3.オペアンプ回路の基礎
~計測基礎回路~
3.1 オペアンプとは
3.1.1 オペアンプの演算：差動と増幅
増幅度：A V1 Vout V23.1.2 理想オペアンプ
・理想条件下のオペアンプは上記のような等価回路として考えることができる。 ☆現実の特性は理想通りにはいかない上に、例えば利得の大きなオペアンプを設計すると帯域は狭くなるなど相 反する特性も持つ。しかし、実際の回路作成においてはすべての理想条件が必要な場面は少なく、むしろ何か の特性に優れた（特化した）製品が多く作られている。 ※各特性の詳細はこのあと勉強していこう 一般的な回路記号 新JIS 記号 市販製品外観例 内部の構成回路例（NJM4580DD） ◎オペアンプを用いる利点+
-Positive power source +Vcc
-Vcc Negative power source
p.2
A: Open Loop Gain
+
-+Vcc
-Vcc
Vin2
Vin1
Vout=A(Vin1-Vin2)
Zin
Zout
+
1.
現実：
2.
現実：
3.
現実：
4.
現実：
5.
現実：
6.
現実：
3.1.3 各種パラメータとデータシート
N Package
A. 絶対最大定格
B. 増幅度（Open Loop Gain、DC Gain、A
VOL、A
Vなどと表記）
※LF356 の表記に注意
C. オフセット電圧
D. GB 積（Gain-Bandwidth 積）
E. 最大出力電圧
※±15V 電源負荷 2ｋΩF. Slew Rate ※slew=たくさんの、大量の
3.2 デシベル表現
◎デシベルの定義
増幅器を用いるときは倍率が非常に大きいので対数をベースとしたデシベル表現がよく用いられる。 dB(deci-Bel)は，もともと電力利得を対数表現したものである。 と表すが，電子回路では電圧利得を用いる事が多いので第一項を電圧利得のデシベル表示として用いている。この対 数を用いるメリットは1）大きな桁数を少ない桁数で表現できる事，2）乗算，除算が足し算，引き算になる事，があ げられる。◎dBm(「ディービーエム」と読む)とは・・・？
それぞれ個別の設定基準に対する比を表すときにdBm や dBμV のように後ろに添え字がつく。dBm は伝送路の 終端抵抗(ターミネータ)の電力比に良く用いられ，1mW を 0dBm と定義する。ただし，dBm を電圧基準に換算する ときは，その電力を消費している抵抗がいくらかで変わってくる。ターミネータには50Ωや 600Ωが使われるが，そ れぞれ同じ1mW だとしても電圧基準換算ではV
PR
より50Ωでは 0.224V，600Ωでは 0.775V が基準電圧となる。◎oct と dec について
縦軸を dB 表現するように，横軸，特に周波数も対数表示される（この場合，ただの常用対数）。そして log-log プロットのグラフで「周波数が100ｋHz 高くなったら電圧は 20dB 減衰する」と言うような変化率表現をする。この 表現で，横軸に関しては一般的にoct と dec が用いられる。oct は octave のことで「2 倍」を，dec は decade のことで「10 倍」を意味する。
NJM4580D LF356B
・A=1000 倍なら ・A=
2
倍なら・A=1/100 倍なら ・A=1(出力=入力)なら Ex. Power Dissipation 【mW】
NJM4580D LF356B NJM4580D LF356B dB ( 倍) dB ( 倍) NJM4580D LF356B NJM4580D LF356B ・－20 dB/oct とは， ・－20 dB/dec とは， p.6
3.3 オペアンプの基本回路(理想条件)
3.3.1 反転増幅回路
3.3.2 非反転増幅回路
R1
R2
－ ＋Vout
Vin
◎理想オペアンプ回路として、次の入力波形に対する出力を考えようVin : 0.5V/DIV, 100ms/DIV
Vout : 5V/DIV, 100ms/DIV
1V/DIV, 100ms/DIV 2V/DIV, 100ms/DIV GND GND R1=1kΩ, R2= 5k Ω、 Vcc=±15V
Vin : 0.5V/DIV, 100ms/DIV
Vout : 5V/DIV, 100ms/DIV R1=1kΩ, R2=15k Ω Vcc=±10V R1=10kΩ, R2= 20k Ω Vcc=±15V
R2
+
-Vout
R1
Vin
a
◎理想オペアンプ回路として、次の入力波形に対する出力を考えようVin : 0.5V/DIV, 100ms/DIV
Vout : 5V/DIV, 100ms/DIV
0.1V/DIV, 100ms/DIV 1V/DIV, 100ms/DIV GND GND R1=1kΩ, R2= 4k Ω、 Vcc=±15V R1=20kΩ, R2= 180k Ω Vcc=±15V
3.3.3 加算回路
3.3.4 バッファ回路(ボルテージフォロワ)
