オペアンプの単電源と両電源の違いは？

両電源は0Vを中心に上下に振れ、単電源は0V〜電源の間だけ振れます。単電源で交流を扱うには基準を上げます。

仮想GNDとは何ですか？

単電源の回路で、信号の基準として使う電源の半分の電圧です。5Vなら2.5Vを分圧とフォロワで作ります。

仮想GNDは抵抗2本だけで作れますか？

電流をほぼ取らない+入力のバイアスなら作れます。R1などを戻すなら、フォロワで支えて基準のずれを防ぎます。

単電源で交流を入れるときのコンデンサの値は？

下限の周波数は1÷(2π×R×C)です。100kΩと1μFなら約1.6Hzで、音の信号には十分です。

MCP6002は±5Vで使えますか？

使えません。MCP6002の電源は合計6.0Vまでなので、±5V（合計10V）は範囲外です。±2.5Vまでなら使えます。

両電源のときパスコンはいくつ必要？

V+とGNDの間、V−とGNDの間に1つずつ、電源ピンのすぐ横に置きます。単電源なら1つです。

オペアンプの単電源と両電源｜5Vで交流を扱う仮想GNDの作り方

※本記事にはプロモーション（広告）が含まれています。

オペアンプを 5V の単電源で使うと、0V より下が出せず、交流の下半分が消えます。基準を 2.5V に上げる仮想GND（かそうジーエヌディー）を作れば上下に振れ、作り方はフォロワを入れる方法、全体の回路は11倍にする回路にあります。

オペアンプの教科書や昔の回路図には、±15V や ±5V の「両電源」がよく出てきます。ところが、マイコンの回路では 5V や 3.3V の電源が1つしかないことがほとんどです。

この記事では、両電源と単電源で何が変わるのかを波の図で確かめてから、5V だけでマイクのような交流の信号を大きくする回路を、部品の値まで決めていきます。

結論：5Vだけで交流を扱うには、基準を2.5Vに上げる

5V の単電源で交流の信号を扱う手順は、①2.5V を作る ②入力をコンデンサでつなぐ ③GND につないでいた所を 2.5V につなぎ替える、の3ステップです。

この3つで、出力は 2.5V を中心に上下に動くようになります。理由と部品の値は、このあと順に説明します。

オペアンプの基本の使い方（フォロワ・非反転増幅・5V での組み方）は、連載の前の記事にまとめています。

つまり、仮想GND は「信号の真ん中を、0V から電源の半分にずらす」ための工夫です。

両電源と単電源の違い：電源ピンのつなぎ方

両電源は V+ に +5V、V− に −5V をつなぎます。単電源は V+ に +5V、V− に GND（0V）をつなぎます。オペアンプから見て大事なのは、V+ と V− の差（合計の電圧）です。

オペアンプ自身は「0V」を知りません。見ているのは、V+ と V− の2本の電源ピンの電圧だけです。±5V は、V− を 0V と見れば「10V の単電源」と同じです。

そのため、品種を選ぶときは合計の電圧で見ます。LM358 のデータシートにも、2つの電源の差が推奨の範囲に入れば両電源でも使える、と書かれています。

品種	電源の範囲（V+ − V−）	±5V（合計10V）	5V
LM358（TI）	3〜30V	使える	使える
MCP6002（Microchip）	1.8〜6.0V	使えない	使える
TLV9062（TI）	1.8〜5.5V	使えない	使える

MCP6002 や TLV9062 のような低い電圧向けの品種は、±5V では合計が範囲を超えます。この品種で両電源にするなら、±2.5V（合計5V）までです。

つまり、両電源と単電源は「電源ピンの片方を −にするか、GND にするか」の違い。品種は合計の電圧で選びます。

出力の振れ幅：単電源のままだと、交流の下半分が消える

オペアンプの出力は、V− と V+ の間しか動けません。単電源（0〜5V）で 0V を中心にした波を出そうとすると、0V より下の半分が切れて消えます。

同じ ±2.2V の波（イメージ）を、3つの電源で出したときを比べます。

電源と基準	出したい波	結果
両電源 ±5V・基準 0V	−2.2〜+2.2V	電源の中に入る → そのまま出る
単電源 5V・基準 0V	−2.2〜+2.2V	0V より下が出ない → 半分が消える
単電源 5V・基準 2.5V	0.3〜4.7V	電源の中に入る → そのまま出る

