前のページで、オペアンプLM358Nを使う電源について（→こちら）、コンパレータでの使い方（→こちら）、非反転と反転増幅（→こちら）などで、直流での入出力電圧でその様子を見ました。
ただ、これまでのページを読んでみても、「何に使ったらいいのか」「どうして使うのか」というイメージは見えてこないと思います。
でも、無責任のようですが、現時点では、それでもいいと割り切るのがいいと考えています。
これは、オペアンプの使用範囲が広範囲すぎて、今までのページ内容だけでは説明しきれないというのが、わからない最大の理由のように思えるからです。
今までは、直流の増幅を少しみただけです。しかし、実際に使われるケースでは、音声や電波などの交流や、デジタル信号の融合などが大部分ですので、「電子工作で使ってみる」というレベルではありません。
反転回路と非反転回路の長短所についてWEBで検索してみました
このように、使い方を考えようとすると、さらに専門的になりそうなので、このHPでは、発振回路、簡単な増幅回路などで、オペアンプを使っていますので、それらを使い方の参考にしていただくといいでしょう。
しかし本来は、オペアンプの使い方は、固定されているものではないので、何をしてもいいはずです。
そこで、このページでは、狭い直流の範囲ですが、「なにかやってみる」ということにスポットを当ててみます。
もちろん、このページの内容もあまり参考にならないと思いますが、なんでもやってみようということで、「変な電圧の加え方をするとどうなるのか」「LM358Nを両電源で使ってみた」「電源電圧を変えたときのダイナミックレンジ」「アースのバイアスをかけるとどうなるか」のほか、最後に、実際に役立ちそうなおさらいで「方形波の増幅」などを試しています。
以下は、危険な作業はありませんでしたし、疑問を晴らすためにやっただけで、特に重要な内容でもありません。そのつもりで読んでいただくのがいいでしょう。
オペアンプLM358Nの増幅で使う範囲について
前のページで実験した入力電圧と出力電圧の関係では、非反転増幅は普通のグラフのようですが、反転増幅では、マイナス電圧の入力でプラス電圧が増幅されてでてくるので、見にくいグラフになっていますが、いずれも、ここでは、出力が横一線になっている部分は、増幅作用が飽和した状態になっている部分ですので、増幅用途では、斜線の部分を利用することになります。
そして、「増幅率が高い」ということは、グラフのように、急な傾斜になっているということです。
飽和状態では、直流の場合は、「針が振り切れたMAXの状態」と思えば、その部分も利用できますが、（ここでは触れませんが）交流では、変な増幅波形になってしまいますので、使えません。
もちろん、飽和部分の使い方では、スイッチのような感じで使う方法が考えられますが、普通は、コンパレータ（→こちら）のところでやったように、指定の電圧（判定電圧）を設定して、その電圧でON-OFFさせる使い方のほうがうまいやり方でしょう。
この非反転と反転の回路を比べて眺めると、直流の電圧増幅やパワーアンプなどの「増幅」には、プラス電圧を加えるとプラス電圧で出力してくれる非反転増幅のほうが馴染みやすそうな感じがしますが、それも使い方や用途の目的で決まるのでなんとも言えません。
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適当な電圧を入力しないとどうなるのか
前のページでは、反転増幅回路にはマイナスの電圧、非反転増幅回路にはプラスの電圧を加えましたが、その回路のままで、反転増幅にマイナス、非反転増幅にプラスの電圧を加えてみました。
すると、赤丸の部分で、範囲外ではやはり、変な出力になりました。
0Vを境にして、対照形の線にならないようです。 別のところから電圧を入力する場合に、変な入力をすると、全く予期しない出力になるようということのようですが、通常はこんなことをやる人はいないと思いますが、やってみた … という結果です。
LM358Nを両電源で動作させてみた
多くのオペアンプは両電源仕様のものが多いので、LM358N で両電源で使った場合はどうなるのかをみてみました。
反転増幅回路で、5Vの負電源をもう一つ加えて、さらに、入力はプラス側とマイナス側に分けて、下のような5倍に増幅する回路で測定しました。
