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OP アンプ応用回路の再生術
2014年10月8日
佐藤 尚一
アナログ技術者の不足
・就職、配属等の問題
・工期、コストなど製品化の諸事情(特に技術以外の)
・所属組織の仕事のスタイル(全部外注とか・・・)
その他・・・
回路の得意な人が設計の仕事に就けるとは限らない、
回路の得意な人を設計担当にできるとは限らない
対処法は?
難しいことが簡単にできる時代だが・・・
・アナログ回路は理屈通り動かないことも多い
・シミュレーターを活用
コピペはリスク大
・ブロックごとの試作と動作確認が望ましい
新規設計には1週間程度は覚悟
OPアンプ数個でも
なぜか?
OPアンプは回路設計が必要
OPアンプは回路の一部
VDD
入力
一般の
IC
IC開発時に
動作を評価・
確認済み
出力
RやCと同様の部品
デジタルICなどは完成品
実績のある設計済みの回路を使いたい
しかし・・・
・オリジナル設計者不在
・動作原理も不明
・実績だけが理由で使われ続けている
不明な回路に遭遇、どうする?
まず、電源をつなげ
検証の一歩
・できる限りオリジナル通りの電源を用意する
・DC-DCコンバーター等を活用
上記を強く推奨
電源電圧の変更は新規設計の覚悟をせよ!
以上、ちゃんちゃん
それでもやらなければならない場合、注意点とは?
IC化から半世紀
OPアンプの歴史は非常~に長い
±15V
数千円(OPアンプ)
アナログ回路中心
算盤、計算尺
東西冷戦
$1=¥360(固定)
電電公社
+5V以下、単電源
<10円
マイコン中心
パソコン、シミュレータ
”ベルリンの壁”崩壊
$1=約¥100(変動)
NTT
応用回路はほとんど半世紀前のスタイル
見落とすな!OPアンプには電源が必要
+電源電圧VDD,VCC
入力
電圧
VI
出力
電圧
VO
ー電源電圧VSS,VEE
あたりまえ?
教科書
(理想OPアンプ)
には無い
シミュレーション
では無くてもOK
OPアンプは電源電圧が変っても動作可能
(型番ごとに上限と下限が決まっている)
入出力電圧は±の電源電圧を超えられない
+電源電圧VDD,VCC
入力
電圧
VI
出力
電圧
VO
ー電源電圧VSS,VEE
シミュレーション
では制限なし
入力電圧(*)、出力電圧ともに+/-の
電源電圧を超えることはできない
入出力電圧が有効な範囲には”余白”がある
VDD
無効
VOH
同相入力
電圧範囲
Vicm
最大出力電圧
Vom
VOL
VSS
無効
余白(無効な範囲の電圧)は入出力できない
電源電圧が下がっても余白はそのまま
余白も小さく
VDD
VOH
Vicm
Vom
こうならない
VOL
VSS
変らない
つぶれてしまう
電源電圧なりに信号を小さくしてみると・・
VDD
ノイズに埋も
れてしまう
最大値
VOH
最小値
VDD
ノイズより
大きい
GND
ノイズ
VOH
GND
信号
ノイズやオフセットは電源電圧が変っても同じまま
最小値(オフセット、ノイズ、誤差)に注意!
他の部品の動作電圧にも注意!
VOよりVF高い
VF
VO
VZ
ツェナー電圧VZは
6V前後が多い
その他、トランジスタのVBEやFETのVGSなど
タイミングや電流の基準が変ることがある
I
C
VO1のしきい値を検出
R
VO2
VO1
VOH
VO2
I t
VO1 
, I
C
R
①電圧が充電電流と
充電時間に比例
VOL
②充電電流は出力電圧
に比例
電源電圧の影響を評価すべし
フルスイング型OPアンプが救世主
VCC>4V
1~
3V
2~
5V
Vicm
Vom
1~
1~
3V
3V
VEE<-4V
(a)従来型
(BA4558)
VDD>0.9V
0.1V
0V
Vicm
Vom
出力側は
無効な領域
がある
0.1V
0V
VSS<-0.9V
(b)フルスイング型
(BU7262)
(おまけ)明確な振幅制限に使える
VOH
VOL
フルスイング型OPアンプの出力特性を利用
するとこのような振幅制限が簡単にできる
ダイオード等の代わりになる
単電源型は従来型も動作電圧が低い
VDD>0.85V
0.1V
1.2V
V >1.5V
CC
±1.5V
動作では
中点に達 1.5V
する
Vicm
0V
1.5V
Vicm
Vom
20mV
VEE<ー1.5V
(a)単電源従来型
(BA2904)
Vom
0.1V
0V
VSS<-0.85V
(b)出力フルスイング型
(BU7462)
ACには低飽和出力電圧型が使える
VCC>1V
入力側は従来 1V
型と変らない。
反転増幅器な
Vicm
どに使う。
最低動作電圧
=使用可能な
電圧、ではない
1V
0.5V
Vom
0.5V
VEE<-1V
(a)低飽和出力電圧
(BA2115/BA4510)
従来型OPアンプ
の出力回路を改
造して無効な領
域を減らしたもの。
電圧を低くするだけで高速化?
