オペアンプ反転増幅回路

帰還抵抗と入力抵抗の定数について質問です。
増幅率が同じ10倍でも、10kΩ/1kΩや10Ω/1Ωと考えられます。下限はどうやって決まるのでしょうか？私が見聞きした範囲では、
・増幅率の計算値からずれる
・発振しやすい
等ありますが、具体的にどのような理屈で決まるのでしょうか？

No.4 ベストアンサー 回答者： info22_ 回答日時： 2011/09/01 08:43

#2です。

A#2等の補足の質問の回答

>もう少し教えて下さい。
>抵抗値が下がり出力電流が増えるというのは、帰還抵抗→入力抵抗→入力信号源と流れる電流が 増えるということでしょうか？

その通りです。出力電流がOPアンプの定格電流を越えると、OPアンプの異常な発熱や仮想接地が破れて増幅器として機能しなくなったり出力波形のピークがちょん切られたように歪むといった影響が出てきます。あくまでもOPアンプの定格（出力電流や入力電流）を越えない範囲で使用する入力抵抗、帰還抵抗を選ばないといけません。

>この時、仮想接地が崩れるのは何故ですか？

増幅率(帰還抵抗/入力抵抗)を維持するだけの、出力電流が流せない（あるいは追いつかない）からです。

他の補足質問について
>抵抗が小さくて計算値から外れる原因は何でしょうか？

仮想接地が敗れるからです。定常的には、出力電流の大きさがOPアンプの定格を越えるため、一時的にはOPアンプのスルーレイト以上の早い変化に即応した出力電流が流せないために、仮想接地が敗れます。

>LC ではないと思います。
コイルやコンデンサのことですか？
そうなら、一時的に、過大な出力電流が流れたり、過大な電圧が発生して、仮想接地が敗れたり、OPアンプが壊れたりします。

>・増幅率=－（出力抵抗+帰還抵抗）/入力抵抗
これば仮想接地が成り立っている範囲
　（出力電流の定格以内、スルーレート以下で使用）、
　出力電圧のピークがOPアンプの直流電源電圧のおよそ80％以下の範囲
　で使用することが前提。仮想接地が成り立たない時はこの式どおりの増幅率になりません。

>・出力端子は出力抵抗と帰還抵抗の間
　微妙に正しいとはいえません。
　出力端子はOPアンプの出力端子と仮想接地のアース端子（つまりOPアンプの直流電源電圧の中性点の端子、OPアンプの信号接地の端子）の間

>の２点を考慮しておけばＯＫと考えていいでしょうか？

それだけでは不十分でしょう。
OPアンプの定格を越えない範囲で使えば問題ないでしょう。
スルーレートや大きすぎる入力抵抗、帰還抵抗も、浮遊容量による発信や雑音を拾う原因になります。入力電圧も、OPアンプの電源電圧の範囲のほぼ80％以下の出力電圧に収まる範囲で使用する。回路設計では仮想接地は非常にインピーダンスが高く、雑音を拾いやすいので、配線を出来るだけ短くしたいですね。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
許容出力電流の問題でしたか、納得しました。質問文には書きませんでしたが、もう2点出来れば教えて下さい。
各抵抗には、小さいとはいえ電流が流れてます。信号源と入力抵抗の間にコンデンサを挿入し直流電流を遮断したらマズイですか？使用周波数で流れればいいですか？

信号源の出力インピーダンスが50Ωの場合、帰還抵抗/入力抵抗=100Ω/10Ωにすると、増幅率は50Ωの影響を受けて100Ω/(10Ω+50Ω)になりますか？

お礼日時：2011/09/01 22:27

No.5 回答者： info22_ 回答日時： 2011/09/02 02:34

#2,#4です。

#4のお礼の所の追加質問について

>各抵抗には、小さいとはいえ電流が流れてます。信号源と入力抵抗の間にコンデンサを挿入し直流電流を遮断したらマズイですか？使用周波数で流れればいいですか？

マズイでしょうね。直流をどうしてもカットしたければコンデンサの後を抵抗でアースに接続しておくと回路が安定すると思います。ただし、CR回路（微分回路が出来るので信号周波数に対して時定数τ=RCが無視できるようなR,Cの素子値を選んでやります。）
OPアンプ仮想接地でOPアンプ自身の入力端子の内部インピーダンスは∞ですから雑音で回路が不安定になりやすいので入力抵抗の前は出来るだけ低インピーダンスの所に接続しておきたいです。前段がOPアンプの出力なら出力インピーダンス零で理想的ですが…。

