オペアンプの入力について

質問

こんにちは。
オペアンプについてわからない事があるので教えて下さい。
回路シミュレーターのLTspiceを使ってシミュレーションを行っています。
非反転入力にはDC4.5Vを入力し、反転入力には0.068uのコンデンサを介してグランドに接続しています。
上記のような回路で、シミュレーションを行うと
オペアンプLT1013の場合は非反転入力が約4.77V
オペアンプLT1216の場合は非反転入力が約5.04V
となりました。
理想的には非反転入力が4.5Vになると思うのですが、このような動作は何故起こってしまうのでしょうか？
教えて下さい。

回答No.2

inara1 · ベストアンサー

4.5V のコンパレータとするのなら、以下のような回路にしてください。

　　　　　　　　　　　　　　 　Vcc ( 9V )
　　　　　　　　　 ┌────┤
　　　　　　　　　 R1　　　　　 │V+
　　　　　　　　　 │　　 V1┏┷┓
　Vin ─ C1 ─┼───┨- ┠──┬─ Vout
　　　　　　　　　R2　　　┌┨+ ┃　　　│
　　　　　　　　　│　 V2│┗┯┛　　　│
　Vref　　　　　 │　　　│　 │V-　　　│
(4.5V)─ R3 ─ ）──┼─ ） ─ R4 ┘
　　　　　　　　　│　　　C2　 │
　　GND ──-┴──┴─┘

　接続　　 ┼　┴　┬　┤
　非接続　─ ）─
　R1 = 100kΩ、R2 = 95.2kΩ（ 100kΩと 2MΩを並列接続）
　R3 = 1kΩ、R4 = 1MΩ
　C1 = 0.068μF、C2 = 0.1μF

R1 と R2 で反転入力（-）の電圧 V1 を 4.6V にしています。非反転入力（+） には正帰還をかけてヒステリシスを持たせています（入力信号 Vin に重畳したノイズによって出力がばたつかないように）。入力信号がないとき、反転入力（-）の電圧 V1 は 4.6V、非反転入力（+）の電圧 V2 は 4.496V、出力電圧 Vout は 0V になっています。入力信号が入って、反転入力（-）の電圧が 4.496V を下回ると、出力電圧は8V 程度になります。このとき、非反転入力（+）の電圧は4.504V になります。その後、反転入力（-）の電圧が 4.504V を上回ると出力電圧は0V になります。すると、非反転入力（+）の電圧は 4.496V となるので、反転入力（-）の電圧が 4.496V を下回るまで出力電圧は0V のままになります。

各電圧は次式で計算できます。
　　　V1 = Vcc（電源電圧）*R2/( R1 + R2 ) --- (1)
　　　V2 = Vref + ( Vout - Vref )*R3/( R3 + R4 )
C2 は非反転入力（+）の電圧を安定化するため（ノイズ除去）のものです。R1 と R2 の値（比率）はなるべく正確にしてください。抵抗値がずれると V1 の電圧が変わってしまいます（どれくらい変わるかは式(1)で計算できます）。V1 > V2 としないと上のような動作にはなりません。１％精度の抵抗を使うか、普通の抵抗ならば、テスターで抵抗値を測定して、誤差が1%以内にはいるようなものを選別してください。R3 と R4 の精度は±5%程度でかまいません。

【補足】
OPアンプの入力端子には常にバイアス電流が流れています。そこにコンデンサを直結すると、OPアンプのバイアス電流によってコンデンサが少しずつ充電されていきます。コンデンサに一定の電流を流すと、電圧が時間に比例して変化し、最終的には電源電圧かGND電圧に達してしまいます。LT1013のバイアス電流の典型値は 15nA なので、C = 0.068μF のとき、毎秒 0.22V のペースで電圧が上がっていくはずです（初段がpnpトランジスタなのでバイアス電流はOPアンプから出て行く方向になり、コンデンサの電圧は時間とともに上昇します）。LT1216のバイアス電流はもっと大きく 420nA なので、１秒間に 6.18V の電圧変化になります。質問文にある「LT1013の場合は非反転入力が約4.77V、LT1216の場合は非反転入力が約5.04V 」 というのは、コンデンサが充電しきったときの電圧でしょう（なぜ LT1216 が 5.04Vなのか分かりませんが）。ここで紹介した回路は、コンデンサの前に抵抗を入れているので、バイアス電流はここから供給され、R1 と R2 の比で決まる電圧に反転入力（-）の電圧 V1 が維持されます。

