第12回: オペアンプ(その3)の補足

現実のオペアンプの回路

第5回・第6回で見ていた、現実のオペアンプの理想オペアンプからの 特性のズレは、主にオペアンプの中身の回路構成に依存します。 ここでは、現実のオペアンプが、どのような電子回路で 作られているのか、を少しだけ見ておくことにしましょう。

差動増幅回路

オペアンプの本質は、「2つの入力の差」を増幅する、というものです。 この特性は、次のような差動増幅回路でつくることができます。



トランジスタの小信号等価回路によれば、 ベース電圧の変化分vbeと、コレクタ電流の変化分icの間には ic = gm・vbeという関係があり、 gmを相互コンダクタンスと呼びます。 これを用いると、V1, V2の変化分v1, v2に対して、 2つのトランジスタのコレクタ電流をそれぞれic1, ic2とすると、 ic1 = gm・v1, ic2 = gm・v2 が成り立ちます。

これから、ic1 - ic2 = gm・(v1 - v2)となりますので、 2つのトランジスタのコレクタ電流の差(ic1-ic2)は、 2つの入力電圧の差(v1-v2)をgm倍に増幅したもの、となります。 つまりこの差動増幅回路は、2つの入力電圧の差を増幅する回路、 つまりオペアンプそのもの、といえます。 (ちなみにReがほぼ電流源として働くとすれば、 ic1 + ic2はほぼ一定となります。)

カレントミラー

もう一つ、オペアンプを構成する上で欠かせないのが 次の図の左のようなカレントミラー(current mirror)と呼ばれる回路です。

　　　　　　　　

この回路で、左側のトランジスタQ1、右側のトランジスタQ2の、 エミッタ電流、コレクタ電流、ベース電流を、 それぞれIE1, IC1, IB1, IE2, IC2, IB2とすると、 次の関係が成り立ちます。 これから、I1 - I2 = 2IB2となりますが、 ベース電流IB2は、ほぼ無視できますから、IB2=0と近似すれば、 I1=I1となることが導かれます。 つまりこの回路は、左側に流れる電流と同じだけ、 右側に流してくれる、つまり電流を鏡で映したように コピーをするような回路、であるわけです。

さてこれをどう使うかというと、 この図の右のようにしてみると、次のような関係が成り立ちます




この2つの式からI2'を消去すると、



となります。 つまり2つの電流の差を求めることができたわけです。

実際のオペアンプの回路

以前みていたオペアンプICの LM358のデータシートに載っている 回路図(p.20)を見てみると、 たしかに差動増幅回路とカレントミラーが入っていることがわかります。 この回路図の右半分には、この両者の組み合わせで得られた、 「2つの入力の差に比例する電流」を増幅して、出力Voをつくる 増幅回路があります。
この回のソボクな疑問集
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