オペアンプの実用的な考慮事項

実際のオペアンプには、「理想的な」モデルと比較していくつかの欠点があります。実際のデバイスは、完全な差動アンプから逸脱しています。 1マイナス1はゼロではない場合があります。ゼロ化されていないアナログメーターのようなオフセットがある場合があります。入力には電流が流れる可能性があります。特性は、経年や温度によって変動する場合があります。高周波ではゲインが低下し、入力から出力に位相がシフトする場合があります。これらの不完全さは、一部のアプリケーションでは目立ったエラーを引き起こさず、他のアプリケーションでは許容できないエラーを引き起こす可能性があります。場合によっては、これらのエラーが補正されることがあります。より高品質で高コストのデバイスが必要になる場合があります。

コモンモードゲイン

前に述べたように、理想的な差動増幅器は電圧差を増幅するだけです その2つの入力の間。差動アンプの2つの入力が一緒に短絡された場合（したがって、それらの間の電位差がゼロになるように）、これら2つの短絡された入力とグランドの間に印加された電圧の量に対して出力電圧に変化がないはずです。

「V _common-mode 」のように、入力とグランドのいずれかの間で共通の電圧 この場合、」はコモンモード電圧と呼ばれます。 。このコモン電圧を変化させると、完全な差動アンプの出力電圧は完全に安定しているはずです（コモンモード入力の任意の変化に対して出力が変化しない）。これは、コモンモード電圧ゲインに変換されます ゼロの。

差動ゲインの高い差動アンプであるオペアンプは、理想的にはコモンモードゲインもゼロになります。しかし、実際には、これは簡単には達成できません。したがって、コモンモード電圧は常にオペアンプの出力電圧に何らかの影響を及ぼします。

この点での実際のオペアンプの性能は、最も一般的には、差動電圧ゲイン（2つの入力電圧間の差をどれだけ増幅するか）とコモンモード電圧ゲイン（コモンモードをどれだけ増幅するか）の観点から測定されます。電圧）。前者と後者の比率は、同相信号除去比と呼ばれます。 、CMRRと略記：

コモンモードゲインがゼロの理想的なオペアンプは、CMRRが無限大になります。実際のオペアンプはCMRRが高く、ユビキタスな741は約70 dBであり、比率で3,000を少し超える程度になります。

一般的なオペアンプの同相信号除去比は非常に高いため、オペアンプが負帰還で使用されている回路では、通常、同相ゲインは大きな問題にはなりません。増幅器回路のコモンモード入力電圧が突然変化し、コモンモードゲインによって出力に対応する変化が生じた場合、その出力の変化は負帰還および差動ゲインとして迅速に修正されます（多く コモンモードゲインよりも大きい）は、システムを平衡状態に戻すために機能しました。案の定、出力に変化が見られる場合がありますが、予想よりもはるかに小さくなります。

ただし、覚えておくべき考慮事項は、計装アンプなどの差動オペアンプ回路のコモンモードゲインです。オペアンプの密閉パッケージと非常に高い差動ゲイン以外では、抵抗値の不均衡によってコモンモードゲインが発生する場合があります。これを実証するために、入力が短絡された（差動電圧なし）計装アンプでSPICE分析を実行し、コモンモード電圧を印加して何が起こるかを確認します。まず、完全にバランスの取れた回路の出力電圧を示す分析を実行します。コモンモード電圧が変化しても、出力電圧は変化しないと予想されます。

計装アンプv11 0 rin1 1 0 9e12 rjump 1 4 1e-12 rin2 4 0 9e12 e1 3 0 1 2 999k e2 6 0 4 5 999k e3 9 0 8 7 999k rload 9 0 10k r1 2 3 10k rgain 2 5 10k r2 5 6 10k r3 3 7 10k r4 7 9 10k r5 6 8 10k r6 8 0 10k .dc v1 0 10 1 .print dc v（9）.end 

 v1 v（9）0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 1.355E-16 2.000E + 00 2.710E-16 3.000E + 00 0.000E + 00ご覧のとおり、出力電圧v（ 9）4.000E + 00 5.421E-16は、0 6.000E + 00 0.000E + 00から10ボルトまでスイープするコモンモード5.000E + 00 0.000E + 00入力電圧（v1）ではほとんど変化しません。 7.000E + 00 0.000E + 00 8.000E + 00 1.084E-15 9.000E + 00 -1.084E-15 1.000E + 01 0.000E + 00 

