オペアンプとスイッチング回路

質問

ノイズの乗ったSIN波形（2入力）をオペアンプに入力して増幅し、トランジスタでスイッチングし、方形波に変換して出力したいのですが上手くいきません。

●使用部品●
2SC4738（トランジスタ）：スイッチング用
NJU7016（オペアンプ）：増幅用
TK73400T（レギュレータ）：電源作成用
各種抵抗（可変含む）とコンデンサ

●回路構成●
外部電源供給6Vを作成し、レギュレータに投入。
抵抗、コンデンサ各種を取り付けて5Vが作成されるのを確認。
また、外部電源から抵抗で分圧して別電源5Vを作成。
レギュレータの電源をオペアンプのVDDに供給。
IN+に別電源5Vを投入し、IN-に抵抗5.6ｋと可変抵抗10ｋを接続し、SIN波入力をつなげる。
OUTには100ｋ抵抗をつなぎ、IN-と接続する。
OUTから直接線を飛ばして10ｋ抵抗をはさみ、トランジスタのベースに接続する。
エミッタ接地にして、コレクタから信号出力を出す。
また、コレクタにプルアップ抵抗10ｋを付け、レギュレータからの5V電源を接続する。

●測定●
信号を入力と比べ、オペアンプのOUTから出力される波形は減衰されていた。
信号出力では波形自体が現れなかった。
スイッチング用のトランジスタがONになったままのようでした。

回路知識に関してはまだまだ未熟なもので、回路構成自体が間違っているかもしれません。
オペアンプのオフセットが関係すると思うのですが、詳しくはよくわかりませんでした。
抵抗や電圧の選択もイマイチよくわかっていないので、決定方法など教えていただけたらいいのですが。
オペアンプもトランジスタも現在勉強中なので、至らないところは多々あると思いますがお願いします。

回答No.5

tance · ベストアンサー

tanceです。
入力のサイン波は2.3Vを中心に0.4Vppの振幅と考えてよろしいですか？
（400mAとのことですが、これだと意味が不明です）

それならIN+の電圧は2.3Vにするべきです。

ただ、周波数も測れないようなノイズの多い波形をそのままアンプしても
信号とノイズが一体となったまま振幅が大きくなるだけです。

お考えの抵抗値ではおそらく出力は飽和します。（10kの調整によります）
飽和を利用して矩形波を得るという手法は確かにありますが、この場合
まずノイズを減らさないとどうにもなりません。

アンプしてスイッチして・・・というのは丸い波形を四角くする目的
に使います。ガサガサのノイズが四角くなるわけではありません。

ノイズを含んでいてはその中の信号だけ都合良く取り出すことはこの
構成では無理です。

まず、フィルターでノイズと信号を分けられるのかを検討してください。
分けられるのなら、最初にフィルターを通します。フィルターも
信号の帯域とノイズの帯域によってフィルターの構成も様々になります。

フィルターを通して、ノイズの少なくなった波形をアンプやトランジスタ
で矩形波化することになります。その際、アンプというより、
ヒステリシスを持ったコンパレータの構成にした方が良いと思います。
これである程度の振幅のノイズが残っていたとしても取り除くことが
できます。

最後のトランジスタはなくても良いくらいのものです。

出力の矩形波と元波形との位相やデューティ比など、気にしなくては
ならないことがいろいろありますが、これらは矩形波の目的がわからない
と何ともいえません。

お礼

よくわかりました。
ノイズ除去してからでないと増幅しても意味が無いですね。
シュミュレータが手に入ったので、回答を参考にそちらで検討してみます。
回答ありがとうございました。

回答No.6

walkingdic

>この部分で増幅して出力させる時に動作がおかしくなっています。
というより回路構成がそもそもまともな増幅回路になっていませんよ。
他の人が指摘しているように可変抵抗も無意味なものですし。

>この時点の出力で上下が切れた方形波のような波形にして、スイッチングトランジスタで綺麗な方形波出力を得ようと考えました。

この考え方に間違いがあります。
ご質問の場合にはＯＰアンプをコンパレータとして動作させて、その出力でトランジスタを駆動するという形にします。
他の回答者がＩＮ＋を２．３Ｖにというのもそういう意味です。

お礼

回路構成自体が間違っているようです。
このことも踏まえてシュミュレータで信号をトレースしながら理解して行きたいと思います。
回答ありがとうございました。

回答No.4

richardo

ＮＥＣのμPC271C　を使うといいでしょう。

参考URL：

http://www.necel.com/nesdis/image/G12421JJ7V0DS00.pdf

お礼

機会があれば入手して回路を組んでみたいと思います。
アドバイスありがとうございます。

補足

現在の手持ち部品で作成してしまいたいのですが、この部品は手元にないので組み込むことが出来ません。

回答No.3

tadys

データシートによるとNJU7016の同窓入力電圧の範囲は0～2.5（Vdd=3Vの時）ですから
Vdd=5Vの場合は0～4.5Vぐらいのものでしょう。
IN+に5Vを加えたらまともな動作は期待できません。
この場合、IN+はVssにつないでも多分大丈夫でしょう。

