オペアンプは、アナログ信号を処理するシステムとインターフェースする回路において、引き続き重要な役割を果たしています。これらの電圧増幅デバイスは、出力端子と入力端子の間に抵抗器やコンデンサなどの外部フィードバック部品を接続するように設計されています。
オペアンプ は、今日最も広く利用されている電子デバイスの1つであり、さまざまな民生用、産業用、科学用のデバイスで使用されています。標準バイポーラ、高精度、高速、低ノイズ、高電圧など、あらゆるアプリケーションに適した、標準構成または内部接合型電界効果トランジスタ (JFET) を備えたオペアンプICが多数用意されています。
1941年にベル研究所のKarl D. Swartzel, Jr. によって真空管設計の最初のオペアンプが発明されて以来、メーカーはより優れたオペアンプの設計に努めてきました。「理想的な」または完璧なオペアンプの特性には、無限のオープンループ ゲインAo、無限の入力抵抗Rin、ゼロの出力抵抗Rout、無限の帯域幅0 ～ ∞、およびゼロ オフセット (入力がゼロのときに出力が正確にゼロになる) が含まれます。
実際には、物理的および電気的設計とコストの制約により、オペアンプの製造元は、パフォーマンスと設計のトレードオフを調整するオペアンプを製造せざるを得ませんでした。
たとえば、オペアンプには無限のゲインや帯域幅はありませんが、典型的な「オープン ループ ゲイン」があります。これは、外部フィードバック信号が接続されていないアンプの出力増幅として定義され、典型的なオペアンプの場合、DC (ゼロHz) で約100dBです。この出力ゲインは、周波数とともに直線的に減少し、約1 MHzで「ユニティ ゲイン」または1になります。
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アプリケーションがパフォーマンスの限界を押し上げ続けたり、追加機能を必要としたりしているため、多くの新しいアンプは、特定の目的やパフォーマンスのニーズに合わせて高度に最適化された回路になっていると、 Linear Technology のマーケティング マネージャーであるBrian Black氏は言います。Black氏は、フォトダイオード アプリケーションでトランスインピーダンス アンプとして構成されたオペアンプの例を示します。リニアテクノロジーは、高インピーダンス回路アプリケーション向けに最適化された2つのユニティ ゲイン安定オペアンプ、 LTC6268 (図1を参照) とLTC6269を開発しました。
図1: Linear TechnologyのLTC6268オペアンプ。(出典: Linear Technology)
Linear Technologyは、0.45 pFという低い入力容量と、1 MHzで4.3 nV/√Hz、100 kHzで5.5 fA√Hzという入力換算電圧および電流ノイズを備えたオペアンプを設計しました。オペアンプは4 GHzのゲイン帯域幅を実現します。
テキサス インスツルメンツのオーディオ オペアンプのシステム エンジニアであるJohn Caldwell氏によると、オペアンプはより統合されたアナログ ソリューションよりも優れたパフォーマンスを提供するため、高性能システムでの使用が増え、消費者向け電子機器での使用は減っているとのことです。 「テストおよび測定アプリケーションや産業プロセス制御用のデータ取得システムを構築する企業は、オペアンプに非常に興味を持っていますが、Bluetoothスピーカーを構築する企業は、統合ソリューションを使用することで製品をはるかに迅速かつ安価に構築できるため、オペアンプを必要としない可能性があります。」 テキサス インスツルメンツのオペアンプ担当マーケティング マネージャーであるDwight Byrd氏によると、オペアンプ設計における継続的な課題は、適度な電力消費で低ノイズを実現することです。 「TIが直面している大きな問題は、容量性負荷に対して安定性を維持する低電力出力段を構築することです。
オペアンプは、容量性負荷と相互作用しない場合は、極めて低い電力消費量にすることができます。しかし、現実の世界ではそうではありません。アプリケーション回路、PCボード、ICパッケージ自体はすべて静電容量の原因となる可能性があり、適切に設計されていない場合はオペアンプが不安定になる可能性があります。過剰な電力を消費せずにこの問題を解決することは、常に設計上のハードルです。」
設計手法の改善により、オペアンプの性能が向上しました。Texas Instruments社のByrd氏は、同社の TL072 (図2) を例に挙げています。この製品は、広帯域電圧ノイズ仕様が18 nV/√Hzで、かつては低ノイズ アンプと考えられていました。
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Byrd氏によると、Texas Instrumentsは現在、 OPA170 を提供しており、その広帯域ノイズは18 nV√Hzですが、消費電力は10分の1 (1.4 mAに対して110 µA) です。OPA827のようなJFET入力オペアンプは現在、4 nV/√Hz未満のノイズ領域にまで達しており、OPA211や LME49990 のようなバイポーラ オペアンプは1 nV√Hz近くまで達しています。
図2: Texas InstrumentsのTL072オペアンプ。(出典: Texas Instruments)
Texas Instrumentsのバード氏によると、最新のトリム技術とチョッパ アンプ技術により、オフセット電圧と温度ドリフトによるDCエラーも削減されています。
アナログ回路の電源電圧は5 V未満から3.3 V、場合によっては1.8 Vまで低下し続けており、より低電圧で動作可能なオペアンプが次々と登場しています。
「入力電圧の低下を補い、さらに優れた高調波歪み性能を提供するために、多くのアナログ/デジタル コンバータ ドライバは現在、差動入力を備えています」と、Linear TechnologyのBrian Black氏は述べています。
Linear Technologyの LTC6363 などの完全差動アンプには差動入力が含まれており、シングルエンドまたは差動入力を受け入れることができます。LTC6363は、レールツーレール出力 (出力信号は最低電源電圧から最高電源電圧までの範囲) を備えたオペアンプの業界トレンドを代表する製品でもあります。オペアンプの電源電圧範囲は2.8 ～ 11 Vです。2 kHzで115 dBの低歪みと、18ビット、8 Vピークツーピーク出力までの780 nsの高速セトリング時間を実現します。
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テキサス インスツルメンツのドワイト バード氏によると、ICレイアウト用のICデバイス モデリングとソフトウェア ツールの使用が増えたことにより、オペアンプのパフォーマンス目標の達成が容易になっています。
「現在、設計プロセスには、ICレイアウトの寄生が回路の機能とパフォーマンスにどのように影響するかを調べることが含まれています。寄生効果を調べることで、アンプの入力容量の不一致によるコモンモード除去の劣化など、シリコンを受け取ったときに予期せぬ事態が発生する可能性を減らすことができます。」