オペアンプの原理

前提知識

オペアンプとは入力信号を増幅させる機能を持った回路です。回路図は以下の様になっており(供給電源は略して記載する場合もある)、 反転入力端子X1と非反転入力端子X2の電圧の差分に比例して電圧Yを出力します。ただし、供給電源以上の出力は出せません。



■オペアンプの原理
オペアンプの中の回路図は以下の様になります。X1とX2にかける電圧によって、Yの電圧(A-B間の電位差)がどのように変わるのかを考えてみます。



具体値を与えて考えてみます。トランジスタはX1(or X2)に電圧(電流)を与えれば与えるほど流れる電流が大きくなるという性質を持っています。 電流が大きくなるという事は、抵抗値が小さくなるという事なので、トランジスタは可変抵抗であると考えます。また定電流源は過大な電流が流れるのを防止する為のものなので、 一旦省略して考えます。



値と適当に上記とした時、出力Yは以下。反転出力端子X1に入力した値が反転して出力されているのが解ります。


次にX1とX2の電位差が小さくなるとどうなるか見てみます。X2を先ほどより大きくし(電流がより流れるのでR4が小さくなる)、計算してみます。X1の値は変えません。



この様に、X1とX2の電位差が小さい方が出力Yが小さくなり、上記(1)式が成り立つことが分かります。これがオペアンプの原理となります。

■オペアンプの増幅率
オペアンプはこのままでは増幅率(ゲイン)が高く、少しの電位差でもすぐ供給電源値に張り付いてしまいます。一般的にオペアンプのゲインは1万倍とかそれ以上と言われてます。 何故そんなに増幅率が高いのか、その理由を説明します。

理由はトランジスタの特性にあります。トランジスタの特性は以下の様になり、ベースの電圧がある値を超えると急激に電流が流れます。 少しの電圧変化に対しても電流が大きく変わるという事は、抵抗値としても大きく変わる事を意味しております。 上記で説明した様に、抵抗値はオペアンプの出力値に影響を与え抵抗の変化量が多いと増幅率が高くなることを意味します。 これがオペアンプの増幅率が高い理由となっております。



■オペアンプの応用
上述したとおり、オペアンプ単体だとゲインが高く使い勝手が悪いので反転増幅回路を用いてゲインを抑えた回路にします。こちらを参照。 ただし、オペアンプ単体では増幅回路としてはゲインが高く使い勝手が悪いですが、その特性を利用してコンパレータとして使う事が出来ます。こちらを参照

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