楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

オペアンプの増幅回路

前のページでは、オペアンプの使い方の一つで、コンパレータについて動作の様子を見ました。 

ここからは、「増幅」についてみるのですが、直流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。

オペアンプLM358Nの単電源で増幅の様子を見ます。

もう一度おさらいして確認しておきましょう
簡略化されて表示されるオペアンプ図示図   

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働いて増幅し、右の出力端子に出力します。


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、むしろ、大きすぎないように負帰還で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、2つの入力端子と1つの出力端子があります。

通常の回路図には電源は省略されて書かれていないのが普通ですので、両電源か単電源か、GND(接地)端子はどうなっているのか・・・などをまず確認しましょう。

反転回路、非反転回路、バーチャルショート

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、「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つの基本回路に別れます。 

ここでは詳しい説明はしませんが、オペアンプの両電極間の電圧が0Vになるように働く状態をバーチャルショート(仮想短絡)といい、そうしようとする過程で仮想のゲインが無限大になるように働く・・・という原理です。

理想の状態は無限大ですが、実際には無限大になりませんので、適当なゲインで使用します。

反転回路では、+入力が反転して -出力(または-入力が+出力に) になるのに対し、非反転回路では+入力は位相が反転しないで、+出力される・・・というものです。

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。

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が、今回は直流の片側の入力で増幅の様子を見ます。

ここで使うLM358Nは8ピンのオペアンプで、内部には、2つのオペアンプがパッケージされていますので、その一つ(片方)を使います。

 LM358Nのピンと内部

言うまでもないことですが、この出力される電圧、電流は、電源から供給されています。 そのために、先のページでも見たように、出力は電源電圧以下の出力電圧に制限されますし、さらに、電源(電圧)が変動すると、出力がそれにつれて変動します。

つまり、電源の「質」は重要です。ここでは実験回路ですので、回路図には書いていませんが、オペアンプを使うと、予期しない発振やノイズが発生するので、少なくとも0.1μFのパスコン(バイパスコンデンサ)を用いて電源の質を高めます。電源のノイズ対策の例

コイルを併用するといいのですが、オペアンプによってインダクターを変える必要があって専門的になるので、ここでは詳細は省略します。


反転増幅回路と非反転増幅回路

この「反転」と言う言葉は、直流で言えば、「+電圧」を入力すると増幅された出力は「-電圧」が出力されることからこのようによばれます。(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「+電圧入力は増幅された状態で+の電圧が出てくる」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。

反転増幅と非反転増幅の基本回路図例

わかりにくいかもしれませんが、+端子を接地しているのが「反転回路」、-端子側を接地しているのが「非反転回路」で、何が違うのかというと、入出力の位相が違うのと、増幅率が違う・・・ということです。


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、どういう回路になっているのかを見る場合は、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」と覚えておきます。

ここではまず、わかりやすいように、反転増幅回路ではマイナス電圧を入力し、非反転増幅回路では、プラス電圧を入力して、プラスの電圧を出力させます。

(お断り)この記事を書いた当初、電源電圧を利用して入力電圧を与える回路図を使って説明していましたが、実際に測定したものなので間違いはないものの、実際に回路を組んで確かめるときに疑問を持たれるといけないので、全回路を書き直しました。


非反転増幅回路

非反転増幅回路の基本回路

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。

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)

Rsは1~10kΩ程度が使われることが多いという説明があったので、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した。

今回使った非反転増幅の測定回路

ブレッドボードに配線した様子

今回使った反転増幅の測定回路

この回路では、入力側の抵抗1kΩ(Ri)は電流制限抵抗です。 1~10kΩ程度でいいでしょう。

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)   になっていると説明されています。この非反転増幅では増幅率は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。結果は次のようになりました。

非反転増幅の計算値と実測値

実測値はほぼ計算通りになっています。

傾斜部分が増幅に利用するところで、平行部分は使いません。

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1.5kと10kΩにして、次のような回路で様子を見ました。

今回使った反転増幅回路

ブレッドボードに反転増幅回路を配線した様子

結果は次のようになりました。

反転増幅回路の測定結果

反転増幅の計算値と実測値

反転増幅のViとVoの関係は、

Vo=-(Rf/Ri)xVi  ・・・ と説明されています。

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の問題なのか、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Bi-Tオペアンプとよばれるように、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。

気にせずにいろいろな電圧を入れてみた内容などを次のページで紹介しています。電源のプラスマイナスを間違えないことに注意ください。


簡単な電子工作で使えそうなこと

ここでは直流入力しか説明していませんが、比例部分を使えば電圧のコントロールができますし、Maxまでの電圧変化を使えば、スイッチのような使い方もできます。

実践的な内容ではありませんが、これの実際の使い方については、別のところで考えるとして、ページを変えて、もう少し増幅についてみてみましょう。

→ 次のページ オペアンプの増幅回路(2)

→ インデックスのページへ



  
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電子工作記事の目次

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最小限必要なことのおさらい(1-2)

電子工作に使う電源のいろいろ(1-3)

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フォトインタラプタとフォトリフレクタ

オペアンプの使い方(1)オペアンプと電源

オペアンプの使い方(2)コンパレータ

オペアンプの増幅回路

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応用のページのINDEX(目次)

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