楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

オペアンプの反転増幅についてみてみましょう

前のページでは、オペアンプを単電源で非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が、ここでは、もう一つの反転作動増幅ようすを見ながら、電子工作に使うヒントがあるかなどを探していきましょう。


ここで使っているオペアンプLM358N

使用するオペアンプは今までと同じ LM358N で、安価で両電源でも単電源でも使用できるものです。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。

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いつもお断りしているのですが、この記事は専門家が書いているものではなく、電子工作を楽しむためのヒントや使い方の可能性を紹介しているもので、先に紹介した非反転増幅のほうがわかりやすい・・・と書きました。 

実をいうと、取り上げているのがDC回路がメインですので、ここに紹介する単電源でオペアンプの反転増幅回路を作って実験していても、実際に使えそうな応用例がイメージできていません。

私の頭の中では、直流が主体の電子工作なので、先にやった「非反転増幅」だけで十分な気がしており、そのために、ここでは、回路を組んでみて、入出力の様子を紹介する程度になっています。

交流になると、反転回路の良さがあるのですが、ここでは、それに触れていませんので、参考になる点があれば利用していただけると幸いです。


もう一度反転増幅と非反転増幅の違いをみておきましょう

 

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、プラス電圧ではマイナス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、測定した出力のイメージは次のようなものです。

増幅の違いによる入出力状態

出力が一定の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、何かで使う場合には、傾斜の部分だけを使うか、飽和部分を含めてスイッチのような感じで使う・・・という方法が考えられますが、どうも直流の「増幅」では、左の非反転増幅のほうが使いやすそうな感じです。

また、先の非反転増幅回路のページで見たように、非反転の回路では、入力が0Vのときに出力は0Vだったのですが、単電源で反転増幅回路を組むと、基準電圧(これをバイアス電圧といい、電源が5Vであれば、2.5Vを中心に考える)の上下で出力を分けるようにするのが一般的になるので、直感的に原点の状態がわかりにくい感じがします。

上の反転増幅の図は、(かなり作為的で、あとで説明しますが)両電源を用いて、0V入力を境に入力電圧を切り替えるという方法でグラフを作っています。

これらを色々やってみると、何らかの使い方が浮かんでくるかもしれませんので、とりあえず進めましょう。

そして増幅では、非反転増幅回路では Vo=(1+Rf/Rs)xVi と、入力電圧に対して、1倍以上の電圧が増幅されましたが、反転増幅では、マイナスへの反転があるので、非反転増幅回路とは違った様子になりそうです。

反転増幅回路では、書籍によると、やはり、Vo=-(Rf/Ri)xVi と、2つの抵抗の比で増幅状態が決まるようです。 (これは基本ですので、交流の増幅では重要な点です)

このような予備知識を持って、反転増幅回路を作って実際に測定してみましょう。

反転増幅回路をつくって実験してみます

単電源での反転増幅回路の回路図例

この回路は、5Vの単電源を用いて、2つの同じ抵抗値Raの中点から、5Vの半分の2.5Vをオペアンプの+入力端子に入れることで、2.5Vを中心において、入力Viに0~5Vの可変電圧を加える回路です。

この回路も、非反転増幅回路とよく似たように、やはり、2つの抵抗(RiとRf)の大きさで入出力の関係が決まリます。

ここでは、Riは10kΩと1.5kΩ、Rfは10kΩと20kΩを用いて、下のグラフにあるように、3つの場合を測定しています。

これまでと同じように、ブレッドボードに回路を組み、入力電圧Viと出力電圧Voの関係を測定しました。

単電源での入出力状態結果の例

結果は以上のように、2.5Vの点を通って、途中の傾斜が異なるグラフになっています。

直線になっていないのは、測定点が少ないためです。 表計算ソフトの散布図を自動グラフを書かせると、このようになっただけで、もう少し丁寧に図ると、傾斜部分は直線で、ある言っての傾きを持ったグラフになるはずです。

