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OPアンプは高周波帯において、出力側で位相が遅れた成分が入力側に戻ることで、ポジティブフィードバックの状態になり発振してしまう。帰還容量を増やすことによって位相余裕を増やしてやることで
発振しないようにすることが出来る。
ということに関してなのですが疑問があります。

・帰還容量を増やすということは高周波側の成分の帰還量を増やすということに相当するわけですが、
となると帰還容量を増やすと逆に発振を促進することにはならないのでしょうか?

・コンデンサの特性として位相を送らせるというものがありますが、となるとコンデンサを経由して帰還してきた成分は90°遅れており、位相余裕が90°ほどもある周波数帯まで、入力と同じ位相になってしまい、やはり発振を促進してしまうのではないのでしょうか?

・そもそもコンデンサで入力側と出力側を繋ぐということは、帰還量だけではなく、オペアンプを経由せずに素通りしていく成分も増えることになり、この成分はオープンループゲインが0以下の周波数帯でもゲイン0で通過するのではないのでしょうか?


この3点いくら考えて調べても答えが見つかりませんでした。
どなたか詳しい方がおられたら教えて下さい。

よろしくお願い致します。

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A 回答 (3件)

先ず前提として,外部ゲインが0dB(つまり100%負帰還)まで安定な電圧帰還型のOPアンプを対象にしているとゆうことを理解することが重要です.


外部ゲイン0dBでは不安定な電圧帰還型OPアンプ(例えばLF357とか)や,電流帰還型OPアンプでは,帰還容量を付けると発振します.

また,帰還量にはレベルと位相があり,帰還容量を付けると高周波側の成分の帰還量が増えますが,位相は進みます.

>・帰還容量を増やす・・・発振を促進することにはならないのでしょうか?
位相が進むために安定に100%負帰還がかけられます.

>・コンデンサの特性として位相を送らせると・・・発振を促進してしまうのではないのでしょうか?
位相は進みます.

>・そもそもコンデンサで入力側と出力側を繋ぐ・・・ゲイン0で通過するのではないのでしょうか?
先ず,OPアンプの入力でクランプされると共に,OPアンプ内部の寄生ダイオードで整流され,直流オフセット電圧の増加という形になります(ここの1ページ).
http://documentation.renesas.com/jpn/products/li …
実験してみればすぐわかりますが,ゲイン0での通過は観測されません.

発振の問題は伝達関数を求めて見ればすぐわかります.
OPアンプの特性や浮遊容量を含めた伝達関数は,シグナル・フロー・グラフを使えばあっという間に求まります.
http://www.mogami.com/paper/sparameter/sparamete …
ここの「5.2 メイソンの非接触ループ法」です.
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>帰還容量を増やすと逆に発振を促進することにはならないのでしょうか?



発振を促進しないように帰還での位相を調整しているはずです。
普通はOPアンプ内で-90度位相が回っていて、高い周波数ではさらに
位相が遅れるので、これが発振の原因となっています。帰還路で遅れる
位相を戻してやるために、帰還抵抗にコンデンサを並列接続します。

発振はループゲインが大きければ起こるという訳ではありません。
ループゲインがちょうど1のときの位相がどうなっているかが問題
なのです。

発振を抑えるために高い周波数で帰還量が多くならないようにと思い
LPFを帰還路に入れたくなるのですが、これは逆効果です。位相を
もっと重視して考えてみてください。

>コンデンサの特性として位相を遅らせるというものがありますが・・

「コンデンサは位相を遅らせる」というのは大変危険な考え方です。
印加電圧に対して流れる電流は進み位相ですし、コンデンサを積分的に
使うか微分的に使うかで正反対の位相になります。
OPの帰還抵抗に並列にコンデンサを接続すると、(反転入力~GND等に
抵抗が入っている場合には)帰還路に沿う経路では電圧位相は進みます。

>オペアンプを経由せずに素通りしていく成分も増えることになり・・

これは確かにそのとおりです。OPアンプが扱えないような高い周波数
では素通りの問題が発生します。特にLPFを作ったつもりがうんと高い
周波数はLPFになっていなかったという問題は良く見かけます。

OPが扱えないような高い周波数というのは、出力インピーダンスを
低く保てない周波数、という意味です。ほとんどのOPアンプでは閉
ループゲインが1に近づく周波数では「扱えない周波数」と思って
良いと思います。

OPアンプの位相補償は、一見矛盾する要求をどうやって両立させるか
というところがキーポイントです。矛盾する要求とは
●高周波でのループゲインを下げたい(つまり、LPF動作をさせたい)
●高周波での位相遅れを避けたい(つまりLPF動作を避けたい)
これらを両立させるには往路の特性をいじるのか、復路(帰還路)の
特性をいじるのかを混同しないことと、一定の位相のまま、じっと我慢
するとゲインが勝手に落ちてくれる、という現象を利用するのです。
じっと我慢・・という非論理的表現はいかがなものかとも思いましたが
敢えて表現してみました。

単純な1次のCRのLPFの位相とゲインのカーブをよく眺めてみてください。
-90度のままでゲインだけどんどん落ちていくでしょう。これがキー
ポイントです。
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帰還させる部分の抵抗値が大きいほうがゲインが高くなるのはご存じの通りです.


