オペレーショナルアンプ

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オペレーショナルアンプとは?

オペレーショナルアンプ (OPアンプ、以下オペアンプ) は、差動電圧入力を受け取り、単一端子電圧出力を生成するアナログ回路ブロックです。

オペアンプには通常、2つの高インピーダンス入力と低インピーダンス出力ポートの3つの端子があります。反転入力はマイナス (-) 記号で示され、非反転入力は正 (+) 記号を使用します。オペアンプは、入力間の電圧差を増幅するように機能します。これは、信号チェーン、電力、制御アプリケーションなど、さまざまなアナログ機能に役立ちます。

オペアンプの分類

オペアンプを分類するには、次の4つの方法があります。

  • 電圧アンプは電圧を取り込み、出力に電圧を生成します。
  • 電流アンプは電流入力を受け取り、電流出力を生成します。
  • 相互コンダクタンスアンプは、電圧入力を電流出力に変換します。
  • トランスレジスタンスアンプは、電流入力を変換し、電圧出力を生成します。

ほとんどのオペアンプは電圧増幅に使用されるため、本稿では電圧アンプに焦点を当てます。

オペアンプ : 主な特性とパラメータ

オペアンプには、関連する多くの異なる重要な特性とパラメータがあります (図1を参照)。これらの特性については、以下で詳しく説明します。

Figure 1: Operational Amplifier Schematic

図1 : オペアンプの回路図

開ループゲイン

開ループゲイン : オペアンプの開ループゲイン (図1の「A」) は、回路にフィードバックが実装されていないときに達成されるゲインの尺度です。これは、フィードバックパスまたはループが開いていることを意味します。開ループゲインは、電圧コンパレータを除いて、それ自体が有用であるために非常に大きくなければならないことがよくあります (10,000以上)。

電圧コンパレータは、入力端子電圧を比較します。電圧差が小さい場合でも、電圧コンパレータは出力を正または負のレールに駆動できます。高い開ループゲインは、温度、プロセス、および信号の変動全体で安定した回路動作を可能にするため、閉ループ構成で有益です。

入力インピーダンス

オペアンプのもう1つの重要な特性は、一般に入力インピーダンスが高いことです (図1の「 ZIN」)。入力インピーダンスは負と正の入力端子間で測定され、その理想値は無限大であり、ソースの負荷を最小限に抑えます。(実際には、わずかな漏電があります。) オペアンプの周囲に回路を配置すると、ソースの実効入力インピーダンスが大幅に変わる可能性があるため、外部部品とフィードバックループを慎重に構成する必要があります。入力インピーダンスは、入力DC抵抗だけで決まるわけではないことに注意してください。入力容量も回路の動作に影響を与える可能性があるため、これも考慮する必要があります。

出力インピーダンス

オペアンプの出力インピーダンスは理想的にはゼロです (図1の「ZOUT」)ただし、出力インピーダンスの値は通常小さいため、駆動できる電流の量と、電圧バッファとして機能する能力が決まります。

周波数応答と帯域幅 (BW)

理想的なオペアンプは、無限の帯域幅 (BW) を持ち、信号周波数に関係なく高いゲインを維持できます。ただし、すべてのオペアンプの帯域幅は有限であり、一般に「-3dBポイント」と呼ばれ、周波数が高くなるとゲインが変化し始めます。アンプのゲインは、周波数が増加する間、-20dB/decadeの割合で減少します。BWが高いオペアンプは、高い周波数で高いゲインを維持するため、パフォーマンスが向上します。ただし、この高いゲインにより、消費電力が大きくなるか、コストが増加します。

Figure 2: Operational Amplifier Open-Loop Frequency Response Curve

図2:オペアンプの開ループ周波数応答曲線

ゲイン帯域幅積 (GBP)

名前が示すように、GBPはアンプのゲインと帯域幅の積です。GBPは曲線全体で一定の値であり、式 (1) で計算できます。

$$GBP = Gain x Bandwidth = A x BW$$

GBPは、オペアンプのゲインが1に達する周波数ポイントで測定されます。これは、ユーザーがさまざまな周波数でデバイスの開ループゲインを計算できるため便利です。オペアンプのGBPは、一般にその有用性とパフォーマンスの尺度です。GBPが高いオペアンプを使用すると、より高い周波数でより優れたパフォーマンスを実現できるためです。

これらは、設計でオペアンプを選択する際に考慮すべき主要なパラメータですが、アプリケーションとパフォーマンスのニーズに応じて、設計に影響を与える可能性のある他の多くの考慮事項があります。その他の一般的なパラメータには、入力オフセット電圧、ノイズ、静止電流、および電源電圧が含まれます。

負のフィードバックと閉ループゲイン

オペアンプでは、出力信号の一部を外部フィードバック抵抗を介して反転入力にフィードバックすることにより、負帰還が実装されます (図3を参照)

Figure 3: Negative Feedback with Inverting Operational Amplifier

図3:反転オペアンプによる負帰還

負帰還はゲインを安定させるために使用されます。負帰還を使用することにより、閉ループゲインは、オペアンプの内部部品と比較してより高い精度を持つことができる外部フィードバック部品を介して決定できます。これは、内部オペアンプの部品が、プロセスシフト、温度変化、電圧変化、およびその他の要因によって大幅に変化する可能性があるためです。閉ループゲインは、式 (2) で計算できます。

$$ \frac {V_{OUT}}{V_{IN}} = \frac 1 f $$

オペアンプ : 利点と制限

オペアンプを使用することには多くの利点があります。オペアンプは多くの場合ICの形で提供され、広く利用可能であり、あらゆるアプリケーションのニーズを満たすために無数の選択可能なパフォーマンスレベルを備えています。オペアンプには幅広い用途があり、そのため、フィルタ設計、電圧バッファ、コンパレータ回路など、多くのアナログアプリケーションの重要な構成要素です。さらに、ほとんどの企業は、設計者が実際の設計を構築する前にオペアンプの設計を検証するために、PSPICEモデルなどのシミュレーションサポートを提供しています。

