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オペアンプの位相差についてです。
周波数をあげていくと
高周波になるにつれて
位相がズレました。
これは何故なのでしょうか?
高周波、周期が原因で
位相差が発生しているのですか?

A 回答 (5件)

回答No.2にグラフが示されているように、低周波領域でオペアンプのゲインがフラットな部分は位相遅れがほとんど出ません。

ですがゲインがー3dBほど落ちたところで位相は45度遅れ、それより先の6dB/octのロールオフ部分(周波数とともにゲインが直線的に落ちている傾斜部分)は位相が90度遅れます。
それよりもっと先のロールオフが急傾斜(12dB/oct)になっている部分では位相遅れが180度に近づいてきます。理論的にこうなります。
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この回答へのお礼

わかりやすい説明
ありがとうございました!!

お礼日時:2017/10/14 02:39

私はその辺りの勉強をサボってるんだけれど、


しっかり調べて勉強することでは、と思います。
どういう理屈で、また実際はどうなっているのか。
これを知っておかないと、使えないでしょう。私はたぶんその辺りの条件では使わないだろうから勉強をサボっているんですが、そういう実験なり経験をした、ということは、先々必要だ、あるいは既に今必要だ、ということですので。
オペアンプ関連の書籍数冊のその辺りを読んでみて、それで理解できないなら、何を身に付けなければ理解できないのか、で、そこから勉強し直し、でしょう。
関係があるのか無いのか知りませんが、私なら、トランジスタ単体だとこの辺りの話はどうなるのか、それはなぜなのか、から調べるでしょうね。
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回答NO.2です。

回答に誤りがあったので下記に訂正します。

誤り:6行目の「使用してるOPアンプのオープンゲインが周波数1MHzあたりで0dBとゲインが無くなってるためです。」、この文章で 「周波数1MHzあたりで0dBとゲインが無くなってるためです。」 を以下のように訂正。

「周波数1MHz辺りでオープンゲインが20dBとなって、負帰還の帰還ゲインは0dBとなり帰還ゲインが無くなってるためです。」
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回答>例としてOpアンプOP2604を使った反転増幅器の回路と周波数特性のシミュレーション結果を添付します。


 反転増幅器はゲインは20dBに設定してあります。
 信号源はV3で周波数を1Hzから100MHzまでスイープします。シミュレーションの結果は反転増幅器の周波数ーゲイン、位相特性を上のグラフに、
 OPアンプのオープンゲイン、位相特性を下のグラフに示します。

 反転増幅器では周波数が100kHzあたりから少しづつ遅れ始めて1Mhzあたりで-45度と遅れて更に周波数の上昇に伴い位相は大きく遅れて行ってます。
これは下側に示した使用してるOPアンプのオープンゲインが周波数1MHzあたりで0dBとゲインが無くなってるためです。更にOPアンプのオープンゲインの位相はその周波数ではすでにー90度も遅れています。この二つの影響で反転増幅器では高周波で位相が遅れてゆきます。
「オペアンプの位相差についてです。 周波数」の回答画像2
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周波数が上がったことでコンダクタンスを無視できなくなっただけじゃないのかな。


配線同士の間とかにも微妙にコンダクタンスが存在します。
CPUのクロック周波数を無限に上げられない原因の一つですね。
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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

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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

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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。
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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.

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Q非反転増幅回路の特性

OPアンプを用いて、非反転増幅回路(5倍)をつくり、実験をしたら、次のような結果が得られました。

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この結果から、高電圧、高周波数範囲では増幅器としての役割を果たさないということは解りましたが、なぜそうなるのかというところが解りません。わかるかた、どうか教えてください。

Aベストアンサー

OPアンプの出力電圧の振幅は電源電圧以上にはできませんから、入力電圧が高くなると当然振り切れてしまいます。OPアンプの種類にもよりますが+-12Vで使ったとしてエミッターフォロワータイプなら約+-9.5V程度、コレクターフォロワータイプやFET出力段になっているものならほぼ電源電圧まで振れます。

増幅率が5倍なら、その1/5、約2V程度で振り切れてしまい、単純に出力電圧/入力電圧の式で計算すると振り切れて以降は、出力電圧は上がりませんから、増幅度は低下します。もし電源電圧より高い出力電圧を必要とするなら、もっと高い電源電圧の増幅器を後ろにくっつけるか、交流ならトランスを使って帰還ループもそこから取る必要があります。

