電子工作「オペアンプ回路の設計方法」のご紹介
ご訪問ありがとうございます。
今回は、電子工作「オペアンプ回路の設計方法」についてご紹介します。
「オペアンプ回路の設計方法」のご紹介
オペアンプはアナログ信号を増幅するための基本のICです。このオペアンプとデジタルIC(A/D変換など)をうまく組み合わせると、いろいろな応用が可能となり、いよいよ電子工作が面白いものになります。
最も基本となる回路は、反転増幅回路と非反転増幅回路です。いずれの場合も増幅率(ゲイン)が抵抗の比だけで決まりますので正確で安定なアンプを作ることができます。
オペアンプの基本回路
増幅率が抵抗の比だけで決まるので、アンプとして設計しやすい
オペアンプの応用回路は目的によって非常にたくさんの回路があります。そこで、ここではマイコンなどのA/Dコンバータの前段増幅器としてのオペアンプ回路を中心にご紹介していきます。
「オペアンプ回路設計上のポイント」について
まず、オペアンプの基本動作は、入力に信号が加えられたらそのままゲイン倍して出力に同じ形の信号として出力することです。この簡単なことを実現するために、設計で考えなければならないことがいくつかあります。
| 「オペアンプ回路設計上のポイント」 | |
| 項目 | ポイント |
|
振幅電圧関連
|
扱う信号にプラス/マイナスがある |
| 入力信号の振幅電圧の全範囲を正しく出力できるか | |
| オフセット関連 | 入力0のとき、出力も0になるか、温度などによる変動範囲 |
| 周波数特性関連 | 扱う周波数全範囲で正しくゲイン倍されているか |
| スルーレート関連 | 入出力が同じ波形になっているか |
振幅電圧関連
扱う信号にプラス/マイナスがある
出力信号にプラス/マイナスが必要な場合には、電源もプラス/マイナスが必要になります。信号が片側の極性だけのときは単電源でもよい。
入力信号の振幅電圧の全範囲を正しく出力できるか
入力電圧はゲイン倍されて出力されるので、電源電圧がこれを上回っていることが条件となります。さらにオペアンプ自体の最大出力振幅電圧が関係します。
オフセット関連
入力0のとき、出力も0になるか、温度などによる変動範囲
特に高精度な直流アンプの場合には誤差になるので問題になります。オペアンプ自身にオフセット変動の少ないものを使い、さらにオフセット調整ができる回路にします。
周波数特性関連
扱う周波数全範囲で正しくゲイン倍されているか。オペアンプ自体の周波数特性と設定ゲインで決まる。
スルーレート関連
入出力が同じ波形になっているか
オペアンプ自体のスルーレート特性で決まる。
「オペアンプの電源供給方法」について
オペアンプへの電源は、基本として扱う信号が交流であることから、プラスとマイナスの2電源方式が基本となっています。
しかし、最近ではマイコンなどのロジック回路との接続が多くなってきたため、マイナス電源を除いた単電源で使えるような単電源用オペアンプも多くなってきました。それぞれの場合の電源供給についてご紹介します。
2電源方式の場合
プラスとマイナスの電源を使い、信号入出力はグランドレベルつまり0Vを基準とします。これを実際の回路図で表すと下図（電源方式の基本回路）となり、入出力の信号は図のように±が反転した形となります。
電源方式の基本回路
この回路でのポイントは、図のようにプラスとマイナスの両電源ピンの近くにパスコンC1、C2を接続しておくことです。これで電源から混入するノイズに対するフィルタの役割と、オペアンプ自身の急激な消費電流変動に対するバッファの働きをして安定な動作を確保します。
この回路の入力部分の回路は基本構成のままで問題なく動作します。電源電圧の正負の電圧値そのものが多少異なっても、入出力信号はグランドとの電位差だけで動きますから、影響はありません。ただし、出力信号の最大振幅電圧は低い方の電源電圧で制限されます。
出力信号は入力の土を反転させたものとなる
単電源方式の場合
プラス側だけの信号を扱えばよい場合には、オペアンプを単電源で使うことができます。このときの標準回路は下図（単電源によるオペアンプの駆動）のような非反転増幅回路にします。
つまり、図のように入力も出力もプラス側だけの振幅となるので出力は入力をゲイン倍した相似形となります。この場合にも電源にパスコンが必要なことは同じです。
単電源によるオペアンプの駆動
出力信号は入力の相似形となる
「単電源でオペアンプを使うときの注意」について
【1】出力電圧の最大振幅
単電源で直流信号を増幅する場合の問題は出力信号の振幅の範囲です。つまり、下図（オペアンプの最大出力振幅）のように、一般の汎用オペアンプの出力は電源電圧一杯までは出せず、電源電圧より1Vから2V程度低い電圧までしか出力できません。
オペアンプの最大出力振幅
これでは単電源を使用するときは、電源電圧に5Vを使うことが多いため、有効な出力電圧範囲が狭くなってしまい困ることが多いので、図のような「RailtoRail」と呼ばれる特別な工夫がなされたオペアンプが開発されています。
このRailtoRailの可能なオペアンプを使えば、電源電圧よりわずかに低いところまで出力信号として出力することができます。実際の例でどの程度かというと、最新の「MCP6022」というICでは、電源が5Vのときの出力電圧範囲は0.015V〜5.98Vとなっています。
【2】測定用には0V付近は使えない
測定用途などで、単電源でオペアンプを使って増幅するときには、0V付近が問題になります。つまりRailtoRailのオペアンプを使っても、入力が0Vでも出力は完全に0Vにはなりません。
したがって、計測用に単電源のオペアンプで直流電圧を増幅して使う場合には、0V付近の電圧は無視できるような使い方に限定するか、マイナス電源を加えて2電源方式にする必要があります。
【3】交流入力に使えない
交流にはマイナス側の電圧を含みますから、この下図（単電源によるオペアンプの駆動）の標準回路のままでは交流に使うことができません。単電源回路を交流アンプとして使うときには後述のような工夫が必要です。
単電源によるオペアンプの駆動
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