非常に小さな偏差（実際には回路の実際の動作ではなくSPICEの癖による）を除けば、出力は安定した状態を維持します。つまり、0ボルトで、入力電圧差はゼロです。ただし、回路に抵抗の不均衡を導入して、R ₅ の値を増やしましょう。 10,000Ωから10,500Ωまで、何が起こるかを確認します（簡潔にするためにネットリストは省略されています。変更されるのはR ₅ の値だけです。 ）：

 v1 v（9）0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 -2.439E-02 2.000E + 00 -4.878E-02 3.000E + 00 -7.317E-02今回は、大きな変動が見られます4.000E + 00 -9.756E-02（0〜0.2439ボルト）出力電圧5.000E + 00 -1.220E-01（コモンモード入力電圧が6.000E + 00 -1.463E-01を0〜10ボルトに掃引）以前と同じように。 7.000E + 00 -1.707E-01 8.000E + 00 -1.951E-01 9.000E + 00 -2.195E-01 1.000E + 01 -2.439E-01 

入力電圧の差はまだゼロボルトですが、コモンモード電圧が変化すると出力電圧も大幅に変化します。これは、私たちが避けようとしているコモンモードゲインを示しています。それ以上に、それは私たち自身が作ったコモンモードゲインであり、オペアンプ自体の欠陥とは何の関係もありません。非常にテンパリングされた差動ゲイン（この特定の回路では実際には3に等しい）があり、回路外に負帰還がない場合、このコモンモードゲインは計測器信号アプリケーションでチェックされなくなります。

このコモンモードゲインを修正する唯一の方法は、すべての抵抗値のバランスを取ることです。 （統合パッケージで購入するのではなく）ディスクリートコンポーネントから計装アンプを設計する場合、最終的なオペアンプに接続されている4つの抵抗の少なくとも1つを微調整して、「そのようなコモンモードゲインをトリミングします。抵抗ネットワークを「トリム」する手段を提供することには、追加の利点もあります。すべての抵抗値が正確に正しいと仮定しますが、オペアンプの1つに欠陥があるため、コモンモードゲインが存在します。調整機能を使用すると、この不要なゲインを補うために抵抗を調整できます。

一部のオペアンプモデルの癖の1つは、出力ラッチアップの癖です。 、通常、コモンモード入力電圧が許容限界を超えていることが原因です。コモンモード電圧がメーカーの指定した制限を超えると、出力がハイモードで突然「ラッチ」する可能性があります（最大出力電圧で飽和します）。 JFET入力オペアンプでは、コモンモード入力電圧が負の電源レール電圧に近すぎると、ラッチアップが発生する可能性があります。たとえば、TL082オペアンプでは、これは、コモンモード入力電圧が負の電源レール電圧の約0.7ボルト以内にある場合に発生します。このような状況は、負の電源レールが接地され（0ボルト）、入力信号が自由に0ボルトにスイングする単一電源回路で簡単に発生する可能性があります。

ラッチアップは、コモンモード入力電圧が超過することによってもトリガーされる場合があります。 電源レール電圧、負または正。原則として、問題のオペアンプがラッチアップから保護されている場合でも、入力電圧が正の電源レール電圧を上回ったり、負の電源レール電圧を下回ったりしないようにする必要があります（741のように）。および1458オペアンプモデル）。少なくとも、オペアンプの動作は予測できなくなる可能性があります。最悪の場合、電源電圧を超える入力電圧によってトリガーされる種類のラッチアップは、オペアンプを破壊する可能性があります。

この問題は簡単に回避できるように見えるかもしれませんが、その可能性はあなたが思っているよりも可能性が高いです。電源投入時のオペアンプ回路の場合を考えてみましょう。回路が前に完全な入力信号電圧を受信した場合 独自の電源にはフィルターコンデンサを充電するのに十分な時間があり、コモンモード入力電圧は短時間で電源レール電圧を簡単に超える可能性があります。オペアンプが別の電源から供給される回路から信号電圧を受け取り、それ自体の電源に障害が発生した場合、信号電圧が電源レールの電圧を無期限に超える可能性があります。

