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単電源OPアンプ

単電源OPアンプで非反転増幅回路を作るのですが、何も入力を入れていないときに出力は2.5Vなのでしょうか?それとも0Vなのでしょうか? 先生2人に聞いてみたのですが片方は5Vと接地だからその真ん中の2.5Vが中心となり増幅された波形がでるといい、もう片方の先生は0Vで+側だけ増幅されると言っていたのですがどちらが正しいのかわかりません。 それで作ってみたのですが……入力に何も波形入れずのじょうたいでオシロスコープで見てみたのですが2.5Vより少し上の電圧があり、2.5V中心なのかなと思っていたら……増幅率を上げてみたら今度は何故か5Vありました。 これは回路が間違っているのか……どうなのか不明で今悩んでいます。 単電源OPアンプで非反転増幅回路の場合、何も入力を入れていないときに出力は2.5Vなのでしょうか?それとも0Vなのでしょうか? わかる人がいましたらどうか教えてください。 後、上に書いた何も波形を入力していないのに5Vとかあるのをどうにかする方法もわかりましたらよろしくお願いします。

質問者が選んだベストアンサー

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  • inara1
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回答No.8

>C1=1μF、Rc=10kΩでやったのですが入力なしで1.5Vありうまくいきませんでした。 Rc はなくてもいいです。ここ(http://www.mizunaga.jp/opamp.html)に出ている非反転増幅器でRcを入れているのは、オペアンプの入力バイアス電流による誤差を補正するためですが、CMOSオペアンプの入力バイアス電流は極めて小さい(1pA未満)ので、このような目的でRcを入れる必要は全くありません(このような目的でRcを入れていたのは、オペアンプのバイアス電流が数十nAあった昔の話です)。しかし、オペアンプの保護のために、Rc のところに10kΩ程度の抵抗を入れるのは構いません。ここに抵抗が入っていれば、入力に過大電圧が加わった場合でも、オペアンプの入力端子に流れ込む電流が制限されるのでオペアンプが壊れる可能性が小さくなります。もし Rc を入れるのなら以下のような位置にしてください。                          +5V                           │(7)                 Rc   (3)┏━┷━┓(1)    入力 ─ 1μF─┬─ 10kΩ ──┨+    ┠──┬─ 出力             │         ┃     ┃   │             │      (2)┌┨-    ┃   │             │        │┗━┯━┛   │             1MΩ      │    │(4)    │             │        ├── ) - 10kΩ ┘             │        5kΩ  │      0V(GND) -┴─────┴──┴────── GND

perusona1
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 お陰様で回路が完成できました。 (交流結合の非反転なのでhttp://www.mizunaga.jp/opamp.htmlの非反転のさらに下の回路です) 質問を締め切る前に最後に後ひとつだけ質問をします。 入力インピーダンス:Rcの値は100Ω~1MΩとありますがこれはどういうふうに決めたのでしょうか? 参考のページと自分の見た本ではRc=Rfと書かれていたのですが、これはまた違うのでしょうか? わかる方いましたらよろしくお願いします。

その他の回答 (9)

  • inara1
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回答No.10

>入力インピーダンス:Rcの値は100Ω~1MΩとありますがこれはどういうふうに決めたのでしょうか? 「交流結合の非反転増幅器2」のほうでしたか。 この Rc はオペアンプの入力バイアス電流による誤差(入力に何もつないでいないときに出力電圧に現れるDC成分)を小さくするものです。FET入力やCMOS入力のオペアンプのバイアス電流は極めて小さいので Rc を大きく(100kΩ~1MΩ)して構わないのですが、Rc をどのように決めるのかも知っておいて損はないと思います。 図1に示した交流結合の非反転増幅器で、非反転入力端子(+)のバイアス電流を ib1、反転入力端子(-)のバイアス電流を ib2 としたとき、Vin に何もつながっていないときのそれぞれの端子の直流電圧を V1、V2 とすれば    V1 = ib1*Rc    V2 = ib2*Rf + Vout となります。          V1          ↓   ← ib1  Vin ─ C1 ─┬────┤+ \          │      │    >─┬─ Vout          Rc  ib2┌┤-  /   |          │   ↓|        |          │ V2 →├── Rf ──┘          │    Rs          │    │          │    C2  GND ───┴───┴─────── GND ( 0V )     【図1】 交流結合の非反転増幅器 オペアンプのバイアス電流の大きさは、+入力も-入力も実際にはほぼ同じで、ib1 = ib2 = ib とおくことができるので    V1 = ib*Rc    V2 = ib*Rf + Vout となります。オペアンプというのは入力端子間の電圧差 V1 - V2 を増幅するもので、その増幅率を A倍とすれば    Vout = A*( V1 - V2 ) = A*{ ib*( Rc - Rf ) - Vout } で表わされます。これを Vout について解けば    Vout = ib*( Rc - Rf )/( 1 + 1/A ) となります。通常のオペアンプでは A は非常に大きい( A > 100000)ので、上式の 1/A は 1 に比べて非常に小さくなります。つまり上式は    Vout ≒ ib*( Rc - Rf ) と近似できます。この Vout というのが、Vin に何もつながっていないときにオペアンプの出力に出てくる誤差電圧になります。これを 0V にしたいのであれば、Rc = Rf とすればいいわけです(これがバイアス電流補償です)。 しかし、ib が非常に小さく、例えばCMOSオペアンプのように ib < 1pA のときは、Rc と Rf が一致していなくて Rc - Rf = 1MΩ であったとしても、Vout < 1μV と非常に小さな電圧になるので、Rc と Rf を等しくする必要はありません。バイアス電流が大きなオペアンプの場合、例えば ib = 0.1μA の場合、Rc - Rf = 1MΩ だと、Vout = 0.1V という大きな電圧になります。 Rc と Rf を等しくするために Rc を小さくすると、C1 と Rc で構成されるローパスフィルタのカットオフ周波数が高くなって、低音が増幅できなくなってしまいます(カットオフ周波数を低くするには C1 を大きくしなければならない)。しかしバイアス電流の小さいオペアンプを使えば Rc を100kΩ~1MΩ と大きくできるので、C1 には小さい容量のコンデンサが使えます。 一方、Rs と C2 もローパスフィルタになっていますが、このカットオフ周波数と C1・Rcのカットオフ周波数を一致させるさせるためにはC2 の値をかなり大きくする必要があります( 一般に Rs の抵抗値は小さいので)。しかし、バイアス電流の小さいオペアンプを使っているのであれば、C2 を取り除いて、Rs を直接 GND に接続しても構いません。

