【オペアンプ】差動増幅器と絶対値回路(加算+半波整流)の特徴と用途

組み込みエンジニア

こんにちは、ENGかぴです。

オペアンプを差動入力することでアナログ入力に対してコモンモードノイズの除去などのメリットがあるためCTなどの微弱な電圧を受ける際に設置されることがあります。絶対値回路は正弦波の絶対値をとりピーク電圧から処理を判定させる用途などで使用します。

オペアンプの基礎回路としての差動増幅器の考え方と加算回路と半波整流回路の応用である絶対値回路について説明しています。

下記リンクではオペアンプで押さえておきたい基本特性と基本回路や私が経験してきたオペアンプの応用回路に関するリンクをまとめています。興味があればご覧ください。

【オペアンプ】押さえておきたい4つ基本特性と3つの増幅回路

ルネサスエレクトロニクスのUPC258G2をもとにシミュレーションを行っています。また産業用の機器のアナログ回路を対象としており入力電圧の周波数は50Hz(60Hz)をベースにしています。

差動増幅回路

差動増幅回路の説明

差動増幅回路の特徴:

  • 差動入力電圧V2-V1をゲインA倍に増幅
  • 低出力インピーダンス
  • 実現可能なゲインは0<A<1000
  • 実用的には0.1<A<10程度

用途:電圧増幅、コモン・モード電圧除去、アナログ演算(減算)

差動増幅回路は入力電圧の差であるV2-V1を増幅して片側接地(シングルエンド)で出力します。+ピンと-ピンから見たとき非反転増幅回路と反転増幅回路の合成となります。R1=R3、R2=R4として説明します。

差動増幅回路の説明2

V1を接地すると非反転増幅回路になります。A点の電圧は$$V_A=\frac{R_2}{R_1+R_2}V_2$$となるので出力電圧は$$V_{O}=(1+\frac{R_2}{R_1})V_A=\frac{R_2}{R_1}V_2$$

差動増幅回路の説明3

V2を接地すると反転増幅回路になります。B点の電圧は$$V_O=-\frac{R_2}{R_1}V1$$

全体の出力はこれらのVoを重ね合わせたものになるので$$V_{OUT}=\frac{R_2}{R_1}(V_2-V_1)$$になります。この式から分かるように2つの電圧の減算になります。

差動増幅回路はグランドから浮いた信号の増幅に使用することが多いです。片側をグランドにして使用することもありますが、その場合はコモン・モード電圧の除去の目的で使用します。

抵抗比でゲインが決まりますが+ピンと-ピンの電圧の差を増幅することになるので原則としてR1=R3、R2=R4となるように回路を構成します。以下で説明するコモン・モード電圧の除去や入力バイアス電流の補償の効果があります。

コモン・モード電圧の除去

コモンモードノイズの説明図

コモン・モード電圧はグランドの電位差や外来ノイズなどによって発生し、電源のプラスとマイナスに同じ向きに波及していきます。

片側接地の信号源においても電線が長くなったり劣化することで浮遊容量によってグランド間に電位差が生じコモン・モード電圧の原因になることがあります。

一般的にはチョークコイルなどのインダクタンスを挿入したりすることでプラスとマイナス間のノイズを相殺することで対策を行います。

コモンモードノイズの説明図2

差動増幅回路はプラスとマイナスの両入力に同じ電圧を入力した場合は相殺されることからコモン・モード電圧を除去することができます。

また同特性の入力となるので入力バイアス電流の低減からオフセット電圧を抑えることができます。

ノーマル・モード電圧の除去

ノーマルモードノイズの説明

信号ライン間や電源ライン間に発生するノイズで、電源のプラスとマイナスの線において逆向きになります。

一般的にはバイパスコンデンサやフェライトビーズを使用して対策を行います。

差動増幅回路ではノーマル・モード電圧を相殺することはできずに増幅してしまう可能性があります。ノーマル・モード電圧の除去をするにはコンデンサを追加することが有効です。注意事項としては+ピンと-ピンの特性にずれが生じないようにすることです。

ノーマルモードノイズの対策例

ノーマル・モード電圧を除去するために差動増幅回路にC1のセット若しくはC2のセットによるコンデンサを追加することで対策ができます

片一方のみコンデンサをつけた場合はコモン・モード電圧さえも増幅することもあるため必ず特性を合わせるようにしなければなりません。温度によって静電容量変化が生じにくくするために温度補償特性を持つコンデンサを使用するとよいでしょう。(セラミックコンデンサの場合はC0Gクラス)

C2のセットによる対策をしようと設計していたのですが、片一方のコンデンサを忘れてしまっておりノイズの影響が大きくなってしまう失敗をしたことがあります。うっかりミスにご注意ください!

シミュレーション

差動増幅回路のシミュレーション1
差動増幅回路のシミュレーション1

差動増幅回路の動きをシミュレーションしてみます。+ピンと-ピンに向かって同じ電圧AC1V(波高値)50Hzを入力すると出力は0になっていることが分かります。もう一つの例を見てみます。

差動増幅回路のシミュレーション2
差動増幅回路のシミュレーション2

グランドから浮いた電圧を差動増幅回路に入れてシミュレーションしています。プラス側とマイナス側に同じように電圧が分配されるように抵抗を実装し、+INと-INに対して電圧の比率が1:10になるように9.1kの抵抗で分圧しています。

+ピンと-ピンの差はシミュレーションの橙と緑の差になりAC0.5V(波高値)となります。この電圧をゲイン2で出力するので出力電圧がAC1V(波高値)になっています。

シミュレーション(基準電圧をオフセットする場合)

