基本的なオペアンプ回路トップ10

オペアンプ (operation amplifier) は、ほぼ理想的なDC増幅に必要なすべての特性を備えた線形デバイスであるため、信号処理やフィルタリング、加算、減算、積分、微分といった数学的演算を行うために広く使用されます。この記事の目的は、電子設計に不慣れな方に基本的な10の回路を紹介し、エンジニアの知識を再確認することです。

1. 電圧フォロワー

最も基本的な回路はボルテージバッファです。これは、外部コンポーネントを必要としないためです。電圧出力が電圧入力と等しいため、学生たちはこのような回路に実用的な応用があるのかどうか疑問に思うかもしれません。

この回路は非常に高いインピーダンス入力と低いインピーダンス出力を作成することを可能にします。これは2つのコンポーネント間で論理レベルをインターフェースする場合や、電源が分圧器に基づいている場合に便利です。下の図は分圧器に基づいており、回路は機能しません。実際、負荷インピーダンスは大きく変動する可能性があるため、V_out電圧が劇的に変化することがあり、特に負荷インピーダンスがR2と同程度の値を持つ場合に顕著です。

この問題を解決するために、負荷と分圧器の間（下図参照）にアンプを挿入します。これにより、Vout は負荷の値ではなく R1 と R2 に依存します。

オペアンプの主な目的は、その名の通り、信号を増幅することです。例えば、センサーの出力は、この信号をADCが測定するために増幅されなければなりません。

2. 反転オペアンプ

この構成では、出力が抵抗（R2）を通して負または反転入力にフィードバックされます。入力信号は、抵抗（R1）を通してこの反転ピンに適用されます。

正極ピンはグラウンドに接続されています。

R1とR2が等しい特別な場合でこれが明らかになります。この構成では、出力が入力信号とは正反対になるため、入力に対して補完的な信号を生成できます。

負の符号のため、出力信号と入力信号は位相がずれています。両方の信号を同位相にする必要がある場合は、非反転増幅器を使用します。

3. 非反転オペアンプ

この構成は反転オペアンプに非常に似ています。非反転オペアンプの場合、入力電圧は非反転ピンに直接適用され、フィードバックループの端は接地に接続されます。

これらの構成は、一つの信号の増幅を可能にします。加算アンプを使用することで、複数の信号を増幅することが可能です。

4. 非反転サミングアンプ

2つの電圧を加えるには、正のピンに2つの抵抗を追加するだけで、非反転オペアンプ回路にできます。

いくつかの電圧を追加することは、あまり柔軟な解決策ではないことに注意する価値があります。実際に、まったく同じ抵抗で3つ目の電圧が追加されると、式は V_s = 2/3 (V₁ + V₂ + V₃) となります。

V_s = V₁ + V₂ + V₃を得るためには、抵抗を変更する必要があります。別の方法としては、反転加算増幅器を使用することもできます。

5. 反転加算アンプ

反転増幅器回路の反転入力ピンに並列に抵抗を追加することで、すべての電圧が合算されます。

非反転加算増幅器とは異なり、抵抗値を変更せずにいくつでも電圧を加えることができます。

6. 差動増幅器

反転オペアンプ（回路番号2参照）は、反転ピンに加えられた電圧を増幅し、出力電圧は位相が反転します。この構成では、非反転ピンはグラウンドに接続されています。

上記の回路において、非反転入力に電圧分圧器を介して電圧を印加することで、以下に示すような差動増幅器が得られます。

増幅器は、電圧を加算、減算、比較できるだけでなく、多くの回路で信号を変更できるため有用です。最も基本的なものを見てみましょう。

7. 統合者

マイクロコントローラのGPIOを切り替えるだけで、方形波は非常に簡単に生成できます。回路が三角波を必要とする場合、その方法として方形波信号を積分するのが良い方法です。下に示すように、オペアンプに反転フィードバック経路のコンデンサと入力反転ピンの抵抗を使用して、入力信号が積分されます。

抵抗器は、飽和問題のためにコンデンサと並列に接続されることがよくあります。実際、入力信号が非常に低周波数の正弦波である場合、コンデンサは開回路のように振る舞い、フィードバック電圧を遮断します。アンプは通常のオープンループアンプのようになり、非常に高いオープンループゲインを持ち、アンプが飽和します。コンデンサに並列に接続された抵抗のおかげで、回路は低周波数での反転アンプのように振る舞い、飽和が回避されます。

8. オペアンプ微分器

識別器は、コンデンサーと抵抗を入れ替えることにより積分器と同様に機能します。

これまでに提示されたすべての構成。

9. コンバーター電流 – 電圧

フォトディテクタは光を電流に変換します。電流を電圧に変換するには、オペアンプを使った簡単な回路で、非反転入力に抵抗を通したフィードバックループと、2つの入力ピンの間に接続されたダイオードがあれば、フォトダイオードによって生成された電流に比例した出力電圧を得ることができます。

上記の回路は、基本的な公式であるオームの法則を適用しています: 電圧は抵抗と電流の積に等しいです。抵抗はオームで表され、常に正の値を取ります。しかし、演算増幅器のおかげで、負の抵抗を設計することも可能です！

10. 負の抵抗

反転ピンへのフィードバックによって、出力電圧が入力電圧の2倍になります。出力電圧は常に入力電圧より高いため、非反転ピンのR1抵抗を介した正のフィードバックが負の抵抗をシミュレートします。

最後に、オペアンプを用いた回路は必ずしも入力信号を変更するわけではなく、ピーク検出アンプのように記録します。

また: ピーク検波オペアンプ

コンデンサはメモリとして使用されます。非反転入力の電圧が反転入力の電圧（これがまたコンデンサの電圧でもある）より高い場合、アンプは飽和状態に入り、ダイオードは順方向でコンデンサを充電します。コンデンサが急速に自己放電しないと仮定すると、入力電圧Veがコンデンサの電圧より低いとき、ダイオードは遮断されます。したがって、コンデンサのおかげでピーク電圧が記録されます。

多くの回路がオペアンプで利用可能ですが、これらの基本的な10回路を理解することで、より複雑な回路を簡単に学ぶことができます。