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電圧利得3倍のオペアンプを作り(オペアンプを±15Vで作動)
非反転増幅回路の直流電圧入出力特性をとったのですが、
飽和時の出力電圧はマイナス側が-13.8V、プラス側が14.2V
でした。
理論としては出力は最大(低)で+(-)15Vでるはずです。
実際にオペアンプ内(また、その他)の何が原因で出力電圧が15Vを下回ってしまうのでしょうか?
また、どの測定でもマイナス側の飽和出力電圧の値(絶対値)の方がプラス側の飽和出力電圧よりも低くなっています。
このことはオペアンプの初段トランジスタのミスマッチにより入力電圧0Vでも出力電圧が0Vとならないこととは関係はあるでしょうか?

考えうる原因を教えてください。

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A 回答 (6件)

LM741のデータシートはNational Semiconductorのサイトでpdfファイルでダウンロードできます。

4ページ目に回路図がありますが、参考になるでしょうか?

トランジスタが動作しているとき、そのベース・エミッタ間の電圧は常に約0.6Vです。また、トランジスタを完全にONさせたとき、コレクタ・エミッタ間には0.1~0.3V程度の電圧が残ります。これが飽和電圧です。その他抵抗に電流が流れれば電圧降下が起きます。というわけでOPアンプの出力は普通電源電圧いっぱいまでは振らせることができません。

回路図で出力段だけ見てみると、Q14のベース電圧は前段がどうがんばっても正の電源電圧以上にはならないので、出力電圧は電源電圧からベース・エミッタ間の電圧0.6Vを引いた電圧までにしか上がりません(正の電源と出力間にダイオード1本入れた状態と考えてもよい)。負側のトランジスタQ20についても同じです。出力段の前段も含めて考えれば電圧ドロップはもっと大きくなると考えられます(正確な説明は他の回答者の方に期待します)。「マイナス側の飽和出力電圧の値(絶対値)の方がプラス側の飽和出力電圧よりも低くなって」いる理由は回路が正負で対称でないからでしょう。オフセット電圧とは直接関係がないと思います。

参考URL:http://www.national.com/pf/LM/LM741.html
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#4の回答をした者ですが 一部訂正&追記します。




【誤】
「理論としては・・・」とありますが、理論通りの電子部品は存在しません。特性のある部分のみを理論に近・・・

【正】
「理論としては・・・」とありますが、理想の電子部品は存在しません。特性のある部分のみを理想に近・・・

回路動作を理論で説明する場合、現実の回路定数や特性を数値化しなければなりません。しかし、全ての回路定数や特性を完璧に数値化することは不可能です。そのため、シミュレーションと実際の波形には必ず誤差が付きまといます。
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ものすごく噛み砕いた説明をします。

オペアンプというものは2つの入力の大小関係によって出力が変化します。
片側の入力を「反転入力」(-記号)もう一方を「非反転入力」(+記号)と呼びます。
反転入力よりも非反転入力の方が電圧が高い場合 出力電圧は上昇し、非反転入力よりも反転入力の方が電圧が高い場合 出力電圧は下降し、双方の電圧が等しくなると出力電圧はその値に落ち着きます。

入力電圧の範囲は一般的にVss+1.5v~Vcc-1.5v程度であり、それを超える入力電圧では正常な動作を期待できません(詳しく説明すると長くなるので今回はそういうものと思って下さい)。

出力電圧も同じくVss+1.5v~Vcc-1.5v程度の範囲内でしか出力できません。何故1.5vなのかはトランジスタのエミッタフォロワ回路の知識が必要です(これは独習してください)。
単純な回路で表現すると、Vccから直列に2個のダイオードが順方向に直列接続され、さらにそこに3端子の可変抵抗の両端2端子のうちの一方が直列に接続されます。この可変抵抗の真ん中の端子が出力端子になります。なおかつ可変抵抗の残った端子と2個のダイオードが順方向に直列にVssに接続されています(つまり合計4個のダイオードの向きは全て同一)。
この可変抵抗は、反転入力よりも非反転入力の方が電圧が高い場合 出力電圧が上昇する方向に動き、非反転入力よりも反転入力の方が電圧が高い場合 出力電圧が下降する方向に動きます。ちなみにこの動きの速さを「スルーレート(V/μs)」と呼びます。
結局1.5vという電圧はダイオード2個分の電圧降下に相当し、使用分野によっては余裕を見込んで1.8vや2vで設計することもあります。

