オペアンプ自体の原理を教えてください。
非反転増幅回路などの説明は不要です。
オペアンプ自体の回路が知りたいです。

A 回答 (4件)

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簡単に言ってしまえば+入力と-入力の差分を猛烈に増幅する差動の直流アンプです。

増幅というより、コンパレータと考えたほうがわかりやすいかもしれません。
増幅回路にするときには、出力を入力に戻しますよね?出力の変化によって+/-の入力の差分が小さくなる方向にすれば、だんだん+と-の入力電圧が近づいて、最終的にほぼ一致したところで安定するという考え方で、その結果として入出力電圧の関係を見ると教科書にあるような式が出てくるんですね。

イマジナリ・ショートとかバーチャル・ショートとか言って入力の電位が等しくなるというのを前提にして「ここの電位が等しいから出力はこうなる・・」みたいな説明をしていることもあるようですけど、電位が等しくなるのはあくまでも「そんな風に回路を組んだから」であって、オペアンプ自体が両者の電位が等しくなるように動作しているわけではありません。オペアンプはそんな洒落たことは考えてなくて、あくまでも入力電圧の差分を思い切り増幅しているだけです。
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中身を知りたいのなら、差動増幅器の塊です。

それで半分以上終わり。あとは、オフセット調整の回路、入力インピーダンスを上げて出力インピーダンスを下げる仕組み、周波数帯域やスルーレートを上げる仕組み、などなどの回路テクニックというか末梢の話。もっとも、その末梢に関心がある人もいるのでしょうが。。。。
設計者の卵に教えることと、原理を理解して使う人に教えることとはまるで違います。
前者は知りませんが、後者については
私はオペアンプのディテールを知る必要はないと学生に言っています。オペアンプを使うことはあっても設計することはまずないだろうからです。学生にはオペアンプは入力インピーダンスと差動利得とが∞で出力インピーダンス〇、そして帯域幅が十分広い直流アンプだと知れば十分だ、と教えています。設計者への教育は別でしょうけど。
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基本は作動増幅回路です。


http://www.riric.jp/electronics/design/opamp/und …
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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。
例えば80dB(60...続きを読む

Qバーチャルショート / 仮想接地

OPアンプの「仮想接地」は、負帰還回路を形成した時に2つの入力端子の電圧差がなくなる、という理解をしました。


この仮想接地の考えは、回路の計算をするときに使うということでしょうか?

片方の入力端子の電圧が分かった時に、もう片方の入力端子の電圧も分かり、それにより、周辺IC関
連の電圧や電流の計算ができるようになる、ということでしょうか?

Aベストアンサー

>この仮想接地の考えは、回路の計算をするときに使うということでしょうか?
>片方の入力端子の電圧が分かった時に、もう片方の入力端子の電圧も分かり、それにより、周辺IC関 連の電圧や電流の計算ができるようになる、ということでしょうか?

そういうこと、なのでしょうネ。

参考 URL
>アナログ回路の基礎としてのオペアンプ
… の中に提示してある回路モデルの立式条件は…?

オペアンプの入力端 { +, - } への流入電流は零。
 i(+) = i(-) = 0
またオペアンプへの印可電圧は、
 V(+) = 0
 V(-) = Vin - I*R1 = Vin - (Vin - Vout)*R1/(R1+R2)  …(1)
 Vout = -A*V(-)   …(2)
としている模様。(A = オペアンプの利得)

(1) を (2) へ入れると、
 Vout = -A*V(-) = -A*(Vin - (Vin - Vout)*R1/(R1+R2) }
 = -A*{Vin*R2/(R1+R2) - Vout*R1/(R1+R2) }      …(3)
になりそう。
(3) の両端を A で割り、A →∞ として、
 Vin*R2 = -Vout*R1
 Vout/Vin = -R2/R1
なる結果に達してます。

この結果が (1) にて V(-) = 0 と (仮想接地) したものと一致する … ということらしい。

  

参考URL:http://mosfet.chips.jp/cmos/opamp.html

>この仮想接地の考えは、回路の計算をするときに使うということでしょうか?
>片方の入力端子の電圧が分かった時に、もう片方の入力端子の電圧も分かり、それにより、周辺IC関 連の電圧や電流の計算ができるようになる、ということでしょうか?

