フォトカプラでアイソレーションアンプを構成：Design Ideas アナログ機能回路

[遠坂 俊昭（エヌエフ回路設計ブロック），EDN Japan]

低価格、簡単に製作できるアイソレーションアンプ

　入力／出力をフローティングにするときや、電位差の異なる信号を検出するときなどにアイソレーションアンプが必要になる。ここでは米Clareのリニアフォトカプラ（LIA100）を用いて、低価格で比較的簡単に製作できるアイソレーションアンプを紹介する。

　図1は入出力電圧が±10Vまで使用できる利得1のアイソレーションアンプの回路図である。LIA100には発光ダイオード（LED）D₁が1個、特性のそろったフォトトランジスタが2個（Tr₁とTr₂）、オペアンプが2個（OP₁とOP₂）内蔵されている。

図1：フォトカプラ（LIA100）を使ったアイソレーションアンプの回路 （クリックで拡大）

　オペアンプOP₁の利得によって負帰還が十分に施されている状態では、OP₁の反転入力（1番ピン）はほぼ0V（仮想接地）である。抵抗R₂を電源（＋15V）に接続して、バイアス電流を一定（83μA）にしておく。ここで、±10Vの入力電圧を抵抗R₁で電流に変換してOP₁に入力すると、この電流とR₂のバイアス電流との差分に比例した電流がTr₁に流れるようにD₁の電流が制御される。

　Tr₁とTr₂の特性は同じなので、Tr₁とTr₂に流れる電流は同じ値である。従ってTr₁とTr₂に流れる電流はD₁の電流に比例する。抵抗R₃はOP₁の消費電力を低減するために挿入し、OP₁の発熱を抑えている。一方、D₁に流せる最大電流は20mAで、電流伝達比は標準0.008である。つまり、D₁に20mA流したときにTr₁とTr₂にはバイアス電流が160μA流れる。R₁とR₂を上記のように選べば、Tr₁とTr₂の電流を160μA以内に抑えられる。

　また、コンデンサーC₁はOP₁が発振しないようにするための位相補償用である。ここでは10pFとしたが、プリント基板の浮遊容量を考慮して若干調整する必要がある。オフセット電圧の調整は、入力を0Vに設定し、出力が0Vになるように可変抵抗器VR₂を調整する。利得は、振幅が数ボルトの正弦波を入力して、出力電圧が同じ電圧になるように可変抵抗器VR₁を調整すればよい。実際に試作した結果、利得が−3dB低下する周波数は200kHz、スルーレートは4V/マイクロ秒、IMRR（Isolation Mode Rejection Ratio）は60Hzで約83dBだった。

Design Ideas〜回路設計アイデア集

【アナログ機能回路】：フィルター回路や発振回路、センサー回路など

【パワー関連と電源】：ノイズの低減手法、保護回路など

【ディスプレイとドライバー】：LEDの制御、活用法など

【計測とテスト】：簡易テスターの設計例、旧式の計測装置の有効な活用法など

【信号源とパルス処理】：その他のユニークな回路

---

※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事から200本を厳選し、5つのカテゴリーに分けて収録した。