これまで、オペアンプの電源（→こちら）やコンパレータ（→こちら）について見てきました。
ここからは、「増幅」（主として電圧増幅）についてみるのですが、直流電圧増幅を電子工作に使うための基本として、反転作動増幅（反転増幅）、非反転作動増幅（非反転増幅）のようすを見ながら、電子工作に使えそうなヒントを探していきましょう。
どちらを使うのがいいのかとか、メリットやデメリットなどを考えると専門的になるので、ここでは、回路の組み方や電子工作での使えそうなところに限定して見ていきます。
オペアンプの増幅のしくみ
オペアンプLM358Nの単電源で増幅の様子を見ます。
オペアンプは、図の左側の2つの入力端子の電位差をゼロにするように内部で増幅力が働いて大きく増幅されて、右の出力端子に出力します。
この増幅は、小さな電流や電圧の変化で、電源から大きな電圧や電流の変化を取り出すことで、ここではオペアンプの電圧増幅について見ていきます。
この入出力電圧の大きさの比を「利得（ゲイン）」といい、40ｄB（100倍）程度にするのはお手のもので、通常は、安定化を図るために、負帰還を使って、ゲインを下げた使い方をします。
LM358Nには2つのオペアンプが組み込まれており、電源が共通で、1つのオペアンプには、上図のように、2つの入力端子と1つの出力端子があります。
このプラス・マイナスの記号には、書き方もまちまちなので、間違うと作動しません。書かれている位置関係に気をつけておきましょう。
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反転回路、非反転回路、バーチャルショート
オペアンプの基本事項を簡単に説明します。
入力端子の＋は非反転入力端子、-は反転入力端子とも呼ばれます。
そして、「どちら側に入力するか、どちら側に接地してバイアスを与えるか」によって「反転増幅」「非反転増幅」という2つの基本回路があります。
また、オペアンプの両電極間の電圧が0Vになるように、オペアンプは動作し、その動作の仕方を「バーチャルショート（仮想短絡）」といいます。
つまり、両極間の電圧が0になるような動作によって、出力/入力 の分母の入力が ≒0 になることから、仮想のゲインが無限大になります。
そのために、オペアンプの理想の状態は、原理的に、ゲインが無限大になるのですが、実際には無限大にならないまでも、40dB（100倍）以上の大きな増幅度を持つので、適当に下げたゲインで使用するのが一般的です。
反転回路では、＋入力であれば、その位相が反転して、－出力（または－入力が+出力に） になります。
そして、非反転回路では ＋入力 は位相が反転しないで、そのまま ＋出力される … ので、反転や非反転という言い方をしています。
ここでは直流しか扱っていませんので、それが両回路ではどうなるかを見ます。
（参考）交流入力では、普通は0Vを中心にプラス側マイナス側に電圧が振れるために、単電源の場合は、バイアス電圧を与えてゼロ位置を調節する必要があります。 しかし今回は、直流で片側だけの入力ですので、直流電圧を加えた様子を見ることにします。
その前に、電源の重要性について
ここで使う「LM358N」は8ピンのオペアンプで、内部に、2つのオペアンプがパッケージされているので、その一つ（片方）を使います。
5Vの電源から、8番と4番に5Vを供給します。
オペアンプから出力される電圧、電流は、電源から供給されているものですから、電源の「質」も重要です。
5Vを加えても、オペアンプの性能で、電源電圧以下の出力電圧に制限されますし、電源の電圧が変動すると、出力変動するので、回路図にはなくても、電源のページで紹介したように、0.1μFのパスコンを入れるなどで、電源の「質」を保持することが重要です。
試しに、LM358Nに、10MHｚのサイン波を反転増幅回路と非反転増幅回路を組んで入力して、同時に出力させてオシロスコープで波形をみたところ、（もっとも、このやり方は、LM358Nの限度を超えてるので、正しいやり方ではありませんが）、位相のずれや0.1μFのパスコンのあるなしで、全く違った波形になってしまうなど、交流を扱うとなると、電源の「質」が大切なことがわかります。
ここでは直流回路ですから、ここまでの厳密さは必要ありませんが、回路図になくても、実際の回路を組む場合は、電源のノイズ対策が必要だということを頭に入れておいてください。
反転増幅回路と非反転増幅回路
