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(2) 前のページの続き

前のページでは、オペアンプを単電源で非反転と反転増幅の回路を作って、実際の入出力電圧の様子を見ました。

ここでは、いろいろなことを試してみました。


ここで使っているオペアンプLM358N

ここで使用しているオペアンプ LM358N は、2つのオペアンプが組み込まれていて、5V単電源なので、デジタル用途でも使いやすく、もちろん、両電源でも使用できますし、何よりも安価で、少々荒っぽい使い方でも壊れません。

もちろん、その他のオペアンプでも、基本的な考え方は同じですので、この型番にこだわる必要はありませんが、安価なものでいろいろ実験をやってみることも楽しいことでしょう。


反転増幅と非反転増幅の違いのおさらい

 

反転増幅回路と非反転増幅回路の違い(再掲)

反転増幅回路では、+端子が接地(GND)になっていて、-端子からある電圧を入力すると、出力が反転します。つまり、プラス入力電圧ではマイナス出力電圧として出力されます。

非反転増幅回路では、プラス電圧を入力するとプラスの電圧が出力されましたので、測定した出力の状態は次のようなものです。

前掲の2つの回路の出力結果

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、この入力電圧範囲は使いません。 増幅率が高いと、急な傾斜になります。

もちろん、増幅は傾斜の部分だけを使います。

飽和部分を含めてスイッチのような感じで使う方法も考えられますが、この場合はコンパレータ(→こちら)のところでやったように、指定の電圧でON-OFFを切り替える使い方のほうがいいでしょう。

この2つの回路の両方を比べて眺めると、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。

増幅率については、式のように、抵抗の比で決まるのですが、少しだけ違います。 RiとRsは1~10kΩ程度がよく使われます。

非反転増幅 :Vo=(1+Rf/Rs)Vi

反転増幅 :Vo=-(Rf/Ri)xVi 

と説明されていますが、非反転増幅は、1以下の増幅はできないことになります。

以上がオペアンプの基本的な内容ですが、以下では、あまり記事にされていないことをやってみましたので紹介します。 通常は以下のような使い方はしないので、参考程度にみておいてください。


適当な電圧を入力しないと・・・

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、変な出力になりました。

普通には加えない範囲の電圧を加えてみた結果

0V入力位置で、対照系のグラフを出力したいのであれば、回路を工夫しないといけないのですが、通常はこんなことをやる人はいないと思いますが、適当な正負電圧を入力しないといけないということですね。

電源電圧いっぱいに振らせたい場合は・・・

増幅を最大限に利用する、すなわち、上図の傾斜部分いっぱいに使うためには、単電源では、飽和電圧(上図の場合は約3.6V)の半分の電圧を中心に振らせてやればダイナミックレンジが最大になります。

しかし、少しでも飽和電圧範囲に入ると、直流ではそれ以上電圧が上がらないので増幅されないのですが、交流では波形が変わってしまいます。

高級なオペアンプでは、電源幅いっぱいにダイナミックレンジが取れる(これをレールツーレールRail to railといいます)ようになったものがありますが、このLM358Nの単電源では、5Vの電源に対して3.6V程度になっています。

LM358Nを両電源で使う

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ょう。

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。

5倍の増幅率での両電源回路例

両電源での増幅結果

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。

オペアンプ自体の特性なのでしょう。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、この結果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。 

ダイナミックレンジは電源電圧で変わる

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。

電源電圧を変えたときのダイナミックレンジ

電源電圧を高くすれば、傾斜の部分が大きく取れるので、見やすい感じです。 

LM358Nは単電源で32Vまで取れるのですが、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。 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かもしれません。

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。

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。

アースGND電圧を上げてみた

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、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、増幅の様子をおさらいしましょう。

波形観察用の回路ブレッドボードに組んだ様子

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。

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発生機を使ってその様子を見ます。

砲兵は発生機のもとの波形

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、上の2箇所の波形を見ています。

増幅前の入力波形 増幅後の出力波形

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。 2.3倍程度の数字になっているのは、ノイズを拾っているようで、波形を画面から読み取ると、2.8倍程度です。

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。

方形波の波形がうまくでなかったら、プルアップで入力電圧を変えないといけないのかなぁ・・・なども考えていましたが、何かしら、うまく言ったので、このままにしておきます。

いろいろ確かめないといけないこともありますし、交流を扱う場合は色々難しそうな問題もありそうですが、それらは、アンプなどを動作せせるときに考えることにして、ともかく、私自体もよくわからないオペアンプを簡単に使ってみた・・・という紹介です。

オペアンプの説明の最後になりますが、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。

→オペアンプを使った発振回路

→ インデックスのページへ


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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

オペアンプの増幅(2)

オペアンプを使った発振回路

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コンデンサマイク用ミニアンプを試作

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応用のページのINDEX(目次)

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