オペアンプまたは操作増幅器
オペレーションアンプリファイアまたはオペアンプとは、非常に高い電圧増幅率を持つ直流結合の電圧アンプリファイアです。
オペアンプは基本的に複数のアンプリファイアステージが非常に複雑に相互接続された多段アンプリファイアです。その内部回路は多くのトランジスタ、FET、抵抗器で構成されています。これらは非常に小さなスペースを占めています。
そのため、小さなパッケージに詰められており、集積回路（IC）の形で利用可能です。「オペアンプ」という用語は、増幅、減算、微分、加算、積分などの様々な操作を行うことができるアンプリファイアを指すために使用されます。例としては、非常に人気のあるIC 741があります。
そのシンボルと実際のICでの姿は以下の通りです。シンボルは矢印の頭部となっており、信号が出力から入力へ流れることを示しています。
オペレーションアンプリファイアの入出力端子
オペアンプには2つの入力端子と1つの出力端子があります。オペアンプには上記のように2つの電源供給端子もあります。2つの入力端子は差動入力を形成します。負符号（-）が付いた端子を逆相端子、正符号（+）が付いた端子を非逆相端子と呼びます。逆相端子（-）に信号を適用すると、増幅された出力信号は適用された入力信号に対して180o位相がずれます。非逆相端子（+）に信号を適用すると、得られる出力信号は位相がずれません。
オペレーションアンプリファイアの電源供給
上記の回路シンボルから、+VCCと–VCCという2つの入力電源供給端子があることがわかります。オペアンプの動作には双極性DC電源が必要です。双極性電源では、+VCCを正のDC電源に、–VCC端子を負のDC電源に接続します。ただし、一部のオペアンプは単一の極性電源でも動作することができます。オペアンプには共通の接地端子がないため、接地は外部で確立する必要があります。
オペアンプの動作原理
オペレーションアンプリファイアのオープンループ動作
前述の通り、オペアンプには差動入力と単端出力があります。したがって、逆相端子と非逆相端子にそれぞれ信号を適用すると、理想的なオペアンプは適用された2つの入力信号の差を増幅します。この2つの入力信号の差を差動入力電圧と呼びます。以下の方程式はオペアンプの出力を示しています。
ここで、VOUTはオペアンプの出力端子の電圧です。AOLは与えられたオペアンプのオープンループゲインであり、定数（理想的には）です。IC 741の場合、AOLは2 x 105です。
V1は非逆相端子の電圧です。
V2は逆相端子の電圧です。
(V1 – V2)は差動入力電圧です。
上記の方程式から、出力が非ゼロになるのは差動入力電圧が非ゼロ（V1とV2が等しくない場合）であり、V1とV2が等しい場合はゼロになります。これは理想的な状況であり、実際にはオペアンプには小さな不均衡があります。オペアンプのオープンループゲインは非常に高いので、オープンループのオペアンプは小さな適用された差動入力電圧を大きな値に増幅します。
また、小さな差動入力電圧を適用すると、オペアンプはそれをかなりの値に増幅しますが、この出力の大きな値はオペアンプの電源電圧を超えることはありません。したがって、エネルギー保存の法則に違反することはありません。
クローズドループ動作
上記のオペアンプの動作はオープンループ、つまりフィードバックなしの場合でした。クローズドループ構成ではフィードバックを導入します。このフィードバックパスは出力信号を入力に戻します。したがって、入力には同時に2つの信号が存在します。1つは元々適用された信号、もう1つはフィードバック信号です。以下の方程式はクローズドループオペアンプの出力を示しています。
ここで、VOUTはオペアンプの出力端子の電圧です。ACLはクローズドループゲインです。オペアンプに接続されたフィードバック回路がクローズドループゲインACLを決定します。VD = (V1 – V2)は差動入力電圧です。フィードバックが正であるとは、フィードバックパスが出力端子から非逆相端子（+）に戻すことを意味します。発振器に正のフィードバックが使用されます。フィードバックが負であるとは、フィードバックパスが出力端子から逆相端子（-）に戻すことを意味します。オペアンプとして増幅器として使用する場合に負のフィードバックを使用します。負または正の各フィードバックにはそれぞれ利点と欠点があります。
正のフィードバック ⇒ 発振器
負のフィードバック ⇒ 増幅器
上記の説明は最も基本的なオペアンプの動作原理です。
理想的なオペアンプの特性
理想的なオペアンプは以下の特性を持つべきです：