perusona1
質問者

お礼

解答ありがとうございます。 丁寧に説明いただいてありがとうございます。 お陰様でとてもよく理解できました。

  • richardo
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回答No.9

 次の事を参考に回路動作をよく考えて下さい。 ・入力、及び出力電圧は電源電圧内にある。 ・回路がちゃんと動いていれば、プラスとマイナスの入力はほぼ同じ電位になる。  回答を言えば入力はプラス電圧しか入れられません。  Vo= Vi * (R1+R2)/R1  Viが有る程度以上大きければ、この式の通りになるでしょう。  しかし出力電圧は電源電圧より少し内側なので、Viが小さいとこの通りにはならないでしょう。  「もう片方の先生は0Vで+側だけ増幅されると言っていた」と言うのが正しい。

perusona1
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 おかげさまでよくわかりました。

  • inara1
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回答No.7

>R1というのは入力抵抗がそうなのでしょうか? R1 はオペアンプの「外」につける抵抗です。+入力に何もつけないとそこの電圧が安定しないので、+入力とGND間に抵抗 R1 を入れます。LMC6482 はCMOSオペアンプなので R1 = 100kΩ~1MΩ 程度でいいと思います。R1がないとどうなるかを参考URLに書いておきました。これは回路シミュレータでの結果ですが、オペアンプにはLMC6482を使っています。R1 がないと出力電圧はほとんど電源電圧になってしまいます(これは外来ノイズのないシミュレーション結果で、実際にはノイズが入るのでこの電圧はフラフラしているかもしれません)。R1をつけると、出力電圧はほぼ 0V になります。正確に 0V にならないのはオペアンプの入力オフセット電圧が3倍増幅されて出ているからです。オフセット電圧にはばらつきがあるので、この電圧は若干変わります。 >入力抵抗:10テラオーム以上 とインターネットで検索した 10TΩ以上というのは、事実上入力抵抗が無限大ということです。LMC6482の内部はMOS-FETですが、MOS-FETのゲートはコンデンサになっているので直流的な入力抵抗は無限大です。実際には、非常にわずかな漏れ電流(データシート http://www.national.com/JPN/ds/LM/LMC6482.pdf 2ページの Input Current )がこのコンデンサに流れるので、入力端子に何もつけていないと入力端子の電圧が時間と共に上昇していきます。入力端子とGND間に抵抗をつけると、ゲートの漏れ電流が抵抗を通じてGNDに流れるので、入力に何もつながっていなくても、入力端子の電圧はGND(0V)に固定されます。入力抵抗が10TΩ以上のオペアンプを使っても、R1 = 1MΩ とすると、オペアンプ回路全体の入力抵抗は 1MΩ になります。入力抵抗が10TΩ以上のオペアンプは本当に必要でしょうか。 >R2が5kΩでR3が10kΩで増幅率は3倍にしています R2 = 5kΩ、R3 = 10kΩ なら増幅率は3倍ですね。 LMC6482は入出力フルスイングのオペアンプなので、入力電圧が 0V のときは出力電圧はほぼ 0V になります。参考URLの下側の特性は、入力電圧を変えたときに出力電圧がどのように変化するかを回路シミュレータで見てみたものです。最大出力は電源電圧近くまで出ます(シミュレーションでは電源電圧を 6V としています)。入力電圧が負でも出力電圧は 0V です。このような特性ならうまくカウントできるでしょうか。

perusona1
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 シュミレーションまでご丁寧にありがとうございます。 入力される音の波は交流みたいな感じなので http://www.mizunaga.jp/opamp.html の交流結合の非反転増幅器1の図でC1=1μF、Rc=10kΩでやったのですが入力なしで1.5Vありうまくいきませんでした。 明日学校行ったら1MΩでやってみます

