オペアンプ（op-amp） は、 コンデンサ、抵抗器、トランジスタで構成された複雑な回路で、さまざまな電圧を増幅して比較するために使用できます。ただし、他の外部コンポーネントと組み合わせて使用すると、さまざまな種類の回路を作成できるため、存在するほぼすべての電子回路に使用されています。
アプリケーションに適したオペアンプを選択するのは簡単な作業ではありません。では、オペアンプ回路に影響を与えるパラメータは何でしょうか。また、設計者はなぜそれを気にする必要があるのでしょうか。
オペアンプの特性
理想的なオペアンプは、2つの電圧入力と、電圧入力間の差を無限大に乗算する1つの出力を持つコンポーネントです。理想的なオペアンプは入力抵抗が無限大で出力抵抗がゼロなので、完璧な測定回路になります。しかし、実際のオペアンプは実際の部品で構成されているため、その特性は理想からは程遠く、これらの非理想的な特性は、オペアンプが使用される回路に顕著な影響を及ぼします。
インバーターや基本的なアンプなどの単純な回路では、ほとんどの場合、これらの非理想的な特性を無視できますが、小さな信号を測定するより高度な回路では、これらを考慮する必要があります (たとえば、心拍数を測定するDIY ECGでは、高入力インピーダンス (つまり、高入力抵抗) を備えた特殊な計装アンプが必要になります)。
オペアンプのシンボル と 741オペアンプの内部回路図。
入力電圧 範囲
入力電圧範囲は、オペアンプが入力ピンで受け入れることができる電圧の範囲です。この特性には通常、慎重に考慮する必要がある2つの要素、すなわち、地表付近のセンシングとレール付近のセンシングがあります。オペアンプの入力は0 Vに達するか0 Vを超える可能性がありますが、オペアンプはグランドに近い電圧 (たとえば10 mV未満) を検知できない場合があります。オペアンプで小さな信号を測定する場合は、グランド付近のセンシングが必須になります。同じことが電源レールにも当てはまり、入力電圧がオペアンプ電源の電圧に近づくと検出できなくなる可能性があります。一般的な産業用オペアンプである LT1493は、グランド付近のセンシング機能を備えていますが、VCC = 1.5 Vを超える電圧を増幅することはできません。
オープンループゲイン/帯域幅
オペアンプについて説明する場合、ゲインとはオペアンプの増幅率を指します。たとえば、ゲインが10の場合、増幅率は10となり、1Vの信号が10Vに増幅されます。オープン ループ構成 (つまり、フィードバックなし) の場合のオペアンプの理想的なゲインは無限大ですが、実際のオペアンプのオープン ループ ゲインは有限です。オープン ループ ゲインを使用すると、コンパレータの感度を判断できます。たとえば、0.1 mVの電圧差で5 Vの電圧出力変化が生じる可能性がありますが、これは適切ではない可能性があります。しかし、オープン ループ ゲインは、通常、帯域幅と関連付けられており、帯域幅は、クローズド ループ アンプ回路で使用された場合のオペアンプの動作速度を決定します。ユニティゲイン帯域幅が低いオペアンプは、高周波数でのゲインが小さくなるため、負帰還アンプはそれらの周波数では期待どおりに動作しません。の AD8608たとえば、ゲイン帯域幅積は10 MHzで、ゲイン帯域幅積が1.2 MHzのLT1493よりも大幅に高くなっています。
出力電圧振幅
オペアンプの出力電圧振幅は、オペアンプが提供できる出力電圧の範囲です。BJTをベースにした古い設計 (741など) では、電源の2 Vの出力電圧範囲が得られるため、オペアンプが15 V電源で駆動されている場合、最大/最小電圧は13 Vになります。MOSFETをベースにした新しい設計では、レールツーレール出力段が組み込まれている場合があります。これにより、出力はどちらの電源にも完全にスイングできます。 ± ± ± たとえば、 AD8574TRUZオペアンプ はレールツーレール機能を備えており、5 V電源で動作し、出力負荷が10 kΩ の場合、出力電圧は1 mV ～ 4.998 Vの範囲になります。
出力抵抗
理想的なオペアンプの出力抵抗はゼロですが、実際のオペアンプの出力抵抗は有限でゼロではありません。これにより、増幅回路が小さな信号を増幅し、二次回路を駆動する必要があるシナリオで問題が発生する可能性があります。理想的な二次回路は無限の抵抗を持つため、オペアンプからの電圧はすべて二次回路に転送されますが、そのステージにも有限の入力抵抗があるため、オペアンプからの出力電圧の一部のみが転送されます。オペアンプの出力抵抗は、その構成と、負帰還が使用されているかどうかによっても異なります (負帰還を使用すると、出力抵抗が低下することがよくあります)。40mAの出力電流能力を持つ ADA4075-2 などのオペアンプは、100kHzまで<1オームなどの非常に低い閉ループ出力インピーダンスを実現します。
出力短絡電流
オペアンプのこの特性は、オペアンプ回路が二次回路を駆動できるかどうかを判断する上で重要です。たとえば、オペアンプ コンパレータは、 PIRセンサー が侵入者を検知し、リレーをオンにしてセキュリティ ライトを有効にする回路で使用できます。ただし、リレーには大きなコイル駆動電流が必要な場合があります ( V23105Aリレーでは30 mA など)。そのため、短絡電流が小さすぎるオペアンプではリレーを駆動できません。そのため、外部ドライバ ステージが必要になります。これは、専用のドライバICか、またはユニティ ゲイン構成の別のオペアンプ (つまり、ゲインが1のアンプ) のいずれかになります。出力短絡電流もソースとシンクで異なる場合があります。たとえば、 LTC6363IMS8 は 最大40 mAのシンク短絡能力を備えていますが、最大90 mAをソースできます。
消費電力/供給電流
オペアンプへの供給電流は、低電力アプリケーションでは非常に重要な考慮事項となる可能性があります。これは、電流消費がコンポーネントの電力消費と、電源を制御するリニア レギュレータからの無駄なエネルギーの両方に大きく関係しているからです。ただし、大量の電流を消費するオペアンプは必ずしも消費電力が大きいわけではありません。そのため、オペアンプを選択する際には、これら2つの数値に注目する必要があります。低消費電力が重要な場合、「ナノパワー」というラベルの付いたオペアンプは静止電流消費が低いため消費電力が非常に少なく、バッテリー寿命が向上します。たとえば、 AD8500 は、セキュリティ用の煙探知機やPIRモーション センサーなどのポータブル機器に最適なナノパワー アンプです。
結論
仕事に適したオペアンプを選択するのは難しい場合があります。たとえば、あるオペアンプは入力抵抗特性は完璧ですが、消費電流が多すぎる可能性があります。一方、別のオペアンプは、グランド付近を感知できますが、出力を完全にスイングすることができません。設計者によっては、複数のオペアンプを組み合わせて、必要な特性をすべて備えた回路を作成することを選択する場合があります。これが、計装アンプが人気がある理由の1つです。いずれにせよ、あらゆる仕事に適したオペアンプが必ず存在します。