＞IN-に抵抗5.6ｋと可変抵抗10ｋを接続し、
可変抵抗抵抗の可動接点とIN-を直接接続しているんでしょうか？
そのような使い方はNGです。数k～10kΩ程度の抵抗を間に入れてください。

補足

上の補足のような回路構成なのですが、この場合は抵抗と可変抵抗の順序を逆にすればいいということでしょうか？
可変抵抗の動作接点と直接接続するとNGになる理由も教えて頂けるとありがたいです。

回答No.2

walkingdic

＞＞
IN+に別電源5Vを投入し、IN-に抵抗5.6ｋと可変抵抗10ｋを接続し、SIN波入力をつなげる。
OUTには100ｋ抵抗をつなぎ、IN-と接続する。
＜＜
これが理解できません。

書き間違っていないのであれば、オペアンプの＋入力には常時＋５Ｖが加わっているんですか？
で、－入力は抵抗5.6ｋと可変抵抗10ｋを直列につないでｓｉｎ信号源につないだということですか？

－入力と出力の間を１００ｋの抵抗で接続しているわけですか？

それではそもそもまともに増幅動作するわけがないのですが、、、、、
というより普通はＯＰアンプではコンパレータ動作させるのですから、＋端子の電圧はｓｉｎ波の中央値に設定しなければならないものですが。。。。
でもそれだと－端子と出力端子をつないでいることが不可解ですし．．．．

ｓｉｎの信号はどういう信号ですか？０－５Ｖの信号ですか？振幅の電圧範囲がわかりません。それがわかれば、お手持ちの部品でｓｉｎ－＞方形波の変換回路は作れます。
応答性をよくするのであればダイオードが２つあればもっとよいですけど、まあそれは置いておきましょう。

補足

書き方が悪く、理解し辛かったかもしれません。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・出力
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・г―100ｋ―⊥――|OUT1
SIN波入力→5.6ｋ→可変抵抗10ｋ――――――――|IN1-

図で表すとこのようになります。
OUT2とIN2にも同様の回路構成です。
少々見にくいかもしれませんが。
この部分で増幅して出力させる時に動作がおかしくなっています。
上の回答にも書かせて頂きましたが、2.3Vあたりを中心に振幅があるので、IN+に2.3Vを入れればいいのでしょうか。
この時点の出力で上下が切れた方形波のような波形にして、スイッチングトランジスタで綺麗な方形波出力を得ようと考えました。

回答No.1

tance

回路は多分解りました。おそらく抵抗分割で5Vを作っているところが
いけないのでしょう。入力のサイン波は０Vを中心に振幅しているとして
抵抗分割で作る電圧はもっと低くないとOPアンプの出力が5V付近に
張り付いてしまうはずです。

入力がマイナスにも振れるのに、OPアンプにマイナス電源がないという
ことはマズイのですが、実用上はそれでも動くと思います。（OPアンプ
の規格外の使い方になるので動作は保証されません）

一番簡単には、抵抗分割で作った5Vのかわりに0V(GND)をOPアンプの
IN- に与えてみてください。何か出力はでるはずです。

ただし、ノイズを除去する働きは全くないので、立ち上がりや下がりが
汚い波形が出力されると思います。

ノイズを除去したいのであれば、フィルターでノイズをカットするか
ヒステリシスを持たせるのが常道です。（両方がベスト）具体的には
サイン波がどのくらいの周波数で、ノイズの帯域がどのくらいで、
振幅比（信号振幅/ノイズ振幅）がどのくらいかが判れば設計できます。

お礼

少し間違えましたので訂正を。
5V入力はIN+ですので、そちらをGNDに落とすということでよかったでしょうか？
丁寧な回答ありがとうございます。

補足

入力波形について書くのを忘れていたようです。
2.3Vくらいを中心に振幅があり、400ｍA程の波形です。
ノイズで周期を正確に知ることが出来なかったので、その正確な周波数を調べるために方形波を取り出してやろうというものです。
一度IN-には5Vの代わりにGNDを与えてみます。
どのような動作をするか確認するだけでも勉強になりますので。
オペアンプで増幅して、トランジスタのスイッチングで方形波出力を得ようとしてこの構成にしたのですが、これではいけないのでしょうか？
考え方が間違っているようであれば指摘お願いします。