電圧
VCC高
VCC低
SR:
歪まない最大振幅の正弦波
のt=0における接線の傾き
ΔV/Δt [V/μs]
時間
電源電圧なりに信号
の振幅を下げてしまえ
ばSRは低くても良い
単電源動作が好まれるが・・・
±電源がOPアンプのメリット
±の電圧を出力できるから
しかし・・・(なので・・・)
単電源は無理に使うことになり、大変
特に定番の2904/358はかなりクセモノ
OPアンプの電源は正負非対称で良い
同相入力電圧
や出力電圧が
動作可能な範
囲ならばよい
非対称で
よい
OPアンプにはGND端子が無い
電源のGNDがOPアンプのGND
GNDと定めたところがGNDとなる
*電源の投入順序等が定められている場合があるので
マニュアルに従ってください
VSS=0Vとすれば電源は一つで済む
バッファ
フローティング
(a)”真の”単電源
(b)仮想グラウンド
実質的に±電源と同じ
出力を0Vにするために±電源が必要
IO
VO
負荷
VEE
OPアンプ内部が超伝導で無ければ
VO=0Vは不可能
単電源型であってもVO=0Vは不可能
±1.5V
動作では
中点に達
する
”C級”
出力段
に注意
VCC>3V
1.5V
VDD>1.7V
0.1V
1.2V
1.5V
Vicm
Vicm
0V
Vom
20mV
VEE=0V
(a)単電源従来型
(BA2904)
Vom
0.1V
0V
VSS=0V
(b)出力フルスイング型
(BU7462)
動作点のかさ上げ(バイアス)は意外と難しい
A/D
GNDから
浮いてしまう
OPアンプ回路の
GNDをかさ上げ
A/Dの基準電位
と異なる
気にしないのが一番
10mV/℃の
温度センサ
×5倍
入力電圧範囲
0~5V
A/D
0℃: 0mV
2℃: 20mV
10℃:100mV
100℃:1V
0℃: 0mV
2℃: 100mV
10℃:500mV
100℃:5V
センサを
選べば
室温付近(>おおよそ2℃)は問題ない OK!
交流には”中点バイアス”も有効
VDD/2
A/D
直流カット
VDD/2
中心に±
で振れる
オーディオ等でよく用いられる
VDD
Cで結合すると出力電圧は±で振れる
中心電圧から
±で振れる
VDD
VDD/2
VDD/2
中心に±
で振れる
中心電圧を決める
何もしないと0V
バイアス回路がノイズの原因になる
レギュレータや
フィルタを介し
て直流電圧を
与えるとよい
VDD
反転増幅器の+入力端子に信号を入力する
と非反転増幅器として機能する
(参考)単電源非反転増幅器
VDD
(この、バイアス
の処理は感心し
ない)
反転増幅+中
点バイアスの
回路と同じ
負荷の接続場所で動作が変る
VOH
VOL
(a)出力電流は双方向
(b)出力電流は一方向
流出方向でVOH、流入方向でVOLの制限を受ける
単電源でC結合の負荷は±電源と同じ
出力電流は
±方向に流
れる
BA2904等では
ひずみが発生
バイアス
電位
GND電位
(0V)
出力電圧は
0Vを中心に
±に振れる
(参考)BA2904/BA10358のひずみ対策
(C級出力のA級化)
C級出力
バイアス抵抗
大き目の電流をここに流し
OPアンプの出力電流が常に
流出方向になるようにする
A級出力
(参考)BA2904/BA10358のVOL-ISINK特性
VOL
段が
ある
VOL
0.7V
ISINK
50μA
(a)BA2904/BA10358
ISINK
ISINK
(b)BU7462・BU7262等
図の回路ならばISINK方向には流
れない、しかし一般には不可能。
たとえば・・・
VOL
IB
同じ2904がつながる
場合、IBはISINK方向
おうちで実験、がオススメです
アナログ回路設計を楽しみましょう!
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