第４章アナログ回路（オペアンプ）アナログ回路とは：時間的に連続変化する信号を扱う電子回路のことである．アナログ回路には，増幅回路，発振回路，加算回路，減算回路，微分回路，積分回路などがある．一般に，トランジスタを中心に抵抗，インダクタンス（コイル），キャパシタンス（コンデンサ）などを用いて，いろいろな電子回路が作られる．この章では，トランジスタなどから作った集積回路であるオペアンプを用いて，アナログ回路の簡単な設計方法を学習する． 1 1 ４−１理想的演算増幅器演算増幅器は，アナログ回路における演算用（四則演算，微分，積分など）のため，トランジスタなどから作られた集積回路であり，性能の高い直流増幅器である．一般に，オペアンプ（OP，Operation amplifier）という．オペアンプを用いてアナログ回路が簡単に作られる． 2 2 オペアンプの構成 vo=A(vi+−vi-) Aを電圧増幅度という． V+，V−は電源で，一般にV+に+15V， V−に−15V に接続する．入力端子vi+とvi−は２つあり， vi+ に入力するとき，出力voの位相は同じ， vi− に入力するとき，出力voの位相は反転となる． 3 3 オペアンプの性質 vi+ = 0のとき vo= − Avi入力と出力の極性が反転（逆位相）である． vi− = 0のとき vo= Avi+ 入力と出力の極性が同じ（同位相）である． 4 4 オペアンプの性質入力電流入力インピーダンスオフセット電圧出力インピーダンス 5 5 理想オペアンプ（１）Zin=∞，Ii＋=Ii−＝0， Vio=0 （２） Zout=0 （３）電圧増幅度A=∞ （４）入出力間に応答時間が0である（瞬時処理）以上の4つ条件を仮定したオペアンプを理想オペアンプという．今後，理想オペアンプを使うことにする． 6 6 ４−２反転増幅器 ■増幅率はR0 とRAの比で決められるので，非常に便利である． ■入力の極性 ■理想オペアンプを使う．■vi+=0とする．と出力の極性は反対である R0 − ので，要注意．入力と出力関係 v0 = − RA vi 7 7 ４−３非反転増幅器 ■増幅率は R0とRAの比で決められるので，非常に便利である．入力と出力関係  R0  + vi v0 = 1 +  RA  ■入力の極性と出力の極性は同一である． 8 8 ４−４オフセットの調整オフセット電圧とは，入力電圧がなくても，微小な電圧が出力されることである．一般に温度，電磁干渉，電源電圧の不安定などの原因で発生する．これの存在はオペアンプの精度が大きく損なわれる．この回路で打ち消されることができる．また，オペアンプにオフセット調整端子（可変抵抗器）が付いている．入力が０のとき，出力も０であるように調整すればよい． 9 9 ４−５加算回路 ■n個の入力電圧があって，それらの和を演算する回路を加算回路という． ■反転増幅器と同じ原理で実現される． ■入力電圧にそれぞれのR0/Riをかけて，総和が得られる． 10 10 例題：オペアンプによる加算回路 11 11 加算回路反転増幅回路 12 12 ４−６加減算回路減算部分加算部分 13 13 減算回路 ■出力はvi+とvi-の差からなり，その倍率は R0/RAで調整できる． ( R0 + v0 = vi − vi− RA ) ■理論回路であり，実際に加減算回路を用いる場合が多い． 14 14 補充：乗算と除算回路乗算回路の基本は，反転増幅回路である． 15 15 補充：乗算と除算回路除算回路の基本は，反転増幅回路である． 16 16 ４−７前段回路との接合 ■前段回路がある場，オペアンプ反転増幅器のR0と RAの選び方を考える．結果：RA=RS（なぜか？後で論述）になり，R0は出力関係v0=-(R0/RA)viの要求により求められる． 17 17 ４−７前段回路との接合 ■RA=RSであるかの理由を説明する． ■インピーダンス接合とは， RA=RS のとき，最大に効率で前段回路の信号をオペアンプ増幅器に伝える． 18 18 ４−８電圧ホロワ回路前段回路のRSが非常に大きい場合，インピーダンス整合のための，大きなRAが入手できない． v0=vi+，そ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（∞と仮定）となる．大きなRSに対応できる点が利用される．電圧ホロワ回路 19 19 ４−８電圧ホロワ回路電圧ホロワ回路を使うことにより，前段回路とオペアンプ回路とのインピーダンス接合がうまくできる．結局：v0=-Avs，前段の高インピーダンスの影響を克服できる． 20 20 ４−９微分回路 21 21 ４−９積分回路 22 22 ４−１０差動増幅回路 23 23 演習問題 24 24 演習問題 25 25 演習問題（４）次の回路の入力電圧と出力電圧の関係を求めよ． 26 26 演習問題（５）次の回路の入力電圧と出力電圧関係を求めよ．ただし，数学の微分と積分記号を使ってもよい． 27 27