そういうこと、なのでしょうネ。

参考 URL
>アナログ回路の基礎としてのオペアンプ
… の中に提示してある回路モデルの立式条件は…?

オペアンプの入力端 { +, - } への流入電流は零。
 i(+) = i(-) = 0
またオペアンプへの印可電圧は、
 V(+) = 0
 V(-) = Vin - I...続きを読む

Qオペアンプの動作原理

反転、非反転、加算、微分、積分回路について勉強したいのですが、これらの動作原理について解説しているページ紹介してください

Aベストアンサー

反転増幅回路と非反転増幅回路については、次のURLのそれぞれ図3.10と図3.11をご覧ください。
http://nippon.zaidan.info/seikabutsu/1998/00149/contents/059.htm
それらの回路の動作解析と関係式はそれらの図の後に載っています。
同様の説明が以下のURLにも掲載されています。
http://www2.tokyo-ct.ac.jp/users/m/matsu/text/analog.pdf
http://www.h2.dion.ne.jp/~imako/ope1.html

また以下に各回路についての動作原理について解説しているURLがありますのでご覧ください。


オペアンプの反転増幅回路とその解析と入出力の関係式の導出法については次のURLをご覧ください。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/hihanten.html

オペアンプの非反転増幅回路とその解析と入出力の関係式の導出法については次のURLをご覧ください。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/hihanten.html

オペアンプの加算回路とその解析と入出力の関係式の導出法については次のURLをご覧ください。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/sum.html


オペアンプの積分回路とその解析と入出力の関係式の導出法については次のURLをご覧ください。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/integ.html


オペアンプの積分回路とその解析と入出力の関係式の導出法については次のURLをご覧ください。
http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/dif.html

反転増幅回路と非反転増幅回路については、次のURLのそれぞれ図3.10と図3.11をご覧ください。
http://nippon.zaidan.info/seikabutsu/1998/00149/contents/059.htm
それらの回路の動作解析と関係式はそれらの図の後に載っています。
同様の説明が以下のURLにも掲載されています。
http://www2.tokyo-ct.ac.jp/users/m/matsu/text/analog.pdf
http://www.h2.dion.ne.jp/~imako/ope1.html

また以下に各回路についての動作原理について解説しているURLがありますのでご覧ください。


オペアンプの反転増...続きを読む

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>
出力電力が入力電力の1/2となる周波数を指す。
電力は電圧の2乗に比例するので
Vout / Vin = 1 / √2
となるので
ゲインG=20log( 1 / √2 )=-3dB
となる。

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
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イマジナリショートについて

(1):大学の教科書で「(添付した図の回路で)イマジナリショートの条件を用いると利得Gは次のようになる。式:A=Vo/Vi=1+R2/R1」となっているのですが、過程がかなり省かれていて全く理解できません。  イマジナリショートの条件から、反転入力電圧は非反転入力電圧Viと等しくならなければならないことから・・・ 全然わかりません!!よろしくお願いします。

(2):ついでにこちらもお願いします。「AM変調波の最大振幅Amax=1.34V、最少振幅Amin=0.36Vから搬送波振幅Acを求め、それから変調度Maを求めよ。」
(3):「(2)を元に変調信号とAM変調波の関数表示式Vm = Am cos(2πf1t)とVc = Accos(2πf2t)を導出せよ。Am:変調信号の振幅、f1:変調信号の周波数、Ac:搬送波の振幅、f2:搬送波の周波数」

