インスツルメンテーションアンプのノイズ除去について

質問

高圧ＤＣ電源の電圧検出にインスツルメンテーションアンプを
組んでみました。（高圧電源0～500Ｖ→0～5Ｖに圧縮）
すると高圧ＤＣ電源のＡＣ60Ｈｚのリップルが出力段に乗ってきてしまいます。（高圧ＤＣ電源0Ｖでも結線のみで発生）
高圧ＤＣ電源と信号処理電源（10ＶＤＣ）とは当然別系統で
感電や回路保護のために数メガオーム抵抗で接続しています。
高圧ＤＣ電源は出力段はＤＣですが、電源自体はＡＣ100Ｖで動作します。
想像するにインスツルメンテーションアンプの両端に
微小ＡＣリップルが同相でのってきているが、本来差動なので
除去できるはずが微妙に入力両端で差が発生してそれを増幅してしまっているのでしょうか？
解決策、ご意見があればお願いします。

回答No.1

inara · ベストアンサー

高電圧を入力するために、参考URLの図８にあるような分圧型の構成だと思いますが、U2のOPアンプには同相信号の除去比(CMMR）が大きいものを使い、RN3A～RN3Dの４本の抵抗のバランスを取って全体のCMMRを最大にするように調整する必要があります（RN3A/RN3B=RN3C/RN3Dでバランスしますが抵抗の誤差があるので、現実には完全には一致しない）。

それと、RN1AとRN1Bの比とRN2AとRN2Bの比が一致していないと+入力と-入力の信号の大きさがバランスしないのでこれも調整する必要があります。

参考URL：

http://focus.tij.co.jp/jp/lit/an/jaja021/jaja021.pdf

補足

早速の回答ありがとうございます。
追加の質問で恐縮ですが、
URLの図8はV1を高電圧としますと、電流経路は
RN1A→RN2A→OP_U1A→U1B→RN2B→RN1Bとなりますが
これで問題ないのでしょうか（反転入力ですよね？）？
私の回路はV1の２入力はそれぞれ非反転入力に結線でそれぞれ
直前に10kオームでGNDに落としています（ごく一般的なインスツアンプ）。
V1経路としてはRN1A→10ｋ→GND→10ｋ→RN1Bとしています。
図8と私の回路では何か違うのでしょうか？
V1の２入力の入力インピーダンスが違いそうですが・・・。
重ねての質問でもうしわけありません。

回答No.5

mtld

どういう回路構成か解らないので適切なアドバイス出来ないのですが　ＣＭＲＲ以前の問題のような気がするのです

高圧電源0～500Ｖにリップルがのっていない事は確認しました？　オシロスコープで見られます
高抵抗分圧の部分はシールドされてますか？　高抵抗回路（ハイインピーダンス回路）はシールドが当たり前です
１MΩ程度は大きいとは言えませんが　ハイインピーダンスではノイズが乗り易いのでシールドで防ぐのです
高抵抗分圧の部分を金属で囲い　グランドに接続します

お礼

回答ありがとうございます。
高抵抗はノイズがのりやすいのは分かりますが、
一方で高抵抗は高電圧が印加されますので
GNDに対する絶縁距離の問題があります。

回答No.4

tadys

どんな回路構成になっているのかがよく分かりませんが、回路の形がインスツルメンテーションアンプになっていればＣＭＲＲが自動的によくなるわけではありません。
ＣＭＲＲを良くするためには使用する部品特に抵抗のばらつきを押さえなければなりません。0.5％程度の誤差でも不十分でしょう。

ＣＭＲＲがよくない原因はアンプの性能だけでなく実装方法特にアースの取り方にもよります。
コモンモードの流れる経路を見極めてその中の１点を基準とする１点アースを心がけましょう。
コモンモード電圧が大きくて通常のアンプでは除去しきれない場合は「絶縁アンプ」を使用する必要があります。

お礼

回答ありがとうございます。
実は絶縁アンプでは問題ないことは確認済みで
どうも各機器のAC１００V電源から回り込んでいるような
気がします。

回答No.3

inara

ANo.1です。

>これで問題ないのでしょうか（反転入力ですよね？）？

RN1AとRN1Bは1MΩ以上であればOPアンプは壊れません。U1AとU1Bの反転入力端子（－）の電圧は0Vです（負帰還回路を形成しているOPアンプの２つの入力端子の電圧は等しい）。したがって、抵抗に流れる電流I は、I = 500V/ R1NA ～ 0.1mA 程度です。