オフセット電圧

オペアンプの性能に関するもう1つの実際的な懸念は、電圧オフセットです。 。つまり、2つの入力端子が互いに短絡したときに出力電圧がゼロボルト以外になる効果。オペアンプは何よりも差動アンプであることを忘れないでください。これらは、2つの入力接続間の電圧差を増幅することになっているだけです。その入力電圧差が正確にゼロボルトである場合、（理想的には）出力に正確にゼロボルトが存在すると予想されます。ただし、現実の世界では、これはめったに起こりません。問題のオペアンプのコモンモードゲインがゼロ（無限CMRR）であっても、両方の入力が一緒に短絡すると、出力電圧がゼロにならない場合があります。このゼロからの偏差は、オフセットと呼ばれます。 。

完全なオペアンプは、両方の入力が一緒に短絡されて接地された状態で、正確にゼロボルトを出力します。ただし、市販されているほとんどのオペアンプは、出力を負または正の飽和レベルに駆動します。上記の例では、出力電圧は正の14.7ボルトの値で飽和しています。これは、この特定のオペアンプの正の飽和限界により、+ V（+15ボルト）よりわずかに小さい値です。このオペアンプのオフセットは出力を完全に飽和したポイントに駆動しているため、出力にどのくらいの電圧オフセットが存在するかを知る方法はありません。 + V / -V分割電源が十分に高い電圧であった場合、オフセットの影響により、出力はいずれかの方法で数百ボルトになる可能性があります。

このため、オフセット電圧は通常、入力の等価量で表されます。 この効果を生み出す電圧差。言い換えると、オペアンプは完全であり（オフセットはまったくありません）、入力の1つと直列に小さな電圧が印加されて、出力電圧がゼロから離れるように強制されていると想像します。オペアンプの差動ゲインが非常に高いため、「入力オフセット電圧」の数値は、入力が短絡した場合に見られるものを説明するためにそれほど多くする必要はありません。

オフセット電圧は、オペアンプ回路にわずかな誤差をもたらす傾向があります。では、どのようにそれを補うのでしょうか？コモンモードゲインとは異なり、通常、パッケージ化されたオペアンプのオフセットをトリミングするためにメーカーが用意した規定があります。通常、オペアンプパッケージの2つの追加端子は、外部の「トリム」ポテンショメータを接続するために予約されています。これらの接続ポイントには、 offset null というラベルが付いています。 そして、この一般的な方法で使用されます：

741や3130などのシングルオペアンプでは、オフセットヌル接続ポイントは8ピンDIPパッケージのピン1と5です。オペアンプの他のモデルでは、オフセットヌル接続が異なるピンに配置されているか、トリムポテンショメータ接続の構成がわずかに異なる必要があります。一部のオペアンプは、オフセットヌルピンをまったく提供していません。詳細については、製造元の仕様を参照してください。

バイアス電流

オペアンプの入力は非常に高い入力インピーダンスを持っています。つまり、オペアンプの2つの入力信号接続に出入りする入力電流は非常に小さいです。オペアンプ回路解析のほとんどの目的で、それらはまったく存在しないかのように扱います。入力接続に出入りする電流がまったくないかのように回路を分析します。しかし、この牧歌的な絵は完全に真実ではありません。オペアンプ、特にバイポーラトランジスタ入力を備えたオペアンプは、内部回路に適切なバイアスをかけるために、入力接続にある程度の電流を流す必要があります。これらの電流は、論理的にはバイアス電流と呼ばれます。 。特定の条件下では、オペアンプのバイアス電流が問題になる可能性があります。次の回路は、これらの問題条件の1つを示しています。

一見すると、この回路に明らかな問題は見られません。温度に比例した小さな電圧（実際には、差に比例した電圧）を生成する熱電対 合金熱電対ワイヤがオペアンプにつながる銅線と接続するときに形成される測定接合部と「基準」接合部の間の温度で、オペアンプを正または負のいずれかに駆動します。言い換えると、これは一種のコンパレータ回路であり、端部熱電対接合部と基準接合部（オペアンプの近く）の間の温度を比較します。問題は次のとおりです。熱電対によって形成されるワイヤループは、両方のバイアス電流が同じように（オペアンプに流入するか、オペアンプから流出するか）を試みているため、両方の入力バイアス電流の経路を提供しません。

