オペアンプ LM358 / 単電源 / 非反転増幅回路

汎用オペアンプ LM358 を動かしてみて、いろいろとわかったことをクックブック的に記録しておこうと思います。まだまだ完全に理解できているわけではないし間違っているところもあると思いますが、回路作成の備忘録にできればいいな、と。

今回は、汎用オペアンプ LM358 を単電源で駆動した非反転増幅回路についてです。
反転増幅回路については前回の記事を参照ください。

LM358 について、これまでの記事は下記からの一連を参照ください。

非反転 DC 増幅回路

汎用オペアンプ LM358 を使用した非反転 DC 増幅回路です。

非反転 DC 増幅回路図

非反転DC増幅回路図
図1. 非反転DC増幅回路図

増幅率 GV は、

GV = 1+R2/R1 = 1 + 100 / 10 = 11

dB 表示では 20.8dB です。
入力インピーダンスは無限大です。入力には DC パスとして抵抗が必要ですが、通常は前段の出力抵抗が DC パスになります。抵抗をいれた場合はその抵抗値が入力インピーダンスになります。

LM358 の出力電圧範囲を 0~3.5V とすると入力電圧は 0~0.318V であり、バイアスをかける必要はありません。
オフセット電圧のキャンセル抵抗 R3 は R1 と R2 の並列抵抗値に等しくしますので、

R3 = R1//R2 = 10 x 100 / (10 + 100) = 9.09 [KΩ]

E6 系列から 10KΩ としました。なお、前段の出力抵抗を含めるべきですが、ここでは出力抵抗を十分小さいものとし無視しています。

入出力信号の測定値

VINVOUTΔVINΔVOUTGV
0.050.57
0.101.140.050.5711.4
0.151.640.101.0710.7
0.202.190.151.6210.8
0.242.690.192.1211.2
0.283.060.232.4910.8
0.313.450.262.8811.1
表1. 非反転DC増幅回路の入出力信号の測定値

非反転 DC 増幅回路に直流電圧を入力したときの出力電圧の測定値です。直流信号は前回記事で使ったテスト用直流信号回路から出力しています。

VIN=0.05V、VOUT=0.57V を基準として、それぞれの変化量から増幅率を求めました。ほぼ 11倍で計算通りです。
0V 付近は測定誤差が大きいようなのであまり正確な値ではないかもしれませんが、まぁそれなりにうまく増幅できていると思います。

非反転 AC 増幅回路

汎用オペアンプ LM358 を使用した非反転 AC 増幅回路です。

非反転 AC 増幅回路図

非反転AC増幅回路図
図2. 非反転AC増幅回路図

増幅率 GV は、

GV = 1+R2/R1 = 1 + 100 / 10 = 11

dB 表示では 20.8dB です。
LM358 の AC 出力電圧範囲は 0.6~3.5V なので、バイアス電圧 VB を 2V にしましょう。

VB = VCC・RB/(RA+RB) = 5 x 33 / (47 + 33) = 2.06 [V] 

分圧抵抗 RA、RB の中点に信号を入力する回路もよくありますが、電源電圧の変動がバイアス電圧に直接影響してしまいます。ここではバイアス電圧をデカップリングする方式としました。
AC 増幅回路ではオフセット電圧のキャンセル抵抗は必要ありません。が、バイアス電流の最適化のために非反転入力の抵抗値を R2 と等しくします。RA と RB の並列抵抗値 RAB は、

RAB = RA//RB = 47 x 33 / (47 + 33) = 19.4 [KΩ]

なので、 R3 は、

R3 = R2-RAB = 100 - 19.4 = 80.6 [KΩ]

E6 系列より 68KΩ としました。
CIN は R3 とハイパスフィルタを形成します。カットオフ周波数 fCIN は、

fCIN = 1/(2π・R3・CIN) = 1 / (2π x 68 x 103 x 0.22 x 10-6) = 10.6 [Hz]

C2 は RAB とハイパスフィルタを形成します。カットオフ周波数 fC2 は、

fC2 = 1/(2π・RAB・C2) = 1 / (2π x 19.4 x 103 x 10 x 10-6) = 0.82 [Hz] << fCIN

fC2 は fCIN の 1/10 以下とします。C2 は交流信号の AC パス、R3 はバイアス電圧の DC パスなので、バイアス電圧の分圧回路は fC2 以上の周波数に対して影響が除去されます。
入力インピーダンス ZIN は R3 に等しくなり、

