演算増幅器(OPアンプ)

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演算増幅器(OPアンプ)

演算増幅器(operational-amplifier)は、オペアンプ(OPアンプ)とも言います。

理想増幅器としての条件は次のようなものです。

  • \(Z_i=∞\)入力インピーダンスが無限大
  • \(Z_o=0\)出力インピーダンスがゼロ
  • \(A_v=∞\)電圧増幅度無限大
  • \(f\)特性が良い
  • 雑音が少ない

演算増幅器(OPアンプ)は理想増幅器に近い特性を持っていて、音響機器やラジオ、テレビなどの電子機器によく使われています。

演算増幅器は、反転入力(-)と非反転入力(+)の2つの入力端子と、1つの出力端子をもつ増幅器です。

一般に、電源は正負の同じ大きさの2つの電源を必要として、\(\pm15V\)が使われる。

演算増幅器の特性

演算増幅器は、図のような理想増幅器と近い特性を持っています。

演算増幅器の
入力インピーダンス\(Z_i=∞\)
出力インピーダンス\(Z_o=0\)
電圧利得\(A_v=∞\)と考えてみます。

\(A_v=\cfrac{v_o}{v_i}\)なので

\(v_i=\cfrac{v_o}{A_v}\)になります。

ここで、\(A_v=∞\)とすると

\(v_i≒0[V] \)となります。

この状態を、入力端子間が短絡しているように動作しますので、「仮想的短絡」(バーチャルショート)といいます。

反転増幅回路

反転増幅回路とは、入力電圧と出力電圧の符号が反転するため、このように呼ばれます。

a点は仮想的短絡なので、0Vと考えます。


\(V_1=R_1I_1[V]\)

また、\(V_2\)は

\(V_2=-R_2I_1[V]\)となります。

マイナスになる理由は「起電力と電圧降下の正負」を参照してください。

反転増幅回路の電圧増幅度は、上の式から次のようになります。

\[A_v=\cfrac{V_2}{V_1}=-\cfrac{R_2}{R_1} \tag{5-12-1}\]

非反転増幅回路

非反転増幅回路とは、入力電圧と出力電圧の符号が同じになります。そのため、このように呼ばれます。


a点は仮想的短絡なので、\(V_1[V]\)と考えます。

\(R_1I_1=V_1[V]\)

\((R_1+R_2)I_1=V_2[V]\)なので

\(A_v=\cfrac{V_2}{V_1}=\cfrac{(R_1+R_2)I_1}{R_1I_1}\)

非反転増幅回路の電圧増幅度は、次のようになります。

\[A_v=\cfrac{V_2}{V_1}=1+\cfrac{R_2}{R_1} \tag{5-12-2}\]

例題

●例題-1

図のような直流増幅回路の出力電圧\(V_2[V]\)を求めよ。

ここをクリックで解答の表示・非表示

解 答
この回路は、反転増幅回路なので

\(A_v=\cfrac{V_2}{V_1}=-\cfrac{R_2}{R_1}\)にそれぞれの数値を代入します。

\(A_v=\cfrac{V_2}{0.45}=-\cfrac{200kΩ}{30kΩ}=-\cfrac{20}{3}\)

\(V_2=-\cfrac{20}{3}×0.45=-3.0[V]\)
 

●例題-2

図のような直流増幅回路の出力電圧\(V_2[V]\)を求めよ。

ここをクリックで解答の表示・非表示

解 答
この回路は、非反転増幅回路なので

\(A_v=\cfrac{V_2}{V_1}=1+\cfrac{R_2}{R_1}\)にそれぞれの数値を代入します。

\(A_v=\cfrac{V_2}{0.6}=1+\cfrac{100kΩ}{10kΩ}=11\)

\(V_2=0.6×11=6.6[V]\)になります。
 

以上で「演算増幅器(OPアンプ)」の説明を終わります。

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