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更新2022/06/22

オペアンプを単電源で使う

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単電源使用の問題点

オペアンプの説明ではプラス側とマイナス側の両電源を使うことを前提にすることが多いのですが、現実には2つも電源を用意するのは面倒で費用もかさむため、単電源使用がほとんどです。
ただし、両電源が基本のオペアンプ回路を単電源で使うには少々問題があります。

反転増幅器
例えば、上記の反転増幅器を単電源で使う場合、増幅率-10倍でEiに0.5Vの電圧を印加すると出力はどうなるでしょうか
計算通りとすると、-5Vになるはずです。
答えは、負電源がないため、オペアンプ下限飽和電圧の0~0.5Vとなり、単電源では計算通りの動作をしません。

反転増幅器の単電源化

反転増幅器を単電源で使う方法の一つに、オペアンプの+基準電位を、GNDではなく別の電位にするという方法があります。
つまり、動作の基準電位を変えて、単電源を両電源とみなせるようにするという手法です。
具体的には、以下のようにします。

上記の基準電位Vsを中心に、位相が反転した増幅出力を得ることができます。
基準電位Vsは、電源電圧を抵抗分割で作り出す方法や、より安定化した電圧が欲しい場合はツェナーダイオードなどで安定化した電圧を使います。
ただし、無信号時に、Vsと同じ電圧が常に出力されるので、直流ではなく交流分の増幅に適しています。

非反転増幅器の単電源化

入力電圧Eiが正電圧に限定される以外は両電源時と同じです。
電池駆動などの単電源で使いやすいオペアンプ回路です。

単電源でのオペアンプの注意点

ただし、単電源では入力電圧を0Vまたは電源電圧という両極端な電圧近辺で使用することもあります。
すると、オペアンプの同相入力範囲外となり出力が計算通りにならないエラーを起こすものがあります。
入力電圧範囲は、オペアンプが許容する同相入力範囲内に収まるように(例えば1V以上、電源電圧-1V以下)、前段出力電圧を調整する必要があります。
尚、オペアンプにより、同相入力範囲はGNDまで使えるもの、+電源電圧まで使えるもの、両方使えるものなどあります。
汎用オペアンプとして有名な358系のIC(例えばLM358)は、入力電圧はGNDまで使えますが、+電源電圧までは使えません。
参考:同相入力電圧範囲と異常

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教えてくれてありがと~。今後の参考にするよ~ 

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電子回路とファームウェア専門の元エンジニアが、初心者の頃の疑問や勉強・経験で知った「そうだったのか」を2009年から書いています。

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