【PMD2018】基礎学習1回目＜オペアンプと計装アンプの違い＞

方向性

２０１８年８月９月は、PMM(PowerManagementMeter)の開発してましたが、１０月からPowerMeterDevices(パワーメータで使うデバイスの開発）を始めます。基本的には、ひずみゲージのブリッジを複数個組み合わせて、それらの出力を計測処理して、分力を得てロードバイクペダリング時の各箇所の分力を同時測定することでペダリングの解析と人間の運動とエネルギーの解析をすることによって、無理せずに安心して長距離が走れるPMMを作ることです。それは、自転車のIOTにつながっていくという道筋です。

＜PMD２０１８では、基礎的なデバイスをこつこつと積み上げていきます。＞

●今回のPMDテーマは、ひずみゲージブリッジの抵抗値変化を電圧に増幅するオペアンプ、計装アンプについて、全く知識がないので、上っ面だけですが学習していきます。

【ひずみゲージアンプとオペアンプ】

今までひずみゲージの出力用につかっていたのは

LT1167とHX711です。

①LT1167は、計装アンプと呼ばれてます。https://www.analog.com/jp/products/lt1167.html

②HX711は、12ビットAD変換器と呼ばれてます。＝＞HX711は中華製で安かろう悪かろうですのでお勧めしません
(ひずみゲージに使えるオペアンプ付きのAD変換ICです。有名なのはアナログデバイス社のADシリーズです）

いずれもオペアンプという名称ではありませんが、

どうやらオペアンプが中にはいっているらしいのです。

オペアンプの立場

オペアンプを検索すると、膨大なＨＩＴ数なのですが、

産業界一般的な扱われ方を調べてみました。

産業界のプロエンジニアご用達のRSコンポネンツのサイトは、

流石にオペアンプだけで6千アイテム以上がでてきます。

オペアンプの冒頭の説明を見てみました。
https://jp.rs-online.com/web/c/semiconductors/amplifiers-comparators/operational-amplifiers/
ここで説明されてますが、広範なオペレーションにつかわれているキーデバイスであると理解しました。

「オペアンプのゲイン、入出力インピーダンス、帯域幅は、外部コンポーネントを使用して簡単に設定することができます。これらのフィードバックコンポーネントは、増幅器の機能又は「動作」を決定します。これが、オペアンプのデバイス名の由来です」
＝＞オペアンプの周囲にいろいろな回路素子を追加することでフィードバック回路を構成したりして下記のような広範な用途に使われるということです。オペアンプを理解してないとアナログ回路の基本がわかないということになると思います。

＝＞用途が広範なのでオペアンプってアナログの重鎮なのだと感じました。

用途	自分が電子工作で使っている
オシレータと波形ジェネレータ
音声とビデオ周波数のプリアンプ及びバッファ
積分器
コンパレータ	〇
ADコンバータ/DAコンバータ	◎
電圧クランプ
アナログ計算機
フィルタ
微分器
高精度整流器
電圧レギュレータ	◎
電流レギュレータ
高精度整流器
高精度ピークツピーク検出器
オペアンプ・計装アンプ	◎

自分で理解する範囲を計装アンプにしぼる

ひずみゲージブリッジの計測で使うアンプの学習をします。

しかし、アナログ電気の学習は計算でしか理解できない部分が多いので回路構成で入力と出力の関係を理解することで細かな計算までして詰めないようにして学習していきます。

本当はSPICEでシミュレーションしながらやればいいのですが、

PMDの開発時間が優先します。

①計装アンプの学習

ポイント、キーワード	理解した内容
計装アンプとオペアンプとの違い	周辺にフィードバック回路を付加しない使い方に絞った設計になっている計装アンプは、ゲイン調整用の抵抗を付加するだけのシンプルなシステム構成となっている点がオペアンプとの違い
差動増幅	無数に解説記事があるのですが、あちこちの説明を読んで自分で理解した図をかきました。トランジスタの増幅回路はある程度わかるのですが、それが対向して並んでいる構造をしてます。これがオペアンプの基本です。２本の入力In+ In-があってOUTが1本でてますが中では２本のPUT1,PUT2の出力があってその電位差をGNDからV0として出力したりREF電圧入力があればREFに対しての±V0を出力します。
コモンモード除去	差動だから入力の同相ノイズ（CommonModeNoise)を除去できる特徴があります。増幅するとノイズが問題になるのですが２個の信号を引き算することで両方に入っている共通のノイズ（コモンノイズ）をキャンセルすることができる原理です。

計装アンプの詳細な説明記事はマイナビニュース記事にあります
https://news.mynavi.jp/article/20141113-microchip_opamp/2

LT1167をみる
https://www.analog.com/jp/products/lt1167.html
回路例　電源電圧を半分にしてREFにいれて、ゼロレベルからプラスマイナスのひずみを出力します。
３．３V電源なら1.65Vがゼロひずみで1.65V未満はマイナスひずみ1.65V以上がプラスひずみです。
可変抵抗は３５０Ωのゲージのブリッジの場合は１KΩがちょうどいいです、ボリュームの調整は
非常に微妙ですので、テスターでプラスマイナスの振れ幅を確認しながら抵抗位置を決めます。