マイクの音・振動センサー・交流の電流を測る回路など、基準より上と下にゆれる信号は、単電源のままだとこの失敗が起きます。

この続きと一緒に読まれている記事

つまり、単電源で交流を扱うには、波の真ん中（基準）を電源の中に持ち上げる必要があります。

基準を真ん中に置く理由：上と下のゆとりをそろえる

基準を持ち上げるなら、電源のちょうど真ん中（5V なら 2.5V）が基本です。波は、上と下のゆとりの小さい側から先に切れるからです。

基準	上のゆとり	下のゆとり	上下に同じだけ振れる幅
2.5V	2.5V	2.5V	±2.5V
1V	4V	1V	±1V（下で切れる）
LM358 で 2.5V	1.0V（上限約3.5V）	2.5V	±1.0V（上で切れる）

出力が電源の端まで届かない品種では、届く範囲の真ん中が最適になります。LM358 を5V で使うと、出力の上限は約3.5V（データシートの値。電源から約1.5V 下）なので、一番広く振れる基準は 1.75V です。ただ、部品を増やさず扱いやすいのは 2.5V なので、ふつうは「2.5V ＋出力が端まで届く品種」の組み合わせにします。

仮想GND（かそうジーエヌディー）とは：基準を0Vから2.5Vにずらすこと

仮想GND は、単電源の回路の中に作る「信号の基準の電圧」です。両電源の回路で GND につないでいた所を、全部この 2.5V につなぎ替えます。

左右の回路は、同じ「交流を11倍にする回路」です。違うのは、Rb（+入力の抵抗）と R1 の下の端の行き先と、電源だけです。

	両電源の回路	単電源＋仮想GND の回路
電源	+5V と −5V	+5V と GND
Rb・R1 の行き先	GND（0V）	仮想GND（2.5V）
出力の真ん中	0V	2.5V

電源の GND（0V）は、オペアンプの V− ピンや、パスコンの片側など「電源としての GND」にはそのまま使います。信号の基準だけを 2.5V に移す、と考えると混乱しません。

つまり、仮想GND は「信号用の 0V の代わり」。電源の GND とは役目を分けて使います。

仮想GNDの作り方1：抵抗2本で分けて、コンデンサで安定させる

一番かんたんなのは、5V を同じ値の抵抗2本で分ける方法です。10kΩ＋10kΩ なら 2.5V。流れる電流は 5V÷20kΩ＝0.25mA です。下の抵抗と並べて10μF のコンデンサを入れ、電源のゆれを吸わせます。

コンデンサは、電源の 5V にのったノイズが 2.5V に伝わるのをおさえます。分圧を外から見た抵抗（10kΩ と 10kΩ の並列で 5kΩ）と 10μF で、約3.2Hz より速いゆれを落とす計算です。

抵抗の値を大きくすると電流は減りますが、次に説明する「ずれ」が大きくなります。抵抗の値の決め方は、分圧の記事にくわしく書いています。

つまり、分圧＋コンデンサは部品3つで作れる一番安い仮想GND。ただし、電流をほとんど取らない所にしか使えません。

分圧だけの弱点：電流が流れ込むと、2.5Vがずれる

分圧で作った 2.5V は、外から見ると「2.5V の電池に 5kΩ の抵抗がつながったもの」と同じです。そこに電流が流れ込むと、5kΩ で電圧がずれます。

+入力のバイアス（Rb）のように、オペアンプの入力にしかつながらない所なら、流れる電流はほぼ0なので問題ありません。一方、R1 や、つなぐ先の回路を 2.5V に戻すと、信号の電流がそのたびに出入りします。基準がゆれて、出力の波がひずんだり、ゲインがずれたりします。

流れ込む電流	分圧だけ	分圧＋フォロワ
0mA	2.50V	2.50V
0.1mA 入る	3.00V	ほぼ 2.50V
0.1mA 出る	2.00V	ほぼ 2.50V

仮想GNDの作り方2：分圧のあとにフォロワを入れる（おすすめ）

分圧の 2.5V をフォロワ（ボルテージフォロワ）で受けると、電流が出入りしても 2.5V のままになります。2回路入りのオペアンプの余った側を使えば、部品はほとんど増えません。

フォロワの入力は電流をほとんど取らないので、分圧は 2.5V のまま保たれます。信号の電流の出し入れは、フォロワの出力が引き受けます。

つまり、迷ったら「分圧＋フォロワ」。R1 やつなぐ先を戻しても、基準がずれません。

仮想GNDの作り方3つのくらべ：専用ICという方法もある

仮想GND 専用の IC もあります。TI の TLE2426 は「レールスプリッタ」と呼ばれる3本足の IC で、入力の電圧（4〜40V）のちょうど半分を出し、標準で20mA まで電流を出し入れできます（データシートの値）。

