オペアンプの基本 - 典型と利点|MPSニュースレター

【MPS ニュースリリース】2020年8月 技術論文
オペアンプは古くから使用され続けているアナログ製品です。意外と思われるかも知れませんが、MPS社では電源製品以外にオペアンプも取り揃えています。この技術論文では初めてオペアンプに関わる方々向けに、その基本について説明しています。

イントロダクション

*本記事は2020年8月にMPS社ホームページに投稿された論文を基に翻訳、作成されました。

オペアンプとは何でしょうか?

オペアンプ(op amp)は差動電圧入力を受け取り、シングルエンド電圧出力を生成するアナログ回路ブロックです。

オペアンプには通常、2つの高インピーダンス入力と1つの低インピーダンス出力ポートの3つの端子があります。反転入力はマイナス(-)記号で示され、非反転入力には正(+)記号を使用します。オペアンプは入力間の電圧差を増幅するように機能し、これは信号チェーン、電力、制御アプリケーションなど、さまざまなアナログ機能に役立ちます。

オペアンプの分類

オペアンプを分類するには次の4つの方法があります。
•電圧アンプは電圧を取り込み、出力で電圧を生成します。
•電流アンプは電流入力を受け取り、電流出力を生成します。
•トランスコンダクタンスアンプは電圧入力を電流出力に変換します。
•トランスインピーダンスアンプは電流入力を変換し、電圧出力を生成します。

ほとんどのオペアンプは電圧増幅に使用されるため、この技術論文では電圧アンプに焦点を当てます。

オペアンプ:主要な特性とパラメータ

オペアンプに関連して多くの異なる重要な特性とパラメータがあります(図1を参照)。これらの特性については以下で詳しく説明します。

図1.:オペアンプ回路図

開ループゲイン

開ループゲイン:オペアンプの開ループゲイン(図1の「A」)は回路にフィードバックが実装されていないときに達成されるゲインの尺度です。これはフィードバックパスまたはループが開いていることを意味します。開ループゲインは電圧コンパレータを除いて、それ自体が有用であるために非常に大きくなければならないことがよくあります(10,000+)。

電圧コンパレータは入力端子電圧を比較します。電圧差が小さい場合でも、電圧コンパレータは出力を正または負のレールに駆動できます。高い開ループゲインは温度、プロセスおよび信号の変動に渡る安定した回路動作を可能にするため閉ループ構成で有益です。

入力インピーダンス

オペアンプのもう1つの重要な特性は一般に入力インピーダンスが高いことです(図1の「ZIN」)。入力インピーダンスは負と正の入力端子間で計測され、その理想値は無限大であり信号源の負荷を最小限に抑えます(実際には、わずかな電流リークがあります)。オペアンプの周囲に回路を配置すると信号源の実効入力インピーダンスが大幅に変わる可能性があるため、外部コンポーネントとフィードバックループを慎重に構成する必要があります。入力インピーダンスは入力DC抵抗だけで決まるわけではないことに注意してください。入力容量も回路の動作に影響を与える可能性があるため十分に考慮する必要があります。

出力インピーダンス

オペアンプの出力インピーダンスは理想的にはゼロです(図1の「ZOUT」)。ただし、出力インピーダンスは通常小さい値を持ち、駆動できる電流の量と電圧バッファとして機能する能力が決まります。

周波数応答と帯域幅(BW)

理想的なオペアンプは無限の帯域幅(BW)を持ち、信号周波数に関係なく高いゲインを維持できます。ただし、すべてのオペアンプの帯域幅は有限であり一般に「-3dBポイント」と呼ばれ、周波数が高くなるとゲインが落ち始めます。ゲインは周波数が増加すると-20dB / decadeの割合で減少します。BWが高いオペアンプは高周波数で高ゲインを維持するために性能が向上しますが、この高いゲインにより消費電力が大きくなるかコストが増加します。

図2.:オペアンプの開ループ周波数応答曲線

ゲイン帯域幅積(GBP)

その名前が示すようにGBPはアンプのゲインと帯域幅の積です。 GBPは曲線全体で一定の値であり式(1)で計算できます。

GBPはオペアンプのゲインが1に達する周波数ポイントで計測されます。これはユーザーがさまざまな周波数でデバイスの開ループゲインを計算できるため便利です。オペアンプのGBPは一般に、その有用性とパフォーマンスの尺度でGBPが高いオペアンプを使用すると、より高い周波数でより優れた性能を実現できます。

これらは設計でオペアンプを選択する際に考慮すべき主要なパラメータですが、アプリケーションと性能のニーズによっては設計に影響を及ぼす可能性のあるその他多数の考慮事項があります。他の一般的なパラメータには入力オフセット電圧、ノイズ、静止電流および電源電圧が含まれます。

負帰還と閉ループゲイン

オペアンプでは出力信号の一部を外部フィードバック抵抗を介して反転入力に戻すことにより、負帰還が実装されます(図3を参照)。

図3.:反転オペアンプによる負帰還

負帰還はゲインを安定させるために使用されます。負帰還を使用することで閉ループゲインはオペアンプの内部構成と比較して、より高い精度を持つ外部フィードバック部品を介して決定されます。これはオペアンプの内部構成がプロセス変動、温度変化、電圧変化および他の要因によって大幅に変化する可能性があるためです。閉ループゲインは式(2)で計算できます。

