オペアンプの非反転増幅について

質問

オペアンプ初心者です。
電流を計測したく0.01Ωの抵抗にかかる電圧をオペアンプで増幅してPICマイコンでAD変換（10bit）して計測する回路を作っているのですが、オペアンプの増幅がうまくいきませんので質問させてください。

オペアンプはLM358N
電源は5V
非反転増幅回路は抵抗２本のみの基本的なものです。

非反転増幅（100KΩ/430Ω+1）で233倍位で実際にテスターで計ってみたのですが233倍位にはならず1000倍？位になってしまいました・・・100KΩ/10kΩ+1の11倍で試したところ正しく増幅されたので回路はあっていると思うのですが・・・
100KΩ 5kΩの組み合わせでも21倍でなく100倍位になってしまいました・・・

オペアンプの増幅率の限界とかはあるのでしょうか？
抵抗値は1ｋ～100ｋくらいを使うとネット上で見かけたのですが、抵抗値が良くないのでしょうか？・・・何個か試したのですが、R1とR2の抵抗値の差がある（倍率が大きい）とうまくいかず・・・

測定電圧がかなり小さいため出来れば200倍位にしたいのですが、どのようにすれば可能でしょうか？
また、無理な場合は何倍までなら可能なのでしょうか？その際使用するおすすめの抵抗値を教えてください。

以上よろしくお願いします。

回答No.7

xpopo · ベストアンサー

>接続方法？は、PWMで電流制限したFETから充電池の+に接続し充電池の-の先に電流検出抵抗
>があります。
>素人の私的に電流検出抵抗は小さい方が良いと勝手に思っているのですが・・・抵抗を大きく
>すると何が変わりますか？

抵抗を大きくした場合影響するのは
　(1)　定電流駆動回路部の動作電圧範囲が減少する。
　(2)　電流検出抵抗の発熱が増える。
の2点です。(1)については実際の回路がわかりませんので正確なことは言えませんが、最大電流
を流したときに検出抵抗に発生する電圧降下が　0.5V　程度以内なら問題ない可能性が高そう
です。回路図を提示していただけば正確な判断が可能です。また、検出抵抗による電圧の
定電流回路の定電流設定値に対する影響は無視してかまわないと思います。
(2)については検出抵抗をRs、検出電流をIsとすれば、発熱量(Watt)はRs×（Is)^2で決まります。1/4Watt程度までなら実用上問題ないでしょう。

上記の(1)、(2)が問題ない場合、

>最大充電電流（測定電流）は1Aまで、単位は1mAで表示するのですが、さすがに1mA単位まで
>正確に出そうと>思っているわけではありません。10mA単位がテスターとほぼ同じ(誤差10mA弱)
>くらいになればと・・・

誤差は１０ｍA弱まで許容できるということですので、以下に抵抗の値と使用可能なオペアンプの
入力オフセット電圧Voffを説明します。

１）　検出抵抗Rs
　　　最大充電電流で発熱を1/4wattとして、　Rs　＝　(1/4W）／（（１A）^2）＝0.25　Ω
　　　の値が使用できる検出抵抗の最大値になります。

２）　許容最大入力オフセット電圧を求める
　　　ここで、入力オフセット電圧をVoff、フルスケール時の検出電圧（検出抵抗の電圧）をVsF、
　　アンプのゲインをKとして、Voffがある時のオペアンプ出力Vo_offは

　　　　Vo_off　＝　（VsF　＋　Voff）×K　　　　　　　　　　（１）

　　　またVoffがゼロの時のオペアンプ出力Vo_0は

　　　　Vo_0　＝　VsF×K　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）

　オフセット電圧Voffがある時の出力電圧のオフセットが無い時の出力電圧に対する誤差εを

　　　ε　＝　（１　-　Vo_0／Vo_off）×100(%)　　　　　　（３）

　　と定義して、式（３）に式（１）、（２）を代入すると

　　　ε　＝　（Voff／（VsF　＋　Voff)）×100(%)　　　　　（４）

　　となります。この誤差εが許容誤差以下になる条件、すなわち式（４）より

　　　ε　≦　　（Voff／（VsF　＋　Voff)）×100(%)　　　（５）

　と書けますので、これよりVoffの条件は、

　　　Voff　≦　VsF×ε／（100-ε）　　　　　　　　　(6)