尚、先のお方の回答であった「レールツーーレイル」という種類のオペアンプでは出力電圧がVss~Vccの範囲全てをカバーできます。

「理論としては・・・」とありますが、理論通りの電子部品は存在しません。特性のある部分のみを理論に近づけるよう特化したものはありますが、基本的にある性能を良くしようとすると他の部分の性能が悪くなることが往々にしてあります。回路設計をする場合は自分が必要としている特性項目に着目し、それが満たせるものをリストアップした後 他の特性項目が設計の許容範囲外のものをふるい落とすようなことをするものです。
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オペアンプは、沢山のトランジスタ、ダイオードや抵抗器で構成されています。


特別な高級品は別として、ほとんどはモノリシックICとなっていますので、作りっぱなしで無調整です。

内部は差動増幅器やカスケードアンプになっています。
入力の差動増幅器のトランジスタの僅かな特性の不ぞろいがオフセットとなって、出力にドリフトが出るのは一般的です。

出力増幅器は、トランジスタのコレクタなどが電源と出力の間に入りますから、飽和電圧は、0にはならず、電圧が残ります。
この飽和電圧の差も正負の飽和電圧が一致しない一因でしょう。

カスケードアンプも正負の特性は、完全に一致するとは限らないので、出力のドリフトの原因になります。

hagoromoさんの測定では、双方とも飽和するところまで、入力を入れて比較しているとすれば、出力段トランジスタの飽和電圧の不ぞろいと思いますが。

できれば、詳しい規格表で内部の等価回路が公開されていれば理解しやすいと思います。無いでしょうね。

オペアンプの勉強中とのことですので、基本としてトランジスタ増幅回路のおさらいをすることをお勧めします。
他に参考になりそうな書籍をURLに入れておきます。

参考URL:http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/31891.htm
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出力トランジスタのC-E間の電圧降下でしょう?


それともレールツーレールのオペアンプを作ったのでしょうか?
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電源電圧から1.5Vくらいを引いた電圧が最大出力の常識ですけど?


なぜ15Vの電源で15V出せるのでしょうか?
hagoromoさんの「理論」がわかりません。

自作されたオペアンプですよね?
じゃあ、どんな値に設計したのですか?
バイアス電流は? バイアス電圧は? 電流制限抵抗は?

入力電圧が0Vで出力電圧が0Vなら理想アンプですよね?
どんな抵抗器を使ったか知りませんが、誤差ゼロですか?
特性のトランジスタを使って作ったのか知りませんが、すべて誤差ゼロの全く同じ特性のトランジスタを使われたのでしょうか?
その辺りの説明が無いので答えられませんが、どんな優秀な設計者でも、それは不可能じゃないでしょうか?
可能とすれば、設計なら、自動補正機能を持たせているとか、抵抗器もコンデンサもトランジスタも、すべて1/1000000くらいで測定した、まったく誤差の無いものを使うしかないですね。

この回答への補足

早速の回答ありがとうございます。

スイマセン。書き方が足らなかったです。
自分で設計したオペアンプではなく、
LM74を使用しました。
理想オペアンプを考え、実際の素子との違いを比較し、
電子回路初心者の私はオペアンプとはどういうものなのか
さわりを知ろうと試みたわけです。

トランジスタの誤差などから、飽和時の出力電圧が、どうしてマイナス側の値が低くなってしまうのか?ということを考えだすことができずに
質問させていただきました。

また、実際には電源電圧-1.5Vが最大電力となるのも、
トランジスタの特性を学び始めたレベルの私には
”常識”という感覚がなく、その理由もまたつかめずにいます。

なんだかSpurさんの思っていたレベルの話でなくて申し訳ないです。

補足日時:2002/07/03 00:56
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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。

Aベストアンサー

>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。
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Q反転増幅回路の入出力電圧の関係

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よろしくお願いします

Aベストアンサー

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[1] 入出力特性を見てみよう http://www.cqpub.co.jp/toragi/TRBN/trsample/2004/tr0406/0406sp2.pdf
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Q遮断周波数のゲインがなぜ-3dBとなるのか?

私が知っている遮断周波数の知識は・・・
遮断周波数とはシステム応答の限界であり、それを超えると減衰する。
<遮断周波数の定義>
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となるので
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ご存じの方いらっしゃいましたら教えて下さい。

Aベストアンサー

>ここで、なぜ出力電力が入力電力の1/2(Vout / Vin = 1 / √2)
>となるのでしょうか?
>定義として見るにしてもなぜこう定義するのか

端的に言えば、
"通過するエネルギー"<"遮断されるエネルギー"
"通過するエネルギー">"遮断されるエネルギー"
が、変わる境目だからです。

>遮断周波数とはシステム応答の限界であり、それを超えると減衰する。
これは、少々誤解を招く表現です。
減衰自体は"遮断周波数"に至る前から始まります。(-3dBに至る前に、-2dBとか、-1dBになる周波数があります)

Qカットオフ周波数とは何ですか?

