ADALM2000で実験しよう！非反転増幅回路 - 半導体事業

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設計アナログ Analog Devices

はじめに

こんにちは！2025年度入社、新人FAEのパワーちゃんです！

本ブログではアナログ・デバイセズのアクティブ・ラーニング・モジュール「ADALM2000」を使用した、オペアンプ (OP97) の評価方法をご紹介します！

第1回のユニティゲイン回路、第2回の反転増幅回路に引き続き、第3回である今回は非反転増幅回路の評価をおこなっていきたいと思います！

ユニティゲイン回路編、反転増幅回路編をまだご覧になっていない方はこちらからご覧ください！　

ADALM2000 で実験しよう！ユニティゲイン回路
ADALM2000で実験しよう！反転増幅回路

事前に準備するもの

今回の評価もアナログ・デバイセズ社が出している「シンプルなオペアンプ回路」という記事を参考におこなっていきます。

今回使用した部品・道具は以下のとおりです。

・ADALM2000

・ブレッドボード

・ジャンパー線

・抵抗1kΩ×2、4,7kΩ、10kΩ

・オペアンプ (OP97)

・ScopyがインストールされたPC

今回は1kΩの抵抗が2つ必要となるので忘れずにご準備ください！

ADALM2000と機能

ADALM2000については第1回のユニティゲイン編で簡単に説明したので、詳しく知りたい！という方はこちらの記事をご覧ください。

ADALM2000 で実験しよう！持ち運べる実験室、ADALM2000

OP97先輩のピン配置

これまでに引き続き、使用するオペアンプ・OP97先輩のピン配置はこのとおりです。スペックなどの詳細は、こちらの製品ページからご確認ください。

非反転増幅回路を評価してみよう！

非反転増幅回路とは？

今回もまずは非反転増幅回路とはどういった回路かという説明から入りたいと思います！第2回の反転増幅回路とはまた構成が変わってきますので、しっかりついてきてくださいね。非反転増幅回路では、入力信号はオペアンプの非反転入力端子に直接接続されます。一方、出力電圧Voutは抵抗R2を介して反転入力端子に戻され、さらに反転入力端子は抵抗R1を通じて基準電圧（一般的にはGND）に接続されます。

このように、出力電圧の一部を反転入力に戻すことで負帰還がかかり、反転入力端子の電圧が非反転入力端子の電圧に近づくように出力が制限されます。その結果、出力は入力信号と同じ極性を保ったまま増幅されることから、「非反転増幅回路」と呼ばれます。

OP97を使用した非反転増幅回路

非反転増幅回路の入力電圧をVin、出力電圧をVoutとしたとき、VinとVoutの関係式は以下のようになります。

\[ V_{\text{out}} = \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{\text{in}} \]

非反転増幅回路の増幅度も、反転増幅と同様にR1とR2の値が重要になってきますが、反転増幅とは違い極性は反転しないので注意しましょう！

ブレッドボードに非反転増幅回路を組んでみよう！

では、これまでと同様に非反転増幅回路を組んでみましょう。

抵抗値は　[R1=1kΩ、R2=1kΩ、負荷抵抗10kΩ]　に設定します。

OP97を使った非反転増幅回路のブレッドボード接続例

実際に作成した非反転増幅回路

こちらがADALM2000のピン配置です。

今回も第1回、2回と同様に

・1+/1-（オシロスコープch1/オシロスコープch1のGND）

・2+/2-（オシロスコープch2/オシロスコープch2のGND）

・GND

・V+/V-（正電源/負電源）

・W1（信号入力1）

のピンを使用します。オシロスコープのch1は入力側、ch2は出力側に接続し、それぞれの波形を見ていきましょう。

ジャンパー線を接続したら、ADALM2000をPCと接続して測定開始です！

今回も

・入力信号周波数：1kHz(Sin波)

・入力信号振幅：2Vp-p

・電源電圧：±5V

上記条件で測定をおこない、これまで同様に入出力電圧波形を見ていきましょう！

今回のR1=1kΩ、R2=1kΩという条件では

\[ \begin{aligned} V_{\text{out}} &= \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) V_{\text{in}} \\ V_{\text{out}} &= \left(1 + \frac{1k}{1k}\right) V_{\text{in}} \\ V_{\text{out}} &= 2 V_{\text{in}} \end{aligned} \]

となるため、増幅度は2倍になります。つまり、入力信号の2倍に増幅された出力電圧波形が得られればいいということになりますね！

それではおなじみのScopyを起動させ、セットアップをおこなっていきます。

今回も前回と同様に、「Signal Generator」と「Power Supply」の2点を設定します。設定条件は以下のとおりです。

・電源電圧：±5V

・入力信号周波数：1kHz(Sin波)

・入力信号振幅：2Vp-p

詳しいセットアップ方法につきましては、前回の記事で解説しているのでそちらをご覧ください。

ADALM2000 で実験しよう！ユニティゲイン回路

実測！非反転増幅回路！

それでは波形を見ていきます。2Vp-pの2倍なので、約4Vp-pの波形が得られるはずです。

Scopyで計測した非反転増幅回路の入出力電圧波形

YES！！
予想どおり、約4Vp-pの出力電圧波形を得ることができました。思いどおりの波形を得ることができると非常に気持ちが良いですね～。

非反転増幅回路のLTspice波形

LTspiceでもばっちり4Vp-pの出力電圧波形が得られました！

※LTspiceではOP97という部品が存在しないため、代替品のOP07を用いて評価をおこなっています。

おまけ：抵抗値を変えてみよう！

反転増幅回路のおまけでは、入力信号を小さくすることによって、クリップした波形からフルでスイングする波形を得ることができました。現在、すでにフルでスイングする波形が得られているので、ここから条件を少しいじって、今度は反対に出力電圧波形をクリップさせてみましょう。今回は、入力信号ではなく、もう一つのアプローチ方法である抵抗値を変更していきたいと思います！

先ほどまでの非反転増幅回路の評価では、R1=1kΩ、R2=1kΩの増幅度2倍でおこなっていました。今回のおまけでは出力電圧波形をクリップするほど増幅させたいので、計算式の分子にあたるR2の値を4.7kΩに変更し、波形を見ていきたいと思います！

抵抗値変更のゲインは、

\[ \begin{aligned} V_{\text{out}} &= \left(1 + \frac{4.7k}{1k}\right) V_{\text{in}} \\ V_{\text{out}} &= 5.7\,V_{\text{in}} \end{aligned} \]

となるため、入力信号の5.7倍の振幅の波形が得られるはずです。入力信号は2Vp-pのため、約11.4Vp-pの出力電圧波形が得られる計算ですが、OP97の特性的に±4V、つまり8Vp-p程度までしか追従できないため、±1~2V程度のクリップした波形が見れそうですね。では実際に波形がどうなったか見ていきたいと思います！