　で求まります。ここで　フルスケール時の検出電圧VsF＝１A×0.25Ω=0.25V、誤差εは
検出電流許容誤差が10mAで、誤差電圧は10mA×0.25Ω=2.5mVより　
ε　=　（2.5mV／250mV）×100（％）　=　１%　を式（６）に代入して

　　Voff　≦　0.25V×1%/（100％-1%)　＝2.525ｍV

となりますので、オフセット電圧が２ｍV程度の汎用のオペアンプが使用できることがわかります。
尚、アンプのゲイン　K　は　K　＝　Vre/VsFより　ｋ　＝　2.5V／0.25V　＝　10　に設定します。

お礼

非常に詳しい説明ありがとうございます。
問題なさそうなので0.5Ωの検出抵抗で行こうと思います。
とても勉強になりました、ありがとうございました。

回答No.6

正親町（@Ohgimachi）

回路の考え方が基本的に間違っています。

まずシャント抵抗は、high-side、low-sideに関わらず必ず４端子で
差動電圧として取り出さなければなりません。グランドラインといえども抵抗は0ではないので、電流が流れると必ず電圧降下が発生するからです。そして増幅は4端子から取り出した2本のセンス線の電圧を計装アンプで増幅します。シングルのオペアンプが使用できるのは電流が0.1mAでシャント抵抗が1kΩ等の小電力のlow-sideでの使用の場合のみです。

計装用アンプ(Instrumentation Amplifier)は自分で複数のオペアンプを使用して製作できるようなことが電子回路の本に書いてありますが、あくまでも学習用であり、実用に耐えるような物を作るのは不可能です。自作するためには抵抗をレーザートリミングして揃える必要があり(実施可能な抵抗メーカーはあります)、購入するより遥かにお金がかかります。

以前はアナデバのAD624という定番のICがあり、入手性もよかったのですが、製造中止になるようですから適当なものを探してみてください。

お礼

回答ありがとうございます。
知識が乏しくご説明の半分くらいしか理解できていませんが、そこまで正確に測りたいわけではありません
。
説明不足ですいませんでした。

回答No.5

xpopo

横から失礼します。

そもそも測定したい電流の最大値Ismaxはいくらなんでしょうか？
それと、電流検出抵抗の値Rsenseは0.01Ωと小さな値にされてますがこの値は
大きくできないのでしょうか？

必要なアンプのゲインをK、ADCのフルスケールの電圧をVccとしますとアンプのゲイン
Kは

　　K　＝　Vcc/(Ismax×Rsense)

の関係がありますので、たとえば　Vcc=5V　Ismax＝100mA、　Rsense＝10Ω　（ex：可能な場合）
とした場合にはKは

　　K　＝　5V／（100mA×10Ω）　＝　5

と小さなゲインで実現できます。このようにゲインを小さくできればオペアンプの入力
オフセット電圧が２ｍVtyp程度でも十分精度が保たれます。検出抵抗を大きくできる可能性が
あれば、高価なカレントセンスIC（汎用OPアンプの10倍程度）を使わずに済みます。

補足

回答ありがとうございます。
説明不足ですいません。
作成しているものは、電圧と電流を調整できる充電池の充電器です。
PICのAD変換での基準電圧は2.5Vになっています。
最大充電電流（測定電流）は1Aまで、単位は1mAで表示するのですが、さすがに1mA単位まで正確に出そうと思っているわけではありません。10mA単位がテスターとほぼ同じ(誤差10mA弱)くらいになればと・・・

接続方法？は、PWMで電流制限したFETから充電池の+に接続し充電池の-の先に電流検出抵抗があります。

素人の私的に電流検出抵抗は小さい方が良いと勝手に思っているのですが・・・抵抗を大きくすると何が変わりますか？

ちなみに私の計算では、最大1A位までで、出来れば正確な方が良いので
1A(最大電流) x 0.01Ω(測定抵抗) = 0.01V
2.5V(基準電圧) / 0.01V = 250倍 ・・位にしたいな・・・と、なりました。

