第111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（３）－

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（３）－

①はじめに

これまでに取り上げたレベルシフトの例は、入力信号（DCオフセット±0.1V）を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10倍増幅とレベルシフトすることを想定して、出力信号（DCオフセット2.5V±１V）を得る回路でした。

入力DCオフセットは、０Vと１Vの場合を調べましたが、さらに、異なる入力DCオフセット値について考えてみます。入力DCオフセット以外は、これまでと同じ条件です。

②レベルシフトの具体例

反転アンプ、入力－１V±0.1V、出力2.5V±１V

入力DCオフセット－１V、反転アンプ構成の設定です。電源の負側０Vより低い電圧が入力される場合を想定しています。

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－1V±0.1V.asc」を参照してください。

反転アンプ基本回路のまま（レベルシフトなし）では、出力は10V±１Vとなっています。シミュレーション回路では、理想オペアンプ回路ですから、そのまま出力されていますが、実際の５V単電源オペアンプでは、当然、５V以上はクリップされて出力されません。

出力DCオフセットを10Vから2.5Vに「引き下げる」には、－入力側に電圧を印加します。そのためには、反転入力を拡張する必要がありますので、加算反転アンプ構成とします。レベルシフト用に拡張した反転入力からのゲイン設定には任意性がありますが、ここでは解り易くするため、信号入力と同じ10倍としています。レベルシフト用入力に印加すべき電圧は、（10V－2.5V）／10＝0.75Vとなります。

差動アンプ構成によってレベルシフトを実現するには、入力を拡張した「加算差動アンプ」を使います。この回路の動作を考えてみましょう。

反転入力Vin-と非反転入力Vin+、Vref入力を持つ、基本差動アンプ回路の出力Voutは、ゲインをGとして、

Vout＝{（Vin+）－（Vin-）}×G＋Vref

となります。加算差動アンプの場合には、反転入力、非反転入力それぞれで加算演算され、以下のようになります。

Vout＝{（Vin+_A＋Vin+_B）－（Vin-_A＋Vin-_B）}×G＋Vref

Vin-_Aに入力される信号（－１V±0.1V）と、拡張されたVin-_Bに入力されるDC電圧（１V）が、加算されますから、反転入力は、（－１V±0.1V）＋（１V）＝（０V±0.1V）となります。非反転入力は０V、ゲインは10倍、Vref入力は2.5Vですから、出力は、（０V－０V±0.1V）×10＋2.5V＝2.5V±１Vとなります。

非反転アンプ、入力－１V±0.1V、出力2.5V±１V

入力DCオフセット－１V、非反転アンプ構成の設定です。

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－1V±0.1V.asc」を参照してください。

非反転アンプ基本回路のまま（レベルシフトなし）では、出力は－10V±１Vとなっています。シミュレーション回路では、理想オペアンプ回路ですから、そのまま出力されていますが、実際の５V単電源オペアンプでは、当然、０V以下はクリップされて出力されません。

出力DCオフセットを－10Vから2.5Vに「持ち上げる」ためには、オペアンプの＋入力端に電圧を印加する必要がありますから、前回と同様に、抵抗加算回路によって、レベルシフト用の＋入力を追加拡張します。定数も同じにしてあり、レベルシフト用の入力端から出力へのゲインも同じ10倍ですので、2.5V－（－10V）＝12.5Vシフトするためには、12.5V／10＝1.25Vを印加すればよいことになります。

前項の反転アンプの場合と同様、加算差動アンプ構成によって、レベルシフトを実現できます。Vin+_A入力のDCオフセット－１Vを相殺するために、Vin+_B入力に１Vを印加し、Vref入力を使って、出力DCオフセットを2.5Vにします。

今回のまとめ

次回も、引き続き、異なる入力DCオフセット値に対するレベルシフトを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。