オペアンプモデル
オペアンプについての言及は、通常、ミニチュアシリコンチップ上に集積回路として構築された半導体デバイスのビジョンを引き起こしますが、最初のオペアンプは実際には真空管回路でした。最初の商用汎用オペアンプは、1952年にGeorge A. Philbrick Researches、Incorporatedによって製造されました。K2-Wと呼ばれ、8進数（8ピン）のアセンブリに取り付けられた2つのツイントライオードチューブを中心に構築されました。その時代の電子機器のシャーシに簡単に設置して保守できるソケット。アセンブリは次のようになりました：
回路図は、2つのチューブと、10個の抵抗器と2個のコンデンサーを示しています。これは、1952年の規格でもかなり単純な回路設計です。
真空管はどのように機能しますか？
真空管の操作に慣れていない場合は、Nチャネルの空乏型IGFETトランジスタと同様に動作します。つまり、制御グリッド（破線）が陰極（管の記号の下部近くの曲がった線）であり、制御グリッドが陰極よりも正（または負）になったときに伝導する電流が少なくなります。左側のツイントライオードチューブは、差動ペアとして機能します。 、差動入力（反転および非反転入力電圧信号）を単一の増幅された電圧信号に変換し、分圧器（1MΩ〜2.2MΩ）を介して2番目の三極真空管ペアの左側の三極真空管の制御グリッドに供給されます。その三極真空管は、より大きな電圧利得のために差動対の出力を増幅および反転し、次に増幅された信号は、より大きな電流利得のために非反転増幅器構成で同じ二重三極真空管の第２の三極真空管に結合される。 2つのネオン「グローチューブ」は、半導体ツェナーダイオードの動作と同様に、電圧レギュレータとして機能し、2つのシングルエンド増幅器の三極真空管間の結合にバイアス電圧を提供します。
+ 300 / -300ボルトの二重電源電圧では、このオペアンプは出力+/- 50ボルトしかスイングできませんでしたが、これは今日の基準では非常に劣っています。開ループ電圧ゲインは15,000〜20,000、スルーレートは+/- 12ボルト/ µ秒、最大出力電流は1 mA、静止電力消費量は3ワットを超えていました（チューブのフィラメントの電力は含まれていません）。 ！）、1952ドルで約24ドルかかります。より洗練された回路設計を使用すれば、より優れたパフォーマンスを実現できたはずですが、消費電力、コスト、信頼性の低下が犠牲になります。
ソリッドステートトランジスタのオペアンプへの影響
ソリッドステートトランジスタの出現により、静止消費電力がはるかに少なく、信頼性が向上したオペアンプが実現可能になりましたが、他の多くの性能パラメータはほぼ同じままでした。たとえば、PhilbrickのモデルP55A、1966年頃の汎用ソリッドステートオペアンプを取り上げます。P55Aは、40,000の開ループゲイン、1.5ボルト/ µ秒のスルーレート、および+/- 11ボルトの出力スイングを備えていました（ +/- 15ボルトの電源電圧で）、2.2 mAの最大出力電流、および49ドル（または「ユーティリティグレード」バージョンの場合は約21ドル）のコスト。 P55A、および当時のPhilbrickのラインナップの他のオペアンプは、ディスクリートコンポーネント構造であり、その構成トランジスタ、抵抗、およびコンデンサは、大規模な集積回路パッケージに似た堅固な「ブリック」に収容されていました。
ディスクリートコンポーネントを使用して大まかなオペアンプを構築することはそれほど難しくありません。そのような回路の1つの回路図を下の図に示します。
ディスクリートコンポーネントで作られたシンプルなオペアンプ。
その性能は現代の規格ではかなり劣っていますが、最小限の機能のオペアンプを作成するために複雑さは必要ないことを示しています。トランジスタQ 3 およびQ 4 K2-W回路図の最初の三極真空管に相当する半導体である別の差動ペア回路の心臓部を形成します。真空管回路の場合と同様に、差動ペアの目的は、2つの入力端子間の差動電圧を増幅してシングルエンド出力電圧に変換することです。
オペアンプ設計に対する集積回路技術の影響
集積回路（IC）技術の出現により、オペアンプの設計は、パフォーマンス、信頼性、密度、および経済性の劇的な向上を経験しました。 1964年から1968年の間に、フェアチャイルド社はICオペアンプの3つのモデル、702、709、および今なお人気のある741を発表しました。そのシンプルさとフォールトトレランス（たとえば、出力の短絡保護）のための愛好家。多くの741オペアンプを悪用した個人的な経験から、私はそれを殺すのは難しいチップであるという結論に至りました。 。 。
モデル741オペアンプの内部概略図を下の図に示します。
モデル741オペアンプの回路図。
集積回路規格によると、741は非常に単純なデバイスです。小規模統合の例です。 、または SSI テクノロジー。ディスクリートコンポーネントを使用してこの回路を構築することは簡単なことではないので、部品点数が多いディスクリートコンポーネントよりも最も原始的な集積回路技術の利点を確認できます。
いくつかのオペアンプの性能仕様の比較