ウィキペディアに以下のように書いてました。

遮断周波数(しゃだんしゅうはすう)またはカットオフ周波数(英: Cutoff frequency)とは、物理学や電気工学におけるシステム応答の限界であり、それを超えると入力されたエネルギーは減衰したり反射したりする。典型例として次のような定義がある。
電子回路の遮断周波数: その周波数を越えると(あるいは下回ると)回路の利得が通常値の 3 dB 低下する。
導波管で伝送可能な最低周波数(あるいは最大波長)。
遮断周波数は、プラズマ振動にもあり、場の量子論における繰り込みに関連した概念にも用いられる。


ですがよくわかりません。
わかりやすく言うとどういったことなのですか?

Aベストアンサー

>電子回路の遮断周波数: その周波数を越えると(あるいは下回ると)回路の利得が通常値の 3 dB 低下する。
>導波管で伝送可能な最低周波数(あるいは最大波長)。
>遮断周波数は、プラズマ振動にもあり、場の量子論における繰り込みに関連した概念にも用いられる。

簡単にいうと、一口に「カットオフ周波数」と言っても分野によって意味が違う。
電子回路屋が「カットオフ周波数」と言うときと、導波管の設計屋さんが「カットオフ周波数」と言うとき
言葉こそ同じ「カットオフ周波数」でも、意味は違うって事です。



電子回路の遮断周波数の場合
-3dB はエネルギー量にして1/2である事を意味します。
つまり、-3dBなるカットオフ周波数とは

「エネルギーの半分以上が通過するといえる」

「エネルギーの半分以上が遮断されるといえる」
の境目です。

>カットオフ周波数は影響がないと考える周波数のことでよろしいでしょうか?
いいえ
例えば高い周波数を通すフィルタがあるとして、カットオフ周波数が1000Hzの場合
1010Hzだと51%通過
1000Hzだと50%通過
990Hzだと49%通過
というようなものをイメージすると解り易いかも。

>電子回路の遮断周波数: その周波数を越えると(あるいは下回ると)回路の利得が通常値の 3 dB 低下する。
>導波管で伝送可能な最低周波数(あるいは最大波長)。
>遮断周波数は、プラズマ振動にもあり、場の量子論における繰り込みに関連した概念にも用いられる。

簡単にいうと、一口に「カットオフ周波数」と言っても分野によって意味が違う。
電子回路屋が「カットオフ周波数」と言うときと、導波管の設計屋さんが「カットオフ周波数」と言うとき
言葉こそ同じ「カットオフ周波数」でも、意味は違うって事です...続きを読む

Q周波数特性の利得の低下について

トランジスタの周波数特性についてお尋ねしたいことがあります。

周波数特性は台形のような形をしているのですが、低域周波数帯と高域周波数帯で利得が低下する原因が分かりません。
初心者でも分かるように簡単に説明してくれませんか?。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

トランジスタの増幅回路で入力や出力の結合部分にコンデンサを使うことが一般的ですがこれが原因で増幅度が小さくなる事は有ります。

つまり
信号源→コンデンサ→増幅回路入り口
と言う場合コンデンサのリアクタンスは1/ωCで計算されますがここでω=2Πfですから周波数fが下がればリアクタンスが大きくなって結合が弱まりますね。また補正のためにエミッタアース間にもコンデンサを入れる事が多いですがこれは周波数が低くなると負帰還が多くなり増幅度は下がります。

逆に周波数が非常に高くなるとベース、エミッタ、コレクタ、各電極の配線などの浮遊容量などによって増幅度を下げる方向に作用します。
殊更高くなると半導体内部の電荷の移動時間すら問題になります。

Q閉ループゲイン 開ループゲイン

オペアンプの閉ループゲイン、開ループゲインとはそもそも何なのでしょうか?
根本的なとこがわかりません。
どなたかよろしくお願いします。

Aベストアンサー

[図6.1-41]を見てください。
これが開(オープン)ループゲインです。(青色)
(フィードバックをかけていないときの利得ー周波数特性)
http://my1.interlink.or.jp/~md0858/series4/densi0613.html

70Hzくらいまでは100dBの利得がありますが、より高い周波数では-6dB/oct(=-20dB/decade)でどんどん下がっていき、7MHzくらいで0dBとなります。
(最大利得と周波数特性はオペアンプの種類によって異なるが、この”傾向”はすべてのオペアンプについて言える)

[図6.1-43]を見てください。
例えば80dB(60dB)のフィドバックをかけたとすると、利得は20dB(40dB)になりますが、利得一定の周波数幅がうんと広くなることにお気づきでしょうか?
これが閉ループゲインです。