オペアンプを使用する際の制限には、それらがアナログ回路であるという事実が含まれ、負荷、周波数応答、安定性などのアナログの基本を理解している設計者が必要です。一見単純なオペアンプ回路を設計して、それをオンしてみると発振していることが分かるということは珍しくありません。前述の重要なパラメータのいくつかにより、設計者はそれらのパラメータが設計にどのように影響するかを理解する必要があります。つまり、通常、設計者は中程度から高レベルのアナログ設計の経験が必要です。

オペアンプの構成トポロジー

いくつかの異なるオペアンプ回路があり、それぞれ機能が異なります。最も一般的なトポロジーを以下に説明します。

電圧フォロワ

最も基本的なオペアンプ回路は電圧フォロワです (図4を参照) 。この回路は一般に外付け部品を必要とせず、高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスを提供するため、有用なバッファになります。電圧の入力と出力が等しいため、入力を変更すると、出力電圧も同等に変更されます。

$$ V_{OUT} = V_{IN} $$ Figure 4: Voltage Follower

図4 : 電圧フォロア

電子機器で使用される最も一般的なオペアンプは、出力電圧の大きさを増加させる電圧アンプです。反転構成と非反転構成は、最も一般的な2つのアンプ構成です。これらのトポロジーは両方とも閉ループである (出力から入力端子にフィードバックがあることを意味します) ため、電圧ゲインは2つの抵抗の比率によって設定されます。

反転オペアンプ

オペアンプを反転させる場合、オペアンプは負の端子を正の端子と等しくするように強制します。正の端子は通常グランドです。したがって、入力電流はVIN / R1比によって決定されます (図5を参照)

Figure 5: Inverting Operational Amplifier

図5:反転オペアンプ

この構成では、同じ電流がR2を通って出力に流れます。理想的には、ZINが高いため、オペアンプの負端子に電流が流れません。負の端子からR2を流れる電流は、VINに対して逆の電圧極性を生成します。これが、これらのオペアンプが反転構成でラベル付けされている理由です。オペアンプの出力は正と負の電源間でのみスイングできるため、負の出力電圧を生成するには、負の電源レールを備えたオペアンプが必要であることに注意してください。VOUTは、式 (3) で計算できます。

$$ V_{OUT} = - \left({R_2} \over {R_1}\right) x V_{IN}$$

非反転オペアンプ

非反転アンプ回路では、ソースからの入力信号は非反転 (+) 端子に接続されます (図6を参照)

Figure 6: Non-Inverting Operational Amplifier

図6:非反転オペアンプ

オペアンプは、反転 (-) 端子電圧を入力電圧に等しくするように強制します。これにより、フィードバック抵抗に電流が流れます。出力電圧は常に入力電圧と同相であるため、このトポロジーは非反転として知られています。非反転アンプでは、電圧ゲインは常に1より大きいことに注意してください。これは、反転構成では常にそうであるとは限りません。VOUTは、式 (4) で計算できます。

$$ V_{OUT} = \left(1 + \frac {R_1}\right) x V_{IN} $$

電圧コンパレータ

オペアンプの電圧コンパレータは、電圧入力を比較し、どちらか高い方の入力の電源レールに出力を駆動します。この構成は、フィードバックがないため、開ループ動作と見なされます。電圧コンパレータには、上記の閉ループトポロジーよりもはるかに高速に動作するという利点があります (図7を参照)

Figure 7: Voltage Comparator

図7:電圧コンパレータ

アプリケーションに適したオペアンプを選択する方法

以下のセクションでは、アプリケーションに適切なオペアンプを選択する際の特定の考慮事項について説明します。

まず、予想される動作電圧範囲をサポートできるオペアンプを選択します。この情報は、アンプの電源電圧を調べることで取得できます。電源電圧は、VDD (+) とグランド (単一電源) のいずれかである可能性があります。または、アンプが正と負の両方の電源をサポートできる場合があります。負の電源は、出力が負の電圧をサポートする必要がある場合に役立ちます。

次に、アンプのGBPについて考えます。アプリケーションがより高い周波数をサポートする必要がある場合、または、より高いパフォーマンスと歪みの低減が必要な場合は、GBPがより高いオペアンプを検討してください。

特定のアプリケーションでは低電力動作が必要になる場合があるため、消費電力も考慮する必要があります。推奨される電力要件は、通常、部品のデータシートに記載されており、供給電流と消費電力として記載されています。消費電力は、供給電流と供給電圧の積から見積もることもできます。一般に、供給電流が小さいオペアンプは、GBPが低く、回路性能が低くなります。

より高い精度が必要なアプリケーションの場合、設計者はアンプの入力オフセット電圧に特別な注意を払う必要があります。この電圧はアンプの出力電圧のオフセットにつながるためです。

まとめ

オペアンプは、多くのアナログおよび電力アプリケーションで広く使用されています。オペアンプを使用する利点は、一般的に広く理解され、十分に文書化されサポートされており、使用と実装がかなり簡単なことです。オペアンプは、電圧バッファ、アナログフィルタの作成、しきい値検出器など、多くのアプリケーションに役立ちます。オペアンプに関連する主要なパラメータと一般的なトポロジーをより深く理解することで、回路への実装を開始できます。

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