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LTspiceで絶縁アンプ

遠坂俊昭著計測のためのアナログ回路設計にて紹介されているアイソレーション・アンプをLTspiceを用いてシミュレーションしました。

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絶縁増幅回路(アイソレーション・アンプ)


計測器で複数チャンネルの信号を測定する場合、ノイズ対策として、あるいは、安全対策としてそれぞれの信号間を絶縁したいという要求がしばしば発生します。(参考:計測のためのアナログ回路設計)
異なるGNDレベル間でI2C その1-6では、双方向のデジタル通信が必要となるI2Cを互いに絶縁された状態で実装する方法について触れました。

一方で、測定する対象は多くの場合アナログ信号であるので、アナログ信号を直接異なるGNDレベルに伝達できるアイソレーション・アンプ(ISOアンプ)が便利です。

今回のエントリでは、遠坂俊昭著計測のためのアナログ回路設計からフォト・カプラによる無変調タイプアイソレーション・アンプの回路をLTspiceを用いてシミュレーションしました。

標準デバイスで代替


LTspiceの標準デバイスでまにあわせるの考え方を元にオリジナルの回路図の使用部品をLTspiceに標準でインストールされているモデルに置き換えました。

Opamp:uPC813
LTspice標準の電源端子の無い理想OPアンプモデルを利用しました。パラメータはデフォルトから変更していません。
汎用フォトカプラ:TLP621GR
同じく汎用フォトカプラのPC817Cのモデルを利用しました。PC817Cは秋月電子通商で購入することができます。
汎用小信号NPNトランジスタ:2SC1815
汎用小信号NPNトランジスタの2N3904のモデルで代替しました。
ツェナーダイオード(9.5V):RD9.5EB2
10VのツェナーダイオードBZX84C10Lのモデルで代替しました。


シミュレーション結果


以下にLTspiceによるシミュレーション結果を示します。


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fig.1: フォト・カプラによる無変調タイプアイソレーション・アンプのスケマティック

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fig.2: ISOアンプの周波数特性


汎用のフォトカプラは異なるGNDレベル間でI2C その1,その2でも触れたとおり周波数特性があまりよくありません。

その後、異なるGNDレベル間でI2C その3のコメント欄にてpcm1723さんにフォトトランジスタの飽和を避けると高速に動作させることができるようになる事を教えていただきましたが、今回シミュレーションした計測のためのアナログ回路設計のISOアンプでもツェナーダイオードを用いてVCEを下げる工夫がなされています。

また、同じ遠坂俊昭さんが著者である電子回路シミュレータPSpiceによるOPアンプ回路設計では、1次側にOPアンプを追加したバージョンのISOアンプが紹介されており、回路シミュレータを用いて安定な負帰還をかけるための位相補償コンデンサの定数を計算する方法が解説されています。

関連エントリ




参考URL




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。(参考:ねがてぃぶろぐの付録)


参考文献/使用機器




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tag: LTspice OPアンプ 絶縁 PC817C TLP621 

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