この「反転」と言う言葉は、極性が反転するということで、「＋電圧」を入力すると増幅された出力は「－電圧」が出力されます。（ここでは、マイナス電圧を入力して＋電圧を出力させます）
もう一方の「非反転」とは「＋電圧」の入力は、増幅後も「+の電圧」のままで出てくる … ということです。
交流では「位相」という言い方をされます。直流での反転はプラスマイナスが逆転していることを言います。
基本の回路例でみると、次のような違いです。書き方が違うだけですが、それだけで、感じが変わるところを見ておいてください。
わかりにくいかもしれませんが、＋端子を接地しているほうが「反転回路」で、－端子側を接地しているのが「非反転回路」です。
何が違うのかというと、入出力の位相が違うのと、入力インピーダンスが違うのと、増幅率が違う … などで、それがメリット・デメリットになってきます。（ここでは触れません）
もちろん、このように、同じ回路でも、少し書き方を変えるだけで、全くイメージが変わるので、私は、それが、どういう回路になっているのかは、まず、「接地している側がプラスかマイナスか」をみて、プラス側を接地するのが「反転回路」と覚えています。
非反転増幅回路
「プラス入力」はそのまま「プラス出力」されるので、結果をイメージしやすい回路です。
非反転増幅回路の基本回路はこのようなものです。
マイナス端子側が接地されていて、下図のRs・Rfを変えることで増幅率が変わります。（ここでは、イメージが持てればいいです）
入力電圧Vi と出力電圧Vo の関係をみるために、5Vの単電源を用いて、別回路から電圧を入力したときの出力電圧を、下のような回路で測定してみます。（上図と違った感じがしますが、同じ回路です）
データシートに、「Rsは1～10ｋΩ程度が使われることが多い」 … とあったので、まず、Rs=10ｋΩに固定して、Rfを10・20・33ｋΩに替えて入力電圧を変えて測定します。
そして、入力側の抵抗1ｋΩ（Ri）は電流制限抵抗ですので、 1～10ｋΩ程度でいいでしょう。
このLM358Nはバイポーラ型で問題ないのですが、MOS型のオペアンプでは「ラッチアップ」とよばれる、入力のちょっとした信号変化で暴走する現象が起こりやすいので、必ずこの Ri を入れるようにすることが推奨されています。
非反転増幅の測定結果
増幅率は、Vo=（1＋Rf/Rs）Vi ・・・（1） になると説明されています。 つまり、この非反転増幅では、少なくとも、増幅率は1以上になるということです。
グラフでは、勾配のきつさが増幅率の大きさを表しています。 そして結果は、下表のように、ほぼ計算値の値になっています。
グラフの「傾斜部分」が増幅に利用するところです。平行部分は飽和している部分ですので、通常は使いません。
これでみると、増幅率も、そんなに大きくないので、電子工作ではあまり魅力がない感じですね。
反転増幅回路
入力電圧に対して、反転した出力になる回路で、ここではマイナスの電圧（負電圧）を入力してプラス電圧を出力させています。（このとき、プラス電圧を入れると、マイナス電圧が出力されます）
Ri は1～10ｋΩ程度がよく使われるとあったので、ここでは、違いを見るために、1.5ｋと10ｋΩにして、次のような回路で様子を見ました。
結果は次のようになりました。増幅回路としては、斜めの線の範囲を利用します。
反転増幅のViとVoの関係は、
Vo=-（Rf/Ri）ｘVi ・・・ とデータシートに説明があります。
つまり、増幅率はRfとRiの比になるのですが、これも計算通りになっています。
ただ、入力0V付近では、オペアンプ自体の特性なのか、値が直線的ではなく、やや不安定でした。
このオペアンプLM358Nは、バイポーラトランジスタで構成されているものなので、MOS型トランジスタが使われているものよりは取り扱いが簡単ですから、使い方を気にせずに、いろいろな電圧を入れてみた結果を、次のページで紹介しています。
これで電子工作ではどんなことに使うのか
ここでは単純な直流入力しか説明していませんので、オペアンプの凄さがわかりにくいのですが、①オペアンプは簡単に使える「電圧増幅器」として、比例部分を使えば電圧のコントロールができますし、②電圧変化を捉えて、スイッチのような使い方ができる … ということです。
実際の使い方については、このHPの別のページでも使っていますので、ここでは、イメージを持っていただく程度でいいので、ページを変えて、もう少し増幅についてみてみましょう。