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この回路が正しく機能するためには、入力ワイヤの1つを接地して、両方の電流の接地への（または接地からの）パスを提供する必要があります。

必ずしも明らかな問題ではありませんが、非常に現実的な問題です！

入力バイアス電流が問題を引き起こす可能性のある別の方法は、回路抵抗の両端に不要な電圧を落とすことです。この回路を例にとってみましょう：

上記のような電圧フォロワ回路は、出力で入力電圧を正確に再現することが期待されます。しかし、入力電圧源と直列の抵抗はどうですか？非反転（+）入力にバイアス電流が流れると、R _in の両端に電圧が低下します。 、したがって、非反転入力の電圧を実際のV _in と等しくしません。 価値。バイアス電流は通常マイクロアンペアの範囲であるため、R _in での電圧降下 R _in でない限り、それほど多くはありません とても大きいです。入力抵抗（R _in ）だろう 非常に大きいのはpHプローブ電極の電極で、1つの電極にイオン透過性のガラスバリアが含まれています（非常に貧弱な導体で、数百万Ωの抵抗があります）。

実際にpH電極電圧測定用のオペアンプ回路を構築している場合は、バイポーラトランジスタで構築されたものではなく、FETまたはMOSFET（IGFET）入力オペアンプを使用することをお勧めします（入力バイアス電流を低減するため）。ただし、それでも、わずかなバイアス電流が残っていると測定エラーが発生する可能性があるため、適切な設計によってそれらを軽減する方法を見つける必要があります。

そのための1つの方法は、2つの入力バイアス電流が同じであるという仮定に基づいています。実際には、それらはほとんど同じであることが多く、それらの違いは入力オフセット電流と呼ばれます。 。それらが同じである場合、次のように、他の入力と直列に同量の抵抗を挿入することにより、入力抵抗の電圧降下の影響をキャンセルできるはずです。

回路に追加の抵抗を追加すると、出力電圧はV _in に近くなります。 以前よりも、2つの入力電流の間にいくらかのオフセットがあっても。

反転増幅器回路と非反転増幅器回路の両方で、バイアス電流補償抵抗が非反転（+）入力と直列に配置され、分周器ネットワークでのバイアス電流電圧降下を補償します。

いずれの場合も、補償抵抗値は、R ₁ の並列抵抗値を計算することによって決定されます。 およびR ₂ 。値が parallel に等しいのはなぜですか R ₁ に相当 およびR ₂ ？重ね合わせの原理を使用して、反転（-）入力のバイアス電流によって生成される電圧降下を計算する場合、バイアス電流をオペアンプ内の電流源からのものであるかのように扱い、すべての電圧源を短絡します。 （V _in およびV _out ）。これにより、バイアス電流の2つの並列パスが得られます（R ₁ を介して） およびR ₂ を介して 、両方をアースに接続します）。非反転（+）入力に対するバイアス電流の影響を複製したいので、その入力と直列に挿入することを選択した抵抗値はR ₁ に等しい必要があります。 R ₂ と並行して 。

オペアンプ回路の構築を学んだばかりの学生が時折経験する関連する問題は、電源への共通の接地接続の欠如によって引き起こされます。 必須 DC電源の一部の端子が入力信号の「グランド」接続に共通である適切なオペアンプ機能。これにより、バイアス電流、フィードバック電流、および負荷（出力）電流の完全なパスが提供されます。たとえば、適切に接地された電源を示す次の回路図を見てください。

ここで、矢印は、オペアンプの内部回路（出力電圧を制御する内部の「ポテンショメータ」）に電力を供給するため、および抵抗R _{のフィードバックループに電力を供給するために、電源バッテリを通る電子の流れの経路を示します。 1} およびR ₂ 。ただし、この「分割された」DC電源装置のアース接続が取り外されたとします。これを行うことの効果は非常に大きいです：

