ｏｐアンプのオフセットと増幅について

質問

センサの出力電圧にオフセットを加え、増幅することを考えています。
いい加減にに設計したところ、なぜかオフセットが加えられません。適当な回路を教えていただけないでしょうか。

使用したいopアンプはLM2904　5Vの単電源で動作させたいと思います。
センサはopアンプのバッファ（非反転　増幅度１）を通しています。
この状態で、センサを動作させると20mVから500mVほどの出力が得られます。
20mVを0V付近までオフセットを加えてから増幅したいと思います。
汎用性を持たせたいので、適当な電圧範囲にある信号を0Vから電源電圧付近までの信号に増幅するような回路としたいと思います。
以前にトラ技で回路を見かけたような気がするのですがバックナンバーを繰っても見つけられません。

よろしくお願いします。

回答No.3

inara1 · ベストアンサー

どうしても単電源としたいのなら、以下のような回路を試してみてください。

　　　　　　│＼
　　Vin ─┤＋ ＼
　　　　　　｜　　　　>┬─ Vout
　　　　 ┌┤－　／　│
　　　　 ││／　　　 │
　　　　 ├─ R2 ─-┘
　　　　 R1
　　　　 │
　　　　V1

この回路の出力電圧は
　　　　Vout = ( 1 + R2/R1 )*Vin - ( R2/R1 )*V1
となります。R2 = 0 とすれば利得１のバッファとなりますがオフセット調整ができません。R2 > 0 とすれば利得は１より大きくなりますがオフセット調整できます。R1 = 100kΩ として、R2 を 1kΩの半固定抵抗とすれば、利得は 1～1.01、オフセット調整範囲は 0～0.01*V1 となります。V1 をオペアンプの電源電圧（5V）とすれば、オフセットを 0～50mV の範囲で変えられます。V1 の電圧は1/100 倍されて出力信号に加わるので、V1 はノイズが少なく安定化された電圧源にする必要があります。

上の回路では利得が１より大きくなってしまいますが、下のような回路なら、R1/R3 = R4/R3 とすることにより、利得を正確に１にできます（上の回路はこの回路でR1 = 0、R2 = ∞としたものです）。

　　　　　　　　　　　 │＼
　　Vin ─ R1 ┬─┤＋ ＼
　　　　　　　　 R2　｜　　　　>┬─ Vout
　　GND ──┘┌┤－　／　│
　　　　 　　　　　 ││／　　　 │
　　　　 　　　　　 ├─ R4 ─-┘
　　　　　　　　　　R3
　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　V1

出力電圧は
　　　Vout = { ( 1 + R4/R3 )/( 1 + R1/R2 ) }*Vin - ( R4/R3 )*V1
なので、R1 = R2/100、R4 = R3/100 とすれば
　　　Vout = Vin - V1/100
となって、V1 = 5V のとき、50mVのオフセットをつけられます。R1 = 1kΩ、R2 = 100kΩ、R3 = 100kΩ、R4 = 1kΩ（半固定抵抗） とすれば、利得１でオフセットを 0～50mV の範囲で変えられます。この回路の利得は R1/R3 と R4/R3 の比で決まるので、高精度を必要とするなら、抵抗値を測定して選別するか、高度抵抗を使う必要があります。また、この回路は入力が抵抗になるので入力インピーダンスが小さくなります（R1+R2）。それがいやなら入力に非反転バッファを入れればいいでしょう。

お礼

適切なご助言をありがとうございます。
理屈から考えると確かにそのとおりです！
実はよく考えもしないで、上の回路でバッファ動作をさせ悩んでいました。ぜひ、試して見たいと思います。

回答No.4

inara1

ANo.3に間違いがありました。
【誤】下のような回路なら、R1/R3 = R4/R3 とすることにより
【正】下のような回路なら、R1/R2 = R4/R3 とすることにより

【誤】R1 = 1kΩ、R2 = 100kΩ、R3 = 100kΩ、R4 = 1kΩ（半固定抵抗） とすれば、利得１でオフセットを 0～50mV の範囲で変えられます。
【正】R4を可変抵抗にすると利得も変わってしまうので「利得１で」というのは誤りです。正しくは、「R1 = 1kΩ、R2 = 100kΩ、R3 = 100kΩ、R4 = 1kΩ として、V1 を 0V～5V の範囲で変えれば、利得１でオフセットを 0～50mV の範囲で変えられます」です。

お礼

重ね重ねありがとうございます。
この回路を元に、汎用的な計装アンプ（もどき）を考えて見たいと思います。

回答No.2

KEN_2

5V単電源利用で0vからの出力範囲は得られません。
直線性を考えると、+0.2Vから+4.8V程度の範囲で利用するのが定石です。

ではどういう回路で対応するかというと、
１．単電源で2.5Vの仮想中点電圧を作り、opアンプの+端子に印加する。
　+2.5Vを中心に動作させる。（出力側は同様に+2.5Vを仮想中点で処理する。）
２．±の両電源で動作させる。
　±電源が必要になりますが、この場合0V付近の問題は発生しません。

センサーの仕様と出力電圧の利用目的が明確なら、単電源で別に最適な方法
があろうかと思います。

お礼

適切なご助言をありがとうございます。
実際問題として、センサの直線性もあり、およその範囲として、0Vから電源電圧と表現させていただきました。
仮想中点で少し考えて見たいと思います。

回答No.1

inara1

オペアンプの入力電圧が0Vのとき、出力に20mVが出るのですか？
その20mVというのは出力電圧が（負電源側に）飽和している電圧で、オフセット電圧によるものではありません（LM2904のオフセット電圧は最大7mVです）。データシート（http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM358.pdf）の4ページの一番上の表にOutput Voltage Swing（出力電圧振幅）という項目がありますが、そのVOLというのが負電源電圧側の飽和電圧（出力電圧-負電源電圧）で、その最悪値は20mVなので、入力電圧が0Vのとき、出力に20mV出るというのはおかしくありません（そのオペアンプはたまたま悪いものだったわけですが）。

LM2904は出力電圧が負電源電圧ぎりぎりまで出るオペアンプですが、それでも20mVくらいの電圧は残ります。そのため、単電源で使っている限り、オペアンプのオフセット調整法に出ている方法を使っても出力電圧を0Vにすることはできません（入力回路のオフセット電圧でなく出力回路の問題なので）。LM2904を両電源（±5Vとか+5V/-1V）で動作させれば、入力電圧が0Vのとき、出力が0Vとなるように調整できます。ただし非反転バッファの後にもう１個オペアンプをつけます。利得が1を若干下回ってもいいのなら、オペアンプ１個でオフセット電圧を調整することも可能です。あるいは、オペアンプの負荷が軽いのなら、Rail-to-Rail入出力を謳っているCMOSオペアンプを単電源で使うという手があります。

汎用性を持たせたいのなら、オペアンプを両電源で使ったほうがいいです。

お礼

適切なご助言、ありがとうございます。
確かに両電源を使えば良いのですか、センサ周りだけのために両電源を使いたくないと思い、考えたしだいです。ちなみに、入力が０Ｖなのではなく、センサの動作範囲においてたまたま20mVほどが出るということです。言葉足らずをお詫びします。