- 電子工作「オペアンプ回路：交流増幅回路の設計方法」のご紹介
- 「交流増幅回路の設計方法」のご紹介
- 「2電源方式の交流アンプ」
- 「単電源方式の交流アンプ」について
- 「交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：交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：交流増幅回路の設計方法」についてご紹介します。
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「交流増幅回路の設計方法」のご紹介
オペアンプを使って音声や音楽、振動など、ある周波数範囲の交流信号を入力したい場合があります。このような場合は一般的に数mVというような低レベル信号なので、十分に増幅しないとマイコンなどに入力できるレベルになりません。
このような場合もやはりオペアンプを使って増幅しますが、交流だけ増幅すればよいので、前回のような直流用のオペアンプ回路とはちょっと異なり、交流アンプとします。
「2電源方式の交流アンプ」
2電源方式の交流アンプの基本回路は下図（交流増幅回路の標準回路）のようになります。
交流増幅回路の標準回路
見たところ2電源方式の直流アンプにC3とC4のコンデンサが追加されただけです。つまり信号に含まれる直流分をC3とC4でカットして交流だけが通過するようにしたことになります。このコンデンサは前段、後段と接続するためのものなので「カップリングコンデンサ」と呼ばれています。
各定数の決め方もC3C4以外は直流の場合とまったく同じ考え方でできます。しかし抵抗値については、負荷を軽くするため直流の場合より大きめの数10kΩとします。
カップリングコンデンサC3の値の求め方
C3の入力カップリングコンデンサは、通過させる最低周波数fcと入力のインピーダンスRinから
となるように決めて目的の周波数が減衰しないで通過するようにします。ここでオペアンプ回路の入力インピーダンスRinは、R1とR2の並列抵抗となります。
例えば、fc=20Hz、R1=5kΩR2=45kΩとすると
Cin > 1 ÷ (6.3 × 4.5kΩ × 20Hz) = 約2μF → 4.7μFを使う
となります。C4の値は次に接続される回路の入力インピーダンスを基にして同じように求めます。
「単電源方式の交流アンプ」について
単電源方式の交流アンプの標準回路は下記（単電源の交流アンプ）のようになります。この回路はこれまでの回路とちょっと異なっています。オペアンプの+入力には電源電圧をR3とR4で分圧したオフセット電圧が加えられています。
R3=R4とすれば電源電圧の1/2の電圧が加わります。こうすると入力が0Vのとき出力が電源電圧の1/2となり、この電圧を中心にして交流信号が両側に振れることになります。
そのほかの定数の決め方は2電源方式の場合と同じです。
単電源の交流アンプ
出力信号は入力の土を反転させたものとなる
下図（実際の交流アンプの例）は実際の交流アンプの例で、音楽信号を増幅するための回路例です。この例は単電源の標準回路を2段構成にしたもので、1段あたりのゲインは、51k+5.1k=10倍で、これが2段ですから100倍の増幅度となります。
R5とR6で分圧していますから電源の1/2のオフセット電圧となっています。C3のコンデンサは、オフセット電圧のノイズを低減させる働きをしています。
実際の交流アンプの例
オフセット電圧を電源電圧の1/2として、入力がOVのとき出力がVDD/2になるようにしています。
【FAQ】どうしてR5とR6で分圧するのですか?
「交流増幅回路で注意すること」
【1】周波数特性
交流アンプで注意しなければならないことは、アンプに周波数特性があることです。この周波数特性の設計には、規格表の中にある周波数特性表を使います。
例えば、LMC662の周波数特性は下記（オペアンプ回路の周波数特性）のようになっており、図に示したようにアンプを10倍(20dB)のゲインで使うと、周波数は100kHzまでは一定ですが、それ以上の周波数になると急激にゲインが下がることがわかります。
オペアンプ回路の周波数特性
ゲインが1倍(0dB)のときの周波数をゲインバンド幅積(GB積)といいオペアンプの重要な特性となっています。広帯域で周波数特性のよいアンプを作るには、このゲインバンド幅積が大きくて周波数特性のよいオペアンプを使い、1段当たりの増幅度をあまり大きくしないようにする必要があります。
これに対し低い周波数はカップリングコンデンサと入力インピーダンスにより制限されます。
【2】ノイズの問題
交流アンプは特にゲインが大きい場合が多く、いろいろなノイズの影響を受けます。入力までの配線にはシールド線が必要です。
マイクロコントローラなどのデジタル回路と共存させるような回路構成とするときには特に注意が必要です。このような場合必ず問題になるのは、デジタル回路で発生するスイッチングノイズがアナログ回路に影響を与えるということです。
スイッチングノイズ
このパルス状の電流がデジタル回路パターンを流れるとき、基板上で平行に並んでいるアナログ配線パターンやアナログのグランド配線に影響を与えます。これがスイッチングノイズです。
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