じではありませんが、
手元の2137で試しました。
  
100kΩ- in- - 12kΩ- out とし、
100kΩ を in+ につないだ回路をブレッドボードに作って、
in+の100kΩの先を GNDにして、反転、
同じ接続で無入力
in-の100kΩをGNDにして 非反転
を試しました。
オーバシュート等はあるものの、発振しているようには見えませんでした。
入力信号は同じブレッドボード上に組んだ555で13khz位を減衰したもの。

電源は +4.5vと -3v、 どちらも単三マンガン乾電池。
パスコンとして3.6uFのタンタル。
抵抗器は 1/8w のカーボン抵抗です。
 
 
kei1024さんの波形(PDF)を拝見しましたが、

- 乾電池で動作させた時もみたいです。

- 100Khz の入力信号に、すでにノイズが乗っていることはないでしょうか?信号源の電源がスイッチングだったり、またGNDのラインはノイズなど無い、太い線でしょうか?
当然確認済みと怒られそうですが・・
 
- 2137は二回路のICなので、半分だけ使っていると思いますが、遊んでいる方は適切に処理しているでしょうか。
--

ps
 抵抗を小さくするときは、
[出力電圧 対 負荷抵抗特性例]の図もご留意ください。 1.2kなら許容範囲ですけれど、それでもオペアンプの出力インピーダンスが問題になるような領域になっていそうです。
120Ωとなると何かありそう。

発振?周波数が数Mhz を超えたようですから、ICの内部・外側、負荷になっている後段の入力部やそこに至る信号線、測定に使っているプローブまで含めて、容量分がどうなっているか検討してみてください。


YandH 回答番号 17
タイトル
LTspice Ⅳでやってみました。
ポイント
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アクセス3326
投稿日時16/12/16 16:08
LTspice Ⅳでスレッド作成時の、回路図でやってみました。
NJM2137のデータが手に入らないので、OP37とかOP27とかほかのICでいろいろやってみました。発振するICがありました。皆さんが書かれているようにこの回路でこのICではすこし無理でないかと思います。

kei1024 回答番号 16
タイトル
Re:観察
ポイント
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アクセス3399
投稿日時16/12/15 15:53
yoshi05さんありがとうございます。知識がないものであまり話についていけておりません。消化するのに時間がかかりますがよろしくお願いいたします。
発振波形を写真を撮りましたので参考までによろしくお願いします。
なお増幅率を決定する抵抗値を100kと12kとした観測波形は、半田で実装した回路の波形を載せております。が、抵抗を下げた時の波形は、ブレッドボードで単純に差動増幅回路だけで作成した回路の観測波形を載せております。
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yoshi05 回答番号 15
タイトル
観察
ポイント
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アクセス3441
投稿日時16/12/13 12:20
お話が噛み合っていないので・・
次のような情報を教えてください。

- 観察した(出力)波形の写真

- 入力信号の波形。

- 入力をなしにしたときの波形。
 発振器は停止させて、1k とか 100kΩくらいでGNDに繋いだときの波形。

- 電源の波形。
 オシロスコープをAC結合にして感度の高い状態で観察

- 電源を乾電池にしてみたときの動作。

- 空中配線があるとのことですが、リード線や足の長い部品があれば、それらを指で摘んだり、軽く動かしたときの変化。
 
※大抵の場合、これくらいを確認しているうちに何か気がついて、お話は終わってしまうでしょうけど・・。


kei1024 回答番号 14
タイトル
Re:どのように観測しましたか?の件について
ポイント
pt.
アクセス3545
投稿日時16/12/12 12:37
ありがとうございます、オシロはプローブのハリにミノムシのようなカバーを装着するものを使用しております。

kei1024 回答番号 13
タイトル
発振周波数について
ポイント
pt.
アクセス3558
投稿日時16/12/11 22:56
空中配線等をできるだけ少なくして、回路を作り直してみました。その結果発振周波数は6MHz程度になりましたので、回路に間違いがあったかと思います。(抵抗値を変えてない状態でです。)
また電源はマイナス電源のみCosel のsus6 0505を使用しています。このdcdcのマイナス入力とプラス出力をGNDとショートさせているだけですが、この部分に関しても何か対策をすべきでしょうか。

Ariaria 回答番号 12
タイトル
観測時のエイリアシングでは?
ポイント
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アクセス3586
投稿日時16/12/11 22:33
 NJM2137Dのデータシートをみると、電気的特性の表には
 利得帯域幅積 GB 条件:60dB ? 500kHz Min. 120 Typ. 200 MHz
ユニティーゲイン周波数 fT 条件:40dB Typ. 40 MHz
とあります。
 この条件は、どのようなことを意味しているのでしょうか?ユニティーゲインで使用出来ますということではなさそうです。