ちなみに最大出力振幅は、エミッターフォロワで、電源電圧-2.5Vです。

それから周波数特性ですが、周波数が高くなってくるとICの中のトランジスタの中にあるPN接合面に生じるわずかな静電容量(要するにコンデンサ)の影響が出て来ます。例えば100pFの接合面容量があったとして、50KHzでおよそ30KΩの抵抗と同じになります。これがトランジスタのベースエミッタ間の容量ならば、入力に並列に30kΩの抵抗が入ったのと同じになり、入力インピーダンスや帰還抵抗の計算に対する影響が無視できなくなります。周波数が高くなればなるほどこういう影響は派手になり、やがては増幅器として機能しなくなります。おおまかで、原因はこれだけじゃないけど、大体こんなお話だと思います。ですから、高周波用や高速動作のものはICの段階からそれなりの作り方をします。

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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。
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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。
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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。

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。
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。

Q反転増幅回路の周波数特性について

こんにちは。
反転増幅回路の周波数特性について調べてるんですが、実験を行って数値を求めました。
そしてグラフでまとめたんですが、ある所まで大体一定になってて、それ以降は徐々に下がっていきました。
なぜある所まで一定だったのにそれ以降は下降したんでしょうか?
その下降し始める地点の周波数から何か特別なんですか?

Aベストアンサー

反転でも非反転でも、それ特有の特性は無く、同じです。
周波数特性を支配するのは、低域であれば信号進行方向に直列のコンデンサ、高域であれば並列のコンデンサです。特に高域のコンデンサは、使っている部品だけではなく、等価的に存在する浮遊コンデンサも見逃せません。
これらは、等価回路を作図して、数式で簡単に解析できます。

実験目的は、一般的には、机上解析(設計)を実物で確認することです。結果の予測無しの実験は危険です(間違いに気が付かず時間の浪費だけ)。
実験回路を提供した書物に実験結果を予測する解説があるはずなので、よく読みましょう。

周波数を上げていくと、増幅回路の出力レベルは、ゆるい山か、その山上がつぶれた台形になるはずです。
その折れ曲がり点は予測された周波数でしたか? 傾斜部分の傾斜具合は?
その確認が実験であり、製作が正しくできたかの確認です。

もし、何も言わずに作って実験、という指導者の下でのことならば、悲しい…

Qエミッタ接地増幅回路について教えてください><

教えていただきたいことは2つあります。
(1)エミッタ接地増幅回路はなぜ入出力波形の位相が反転するのでしょうか。
(2)エミッタ接地増幅回路はなぜ入力電圧が大きくなったとき出力波形が歪んでしまうのでしょうか。

1つでもわかる方がいらっしゃいましたらどうか回答よろしくお願いします。

Aベストアンサー

参考URLのトランジスター(エミッタ接地)増幅回路について
Ic-Vce特性と負荷線の図を見てください。
参考URL:
ttp://www.kairo-nyumon.com/analog_load.html

(1)
バイアス電圧を調整して図4の動作点(橙色の点)をVbe特性の中心に設定してやり、その動作点を中心に入力電圧Vbeを変化させてやるとVceとIcが負荷線上で変化して動きます。入力電圧Vbeが増加すると出力電圧Vceが減少し、入力電圧Vbeが減少すると出力電圧Vceが増加します。つまり出力電圧波形の位相は入力電圧の位相が逆になります。つまり、入出力波形の位相が反転することになります。

(2)
入力電圧Vbeが大きくなったとき出力波形が歪んでしまうのは、動作点が負荷線の線形動作範囲の上限に近づくとそれ以上Vceが頭打ちになって、出力電圧波形が飽和してしまいます。言い換えればコレクタ電圧Vceは接地電圧と直流電源電圧Vccの範囲でしか変化できません。その出力電圧波形は入力電圧Vbeが負荷線上の線形増幅範囲だけです。線形増幅範囲を超えるような大振幅の入力Vbeを入力すると出力電圧の波形が飽和して波形の上下が歪んだ(潰れた)波形になります。

お分かりになりましたでしょうか?

参考URL:http://www.kairo-nyumon.com/analog_load.html

参考URLのトランジスター(エミッタ接地)増幅回路について
Ic-Vce特性と負荷線の図を見てください。
参考URL:
ttp://www.kairo-nyumon.com/analog_load.html

(1)
バイアス電圧を調整して図4の動作点(橙色の点)をVbe特性の中心に設定してやり、その動作点を中心に入力電圧Vbeを変化させてやるとVceとIcが負荷線上で変化して動きます。入力電圧Vbeが増加すると出力電圧Vceが減少し、入力電圧Vbeが減少すると出力電圧Vceが増加します。つまり出力電圧波形の位相は入力電圧の位相が逆になります。つまり、入出力波...続きを読む


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