反転増幅による増幅回路 任意の回路(被計測回路) 上図のように、ある回路の出力を反転増幅回路で増幅することを考えよう。 R2 の両端電圧は この回路の増幅度A は 出力Vout は R2 の両端電圧を A 倍するのだから ◎被計測回路をテブナンの電圧源等価回路にしてみよう ◎電圧源等価回路に反転増幅回路を接続してみると R3 Rf － ＋ Vout Vin R4 R2 R1 E1 E2 E3 E4 GND ◎理想オペアンプによる2 入力加算回路に次に示す波形が 入力された場合の出力波形を考えよう(反転に注意！) R－
＋
Vout
R RVin2
Vin1
p.10Vout
Vin － ＋a
b
E=4V
R1=10k
R2=10k
Ra=5k
Rb=15k
すべて 2V/DIV, 100ms/DIVV
in
1
V
in
2
V
o
u
t
E=4V
R1=10k
R2=10k
Vs=2V
Rs=5k
Rs= Vs=Vs=2V
Rs=5k
Vout
Vin
－ ＋a
b
Ra=5k
Rb=15k
GND GND GND◎どうすれば負荷効果を減らすことができるだろうか？
☆入力インピーダンスZin が ☆出力インピーダンスZout が◎どこかにこのような特性を持っている素子はないだろうか？
◎バッファ回路◎バッファ回路を用いると出力はどうなるか？
◎負荷効果によるS/N 比の違いについて考えてみよう 被増幅回路 入力インピーダンスの異なる二つの増幅回路でそれぞれ増幅を行う。どちらの回路も出力換算で1mV のノイズが混入 すると仮定しよう。 増幅回路 A 増幅回路 BVout
－ ＋Vin
Vs=2V Rs=5k Vout Vin － ＋ a b Ra=5k Rb=15k － ＋ Vin Vin負
荷
効
果
Vs
Zout
Zin
Vin
+
-Zin
+
-Zin
Vs=10mV
Zout=1kΩ
A=100, Zin=1kΩ, Output noise=1mVAmp A
Amp B
A=100, Zin=1MΩ, Output noise=1mV3.3.5 コンパレータ
図のような、のこぎり波(=Vin1)と サイン波(=Vin2)を数のような 10V 正の片電源駆動コンパレータ に入力した。出力はどうなるか？3.3.6 差動増幅回路
R1－
＋
Vout
Vin1
R2 R3Vin2
R4+
-Vout
Vin1
Vin2
+
-
Vout
Vin(t)
GND
V
CC=±5V
Input ：2V/DIV, 50ms/DIV
V
in
(t)
V
ou
t(t)
Output ：5V/DIV, 50ms/DIV
+
-
Vout
Vin(t)
GND
+V
CC=5V
-V
CC=0V：通称片電源
Input ：2V/DIV, 50ms/DIV
V
in
(t)
V
ou
t(t)
Output ：5V/DIV, 50ms/DIV
+ -Vout Vin1 Vin2 ※電源電圧は+10V の片電源
0
0.1
0.2
–1
0
1
t[s]
In
p
u
t
[V
]
O
u
tp
u
t [
V
]
t[s]
Vin2
Vin1
p.14 ※すべて0.5V/DIV，100ms/DIV 入 力 1 入 力 2 出 力 波 形(メモ欄)
3.3.7 積分回路(ローパスフィルタ)
☆時定数RC による積分動作の違い①：時定数
Rc が小さい（1/RC が大きい）場合
②：時定数
Rc が程々に小さい（1/RC がまぁまぁ大きい）場合
③：時定数
Rc が十分に大きい（1/RC が小さい）場合
CMRR: Common Mode Rejection Ratio
入 力 波 形 出 力 波 形 ① 出 力 波 形 ② C の初期電荷はゼロ、±VCC=±10[V] 出 力 波 形 ③
3.3.8 微分回路(ハイパスフィルタ)
R － ＋ Vout(t) Vin(t) C◎微分回路・積分回路の注意事項
☆積分回路における直流成分の影響
☆微分回路におけるノイズの混入
(メモ欄) 入力波形が直流成分をもつ場合（平均値がゼロで はない場合）は、その成分がずっと積分されていく ので時間がたつと±Vcc に飽和する．オペアンプ回 路ではゼロ入力の間に放電が起きない。 通常、理想ではないオペアンプにはオフセット電 圧のような直流ノイズがあるのでオフセット調整を しておかないと飽和が起きる 微分波形にノイズが入った場合、当然そのノイズの 変化分も出力される．一般にノイズは急激な変化をす るのですぐに飽和レベルとなる． この場合、出力は「変化の割合」なのでノイズのレ ベルそのものは小さくても変化時間が短ければ十分に 大きなノイズとなる。したがって高周波ノイズにはか なり注意しなければならない。 微分回路は三角波の傾き変化検出や矩形波のエッジ 検出などに用いられるが上記のことを理解しておかな ければ致命的な誤動作の原因となる． C の初期電荷はゼロ、±VCC=±10[V]※時間は500ms/DIV、入力はすべて 1V/DIV, 出力は 2V/DIV、RC=1 として
※時間はすべて500ms/DIV，入力振幅は指示の通り，出力振幅は 2V/DIV ※モニタ描画範囲外もあり得る 入 力 波 形 ① 出 力 波 形 ② 出 力 波 形 ③ 入 力 波 形 ② 入 力 波 形 ③ 出 力 波 形 ①
