オペレーションアンプ（O- Pamp）の仕組みは？

オペアンプの動作原理は?

オペアンプ（演算増幅器）は、信号増幅、フィルタリング、積分、微分など多くの用途で広く使用される高度に集積化された電子部品です。その主な機能は、2つの入力端子間の電圧差を増幅することです。以下に、オペアンプの動作と重要な概念について説明します。

1. 基本構造

• オペアンプは通常5つのピンを持っています：

• 非反転入力（V+）：正の入力端子。

• 反転入力（V−）：負の入力端子。

• 出力（Vout）：増幅された出力信号。

• 正電源（Vcc）：正の電源電圧。

• 負電源（Vee）：負の電源電圧。

2. 動作原理

理想のオペアンプに関する仮定

• 無限大のゲイン：理想的には、オペアンプのゲインAは無限大です。

• 無限大の入力インピーダンス：入力インピーダンスRinは無限大であり、入力電流はほぼゼロです。

• ゼロの出力インピーダンス：出力インピーダンスRoutはゼロであり、出力電流が任意に大きくなっても出力電圧には影響しません。

• 無限大の周波数帯域：理想的には、オペアンプは全ての周波数で制限なく動作します。

実際のオペアンプの特性

• 有限のゲイン：実際には、オペアンプのゲインAは有限であり、通常10^5から10^6の範囲です。

• 有限の入力インピーダンス：実際の入力インピーダンスは無限大ではありませんが、非常に高い（メガオームレベル）です。

• ゼロ以外の出力インピーダンス：実際の出力インピーダンスはゼロではなく、非常に低いです。

• 有限の周波数帯域：実際のオペアンプの周波数帯域は限定的であり、通常数百キロヘルツからメガヘルツの範囲です。

3. 基本的な動作モード

オープンループ構成

オープンループゲイン：オープンループ構成では、オペアンプのゲインAが直接差動入力電圧を増幅します。

飽和：高ゲインAにより、小さな入力電圧差でも出力電圧が電源電圧の限界（すなわちVccまたはVee）に達することがあります。

クローズドループ構成

負帰還：負帰還を導入することで、オペアンプのゲインを適切な範囲内に制御できます。

負帰還回路：一般的な負帰還回路には、反転増幅器、非反転増幅器、差動増幅器があります。

仮想ショートと仮想オープン：負帰還回路では、オペアンプの2つの入力端子間の電圧はほぼ等しく（仮想ショート）、入力電流はほぼゼロ（仮想オープン）となります。

4. 一般的な応用回路

反転増幅器

回路構成：入力信号は抵抗R1を通じて反転入力V − に供給され、フィードバック抵抗Rfが出力Voutを反転入力V-に接続します。

Voutを反転入力V-に接続します。

非反転増幅器

回路構成：入力信号は抵抗R1を通じて非反転入力V + に供給され、フィードバック抵抗Rfが出力を反転入力V−に接続します。

差動増幅器

回路構成：2つの入力信号が非反転入力V+ と反転入力V− に供給され、フィードバック抵抗Rfが出力を反転入力V−に接続します。V−に接続します。

5. まとめ

オペアンプは、2つの入力端子間の電圧差を増幅して動作し、その中心的な機能は高ゲインと負帰還メカニズムに依存しています。異なる回路構成を使用することで、オペアンプは増幅、フィルタリング、積分、微分などの様々な機能を果たすことができます。オペアンプの動作原理と一般的な応用回路を理解することは、さまざまな電子システムの設計とトラブルシューティングに不可欠です。