電圧利得・位相 対 周波数特性例として、
グラフが記載されており、オープンループ・ゲインの周波数特性ではなさそうで、電圧利得100(Gv=40dB)、例えば反転入力-GND間1KΩと帰還抵抗100KΩの回路の時のような特定の回路のもののようです。
 そのグラフでは30dB/dec.程の減衰があるようですので、ユニティー・ゲインでの使用を保証しているものと比較すると、かなり位相の変化が大きいことを伺わせるものとなっています。電圧利得1(Gv=0dB)とするのは、特別な補償なしでは不可と考えた方がよさそうです。
 kei1024さんの回路は、ユニティー・ゲインに近い所まで帰還をかけていますので、数MHz以上にピーキングがあり場合によっては発振につながる可能性はありますが、それが40KHzになるとは説明できないと思います。
 デジタル・オシロで観測した時にエイリアシングで40KHzに見えたとか、回路に間違いがあって発振している等はないのでしょうか。

yoshi05 回答番号 11
タイトル
Re: だれかわかる人おいでではないですか?
ポイント
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アクセス3601
投稿日時16/12/10 18:34
spice でシミュレーションした回路ということでしょうか? 多分そのとおりだと思います。
2137の spiceパラメータは NJRCのホームページで入手できたと思うので、すでにシミュレーション済だと思います。
 
ということは、回路図に表現されている部分よりも
・・実装とか、入出力とか、測定の方法とか、
他の部分を疑うべきだと思われます。
 
すでに指摘されているように、抵抗が大きめなので、
(指摘されている不安定要因に加えて)
入力抵抗が高めなので近くの信号(リモコンとか、福島県にお住まいの方ならJJYとか)を拾っているかもしれませんし、電源がSWレギュレータだったり・・とか。
  
#「パスコンが入っていますか」というのは、パスコンが入っているかというよりも、「電源の波形はきれいでしょうか?」という意味だと思います。
  

YandH 回答番号 10
タイトル
だれかわかる人おいでではないですか?
ポイント
pt.
アクセス3669
投稿日時16/12/10 16:50
スレッド作成のところに回路図が入ってますが、シミュレーションできる回路図ではないかと思うのです。

私はこのタイプのものは使用したことがないのでわかりません。だれかわかる人おいでではないですか。

kei1024 回答番号 9
タイトル
Re:抵抗値が高すぎるようです
ポイント
pt.
アクセス3645
投稿日時16/12/10 16:27
配線によっても大きく影響するとは考えてもいませんでした。ありがとうございます、とても勉強になりましたm(_ _)m
なかなか癖があるものとは知らず使用しておりましたが、勉強の上他のオペアンプも検討してみます。

教えていただいたことを踏まえて、再度ブレッドボードに抵抗値の低い回路をフィルタを除いて実装(1/10,1/100倍の抵抗)したのですが、100k,12kでは綺麗な波形が出力できた一方で低い抵抗値の時には発振してしまいました。これはどう言った理由なのでしょうか。教えていただいたことからいえば帰還抵抗の値が低いほど入力端での位相遅れが少なくなるとの理解なのですが、、、。


YandH 回答番号 8
タイトル
どのように観測しましたか?の件について
ポイント
pt.
アクセス3659
投稿日時16/12/09 20:01
オシロスコープのプローブはどのような物をお使いですか。BNCのついたコード等でミノムシが付いたものではダメな時があります。
(測定用コードの容量で発振する可能性があります。)
直列に50Ωとか100Ωの抵抗をつけて測定すれば発振が止まる可能性があります。

kei1024 回答番号 7
タイトル
Re:どのように観測しましたか?
ポイント
pt.
アクセス3672
投稿日時16/12/09 16:37
返信が遅れてしまいました。ありがとうございます。
確かに単純に出力端の波形を見て本来欲しい信号に40kHzの波形が加算されていることから発振していると判断していました。回路図だけではなく色々な要因が考えられるということですね。
出力端のコンデンサによって、40kHz付近の利得にピークがきて増幅されてしまっている可能性があるということでしょうか。出力端のコンデンサと抵抗を外して試して見ましたが、変わりませんでした。

PNP-NPN 回答番号 6
タイトル
オープンループ特性と位相余裕
ポイント
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アクセス3900
投稿日時16/12/08 11:18
 NJM2137のデータシートを見ると、残念ながらオープンループの特性図、いわゆるボーデ線図が載っていないので、裸の周波数特性から判断することは難しいです。40dBのクローズドループの特性から推測すると、0dB付近での位相余裕が25°とかなり小さな値になっています。一般的にアンプ回路の位相余裕は、バッファアンプでは、0dB時で45°以上、安心して使うには60°以上といわれています。このアンプをkei1024さんの回路のように0dB以下の低いゲインで使うには、何らかの対策をしないと不安定になる危険性があるということです。
 後デカップリング・コンデンサの空中配線はやめたほうが良いと思います。この配線の寄生インダクタンスや寄生容量の影響で、デカップリングの効果が損なわれます。

tamanyan 回答番号 5
タイトル
追伸
ポイント
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アクセス3892
投稿日時16/12/08 00:48
NJM2137のデータシートをよく見たら、利得帯域幅が200MHzなのに、ユニティゲイン帯域が40MHzしかありません.
利得のゼロクロス付近で位相が大きく回っているようです.
ユニティゲインでも安定なようですが、位相余裕は25度しかありません.

高速オペアンプとしては、低消費電流で値段も安いですけど、消費電流を抑えるために高次のポールを高く出来なかったのでしょうか.
特性に少しじゃじゃ馬なところがあって、使いこなすのは腕が要りそうです.
油断すると嵌るタイプです.
じゃじゃ馬ならし、個人的には嫌いじゃないですけど、試作なしで製品化はちょっと冒険かな.

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