そこからすると, コンデンサを入れると高域に対するインピーダンスが減る
すなわち, 高域のゲインが下がります.

>高周波側の成分の帰還量を増やすということに相当する
イマジナリショートを満たすためには入力電流を打ち消すだけ
出力から電流を供給します.

帰還容量が大きければ, インピーダンスが低くなるから,
より少ない電圧で同じぶんの電流をもどせるわけです.

従って, 電圧出力は小さくなります.
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Qボルテージフォロワが発振しないようにするにはどうしたら良いですか?

帯域の大きなオペアンプを使ってボルテージフォロワ回路を組んだ場合で、
被測定対象の容量が大きな場合など
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このページに一応解説がなされているのですが、出来る限り入力インピーダンスを下げずに発振を抑えたいので、
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これで最良の方法なのでしょうか?

Aベストアンサー

最もよく使われている方法は、ボルテージフォロワと容量負荷の
間を小さい抵抗(10Ωとか)で分離するやりかたです。この場合
入れた抵抗R1のせいで出力電圧が減衰するので、この抵抗の後から
負帰還をかけます。(R2経由)

もしC1やR2がないと、抵抗R1と負荷C2によるLPFで位相が遅れ、
さらに発振しやすくなってしまうので、添付の図のように高い
周波数はOPアンプから直に帰還されるようにします。(C1経路)

これで安定にはなりますが、全体としての高周波特性が悪化
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ただ、LPFで発振を見えなくしているといったインチキでは
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Qオペアンプ 発振防止

テキストを読むと、ゲイン余裕や位相余裕等の説明があります。
しかし肝心な発振対策はあまり見られません。余裕関連の測定を各自やってケースバイケースで勝手にやれという事でしょうか?発振対策に使えるテキストや文献があれば紹介して下さい。

Aベストアンサー

発振現象は,帰還経路があり,
その周波数帯域でプラスのゲインを持ち,
発振の位相条件がそろったときに起きる現象です.

一般的には帰還経路があり広帯域でプラスのゲインを持つと,
どこかで位相条件を満たすため発振をします.
広帯域アンプなどは注意が必要です.

具体的な発振対策としては
1)帰還経路を遮断する.
2)ゲインを下げる.
3)位相をいじる.

という順ではないかと思います.

まずは,帰還しないようにすれば,発振は止まります.
しかし,どうしても帰還経路を止めることができない場合は
発振周波数付近でのゲインを下げ,発振を止めることもあります.
これは,所望の帯域でのゲインも下がってしまうことがあるので,
あまり使いたくないですが,帰還経路をどうにもできない場合には
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最後ですが,このもの(1品)が何とかすればいい場合は,
帰還経路にCやLなどを入れて位相をずらすことも考えられます.
しかし,位相をずらしても,広帯域でプラスゲインを持っていると
ほかの周波数で発振条件を満たしてしまう場合が多く難しい
対処方法になります.

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1)帰還経路を遮断する.
2)ゲインを下げる.
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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。
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Qオペアンプのボルテージフォロアの帰還抵抗

オペアンプでボルテージフォロアを組む場合、教科書ではVoutと-入力を短絡すればいいと書いてあるのですが、あるアンプの回路をみたら短絡ではなく10kオームになっていました。
先輩に聞いたら発振防止のために入れるらしいですが、なぜ10kオームなのかという理由はわかりませんでした。
抵抗を入れるのはどういう場合なのでしょうか。
抵抗を入れる場合は定数をどうやって決めるのでしょうか。
教えてください。

Aベストアンサー

短絡でなく10kオームとなっているのは、+入力から見た信号源インピーダンスと-入力から見た信号源インピーダンスの差を小さくし、出力のDCオフセットとDCドリフトを小さくするためでしょう(バイアス電流の影響)。

ただし、ここに10kオームを入れると、高い周波数でのフィードバック位相が-入力の容量の影響で遅れますので、発振しやすくなります。
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Qボルテージフォロワの役割がよく分かりません。

ボルテージフォロワは、電流が流れることで寄生抵抗によって電圧値が低下しないようにするために、回路の入力段及び出力段に入れるものであると思いますが、
これを入れるのと入れないのでは具体的にどのような違いが表れるのでしょうか?