[1]　LT1013データシート（3ページの表の Input Bias Current）　http://www.linear-tech.co.jp/pc/downloadDocument.do?navId=H0,C1,C1154,C1009,C1021,P1222,D3743
[2]　LT1216データシート（3ページの表の Input Bias Current）　http://www.linear-tech.co.jp/pc/downloadDocument.do?navId=H0,C1,C1154,C1009,C1021,P1411,D1204

お礼

回答ありがとうございます。
回路を実際に組んで実験をした所、上手くいきました。
補足の説明で疑問も解決致しました。

回路シミュレーターの方ですが、シミュレーター用のオペアンプは負帰還をかけなくても、仮想接地になっているのではないのか？とシミュレーターを疑いだしました。

ありがとうございました。

回答No.3

anachrockt

親切な人がいますなぁ．
概略エエと思うけど，C2とR4はどちらかにしないと．
C2付けたら，R4は要らないし，R4付けたらC2はいらんでしょう．
（注：R4はヒステリシス付けるための正帰還用）
VrefとVccのどちらがノイジーかと言えば，普通はVccやからVrefにC2付けるんなら，
R1を2分割して中間とGNDの間にコンデンサを入れるべきでしょう．

何か物を作るときは，目的（要求仕様）を明確にして，現実の回路にブレークダウンしますが，
書き込み見ると，正弦波150mV～300mV（rms？）を検出したくて，それ以下は無視したいのかな？
それやったら，先ず増幅，絶対値回路，平均化処理，その後にコンパレータとしないと
えらくノイズに弱い回路になりますよ．
後，反転・非反転の両入力の電圧が等しいのは，大量の負帰還で仮想短絡しているときで
負帰還かけないコンパレータでは仮想短絡は成立しません．
それよりも，オペアンプのデータシート見て，差動入力電圧の最大定格を超えないように
しないと，オペアンプが壊れます．

お礼

回答ありがとうございます。
経験を基に頂ける回答は大変勉強になります。

ご指摘の部分試します。

どうもありがとうございました。

回答No.1

anachrockt

オペアンプを使うには，チャンと負帰還を掛けることと，各入力の直流パスを確保することが必要です．
これって，どんな使い方でしょうか？
> 非反転入力にはDC4.5Vを入力し、反転入力には0.068uのコンデンサを介してグランドに接続しています。
まじめに使うんなら，「非反転入力にはDC4.5Vを入力し，反転入力は出力に接続しています．」でしょう．

補足

御回答ありがとうございます。

元々は、反転入力に150mV～300mVの正弦波を0.068uのコンデンサを介して入力し非反転入力にはDC4.5Vを入力して、コンパレーターとして使おうとしてます。オペアンプは9Vの単電源で使用します。
ここで、オペアンプにLT1013を使用すると、非反転入力は約4.77Vを中心に振れる正弦波になり、正弦波が約270mV未満にになると出力は常に0Vになりました。

そこで
・正弦波が4.6V付近を中心に振れるようにしたいのですが、どうすれば
　可能か？
・なぜ正弦波が約4.77Vを中心に振れたのか？
がわからなくて質問しました。

なぜオペアンプをわざわざコンパレーターとして使うかというと、2回路入りのオペアンプで1つは増幅器として、もうひとつはコンパレーターとして使う為です。

わかりにくい文章で申し訳ありませんが、どうぞ宜しくお願い致します。