オペアンプ LM358 / 単電源 / 加算器・減算器

まず、加算器などに入力する直流信号を発生させる回路を用意しておきましょう。
どんな回路でもいいんですが、今回は、部品箱にあった汎用オペアンプ LM324 を利用したボルテージフォロワにしました。(図 1)

LM324 は LM358 と同じような単電源の汎用オペアンプですが、4 回路入りです。3 回路を利用して、残りの 1 回路は未使用端子処理しています。

電源は 5V 単電源です。出力電圧は LM358 と同じように 3.5V ほどで飽和します。
電圧設定ボリュームの 33KΩ にはあまり意味はありません。部品箱にあったジャンク品を使っただけです。

図 2 は、加算器の回路です。

これは単電源の反転 DC 増幅回路ですから、バイアス電圧をかけないと動作しません。入力電圧を 0V、出力電圧 V_OUT を 3.5V としたとき、反転入力 IN(-) 端子の電圧 V(-) は R4 と R_I=R1//R2//R3 で分圧された電圧ですから、

V(-) = VOUT･RI/(R4+RI)
     = 3.5 x 33.33 / (100 + 33.33)
     = 0.87 [V]

この電圧をバイアス電圧とします。

図 3 は、未使用端子の処理と電源端子の接続です。
いつもと同じ、未使用の回路には電源電圧の半分を IN(+) に印加し、ボルテージフォロワとしておきます。
電源は 5V の単電源です。パスコンを入れておきましょう。

以下、減算器なども同様です。

図 4 は、加算器で測定した入力電圧対出力電圧の特性グラフです。

入力電圧の合計が 0.25V ずつ増加するように入力したときの、出力電圧を示しています。反転 DC 増幅回路ですから入力電圧を増加させると出力電圧は減少していきます。減少幅はほぼ 0.25V になっています。
入力電圧の低いところで出力電圧が少し落ちていますが、まぁだいたいいい感じじゃないでしょうか。

図 5 は、減算器の回路です。

これは差動増幅器で、非反転入力と反転入力の電圧の差が出力されます。
R2/R1=R4/R3 になるように構成しますが、R1 と R2 が等しいので増幅率は 1 です。

図 6 は、減算器で測定した入力電圧対出力電圧の特性グラフです。

入力電圧の差が 0.25V ずつ減少するように入力したときの、出力電圧を示しています。出力電圧もほぼ 0.25V ずつ減少しています。
出力電圧は V2-V1 ですが、単電源なので差がマイナスになる減算はできません。

図 7 は、入力に重みをもたせた加算器の回路です。

R1 の 100KΩ に対して R2 は約 1/2、R3 は約 1/4 ですので、それぞれの入力に対して 2 倍、4 倍の重みを持っています。これは 3 ビットのバイナリコードと同じ重みですから、バイナリデータに応じた電圧が出力されることになります。つまり、デジタル値をアナログ電圧に変換した、ということ。

なお、バイアス電圧は 0.45V としています。

図 8 は、加重加算器に 3 ビットデータを入力したときの出力電圧です。

各入力電圧は 0.5V、入力が 0V のとき出力は 3.7V でした。
たとえば、V1 と V2 に入力すると 0b011 で出力電圧は 1.5V 減少し、V2 と V3 に入力すると 0b110 で約 3.0V 減少します。
このようにバイナリデータをアナログ電圧に変換できました。