オペアンプICとは？
オペアンプは、ゲイン（増幅度）がとても大きな「増幅回路」をICにしたものです
早い話・・・高ゲイン、高性能な「アナログアンプ」ICです
オペアンプを使う利点
- 2つの抵抗（Rs,Rf)によって「ゲイン」を決められる
- 増幅回路の難しい部分を既に開発、テスト済み
- 設計に重要なポイントに集中できる
- 「プロフェッショナル」設計した、高クォリティ回路を手軽に使える
- IC化によって増幅回路の集積率が上がる
- 量産ICならば、コストパフォマンスは高い
- など・・・
現在では、アナログ回路の多くで「オペアンプ」が使われています
そのため、「オペアンプ」の使い方を学ぶことは、エンジニアならず
「電子工作」でも必須と言えるでしょう
オペアンプの用途
オペアンプの代表的な使い方は
- 反転増幅回路
- 非反転増幅回路
- 差動増幅回路
- コンパレーター（比較器）
です
反転増幅回路、非反転増幅回路は下記で詳しく解説します
差動増幅回路は、「バランス入力」を持った増幅回路です
コンパレーターは、電圧どうしの「比較回路」です（A/Dコンバータなどで使われます）
オペアンプの基本
それでは、オペアンプの基本的な「動作」を見ていきましょう
このブログでは動作のイメージについて解説します
回路図を見て、どのように動作しているか「参考」になれば幸いです
※簡単な低周波回路などでは、十分な場合も多いです
オフセット、具体的な位相補償など「高度なトピック」については
専門書に譲ることにします
オペアンプは「入力2つ、出力1つ」
オペアンプは2つの入力端子
- 反転入力 （－）
- 非反転入力（＋）
を持っています、
また「出力は一つ」だけです
それぞれの入力がどのように動作しているか、見ていきましょう
反転入力に入力してみる
反転入力端子に0.01Vの電圧をかけると
- 反転した（逆相）出力が得られる
- ほぼ、いっぱいまで振れている＝ゲインがとても大きい
オペアンプは「ゲインがとても大きく」、出力可能な電圧いっぱい振れることが判ります
（一部の品種を除き「最大出力電圧」は、電源電圧より数V低くなります）
非反転入力に、入力してみると
今度は非反転入力端子に0.01Vの電圧をかけてみます
- 同じ波形の（同相）出力が得られる
- 出力は、いっぱいまで振れている
非反転入力も、波形が同相で「ゲインが大きい」ことが判ります
バーチュアル・ショート
知っておきたい「オペアンプの重要な性質」として、バーチャル・ショートがあります
バーチャル・ショート
オペアンプが正常に動作している時
非反転入力（+）と反転入力（ー）は同電位
になります
※逆に言えば「非反転入力と反転入力」間の電圧は「0V」になります
オペアンプを使った「反転増幅回路」
反転増幅回路の特徴
- 入力と反対の極性（逆相）出力が得られる
- 入力インピーダンスを低くできる
- 電流/電圧変換回路として使える
- 信号源のインピーダンスが低ければ、高S/Nが得やすい
- （非反転増幅回路より）設計難易度が低い
- など・・・
反転増幅回路は、オペアンプ回路の入門としては、最適かもしれません
「反転増幅回路」の動作を見る
「反転増幅回路」動作を順を追って見ていきましょう
①入力に（+0.1V）電圧が印加される
A点にプラスの電圧がかかり、出力はマイナス側に振れます
②バーチャル・ショートでA=B
出力が止まるポイントは電圧が（A=B）となったときです
反転増幅回路では「B点=0V」（GND)ですから
A点=B点=0V
この電圧で「バーチャル・ショート」が成立し、出力下降が止まります
③Rsに0.1ｍAの電流（Is）が流れる
入力＝0.1V、A点＝0V、Rs=1KΩですから
Rsに0.1ｍAの電流＝Isが流れます
④Isは、ほぼ全てRfを流れる電流Ifとなる
オペアンプの入力抵抗は非常に高く、Isは「ほぼ全て」Rfを流れます
Is=Ifとなるまで「出力がマイナス」に振れます
⑤IsｘRfの逆相電圧が出力
10KΩで0.1ｍA流れるには
10KΩｘ0.1ｍA = 1V（逆相）
これは入力電圧を（Rf/Rs）倍した値と同じです
反転増幅回路の「入力インピーダンス」
入力インピーダンスは、A点が0V(GND)ですから、
Rsの値になります
オペアンプを使った「非反転増幅回路」
非反転増幅回路の特徴
非反転増幅回路の特徴
- 入力と同じ極性（同相）出力が得られる
- 入力インピーダンスを高くできる
- など・・・
非反転増幅回路は、反転増幅回路に比べよく使われます
まさに、オペアンプ増幅回路の「スタンダード」と言えるでしょう
「非反転増幅回路」の動作を見る
今度は「非反転増幅回路」動作を順を追って見ていきましょう
①入力に（+0.1V）電圧が印加される
B点にプラスの電圧がかかり、出力はプラス側に振れます
②バーチャル・ショートでA=B
出力のスイングが止まるポイントは、電圧が（A=B）となったときです
非反転増幅回路では「B点=0.1V」（入力電圧)ですから
A点=B点=0.1V
この電圧で「バーチャル・ショート」が成立し、出力上昇が止まります
③Rsに0.1ｍAの電流（Is）が流れる
「バーチャル・ショート」が成立すると