オペアンプ:利点と制限

オペアンプを使用することには多くの利点があります。オペアンプは多くの場合ICの形で提供され広く利用可能であり、あらゆるアプリケーションのニーズを満たすために無数の選択可能な性能レベルを備えています。オペアンプには幅広い用途がありフィルタ設計、電圧バッファ、コンパレータ回路など多くのアナログアプリケーションの重要な構成要素です。さらに、ほとんどの企業は設計者が実設計を構築する前にオペアンプの設計を検証するため、PSPICEモデルなどのシミュレーションサポートを提供しています。

オペアンプを使用する際の制限は、それらがアナログ回路であるという事実が含まれ負荷、周波数応答、安定性などアナログの基本を理解している設計者が必要なことです。一見単純なオペアンプ回路を設計することは珍しくありませんが、それを動作させて発振していることを確認するだけです。前述にて説明した重要パラメータのいくつかによって設計者は、それらのパラメータが設計にどのように影響するかを理解する必要があります。つまり通常、設計者は中程度から高度なアナログ設計経験を持っている必要があります。

オペアンプの構成トポロジ

いくつかの異なるオペアンプ回路があり、それぞれ機能が異なります。最も一般的なトポロジを以下に説明します。

ボルテージフォロワ

最も基本的なオペアンプ回路は電圧フォロワです(図4を参照)。この回路は一般に外付け部品を必要とせず高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスを提供するため、有用なバッファになります。電圧の入力と出力が等しいため、入力を変更すると出力電圧も同等に変更されます。

図4.:ボルテージフォロワ

電子機器で使用される最も一般的なオペアンプは出力電圧の大きさを増加させる電圧増幅器です。 反転と非反転構成は最も一般的な2つのアンプ構成です。これらのトポロジは両方とも閉ループ(出力から入力端子にフィードバックがあることを意味)であるため、電圧ゲインは2つの抵抗の比によって設定されます。

反転オペアンプ

反転オペアンプの場合、オペアンプは負の端子を通常グランドである正の端子と等しくするように強制します。したがって、入力電流はVIN / R1比によって決定されます(図5を参照)。

図5.:反転オペアンプ

この構成では同じ電流がR2を通して出力に流れます。 理想的にはZINが高いため、オペアンプの負端子には電流が流れ込みません。 負端子からR2を通して流れる電流はVINに対して逆極性の電圧を生成します。 これが、このオペアンプが反転構成としてラベル付けされている理由です。 オペアンプの出力は正と負の電源間でのみスイングできるため負の出力電圧を生成するには、負の電源レールを備えたオペアンプが必要であることに注意してください。 VOUTは式(3)で計算できます。

非反転オペアンプ

非反転アンプ回路では信号源からの入力信号は非反転(+)端子に接続されます(図6を参照)。

図6.:非反転オペアンプ

オペアンプは反転(-)端子電圧を入力電圧に等しくするように強制します。これにより、フィードバック抵抗に電流が流れます。 出力電圧は常に入力電圧と同相であるため、このトポロジは非反転として知られています。 反転構成では常にそうであるとは限りませんが、非反転アンプでは電圧ゲインは常に1より大きいことに注意してください。VOUTは式(4)で計算できます。

電圧コンパレータ

オペアンプの電圧コンパレータは電圧入力を比較し、どちらか高い方の入力の電源レールに出力を駆動します。 この構成はフィードバックがないため、開ループ動作と見なされます。 電圧コンパレータには上述の閉ループトポロジよりもはるかに高速に動作するという利点があります(図7を参照)。

図7.:電圧コンパレータ

アプリケーションに適したオペアンプを選択する方法

以下のくだりではアプリケーションに適切なオペアンプを選択する際の確かな考慮事項について説明します。

まず、予想される動作電圧範囲をサポートできるオペアンプを選択します。この情報はアンプの電源電圧を調べることで取得できます。電源電圧はVDD(+)とグランド(単一電源)またはアンプが正と負両方の電源をサポートのいずれかである可能性があります。負電源は出力に負電圧をサポートする必要がある場合に役立ちます。
次に、アンプのGBPについて考えます。アプリケーションがより高い周波数をサポートする必要がある場合または高い性能と歪みの低減が必要な場合、GBPがより高いオペアンプを検討してください。

特定のアプリケーションでは低電力動作が必要になる場合があるため、消費電力も考慮する必要があります。推奨される電力要件は通常、部品のデータシートに記載されており通常、供給電流と消費電力として記載されています。消費電力は供給電流と供給電圧の積から見積もることもできます。一般に供給電流が小さいオペアンプはGBPが低く、回路性能が低くなります。

より高い精度が必要なアプリケーションの場合にはアンプの出力電圧のオフセットにつながるため、設計者はアンプの入力オフセット電圧に特別な注意を払う必要があります。

結論

オペアンプは多くのアナログおよび電源アプリケーションで広く使用されています。オペアンプを使用する利点は一般的に広く理解され、十分に文書化され、サポートされており使用と実装がかなり簡単です。オペアンプは電圧バッファ、アナログフィルタ生成、閾値検出器など多くのアプリケーションに役立ちます。オペアンプに関連する主要なパラメータと一般的なトポロジを、より深く理解することで回路への実装が開始できます。