	分圧＋コンデンサ	分圧＋フォロワ	専用IC（TLE2426）
部品	抵抗2本＋C	抵抗2本＋C＋オペアンプ	IC 1個＋C
電流の出し入れ	ほぼできない	数mA までできる（目安）	約20mA（標準）
基準のずれ	流れる電流でずれる	ほぼずれない	ほぼずれない
向く所	+入力のバイアスだけ	R1・つなぐ先の基準	部品を減らしたい時
注意	内部抵抗に気をつける	出力の容量に Riso	電源 4V 以上が必要

5V の回路でオペアンプを1個使うなら、2回路入り（MCP6002 など）の A 側をアンプ、B 側を仮想GND にするのが、部品も費用も少なくて済みます。

入力はコンデンサでつなぐ：直流を止めて、波だけを通す

交流の信号源（マイクなど）は 0V を中心にゆれ、オペアンプの+入力は 2.5V にしたい。この2つを、コンデンサ（Cin）でつなぎます。コンデンサは直流を通さず、波は通すからです。

Cin の入力側は 0V 中心、オペアンプ側は Rb（100kΩ）で 2.5V に引っぱられています。Cin が直流の差（2.5V）を受け持つので、オペアンプの+入力には「2.5V を中心にゆれる波」が届きます。

この fc（カットオフ周波数）より十分に速い波は、ほぼそのまま通ります。人の声は数百Hz 以上なので、約1.6Hz なら十分です。反対に、直流（0Hz）やゆっくり変わる信号は通らないので、温度センサーのような直流の信号には使えません。

抵抗とコンデンサの組み合わせで周波数を決める考え方は、RC 時定数の記事でくわしく扱っています。

つまり、コンデンサ結合は「直流の高さのちがいをコンデンサに預けて、波だけを渡す」つなぎ方です。

5Vだけで交流を11倍にする回路：部品の値を決める

非反転増幅の Rb と R1 の行き先を 2.5V にすれば、5V だけで交流を大きくできます。R1＝10kΩ・R2＝100kΩ ならゲインは 1＋100÷10＝11倍です。

直流（基準）はどうなるでしょうか。+入力は Rb で 2.5V、R1 の下の端も 2.5V です。オペアンプは+と−をそろえるので、出力の直流も 2.5V に落ち着きます。直流は1倍のまま、波だけが11倍になるわけです。

GB積（ゲインと周波数のかけ算がほぼ一定になる性質）が1MHz の MCP6002 なら、11倍で使えるのはおよそ 1MHz÷11≒91kHz までが目安です。音の信号には十分です。

各点の波形：A入力 → B+入力 → C出力

回路図の A・B・C の3か所で、波がどう変わるかを見ます（大きさは説明のためのイメージ）。

場所	波の中心	波の大きさ
A 入力（Cin の前）	0V	±50mV
B +入力（Cin の後）	2.5V	±50mV
C 出力	2.5V	±0.55V（1.95〜3.05V）

次の回路に 0V 中心の波を渡したいときは、出力のあとにもコンデンサ（例：10μF）を入れます。つなぐ先が10kΩ なら、下限の周波数は約1.6Hz です。マイコンの A/D 変換にそのまま入れるなら、2.5V 中心のままの方が、0〜5V の目盛りを上下に使えて好都合です。

レールtoレールとの関係：大きな波を出すなら、出力が端まで届く品種

基準を 2.5V にしても、出力が電源の端まで届かない品種では、大きな波の頭が切れます。LM358 は5V で出力の上限が約3.5V なので、±2.2V の波は上が切れます。

品種（5V で）	出力が届く範囲（データシートの条件）	±0.55V の波	±2.2V の波
MCP6002	約0.025〜4.975V	OK	OK
TLV9062	電源から約0.02V の所まで	OK	OK
LM358	0V 近く〜約3.5V	OK	上が切れる（4.7V ＞ 3.5V）

数字は、データシートに書かれた条件（電源電圧・つなぐ先の抵抗）での値です。つなぐ先の抵抗が小さい（電流をたくさん取る）ほど、端まで届きにくくなります。

入力側も同じで、LM358 の入力は電源から1.5V 下まで、MCP6002 と TLV9062 は電源の外側まで少し使えます。2.5V を中心に小さく振れる信号なら、どの品種でも入力は問題ありません。

