OPアンプの増幅について質問です。

質問

OPアンプの増幅について質問です。
デジタル回路はAND回路NOT回路がどんなものかわかる程度の知識でOPアンプはとんとわかりまん。
今PCのラインアウトの信号をOPアンプに取り込んで増幅し-NOT回路-PICと接続してプログラムを実行しようと考えています。PCのラインアウトの信号をどれくらい増幅すれば良いのかわかりません、どうぞよろしくお願いします。また、反転増幅と非反転増幅があるようですがどちらを選べばよろしいのでしょうか?(ラインアウトの信号は信号があればよく決まったパタンーンでなくて構いません)
OPアンプはNJM2940D(今持っているopアンプ)、電源は+5Vです。

回答No.5

inara1 · ベストアンサー

ANo.4で複雑な回路を添付したので混乱させてしまったかもしれませんが、入力信号（ラインアウト）の振幅が±0.7Vを超えることがないのなら、ANo.2の図１の回路で大丈夫です。2種類の回路の特性をまとめます。使用目的に応じて選択してください。

　(1) ANo.1の図１の回路
　　　　オペアンプは1個
　　　　入力信号の振幅が±0.7V未満で正常動作
　　　　無信号時の出力電圧は設定利得で変わる（ 利得1倍～10倍のとき、50mV未満。利得10倍～100倍のとき、最大 7mV×利得 ）
　　　　可変抵抗の調整で電圧増幅率を1倍から100倍まで変えられる（利得 = 出力信号のpeak-to-peak振幅/入力信号のpeak-to-peak振幅）
　　　　出力信号は入力信号を半値整流した波形（最大電圧は3.6V程度）
　　　　増幅できる周波数帯域は 10Hz～1.5kHz（利得100倍）、10Hz～15kHz（利得10倍）

　(2) ANo.4の回路
　　　　オペアンプを2個使用
　　　　入力信号の振幅が±2.2V未満で正常動作
　　　　無信号時の出力電圧をぼゼロにできる（VR2で調整可能）
　　　　可変抵抗の調整で電圧増幅率を1倍から100倍まで変えられる（利得 = 出力信号のpeak-to-peak振幅/入力信号のpeak-to-peak振幅）
　　　　出力信号は入力信号を半値整流した波形（最大電圧は3.6V程度）
　　　　増幅できる周波数帯域は 10Hz～1.5kHz（利得100倍）、10Hz～15kHz（利得10倍）

LM2904 の代わりに LM358 を使うと周波数帯域が広がります。
　　　　 LM358 を使ったときの周波数帯域は 10Hz～8kHz（利得100倍）、10Hz～80kHz（利得10倍）

NJM2904データシート　http://semicon.njr.co.jp/njr/hp/fileDownloadMedia.do?_mediaId=8509
LM358データシート　http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM358.pdf

お礼

inara1さま

ご回答ありがとうございます、内容確認遅れて申し訳ありません。回路1は部品点数も少なく最初に組み立てるには簡単でよさそうです。しばらくしましたら回路4にも組み立てて見たいと思います。ありがとうございました。

回答No.4

inara1

修正した回路図を添付します。
オペアンプ U1 では入力信号の交流成分を増幅します。増幅率は可変抵抗 VR1 1倍から100倍まで調整できます。U1の出力には 1.5Vの直流が重畳しているので、 1.5Vの直流成分だけを U2 で取り除きます。U2 の出力には、U1の出力信号のうち、1.5Vを上回る成分だけが出てきます。つまり U2 の出力は入力信号を半波整流した波形が出てきます。無信号入力時の U2 の出力電圧はゼロです。U3 は出力インピーダンスを下げるためのバッファです（R8～R11で分圧された電圧がU3の出力に出てくる）。

今回、U1 のオフセット電圧の影響を抑えるために、U4 の部分を追加しました。U1 の部分で電圧利得を大きくすると（VR1を最大にすると）、オフセット電圧も増幅されてしまい、U1 の出力に重畳される直流成分が 1.5V から最大 ±0.5V ずれてしまいます。U2 は U1 の出力電圧から 1.5V を差し引いているので、U1 の出力の直流成分が 1.5V からはずれていると、無信号の U2 の出力がゼロになりません（ズレ分がそのまま出てくる）。そのズレを補正できるように追加したのが、VR2 と U4 の部分です。VR2 の値（最大抵抗値）は 1kΩ から 100kΩ 程度のものであれば何でもいいです。VR2 の調整方法は以下の手順です。
　（１） VR1 と VR2 のスライダの位置を、添付回路の最大の位置にし、入力（In）に何も加えない状態で電源を入れる。このとき U2 の出力をテスター（直流電圧）で見ると、 3.5V 程度出ているはずです。
　（２）　VR2の位置を最小側に少しずつ動かしていき、U2 の出力電圧が 0.05V～0.1V の範囲になるように合わせる。U2 の出力は0V未満にはならないので、VR2 の位置を回し過ぎないように注意してください。

この回路で増幅できる周波数帯域は、低域が 15Hz 程度です。高域はVR1を最大にしたとき（利得を最大にしたとき）が最も狭く、1.5kHz 程度になります。低域のカットオフ周波数は利得設定と無関係ですが、高域のカットオフ周波数は利得を小さくするほど広がります（利得 10倍 で15kHz、1倍で150kHz）。LM2904 の代わりに同じpin配置の LM358 [1] を使えば高域の帯域はこれより広がります。低域のカットオフ周波数 15Hz が低すぎるときは、C1 の容量を小さくすれば周波数を高くすることができます（容量 1/10 で10倍の周波数）。

