オペアンプ/反転増幅器/頭打ち

オペアンプの反転増幅器における特性について質問します。

ある値で入力電圧をかけ、出力電圧をテスターやオシロスコープで波形を見ると、ある値で頭打ちになってしまいます。オペアンプには、規定の電源電圧において正常に動作する限界値（出力が飽和する電圧）があると耳にしましたが、どういうことでしょうか？

オペアンプについて熟知しておらず、曖昧な質問で申し訳ありません。
よろしくお願い致します。

No.1 ベストアンサー 回答者： rabbit_cat 回答日時： 2006/01/09 01:45

＞オペアンプには、規定の電源電圧において正常に動作する限界値（出力が飽和する電圧）があると耳にしましたが、どういうことでしょうか？

まさに言われる通り、ある電圧で出力が飽和してしまうってことです。
まず、当然のことながら、オペアンプはかけられた電源電圧以上の電圧を出力することはできませんから、どんなに頑張っても、電源電圧でオペアンプの出力は飽和してしまいます。

実際には、一般的なオペアンプは、電源電圧まで出すことができず、それより低い電圧で出力が飽和してしまいます。
オペアンプを（特に増幅目的で）使うときには、出力が飽和してしまわないように、入力の大きさを考えて増幅率を設計する必要があります。

No.2 回答者： Teleskope 回答日時： 2006/01/09 02:01

　

　
(1)実験されたアンプの品名、
(2)そのときの電源の電圧値、
(3)頭打ちになった出力電圧の値、
(4)そのときの入力電圧の値、
を教えていただけますか？
それか、レポートのための一般論な説明がご入用なのでしょうか？
　
　

この回答への補足

（1）汎用形オペアンプを使用
（2）+10V、-10Vの電源電圧
（3）+9.38V、-7.77V（直流）、+9.7～+9.9V程度、-7.5Vくらい（交流）
（4）（2）同様です。

交流に関しては、オシロスコープで見ると、中央ラインから上への振幅が大きく、下への振幅がそれに比べて小さいです。

よろしくお願い致します。

補足日時：2006/01/09 02:09

No.3 回答者： Teleskope 回答日時： 2006/01/09 03:09

　

　
レスありがとうでした、できれば具体的な型番を知りたいのですが。
　
　

この回答への補足

遅くなりました。
汎用周波数補償内蔵型の741型です。
これでわかるでしょうか。

補足日時：2006/01/09 14:08

No.4 回答者： Teleskope 回答日時： 2006/01/09 17:08

　

　
　お疲れさまでした！それでは device の datasheet で内部を見てみましょう、百聞は一見にしかず、一目瞭然です。


↓昔の雰囲気がするdatasheet
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ua741.pdf
↓小綺麗です。抵抗値が書いてあるので使えます。
http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/5304.pdf
↓新日本無線(NJM社)のセカンドソース
http://www.njr.co.jp/pdf/aj/aj04015.pdf
4ページ目の「最大出力電圧の温度依存」の図が使えます。実験はたぶん室温ですね。そのあたりの温度での値を読みとってください。電源電圧との差が何ボルトか？を見るのです。傾向は似てますか？　似てればこのIC固有の性質だと言えますし、なんか違ってれば原因は別にありそう、ということです。前者で話を進めましょう。

小綺麗なデータシートの2ページ目にある出力回路の図。この図は見やすくするためか ずいぶん省略されてます。Q16のベース配線が行き先無いのは困りますがｗ、出力部分だけを抜き出すと；


　　PNPの
　　エミッタ接地
　　　Q13
　　　 ─┬───┬───── Vp　正電源
　　　　　E　　　　　│
　　　─B　　　　　 C　　Q14
　　　　　C───B　　　NPNの
　　　　　　　　　　　E　　　エミッタフォロア
　　　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　　　25Ω
　　　　　　　　　　　├─── 出力
　　　　　　　　　　　50Ω
　　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　　E
　　 　┌─┬──B　　Q20
　　　　C　 │　　　C　　PNPの
　　─B　　C　　　 │　　エミッタフォロア
　　　　E─B　　　 ｜
　　　　　　 E　　　 ｜
　　───┴──┴──── Vn　負電源
　　　Q16　Q17
　　　NPN　NPN
　　　二つひとくみで
　　　ダーリントン接続されたエミッタ接地



　実験では出力の負荷は帰還抵抗だけで、それも25Ωや50Ωより遙かに大きいと思いますので、この抵抗による電圧降下は無視できるはずです。（この25や50Ωはうっかり出力を電源やグランドにショートさせたときの異常電流検出抵抗なので正常使用時は無視して結構です。）
　上側の回路は、
Q13はエミッタ接地だからVceはほぼゼロ近くまで行けますね？（教科書でここを押さえましょう。）だからQ13のコレクタは 「 ほぼVpまで行ってる 」 のです。　次のQ14はエミッタフォロアでベースエミッタ間Vbeの電位差が常に付きまといます（これも教科書で押さえましょう。）よって、出力は 「 ほぼVpからQ14のVbeだけ落ちる 」 ことになります。　実際がそれより大きめなのは、Q13を飽和まで追い込んで使ってない（そう設計してある）からなので、大まかに合えば良しとしましょう。

　下の方も同様なのですが、Q16とQ17、がダーリントン接続（ darlington 発明者名）のエミッタ接地回路なので、これはVceがゼロまで行かない性質があります。（これは教科書に無かったらネット検索で。）それプラス Q20のVbe が下側の出力限界、ということです。
　以上、エミッタ接地、エミッタフォロア、ダーリントン接続（ダーリントンペアとも）の三者を教科書から引用してレポートを仕上げましょう。




　余談；
オペアンプの内部回路はパテント激戦の跡そのものでして多種多様です、なので具体的な品名や使用状況の説明がないと一般論も満足にできない、易者のようなぼんやりした回答しかできませんので今後の参考に。　ものによっては25,50Ωの所が馬鹿でかかったり、入力側で電圧をクリップしてあるとか、一筋縄ではいきません。　今回は質問文に「反転型」とひとことあったので助かりました。
　タイプ741は、オリジナルはトランジスタ発明者の弟子たちが作った会社フェアチャイルド（良い子）社のμA741です。マイクロアンプリファイヤ。　「オペアンプ回路をIC化」したルーツの一つ。グランドマザー的な地位でして子孫は今も世界中で繁栄しています。その家系図は、
↓の発言＃39に一部が。
http://ebi.2ch.net/pav/kako/971/971596951.html

以上ですが、適当に何か追加質問を付けてください。
　
　

No.5 回答者： soramist 回答日時： 2006/01/09 17:31

横からすみません。

オペアンプに限らず、電圧増幅型のアンプでは、電源電圧以上の出力振幅を取ることはできません。
例えば、電源電圧が±10Vであれば、出力振幅は20Vp-p（7.1Vrms）以上に取ることはできません。

問題は、この範囲で如何に効率よく、ギリギリまで持ってこれるか・・・ということです。
741系のオペアンプは古典的なオペアンプで、こういう配慮はされておらず、取り出し得る出力振幅はかなり小さいです。

「Rail to Rail」または「フルスイング」という呼び方をされるオペアンプのご使用をお薦めします。
http://www.national.com/JPN/ds/LM/LMV321.pdf

なお、ANo.2の補足欄へ書かれた「非対称」の件は、直流バイアス点の不適切によるものと思います。
直流バイアス点を調整して、波形が対象に歪むようにする、ことが必要でしょう。

参考URL：http://www.national.com/JPN/ds/LM/LMV321.pdf