単電源での加算回路

質問

5V単電源で5V駆動のセンサの出力（最小0.5Vほど）に1Vを加算するにはどのような回路を作ればいいでしょうか？
ちなみに5VとセンサのGNDを共通しています。

回答No.1

xpopo · ベストアンサー

今晩は。

電圧の加算は定電流を抵抗に流して作ります。回路図を添付します。
まず、センサーの内容が不明ですので、ここでは単純なヴォリュームに置き換えてます。
　まずセンサーの出力はオペアンプ（U1)によるヴォルテージ・フォロワーで受けてインピーダンスを十分に小さくします。オペアンプは単電源用オペアンプLF358を使用します。オペアンプU1の出力にはセンサーの出力と同じ電圧が出てきます。
　次にオペアンプU1の出力ともう一つのヴォルテージ・フォロワ構成のオペアンプU2の非反転入力の間にフローティングの１Vを発生させるために１ｋΩの抵抗R4を接続します。
　次に抵抗R1、R2、R3とQ1,Q2、Q3で構成する定電流源の出力（Q3のコレクタ）を抵抗R4とオペアンプU2の非反転入力の接続点につなぎます。
　以上の構成で、センサーの出力電圧を変化させるためヴォリュームのセンターを動かします。
添付図ではその結果としてのヴォリュームのGND側の抵抗R6の値を横軸にとり、縦軸には出力(オペアンプU2の出力）電圧V(out)をとってあります。
　結果として、センサーの出力に０．５Vが加算されている様子が分かると思います。ただし、オペアンプLF358は５V電源で動作させた場合にVCC-1V程度（この場合は４V)までしか出せないために、出力への加算結果は４Vまでしか正しく動作していません。もし、出力が５Vまで必要な場合には入力と出力、両方がレール・ツー・レール動作を保証しているオペアンプを使用するか、オペアンプのVccを余裕を見て７V程度にすれば解決します。

回答No.5

inara1

ANo.2に添付した回路は、この回答の添付図の回路で、Va = 0 とした場合になります。Va = 0 のとき
　　　Vout = A*Vin + B*Vb --- (1)
という形になるので加算器になります。A = ( 1 + R4/R3 )/( 1 + R1/R2 )，B = ( 1 + R4/R3 )/( 1 + R2/R1 ) です。

Vb = 0 とした場合は
　　　Vout = A*Vin - C*Va
という形になるので減算器になります。C = R4/R3 です。

ANo.2の回路では、R1 = R2 = R3 = R4 としているので、式(1)のAとBは1になり
　　　Vout = Vin + Vb --- (2)
となります。したがって Vb = 1V とすれば、ご質問の電圧変換が実現できます。

式(2)のような関係になるのは、R1～R4の抵抗値が厳密に同じ場合だけで、抵抗値に誤差があると、AやBが1からずれてしまいます。したがって、センサ出力を正確に変換したいのなら、R1とR2の比(R1/R2)とR4とR3の比(R4/R3)をできるだけ同じにします。

100kΩの抵抗を大量に買って、テスターで抵抗値を実測して、比の近いペアを選ぶ方法でもいいですが、高精度の抵抗を使うという手もあります。一般の抵抗は誤差が±5%あります（表示が100kΩなら、95kΩから105kΩの範囲でばらつく）が、以下のような高精度抵抗もあります。
誤差±1%　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-03505/
　誤差±0.1%　http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php?code=EEHD-0A5W

回答No.4

inara1

「オンライン計算シート」は知りませんでした。
bogen555さんはanachrocktさんですか？文体が似ているので。

回答No.3

bogen555

そうゆう回路だったら、「オンライン計算シート」の
http://toragi.cqpub.co.jp/tabid/316/Default.aspx
「単電源非反転アンプ (センサ出力をA-Dコンバータの入力レンジにマッチさせる)」を
http://toragi.cqpub.co.jp/Portals/0/trcalc/trcalc.html?12
使って計算させたらエエでしょう。
なお、V2とR1はV2を5Vから作りたかったら、テブナンの定理を使って5Vを分圧し、分圧の合成抵抗がR1になるようにします。
使用オペアンプはANo.2で上げられているものを使います。

回答No.2

inara1

オペアンプを3個だけ使った加算器です。この回路では Vout = Vin + Vref になります。可変抵抗（VR）を調整して、Vref が 1V になるように調整すれば 1V 加算されます。

電源電圧の負側を0Vとしたとき、0V付近の入出力信号を扱えるオペアンプを使ってください。単電源用オペアンプ、または入出力フルスイングと言われるオペアンプになります。LM358（2回路入り）、LM324（4回路入り）、LM6482（2回路入り）、LM6484（4回路入り）、NJM2732（2回路入り）などが使えます。