コンデンサマイクの出力をH８CPUのADコンバータに取り込むための増幅器

１．　はじめに

この文書は，コンデンサマイクの出力をH８CPUのADコンバータに取り込むための増幅器について記述している。
キーポイントは
（１）コンデンサマイクの使い方
（２）1000倍増幅回路
（３）H8CPUのADコンバータの入力範囲は0V〜5Vである。増幅器の出力は2.5V中心にする。
（４）レールツーレール片電源OPアンプの活用
の4点である。

２．　コンデンサマイク

コンデンサマイクロフォンとは図２．１に示すような小型のマイクロフォンである。図２．２のような用い方をするが，出力は数mVなので1000倍程度の電圧増幅が必要となる。

図２．１　コンデンサマイクロフォン

図２．２　コンデンサマイクロフォンの使い方

３．　レールツーレール片電源OPアンプ

通常の±２電源OPアンプは，たとえば±15Vの電源を用いても±12V程度までしか出力が出ない。片電源のOPアンプだと＋15V単一電源を用いたとき，0V〜12Vまたは3V〜12Vの出力しかない。もし5V単一電源のOPアンプを用いると，0.5V〜4V程度しか出力が得られない。レールツーレールとは出力がGND（0V）から電源電圧までを保証したOPアンプのことである。

LMC660（片電源OPアンプ四回路が1パッケージになったもの，図3.1参照）,LMC662（2回路が1パッケージになったもの）などが使われる。

図３．１　OPアンプLMC660
「V-」をグランドにつなぐと片電源OPアンプとして使える

４．　OPアンプを用いた反転増幅回路

通常の±2電源を供給しているOPアンプを用いた反転増幅器を図４．１に示す。OPアンプを用いた増幅器で，直感的に動作を理解するためのポイントは２箇所ある。
（１）OPアンプの＋と−のついた２つの入力は同じ電圧に保たれる。
（２）OPアンプの＋と−のついた２つの入力には電流は流れ込まないし，流れ出てもこない。

図４．１の回路では，P点は0Vに保たれる。入力電圧ｘ[V]が加えられると，R1には電位差ｘ[V]が生じ，ｘ/R1の電流が左から右に流れる。もし出力電圧yが存在するとすれば，R2での電圧降下はｙであり，R2に流れる電流は-y/R2となっているはずである。電流はOPアンプの＋入力に流れ込まないので，R1に流れる電流とR2に流れる電流は等しいはずである。よってy=(-R2/R1)xの関係が得られる。

図４．１　OPアンプを用いた反転増幅回路

図４．２は図４．１のR2を「RとCの並列結合」に代えた増幅回路である。しかも交流理論によればコンデンサCは抵抗値が1/(jωC)の抵抗と考えることが出来る。ただしωは周波数，jは虚数単位である。そうすると「RとCの並列結合」は並列抵抗の合成と同等に考えられ，複素インピーダンスZとして表すことが出来る。出力振幅と入力振幅の関係を得るには両辺の絶対値をとればよい。ここで式中に現れる平方根の項は周波数特性を表し，LOWPASS（低域通過）フィルタの動作（図４．３参照）を表している。その結果この増幅回路は，電圧増幅とLOWPASSフィルタの両方の特性をもっている。

図４．２　「図４．１」のR2の部分を「RとCの並列結合」に代えた増幅回路

図４．３　低域通過フィルタの周波数特性
角周波数は対数で表わされている
gainはdBで表されている

５．　片電源動作

もし，入力が2.5Vを中心とし微小な電圧変化x[V]である時は，OPアンプの「-」入力にも2.5Vを入力する。この時出力電圧で2.5Vを中心とする変化分をyとする。この時，Pは2.5Vを保つので，図５．１に示すように2.5Vを中心とする変化分の振幅ｙは，2.5[V]を中心とする微小変化ｘの振幅を増幅したものとなり，やはり低域通過特性をもつこととなる。
H8CPUのADコンバータ入力の入力電圧は0V〜5Vなので，この増幅回路の出力である，2.5Vを中心とする電圧変化が入力されることは都合がよい。またこの回路は，出力を0V〜5Vに限れば，OPOアンプは片電源（5Vのみ供給）で動作できる。

図５．1　片電源動作の低域通過特性を持つ増幅器

６．　片電源OPアンプを用いたH8CPUのADコンバータ用のマイクアンプ

「５」の考え方で，片電源OPアンプを用いたH8CPUのADコンバータ用のマイクアンプを製作したものが図６．１の回路である。
ここでは低域通過フィルタのカットオフ角周波数（1/T=1/(RC)）は1000ｒａｄ/sec（=160Hz）である。
図６．１〜６．５は各部の動作の説明である。

図６．1　片電源OPアンプを用いたH8CPUのADコンバータ用のマイクアンプ

図６．２　コンデンサマイクへの電源供給と直流成分カットのコンデンサ
点PAでは5Vに微小なマイクロフォン出力電圧が乗っている

図６．３　コンデンサマイクの出力を2.5Vを中心とした微小電圧変化に変換
点PBでは2.5Vに微小なマイクロフォン出力電圧が乗っている

図６．４　片電源OPアンプを用いた2段重ねの増幅部分（2.5V中心，低域通過特性）
可変抵抗は倍率を変化させるために使われている
可変抵抗の左側の固定抵抗は可変抵抗の抵抗値が0になった時の保護である

図６．５　5Vから2.5Vを生成している部分
可変抵抗で微小な調整が出来るようになっている

７．　謝辞

この回路は2001年度卒業生の越智君，牧野君と開発した回路である。
本当はカットオフは1000rad/secではなく1000Hzにしたつもりだった。2002年度訂正

2002年度訂正版