単電源使用の問題点

オペアンプの説明ではプラス側とマイナス側の両電源を使うことを前提にすることが多いのですが、現実には２つも電源を用意するのは面倒で費用もかさむため、単電源使用がほとんどです。
しかし、両電源が基本のオペアンプ回路を単電源で使うには少々問題があります。

例えば、上記の反転増幅器回路図のように、両電源ではなく単電源で使う場合、増幅率－１０倍でＥｉに０．５Ｖの電圧を印加すると出力はどうなるでしょうか
計算通りとすると、－５Ｖになるはずです。
答えは、負電源がないため、オペアンプ下限飽和電圧の０～０．５Ｖとなり、単電源では計算通りの動作をしません。

反転増幅器の単電源化

反転増幅器を単電源で使う方法の一つに、オペアンプの＋入力電位を、ＧＮＤではなく中間電位にするという方法があります。
動作の電圧基準点を変えて、単電源を見かけ上両電源とみなせるようにするという手法です。
具体的には、以下のようにします。

上記の基準電位Ｖｓを中心に、位相が反転した増幅出力を得ることができます。
基準電位Ｖｓは、電源電圧を抵抗分割で作り出す方法や、より安定化した電圧が欲しい場合はツェナーダイオードなどで安定化した電圧を使います。
ただし、無信号時に、Ｖｓと同じ電圧が常に出力されるので、直流ではなく交流分の増幅に適しています。

非反転増幅器の単電源化

入力電圧Ｅｉが正電圧に限定される以外は両電源時と同じで、電池駆動などの単電源で使いやすいオペアンプ回路です。

単電源でのオペアンプの注意点

単電源では、入力電圧が０Ｖまたは電源電圧付近という極端な電圧で使用することも多くあります。
すると、オペアンプの同相入力範囲外になってしまい、出力が計算通りにならないエラーを起こすことがあります。
入力電圧範囲は、オペアンプが許容する同相入力範囲内に収まるように（例えば１Ｖ以上、電源電圧－１Ｖ以下）、前段出力電圧を調整する必要があります。

オペアンプには、同相入力範囲がＧＮＤ電位まで使えるもの、＋電源電圧まで使えるもの、両方使えるものなどあります。
例えば、汎用オペアンプとして有名な３５８系のＩＣ（例えばＬＭ３５８）は、入力電圧はＧＮＤまで使えますが、＋電源電圧付近では使えません。
参考：同相入力電圧範囲と異常
単電源でオペアンプを使用する場合は、同相入力範囲によく注意しながら設計・使用する必要があります。