>信号源の出力インピーダンスが50Ωの場合、帰還抵抗/入力抵抗=100Ω/10Ωにすると、増幅率は50Ωの影響を受けて100Ω/(10Ω+50Ω)になりますか？

そういった使い方はOPアンプの出力電流の定格を越えてしまい駄目です。
オペアンプの抵抗（帰還抵抗と入力抵抗）が小さすぎです。信号源の出力インピーダンスは、オペアンプの出力を使った場合出力インピーダンスはほぼ零です。なので信号源の出力インピーダンスが50Ωでも、そのままOPアンプの入力抵抗（たとえば10KΩ程度）に入力してもなんら問題ありません。もし、信号源に無視できない直流分が含まれていてそのまま入力するとOPアンプが飽和してしまう恐れがある場合はコンデンサの通過後の端子と仮想接地のアースの間に50Ω（終端抵抗）を入れてから、コンデンサからOPアンプの入力抵抗に接続すれば、直流分をカットした信号を増幅できます。入力抵抗Rinは50Ωに対して十分大きな素子値のものを使えば終端抵抗の影響は無視できるでしょう。
この場合の入力電圧は50Ωの終端抵抗の両端の電圧が入力電圧になります。
コンデンサを使わない場合の直結入力では、入力電圧は、信号源をOPアンプに入力抵抗に接続した状態での入力抵抗の前（と仮想接地のアース間）の電圧です。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
よくわかりました。

お礼日時：2011/09/03 02:32

No.3 回答者： fjnobu 回答日時： 2011/08/31 21:27

ANo1です。

抵抗値が小さいと、電流が大きくなります。
入力インピーダンスが小さいと電流が大きくなり潜在抵抗の影響が大きくなります。
又出力インピーダンスをオペアンプではほとんど０にしていますが、これが無視できなります。
だから、小さくても計算誤差となる［原因はあるのです。

この回答へのお礼

再度回答ありがとうございます。
・増幅率=－（出力抵抗+帰還抵抗）/入力抵抗
・出力端子は出力抵抗と帰還抵抗の間
の２点を考慮しておけばＯＫと考えていいでしょうか？

お礼日時：2011/08/31 22:06

No.2 回答者： info22_ 回答日時： 2011/08/30 10:08

抵抗が小さいと出力電流が過大になって仮想接地の条件が満たせなくなる。

結果として歪のない増幅が出来なくなったりオペアンプの消費電力が増えて加熱する恐れがある。帰還抵抗は「最大出力振幅/定格出力電流」の比より大きい値の抵抗でないといけない。
また帰還抵抗が大きくなりすぎると雑音を拾いやすく、浮遊容量の影響がでやすくなります。
増幅率も大きくとりすぎると、帰還抵抗が大きくなりすぎたり、逆に入力抵抗が小さくなりすぎ、前段への影響や仮想接地への影響が出たりします。したがって、帰還抵抗は1KΩ～500kΩ位にし、増幅倍率（帰還抵抗/入力抵抗の比）も１～100倍程度に留めたいですね。
帰還抵抗を1MΩ～100MΩにする必要がある場合は、低雑音抵抗や発信防止や浮遊容量の影響を低減するための特別なテクニックが必要になります。
したがって、通常の使い方でオペアンプに無理をかけず、雑音の影響も少ない範囲の抵抗として5KΩ～100kΩ位の範囲の抵抗を使いたいですね。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
もう少し教えて下さい。
抵抗値が下がり出力電流が増えるというのは、帰還抵抗→入力抵抗→入力信号源と流れる電流が 増えるということでしょうか？
この時、仮想接地が崩れるのは何故ですか？

お礼日時：2011/08/31 21:06

No.1 回答者： fjnobu 回答日時： 2011/08/30 07:54

抵抗値が高いと、浮遊容量の影響が大きくなります。

抵抗値が小さいと、回路電流が大きくなります。
その兼ね合いで決定します。
計算値からずれるのは、浮遊容量や配線のＬ分を計算に入れていないからです。
発信も、同じように結合成分や電源のインピーダンスを補償できていないからです。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
抵抗が小さくて計算値から外れる原因は何でしょうか？
LC ではないと思います。

お礼日時：2011/08/31 20:57