単電源ＯＰアンプ

Question

単電源ＯＰアンプで非反転増幅回路を作るのですが、何も入力を入れていないときに出力は2.5Vなのでしょうか？それとも0Vなのでしょうか？
先生2人に聞いてみたのですが片方は5Vと接地だからその真ん中の2.5Vが中心となり増幅された波形がでるといい、もう片方の先生は０Vで＋側だけ増幅されると言っていたのですがどちらが正しいのかわかりません。
それで作ってみたのですが……入力に何も波形入れずのじょうたいでオシロスコープで見てみたのですが2.5Vより少し上の電圧があり、2.5V中心なのかなと思っていたら……増幅率を上げてみたら今度は何故か５Vありました。
これは回路が間違っているのか……どうなのか不明で今悩んでいます。

単電源ＯＰアンプで非反転増幅回路の場合、何も入力を入れていないときに出力は2.5Vなのでしょうか？それとも0Vなのでしょうか？
わかる人がいましたらどうか教えてください。
後、上に書いた何も波形を入力していないのに５Vとかあるのをどうにかする方法もわかりましたらよろしくお願いします。

inara1 · Accepted Answer

＞C1＝１μF、Rc＝１０kΩでやったのですが入力なしで1.5Vありうまくいきませんでした。
Rc はなくてもいいです。ここ（http://www.mizunaga.jp/opamp.html）に出ている非反転増幅器でRcを入れているのは、オペアンプの入力バイアス電流による誤差を補正するためですが、CMOSオペアンプの入力バイアス電流は極めて小さい（1pA未満）ので、このような目的でRcを入れる必要は全くありません（このような目的でRcを入れていたのは、オペアンプのバイアス電流が数十nAあった昔の話です）。しかし、オペアンプの保護のために、Rc のところに10kΩ程度の抵抗を入れるのは構いません。ここに抵抗が入っていれば、入力に過大電圧が加わった場合でも、オペアンプの入力端子に流れ込む電流が制限されるのでオペアンプが壊れる可能性が小さくなります。もし Rc を入れるのなら以下のような位置にしてください。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　+5V
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 │(7)
　　　　　　　　　　　　　　　　Rc　　　(3)┏━┷━┓(1)
　　 入力 ─ １μF─┬─ 10kΩ ──┨+　　　　┠──┬─ 出力
　　　　　　　　　　　　│　　　　　　　 　┃　　　　　┃　　 │
　　　　　　　　　　　　│　 　　　　(2)┌┨-　　　　┃　　 │
　　　　　　　　　　　　│　　　　　　　 │┗━┯━┛　　 │
　　　　　　　　　　　　1MΩ　　　　　　│　　 　│(4)　　　 │
　　　　　　　　　　　　│　　　　　　　 ├── ） - 10kΩ ┘
　　　　　　　　　　　　│　　　　　　　 5kΩ　　│
　　　　　0V(GND) -┴─────┴──┴────── GND

inara1 · Answer

＞入力インピーダンス：Rcの値は１００Ω～１MΩとありますがこれはどういうふうに決めたのでしょうか？

「交流結合の非反転増幅器２」のほうでしたか。
この Rc はオペアンプの入力バイアス電流による誤差（入力に何もつないでいないときに出力電圧に現れるDC成分）を小さくするものです。FET入力やCMOS入力のオペアンプのバイアス電流は極めて小さいので Rc を大きく（100kΩ～1MΩ）して構わないのですが、Rc をどのように決めるのかも知っておいて損はないと思います。

図１に示した交流結合の非反転増幅器で、非反転入力端子（＋）のバイアス電流を ib1、反転入力端子（－）のバイアス電流を ib2 としたとき、Vin に何もつながっていないときのそれぞれの端子の直流電圧を V1、V2 とすれば
　　　V1 = ib1*Rc
　　　V2 = ib2*Rf + Vout
となります。
　　　　　　　　　V1
　　　　　　　　　↓　　　← ib1
　Vin ─ C1 ─┬────┤+　＼
　　　　　　　　　│　　　　　　│　　　　>─┬─ Vout
　　　　　　　　　Rc　　ib2┌┤-　／　　　｜
　　　　　　　　　│　　　↓｜　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　│ V2 →├── Rf ──┘
　　　　　　　　　│　　　　Rs
　　　　　　　　　│　　　　│
　　　　　　　　　│　　　　C2
　GND ───┴───┴─────── GND ( 0V )
　　　　【図１】　交流結合の非反転増幅器

