反転増幅回路を作る

このページでは、オペアンプを使用した反転増幅回路反転増幅器とも言う)を学習します。電子回路では、信号を増幅する手法はしばしば用いられますが、反転増幅回路は信号増幅の代表的な回路の一つです。

1. 信号の増幅とバイアス電圧

「4-2. PWM信号を作る」で使用した疑似三角波の振幅の範囲は 1/3×VDD2/3×VDD の間、つまり VDD1/3 しかありませんでした。そこで説明したように、PWM信号は図1 のように B点の電圧を変化させることで作ることができます。

三角波からPWM信号を作る様子
図1. 三角波からPWM信号を作る様子

三角波の振幅が小さいと、B点の電圧変化に対する PWM信号のデューティーの感度が高くなります。つまり B点の電圧をちょっと変化させただけで、PWM信号のデューティーが大きく変化してしまいます。B点の電圧変化に対する PWM信号のデューティーの感度を低くしたい場合、三角波の振幅を大きくする必要があります。

以上で述べた場合に限らず振幅の小さな信号を振幅の大きな信号に変えたいケースは、電子回路ではよくあることです。このようなときには増幅回路を使います。このページでは「反転増幅回路」、次のページ「4-5. 非反転増幅回路を作る」では「非反転増幅回路」について学びます。

まずは、増幅回路について学ぶ前に、信号の増幅時に考慮しなければならない「バイアス電圧」について説明したいと思います。図2 は振幅が 1/3×VDD2/3×VDD の三角波です。

小さな振幅の三角波
図2. 小さな振幅の三角波

この図2 の信号を増幅する場合、どの電圧を基準に増幅するかで出力される信号が Vcc 側に偏るか 0V 側に偏るかが変わります。その様子を示したものが図3 です。

基準の電圧による増幅の様子の違い
図3. 基準の電圧による増幅の様子の違い

図3 (a) と同図 (b) はそれぞれ異なる電圧を基準に増幅した様子を示しています。左側の図が増幅前の様子、右側の図が増幅後の様子です。(基準の電圧は青線で示しています。)

この基準の電圧を「バイアス電圧」または単に「バイアス」と言います。通常、バイアス電圧は Vcc0V の真中の Vcc/2 に設定します。

以上のことを踏まえて、次に「反転増幅回路」について学びましょう。


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2. 反転増幅回路の動作

図4 に反転増幅回路反転増幅器とも言う)の回路図を示します。同図 (a) の Vb が先ほど説明したバイアス電圧を与えるための端子です。

反転増幅回路の回路図
図4. 反転増幅回路の回路図

入力端子(Vin)に増幅したい信号を入力し、増幅された信号が出力端子(Vout)から出力されます。先ほども言いましたが、Vb端子に入力される電圧はバイアス電圧です。バイアス電圧は直流電圧で、適切に電圧値が設定されていれば正しく Vin の電圧は増幅されます。

そのため、バイアス電圧は省略され図4 (b) のようにしばしば回路図が描かれます。バイアス電圧を入力すべき端子はグランドに接続されていますが、これは交流電圧の成分は何も入力されていないという意味で、適切にバイアス電圧が入力されていることを前提としています。

図4 の回路の VinVout の関係式は式(1) のように表されます。

数式(1) ・・・ (1)

ここで、式(1) にマイナスの符号が付くことに注意してください。この符号の意味は、入力した信号が反転して増幅されるということです。

例えば R2 の抵抗を R1 の 2倍の抵抗値にした場合(R2 = R1 × 2)、式(1) より Vout = -2 × Vin となります。これを図で表すと下図のようになります。

反転増幅回路の電圧増幅の様子
図5. 反転増幅回路の電圧増幅の様子

図5 は入力信号を三角波、バイアス電圧を Vcc/2 としたときの結果で、出力電圧は振幅が入力の 2倍で反転した波形が得られます。

それでは次に、実際に反転増幅回路反転増幅器)を作り実験してみましょう。

3. 反転増幅回路の実験

図6 に、疑似三角波を発生する回路の回路図を示します。図中 Vtri が、疑似三角波が出力される端子です。

疑似三角波を発生する回路
図6. 疑似三角波を発生する回路

また、図7 に反転増幅回路反転増幅器)の回路図を示します。図中 Vin が疑似三角波が入力される入力端子で、Vout が増幅された信号が出力される出力端子です。

反転増幅回路(反転増幅器)
図7. 反転増幅回路(反転増幅器)

図7 の Vbバイアス電圧で、電源 Vcc0V の間に同じ値の抵抗が直列接続されているため、抵抗分圧より Vb = Vcc/2 となります。また、R7R8 の半分の抵抗値ですが、1.5 kΩの抵抗2本を並列接続することで 0.75 kΩの抵抗とすることができます。

図6 の Vtri端子と図7 の Vin端子を接続し、ブレッドボード上に回路を構成した様子を図8 に示します。

反転増幅回路を構成した様子
図8. 反転増幅回路を構成した様子

まず、オシロスコープで入力信号である Vin (Vtri) 端子の電圧を確認します。Vin (Vtri) 端子の電圧を見た様子を図9 に示します。

オシロスコープの画像(1)
図9. オシロスコープの画像 (1)

※ オシロスコープの入手方法については、実践編「1-5. 格安オシロスコープ」をご参照ください。

続いて、出力端子 Vout の電圧を確認します。Vout端子の電圧を見た様子を図10 に示します。

オシロスコープの画像(2)
図10. オシロスコープの画像 (2)

図9 と図10 の波形を見比べると、信号が2倍に増幅されていることが分かると思います。以上が反転増幅回路反転増幅器)の説明です。