電源端子の接続を間違えないように注意します。 逆につなぐと、オペアンプが破損します。
増幅率はRf/Ri で、計算値は 5 ですが、きっちりと 5倍 の増幅になっていません。 しかし、絶対値で見ると、正負逆向きで同じ数字になっています。
また、プラスとマイナスで飽和電圧が少し違います。
これはオペアンプ自体の特性なのでしょうか、理由はわかりません。
抵抗器などは呼び値を使っていることもありますし、さらに、この結果自体が正常なのかどうかはわかりませんが、ここでは、測定したそのままを書いています。
このように、両電源にすると 0V を中心に、プラスとマイナス入力が反転して出力されています。
両電源を使うことで、電圧の差が単電源の2倍になっていますので、その分、ダイナミックレンジが広くなっています。 交流用途では、うまくいく感じのグラフですね。
ダイナミックレンジは電源電圧で変わることを確かめる
単電源に戻って、電源電圧によるダイナミックレンジを調べるために、非反転回路で、電源電圧を変えて入出力状態を測定しました。
電源電圧を高くすれば、傾斜の部分（増幅で利用できる範囲）が大きく取れます。
LM358Nは単電源で32Vまで使用できます。
信号の大きさと増幅率を変えれば、特に電源電圧を上げる必要もないはずですが、雑音などを考えると、あまり電源電圧を下げすぎないほうがいいようですね。
また、電源電圧を変えると、回路内で電源電圧を揃える必要などもあるので、変に電圧を変えないで、標準の 5V に統一するのが使いやすいような感じです。
アースのバイアスについて調べてみた
交流の場合は単電源では、電源電圧の中央で上下に振らせるには、入力電圧にバイアスを掛ければいいのですが、ここでは、反転増幅回路で、アースしている3番ピンにバイアス電圧を加えるとどんな感じになるのか … をみました。
普通はこんなことはやらないでしょうし、No.3のアース回路に抵抗をつけることなども同様に、やらないほうがいいでしょう。ここでは、実験としてやってみました。
Ri=10ｋΩ、Rf＝20ｋΩの反転増幅で、0から-0.8Vをかさ上げした状態では下のようになっています。
一番下の線が通常の状態なので、「バイアス電圧ｘ3」だけ上に押し上げられた状態です。 ここでは、プラス電圧入力はしませんでしたが、多分、各線の延長の数値になるのでしょう。
とくに、これを何に使うのかは思いつきませんが、増幅範囲は狭まるので、良くなさそうですが、一応「何かやってみた」… という内容です。
方形波の増幅の様子
最後に、方形波の入出力状態を見ることで、実際に増幅回路を動作させて、その様子でこれまでのおさらいをします。
利用する回路は非反転増幅回路で、Rs=10ｋΩ、Rf=20ｋΩから、増幅率は1＋Rf/Ri … つまり 3倍 です。 画面のマークは、オシロスコープで波形を見ている部分を示しています。
LM358Nは2個のオペアンプが内蔵されているので、もう一つで発振回路を組んでもいいのですが、その回路は次のページで紹介するとして、ここでは、発振波形がわかっている方形波の発生機を使ってその様子を見ます。
方形波発生機でこのような波形を発生しており、このまま入力すると、上下の電圧差が5V もありますので、LM358Nの飽和電圧を超えてしまうために、10ｋΩのボリュームで適当に電圧を下げて波形を見ています。
左がもとの波形で、右が増幅後の波形です。
画面数字のように、入力側で Vpp289ｍV のものが、出力側では 656ｍVになっています。
これは、2.3倍程度の数字になっていますが、これは、ノイズを拾っている値のようで、波形を画面から読み取ると、2.8倍程度と、計算値に近い値になっています。
いずれにしても、計算値の3倍ではないようですが、それなりの増幅がされているようです。
以上です。
オペアンプについての本を読んでも、趣味の電子工作に、どのような方法で使えるのか … という基礎的な使い方は見えてきませんが、オペアンプは、増幅率の大きなトランジスタICと考えると、バイポーラトランジスタのように、増幅、発振などのほかに、コンパレータとして電子工作に簡単に使えそうなこと見えてきました。
そこで、オペアンプの基礎的な性質を見る実験は以上にして、次のページでは、オペアンプを使った発振回路について紹介しています。
