オペアンプの使い方について

質問

お世話になります。
0.1Ωの抵抗にかかる電圧を測定したくオペアンプを使って次のような回路を組みました。
図中の1,2,3はオペアンプのピン番号です。(1:out,2:-,3:+)

（*は無視して下さい。）
5V--負荷--+-R(0.1)---GND
********** |
**********in-->3---R3(?)----GND

out<----1---Rf(47K)---2---Rs(10K)---GND

GNDの直前にR(0.1Ω）を入れinとしています。
負荷にはLED+R(220Ω)を１～3組使ってみました。

outの電圧は計算上はinの5.7倍になるはずですがオペアンプにより
計算通りとならず悩んでいます。

【OK】
LM358(R3に1MでOK）※R3が無いとinが0Vでも約3.6V
LM324N(R3無しでOK)

【NG】
NJM4558DD(R3に1MでもNG）※inが0Vでも約3.6V
LT072(R3に1MでもNG）※inが0Vでも約3.6V

NJM4558DD、LT072では動作しないのはなぜなのでしょうか？
そもそも何か根本的な間違いをしていますでしょうか？

回答No.3

tadys · ベストアンサー

LT072というオペアンプは見つかりません。
TL072の間違いではないでしょうか。

NJM4558もTL072も単電源での使用は考慮されていません。
コモンモード入力電圧レンジ（Vicm又はVicr)が電源電圧を含まないと単電源では使用できません。
電源電圧を±１０V～±１５Vぐらいで使えば動作するでしょう。

LM324とLM358の違いは324は４回路、358は２回路で、個々の回路の等価回路は同じものですね。
358で１Mが必要で、324で必要ないというのはたまたまそうなっただけで、たくさん作った時にどうなるかは分からない事を示しています。

直流電圧を正確に増幅しようとする場合は電圧オフセットと電流オフセットについて考慮しなければなりません。

電圧オフセットとは、反転入力と非反転入力を同じ電圧にした場合でも入力に有る電圧が加わっているように見える事で、LM358の場合、最大で7ｍVです。
10ｍVの電圧を測定しようとする場合ですと70％もの誤差が加わる事になります。

電流オフセットとは、反転入力と非反転入力に流れるバイアス電流が異なる事です。
LM358の場合、最大で50ｎAです。
入力につながる抵抗が100ｋΩの場合、最大で5ｍVの電圧差が誤差として入力ピンに加わります。

さらに注意しなければならないのは入力につながる抵抗のアンバランスによるオフセットです。
LM358の場合、入力バイアス電流が最大100ｎA有ります。
反転入力につながる抵抗が0.1Ω、非反転入力につながる抵抗が10ｋΩとすると１mVのオフセットが生じます。
この場合、0.1Ωと入力の間に10ｋΩを接続するとバイアス電流によるオフセットをキャンセルできます。

LM358を使って100ｍVぐらいの電圧を測定しようとすると最大で7％程度の誤差を覚悟する必要が有ります。
10ｍVだったら70％ぐらいですね。

微小電圧の測定を行うのであれば、それに見合ったオフセット電圧のオペアンプを使用する必要が有ります。
さらに、回路によるオフセットが生じないように配慮する必要も有ります。

お礼

大変分かりやすいご回答ありがとうございます。
こちら（http://www.geocities.jp/kuman2600/n3dengen.html）のサイトを参考に電流計を作ろうと思ったのがそもそもの始まりでした。こちらのサイトではLM324Nを使用していますがLM358でも問題ないのでは？と考えてブレッドボードでオペアンプ周りだけ組んだ時に今回の事象にぶつかり困っておりました。
教えていただいた情報をもとにもう少し調べてみます。

回答No.2

tance

A No.1 です。
NJM4558は入出力ともマイナスレールは動作範囲外です。
TL072もそうだったと思います。

R3の有無は、おそらく何か別の要因があるはずです。半田等の接続トラブルとか
0.1ΩのGNDとR3のGNDがつながっていないとか・・・。

何か予定外の事が起こっていないかのチェックが先決です。
R3の有無が動作に影響するということは、それほど考えにくいことなんです。

回答No.1

tance

OPアンプが扱える入力電圧の範囲をチェックしてみてください。
OPアンプにマイナス電源がないとすると、０V付近の信号を
扱うのはそれなりの能力のある（レールtoレール等）OPでないと
できません。

ついでに出力も0Vが出せるものかどうかチェックしましょう。

1MΩの有無での違いは、これだけでは不明です。
0.1Ωと1MΩが並列になるかならないかの違いは普通は
無いと言って良いです。

補足

ご回答ありがとうございます。
一応これらのオペアンプは単一電源で動作するものを選んだつもりですが、レールtoレールについては考慮が漏れていましたので再度確認します。
「1MΩの有無での違い」については他にどのような情報をご提供すれば宜しいでしょうか？
それと回路説明に一部誤りがありました。
LM324NでR3無しと書いている部分ですが、他の回路も同様ですが、R3無しの場合、接続するGNDも無し、です。