「汎用オペアンプ」についてご紹介｜「電子工作/修理/メンテナンス」

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今回は、「汎用オペアンプ」についてご紹介します。

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汎用オペアンプはアナログICの基本となる素子で、名称はOperationalAmplifireの略で、OPアンプと呼ばれています。基本機能は線形増幅器ということで、アナログの入力を一定の比で増幅して出力する機能を持っています。

オペアンプは、非常に増幅率が高く、10⁵倍以上あるため、回路設計上は無限大の増幅率をもつ理想的な増幅器として扱うことができます。あとでご紹介しますが、この無限大の増幅率という前提があると、フィードバック回路を構成したとき増幅率が抵抗の比だけで決まり一定とできます。ここにオペアンプが開発された最大の理由があります。

オペアンプの回路図での表現方法はいくつかありますが、代表的なものは表2.6.1のようになっています。プラス/マイナスの2本の入力と、1つの出力ピンを持っています。その他にはプラス/マイナスの2電源ピンがあります。

• 最も汎用的なアナログ増幅器。
• 電源端子(4,11)は省略されることもあります。
• 正負の2電源を必要とするものと単電源でよいものとがあります。

オフセット調整端子つきの汎用アナログ増幅器。電源端子(47)は省略されることもあります。

オペアンプの基本構成を図で表すと下記のようになり、+入力ピンと‐入力ピンからなる「差動入力ピン」と1個の出力ピン、それと+と-の2つの電源ピンからなっています。

基本的な動作は、差動入力のピン間の電圧差が増幅されて出力に現れるという動作です。

• +入力側の方の電圧が高ければ出力も+側となり、‐入力側の電圧が高ければ、出力は‐出力となります。
• 逆に入力電圧が数Vと高くても、+と-の電圧に差がなければ出力は0のままとなります。

ところがこのままでは、オペアンプの増幅度が10⁵倍というような無限大に近い大きさがあるため、そのまま使ったのでは、ほんのわずかでも差動入力電圧があると出力は+かーの最大値に張り付いてしまい、実用的に使えるアンプとはなりません。

しかし、増幅度が無限大に近いということが大きなメリットとなる方法があります。これがネガティブフィードバックという方法です。日本語では負帰還といいます。

このネガティブフィードバックを利用してオペアンプを使うのが基本的な使い方です。基本的な回路には大別すると、反転増幅回路と非反転増幅回路の2種類があります。

最も原理的なネガティブフィードバック(負帰還)を実現する回路が下記（反転増幅回路）です。

• この回路では、入力の差動電圧の側がプラス電位になると、出力にマイナス電圧が生じます。
• 反対にマイナス電位になると出力にプラス電圧が生じます。
• このように入力に対して出力の±の極性が反転するので、反転増幅回路と呼びます。

この回路では出力から入力側に抵抗R2を介して出力信号が戻るようになっています。これをフィードバックといいます。さらに戻ってくる電圧は極性が逆になっているので、ネガティブフィードバックと呼びます。

この回路の動作はまず無限大の増幅度ですから、差動入力に少しでも差があると、オペアンプの出力となって現れます。しかしすぐ出力が入力側にフィードバックされ、極性が反対ですから出力が出ないよう、つまり差動入力の差がなくなるように働きます。

そして出力電圧は入力へのフィードバックがちょうど入力を打ち消す値でバランスがとれて安定します。

結果的にオペアンプの差動入力端子間は、いつも同じ電圧になるように動作することになります。これをイマジナルショートと呼んでいます。

イマジナルショートの両者はいつも同じ電圧ですから、実際に接続されているものと仮定して回路を簡単化すると、下記（反転増幅回路の増幅度）のように簡単になってしまいます。

この回路ではa点で仮想的に接続されているとすると、左右両方向からの電流が等しく逆向きになって釣り合うわけですから、図の式のように考えることができます。つまりオペアンプ回路の増幅度(A)は、

ということになります。結果として、ここの回路では2個の抵抗の比だけで増幅度が決定される非常に考えやすい回路となります。これがオペアンプの最大のメリットで、増幅度が抵抗の比だけで決まるため回路設計が非常にやりやすくなります。

上記の反転増幅回路に対して、下記（非反転増幅回路）のように、入力と出力が同じ極性になるようにしたネガティブフィードバック回路を非反転増幅回路と呼びます。入力と出力が同じ極性となるので実際に使うときには扱いやすい回路となります。