ZIN = R3 = 68 [KΩ]

C1 は、増幅率を決める抵抗 R1、R2 を絶縁するためのブロッキングコンデンサで、直流信号に対してユニティゲインとなります。 C1 は R1 とハイパスフィルタを形成し、カットオフ周波数 fC1 は、

fC1 = 1/(2π・R1・C1) = 1 / (2π x 10 x 103 x 22 x 10-6) = 0.72 [Hz]

最低周波数帯域 fL を 50Hz とすると、C1 の容量性リアクタンス XC1 は、

XC1 = 1/(2π・fL・C1) = 1/ (2π x 50 x 22 x 10-6) = 724 [Ω] << R1

XC1 は R1 より十分に小さくしておきます。これにより交流信号に対しては GV の増幅率となります。

R4 は LM358 の出力を常にソース電流とするためのバイアス抵抗です。LM358 の出力段は B級増幅のためクロスオーバー歪を生じます。また、シンク電流のとき出力電圧が 0.6V 以下では出力段が動作せずクリップします。そこで出力を常にソース電流とすることで A級増幅にして、クロスオーバー歪をなくすとともにクリップを防ぎます。
R4 に流れる電流 IR4 は、

IR4 = VB/R4 = 2.06 / 0.470 = 4.38 [mA]

オペアンプの負荷抵抗 Rop は、

Rop = R4//RL = 0.470 x 1 / (0.470 + 1) = 0.320 [KΩ]

なので、出力信号電圧 vo の最大値は、

vo = IR4・ROP = 4.38 x 0.320 = 1.40 [V]

このときの出力電圧の振幅 VO は、

VO = VB±vo = 2.06 ± 1.40 = 0.66 ~ 3.45 [V]

LM358 の AC 出力電圧範囲 0.6~3.5V 内なので問題ないでしょう。

出力コンデンサ COUT は負荷抵抗 (次段の入力インピーダンス) RL とハイパスフィルタを形成します。カットオフ周波数 fCOUT は、

fCOUT = 1/(2π・RL・COUT) = 1 / (2π x 1 x 103 x 470 x 10-6) = 0.34 [Hz]

コンデンサ容量は負荷抵抗の大きさによって調整します。

入出力波形

非反転AC増幅回路の入出力波形 1000Hz
図3. 非反転AC増幅回路の入出力波形 1000Hz

1000Hz の正弦波を入力したときの入出力波形です。正弦波信号は前回記事で使ったテスト用正弦波発振回路から出力しています。
入力電圧 (青) vi=0.084V、出力電圧 (黄) vo=0.85V で、これ以上入力電圧を上げると歪みました。出力は最大値で 1.20V で、計算値よりちょっと低いです。
増幅率は 10.1 (20.1dB) でした。

非反転AC増幅回路のホワイトノイズFFT演算波形
図4. 非反転AC増幅回路のホワイトノイズFFT演算波形

ホワイトノイズを入力したときの出力の FFT 波形です。ホワイトノイズ信号は前回記事で使ったテスト用ホワイトノイズ発生回路から出力しています。
反転 AC 増幅回路のときと同様に、250KHz あたりまでゲインが低下していっているので、そのあたりがユニティゲイン帯域ってことでしょうか。あいかわらず勉強不足です。

後記

今回は、汎用オペアンプ LM358 を単電源で駆動した非反転増幅回路についてまとめてみました。むずかしい理論も計算も、ないです。あわせて正確性も、ない、かもです。ご容赦。
オペアンプのその他のいろいろな回路についても勉強してみたいなと思っていたのですが、今回は増幅回路だけでいったん終わります。気候の良いうちに外の仕事、やりたいんですよねぇ。

参考にさせていただいたサイトです。ありがとうございました。
OP-AMP COOKBOOK — PART 2
単電源のオペアンプ回路が不安定になるのを回避する
そのほかにもたくさんのサイトのお世話になりました。感謝です。

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