第6回: オペアンプ(その3)の演習

スルーレート

たとえば正弦波の入力 V_i = V₀ sinωt を反転増幅回路などで増幅する場合、 V_i' = ωV₀ sinωt ですから、最も急な入力の変化はωV₀となります。したがって出力もこれにあわせて変化するはずなので、増幅率R₁/R₂の反転増幅器では、最も急な出力の変化は(R₂/R₁)ωV₀となります。これが、スルーレートよりも大きくなってしまうと、出力はその変化に追いつかず、傾きがこのスルーレートの三角波になってしまうわけです。

[演習] NJM741のスルーレートSRは、データシートから0.5V/μsですが、このNJM741を使った増幅率10倍の反転増幅器に、 ω=10kHzの正弦波を加えるとき、出力が正しい波形となる振幅の最大値V0はいくらでしょうか。
(解: 出力電圧の変化の最大値は 10×10⁴V₀ = 10⁵V₀で、これがスルーレート0.5V/μs = 0.5×10⁶V/s以下であればよいので、V₀ = 5V)

GB積

一般に、データシートに載っている増幅率は、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)

増幅率の影響

反転増幅回路を例に、増幅率が無限でないと、どれぐらいの影響があるのか、を考えてみましょう。

[演習]
反転増幅回路で、オペアンプの増幅率が有限(A)の場合、出力と入力の関係式を導いてみてください。
解(※訂正: この式の全体に-(マイナス)がつき、分母のR1のあとが＋が正しいです)

この結果から、R2/R1がAと比べて無視できなくなると、全体の増幅率が理想オペアンプから大きくずれてくる、すなわちAを∞とみなせなくなることがわかります。

非反転増幅回路でも同様に求めてみましょう。

非反転増幅回路のオフセットの影響

[演習]
非反転増幅回路で、オペアンプに入力オフセット電圧V_offがある場合に、 V_i=0としたときの出力V_oを求めてみてください。
(※訂正: 回路図のオペアンプの入力+と-が逆です)
解

いろいろなオペアンプのデータシート

くつかのオペアンプの主な項目をまとめてみました。

	NJM741	NJM062	NJM2068	NJM2130	NJMOP07
特徴	汎用	JFET入力	低雑音	低消費電力	高精度
入力オフセット電圧[mV]	2	3	0.3	1	0.06
入力オフセット電流[A]	5n	1p	5n	1n	0.8n
入力バイアス電流[A]	30n	2p	150n	15n	1.8n
電圧利得[dB]	110	80	110	88	112
入力抵抗[Ω]	2M	10¹²	300k	-	33M
消費電流[mA]	1.7	0.2	5	0.08	2.7

次のような傾向・特徴があるでしょうか。

入力オフセット電圧: 「高精度」オペアンプが特によい
入力オフセット電流・バイアス電流・入力抵抗: 「JFET入力」オペアンプが特によい
消費電流: 「低消費電力」オペアンプが特によい
電圧利得: あまり差がない

この回のソボクな疑問集

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