差動入力のプラス/マイナスが、反転増幅回路とは逆なことに注意してください。これにより、出力に現れた電圧はやはり入力電圧を打ち消す方向に働くので、バランスが取れたところで出力電圧が安定します。この回路を反転増幅回路と同じようにイマジナルショートを使って簡単化すると、下記（非反転増幅回路の増幅度）のように考えることができます。

図のように、電圧は同じ向きですから、Eoutを分圧したらEinと同じになるというように考えると、非反転増幅回路での増幅度(A)は、

となります。ここでも増幅度が抵抗の比だけで決まりますので扱いが簡単になります。

オペアンプの性能を調べるのにもやはり規格表を使います。規格表にはいくつかのパラメータが記載されていますが、私たちが調べるときに使うのはやはり最大定格と電気的特性という2つの要素です。

これ以上の使用条件で使うと壊れるという限界値を規定したものです。電圧と温度で規定されていて、私たちが注意しなければならないのは下記（最大定格の項目）の項目です。

使用可能な最大の電源電圧でVccは+側でVEEは－側。最近では±両端間の最大電圧で表すことが多くなっています。

加えられる最大の入力電圧。電源電圧にも制限されます。

オペアンプを使用できる最大、最小の周囲温度です。

オペアンプの性能そのものを表すパラメータで、これをもとにして設計していきます。オペアンプを使う目的によって必要なパラメータが異なってくるので、ここでは下記（電気的特性）に一般的に必要とされるパラメータをまとめておきます。

内部回路のばらつきによって発生するもので、出力を0Vにするために必要な入力電圧差をいいます。外部からこれをキャンセルする回路を追加できるピンが出ているものもあります。

入力オフセット電圧が温度により変化する度合いを表しています。これが小さいほど精度の高いオペアンプといえます。

出力電圧が最大どこまで出るかを表しています。通常は電源電圧より数V低くなりますが、これが0.3V以下までとほぼ電源電圧近くまで振れるものがあります。これをRailtoRailと呼んでいます。

オペアンプの増幅率は、扱う周波数が高くなるとともに下がっていきますが、このとき電圧増幅率が1になる周波数を表します。この値が大きいほど周波数特性のよいオペアンプといえます。

入力電圧の変化に出力電圧がどれほど早く追従できるかを表しています。

それでは実際の規格表はどのようになっているのでしょうか。オペアンプの規格表の表現方法はメーカによって多少異なっていますが、上記の基本的なパラメータはどこのメーカの規格表にもありますので問題ないでしょう。

この表から下記のような内容が読み取れます。

オペアンプにも数多くの種類があって選ぶのは大変なことですが、一般によく使われているオペアンプを用途ごとに整理してみました。それが下記です。これらから自分の使う用途にあったオペアンプを選択してください。

オペアンプの実装といっても、最近のオペアンプは大部分がデュアルインライン型、つまりデジタルICと同じ形をしていますので、デュアルインラインと同じ穴あけで実装できます。

またICソケットを使うことも多いのですが、これも通常のデジタル用と同じもので問題なく使うことができます。さらに、フラットパッケージが用意されていることも多く、小型化ができるようになりました。

オペアンプの実装で注意すべきことは、電源とグランドの供給方法と入力のノイズ対策です。オペアンプはもともと大きな増幅率を持ったアンプですから、電源やグランドにわずかでもノイズが混入していれば、それが大きなノイズとなって現れてきます。そこで、オペアンプへの電源供給には下記のような対策を施すようにします。

これはデジタルICでもいえることですが、オペアンプでも同じで、外部からの影響をなくすと同時に、自分自身の電源電流の変動をコンデンサで吸収して安定動作をするようにします。

このパスコンには高周波の変動を吸収できるように周波数特性のよいコンデンサを使うようにします。

マイコン周辺機器としてオペアンプを使うような場合には、アナログ回路のグランドとデジタル回路のグランドを同じ電位にする必要がありますから、両方のグランドを接続する必要があります。

しかし、プリント基板などでグランドパターンを作るときには、下図（オペアンプのグランドパターン例）のように、アナログ用グランドとデジタル用グランドは別々のパターンとして作成し、電源供給元の1個所で両者を接続するようにします。

こうすることでデジタル回路で発生する高周波のノイズが、アナログ回路に混入することを効果的に減らすことができます。

一番最初のオペアンプへの入力回路部分は、一番外部からのノイズを受けやすいところです。そこで、入力回路部分を上図6のようにアナロググランドで囲うようにしてパターンを配置します。こうすることで、周囲からのノイズが混入することを効果的に減らすことができます。

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