一般に、オペアンプの開ループゲインは100dB以上ありますが、これを開ループで使うことは滅多にありません。
周波数特性が問題にならないコンパレータのときくらいのものです。

参考URL:http://my1.interlink.or.jp/~md0858/series4/densi0613.html

[図6.1-41]を見てください。
これが開(オープン)ループゲインです。(青色)
(フィードバックをかけていないときの利得ー周波数特性)
http://my1.interlink.or.jp/~md0858/series4/densi0613.html

70Hzくらいまでは100dBの利得がありますが、より高い周波数では-6dB/oct(=-20dB/decade)でどんどん下がっていき、7MHzくらいで0dBとなります。
(最大利得と周波数特性はオペアンプの種類によって異なるが、この”傾向”はすべてのオペアンプについて言える)

[図6.1-43]を見てください。
例えば80dB(60...続きを読む

Q計算値と理論値の誤差について

交流回路の実験をする前に、ある回路のインピーダンスZ(理論値)を計算で求めたあと、実験をしたあとの測定値を利用して、同じ所のインピーダンスZ(計算値)を求めると理論値と計算値の間で誤差が生じました。
そこでふと思ったのですが、なぜ理論値と計算値の間で誤差が生じるのでしょうか?また、その誤差を無くすことはできるのでしょうか? できるのなら、その方法を教えてください。
あと、その誤差が原因で何か困る事はあるのでしょうか?
教えてください。

Aベストアンサー

LCRのカタログ値に内部損失や許容誤差がありますが、この誤差は
1.Rの抵抗値は±5%、±10%、±20% があり、高精度は±1%、±2%もあります。
2.Cの容量誤差は±20% 、+50%・ー20% などがあり
3.Lもインダクタンス誤差は±20%で、
3.C・Rは理想的なC・Rでは無く、CにL分、Lに抵抗分の損失に繋がる成分があります。
これらの損失に繋がる成分は、試験周波数が高くなると、周波数依存で増大します。
また、周囲温度やLCRの素子自身で発生する自己発熱で特性が変化します。
測定器や測定系にも誤差が発生する要因もあります。
理論値に対する測定値が±5%程度発生するのは常で、実際に問題にならないように、
LCRの配分を工夫すると誤差やバラツキを少なく出来ます。
 

Q反転増幅器のカットオフ周波数の求め方

基本的な反転増幅回路における周波数特性が右下がりになる理由を理論的に説明したいのですが、回路にコンデンサが使われていないので、カットオフ周波数が求められなくて困っています。
オペアンプは751です。
右下がりになる理由はカットオフとオペアンプの周波数特性によるものですよね?



   

Aベストアンサー

式が少し違うところがありますが、Fcutは合っています。
V(t)=Asin(2πft)  Aは最大値(片振幅)
dV/dt=2πfAcos(2πft)  t=0のとき、[dV/dt]max=2πfA=SR
よって、f=SR/2πA (あなたの式には2が無い)
SR=0.5[V/μs] A=8[Vp0] とすると、f=0.5/2/3.14/8=0.020[MHz]=20[kHz] (あなたの計算結果と一致)
以上はあなたに従って最初から8Vで計算しましたが、電源電圧(例えば15V)で上限値を求めておくことも必要だと思います。

QオペアンプのGB積

オペアンプの周波数特性にてGB積を求めたいのですが、求め方がよくわかりません。
GB積=電圧利得A(倍率)×周波数f(Hz)
で求めたのですが、それぞれがばらばらの値で、一定になりません。
色々調べるとGBは一定の値をとる。となっています。

良く分かりません。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

「×GEIN」→「○GAIN」でスペルミスです.寝ぼけていてゴメン.
お詫びに図で説明を;
図はオーディオ用のuPC4570の電圧利得対周波数特性です.
http://www.necel.com/nesdis/image/G10528JJ8V0DS00.pdf
赤線は電圧利得 Av=80dB(1万倍)のときで周波数 f≒1.3kHzとなり,GB積≒1.3*10^07.
青線は電圧利得 Av=40dB(100倍)のときで周波数 f≒120kHzとなり,GB積≒1.2*10^07.
黒線は電圧利得 Av=0dB(1倍)のときで周波数 f≒7MHzとなり,GB積≒7*10^06.
Av=0dBの周波数ゼロクロス周波数と呼び,データシートに記載があります.

とゆうように,適当な電圧利得を選び,そこから水平に線を引いて電圧利得対周波数特性との交点を求め,その時の周波数と電圧利得を掛ければGB積が算出できます.


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