>私の回路はV1の２入力はそれぞれ非反転入力に結線でそれぞれ直前に10kオームでGNDに落としています（ごく一般的なインスツアンプ）。

OPアンプの入力側で抵抗分割して、それを非反転アンプで受けて、それを作動増幅しているのですね。
その回路でも動作は同じです。調整方法も同じです。

>V1の２入力の入力インピーダンスが違いそうですが・・・。

参考URLの回路の場合、入力インピーダンスはU1A側がR1NA、U1B側がR1NBになります。特別な理由がない限りR1NA=R1NBとしますので同じ入力インピーダンスです（しかもR1NA=R1NB=数MΩ）。

>直前に10kオームでGNDに落としています

分圧抵抗は990kΩと10kΩですね。それで500V→5Vに変換しているのですね。測定回路のGNDに対して500Vが印加されているほうの990kΩの抵抗の消費電力は0.25Wくらいになりますので、0.5W級以上の抵抗を使ったほうがいいでしょう。+入力側と－入力側の抵抗の消費電力に差ができるので、温度係数によって抵抗値が変わってしまい、CMRRを悪化させる恐れがありますので、発熱の少ない耐電力の大きな抵抗をなるべく使ってください（一番良いのは、実際に500Vを印加させたまましばらく待ってCMRRを調整すること）。

お礼

回答ありがとうございます。
URLからの出典など細かいアドバイスは
十分参考になりました。

補足

早速の回答またまたありがとうございます。
私の回路は上記ご指摘のとおりです。
ここですみません、アホな質問かもしれませんが、
２つの異なる電圧系で高圧系を検出するためには
２つの条件があると（勝手に）思っています。
1.高圧系は（高抵抗なりで）ループさせる必要があり、
　その微小通電による電位差を低圧系に検出させる。
2.検出させる電位差は低圧系のGND電位を基準とする。
上記２つを満たすために私の回路では非反転直前にそれぞれ10ｋをGNDに落としています。もし1.のループが必要なかったら、この10ｋオームは不要に
なると思います。
また2.が必要でなかったら10ｋオームをGNDに落とさずに直接２つの非反転入力に10ｋの両端を結線すればいいと考えます。
URLの図8だとV1ループは負帰還抵抗を通してオペアンプ→GND→オペアンプ→負帰還抵抗→V1に戻るということで上記1.、2.を満たしていると考えていいのでしょうか？
回路的には仮想接地でV1→高抵抗→0V（＝同電位＝GND）→高抵抗→V1と
難しく考えなくてもループとGND接地を満たしているようにも思えるのですが？

回答No.2

inara

ANo.1です。
CMMRはCMRRの間違いでした（CMRR：Common Mode Rejection Ratio）。

CMRRを最大にする方法の一例を紹介します。説明は参考URLの図８の部品名を使います。高電圧は使いません。(1)→(2)の順序で調整してください。

(1) U2側の調整
・U1Aの出力とRN3Aの接続を切り離す。U1Bの出力とRN3Cの接続を切り離す。
・切り離した側のRN3AとRN3Cの一端を互いに接続し、そことGNDとの間に60Hzの正弦波を入力する。入力信号の振幅は1Vppくらいにする。
・U3の出力（60Hz）が最小になるようにR3A～R3Dの値を調整する。例えば、R3AとR3Bの間を切って、そこに多回転の可変抵抗のステータ端子（２個）を接続し、可変抵抗のローテータ端子をU3の-入力し接続します。可変抵抗の値は、固定抵抗の精度が1%なら、抵抗値の1%（10kΩなら100Ω）程度のものを使います。抵抗の比が合っていればいいので、残りのR3CとR3Dはいじりません。

(2)RN1A/RN2Aの調整
これも比を合わせればいいので、U1B側はいじりません。
・切り離していたU1Aの出力とRN3Aの接続を元に戻す。U1Bの出力とRN3Cの接続も元に戻す。
・R1NAとR1Bの入力側を互いに短絡し、GNDとの間に60Hzの正弦波を入力する。ここは分圧になっているので、入力信号の振幅は、危険のない範囲で、できるだけ高してください（普通の信号発生器だと最大20Vppくらいでしょうか）。
・(2)と同様の方法で、RN1AとRN2Aの比を調節し、U3の出力が最小になるようにする。可変抵抗の抵抗値はRN1Aの1%程度。