オペアンプを使った回路では通常、電流は流れないはずですので、このようなものは必要ないように思うのですが、どのような場合に必要になるのでしょうか?

Aベストアンサー

#1のものです。

ちょっと説明がうまくなかったようです。
ボルテージフォロワを使用するのは、次の段の入力インピーダンスが小さく電流がある程度流れる場合に、信号を元の電圧をそのまま受け渡す際に使用します。
とくに信号源の出力インピーダンスが大きいときは信号源に流れる電流を減らすため、受ける側の入力インピーダンスを大きくする必要があります。
反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができません。(反転増幅回路の入力インピーダンスは信号源と反転入力端子の間の抵抗にほぼ等しい。この抵抗の大きさはさほど大きくできない。)
非反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができます(非反転増幅回路の入力インピーダンスは非反転入力と反転入力のピン間インピーダンスにほぼ等しく、かなり大きな値になる。)が、増幅率が1よりも大きくなってしまいます。
これを元の信号のレベルに下げるために抵抗で分圧してしまうと、分圧に使用した抵抗分出力インピーダンスが増えてしまいます。これでは何のためにオペアンプを入れて電流の影響を減らしたの意味がなくなってしまいます。
元の電圧のまま、次の段に受け渡すにはボルテージフォロワがよいということになります。


次に、#1の補足に対して。
>反転増幅回路と非反転増幅回路は単に反転するかしないかの違いだと思っていたのですが、
>それ以外に特性が異なるのですか?
これは、上でも述べていますが、反転増幅回路と非反転増幅回路は、増幅回路の入力インピーダンスが異なります。
信号源の出力インピーダンスが大きく、電流が流れると電圧が変化してしまような用途では入力インピーダンスを高くできる非反転増幅が有利です。

>・出力インピーダンスとは出力端子とグラウンド間のインピーダンスだと思っていたのですが、それでいくと分圧するということは
>出力インピーダンスを下げることになるのではないのでしょうか?
違います。出力インピーダンスとは信号を発生させている元と入力先との間のインピーダンスを意味します。
出力インピーダンスは信号源から流れる電流による電圧降下の大きさを決定付けます。
オペアンプを使った回路での出力インピーダンスは、理想的な状態ですはゼロになります。
分圧用の抵抗を入れてしまうと、分圧に使用した抵抗のうち信号源と入力先に入っている抵抗分が出力インピーダンスとして寄与していしまいます。

>・それと非反転増幅回路の出力を抵抗などで分圧することで増幅率を1以上にするデメリットを教えて下さい。
これは、何かの勘違いですね。
非反転増幅回路で増幅率を1よりも大きくしたいのなら分圧などする必要はありません。
非反転増幅で増幅率を1以下にしたい場合は、何らかの方法で信号を減衰させる必要があります。ここで分圧を使うのはあまり好ましいことではないということです。

#1のものです。

ちょっと説明がうまくなかったようです。
ボルテージフォロワを使用するのは、次の段の入力インピーダンスが小さく電流がある程度流れる場合に、信号を元の電圧をそのまま受け渡す際に使用します。
とくに信号源の出力インピーダンスが大きいときは信号源に流れる電流を減らすため、受ける側の入力インピーダンスを大きくする必要があります。
反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができません。(反転増幅回路の入力インピーダンスは信号源と反転入力端子の間の抵抗...続きを読む

Qオペアンプに電源を入れただけでノイズがたくさん出るのですが・・・

オペアンプを使って電流電圧変換器を作りました。
帰還抵抗値は10kΩ、パスコン容量は10pF、帰還容量は1pFです。
これをスペクトラムアナライザで見てみると入力段に何も信号を入れなくても、大量のフロアノイズ及び周期的なノイズピーク(凡そ100kHzおき)に出ています。
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こんな簡単にオペアンプが発振するとは思えないのですが・・・
いろいろ考えてみたのですが、分かりませんでした。
どなたか知ってらっしゃいましたら教えて下さい。

Aベストアンサー

OPA2604のデータシート1ページ目の FEATURES を見ると、ゲイン1で安定( UNITY-GAIN STABLE)と書かれていますので、帰還率が1でも発振しないと思います。念のため、オープンループゲイン/位相の周波数特性(4ページ)を見てみましたが、Voltage Gain = 1 ( 0dB )のときの位相余裕が40度あるので、反転入力(-)と出力間に帰還抵抗を入れた状態で、反転入力をopenにしても発振しないと思います。

