電流電圧変換回路のゲイン切り替え

質問

フォトダイオードでの観測用にCMOSオペアンプを使った基本的な電流電圧変換回路を
組んでいます。（トランスインピーダンス回路とも言うのでしょうか。）
1nAで10mV出力したいので10MΩの帰還抵抗を使っています。

質問はこう言った回路での変換ゲインを電子的に切り替える方法についてです。
単純には帰還抵抗を切り替えれば良いと思うのですが、普通のアナログスイッチでは
リーク電流が大き過ぎます。
探してみるとリーク電流が1nAくらいのものが有るようなので、オフセットを承知で何とか
使えるかなとは考えていますが、あまりスマートな方法とは思えません。
他にゲイン（感度）を切り替える良い方法は無いでしょうか？

回答No.5

bogen555 · ベストアンサー

微少電流をＯＮ／ＯＦＦできるリードリレーとして、使用実績のある沖田の製品を勧めました。
設計経験のない人にはわからないと思いますが、測定器では半導体スイッチの使えないところがあるわけです。
ってゆうか、微少電流計とかエレクトロメータの中を見れば、リードリレーが多用されていますが？
この「リードリレー技術解説」を読めばわかるように、リードリレーは「半導体スイッチ、電磁リレーの両方の領域をカバーできるすぐれた特長を持ち、あらゆる制御回路に使用することができます。」んだそうです。
http://www.okita.co.jp/home/okita-up/japan/products/reed/reed_relay_tech_jpn.pdf

電流電圧変換回路で必要な部品を紹介しておきますね。
基板に部品を直接付けると漏れ電流が誤差になるんで、こんな中継端子を使います。
http://sealectrocircuitcomponents.com/
今はここでも作ってます。
http://www.mac8sdk.co.jp/mac8/pdf/FX.pdf
高抵抗は、これがエエです。
http://www.jfine.co.jp/e_c/pdf/j_pdf/j_rha.pdf
参考書としてこれを読むか、
http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/32/32841.htm
著者の遠坂先生はここに移ったんで、
http://cs3.el.gunma-u.ac.jp/AnalogKnowledge/News/2010/News20100702_01.html
受講生1名に講師１名がつく家庭教師方式のアナログ工房に行ったらどうでしょうか？
http://cs3.el.gunma-u.ac.jp/AnalogKnowledge/Studio/index.html

> いい資料のご紹介ありがとうございます。pdfで読めました。
pdfで読めるのは一部だけです。
郵送してもらうか、USサイトに登録してpdfをDLします。

お礼

随分といろいろご紹介頂きありがとうございます。
それにしても、今回初めてここで質問させて頂いたのですが多くの方に実に的確に
いろんな視点で回答頂き大変助かりました。
皆様本当にありがとうございました。

回答No.4

tance

ANo.3 tanceです。

信号の極性などにもよりますが、ＦＥＴでスイッチするなら下記のものが良いです。

Vishay Siliconix SST201

これを使ってうまく動作させるいはそれなりに知識が必要ですが、やってみれば
できる範囲と思われます（質問者様の質問の内容を見てそう思いました）

ＯＰアンプのサミングポイントにＦＥＴのソースをつながない構成がとれると
良い性能が引き出せます。（ゲート電流をサミングポイントに流さない）

うまくガードテクニックが使えるとさらに一桁漏れ電流を下げることができます。
厳密に言うとガードではなくブートストラップに近いのですが、ＦＥＴに必要な
最低限の電圧しか与えないような回路です。

チャレンジしてみてください。

お礼

まだ完全には理解できていませんが、こういう使い方もできそうだということで大変参考になります。
メカニカルスイッチと比べてそれなりに限界も有りそうですが、いろいろデータシートを読んでみます。
どうもありがとうございました。

回答No.3

tance

微少電流をメカニカル接点でＯＮ／ＯＦＦするのはお薦めできません。
接触不良になる公算が大変高いです。水銀リレーなら大丈夫
ですが、環境問題で使えないことが多くなっています。

また、漏れ電流をオフセットとして許容する気でアナログスイッチを
使うなら、帰還抵抗を切り替えるのではなく、後段に可変ゲインの
アンプを増設することをお薦めします。これなら微少電流であるという
条件がなくなり、普通のアナログスイッチが使えます。（可変ゲイン
と言っても、抵抗をアナログスイッチで切り替えるだけです）

もちろんほんの少しＳ／Ｎが悪化しますが、もともと10MΩのノイズ
に比べると無視できるでしょう。

お礼

水銀リレーは良し悪しなのですね。
できれば普通のアナログスイッチを使いたいのですが、必要なレンジが大変広くて
どうしても初段のゲインを切り替えないとカバーできなくなりました。
むしろこの用途に向いた単体のFETとかが無いのかなとか思いました。
参考になるアドバイスどうもありがとうございました。

回答No.2

bogen555

漏れ電流の小さいのにリードリレーがあります。
ここのはガード電極付きだから、漏れ電流は更に小さくなります。
http://www.okita.co.jp/home/okita-up/japan/index-product02.html
切り換え時のチャッタリングが嫌なら水銀リレーもありますが、業務でやる場合は禁止される場合もあるから要注意です。

なお、こういった高感度電流計を作っている会社があります。
http://www.keithley.jp/products/dcac/sensitive/lowcurrent/?mn=6485J
ここの技術資料に「高感度測定ハンドブック」と「Switching Handbook」があるから、頼んでみたらどうでしょうか？
http://www.keithley.jp/knowledgecenter

お礼

いい資料のご紹介ありがとうございます。pdfで読めました。
大変参考になりました、どうもありがとうございました。

回答No.1

tadys

高速で切り替えないのであれば「リードリレー」、「フォトモスリレー」が使えると思います。

http://www.okita.co.jp/home/okita-up/japan/index-product.html
http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Opto/TLP3113_ja_datasheet_071001.pdf
http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/opto/selection/coupler/index.html

お礼

できれば半導体素子でやりたかったのですが、リードリレーでもいいかも知れませんね。
フォトモスリレーは初めて知りました。調べてみます。どうもありがとうございました。