抵抗とコンデンサはなるべく同じ値のものにしました（部品集めが楽なので）。抵抗は高精度のものは必要ありません。誤差±5%、1/6W～1/4W の一般的なカーボン抵抗でOKです。コンデンサ（1μF）も安価な積層セラミックコンデンサ [2] で大丈夫です。

[1]　LM358　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01012/
[2]　積層セラミックコンデンサ　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-03093/

回答No.3

inara1

ANo.2の添付図2は設計ミスがありました。修正しますので少々お時間を下さい。
ANo.2の添付図では、NJM2904 を1個（2回路入り）しか使っていませんが、NJM2904 を2個使った回路でも良いでしょうか。

回答No.2

inara1

＞5.6.7番ピンで接続されているアンプの意味は何でしょうか?
この回路では、R5とR6で分圧された電圧（Vccの半分の電圧)を基準として動作させています（そのため、出力信号がこの電圧を中心に振れる）。しかし、抵抗分割だけだと、その基準電圧源の出力インピーダンスが大きいので、電圧利得が１のバッファアンプ（5.6.7番ピンで接続されているオペアンプ）を通すことで、基準電圧源の出力インピーダンスを小さくしています。R6と並列に入れたコンデンサC3の容量が大きければ、交流に対するインピーダンスを下げられるので、バッファアンプは必ずしも必要ないのですが、NJM2904 は2回路入りで1回路余ったのでバッファとして使いました。

＞信号なし→0V、信号あり→+4V程度のパルスのような信号が欲しい
ANo.1の回路でそのような出力電圧範囲にするには、添付図の図1のように、基準電圧を 0V にすればいいです。しかし、この回路には大きな欠点があります。NJM2904 は入力電圧が -0.6V を下回ると、出力電圧が反転する（＋側に振れる）現象が起こります（添付図の波形）。そのため、入力電圧（LineOut出力）の振幅を ±0.6V 以内にする必要があります。LineOut出力の最大振幅が±1V を超える場合はこれではまずいです。ANo.1の回路では、入力端子の電圧を 2.5V だけ上に持ち上げているので、LineOut出力電圧が±3V 以内であれば正常動作します。

LineOut出力の最大振幅が±2V 程度でも正常動作し、なおかつ、無信号入力時の出力電圧を 0V にするには、添付図の図2のように、最初のオペアンプで 1.5V のゲタを履かせた交流増幅を行い、2番目のオペアンプでその 1.5V を差し引くという構成が考えられます。この場合、2つのオペアンプを使うので、基準電圧は抵抗分割だけで作っていますが、コンデンサ C2 の容量を 100μF と大きくしていますので問題ないと思います。NJM2904 の出力電圧は、5V 電源のとき、最大 3.5V 程度しか出ないので、基準電圧を 1.5V と若干低くしています（R6＜R7とすれば基準電圧を 2.5Vより小さくできる）。添付図のどちらの回路でも、入力信号の振幅が制限値（それぞれ±1Vと±2V）以内であれば正常動作します（無信号時の出力電圧ははぼゼロ）。図2では抵抗値も若干変更しています。

平日は仕事なので夜しかお答えできませんが、図が見にくければ拡大したのを添付します。

回答No.1

inara1

NJM2940 は NJM2904 の間違いでしょうか。
NJM2904 を使った交流アンプの回路図を添付します。どういう目的の回路か分かりませんが、非反転回路のほうが入力インピーダンスを高くできて制約が少ないので非反転回路にしました。可変抵抗（VR）を回すと、増幅率を1倍（VRを左に回しきったとき）から100倍（VRを右に回しきったとき）まで調整できます。この回路で増幅できる周波数範囲は
　　増幅率10倍のとき 16Hz～25kHz
　　増幅率100倍のとき 16Hz～2.5kHz
になります。添付図下の波形は、増幅率を100倍に設定し、入力信号（Lineout）に 1kHz・±10mV の正弦波を入れたときのオペアンプの出力端子（Vout）の波形です。オペアンプの出力電圧は 2.5V を中心に振れるようになっています（無信号時の出力電圧は 2.5V ）。このため、後ろのNOT回路のしきい値電圧がこの2.5Vに近いと、無信号でもノイズで誤動作してしまうかもしれません。そのようなときは、R5 と R6 の比を少しずらして（ R6 を 150kΩ にするなどして）やれば、出力電圧の振れ幅の中心を 2.5Vからずらすことができます。

NJM2904Dデータシート　http://semicon.njr.co.jp/njr/hp/fileDownloadMedia.do?_mediaId=8509

補足

inara1さま

ご回答ありがとうございます、ご指摘のようにNJM2904でした、申し訳ありませんでした。
増幅率の考え方がわかりました。その中で回路のことですが、大変申し訳ありません2つもう少し詳しく教えてください。

○5.6.7番ピンで接続されているアンプの意味は何でしょうか?

>R5 と R6 の比を少しずらして....
とありますがNOT回への信号は正弦波だと2.8Vより上の半分のだけのパルスのような形でよく0V～+4Vの信号と考えています(信号なし→0V、信号あり→+4V程度のパルスのような信号)がR6を何オームにすれば0V～+4Vの波形になりますか?