- 電子工作「オペアンプ回路：直流増幅回路の設計方法」のご紹介
- 「オペアンプ回路：直流増幅回路の設計方法」のご紹介
- 回路構成を決める
- 必要なゲインを求める
- R1、R3を決める
- R2、RV1を決める
- 「その他の定数を決める」
- 「直流増幅回路で注意すること」
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電子工作「オペアンプ回路：直流増幅回路の設計方法」のご紹介
ご訪問ありがとうございます。
今回は、電子工作「オペアンプ回路：直流増幅回路の設計方法」についてご紹介します。
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「オペアンプ回路：直流増幅回路の設計方法」のご紹介
実際のオペアンプ回路の設計をしてみましょう。最初は数kHz以下でゆるやかに変動する直流信号入力用の単電源の増幅回路を設計します。
この回路は、温度センサなどの微小なアナログ電圧の信号を増幅し、マイコンなどに入力可能な電圧とするときに使います。実際に半導体温度センサをマイコンに接続するときの例でご紹介しましょう。
回路構成を決める
温度センサの出力は温度に比例する正の電圧出力なので、アンプ出力を入力信号と同じ極性にするため非反転増幅回路を使って、正入力で正出力になるようにします。
また、デジタル回路と電源が共用できるようにすれば、全体の回路が簡単化されますから、5V単電源用のオペアンプを使います。
つまり下図（単電源によるオペアンプの駆動）をベースにします。このようにして構成を決めた半導体温度センサー用増幅回路は、下図のようになります。
単電源によるオペアンプの駆動
半導体温度センサー用増幅回路
必要なゲインを求める
オペアンプにはRailtoRailタイプを使い、最高温度を40°Cとすると40°Cの時、オペアンプの出力電圧が4.0Vとなるようにすれば、2°Cのとき0.2Vとなります。
これで温度が2°Cから40°Cをカバーしたとき、オペアンプの出力範囲を0.2V〜4.0Vとできますので、オペアンプの振幅制限はすべてクリアしていることになります。
40°Cの時のセンサの出力電圧が、
となりますから、オペアンプの増幅度は、4.0 ÷ 0.40で求められ、ぴったり10倍にすればよいことになります。
R1、R3を決める
R1は単にバランスを取るためだけにあり、R3と同じ値とします。R1、R3の大きさは入力源となるセンサなどが要求する負荷抵抗で決めますが、大体数kΩが一般的な値となります。
一般にオペアンプ自身の入力インピーダンスは、非常に大きな値(10¹²Ω程度)ですから無視できます。
R2、RV1を決める
ここでR3に3kΩを使うとすると、(R2+RV1)の抵抗には、下図（単電源によるオペアンプの駆動）の増幅率の式からR3の9倍つまり27kΩが必要ということになります。
単電源によるオペアンプの駆動
ここでRV1に可変抵抗を使ったのは、抵抗値には誤差があり、3kΩといっても数%の誤差があるためです。つまりR2を固定抵抗と可変抵抗(ボリューム)の直列構成にして、R2+RV1の抵抗値とすることにします。これで増幅率は
となりますから可変抵抗を調整することで、R3やR2の抵抗値に多少の誤差があってもぴったりの増幅度に調整することができます。RV1を小さめの値にすれば、調整範囲が狭くなり微調整がやりやすくなります。
例ではR2を25kΩとしましたので、5kΩの可変抵抗により(R2+RV1)の値は25kΩから30kΩの範囲で可変できますから27kΩがちょうど中央付近となっていてその前後に約10%の調整ができることになります。
「その他の定数を決める」
C4のコンデンサは、温度センサ出力のノイズ吸収用で簡単なローパスフィルタの機能を果たします。0.01μFから0.1μF程度の値としておきます。C3のコンデンサはパスコンで、電源のノイズ吸収用です。通常0.1μFから数μF程度とします。
「直流増幅回路で注意すること」
直流増幅回路では、高精度のアナログデータを扱うときには注意が必要です。
例のような温度入力の場合には、センサ自身の精度が±0.5°C程度とそれほど高精度ではないので、アナログ入力回路の精度をあまり高精度にする必要はありませんから、下記（半導体温度センサー用増幅回路）の回路で十分です。
半導体温度センサー用増幅回路
高精度の入力回路を作る場合
高精度の入力回路を作る場合には、回路に使っているオペアンプや抵抗や可変抵抗などの素子そのものの変動誤差、特に温度変化が問題になります。
例えば、般的な炭素皮膜抵抗の温度係数は200ppm/°C以上あり、40°Cの範囲で使うとすると、8000ppm(0.08%)以上もずれることになります。
このような場合には、特別に温度変化の少ない抵抗素子を選択したり、可変抵抗の温度変化を抑制する回路の工夫をしなければなりません。
また、オペアンプ自身の特性も影響があり、「オフセットドリフト」と呼ばれる入力基準点の変動が小さいものを選択する必要があります。
高精度が要求される場合は、回路に使っているオペアンプ、抵抗、可変抵抗などの素子そのものの変動誤差、特に温度変化に注意し、素子を選択してください。
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