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で、わかりやすい非反転増幅について

前のページでは、オペアンプの使い方の一つで、コンパレータの回路で実際の様子を見ました。 ここでは、どこでも紹介されている、反転作動増幅、非反転作動増幅のようすを見ながら、電子工作に使うヒントを探していきましょう。

オペアンプLM358Nは、両電源よりも単電源を用いる例が沢山紹介されていて、取り扱いも比較的かんたんですので、ここでもこれを使います。

直流の電圧増幅にオペアンプを単電源で利用しようとすると、通常はまず、非反転増幅の回路を考えるのがわかりやすそうです。

ここでは、これまでやってきているような電子工作に使えるヒントを考えるのですが、そのために、おさらいを含めて、オペアンプについての基本事項や注意点などをもう一度みてみましょう。


もう一度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、図の左側の入力端子の電位差を内部で増幅して、右の出力端子に出力します。 (この大きさの比を「利得」といい、40dB(100倍)程度にするのはお手の物です)

ここでは、2つの入力端子と1つの出力端子が示されているだけですが、通常は回路図には省略されて書かれていない電源端子ありますし、電源のとり方(両電源か単電源かで) GND(接地)について考える必要があります。

また、入力側と出力側の「位相」によって考え方が変わります。

これは、プラスマイナスが反転する「交流」の入力で考えるとわかりやすいのですが、入力側のどちらかを接地(0ボルト)にして、それ以外を+側にすると、どちらにするかで、入力側と出力側の位相(プラスマイナスの現れ方)が変わります。 

上の図では、入力端子のプラス側とマイナス側をあえてひっくり返して書いていますが、この入力端子の極性に注意しないといけないことと、入力と出力の「位相」が回路の作り方で変わります。

入力したものと同じ位相で出力される場合を「非反転」、反対の位相で出力される場合を「反転」といっています。

ここでは直流しか扱っていませんので、それがどうなるかを見ましょう。

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)を使って特性などをみていくことにします。

 

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。 すなわち、出力は電源電圧以内に規制されますし、先のページで見たように、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、出力が変動します。

通常回路図には電源が書き込まれていませんし、上の図のように、入力端子のプラスマイナスが一定していません。これは重要ですので、見落とさないようにしましょう。

電源が書いてある場合でも、それが両電源の「プラス・マイナス」なのか、単電源の「プラス・GND(グランド)」なのか・・・を意識して見るようにしましょう。 いつも三角形の上側にかかれているのはプラス側とは限りませんので、注意しましょう。 

このことは、頭ではわかっていても、電源のプラスマイナスを反対につないだり、入力端子の接続を反対にするというミスは起こしやすいのです。 

とくに、ユニバーサル基板に配線するときなどは、裏返しにして配線するので、たえず、pinの配置図で確認するようにしないとかんたんに間違ってしまいます。充分に注意しましょう。

両電源と単電源

単電源と両電源の実体図の例電源の例

オペアンプの多くは、2つの電源を用いる「両電源」で用いるように設計されていますが、それらを単電源で使うこともできますが、単電源として製造されたものや両方に使えるものがあるので、単電源のほうが使いやすいのは確かです。(特性は制限される場合もあります)

ここでは直流の低電圧を扱っていますので、オーディオアンプのように交流について気にすることはないのですが、単電源で交流を扱う場合は、電源電圧の1/2のバイアス電圧を加えて、中点の電圧を0Vとして使うようにするのが普通です。

さらに、両電源のオペアンプを単電源で使用しようとすると、0Vと最大電圧付近で変な動作をする場合があります。これは独自の特性によるものですので、電源はデータシートに従って用意するのが無難です。 

また、もちろん、交流もそうですが、入力端子にプラス電圧を加える場合も、マイナス電圧を加える場合もあります。

オペアンプでは、その2つの端子の電位差(これを「差動入力」という場合もあります)を増幅して出力します。

オペアンプは、ものすごく大きな増幅率のために、普通は負フィードバック(負帰還)をかけて使う(これを「閉ループ回路」といいます)ので、その場合は、オペアンプへのインピーダンス(入力インピーダンス)が非常に大きいこともあって、負帰還をかけると入力端子間の電位差がなくなるような動作をすることから、これを「イマジナリ・ショート(仮想短絡)」という・・・と説明されています。

このイマジナリーショートによって、入力端子に入力した微小信号(例えば電圧変化)の微小変化でも、大きく増幅されて電源電圧幅近くまで大きく増幅されて出力されます。

交流の増幅では、電源電圧幅いっぱいに増幅させると電源電圧の制限を受けるために、波形が歪んでしまいます。 そのために増幅電圧幅の大きい「レールツーレール」などの高級オペアンプや、入力電圧を多くくしすぎない工夫なども必要になりますが、直流の場合は(後で見ていきますが)増幅が飽和して入力に比例した出力電圧が出ないということになります。

