三角波の頂点がゆがむ理由(積分回路)

質問

オペアンプを使った積分回路の話です。
回路定数はR1=10KΩ R2=1.2KΩ C=0.0047μF。オペアンプには+-15Vの電源電圧を与えています。

基本積分回路(コンデンサと並列に抵抗が入ってないもの)に方形波(振幅1[V]、f=5KHz)を入力した結果、三角波が得られたのですが、その三角波の下側の頂点がとがっておらず-14V付近で歪んでいました。(三角波の上はの頂点が-11.5V、下が-14V)

同じ方形波を実用積分回路(コンデンサと並列にR2を接続したもの)に入力したときは歪みの無いきれいな三角波になりました。(上が1V、下が-1V)

このとき、基本回路では頂点が歪み、実用回路では歪まないのか理由が分かりません。
-14Vより下の電圧が得られていないことから飽和のために頂点が歪んだと思ったんですが、どうも違うようです。スルーレートであれば実用回路でもゆがむはずだしと、考えがまとまりません。

いったいどのような理由で三角波の頂点がゆがんでいるのでしょうか?

回答No.1

Teleskope · ベストアンサー

R1が10kΩに対してR2は1.2kΩですか。。。。

　理由はいろいろあります。
１．
現実のオペアンプは完璧ではありません。入力に微小な電流が流れるし、±入力の電圧バランスが微細にズレています。データシートの入力バイアス電流、入力オフセット電圧という項目です。

　バイアス電流は定常入力があるのと同じですね。なので単純な積分回路はそれを忠実に積分し、出力はやがて±どちらかの電源にぶつかってしまいます。

　オフセット電圧の方は、コンデンサが直流を通さない=直流は帰還がかかってない、だからアンプのオープンゲイン倍に増幅されて出ます。オープンゲインの値は大きいですよね。

２．
　R2を付けると直流的な増幅度はR2/R1になる、これは基本だから分かりますよね。これは巨大だったオープンゲインが この値に低下したことになりますよね。結果、
　オフセット電圧×R2/R1は目立たない値になり、
　バイアス電流は、出力がちょっとdEずれた動作点になって、dE/R2の電流が負帰還されて相殺されます。

（周波数特性での説明は抜きます。もし理解できるなら補足で要求してください。　原因は他にも多々ありえるけど様子からして上記の二つ、特にバイアス電流が原因です。）

３．
　最後に、三角波の底が平らにつぶれてる所は、アンプの内部回路がまともに動けないゾーンに入ってるのです。これもアンプのデータシートに出力電圧(の限界)範囲として載ってます。
　普通、
三角波の底の部分で「出力が飽和(ほうわ)してる」と表現します。

お礼

やはり頂点が歪んでいるのは飽和しているからと考えられますよね。友達はよかったのに何で僕は…? って感じです。。。

周波数特性についての説明もぜひ聞きたいです。よろしかったらお願いできますでしょうか?

回答ありがとうございました。

回答No.3

Teleskope

やはり回路の具体的情報がないと易者のような文章しか書けません。
出力段がマイナス側に飽和してる原因をさがす相談と思ってたのですがどうやら違ってましたね、
回路の具体的情報やあなたのレポートの文章が分かればコメントできるかと思います。

お礼

お手数お掛けしました。
結果として、Teleskopeさんが最初に教えてくださった内容でよかったようです。
また、No.1のお礼に書いた内容が混乱させてしまったようで、お詫びします。

これ以上混乱しないためにもこの辺で質問を締め切ります。

また機会があったらよろしくお願いいたします。
今回は親切に対応していただきありがとうございましたm(_ _)m

回答No.2

Teleskope

>> 友達はよかったのに何で僕は…? って感じです。。。
　<<

　うーん、悩み相談に応える自身は無いけど、そういうことなら；周波数特性とかは関係なさそうです。もっと詳細な情報をください。
(0)
うまくいってる友達の基本積分回路の出力電圧は
0Vグランド中心に±1V振ってるのですか？
もし、中心が0Vからずれてるけど波形が飽和レベルに達しないから上手く行ってるのだったらその電圧を教えてください。
(1)
オペアンプの品名をくわしく。新品/使い古し
ソケットを使ってるか。どんなソケットか。新品/使い古し
もしソケットを使ってたら、友人のアンプと交換してみる。
入力端子の周辺はハンダを何度もやって炭化して黒っぽくないか。
(2)
コンデンサは信号用のセラミックですか、分かれば品名を。
その耐圧は　
まさか電源デカップリング用ではないか（漏れ電流多い）。
試しに交換してみましたか。
(3)
友達の「うまくいってる回路」はアンプの＋入力がR3経由でグランドにおちてないか。できればR1と同じ抵抗値を入れた方が良い。理由は入力バイアス電流による電圧降下を同じにするため。
(4)
電源電圧は±そろってるか？
電源の投入は±同時か。
友達とどこか違ってないか。些細な点でも逃さず。

　これらを教えてください。

補足

なんか混乱させてしまったようでスミマセンm(_ _)m

「友達は大丈夫」ってのは、同じように「三角波の頂点が歪んだのは出力が飽和したため」とレポートに書いたのに、友達は何も言われず、僕がもう一回考えて来いと言われたためです。
友達も僕も同じ実験結果を元にしているので、実験条件が違うとかどういったものではありません。

誤解するような文を書いてしまい、すみませんでした。