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2013年3月22日 (金)

[OPアンプ] 加算回路、減算回路(差動増幅回路)

OPアンプIC活用ノート (トランジスタ技術SPECIAL for フレッシャーズ) のメモ。

p.35~

反転加算

回路構成

  • 反転増幅回路に、入力電圧を新たに追加。
  • 追加した入力は、抵抗を介して、OPアンプの反転入力(-記号側)へ。
  • 出力電圧は、2つの入力電圧を加算した電圧となる。

反転加算回路

原理

反転増幅回路の特徴である「入力電圧に比例した入力電流が流れる」ことを利用。
次のような入力が1つの加算回路(反転増幅回路)を考えたとき、、、

1入力の加算回路(反転増幅回路)

  • 仮想接地により Vm = 0 ボルト。
  • このため、R11 には、Iin1 = Vin1 / R11 の電流が流れる。
  • OPアンプの入力は、インピーダンス高のため電流は流れず、Iin1 は、すべて R2 へ流れる。
  • したがって、R2 の電圧降下は、V2 = Iin1 x R2
  • Vm は 0ボルトなので、
     Vout = 0 - V2
     Vout = - Iin1 x R2
     Vout = - Vin1 / R11 x R2
     Vout = - (R2 / R11) x Vin1
    (これは、反転増幅回路の出力電圧の式。)

同じように、入力電圧を2本にした回路(最初の回路)を考えると、

  • Vm = 0
  • R12 に流れる電流は、Iin2 = Vin2 / R12
  • この Iin2 と、 R11 の電流 Iin1 の両者が R2 に流れるから、
     Vout = 0 - (Iin1 + Iin2) x R2
     Vout = - (Iin1 x R2 + Iin2 x R2)
     Vout = - (Vin1 / R11 x R2 + Vin2 / R12 x R2)
     Vout = - (R2 / R11 x Vin1 + R2 / R12 x Vin2)
  • ここで、R11 = R12 = R2 とした場合、
     Vout = - (Vin1 + Vin2)

特徴

上の式は、入力が複数あった場合でも、同じように計算できる。たとえば、入力電圧をN個とした場合

  • 出力電圧は、
     Vout = - (R2 / R11 x Vin1 + R2 / R12 x Vin2 + ... + R2 / R1N x VinN)
  • ここで、
    R11 = R12 = ... = R1N = R2 (全抵抗値が同じ)なら、
     Vout = - (Vin1 + Vin2 + ... + VinN)
    (入力電圧の合計の反転)
  • また、
    R11 = R12 = ... = R1N (入力の抵抗値すべてが同じ)
    および R2 = R11 / N (帰還抵抗値は、入力の1つの抵抗値のN分の1)なら、
     Vout = - (Vin1 + Vin2 + ... + VinN) / N
    (N個の入力電圧の平均の反転)

注意

  • 個々の入力電圧が小さくても、合計の出力電圧が、出力可能範囲からはみ出す可能性がある。
  • 平均値回路は、この心配がないので、実用的。

非反転加算

回路構成

  • 非反転増幅回路の入力に抵抗を追加。
  • 新たな入力電圧を抵抗を介してOPアンプの非反転入力(+記号側)に追加。
  • 出力電圧は、2つの入力電圧を加算した電圧となる。

非反転加算回路

原理

OPアンプの非反転入力(+記号側)について。

  • 入力される電圧は、Vin1Vin2 の分圧となる。
  • 分圧の計算は次の通り。
    分圧
  • ここで、R3R4 が同じ場合、Vm = ( Vin1 + Vin2 ) / 2 となり、これは平均値回路となる。
  • つまり、OPアンプの非反転入力には、Vin1Vin2 の合計の2分の1が入力される。

OPアンプの非反転入力(+記号側)以外の回路について。

  • 非反転増幅回路である。
  • R1R2 が同じ場合、増幅率 ( 1 + R2 / R1 ) が 2 となり、2倍増幅回路となる。

まとめると、たとえば、R1 = R2 = R3 = R4 = 10k とすると、

  • OPアンプの非反転入力は、( Vin1 + Vin2 ) の 2分の1 が入力される。
  • 非反転増幅回路により、2倍の電圧が出力されるため、( Vin1 + Vin2 ) が出力される。

特徴

  • 信号源同士が干渉する … 一方の信号源の出力電圧変動により、他方の信号源電圧が変動する。
  • 非反転 1倍増幅回路R1 = R2 = R3 = R4 にて、一方の入力を接地すれば、非反転の1倍増幅回路となる。
    これは、抵抗分圧で減衰した後、増幅する動作である。
    これにより、信号源同士の干渉はなくなる。
    非反転1倍増幅回路
  • 非反転の減衰も可能 … 1倍増幅回路を応用し、R3 = R1 および R4 = R2 とすれば、増幅率は、R2 / R1 となる。
    ただし、非反転増幅回路の利点であった、「高入力インピーダンス」は失われる。

減算回路(差動増幅回路)

回路構成

  • 上の非反転の減衰も可能な回路の、R1 左側のGNDを、電圧入力とする。

減算回路(差動増幅回路)

原理

反転増幅と非反転増幅を同時に行う回路。

  • OPアンプおよび R1R2 の側を考えると、- R2 / R1 倍を出力する反転増幅。
  • OPアンプおよび R3R4 の側を考えると、上の非反転の減衰も可能な回路であり、R2 / R1 倍を出力する非反転増幅。
  • 両者を合計すれば、
     Vout = (R2 / R1) x Vin2 - (R2 / R1) x Vin1
     Vout = (R2 / R1) x (Vin2 - Vin1)
    となり、Vin2 から Vin1 を引き、(R2 / R1) 倍した出力となる。

特徴

  • 抵抗によって自由に増幅率が設定できる実用的な差動増幅回路。
  • 出力は、GND を基準とする振幅となる。
    つまり、差動入力、シングルエンド出力の増幅回路(差動-シングルエンド変換回路)。

良い差動増幅回路の条件

  • 2入力の共通成分(同相電圧)をどれだけ除去できるか。
  • このためには、次の条件が必要。
    • OPアンプの同相除去比が高い。
    • 抵抗比のバランス(R2 / r1 = R4 / R3)が良い。
  • 可変抵抗でバランス調整することもある。

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