ここでは、2.5Vのバイアスを与えて、2.5Vを見かけのゼロになるようにしておいて、0~5Vの入力しました。

そうすると、最低約0.6V、最高約3.7Vの飽和状態の出力があり、その途中には、比例した傾斜部分がある・・・という結果です。

これは、入力に対応した電圧を得る増幅に使うには、傾斜部分を使いますので、その間の電圧を与えないといけないということです。

いずれにしても、オペアンプでは、電源電圧以内の増幅しかできませんし、最大最小電圧部分は水平線となってしまい、増幅の相関がなくなってしまいます。

さらに、抵抗の比によって飽和している電圧範囲が変わります。もちろん、これが増幅度ですので、傾斜部分の勾配も変わリます。

そこで、これをどの世雨につかうか・・・ですが、非反転増幅の場合でも同じですが、飽和部分を含めてスイッチのように利用するか、勾配部分を利用して、何かをする・・・ということが考えられます。

しかしどうも、これをDCの電子工作に使うことは非常にイメージしにくい内容だという感じがしています。というよりも、非反転増幅のほうがスッキリしていて使いやすそうな感じがします。


書籍によると、反転増幅のViとVoの関係は、Vo=-(Rf/Ri)xVi となる・・・とありました。

グラフの結果では、Rf/Riは、青の線が2、赤の線が約6.7、黄色の線が1になっています。
この比が大きいほど、比例部分の勾配がきつくなることがわかります。

この実験での測定点が少ないので正確性は劣りますが、増幅範囲は比例部分ですので、そこだけを見ると、傾斜の範囲での線の乱れはあるものの、式で表されたようになっている感じです。

少しわかりにくいかもしれませんが、黄色い線をみると勾配は-1ですので、入力を0.5V高めると、出力は0.5V下がるというようになっていますし、勾配-2の青い線では、入力を0.5V上げると出力は1V下がるということが確認できます。

ただ、この結果から、直流のみの電子工作で、これをどう使って応用するのかは、よくわからないのが正直なところです。

交流の増幅を考えると、加えた波形がそのままの位相で、(Rf/Ri)の比だけで、上の増幅率として取り出せる回路ですので、優れているのでしょう。

そこで、これだけでは、どうも、単電源でバイアスを掛けても、その入出力傾向は分かるのですが、交流では0Vを基準に増幅作用が働いているはずなので、単電源ではなく、一般的に使われる「両電源」を使うとどうなるのかを調べることにしました。

両電源を使用した反転増幅回路の様子

適当な両電源装置がなかったので、5Vの定電圧電源を2つ用いることにしました。

この電源には、スマホの充電用アダプターを改造したものを2つ用意しました。

1つは4.95V、もう一つは5.10Vで、若干の差はありますが、それに、外部から安定化電源を用いてプラス電圧入力側とマイナス電力入力側に分けて入力端子に入力しています。

両電源を用いた回路例

両電源を用いたブレッドボードに回路を組んだ様子

また、測定したものがこれです。

両電源を用いた入出力状態の例

この測定には少し工夫が必要で、交流のサイン波形入力では、0を中心にプラスマイナスが勝手に振れてくれてオシロスコープで見れば、きれいなカーブが見られそうですが、直流入力ですので、プラス入力のときとマイナス入力の時とで、入力状態をかえてやる必要がありました。

傾斜部分を見ると、計算では Vo=-(Rf/Ri)xVi で、Rf=5kΩ、Ri=1kΩなので、Vo=-5Viで、0.5V入力で-2.5V、-0.5V入力で+2.5V程度になっているので、正常に増幅されているようで、ともかく、このような結果でした。

このような状態では、傾斜部分、すなわち、0~±0.8V程度までを増幅に使用すればいいということで、交流では、それ以上の電圧を入力すると、波形が歪んでしまいということになります。(余裕を考えると、±0.8V以下の入力にしないといけないでしょう)

以上がオペアンプの説明でしたが・・・

これまでにオペアンプを使って、「コンパレータ」と「増幅」について見てきました。

この記事を書くまでは、オペアンプは「何か難しそう・・・」という感じがありましたが、使ってみると、結構楽しく、使い勝手も良かったようです。

オペアンプは、大きさや形はコンパクトですし、ピンソケットにさして使うので、これだけでもスマートで簡単に使えます。 価格も、ピンきりですが、ここで使っているLM358Nというオペアンプは、なんと、1つ20円程度で購入できます。

使い方を直流に限定すると、使える用途も限定的な感じがしますが、このあとですが、(これは交流分野ですが)音声増幅などについても見ていきたいと思います。

オペアンプは2つの抵抗器で増幅率が決定できるという、非常に単純なものです。 基本を是非マスターしたて使って行きたいものですので、このあとも、様々で応用できるようなものを見ていきたいと思っています。

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