(2)と(3)はテストまでに自分でやっとけって言う問題なのですが、ほんとにわからなくて困っています。お願いします。

Aベストアンサー

問題の丸投げはダメなので、分かっている範囲で途中計算を省略しないで書いた上で、どこで行き詰って分からないのか書いて下さい。
間違い箇所があれば回答者の方で訂正します。

>テストまでに自分でやっとけって言う問題なのですが、
高い授業料を払って大学に来ているのだから、学生さんはお客様です。
分かるように教えるのが教師の役目です。そんな先生は教師失格です。
でも個人で反発すれば単位を落されるので注意しましょう。本来成績は
公平な評価で成績をつけないといけませんが。。。
僕の大学では、授業評価で学生が、教員の教え方に意見を書き込むHPが用意されていて、それに対して何らかの授業改善したり、回答を書き込んだりするHPが前授業にたいして用意されています。

さて、本題にかえって、全く分からなければ諦め、先生に分かるように説明を(複数の学生と一緒に)要求しましょう。それとも、教科書や参考書やサイトで検索すれば載っていますので、自助努力もして、仮想接地くらいは理解できるようなレベルまでは勉強して下さい。

理想的なオペアンプの利得Aは∞ですが、そのときの入力VinとVoが分かっていれば
Vo=AVinの関係からVout=有限(オペアンプの±の電源電圧の範囲)
A=∞(実際は10万倍以上)とすれば、Vin=0ということです。これが仮想接地ということです。このVinはどこの電圧かといえばオペアンプの+と-の間の端子間電圧(vin+)-(vin-)=Vin=0ということです。
また、理想オペアンプの入力インピーダンスは∞で+と-の端子に電流が流れ込んだり流れ出したりしません。以上の条件を併せて仮想接地と読んでいます。
仮想接地の概念は、オペアンプの+端子と-端子の電位が同じということを意味しています。
従って R1を流れる電流がそのままR2を流れる事から
I=Vi/R1=(Vo-Vi)/R2
が成立しますので、
> Vo/Vi=1+R2/R1
の関係が出てきます。

(2)AM方式の変調度(変調指数)の定義を自分で調べて下さい。
そうすれば、計算式に当てはめるだけの問題でしょう。

(3)AM方式の定義式を自分で調べて下さい。(教科書、参考書、ネット検索サイトのどこにでも載っています。)定義式と比較すれば分かる問題です。ある程度は自助努力をして下さい。

質問があれば、やった途中計算式を補足に書いた上で、そのどこが分からないかを質問するようにして下さい。

問題の丸投げはダメなので、分かっている範囲で途中計算を省略しないで書いた上で、どこで行き詰って分からないのか書いて下さい。
間違い箇所があれば回答者の方で訂正します。

>テストまでに自分でやっとけって言う問題なのですが、
高い授業料を払って大学に来ているのだから、学生さんはお客様です。
分かるように教えるのが教師の役目です。そんな先生は教師失格です。
でも個人で反発すれば単位を落されるので注意しましょう。本来成績は
公平な評価で成績をつけないといけませんが。。。
僕の大学...続きを読む

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

QJ-FETとMOS-FETの違い

J-FETとMOS-FETの違いって何でしょうか?

同じ点なら見つかるのに違いが分かりません。
どなたか 教えてください。

Aベストアンサー

薄い皮膜=酸化膜のことです。

それから、ディプレッション、エンハンスメントの違いは
別の理由で生じます。
MOS-FETに於いて、ドレイン-ソース間に
もうひとつNチャネルを用意するとディプレッション
これをやらないとエンハンスメントになります。

また、接合型では普通はディプレッション特性となりますが
V-FETではエンハンメントの物がありました
(今はV型接合-FET自体が無い)

スイッチングはエンハンスメントのほうが都合が良く、
信号増幅(特に高周波)ではディプレッションの方が都合がよいので
こうしています。
ただし、D級、E級増幅に使われるパワーFETはエンハンスメントです。
動作がスイッチングなので。

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。
 


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