負帰還

オペアンプの出力をその反転入力に接続し、電圧信号を非反転入力に印加すると、オペアンプの出力電圧がその入力電圧に厳密に従うことがわかります（電力を引き込むことを怠っています）電源、+ V / -Vワイヤ、および簡単にするためのアース記号）：

V _in として 増加、V _out 差動ゲインに応じて増加します。ただし、V _out として 増加すると、その出力電圧は反転入力にフィードバックされ、それによって入力間の電圧差を減少させるように作用し、出力を下げるように作用します。任意の電圧入力で何が起こるかというと、オペアンプはV _in にほぼ等しい電圧を出力します。 、ただし、V _in の間に十分な電圧差が残るように十分に低くします （-）入力は増幅されて出力電圧を生成します。

回路はすぐに安定点に到達します（平衡として知られています） 物理学では）、出力電圧は適切な量の差動を維持するために適切な量です。オペアンプの出力電圧を取得して反転入力に結合することは、負帰還として知られる手法です。 、そしてそれは自己安定化システムを持つための鍵です（これはオペアンプだけでなく、一般的な動的システムにも当てはまります）。この安定性により、オペアンプは、コンパレータとして使用されたときのようにフィードバックなしで完全に「オン」または「オフ」に飽和するのではなく、線形（アクティブ）モードで動作する能力が得られます。

オペアンプのゲインが非常に高いため、反転入力の電圧をV _in とほぼ等しく維持できます。 。出力電圧を入力電圧とゲインに関連付ける式を書くことができます G ：

$$ V_ {out} =G・（V_ {in} --V_ {out}）$$

次に、出力電圧を解くと、次のようになります。

$$ V_ {out} =\ frac {V_ {in}} {1 +（\ frac {1} {G}）} $$

オペアンプの差動電圧ゲインが200,000で、V _in があるとします。 6 Vに等しい場合、次の式を使用して出力電圧を計算できます。

$$ V_ {out} =\ frac {6} {1 +（\ frac {1} {20,000}）} =5.999700015 V $$

これにより、出力端子に5.99997000015ボルトが現れるのに十分な差動電圧（6 V-5.99997000015 V =29.99985 µV）が生成され、システムはそこでバランスを保ちます。ご覧のとおり、29.99985 µVはそれほど差動ではないため、実際の計算では、2本の入力ワイヤ間の差動電圧は正確に0ボルトの負帰還によって保持されていると想定できます。

オペアンプにおけるネガティブフィードバックの利点

負帰還のあるオペアンプを使用することの大きな利点の1つは、非常に大きい限り、オペアンプの実際の電圧利得は重要ではないということです。オペアンプの差動ゲインが200,000ではなく250,000の場合、出力電圧がV _in に少しだけ近くなることを意味します。 （必要な出力を生成するために入力間に必要な差動電圧が少なくなります）。今示した回路では、出力電圧は（すべての実用的な目的で）非反転入力電圧に等しくなります。したがって、回路設計者が正確なゲインのアンプ回路を構築するために、オペアンプのゲインを工場で正確に設定する必要はありません。負のフィードバックは、システムを自己修正します。上記の回路は全体として、安定したゲイン1で入力電圧に追従します。

オペアンプの回路はどのように機能しますか？

差動増幅器モデルに戻ると、オペアンプは非常に感度の高いヌル検出器によって制御される可変電圧源であると考えることができます。 、バランスの状態（ゼロボルト）を検出するためにブリッジ回路で使用されるメーターの動きまたは他の高感度の測定デバイスの種類。可変電圧を生成するオペアンプ内の「ポテンショメータ」は、反転入力電圧と非反転入力電圧の「バランスをとる」ために必要な位置に移動し、「ヌル検出器」の両端の電圧がゼロになるようにします。

「ポテンショメータ」が移動して、ゼロボルトの「表示」で「ヌル検出器」を満たすために必要な出力電圧を提供するため、出力電圧は入力電圧（この場合は6ボルト）に等しくなります。入力電圧がまったく変化すると、オペアンプ内の「ポテンショメータ」が位置を変えて「ヌル検出器」のバランスを保ち（ゼロボルトを示します）、出力電圧は常に入力電圧とほぼ等しくなります。

これは、オペアンプが出力できる電圧の範囲内で当てはまります。 + 15V / -15Vの電源と、出力電圧を可能な限り大きく振ることができる理想的なアンプを使用すると、+ 15ボルトと-15ボルトの制限の間で入力電圧に忠実に「追従」します。このため、上記の回路は電圧フォロワとして知られています。 。その1トランジスタの対応物であるコモンコレクタ（「エミッタフォロワ」）アンプと同様に、電圧ゲイン1、高入力インピーダンス、低出力インピーダンス、および高電流ゲインを備えています。ボルテージフォロワは、ボルテージバッファとも呼ばれます。 、およびは、負荷を直接駆動するには弱すぎる（ソースインピーダンスが高すぎる）電圧信号の電流供給能力を高めるために使用されます。最後の図に示されているオペアンプモデルは、出力電圧が入力電圧から本質的に分離されていることを示しています。そのため、出力ピンの電流は入力電圧源からではなく、オペアンプに電力を供給する電源から供給されます。 -アンプ。

多くのオペアンプは、出力電圧を正確に+ V / -V電源レール電圧にスイングできないことに注意してください。モデル741は、次のことができないモデルの1つです。飽和すると、出力電圧は+ V電源電圧の約1ボルト以内および-V電源電圧の約2ボルト以内でピークになります。したがって、+ 15 / -15ボルトの分割電源を使用すると、741オペアンプの出力は+14ボルトまで、または-13ボルト（約）まで低くなる可能性がありますが、それ以上になることはありません。これは、バイポーラトランジスタの設計によるものです。これらの2つの電圧制限は、正の飽和電圧として知られています。 および負の飽和電圧 、 それぞれ。最終出力段に電界効果トランジスタを備えたモデル3130などの他のオペアンプは、いずれかの電源装置のミリボルト以内で出力電圧をスイングする機能を備えています。 電圧。その結果、それらの正および負の飽和電圧は実質的に供給電圧に等しくなります。

レビュー：

• オペアンプの出力をその反転（-）入力に接続することを負帰還と呼びます。 。この用語は、平衡点（平衡点）に到達するために出力信号が何らかの方法で入力に「フィードバック」される動的システムに広く適用できます。
• オペアンプの出力が直接の場合 反転（-）入力に接続された電圧フォロワ 作成されます。非反転（+）入力に印加される信号電圧はすべて、出力に表示されます。
• 負帰還のオペアンプは、2つの入力間の差電圧が実質的にゼロになるように、出力電圧を必要なレベルまで駆動しようとします。オペアンプの差動ゲインが高いほど、その差動電圧はゼロに近くなります。
• 一部のオペアンプは、飽和すると供給電圧に等しい出力電圧を生成できません。モデル741はその1つです。オペアンプの出力電圧振幅の上限と下限は、正の飽和電圧として知られています。 および負の飽和電圧 それぞれ。

関連ワークシート：

• ネガティブフィードバックオペアンプ回路ワークシート