OPA2604の実物が手元にないので、回路シミュレータ(Circuit Maker)で様子を見てみました。オペアンプを OPA2604 とし、帰還容量を Cf = 1pF、帰還抵抗を Rf = 10kΩ~500kΩ、非反転入力(+)=0V として出力波形を見てみましたが異常はありませんでした。他に考えられる発振の原因として以下の3つがあります。
   (1) 容量性負荷による発振
   (2) パスコンが10pFと小さいことによる発振
   (3) 反転入力端子の容量による発振
(1)については、データシート9ページの FIGURE 2 に、大きな容量性負荷の駆動回路の例が出ているので、出力端子に10000pFの容量をつけてシミュレーションしてみましたが発振しませんでした(出力電圧は完全なDCではありませんがnV未満のAC信号しか出ません)。(2)については、電源ラインに配線インダクタンスを模した 0~500μH のコイルを入れてみましたがこれでも発振はしませんでした。(3)についてですが、反転入力端子(-)と負荷に付けた静電容量がともに数千pFの場合に、Rf = 10kΩ で発振し、Rf = 500kΩでは発振しないとういう現象が見られました。可能性としては低いと思いますが、反転入力端子(-)と出力端子の両方に大きな容量(数十mの同軸ケーブルなど)がつながっていませんか?

>クローズループでのゼロクロスポイントの計算はどうすれば良いのでしょうか?
ちょっと時間をください。

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Q反転増幅回路の発振を防ぐ方法について

反転増幅回路の発振を防ぐ方法として、OPアンプ出力後(添付図参照)に抵抗を入れるとよいと聞いたのですが、なぜなのかわかりません。
詳しい方いらっしゃいましたら、ご回答よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

回答NO.2です。 回答の補足です。OPアンプの出力へRxとCsを負荷した場合のOPアンプの出力OUTの出力抵抗の前からOUT端子までの伝達関数はsをラプラス演算子として以下の式で与えられます。

V(out)/V(1)={Cs*Rx*s+1}/{Cs*(r0+Rx)*s+1}  (1)


式(1)で分子のゼロωzは

   ωz=1/(Cs*Rx)   (2)

で与えられ、分母のポールωpは

   ωp=1/{Cs*(r0+Rx)} (3)

で与えられます。周波数特性は式(1)でs=jωとおいて得られますが、形としては低い周波数ではゲインは0dB。ポール周波数ωpでゲインはωzが十分高ければー3dB。この場合はωpにωzが近いのでー1dB程度の低下・そして位相も少し遅れる。
 周波数がさらに上がってゆくとゼロの影響でゲインは再び上昇してゆきます。位相も戻ってゆきます。この周波数特性をシミュレーション計算した結果を添付しておきます。

 黄色がRx=1uΩ、即ちショートした状態で太い線がゲインを細い点線が位相wp示してます。薄青色がRx=100Ωの時の特性です。

 Rxに100Ωを入れただけで位相の遅れは約-7.5°に抑えられているのが分かると思います。Rxがショートされた状態だとCsの影響がもろに出て位相は大きく遅れてゆく(周波数の上昇に伴って)のが分かります。

 これがRxを挿入する効果ということになります。

回答NO.2です。 回答の補足です。OPアンプの出力へRxとCsを負荷した場合のOPアンプの出力OUTの出力抵抗の前からOUT端子までの伝達関数はsをラプラス演算子として以下の式で与えられます。

V(out)/V(1)={Cs*Rx*s+1}/{Cs*(r0+Rx)*s+1}  (1)


式(1)で分子のゼロωzは

   ωz=1/(Cs*Rx)   (2)

で与えられ、分母のポールωpは

   ωp=1/{Cs*(r0+Rx)} (3)

で与えられます。周波数特性は式(1)でs=jωとおいて得られますが、形としては低い周波数ではゲインは0dB。ポール周...続きを読む

Qオペアンプに使用するパスコンは何故0.1μFなのでしょう?

いろいろ本を見てもパスコンは0.1μFをつければいい。という内容が多く、
何故パスコンの容量が0.1μFがいいかというのがわかりません。
計算式とかがあるのでしょうか?