より高いパフォーマンスを望む愛好家、学生、またはエンジニアのために、文字通り何百ものオペアンプモデルから選択することができます。多くは小売りでさえ、1ドル未満で売っています！特殊用途の計装および無線周波数（RF）オペアンプは、かなり高価になる可能性があります。このセクションでは、いくつかの人気のある手頃な価格のオペアンプを紹介し、それらの性能仕様を比較対照します。由緒ある741は、比較のための「ベンチマーク」として含まれていますが、前に述べたように、廃止された設計と見なされています。
広く使用されているオペアンプ
上記の表にリストされているのは、電子機器サプライヤーから広く入手可能な低コストのオペアンプモデルのほんの一部です。それらのほとんどは、RadioShackなどの小売用品店から入手できます。すべてが製造業者から直接$ 1.00未満のコストです（2001年の価格）。ご覧のとおり、これらのユニットのいくつかの間でパフォーマンスにかなりのばらつきがあります。たとえば、入力バイアス電流のパラメータを考えてみましょう。CA3130は0.05 nA（または50 pA）で最低の賞を獲得し、LM833は1 µAをわずかに超える最高の賞を獲得します。モデルCA3130は、入力段にMOSFETトランジスタを使用することにより、非常に低いバイアス電流を実現しています。あるメーカーは、3130の入力インピーダンスを1.5テラオーム、つまり1.5 x 10 12 と宣伝しています。 Ω！ここに示す低バイアス電流のオペアンプの他のオペアンプはJFET入力トランジスタを使用していますが、高バイアス電流モデルはバイポーラ入力トランジスタを使用しています。
741は、多くの電子プロジェクトの回路図で指定され、多くの教科書で紹介されていますが、そのパフォーマンスは、あらゆる点で他の設計よりも長い間上回っています。もともと741をベースにした一部の設計でさえ、元の設計仕様をはるかに超えるように長年にわたって改良されてきました。そのような例の1つは、モデル1458、8ピンDIPパッケージの2つのオペアンプで、一度にシングル741とまったく同じ性能仕様を持っていました。最新のバージョンでは、より広い電源電圧範囲、スルーを誇っています。 741の出力短絡保護機能を維持しながら、741の50倍のレート、ほぼ2倍の出力電流能力。JFETおよびMOSFET入力トランジスタを備えたオペアンプ バイアス電流の点で741のパフォーマンスを上回り、帯域幅とスルーレートの点でも一般的に741を上回っています。
オペアンプに関する私自身の個人的な推奨事項は次のとおりです。低バイアス電流が優先される場合（低速積分回路など）、3130を選択します。汎用DCアンプの作業には、1458が優れたパフォーマンスを提供します（そして1つのパッケージのスペースに2つのオペアンプを入れます）。パフォーマンスを向上させるには、1458のピン互換の代替品であるモデル353を選択します。353は非常に低いバイアス電流用のJFET入力回路で設計されており、1458の4倍の帯域幅を備えています。その出力電流制限は低くなります（ただし、短絡保護されています）。地元の電子機器供給会社の棚で見つけるのはもっと難しいかもしれませんが、1458と同じくらいリーズナブルな価格です。
低電源電圧が必要な場合は、3ボルトのDCで機能するため、モデル324をお勧めします。その入力バイアス電流要件も低く、単一の14ピンチップに4つのオペアンプを提供します。その主な弱点は速度であり、1 MHzの帯域幅に制限されており、出力スルーレートはわずか0.25ボルト/μsです。高周波ACアンプ回路の場合、318は非常に優れた「汎用」モデルです。
高帯域幅および高電流オペアンプのサンプル
特別な目的のオペアンプは、より良い性能仕様を提供する適度なコストで利用できます。これらの多くは、最大帯域幅や最小バイアス電流など、特定のタイプのパフォーマンス上の利点に合わせて調整されています。以下の表で、両方とも高帯域幅用に設計されたオペアンプを例にとってみましょう。
高帯域幅オペアンプ
CLC404は21.80ドル（インフレの補正はありませんが、George Philbrickの最初の商用オペアンプとほぼ同じ）でリストされていますが、CLC425はユニットあたり3.23ドルとかなり安価です。どちらの場合も、高バイアス電流と制限された電源電圧範囲を犠牲にして高速が達成されます。高出力用に設計されたいくつかのオペアンプを以下の表に示します。
高電流オペアンプ
はい、LM12CLの出力電流定格は実際には 13アンペアです。 （13,000ミリアンペア）！それは14.40ドルでリストされていますが、これはデバイスの生のパワーを考えるとそれほど多くはありません。一方、LM7171は、高電流出力能力を高速電圧出力能力（高スルーレート）と交換します。記載されている価格は1.19ドルで、「汎用」オペアンプとほぼ同じです。
アンプパッケージは、裸のオペアンプではなく、完全なアプリケーション回路として購入することもできます。たとえば、Burr-BrownとAnalog Devicesの企業は、どちらも高精度アンプ製品ラインで長い間知られており、事前に設計されたパッケージの計装アンプやその他の特殊なアンプデバイスを提供しています。修理後の高精度と再現性が重要な設計では、回路設計者にとって、個々のオペアンプから回路を構築するよりも、そのような事前設計されたアンプ「ブロック」を選択する方が有利な場合があります。もちろん、これらのユニットは通常、個々のオペアンプよりもかなり高価です。
関連ワークシート：
- 基本的なオペアンプのワークシート
産業技術