オペアンプの役割について

質問

オペアンプの非反転増幅回路を用いて、0V～5Vの入力アナログ信号を上限電圧4.5Vと下限電圧0.5Vの出力電圧を得るためには、どのように考えればよいのですか？入力でいきなり6Vのアナログ信号が入ってきた場合に、上限電圧4.5Vの安定した出力を得るためには、非反転増幅回路を用いてどのように回路を構成すればよいかを教えてください。今大変困っていますので、よろしくお願いします。

回答No.6

kabasan · ベストアンサー

非反転１段でとは、難しい注文なので悩んでしまいました。

無理矢理段数を減らすのはそれなりに妥協が必要って事で、以下のように考えました。（片手間のようで申し訳ない・・・・）

入力を４／５にするのは、抵抗分圧が簡単でしょう。
リミッタは、ダイオードを組み合わせるか、ツェナーでそれなりの数字に合わせましょう。ショットキーダイオードなら０．３Ｖ位の電圧降下ですから、１３個直列にすれば、３．９Ｖです。コレで分圧した電圧のリミッタにします。下限については、オペアンプを単電源で使用すれば良いことです。上限リミッタのダイオードと逆にショットキーダイオード１個入れて下さい。

このようにして出来た０～３．９Ｖを加算回路（非反転増幅の応用回路ですね）に入れて、加算入力にやはり抵抗分圧で作った０．５Ｖを加えれば１段ですべてを「ある程度」満たした回路です。

コレについて、文章でわからなければ補足要求して下さい。

回答No.7

kabasan

大ウソだぁ～！！たぶん・・・・

反転ばっかしつかってるからなぁ・・・・非反転でこの手の加算できねぇじゃん！
しかも「専門家」にしちゃった・・・回路設計はしてるんですよホントに・・・・

明日勉強しなおそっ！

申し訳ない。

お礼

お忙しい中、いろいろ考えていただきまして、ありがとうございます。とりあえず、貴殿のアイデアを参考にし、自分自身でもいろいろ考えて見たいと思います。もし何かいいアイデアがありましたら、よろしくお願いします。

回答No.5

anisol

たびたびすみません。まだ間違ってました（もおやだ…）。

-0.5Vに落としたとき出力のオフセットが+0.5Vになるのは2倍の非反転アンプ(R1=R2)の場合だけで、帰還抵抗に加えるオフセットに対して出力のオフセットは-(R2/R1)倍になるみたいです。例えば4倍のアンプでは帰還抵抗の一端は-0.1666Vにすると出力のオフセットは+0.5Vです。

お礼

遅くなってすいません。いろいろなアイデアありがとうございます。参考にしつつ、自分自身でも考えてみたいと思います。もし何かいいアイデアでもありましたら、そのときはよろしくお願いします。

回答No.4

anisol

すみません、訂正です。

帰還抵抗の普通は接地するポイントは、+0.5Vではなくて-0.5Vに落とします。これで+0.5Vのバイアスがかかります、失礼しました。負電源が必要なところがちょっと痛いですね。

回答No.3

anisol

あまりエレガントな回路じゃありませんが、分圧器を併用すれば非反転一段でできますね。例えば分圧器で1/5に分圧した後、4倍の非反転アンプで増幅します。帰還抵抗の通常接地する点は、別の分圧器で作った0.5Vの電圧ポイントに落とします。これで+0.5Vバイアスがかけられます。後は出力抵抗をつけて出力側でツェナーリミッタをかければよいでしょう。

実際問題になる点は、
・信号源の出力インピーダンスに対して分圧器の合成抵抗値は充分大きくすること。ただしオペアンプの入力バイアス電流に対しては十分低くすること。
・0.5Vを作る分圧器の抵抗値、つまり分圧器の出力インピーダンスは帰還抵抗の値に対して十分小さくすること。ただし分圧器での消費電流は大きすぎないよう、抵抗値は小さすぎてもダメ。
・4.5Vのツェナーダイオードは手に入りにくいかもしれない。
など。

上の2点の問題からFET入力のオペアンプを使うのがいいと思います。もっとエレガントな回路は別の回答者の方におまかせします。

回答No.2

kabasan

ちょっと補足です。
基本的な非反転増幅では増幅率を１未満には出来ませんから、最初の２段は反転増幅で構成することになります。

反転＋反転＝非反転

コレじゃマズイですか？
説明などわからなければ、補足要求して下さい。

補足

いろいろありがとうございます。出来れば、１段のオペアンプ（非反転増幅回路）で上限値と下限値をとるリミッタ回路作りたいと思うのですが、それには無理がありますか？どう考えても、上限値と下限値を設定して、オペアンプとダイオードをつかうと３段の回路になってしまいます。非反転増幅回路では増幅率が１以下に出来ないことで、抵抗をいじくってるのですが、1段の回路だと0Vから0.5Vまであげることができないですよね？

回答No.1

kabasan

複数の機能をお望みのようなので、切り分けていきましょう。

１、５Ｖ以上の入力があった場合に、出力を上げない。（入力クリッピング）
２、５Ｖの入力変化を４Ｖの出力変化に圧縮する。
３、入力と出力を０．５Ｖオフセットする。

３段の回路で構成する方法を書きます。

１と２は普通の非反転増幅回路です。２の入力にツェナーダイオードなどを入れて、ツェナー電圧以上の入力があっても電圧が上がらないようにします。
１は入力５Ｖの時に、出力がツェナー電圧になるように増幅度を調整します。
２は入力がツェナー電圧の時、出力が４Ｖになるように調整します。
３は加算回路になります。２個の入力があって、１個は０～４Ｖの入力、もう一個は０．５Ｖの固定電圧を入力します。出力には０．５Ｖ～４．５Ｖが出てきます。

工夫次第で、１段のオペアンプで複数の機能を果たすことが出来ますが、それは応用問題って事でがんばって下さい。