差動増幅器の基準電圧をオフセットした例
差動増幅器の基準電圧をオフセットした例

差動増幅器はCTセンサーなどの出力を計測する際に使用することがあります。CTは基準電圧(リファレンス電圧)を与えると基準電圧を中央値としてAC波形を乗せて出力する製品があります。

差動増幅器の基準電圧をCTに与えた基準電圧(DC2.5V)と同じにしておくことで基準電圧を中心にしたAC波形を取り込むことができます。

差動増幅器の基準電圧をDC2.5Vではなくグランドにしていた場合は基準電圧のDC2.5Vまでも増幅してしまうため注意が必要です。

シミュレーションではDC5Vでマイコンを動かうことを前提としているため中央値の2.5Vを中心にAC波形が計測できるようにしています。マイコンに取り込む際に電源電圧を超えないようにクランプダイオード(ショットキーバリアダイオードが良い)としてD1とD2を設けると良いでしょう。

クランプした場合の電流制限としてR7を設けておくとよいのですが、この値が大きすぎると後段の入力回路のインピーダンスと分圧することになるので注意が必要です。マイコンのデータシートにはアナログ回路に接続する抵抗に関する注意事項が記載されていることが多いのでチェックしておくと良いでしょう。

絶対値回路

絶対値はオペアンプによる半波整流回路と加算器を応用することで構成できます。絶対値回路はAC入力を全波整流してマイコンに取り込んで一定電圧以上になると通知するような場合に使用することがあります。

絶対値回路(全波整流回路)

絶対値回路(全波整流回路)
絶対値回路(全波整流回路)

絶対値回路は上記の半波整流回路と加算器の応用で構成されます。絶対値回路の特徴は入力電圧V1の絶対値|V1|を出力し、用途は絶対値出力や全波整流、交流-直流変換になります。

半波整流回路の出力電圧Voと元の電圧のV1に対して2:1の比率で重み付き加算することで出力電圧VOUTが得られます。(R3が他の抵抗よりも1/2になっているのでVoが2倍になります。)

VO:V1=2:1であるから$$V_{OUT}=-(2V_O+V1)・・(1)$$となります。式(1)について入力電圧V1の状態について考えていきます。

V1>0の時
半波整流回路の出力はVo=-V1となるので式(1)によりVOUT=V1になります。
V1<0の時
半波整流回路の出力はVo=0となるので式(1)によりVOUT=-V1になります。

VOUT=|V1|になるので全波整流回路になります。絶対値回路ではV1>0の時とV1<0の時の特性を合わせなけばピークの高さがでこぼこになってしまうので注意が必要です。

絶対値回路の使用例:
絶対値回路の後段にコンパレータを置き絶対値の値が一定値を超えたときコンパレータの出力が発生することで異常電圧の検出をしたりするトリガーとして使用できます。

シミュレーション

絶対値回路のシミュレーション1
絶対値回路のシミュレーション1

V1を入力電圧としてAC1V(波高値)50Hzを入力してVoとVOUTの結果をシミュレーションするとVoにおいては反転していますが半波整流されており、VOUTを見ると全波整流されていることが分かります。絶対値回路の使用例についてシミュレーションしています。

絶対値回路の使用例
絶対値回路の使用例

この回路はAC2V(波高値)以上になると後段のコンパレータが動作を始めて矩形波が出力されるようになります。コンパレータがONとOFFの間でチャタリングしないようにヒステリシス特性を持たせています。

この矩形波をマイコンの外部割込みピンに動作のトリガーとして取り込むことで異常電圧時の処理を実行したりできます。

今回はコンパレータでトリガーとして取り込むことを想定したシミュレーションですが、ピーク電圧を掴んでマイコンのアナログ入力で処理を分岐する方法など用途は様々です。

半波整流回路(理想ダイオード)

半波整流回路の説明図

半波整流回路の特徴:

  • V1>0の時ONになり電圧を出力する
  • V1<0の時OFFとなり出力が0になる

用途:半波整流

入力電圧V1の状態変化について説明します。

V1>0の時
オペアンプの出力が負になるのでダイオードD2がONになり反転増幅回路と同じ動きになるのでVo=-V1になります。この時ダイオードD1はOFFです。
V1<0の時
オペアンプの出力が正になるので、ダイオードD1がONになりイマジナリーショートから仮想的に接地したのと同じになるためVo=0になります。この時ダイオードD2はOFFになります。

加算回路

加算回路の説明図

加算回路の特徴:

  • 入力電圧の加減算及び増幅
  • ゲインは抵抗比で決まる
  • 低出力インピーダンス
  • 非反転加算の場合、抵抗が増えて特性も劣化する

用途:電圧の合成、アナログ演算

+ピンと-ピンはイマジナリーショートとするとA点は接地しているのと同じになるので-ピンには電流は流れません。$$\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2}+\frac{V_3}{R_3}+\frac{V_O}{R_f}=0$$ $$V_O=-R_f(\frac{V_1}{R_1}+\frac{V_2}{R_2}+\frac{V_3}{R_3})$$となり、入力の係数倍の加算になります。

加算器は非反転加算も可能ですが、抵抗が減算部と加算部の入力を同数にしなければならないことや+ピンが接地にならないため特性が劣化することがあります。そのため加算回路は反転型がメインとなります。

関連リンク

オペアンプはアナログ入力回路において主役と言っていいほど使用されるため資格試験においてもその特徴を問う問題が出題されます。下記リンクではオペアンプの基本特性と基本回路や私が経験してきたオペアンプの応用回路に関するリンクをまとめています。興味があればご覧ください。

【オペアンプ】押さえておきたい4つ基本特性と3つの増幅回路

【電気電子部門】技術士第一次試験のオペアンプ問題の解説

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最後まで、読んでいただきありがとうございました。

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