オペアンプのバイアス電流の大きさは、＋入力も－入力も実際にはほぼ同じで、ib1 = ib2 = ib とおくことができるので
　　　V1 = ib*Rc
　　　V2 = ib*Rf + Vout
となります。オペアンプというのは入力端子間の電圧差 V1 - V2 を増幅するもので、その増幅率を A倍とすれば
　　　Vout = A*( V1 - V2 ) = A*{ ib*( Rc - Rf ) - Vout }
で表わされます。これを Vout について解けば
　　　Vout = ib*( Rc - Rf )/( 1 + 1/A )
となります。通常のオペアンプでは A は非常に大きい（ A > 100000）ので、上式の 1/A は 1 に比べて非常に小さくなります。つまり上式は
　　　Vout ≒ ib*( Rc - Rf )
と近似できます。この Vout というのが、Vin に何もつながっていないときにオペアンプの出力に出てくる誤差電圧になります。これを 0V にしたいのであれば、Rc = Rf とすればいいわけです（これがバイアス電流補償です）。

しかし、ib が非常に小さく、例えばCMOSオペアンプのように ib < 1pA のときは、Rc と Rf が一致していなくて Rc - Rf = 1MΩ であったとしても、Vout < 1μV と非常に小さな電圧になるので、Rc と Rf を等しくする必要はありません。バイアス電流が大きなオペアンプの場合、例えば ib = 0.1μA の場合、Rc - Rf = 1MΩ だと、Vout = 0.1V という大きな電圧になります。

Rc と Rf を等しくするために Rc を小さくすると、C1 と Rc で構成されるローパスフィルタのカットオフ周波数が高くなって、低音が増幅できなくなってしまいます（カットオフ周波数を低くするには C1 を大きくしなければならない）。しかしバイアス電流の小さいオペアンプを使えば Rc を100kΩ～1MΩ と大きくできるので、C1 には小さい容量のコンデンサが使えます。

一方、Rs と C2 もローパスフィルタになっていますが、このカットオフ周波数と C1・Rcのカットオフ周波数を一致させるさせるためにはC2 の値をかなり大きくする必要があります（一般に Rs の抵抗値は小さいので）。しかし、バイアス電流の小さいオペアンプを使っているのであれば、C2 を取り除いて、Rs を直接 GND に接続しても構いません。

richardo · Answer

次の事を参考に回路動作をよく考えて下さい。

・入力、及び出力電圧は電源電圧内にある。

・回路がちゃんと動いていれば、プラスとマイナスの入力はほぼ同じ電位になる。

　回答を言えば入力はプラス電圧しか入れられません。
　Vo= Vi * (R1+R2)/R1
 
　Viが有る程度以上大きければ、この式の通りになるでしょう。
　しかし出力電圧は電源電圧より少し内側なので、Viが小さいとこの通りにはならないでしょう。

　「もう片方の先生は０Vで＋側だけ増幅されると言っていた」と言うのが正しい。

inara1 · Answer

＞R１というのは入力抵抗がそうなのでしょうか？
R1 はオペアンプの「外」につける抵抗です。+入力に何もつけないとそこの電圧が安定しないので、＋入力とGND間に抵抗 R1 を入れます。LMC6482 はCMOSオペアンプなので R1 = 100kΩ～1MΩ 程度でいいと思います。R1がないとどうなるかを参考URLに書いておきました。これは回路シミュレータでの結果ですが、オペアンプにはLMC6482を使っています。R1 がないと出力電圧はほとんど電源電圧になってしまいます（これは外来ノイズのないシミュレーション結果で、実際にはノイズが入るのでこの電圧はフラフラしているかもしれません）。R1をつけると、出力電圧はほぼ 0V になります。正確に 0V にならないのはオペアンプの入力オフセット電圧が３倍増幅されて出ているからです。オフセット電圧にはばらつきがあるので、この電圧は若干変わります。

＞入力抵抗：１０テラオーム以上 とインターネットで検索した
10TΩ以上というのは、事実上入力抵抗が無限大ということです。LMC6482の内部はMOS-FETですが、MOS-FETのゲートはコンデンサになっているので直流的な入力抵抗は無限大です。実際には、非常にわずかな漏れ電流（データシート　http://www.national.com/JPN/ds/LM/LMC6482.pdf　2ページの Input Current ）がこのコンデンサに流れるので、入力端子に何もつけていないと入力端子の電圧が時間と共に上昇していきます。入力端子とGND間に抵抗をつけると、ゲートの漏れ電流が抵抗を通じてGNDに流れるので、入力に何もつながっていなくても、入力端子の電圧はGND（0V）に固定されます。入力抵抗が10TΩ以上のオペアンプを使っても、R1 = 1MΩ とすると、オペアンプ回路全体の入力抵抗は 1MΩ になります。入力抵抗が10TΩ以上のオペアンプは本当に必要でしょうか。