電源への経路は「行き止まり」であるため、オペアンプの出力端子に電子が出入りすることはありません。したがって、R ₁ の左側のアース接続には電子が流れません。 、どちらもフィードバックループを介して。これにより、オペアンプは事実上役に立たなくなります。電源のどのポイントからもアースに接続されていないため、フィードバックループやアースされた負荷を介して電流を維持することはできません。

バイアス電流も、電源へのパスに依存し、グランドを介して入力ソースに戻るため、停止します。次の図は、オペアンプの入力端子を通り、入力トランジスタのベース端子を通り、最終的には電源端子を通り、グランドに戻るバイアス電流（のみ）を示しています。

電源にグランドリファレンスがないと、バイアス電流は回路への完全な経路を持たず、停止します。バイポーラ接合トランジスタは電流制御デバイスであるため、ベース電流が完全に不足するため、両方の入力トランジスタが強制的にカットオフされるため、オペアンプの入力段も使用できなくなります。

レビュー：

• オペアンプ入力は通常、バイアス電流と呼ばれる非常に小さな電流を流します。 、オペアンプの回路内部の最初のトランジスタアンプ段に適切にバイアスをかける必要があります。バイアス電流は小さいですが（マイクロアンペアの範囲）、一部のアプリケーションで問題を引き起こすのに十分な大きさです。
• 両方の入力のバイアス電流必須 電源の「レール」の1つまたはアースに流れる経路があります。ある入力から別の入力への導電パスだけでは十分ではありません。
• 抵抗を流れるバイアス電流によって引き起こされるオフセット電圧をキャンセルするには、他のオペアンプ入力と直列に等価抵抗を追加するだけです（補償抵抗と呼ばれます）。 ）。この修正措置は、2つの入力バイアス電流が等しくなるという仮定に基づいています。
• オペアンプのバイアス電流間の不平等は、いわゆる入力オフセット電流を構成します。 。
• 適切なオペアンプの動作には、電源の一部の端子にグランド基準があり、バイアス電流、フィードバック電流、および負荷電流の完全なパスを形成することが不可欠です。

ドリフト

半導体デバイスであるオペアンプは、動作温度の変化に伴って動作がわずかに変化する可能性があります。温度によるオペアンプの性能の変化は、オペアンプのドリフトのカテゴリに分類されます。 。バイアス電流、オフセット電圧などのドリフトパラメータを指定できます。特定のオペアンプの詳細については、製造元のデータシートを参照してください。

オペアンプのドリフトを最小限に抑えるために、ドリフトが最小になるように作られたオペアンプを選択するか、動作温度を可能な限り安定させるために最善を尽くすことができます。後者のアクションには、オペアンプを収容する機器の内部に何らかの形の温度制御を提供することが含まれる場合があります。これは、最初に思われるほど奇妙ではありません。たとえば、実験室標準の高精度電圧リファレンスジェネレータは、敏感なコンポーネント（ツェナーダイオードなど）を一定の温度に保つために「オーブン」を使用することが知られています。コストと柔軟性の通常の要素よりも非常に高い精度が必要な場合は、これを検討する価値のあるオプションになる可能性があります。

レビュー：

• 半導体デバイスであるオペアンプは、温度変化の影響を受けやすくなっています。温度の変化に起因するアンプ性能の変動は、ドリフトとして知られています。 。ドリフトは、環境温度制御によって最小限に抑えるのが最適です。

周波数応答

非常に高い差動電圧ゲインを備えたオペアンプは、フィードバック発振として知られる現象の主要な候補です。 。拡声装置やその他のマイクアンプシステムの音量（ゲイン）を大きくしすぎると、同等のオーディオ効果が聞こえたと思います。つまり、マイクを介して「フィードバック」された音波が再び増幅されることで生じる高音の鳴き声です。 。オペアンプ回路はこれと同じ効果を発揮し、フィードバックは聴覚的ではなく電気的に発生します。

