第112回：電気・電子回路におけるオペアンプ応用回路　－レベルシフト（４）－

電気・電子回路におけるオペアンプ応用回路　－レベルシフト（４）－

①はじめに

今回は、入力信号のDCオフセットと出力信号のDCオフセットが同じ2.5Vの場合を調べてみます。

これまでと同様に、５V単電源オペアンプ回路（反転アンプ、または、非反転アンプ）で±0.1V を±１V に10倍増幅する設定で考えます。

②レベルシフトの具体例

反転アンプ、入力2.5V±0.1V、出力2.5V±１V

シミュレーション

シミュレーションファイル「レベルシフト_反転_入力2.5V±0.1V.asc」を参照してください。

入力DCオフセット2.5Vが反転10倍されますから、反転アンプ基本回路のままでは、出力は－25V±１Vとなっています。

出力DCオフセットを－25Vから2.5Vに「持ち上げる」ために、27.5V／11＝2.5Vの電圧をオペアンプの＋入力端に印加します。この電圧値は、入出力のDCオフセットに等しくなっていますが、これは偶然ではありません。

第109回で示した一般式を使って確認してみます。

https://www.olinas.co.jp/media/knowledge/a185

反転ゲインをG、入力オフセット電圧をVINofs、出力オフセット電圧をVOUTofs、＋入力端に印可する電圧をVsftとして、

Vsft＝（VINofs×G＋VOUTofs）／（G＋１）

今回の場合、入出力ともに同じDCオフセットVofs ですから、VINofs＝VOUTofs￢＝Vofs、これを代入すると、

Vsft＝（Vofs×G＋Vofs）／（G＋１）＝｛Vofs×（G＋１）｝／（G＋１）＝Vofs

となり、ゲインに関係なく、入出力DCオフセットと等しい電圧値を印加すればよいことが判ります。

差動アンプ構成でレベルシフトする回路も収めてありますが、その特長（入力DCオフセット、アンプゲイン、出力DCオフセットを独立に設定可能）は、今回の条件では意味が無くなっています。

非反転アンプ、入力2.5V±0.1V、出力2.5V±１V

シミュレーション

シミュレーションファイル「レベルシフト_非反転_入力2.5V±0.1V.asc」を参照してください。

入力DCオフセット2.5Vが10倍されますから、非反転アンプ基本回路のままでは、出力は25V±１Vとなっています。

出力DCオフセットを25Vから2.5Vに「引き下げる」ために、－入力側に22.5V／９＝2.5Vを印加します。この電圧値は、入出力のDCオフセットに等しくなっていますが、これも偶然ではありません。

式で確認してみます。ゲインをG、入力オフセット電圧をVINofs、出力オフセット電圧をVOUTofs、－入力側に印可する電圧をVsftとして、一般式は、以下となります。

Vsft＝（VINofs×G－VOUTofs）／（G－１）

前項同様、入出力DCオフセットVofsとして、VINofs＝VOUTofs￢＝Vofs、これを代入すると、

Vsft＝（Vofs×G－Vofs）／（G－１）＝｛Vofs×（G－１）｝／（G－１）＝Vofs

となり、ゲインに関係なく、入出力DCオフセットと等しい電圧値となります。

前項と同様に、差動アンプ構成によるレベルシフト回路を収めてありますが、有用であるとは思えません。反転とするか非反転とするか、はっきりしていない段階での試作などで、反転非反転兼用のアンプを作る場合には、便利な回路かもしれません。

今回のまとめ

入出力のDCオフセットが同じ場合には、反転アンプ、非反転アンプともに、簡潔な回路となりました。これらは、単電源アンプ回路を多段接続する場合に適用できます。

尚、信号グランド（あるいは、仮想グランド）という考え方を導入すれば、見通しがよくなるのですが、これについては、別の機会に取り上げてみたいと思います。

次回は、電源範囲に比べて大きなDCオフセットの場合について取り上げてみたいと思います。

今回取り上げましたサンプルファイルを使うには、アナログ・デバイセズのサイトよりLTspiceをダウンロードしてご利用下さい。