第5回: オペアンプ(その3)
(配布資料:
NJM741データシート、
LM358データシート(p.20のみ))
現実のオペアンプのデータシート
ここまでオペアンプは、例えば次のような特性を持つ、「理想的オペアンプ」
だけを考えてきました。
ところが実際のオペアンプは、トランジスタからなる電子回路ですから、
厳密にはこれらの特性はもてません。
そこで今回は、「実際にある」オペアンプ、というものを
みてみることにしましょう。
(出典:
新日本無線(株)NJM741データシート
これは、NJM741という型番のオペアンプICのデータシートに載っている表です。
いくつかの項目について、それがどれぐらいの値なのか、ということが
この表からわかるわけです。
この表に載っている項目を、順番に見ていくことにしましょう。
現実のオペアンプの増幅率
このデータシートから、このオペアンプがもつ増幅率を
知ることができます。
この表のAvという項目がそうで、
最小で86dB、標準で110dB、となっています。
20dB=10倍、10dB=33倍のことですから、
110dBは、
110dB=2×50dB+10dB、
つまり3×105=300,000倍、
ということになります。
つまり入力の電圧差を300,000倍にも増幅するわけですから、
かなり大きく、ほとんどの場合は無限大とみなして構わないわけです。
ただしこの増幅率は、直流の場合です。
一般にオペアンプの増幅率は、次の図のように、ある周波数から
下がり始め(周波数10倍に対して増幅率1/10=「-20dB/decade」
(decadeは「10倍」の意味)、
または周波数2倍に対して増幅率1/2=「-6dB/octave」
(octaveは「2倍」の意味))ます。
この-20dB/dec=-6dB/octで増幅率が下がっていくところでは、
増幅率は周波数に反比例していますから、
増幅率と周波数の積は一定となります。
この積をGB積 (Gain Band-width積)と呼び、
オペアンプの利得をあらわす指標の一つとなります。
(ちなみにこのNJM741のデータシートにはGB積の値は載っていませんが、
3ページ目の右下のグラフから、100kHzでの増幅率が20dBほどですから、
GB積は100,000×10=106程度、とういことになります)
オフセット・バイアス
次に理想オペアンプの「2つの入力の電圧が等しい」という特性と、
「入力に電流が流れない」という2つの特性が、
現実のオペアンプではどのようになるのかを見ていきましょう。
入力オフセット電圧
現実のオペアンプでは、増幅率が無限大でない、
などの様々な理由で、2つの入力の電圧は等しくならず、
多少の電圧差が生じます。
この電圧差を入力オフセット電圧と呼びます。
(「オフセット(offset)」とは、2つのものがもつ差、のような意味です)
例えば先のNJM741のデータシートでは、
標準で2.0mV、最大(保証値)で6.0mVの入力オフセット電圧が
あることが載っています。
この入力オフセット電圧は、例えば反転増幅回路では
上の図のように、入力の片方(この図では-側)に電圧源Voffが
入っているもの、と考えることができます。
ここで入力電圧Vi=0とすれば、本来は出力電圧Vo=0となるはずですが、
このように入力オフセット電圧Voffがある場合のVoを求めてみることに
しましょう。
まず I1 = -Voff / R1 となりますが、
これはすべて抵抗R2に流れますので、
R2の両端の電圧差は I1・R2 = -(R2/R1)Voff となりますので、
Voは、R2の左側の電圧Voffよりもこれだけ低い電圧ですから、
となります。
R2/R1は、反転増幅回路の増幅率そのものですから、
増幅率の大きい反転増幅器ほど、入力オフセット電圧の影響が
出力電圧に大きく出てくることになります。
例えばR2/R1=100倍だと、先のNJM741では、出力電圧は
理想から最大で606mV、つまり0.6Vもずれることになります。
入力バイアス電流・入力オフセット電流
現実のオペアンプでは、回路構成などの理由から、
入力端子に電流が多少流れます。
これを入力バイアス電流と呼びます。
(「バイアス(bias)」とは、中心からのズレ、のような意味です。
「偏見」のような意味もあります)
入力端子は2つありますから、
+端子側の入力バイアス電流Ib2と、
-端子側の入力バイアス電流Ib1をそれぞれ考えることができ、
ここでは、これらのバイアス電流の向きを、いずれも入力端子に向かって
流れ込む向きと仮定しましょう。
つまり次の図のように考えることができます。
この2つの入力バイアス電流の差の絶対値
|Ib2 - Ib1|のことを、
入力オフセット電流と呼びます。
つまり2つの入力の入力バイアス電流に、どれぐらいの差があるか、
という量であるわけです。
この入力バイアス電流については、次回詳しく演習で扱うことにしましょう。
入力抵抗
理想オペアンプでは入力端子には電流が流れないわけですが、
現実のオペアンプでは多少の電流が流れます。
これは、2つの入力端子の間に大きな抵抗がつながっている、と
みなすことができ、これを入力抵抗と呼びます。
このNJM741では、入力抵抗は最小で0.3MΩ、標準で2.0MΩと
なっていますので、厳密にはこのような抵抗が
2つの入力端子の間につながっている、という等価回路を考える必要が
あるわけです。
なお入力抵抗と入力バイアス電流は別に考えなければなりません。
つまり入力バイアス電流とは、常に入力端子に流れる電流ですから、
入力抵抗とは無関係であるわけです。
スルーレート
スルーレート(slew rate)とは、出力の変化の速さを表す量で、
通常[V/μs]を単位としてあらわします。
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