OPアンプの同相入力電圧範囲とバイアス

OPアンプの同相入力電圧範囲と出力電圧範囲は電源電圧に依存します。広い電圧範囲を得るためには、広い電源電圧を確保することとレールtoレールOPアンプを用いることが簡単です。
しかし、前者は回路全体の電源構成の、後者は選択するOPアンプのコストや性能といった制約を受けます。

そういった場合は、逆に入力信号や出力信号を何らかの方法で加工するとよい場合があります。今回は、入力信号を抵抗分圧して同相入力電圧範囲を満たすことを考えました。

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○単電源OPアンプのGND付近での非線形性とバイアス
単電源OPアンプのGND付近での非線形性とバイアスのエントリでは、単電源OPアンプの入出力特性が動作電圧範囲内でもフラットではないため、入力信号をちょっと高い電圧と分圧することによって、OPアンプの入力端子にかかる電圧をOPアンプの特性がよくなる点で使うという話を書きました。

○単電源OPアンプで負の信号を扱う
バイアスをかける方法をもう一歩踏み込むと、マイナスの電圧の信号を単電源で扱えるようにするレベルシフトの手法に至ります。
絶版ですが、OPアンプ活用100の実践ノウハウのP38-40に『16 単電源動作では完全0V出力にならない…レベル・シフトを使うのが利口』という項目があります。

レベルシフトなどというと大げさですが、やっていることはバイアスと一緒で、ただの抵抗分圧です。


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fig.1: レベルシフト回路

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fig.2: 横軸が入力電圧、緑が出力電圧、青が非反転入力端子の電圧


グラフは横軸が入力電圧で、緑のラインが出力電圧です。回路全体の挙動としては、±2Vの信号が2.5±2Vの信号に変換されています。青が非反転入力端子の電圧です。抵抗分圧されているため、OPアンプの入力端子にかかる電圧は正の電圧になることが分かります。

○そのほかの応用
上手にバイアスをかければ、単電源OPアンプでも負電圧の信号を扱えることが分かりました。
コツは、OPアンプの非反転入力端子にかかる電圧が同相入力電圧範囲に収まるようにするということです。
バーチャルショートが成り立っていれば、反転入力端子も非反転入力端子とほぼ同電位になります。

このコツさえ押さえれば、応用として単電源で両電源用のOPアンプを使うことも出来るでしょう。

○付録
このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。




tag: LTspice OPアンプ レベルシフト 

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質問です

「同相入力電圧範囲」、「同相出力電圧範囲」の用語についての疑問です。
単純に入力可能な電圧範囲、出力可能な電圧範囲を表すだけなら、「入力電圧範囲」、「出力電圧範囲」でよいように思うのですが、なぜ「同相」が付いているのでしょうか?

Re: 質問です

tessyさん、こんにちは。

OPアンプの入力電圧の範囲は「同相入力電圧」と「差動入力電圧」の二種類が存在します。

正しく負帰還をかけてOPアンプを使用すると、反転入力端子と非反転入力端子の電位はほぼ同じになります。これに対して、負帰還をかけずにコンパレータのような使い方をすると二つの入力端子の間にも電圧がかかることになります。
同相入力電圧範囲というのは、前者のように二つの入力端子間に電位差が無いときに入力することのできる電圧の範囲を意味しています。

汎用OPアンプは、多くの場合コンパレータとして使っても壊れません。(すべてがそうだとは保証できませんが。)
しかしながら、一例を挙げるなら、高精度OPアンプなどの中には、二つの入力端子間にダイオードが逆並列に入っていたりする様なものもあります。そういったOPアンプでは、仮にそれぞれの端子にかかる電圧が同相入力電圧範囲内に収まっていても、二つの入力端子間の電位差が大きいと壊れる可能性があります。

詳しくは、下記のアプリケーションノートなどを参照してください。
逆並列ダイオードが入っているのは図2.2.2の場合ですね。

ROHM Application Note: オペアンプ・コンパレータの基礎
http://rohmfs.rohm.com/jp/products/databook/applinote/ic/amp_linear/common/opamp_comparator_tutorial_appli-j.pdf

「同相出力電圧範囲」という用語は、あまり聞いたことが無い気がします。
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