オペアンプとして機能する高利得差動増幅器の構築
部品と材料
- 6V電池 2個
- NPNトランジスタ 4個——2N2222または2N3403（Radio Shack #276-1617は便利な15個NPNパック）
- PNPトランジスタ 2個——2N2907または2N3906（Radio Shack #276-1604は15個PNPパック）
- 10kΩポテンショメータ 2個、シングルターン、直線テーパー（Radio Shack #271-1715）
- 270kΩ抵抗 1本
- 100kΩ抵抗 3本
- 10kΩ抵抗 1本
参考文献
Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapters 4 “Bipolar Junction Transistors” and 8 “Operational Amplifiers.”
学習目標
- カレントミラーを使用した差動増幅器を設計する
- 負帰還が高利得差動増幅器の動作をどう形成するか探る
回路図
イラスト
手順
この設計は、電圧降下抵抗をカレントミラーネットワークで置き換えることで、先の差動増幅器を洗練させ、より高い電圧利得と予測可能な性能を実現します。
利得が向上したことで、この回路は機能的なオペレーショナルアンプ（オペアンプ）として動作可能です。オペアンプは現代アナログエレクトロニクスの基石であり、その内部構造を理解することは貴重です。
PNPペアQ1とQ2がカレントミラーを形成し、差動ペアQ3とQ4を流れる電流をバランスさせます。NPNペアQ5とQ6が第2のカレントミラーを提供し、プログラマブル抵抗Rprgを介して総差動ペア電流を固定します。
2つの入力電圧を変化させながら出力電圧（Q4コレクタ、グラウンド基準）を測定。一方のポテンショメータが非反転入力、他方が反転入力として機能することに注目。
2入力がほぼ等しいときに出力が最も強く応答——これが差動モード。この動作確認後、真のオペアンプとして使用できます。最初の一般的実験は電圧フォロワー（バッファ）構成です。
電圧フォロワーでは、増幅器出力を直接反転入力に接続——つまりQ4のコレクタとベースを結線し、反転側ポテンショメータを無視。
オペアンプシンボルは非反転（+）と反転（−）入力と出力頂点を示します。赤トレースが帰還ループ。電圧フォロワーでは出力が入力を数百分の1ボルト以内で追従すべきです。
より高度な配置は非反転増幅器で、帰還ループの2つの等しい抵抗で利得を正確に2倍に設定。
テスト中、測定値と期待値に小さな不一致（通常数百分の1ボルト）が見られる場合があります。これらは差動ペアの不完全性に起因し、増幅段追加やRprg微調整で低減可能です。
10kΩから1MΩまで様々なRprg値を試してください。10kΩ未満は避け、カレントミラートランジスタのサーマルランナウェイを防止。
一部の市販オペアンプはプログラマブルカレントミラーポイントを露出し、ユーザーがRprgと同様に内部バイアスを正確に調整可能。しかしほとんどの工場製オペアンプでは、このバイアスは精密トリミング抵抗で固定されています。
産業技術