つまり、電源(電圧・電流)によって出力が制限される場合も生じますし、電源電圧以上のものは出力できませんし、出力電流も、多くのオペアンプは「mAレベル」・・・という制約も含んでいます。

ここではこれら様子を、実際に回路を組んで測定してみるのですが、この後で説明する「反転増幅回路、非反転増幅回路」という呼び方も、差動入力の増幅ですので、「反転差動増幅回路、非反転差動増幅回路」と書かれている場合があるのは、このためです。


反転増幅と非反転増幅

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「-電圧」が出力されることからこのようによばれます。 もう一方の「非反転」とは「+電圧入力は増幅された状態の電圧が出てくる」ということです。

交流では「位相」という言い方をされますが、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

あえて、上下の図では、端子のプラスマイナスを変えていますので、注意してください。

この図は、単電源の場合をイメージしていますが、上2つが電源を書き加えているもので、下は電源を省略したものです。 ここでは更に、少し書き方を変えてみましたので、違いを合わせてみておいてください。

抵抗Rのそれぞれの役割などについては、それぞれの回路で説明します。

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、電子工作で使いやすそうな、非反転増幅回路をみていきます。


非反転(差動)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、電圧を可変して入力したときの出力電圧を、実際に下のような回路で測定してみます。(書き方で違った感じがしますが同じ回路です)

測定用の非反転増幅回路の例

この回路では、Riが書かれていません。

このRiは、オペアンプの+端子に加わる電流を制限する「電流制限抵抗」で、ここでは10kΩの可変抵抗器でそれを兼ねていますので、あえてRiを入れていないということにしているだけです。

このオペアンプLM358NはBi-Tオペアンプとよばれる、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。

MOS型のほうが高性能のものも多いのですが、入力のちょっとした信号変化で暴走する「ラッチアップ」という現象が起こりやすいので、必ずRiを入れるようにすることが推奨されています。(あとの反転増幅でも説明します)

Rfは負帰還抵抗です。これによって安定な増幅が行われます。

更に、このRfとRsの比が増幅率を決めます。

そのRsですが、これがなければ(つまり、マイナス端子とGND間の抵抗が∞であれば) Vi=Voとなり、増幅なしの「電圧フォロア回路」と呼ばれる、入力インピーダンス=ほぼ∞、出力インピーダンス=ほぼゼロ という、「インピーダンスを変換するための回路」になって、これも随所に使われています。 

そして増幅の原理でいうと、GNDとの間にいくらかの抵抗値Rsがあれば、ViとVoの差を生まれるので、それがオペアンプ内で増幅されてVoに出力される・・・ということです。

通常Ri・Rsは1~10kΩ程度が多く使われているようです。

Rs<Rf になるように抵抗値を適当に決めましたが、書籍による説明では、電流量による発熱等や前後のオペアンプの影響から、この範囲の程度が無難・・・とありましたので、それを参考にしています。


入力電圧

ここでは5Vの単電源を使用しています。

ここでは実験ですので、定電流電源ユニットを利用して、0~5V をオペアンプの+端子に加えていますが、それ以外の信号(電圧など)をほかから持ってきても問題はありません。

本来、計算値では 5V/10000Ω=5mA からその一部がViとして流れるはずですが、オペアンプ側でイマジナリーショート(あたかもショートして電位差がなくなる状態)となっているために、入力側の電流はオペアンプ側へは流れません。

あとで出てきますが、電源電圧の値で、出力する電圧が制限されますので、高い出力電圧を得たい場合は、電源電圧を高くする必要があります。

ブレッドボードに回路を組んでいます

【非反転増幅回路】 測定してみました

非反転増幅回路の測定結果

入力は0-5Vにすると、出力電圧は、比例部分とMAX3.7V で水平になった飽和部分がみられます。この部分は増幅には使えない部分で、それ以下の傾斜部分の電圧間でないと増幅には使えません。

この比例部分についてのViとVoの関係は、データシートで、

Vo=(1+Rf/Rs)Vi ・・・(1)   になっていると説明されています。

入力1Vのところを見ると、青い線ではRf/Riが1なので、2Vの電圧が、赤い線ではRf/Riの計算値が2なので、3Vの電圧が出力されているところをみると、上の(1)のような関係になっているのがわかります。

つまり、言い換えれば、 ①1倍以下の増幅はできないことを表していますし、 ②RfとRsの比が大きいほど増幅度が高い(傾斜がきつい)・・・ということがわかります。

電源電圧に届くような出力電圧を得られません。 これは、個々のオペアンプの特性です。 もしも、出力電圧を大きくしたい場合は、データシートを見て高い電源電圧を用いることになります。


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そうです。

これの実際の使い方については、別のところで考えたいと思います。

次は、長くなったのでページを変えて、もう一つの反転増幅回路をみてみましょう。

→ 次のページ 反転増幅回路について

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