電流検出抵抗を0.5Ωにして倍率5倍(100k/25k+1)だとテスターとほぼ同じ程度になりました。
・・・しかし、抵抗が大きくなると何が変わるのかわからないと不安です。逆省エネ？になるのでしょうか？その他にも違いがあるのでしょうか？
あと、充電回路中の抵抗が大きくなるわけで、充電自体に問題は出てこないでしょうか？・・・PWMで電流管理するわけだから無関係でしょうか？？

・・・ほんと電気回路は苦手で素人的質問ですいません。

回答No.4

tadys

http://japan.maxim-ic.com/products/amp_comp/
この中に
｜－オペアンプ
｜－計測/差動アンプ
｜－プログラマブルゲインアンプ
｜－ 電流検出アンプ
　 　 ｜－ハイサイド電流検出アンプ
とあります。
直接行くのであれば
http://para.maxim-ic.com/jp/search.mvp?fam=cs_amp&tree=amps

「電流センスアンプ」で検索するのがいいかもしれません。

アナログディバイス
http://www.analog.com/jp/amplifiers-and-comparators/current-sense-amplifiers/products/index.html
リニアテクノロジ
http://www.linear-tech.co.jp/pc/viewCategory.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1009,C1077
テキサスインスツルメンツ
http://focus.tij.co.jp/jp/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=analog&familyId=426&uiTemplateId=NODE_STRY_PGE_T

お礼

すいません。上のオペアンプのところしか見ていませんでした・・・
ありがとうございました。

回答No.3

tadys

LM358はオフセット電圧が2mV程度あるので微小電圧の増幅には不向きです。
オフセット調整回路を使用するのは良いことが有りません。
入力バイアス電流も小さくはないので、反転／非反転の入力につながる抵抗値を等しくしないとバイアス電流によるオフセットが大きくなります。

電流検出抵抗をハイサイド(+側）に配置できるのであれば「電流検出アンプ」を使用するのがいいです。
ローサイドに有るのであれば「低オフセットアンプ」を使ってください。
それぞれのアンプは下記URLから検索できます。（他のメーカーもあります）
http://japan.maxim-ic.com/products/amp_comp/
PICのAD変換器の性能を活用するためにはアンプの出力に「レールtoレール」の物を使用してください。

補足

回答ありがとうございます。
なるほど、専用の電流検出アンプというものがあるのですね。
リンク先のサイトを見てみてのですが、電流検出アンプとはどれのことでしょうか？
「低入力バイアス電流」のところでしょうか？
・・・基本的な質問で申し訳ないのですが、
データシート上のどの部分が電流検出に重要なのでしょうか？
「低オフセットアンプ」は、Input Offset Voltag？

電流検出アンプをネットで検索してみたのですが見つからず、正式名称などがあるのでしょうか？
秋月電子で見てみたのですが、「超低オフセットオペアンプ」や「高精度オペアンプ」などのことでしょうか？

よろしくお願いします。

回答No.2

taunamlz

入力オフセット電圧が平均で２ｍＶあるようなので、２３３倍すると４６６ｍＶ位の直流電圧が出力されます。
また、温度ドリフトも無視出来ないのでは無いかと思います。
つまり、「増幅しすぎて普段気にしなくて良い物が見えてしまっている状態になっている」のでは無いでしょうか？
回路を再度検討しなおすべきだと思います。

例えば
オフセット調整回路の追加
低ドリフトオペアンプを使用する
電流源を交流にしてＤＣをカットする。
抵抗値を大きくしてゲインを小さく押さえる。
電流電圧変換回路を作る。
等
対策はいろいろあり、難易度もさまざまです。

お礼

回答ありがとうございます。
なるほど、そういうものだったのですか・・・オペアンプ自体使ったことがほとんどなく勉強になりました。
オフセット調整回路というものを調べて試そうと思ったのですが理解できなく断念・・・
電流電圧変換回路を調べて試したのですがうまくいかず・・・たぶん理解できていない・・・
・・・増幅率を下げるか、専用オペアンプ？を購入するかでしょうか・・・

回答No.1

aokii

非反転増幅の200倍でしたら、995KΩ/5kΩの組み合わせになります。