この例は、3130オペアンプに見られます。これは、最小限の配線接続（2つの入力、出力、および電源接続）で電圧フォロワとして接続されている場合です。このオペアンプの出力は、入力電圧に関係なく、ゲインが高いため自励発振します。これに対抗するために、小さな補償コンデンサ オペアンプの特別に用意された2つの端子に接続する必要があります。コンデンサは、オペアンプの回路内で負帰還が発生するための高インピーダンスパスを提供するため、ACゲインが低下し、不要な発振が抑制されます。オペアンプを使用して高周波信号を増幅する場合、この補償コンデンサは必要ない場合がありますが、DCまたは低周波AC信号の動作には絶対に必要です。

モデル741などの一部のオペアンプには、外付け部品の必要性を最小限に抑えるために補償コンデンサが組み込まれています。この改善された単純さにはコストがかかります。オペアンプ内にコンデンサが存在するため、動作周波数が高くなると負帰還が強くなる傾向があります（コンデンサのリアクタンスは周波数が高くなると低下します）。その結果、周波数が高くなるとオペアンプの差動電圧ゲインが低下します。高周波では効果の低いアンプになります。

オペアンプメーカーは、自社製品の周波数応答曲線を公開します。十分に高い差動ゲインは、オペアンプ回路での良好なフィードバック動作に絶対に不可欠であるため、オペアンプのゲイン/周波数応答は、動作の「帯域幅」を効果的に制限します。必要な信号周波数範囲で良好な性能を維持する場合、回路設計者はこれを考慮に入れる必要があります。

レビュー：

• オペアンプ内の静電容量のため、入力周波数が高くなると、それらの差動電圧ゲインは減少する傾向があります。オペアンプの周波数応答曲線は、製造元から入手できます。

入力から出力への位相シフト

オペアンプ（op-amp）の入力から出力への位相シフトを説明するために、OPA227をラボでテストしました。 OPA227は、一般的な非反転構成で構築されました（下の図）。

OPA227非反転ステージ

回路構成では、約34 V / Vまたは約50dBの信号ゲインが必要です。 Vsrcでの入力励起は10mVpに設定され、対象となる3つの周波数：2.2 kHz、22 kHz、および220MHzです。 OPA227の開ループゲインと位相曲線対周波数を下の図に示します。

A _V およびΦ対周波数プロット

入力から出力への閉ループ位相シフトを予測するために、開ループゲインと位相曲線を使用できます。回路構成では約50dBの閉ループゲイン（1 /β）が必要なため、閉ループゲイン曲線は約22kHzで開ループゲイン曲線と交差します。この交差後、閉ループゲイン曲線は、電圧フィードバックアンプの通常の20 dB /ディケードでロールオフし、開ループゲイン曲線に従います。

ここで実際に機能しているのは、閉ループからの負のフィードバックが開ループ応答を変更することです。負帰還でループを閉じると、22kHzで閉ループ極が確立されます。開ループ位相曲線の主極と同様に、閉ループ応答の位相シフトが予想されます。どのくらいの位相シフトが見られますか？

新しい極は現在22kHzにあるため、前述のように、極が10年ごとに20 dBで閉ループを再びロールオフし始めるため、これは-3dBポイントでもあります。基本的な制御理論の他の極と同様に、位相シフトは極の10年前に発生し始め、90 ^o で終了します。 極から10年後の周波数の位相シフトの。では、これは私たちの回路の閉ループ応答について何を予測しますか？

これにより、2.2 kHzから始まり、45 ^o の位相シフトが予測されます。 22kHzの-3dBポイントでの位相シフトの結果、最終的に90 ^o で終了します。 220kHzでの位相シフトの。以下に示す3つの図は、OPA227回路の対象周波数でのオシロスコープのキャプチャです。下の図は2.2kHzに設定されており、目立った位相シフトはありません。下の図は220kHzに設定されており、≅45 ^o 位相シフトのが記録されます。最後に、下の図は220 MHzに設定されており、予想される≅90 ^o 位相シフトのが記録されます。スコーププロットは、LeCroy 44xWavesurferを使用してキャプチャされました。最終的なスコーププロットでは、トリガーがHFリジェクトに設定されたx1プローブを使用しました。

OPA227 Av =50dB @ 2.2 kHz

OPA227 Av =50dB @ 22 kHz

OPA227 Av =50dB @ 220 kHz

関連するワークシート：

• 夏および減算器のオペアンプ回路ワークシート

• 反転および非反転オペアンプ電圧増幅器回路ワークシート