電子回路

オペアンプで増幅回路を作る

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

※日本語で「仮想接地」という表現が使われる場合がありますが、

非反転入力と反転入力が「GNDに接地」しているわけではありませんから

あまり適切な表現ではないですね・・・

オペアンプを使った「反転増幅回路」

反転増幅回路の特徴

反転増幅回路のゲイン

Av= -(Rf/Rs)

  • 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

つまり、オペアンプは、

非反転入力=反転入力

となるまで、出力がスイングするわけです

※入力端子から電圧が発生しているわけではありません

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

非反転増幅回路のゲイン

Av= 1+(Rf/Rs)

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

MosFETは静電気に弱いので、保管、取扱には注意が必要です

近年は保護回路が内蔵されていて、気楽に扱えるようになりました

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

LT1028/LT1128 LT1037/LT1007

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

位相補償は、オペアンプ単体で補償されています

回路に組み込んだ場合には、追加で「補償素子」が必要な場合もあります

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

反転増幅回路のゲイン

Av= -(Rf/Rs)

非反転増幅回路のゲイン

Av= 1+(Rf/Rs)