精密電圧フォロワ：オペアンプ負帰還による正確な信号追従の習得

部品と材料

• オペレーショナルアンプ：モデル1458または353（Radio Shackカタログ# 276‑038および# 900‑6298）
• 6ボルト電池3個
• 10kΩリニアテーパーポテンショメータ（Radio Shackカタログ# 271‑1715）

関連リファレンス

Lessons In Electric Circuits、第3巻、第8章：「オペレーショナルアンプ」

学習目標

• オペアンプを電圧フォロワとして構成する方法を実演する
• ユニティゲイン構成を達成する負帰還の役割を説明する
• オペアンプ回路の体系的なトラブルシューティングアプローチを概説する

回路図

イラストレーション

手順

前回の実験では、オペアンプを開ループ構成で使用し、最大電圧利得を得ました。これはコンパレータ用途には有用ですが、ゼロでない差動入力に対して出力が即座に飽和してしまいます。予測可能な利得を持つ真のアンプとしてオペアンプを使用するには、負帰還を導入します。

出力を反転（−）入力に直接接続することで、オペアンプは自動的に出力を調整し、反転入力電圧が非反転（+）入力電圧と一致するようにします。この直接フィードバックにより、回路は電圧フォロワとして動作します。これは、入力電圧をマイクロボルト精度で出力に再現するユニティゲインバッファです。

非反転入力の電圧（+入力とグラウンド間）と出力電圧（出力端子とグラウンド間）を測定してください。ポテンショメータを回すと、出力が入力を忠実に追従しているのが観察できます。

より直接的な評価のために、2つの入力端子間にボルトメータを接続してください。ポテンショメータのほぼ全域で、誤差電圧は無視できるレベルです。

ポテンショメータを端まで回すと、特に1458や353モデルでは測定可能な誤差が生じることがあります。これらのオペアンプは出力を電源レール（+18Vと0V）まで完全にスイングさせることができません。通常、レールから約1〜2V不足します。これは設計者が考慮しなければならない一般的な制限です。レールツーレール性能が必要な場合は、3130のようなオペアンプを検討してください。

電圧フォロワは、信号源のインピーダンスが高く、負荷をかけられない場合に非常に貴重です。電圧利得はユニティですが、フォロワの低出力インピーダンスにより、信号を歪みなく重い負荷に駆動できます。

また、実用的な診断ツールとしても機能します。複雑な回路内のオペアンプが故障していると疑われる場合、それをシンプルな電圧フォロワとして再配線してください。正常なオペアンプなら入力電圧を正確に再現します。再現できなければデバイスが不良です。

コンピュータシミュレーション

SPICEノード番号付き回路図：

ネットリスト（以下をvoltage_follower.cirというテキストファイルにコピー）：

 Voltage follower
vinput 1 0
rbogus 1 0 1meg
e1 2 0 1 2 999meg
rload 2 0 10k
.dc vinput 5 5 1
.print dc v(1,0) v(2,0) v(1,2)
.end 

このモデルでは、オペアンプは開ループ利得999MΩの従属電圧源（e1）で表現されています。大きなrbogus抵抗（1MΩ）と負荷抵抗（rload）は、SPICEが収束するために必要なDCパスを提供します。

関連ワークシート

• 正帰還オペアンプ回路ワークシート