電気/電子回路オペアンプ (応用回路)

基本的な考え方

理想的なオペアンプについては，「電気/電子回路 オペアンプ (基本)」に示しました．オペアンプの基本的な使い方は — というか別の使い使い方はない — 出力を入力にフィードバックすることです．入力は二つ (V1，V2)，出力は一つ (Vout) です．この出力を入力の負極に戻します．そうすることにより，オペアンプの入力端子の電位差はゼロになります．さらに，入力端子へは電流が流れません．これらは，オペアンプの特徴である (1)増幅率は極めて大きい，(2)入力端子のインピーダンスは極めて大きい，(3)出力端子のインピーダンスが小さい — ことが作用しています (参照: オペアンプ (基本))．図1に，この様子を示します．

図1: オペアンプ回路の考え方

このフィードバック回路構成により，入力電圧波形に対して，様々な出力電圧波形が得られます．こん WEB ページでは，代表的なフィードバック回路を示します．

回路例

増幅回路

反転増幅回路

反転増幅回路は，電圧の符号を反転 (正⇔負)し増幅します．図2に，実際の回路を示します．Vinが入力信号，Voutが出力信号です．

オペアンプの入力端子「+」は接地 (0[V]) されているので，もう一方の入力端子「-」も 0 [V] になります．そして，入力端子「-」には電流が流れません．すると，抵抗 R1には，電流 I=Vin/R1が流れます．したがって，出力の電圧 Voutは \begin{align} V_{out} = -V_{in}\frac{R_2}{R_1} \end{align} となります．出力電圧は入力電圧の符号が反転し，R2/R1倍になることが分かります．また，この反転増幅回路の入力インピーダンスは R1です．

図2: 反転増幅回路

非反転増幅回路

符号を反転しない回路もできます．

オペアンプの入力「+」が信号の入力端子になります，入力「-」はフィードバック信号の入力になります．これらのオペアンプ入力端子のインピーダンスが極めて大きいので，電流が流れません．更に，これらの入力端子の電圧は等しくなります．すると，抵抗 R1には，電流 I=Vin/R1が流れます．同じ電流が，R2にも流れます．したがって，出力の電圧 Voutは， \begin{align} V_{out} = V_{in}\frac{R_1+R_2}{R_1} \end{align} となります．出力電圧は入力電圧の同じ符号(同位相)で，(R1+R2)/R1倍になることが分かります．また，この反転増幅回路の入力インピーダンスはオペアンプの入力インピーダンスに等しく，極めた高いインピーダンスです．

図3: 非反転増幅回路

波形整形

微分・積分回路

入力信号を積分や微分することもできます．出力 Vout は，入力 Vin を積分や微分 (正確には導関数) した値になります．この時の積分や微分の変数は時刻 t です．ここでの説明では，時刻の関数という意味で変数に (t) をつけます．おなじみの数学記号ですね．

反転積分回路

入力信号を積分する回路「反転積分回路」を図4に示します．出力 Vout(t) は，入力 Vin(t) を積分した値になります．

抵抗 R には，電流 I(t)=Vin/Rが流れます．同じ電流が，キャパシター C にも流れます．キャパシターの Vout 側の電荷量 Q(t) は \(Q(t_0)-\int_{t_0}^tI(t)\diff t\) になります．Q(t0) は，時刻 t0 の時の電荷量です．図に示した電流の向きを正としたため，積分の前の符号が負になります．

出力電圧 Voutは，キャパシタの出力側の電極の電荷量Q(t) を静電容量 C で割った値になります(注意)．したがって．出力 Vout(t) は， \begin{align} V_{out}(t) = V(t_0)-\frac{1}{CR}\int_{t_0}^{t}V_{in}(t)\diff t \end{align} となります．

図4: 反転積分回路

反転微分回路

図5: 反転微分回路

ページ作成情報

参考資料

更新履歴

last update:2017/10/14 23:25:30