A点＝0.1V、Rs=1KΩ、RsはGNDに接続されていますから
Rsに0.1ｍAの電流＝Isが流れます
④Isは、Rfを流れる電流Ifと同じ
オペアンプの入力抵抗は非常に高く、Isは「ほぼ全て」Rfを流れます(If)
「If=Is」なら「RsとRf」は
「出力（Vo）とGND」に直列接続された抵抗とみなせます
⑤1+（Rf/Rs）の同相電圧が出力
「バーチャル・ショート」が成立するには
A点＝（Rs/（Rs+Rf））ｘVo＝0.1V
A点の電圧は、直列抵抗の分圧比で計算できます
この式を変形すると、出力電圧が求まります
Vo=（（Rs+Rf）/Rs））ｘ0.1V
つまり、出力電圧は
Vo=（（1KΩ+10KΩ）/1KΩ）ｘ0.1V
＝1.1V（同相）
これは入力電圧を1+（Rf/Rs）倍した値と同じです
非反転増幅回路の「入力インピーダンス」
オペアンプの入力インピーダンスそのものです
非常に高くなります
知っておきたい「オペアンプ」のウンチク
いろいろなオペアンプが開発されていますが
実際に「オペアンプを使う、選ぶ」際に参考になる特徴をまとめました
回路数
1パッケージに入っている回路数です
写真は左から
1回路入（TL081）・2回路（TL072）・4回路（TL074）です
※TL071という品種もあります、手持ちの関係で写真はTL081ですが・・・
1回路入りと2回路入は、同じ8ピンICの場合が多いです
パッケージ入り数で型番が違っても、回路の中身は同じ品種もあります
例えば、TL071、TL072、TL074は基本同じオペアンプです
違いはというと・・・
- 1回路タイプ＝オフセット調整ピンがある
- 2回路タイプ＝オペアンプ回路のみ（位相補償は内蔵されている）
- 4回路タイプ＝ICのピン数が増え、4回路（位相補償は内蔵されている）
多くの場合、1回路入では「位相補償やオフセット」の拡張ピンを持っています
2回路以上では、オペアンプ回路だけといった品種が多い
1回路入は、より性能を追求した品種に多いパッケージです
2回路、4回路は位相補償などは内蔵されていて、汎用品に多いパッケージです
半導体タイプ
バイポーラ
トランジスタで回路が構成されています、多くのオペアンプがバイポーラ型です
FET型（BiFET)
回路の一部、あるいは全部に「FET（電界効果トランジスタ）」を使ったタイプです
FETは入力抵抗が大きいので、入力段がFET、残りはトランジスタというタイプが主流です
Mos型（BiMos）
「MosFET」を使ったオペアンプです
MosFETは入力電流が極めて少なく、低い電源電圧、省電力分野で使われています
用途別
汎用
いろいろな用途に使える万能型です
多くが補償素子内蔵で、1倍まで使えるタイプが多いです
価格、入手性にも優れています
オーディオ向き
オーディオ回路によく使われる品種です
- 低雑音
- 専用バッファ（アンプバッファなど）
- オーディオ用に開発された品種
といった特徴の品種もありますが、どちらかというと「性能より聴感」が良い品種です
特に「オーディオ用」に開発された品種は、「聴感を重視」して設計されています
精密型
オフセット（入力誤差）が小さく、ゲインが大きい品種です
オペアンプの元は「アナログ計算機」ですから、正当な進化タイプと言えるかもしれません
高速型
より立上り、立下がりスピードを追求した品種です
その他にも「用途特化」したオペアンプが製造されています
使用ゲインと位相補償
オペアンプ増幅回路の問題で、「発振」があります
オペアンプの増幅回路は、負帰還（NFB)をかけて使うので
電子工作も含め、よく遭遇する「トラブル」の一つです
オペアンプでは、発振を防止するため、「位相補償素子」（コンデンサ）が内蔵、あるいは「外付け」で指定されています
「発振」はゲイン1倍（ユニティゲイン）が最も厳しくなります
一部品種では位相補償内蔵でも、使用ゲインの「下限」がある場合もあります
つまり・・・品種によっては「ゲイン1倍」まで使えないものがあるわけです
回路が同じで、内蔵補償素子が違う品種が用意されている場合もあります
例えば・・・
LT1028はゲイン下限5倍まで、LT1128は1倍までOKです
LT1037/LT1007も同じです
他には、オーディオ回路でよく使われる
NE5534は1回路入、ゲイン3倍以下では「外付け補償素子」が必要です
NE5532は2回路入、1倍までの補償素子内蔵です
スルーレート（出力の立上、立下スピード）は、位相補償コンデンサが関係しています
高性能オペアンプを選ぶ・使う場合は、注意が必要です
（スルーレートは「ゲイン1倍」時が、最も値が悪くなる）
※このような情報は「データシート」に記載されています
まとめ
オペアンプは、ゲイン（増幅度）がとても大きな「増幅回路」をICにしたものです
現在では、アナログ回路の多くで「オペアンプ」が使われています
オペアンプは2つの入力端子
- 反転入力 （－）
- 非反転入力（＋）
を持っています、
オペアンプの「出力は一つ」です
「オペアンプの重要な性質」として、バーチャル・ショートがあります
正常動作時、オペアンプの
「反転入力端子」と「非反転入力端子」は、同電位になります
