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オペアンプとは?(1)

まずオペアンプから基本回路、最後に帰還の流れで話を進めてみます。


オペアンプは+側入力端子の電圧から-側入力端子の電圧の差を1000倍~100000倍くらい大きくして(大きくすることを増幅するといいます)出力する回路です。

一般的な形は出力端子が1つしかないシングルエンドと呼ばれるものです。

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オペアンプとは?(2)

例えば、入力信号がまったくなかったとき(=無信号時と言います)にそれぞれの入力端子の電圧が 0V, 出力信号を大きくする割合(増幅率と言います)を 1000倍とすると、出力端子の電圧の中心も 0V だったとすると
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という関係になります。
ここで、+入力端子に 1mV=0.001V を加えるとどうなるでしょうか?
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となります。逆に-側入力端子に 2mV=0.002V を加えると、
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となります。

オペアンプとは?(3)

(2)で見たように、オペアンプは2つの入力電圧の差を増幅しますので

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のように無信号時の入力電圧が 0V である必要はありません
さらに、無信号時の出力電圧も 0V でないことも少なくありません。
この場合は、無信号時の出力電圧にこれまでの計算値(入力電圧の差のを増幅した値)を加える必要があります。

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オペアンプとは?(4)

最近では、電源ノイズによる特性劣化を防ぐなどの目的で、出力端子にも+側、-側端子がある完全差動型が増えてきました。
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完全差動型では出力端子が2本になるのに加えて、もう1本端子が増えます。この端子に与えられた電圧が出力電圧の無信号時の値になります。(出力も差で表現されてしまうため、無信号時の出力電圧値を決めることができなくなるため)。考え方はシングルエンド型と同様ですが、出力電圧の決め方が変わります。
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オペアンプとは?(5)

オペアンプを見ると
(1)なんで入力が2つあるの?
(2)なんで増幅率がとんでもなく大きいの?
と思うと思います。この謎を解くために、オペアンプの長所と短所を見てみます。

電子回路にはオペアンプ以外に抵抗容量コイル(受動素子の仲間です)が出てきます。この受動素子とオペアンプを比較しながら、オペアンプの性質を見てみます。

オペアンプは入力電圧を増幅できるが、受動素子では簡単ではない
オペアンプの長所は入力電圧を増幅(大きく)できることです。受動素子だけでは、こちらの希望通りに増幅するのは簡単ではありません(小さくすることは簡単ですが)。オペアンプが増幅できるのはトランジスタMOSトランジスタバイポーラトランジスタなど)という素子を使用しているからです。なお、トランジスタは能動素子と呼ばれる素子の仲間です。

受動素子でできた回路は出力信号がひずまないが、オペアンプだけではひずむ
オペアンプの欠点は出力信号の波形が入力信号の波形から変わってしまうことです。この波形が変わることを波形がひずむ(歪む)と言います。
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出力信号がひずむことは大問題です。自分の声を録音したら違う人の声になった…とか、写真をとったらピンボケになった…のようなことにつながるかもしれません。これに対し受動素子のみの回路では、基本的に出力信号は歪みません(出力にて大電流を引き抜くような無茶をすればおかしくなりますが)。

このようにオペアンプは増幅できても波形がひずみます。そのため、オペアンプ単独ではまず用いられません。実際には受動素子の力を借り、さらに、帰還という考え方を使うことで、波形のひずみを実使用に耐えられるところまで改善します(なくすことはできません)。

さきほどの2つのハテナの答えは、この帰還という考え方を取り入れるため、と言えるかと思います。
いま何時かにゃ~
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目標であったオペアンプの設計に6年かけて到達しました。ここからは応用的な内容を書ける限り書いていきたいと思います。

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