  • fjnobu
  • ベストアンサー率21% (491/2332)
回答No.6

10テラオームは、10^9オームで非常に高いインピーダンスです。そこに何も接続していないなら、不安定な電圧が供給されています。したがって出力は不定です。何も接続していない状態で測定などしていたらOPアンプが破損していると思います。+入力に電源とGNDに100Kオーム程度を入れて測定すると出力は2.5ボルトが出ます。それで入力に0,1ボルト交流(コンデンサーで直流分を除去して)を入れると出力に同じ位相で0,3ボルト交流が出ます。

perusona1
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 OPアンプが破損しているかどうか新しいのを買ってやってみます

  • inara1
  • ベストアンサー率78% (652/834)
回答No.5

作りたいのは、入力がオープンまたは 0V のとき出力が 0V で、入力信号が 0V 以上(プラス)のとき出力がその何倍かされた電圧になるような回路でしょうか。回路はたぶん以下のようなものだと思います。R1~R3 は抵抗、(2)などはオペアンプのpin番号です。                  +5V                   │(7)              (3)┏━┷━┓(6)   入力 ───┬──┨+    ┠─┬─ 出力           │ (2)┃     ┃  │           │  ┌┨-    ┃  │           │  │┗━┯━┛  │           R1  │   │(4)   │           │  ├── ) ─ R3 ┘           │  R2   │    0V(GND) -┴─┴──┴───── 「お礼」を見るとどうも R1 は入っていないようですが、R1 は必ず入れてください(オペアンプによって適切な抵抗値が違います)。以下の情報を補足すれば適切な回答が来ると思います。    ・オペアンプの型番(LM358など)    ・R1~R3 の値    ・うまくカウントするためには増幅度は何倍あればいいのか

perusona1
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 はい、R1は入れてませんでした。 オペアンプはLMC6482でR2が5kΩでR3が10kΩで増幅率は3倍にしています。 R1というのは入力抵抗がそうなのでしょうか? そうだとすると……入力抵抗:10テラオーム以上 とインターネットで検索したのではあったのですが……どうなんでしょうか?

  • fjnobu
  • ベストアンサー率21% (491/2332)
回答No.4

非反転入力で0ボルトの出力にしたいのなら、0ボルトに近い電圧を与えます。増幅度により違うので、正確な電圧は示すことが出来ません。0ボルトを与えても、出力が0ボルトに近くならないなら回路を間違えています。ところで2,5ボルトの出力が出たときの入力電圧は何ボルトなのですか?その電圧より低い電圧にすれば電圧は0ボルトに近い方に動くはずです。

perusona1
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 入力に何もいれていない状態で2.5Vありました。 音を数えるという目的の回路を作る過程で非反転回路を作っているので、音が入っていないときは0Vなので『電圧より低い電圧』ということができません。

  • umota
  • ベストアンサー率46% (150/324)
回答No.3

参考ページをよく読みましたか? 図はふたつあるが、どちらのことを言っているのかわかりません。 図に Vin はありません。 (たぶん、入力信号との接続もデタラメのような気がします) # 他の親切な人に答えてもらってください。

perusona1
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 図は上の方でVinじゃなくてViでした^^;; 自分でアドレス書いておきながら……下の入力インピーダンスのほうは呼んでませんでした;;

  • fjnobu
  • ベストアンサー率21% (491/2332)
回答No.2

本当に何も入力していないのなら、出力は不定(すなわちどうなるのか分かりません。どちらかの電源に張り付きます。)です。OPアンプは増幅率が100000倍から1000000倍もあるので、少しでも入力があるとその方向に大きくふれて、0か電源電圧になります。増幅率の範囲内の電圧ならば、回路が合っているなら入力と同じに振れます。

perusona1
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 最終的には音を数える回路を作るので音が何も鳴ってない時は入力がありません。ので、何も入力が入ってないとき、出力がさっき書いた2.5Vとか5Vあるとうまくカウントできないんで……何も入力されていないとき、0Vにするにはどうすればいいでしょうか?

  • umota
  • ベストアンサー率46% (150/324)
回答No.1

> 何も入力を入れていない まさか入力開放ではないでしょうね。 (入力開放ならばバイアス電流が流れないので不定。 そんな使いかたは無い) レイルトゥレイルの単電源用オペアンプなら 入力が 0V の時、出力は 0V + オフセット誤差 = ほぼ 0V になるはずです。 レイルトゥレイルでなければオペアンプの規格による。 データシートを見てください。

perusona1
質問者

お礼

回答ありがとうございます。 レイルトゥレイルの単電源用オペアンプです。 入力開放がいまいちわかりませんが、OPアンプの形が三角じゃありませんが回路的には http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/hihanten.html にある非反転増幅の図のような感じでVinには何も接続してませんでした。

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