演算増幅器(OPアンプ)

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) ともいいます。

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
  • \(f\) 周波数特性が良い
  • 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。

■ 反転入力端子を逆相入力端子
非反転入力端子 を 正相入力端子 と表現する場合もあるようです。

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、\(\pm15\quad\rm[V]\) 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 \(Z_o=0\)
電圧増幅度 \(A_v=∞\) 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

\(v_i≒0\quad\rm[V]\) 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。

演算増幅器の種類

■ 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、 \(0\quad\rm[V]\) と考えます。


\(V_1=R_1I_1[V]\)

また、\(V_2\) は

\(V_2=-R_2I_1\quad\rm[V]\) となります。

マイナスになる理由は、次の記事を参照してください。

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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。

\(A_v=\cfrac{V_2}{V_1}=-\cfrac{R_2}{R_1}\)

■ 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、\(V_1\) と考えます。

\(R_1I_1=V_1\)

\((R_1+R_2)I_1=V_2\) 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。

\(A_v=\cfrac{V_2}{V_1}=1+\cfrac{R_2}{R_1}\)

練習問題

 

問題1

図のような直流増幅回路の出力電圧 \(V_2\quad\rm[V]\) を求めよ。

<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。

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

\(V_2=-\cfrac{20}{3}×0.45=-3.0\quad\rm[V]\)

問題2

図のような直流増幅回路の出力電圧 \(V_2\quad\rm[V]\) を求めよ。

<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。

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

\(V_2=0.6×11=6.6\quad\rm[V]\) 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。