オペアンプのばらつきでおきる発振理由について

質問

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No.6

e_clapton · ベストアンサー

I/V変換に限ったことではないと思いますが、AMPなんてものは、動作自体がゆとりのあるものかギリギリなものかなんて紙一重です。そんな条件の中、例えばオープンループゲインが10％変わるなんて十分有り得るでしょうし、内部の位相補償コンデンサだって10％ぐらいすぐ変わるでしょう。ばらつきでの動作を補償できる程ゆとりを持ったTYP設計を行うか、昔で言う軍事向けぐらいのばらつきのものを用いるか、どちらかですね。
そもそもI/Vってのは「発振しやすいもの」と考えて良い回路構成です。当方も何度も苦しめられたので、よくわかります。
質問の答えですが、「AC特性」と一言で済ませられると思います。ゲインが上がればゼロクロスは伸びますし、ゼロクロスがあがる要因は、何もゲインだけでは無いですし。複合的な「AC特性」と言わざるを得ません。
アナログは10年で一人前と言われる領域です。是非頑張ってくださいませ！

回答No.5

Teleskope

（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。

回答No.4

dojustice

>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？

関連データを一つ見つけました。
AD社のOP90のデータシートです。
http://www.analog.com/jp/prod/0%2C2877%2COP90%2C00.html

詳細データシートを開いて、2ページの表の下から４段目「CAPACITIVE LOAD STABILITY」を見てください。
これは「利得1で使ったとき、標準で650pFまで発振しない、最悪でも250pFまでは発振しない」という意味です。
これだけのバラツキがあると考えてよいのではないでしょうか？

ただし申し訳ないですが、これは、ご質問の「どの数値が影響する」（原因）ではなく「・・・関係する」（結果）です。
（ご質問の趣旨とちょっと違うので、お断りしておきます）
しかし、このデータを記載したオペアンプも極めて稀れです。
その他いろいろ調べましたが、「数値のバラツキが発振原因」となるようなデータはありませんでした。

わたしが探した限りでは見つかりませんでしたが、もし入力容量or出力容量のデータがあれば、これが発振原因と結びつく可能性はあります。
しかし、デバイス自体の容量は一般にそんなに問題になるほど大きくなく、大半は外部に接続する容量の方がはるかに大きい問題で、デバイス自体の入出力容量ははあまり影響しないと思います。

蛇足かもしれませんが、発振を「予見」するデータはいくつかあります。

mAXIM社のMAX4236/4237のデータシートです。
http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX4236-MAX4237.pdf

トップページ右側に、「200pF Capacitive Load Handling Capability」とあります。
これは200pF負荷での安定動作を保証していると考えられます。

7ページの図の下から二段目、一番右の図を見てください。(MAX4237 open-loop gain/phase vs frequency)
利得が1になるとき（約4MHz）の位相余裕は約40度です。
これはかなり厳しい値です。
一般には60度くらいに抑えます。
このように、「周波数が高くなるほど利得は小さくなり、位相回転も大きくなる。従ってオペアンプにとって、利得1での動作（電圧フォロワー）は最も厳しい条件」ということになります。
逆に言えば、「利得1で使えるか否かはオペアンプの使いやすさの目安（発振させないで使える）」、とも言えます。

MAXIM社のMAX4238のデータシートです。
http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX4238-MAX4239.pdf

5ページの下から二段目、一番右側の図をみてください。
利得1のところ（約2MHz）では位相余裕が０度です。
このオペアンプは利得1では使えません。

質問者さんが提示しておられる回路は、ほとんど「利得1」で、オペアンプにとっては大変厳しい条件です。
お使いになっておられるオペアンプは、利得1での動作が保証されているものでしょうか？
最初の方のデバイスは本当に「安定した動作」をしていたのでしょうか？
オペアンプの特性ギリギリでの使い方は一般にはしません。

「安定に動作している」と思っていても、実際は発振ぎりぎりで動作していることもあります。
安定に動作しているかどうかを見分けるには、
　(1)矩形波を入れてみて、そのオーバーシュートをオシロで観測する。
　(2)周波数ー利得特性をプロットして、高域でのピークをみる。
の方法があります。

　　　　　　　矩形波観測　　　　　　　　　ｆ特における高域ピーク
　オーバーシュート率　　位相余裕　　　　　ピーク値　　　位相余裕
　　 　　　　0%　　　　　　90度　　　　　　　　0 dB　　　　　90度
　　　　　　10 　　　　　　60 　　　　　　　　 0.2 　　　　　60
　　　　　　20 　　　　　　45 　　　　　　　　 2.4 　　　　　45

>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・・・

製造工程の違いにより、内部デバイスのストレーキャパシティの違いなどが影響していると思われます。
しかし、これらはデータシートでは表現されないので、評価データとすることは困難です。

以上、ご質問の趣旨から外れたことばかり、書き込んで申し訳ありません。
発振防止のご参考になれば幸いです。

参考URL：

http://www.analog.com/jp/prod/0%2C2877%2COP90%2C00.html

回答No.3

mtld

オペアンプの入力信号に対する出力の位相は周波数が高くなっていくにつれ遅れていきます　更に遅れますと同相になり　この時の利得が１以上ですと発振します　負帰還アンプのはずが正帰還アンプとなって発振するのです
先述者の言われる「位相余裕の不足」はこの事です

対策１　負帰還抵抗を大きくする　この場合直流＆低周波領域で利得が上がりますが帯域が狭くなります　つまり高い周波数での利得が下がりますので発振しにくくなります
欠点は帯域が狭くなって高速動作が出来ない事ですが必要なければこれでも良いでしょう　

対策２　入力側がどうなっているのか解りませんがこちらの定数＆回路等を変更する事でも同様の事が出来ます

回答No.2

Teleskope

たぶん「位相余裕の不足」です。周波数特性（ボーデ線図）上で 振幅が0dBを切る前に 位相が180度になってしまってるんです。そこの周波数で発振してます。
　差し支えなかったら、アンプの品名、電源電圧、帰還抵抗の値、負側に入れてる電流源は何か（特にCやL成分は無いか）、を教えて下されば より具体的な話ができるかもです。

回答No.1

mojati

OP-AMPの出力から、ネガティブフィードバックしている部分に用る抵抗値が低い(0Ωに近い)と発振しやすくなります。
5KΩ ～ 100KΩ ほど入れているのなら問題ないとおもいますが。
回路図が無いので、これ以上のことはなんともいえませんが。