つまり、5V の単電源で大きく振りたいなら「仮想GND ＋レールtoレール」がセットです。

パスコンの位置：電源ピンのすぐ横に。両電源なら2つ

パスコンは、オペアンプの電源ピンのすぐ横に置きます。単電源なら V+（8番）と GND の間に1つ、両電源なら V+ と GND、V− と GND の間に1つずつ置きます。

MCP6002 のデータシートでは、0.01〜0.1μF のコンデンサを電源ピンから2mm 以内に、1μF 以上のコンデンサを100mm 以内に置くように書かれています。

	単電源（5V）	両電源（±5V）
パスコンの数	1つ（8番と GND の間）	2つ（8番と GND・4番と GND）
4番（V−）	GND に直接	−5V。ここにもパスコン

仮想GND の 10μF は、基準のゆれを吸うためのものです。電源のパスコンの代わりにはならないので、両方とも入れます。パスコンをなぜ IC のすぐ近くに置くのかは、デカップリングコンデンサの記事にまとめています。

つまり、パスコンは「電源ピンの数だけ、ピンのすぐ横に」。仮想GND のコンデンサとは別に入れます。

MCP6002 1個で組む：A側でアンプ、B側で仮想GND

2回路入りの MCP6002 なら、A 側（1〜3番）を11倍のアンプ、B 側（5〜7番）を仮想GND のフォロワにして、IC 1個で組めます。

ピン	つなぐもの	ピン	つなぐもの
1 出力A	C 出力・R2 の片側	8 V+	+5V（0.1μF のパスコン）
2 −入力A	R1（10kΩ）・R2（100kΩ）	7 出力B	仮想GND（R1・Rb の下の端へ）
3 +入力A	Cin（1μF）・Rb（100kΩ）	6 −入力B	7番とつなぐ（フォロワ）
4 V−	GND	5 +入力B	分圧（10kΩ＋10kΩ）の 2.5V・10μF

組んだら、テスターの黒を 4番（GND）に当て、直流の電圧を測ります。7番が 2.50V、1番も 2.50V 近くなら、基準ができています。1番がほぼ 0V や 5V に張り付いているときは、R1 と Rb の行き先（7番になっているか）と、6番と7番のつなぎを見直します。

測る所	例	道具
7番（仮想GND）	2.50V	テスター（直流）
1番（出力A）	2.50V	テスター（直流）
1番（出力A）	2.5V を中心に ±0.55V の波	オシロスコープ

数値は計算から出したイメージです。抵抗のばらつきで、2.5V は少しずれます。

よくある失敗4つ：GNDに戻す・分圧だけ・容量で発振・合計の電圧

仮想GND の回路で多い失敗は、R1 を GND に戻す・分圧だけで電流を流す・フォロワに大きなコンデンサを直結する・合計の電圧が範囲外の品種を選ぶ、の4つです。

失敗1：R1 を GND に戻した

Rb は 2.5V なのに R1 が GND だと、2.5V の直流まで11倍されて、出力が5V に張り付きます。R1 も仮想GND へ戻します。

失敗2：分圧だけで R1 を戻した

信号の電流が分圧に流れ込み、基準がゆれます。R1 やつなぐ先を戻す所は、フォロワで支えた仮想GND にします。

失敗3：フォロワに大きなコンデンサを直結した

μF のコンデンサをフォロワの出力に直接つなぐと、発振やリンギング（波のゆれ）が起きやすくなります。Riso をはさむか、コンデンサを分圧の側に置きます。

失敗4：±5V に、6V までの品種を使った

MCP6002 は合計 6.0V までなので、±5V（合計10V）では範囲外です。両電源にするなら合計の電圧で品種を選びます。

つまり、動かないときは「7番の 2.5V → R1・Rb の行き先 → 電源の合計」の順に確かめると、早く原因にたどり着けます。

両電源	+5V と −5V のように、＋と−の2つの電源でオペアンプを動かすこと
単電源	+5V と GND（0V）の2本だけで動かすこと。片電源とも呼ぶ
基準（きじゅん）	信号の「真ん中」にする電圧。両電源なら 0V
仮想GND	単電源の回路の中で、基準として使う電源の半分の電圧（5V なら 2.5V）
交流（こうりゅう）の信号	マイクの音のように、基準より上と下にゆれる信号
コンデンサ結合	コンデンサを間にはさんで、直流を止めて波だけを通すつなぎ方
フォロワ	出力が入力と同じ電圧になるオペアンプの回路。電流を出し入れできる
レールtoレール	出力（や入力）が、電源の端（0V や 5V）のすぐ近くまで届く性質
パスコン	IC の電源ピンのすぐ近くに置くコンデンサ。電源のゆれを吸う