OPアンプの入力電圧制限等

質問

計装用を謳ったOPA277(二個一OPA2277)についておたずねします。
このICのデータシートによると入力電圧は-0.7V～+0.7Vとのこと。正負の値を持つある物理量に比例した直流電圧(+10V～-10V）を出力するセンサーからアナログ記録計の間にゼロ点調整用センサーアンプとして使いたいのですが、ｙ切片を動かすための加算（減算）回路は反転増幅の形をしていて、正の電圧を受け取るときはもう一度反転しなければなりません。

　さて入力の段階で多回転の可変抵抗を経てOPアンプに入力されますが、厳密にこの±0.7Vの入力制限を守らないとICは破壊されてしまうものでしょうか。この可変抵抗の前段に設ける抵抗の問題なのですが厳密に安全性を考慮すると３００キロ程度の抵抗を使う必要がありそうですがそうなると記録計の分解能に影響があるような気がします。センサーが出力する電圧は実際には5Vくらいがせいぜいだと思いますがそれ以上が全くないかというとそれも言い切れません。

　センタータップのあるトランスを使ってプラスマイナス同電圧２系統の電源を用意しましたがなぜかいつもマイナスの方が若干低いのです。プラスが6Vに対してマイナスが5.88Vといった感じです。これは何か影響を引き起こすでしょうか。入出力の範囲（今回は増幅なし）で使用しているのは3V程度が上限で最終的にやはり多回転の半固定でレベルを落としています。

　それからほかに気をつけなければならないポイントなどあるでしょうか。おわかりの方お手すきのときで結構ですのでどうかご教授いただければと存じます。

回答No.1

inara1 · ベストアンサー

＞このICのデータシートによると入力電圧は-0.7V～+0.7Vとのこと
OPA277の入力電圧範囲が±0.7Vとどこに書いてありますか？
OPA277には保護回路が入っているので、電源電圧の範囲内であれば、入力端子間電圧差は最大±30Vまで大丈夫です（±15v電源のとき、+入力が+15V、-入力が-15Vでも大丈夫ですが、±6V電源なら、以下の絶対最大定格の制限のため、+入力端子の電圧範囲は±6.7V、-入力端子電圧は±6.7Vになります）。

データシート [1] の2ページのAbsolute Ratings（絶対最大定格）のところに
　　　Input Voltage　 (V–) –0.7V to (V+) +0.7V
とありますが、これは＋側の電源電圧から0.7V高い電圧、または－側の電源電圧から0.7V低い電圧を入力端子に印加してはいけないということです。これを誤解されたのでしょうか。これはセンサーの出力電圧範囲がオペアンプの電源電圧を越えているときに注意しなければなりません。質問文の最初に「直流電圧(+10V～-10V）を出力するセンサー」と書かれていますが、中ほどには「センサーが出力する電圧は実際には5Vくらい」と書かれていますが、もし何らかの原因でオペアンプの入力端子に±6.7Vを超える電圧が印加されると壊れる恐れがありますので、絶対に大丈夫なように設計したほうがいいです。

OPA277の入力端子の内部には、電流制限抵抗とダイオードが入っていて、差動入力電圧が（内部で）±0.7Vを越えないようになっています。データシート 9ページ右側の INPUT PROTECTION というところに、「OPA2777シリーズの入力は1kΩの直列抵抗とダイオードを使ったクランプ（電圧制限）回路で保護されています。入力は±30Vの差動入力（＋入力と－入力の差電圧）まで耐えられます」と書いてあります。

[1]　OPA277データシート　http://focus.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/opa277.pdf

＞加算（減算）回路は反転増幅の形をしていて、正の電圧を受け取るときはもう一度反転しなければなりません
非反転回路でも加算（減算）回路は作れます。その回路図を参考URLに書いておきます。この回路で、オフセット調整電圧 Vc のところに直流電源の出力を加えるのであればオペアンプは１個で済みます（Vc を直接 R3 に接続）。この回路では、抵抗値を全て同じにしているので、オペアンプの出力電圧 = センサ出力電圧 - Vc となりますが、オペアンプの入力端子電圧は抵抗で1/2分圧されているので、万が一センサの出力電圧が±10V出たとしても、オペアンプの入力電圧は±5V以内になって絶対最大定格の範囲内になります（こういう設計をしたほうがいいです）。なお、オペアンプの電源電圧が±6Vだと出力電圧は±5Vに制限されます（これは回路シミュレータでの結果なので実際には少し異なるかもしれません）。

＞いつもマイナスの方が若干低い
電源はトランスの出力を単に整流・平滑しただけなら、その後に三端子レギュレータなどを入れて電圧を安定化させたほうがいいです。電源電圧が変動してもオペアンプの特性にはほとんど影響しないのですが、電源ラインにスパイク状の高周波ノイズが乗っているとオペアンプの動作に悪影響を与えます（オペアンプが電源電圧の変動に強いというのは低周波の変動に対してだけです）。電源電圧が±で等しくないということ自身はオペアンプに大きな影響はないですが、三端子レギュレータで定電圧化すればそういうことも起こりませんので、電源電圧を三端子レギュレータなどで安定化させたほうがいいです。

＞それからほかに気をつけなければならないポイント
こういう用途では高価なOPA277でなく、安価なLM358（２回路入りで、しかも5個100円）でもいいような気がしますが、センサ出力が実際にはmV以下のオーダであるならOPA277を使うのは妥当です（その場合 Vc の電圧はかなり安定化しておかないと出力変動の原因になります）。

お礼

詳しい回答いただきありがとうございます。入力±0.7Vの下りは私の勘違いでした。データシートを最後まで読めばいいものを英語だとついとばしてしまう癖は改めなければ、と知識不足とともに痛感した次第です。

電源に関してですが、三端子レギュレータはプラス側もマイナス側も使っております。平滑用のキャパシタも規格としては対称のものを使っていますし、ブリッジダイオードもパッケージされているくらいですからダイオードの性質は似かよったものを使っているかと思います。オシロでみるとたまにひげのような波形が立っているらしいですが、平滑回路で吸収してくれているものと考えております。ともあれ電源は±12Vで作り直せば当初の問題はクリアできそうですね。（３端子レギュレーターのピンアサインの違いと本体金属部分がどの端子とつながっているかの違いは認識しているつもりです。）

DIP8ピンIC用ソケットを使ってバラックで組んでみたのですがOPA277とジェネリックが広く用いているピンアサインと若干違うようですのでその辺を注意しながらブレッドボードで試してみてうまくいけばパターンを起こしてみようと思います。回路図は定数を試行錯誤で試した上でその通り使わせていただきます。確かにOPA277はオーバースペックのようですので今度はジェネリックでチャレンジすることにしたいと思います。

改めてお礼を申し上げます。ありがとうございました。