＞R2が５kΩでR3が１０kΩで増幅率は3倍にしています
R2 = 5kΩ、R3 = 10kΩ なら増幅率は3倍ですね。
LMC6482は入出力フルスイングのオペアンプなので、入力電圧が 0V のときは出力電圧はほぼ 0V になります。参考URLの下側の特性は、入力電圧を変えたときに出力電圧がどのように変化するかを回路シミュレータで見てみたものです。最大出力は電源電圧近くまで出ます（シミュレーションでは電源電圧を 6V としています）。入力電圧が負でも出力電圧は 0V です。このような特性ならうまくカウントできるでしょうか。

fjnobu · Answer

10テラオームは、１０＾９オームで非常に高いインピーダンスです。そこに何も接続していないなら、不安定な電圧が供給されています。したがって出力は不定です。何も接続していない状態で測定などしていたらOPアンプが破損していると思います。＋入力に電源とGNDに１００Kオーム程度を入れて測定すると出力は２．５ボルトが出ます。それで入力に0，1ボルト交流（コンデンサーで直流分を除去して）を入れると出力に同じ位相で0，3ボルト交流が出ます。

inara1 · Answer

作りたいのは、入力がオープンまたは 0V のとき出力が 0V で、入力信号が 0V 以上（プラス）のとき出力がその何倍かされた電圧になるような回路でしょうか。回路はたぶん以下のようなものだと思います。R1～R3 は抵抗、（2）などはオペアンプのpin番号です。
　　　　　　　　　　　　　　　　　+5V
　　　　　　　　　　　　　　　　　 │(7)
　　　　　　　　　　　　 (3)┏━┷━┓(6)
　　入力 ───┬──┨+　　　 ┠─┬─ 出力
　　　　　　　　　　│　(2)┃　　　　 ┃　 │
　　　　　　　　　　│　 ┌┨-　　　 ┃　 │
　　　　　　　　　　│　 │┗━┯━┛　 │
　　　　　　　　　　R1　 │　　 │(4)　　　│
　　　　　　　　　　│　 ├── ） ─ R3 ┘
　　　　　　　　　　│　 R2　　 │
　　　0V(GND) -┴─┴──┴─────

「お礼」を見るとどうも R1 は入っていないようですが、R1 は必ず入れてください（オペアンプによって適切な抵抗値が違います）。以下の情報を補足すれば適切な回答が来ると思います。
　　　・オペアンプの型番（LM358など）
　　　・R1～R3 の値
　　　・うまくカウントするためには増幅度は何倍あればいいのか

fjnobu · Answer

非反転入力で０ボルトの出力にしたいのなら、０ボルトに近い電圧を与えます。増幅度により違うので、正確な電圧は示すことが出来ません。0ボルトを与えても、出力が0ボルトに近くならないなら回路を間違えています。ところで2，5ボルトの出力が出たときの入力電圧は何ボルトなのですか？その電圧より低い電圧にすれば電圧は0ボルトに近い方に動くはずです。

umota · Answer

参考ページをよく読みましたか?
図はふたつあるが、どちらのことを言っているのかわかりません。
図に Vin はありません。
(たぶん、入力信号との接続もデタラメのような気がします)

# 他の親切な人に答えてもらってください。

fjnobu · Answer

本当に何も入力していないのなら、出力は不定（すなわちどうなるのか分かりません。どちらかの電源に張り付きます。）です。OPアンプは増幅率が100000倍から1000000倍もあるので、少しでも入力があるとその方向に大きくふれて、０か電源電圧になります。増幅率の範囲内の電圧ならば、回路が合っているなら入力と同じに振れます。

umota · Answer

> 何も入力を入れていない
まさか入力開放ではないでしょうね。
(入力開放ならばバイアス電流が流れないので不定。
そんな使いかたは無い)

レイルトゥレイルの単電源用オペアンプなら
入力が 0V の時、出力は 0V + オフセット誤差
= ほぼ 0V になるはずです。

レイルトゥレイルでなければオペアンプの規格による。
データシートを見てください。

単電源ＯＰアンプ

＞C1＝１μF、Rc＝１０kΩでやったのですが入力なしで1.5Vありうまくいきませんでした。

＞入力インピーダンス：Rcの値は１００Ω～１MΩとありますがこれはどういうふうに決めたのでしょうか？

次の事を参考に回路動作をよく考えて下さい。

＞R１というのは入力抵抗がそうなのでしょうか？

10テラオームは、１０＾９オームで非常に高いインピーダンスです。

作りたいのは、入力がオープンまたは 0V のとき出力が 0V で、入力信号が 0V 以上（プラス）のとき出力がその何倍かされた電圧になるような回路でしょうか。

非反転入力で０ボルトの出力にしたいのなら、０ボルトに近い電圧を与えます。

参考ページをよく読みましたか?

本当に何も入力していないのなら、出力は不定（すなわちどうなるのか分かりません。

> 何も入力を入れていない

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　次の事を参考に回路動作をよく考えて下さい。