Aベストアンサー

下記の「図2コンデンサの特性:(b)」を見てください。
http://www.cqpub.co.jp/dwm/contents/0029/dwm002900590.pdf

0.1μFのセラコンは、ほぼ8MHzで共振しています。
つまり8MHzまではキャパシタとしての特性を示しており、これより高い周波数ではインダクタと
なってしまうことがわかります。

0.1μFは単純に計算すると8MHzで0.2Ωのインピーダンスを示し、これは実用上十分低い
インピーダンスと考えられます。
つまり、大ざっぱにいって、10MHzまでは0.1μFのセラコンに守備を任せることができるわけです。
(従って、当然のことですが、10MHz~1GHzを扱うデバイスでは0.1μFでは不十分で、0.01μF~10pFといったキャパシタを並列に入れる必要が出てきます)

では低域の問題はどうでしょうか?
0.1μFは1MHzで2Ω、100kHzでは20Ωとなり、そろそろお役御免です。
この辺りからは、電源側に入れた、より大容量のキャパシタが守備を受け持つことになります。
(この「連携を考えることが、パスコン設計の重要なポイント」です)

ここで考えなければならないのが、この大容量キャパシタと0.1μFセラコンとの距離です。
10MHzは波長30mです。
したがって、(これも大ざっぱな言い方ですが)この1/4λの1/10、すなわち75cmくらいまでは、回路インピーダンスを問題にしなくてよいと考えます。

「1/40」はひとつの目安で、人によって違うと思いますが、経験上、大体これくらいを見ておけば、あまり問題になることはありません。
厳密には、実際に回路を動作させ、て異常が出ればパスコン容量を変えてみる、といった
手法をとります。

上記URLは、横軸目盛りがはっきりしていないので、お詫びにいくつかのパスコンに関するURLを貼っておきます。
ご参考にしてください。
http://www.rohm.co.jp/en/capacitor/what7-j.html
http://www.cqpub.co.jp/toragi/TRBN/contents/2004/tr0409/0409swpw.pdf
http://www.murata.co.jp/articles/ta0463.html

参考URL:http://www.cqpub.co.jp/dwm/contents/0029/dwm002900590.pdf

下記の「図2コンデンサの特性:(b)」を見てください。
http://www.cqpub.co.jp/dwm/contents/0029/dwm002900590.pdf

0.1μFのセラコンは、ほぼ8MHzで共振しています。
つまり8MHzまではキャパシタとしての特性を示しており、これより高い周波数ではインダクタと
なってしまうことがわかります。

0.1μFは単純に計算すると8MHzで0.2Ωのインピーダンスを示し、これは実用上十分低い
インピーダンスと考えられます。
つまり、大ざっぱにいって、10MHzまでは0.1μFのセラコンに守備を任せることができるわけ...続きを読む

Q反転増幅器の周波数特性

入力電圧V1=300mV、R1=10kΩ、Rf=100kΩの反転増幅回路で周波数を100Hzから200kHzまで徐々に変化させていくと、10kHz以降から位相差が生じて、出力電圧、利得が減少しはじめました。どうしてこんなことが起きるのでしょうか?その根拠がわかりません・・・
そしてなぜ10kHzから生じたのかという根拠もわかりません。
どなたかご回答の程よろしくお願いします。

Aベストアンサー

関連する質問を紹介しますので、この回答を参考にレポートを書いてください。

μPC741というオペアンプを使って反転増幅の周波数特性をG=0,10,20dBと3種類測定しました。
(1)3種類とも利得が-3dBになる高域遮断周波数が約40kHzになりました。理論値と比較したいのですが理論式の導出がわからない
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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? http://okwave.jp/qa3048059.html

非反転増幅、反転増幅の回路実験を行ったのですが、1kHzや100kHz を入力すると、約10倍の増幅が確認できたのに対し、1MHzを入力した場合、約1.2倍となりほとんど増幅が確認できませんでした。 これはなぜでしょうか http://okwave.jp/qa3055112.html

反転増幅回路と非反転増幅回路に周波数特性に違いがあるらしいのですがそれがどういった違いなのかわかりません。わかる方いらっしゃいましたら教えてください。 http://okwave.jp/qa4078817.html

関連する質問を紹介しますので、この回答を参考にレポートを書いてください。

μPC741というオペアンプを使って反転増幅の周波数特性をG=0,10,20dBと3種類測定しました。
(1)3種類とも利得が-3dBになる高域遮断周波数が約40kHzになりました。理論値と比較したいのですが理論式の導出がわからない
(2)周波数をあげると生じる入出力の位相差の原因とその理論式(たぶんスルーレートが関係すると思うのですが)
(3)位相差と利得の低下にはどんな関係があるのか http://okwave.jp/qa3510524.html

基本的な反転増...続きを読む


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