電検3種の過去問を勉強していたのですが、この問題わかりません。

オペアンプ忘れたし、シュミットトリガ回路知らないし。

 

ということで調べた結果をメモします(間違っていたらすみません)。

 

問題を解く前に基本的なところから。

 

1.オペアンプ

・入力の差が増幅されて出力される

・出力はオペアンプの電源電圧で頭打ち(下図なら±V)

(下図の場合)

      ・Vin(+)>Vin(-) なら出力は+V

      ・Vin(+)<Vin(-) なら出力は-V

 

2.比較回路

・信号Vinが基準電圧Vsと比べて大きいか小さいかを出力する回路

課題:この回路では、信号にノイズがあるとき、出力が乱れる

解決策:シュミットトリガ回路

 

 

3.シュミットトリガ回路

 

・基準電圧を出力との分圧にすることで、Vout(±V)によって基準電圧Vs'にヒステリシスを持たせる

      

・出力が右下の図のようなヒステリシスを持ち、信号のノイズに強くなる

 

 

 

長くなりましたが、以上で前置きを終わります。

ここまでわかれば問題の意味が理解できると思います。

 

 

 

では問題を解きます。

 

1.まず問題文の

「演算増幅器には+5Vの単電源が供給されており,0Vから5Vまでの範囲の電圧 を出力できるものとする。」は、

オペアンプの電源は0Vと5Vなので、出力は0Vと5Vで頭打ちです。

(前述のオペアンプで+V=5V、-V=0V)

 

2.問題とは関係ないですが

フィードバックがないとき(シュミットトリガ回路ではなく、単純な比較回路の時)

基準電圧は2.5Vになります。

(5Vを10kΩと10kΩで分圧

    オペアンプの入力インピーダンスは無限大なのでオペアンプには電流は流れない)

 

   ・Vin<2.5V  Vout=5V(オペアンプの電源電圧 +側)

   ・Vin>2.5V  Vout=0V(オペアンプの電源電圧 ー側)

 

   

 

3.本題です。

基準電圧V+が、出力との分圧でいくつになるか計算します。

(オペアンプの入力インピーダンスは無限大なのでオペアンプには電流は流れない)

計算方法は好きにしてください。

 

(計算例)

出力が5Vでも0Vでも、10kΩと20kΩの並列 + 10kΩの直列であり、電圧は5Vです。

合計の抵抗を計算すると16.6666666666kΩ

電流は5V/16.66666666kΩ=0.3mA

 

10kΩの抵抗の電圧降下は10kΩ×0.3mA=3V

 

ということで、

Vout=0Vの時、v+=2V

Vout=5Vの時、v+=3V 

 

 

4.入力電圧と、求めた基準電圧を比較します。

 

(再掲載)

      Vout=0Vの時、v+=2V

      Vout=5Vの時、v+=3V 

 

Vinが0の時、入力の差は正なので、Vout=5V(オペアンプの電源電圧 +側)

Vout=5Vなのでv+=3V

よって、Vin<3VまではVout=5

Vin>3Vになると入力の差が負になるのでVout=0V(オペアンプの電源電圧 ー側)

 

逆の説明は省略

 

ちなみに、

前述したフィードバックしない単純な比較回路の基準電圧:2.5V

シュミットトリガ回路の基準電圧:2Vと3V

になっています。