オペレーショナルアンプ：基礎、特徴、主要応用

デジタルエレクトロニクスの登場以前、コンピュータは数値を電圧と電流に変換して計算を行っていました。抵抗分圧器と増幅器を用いることで、除算や乗算などの基本的な算術演算をこれらのアナログ信号上で実行できました。このアプローチは、可変電圧が速度や力などの物理量を表す物理システムのシミュレーションにおいて特に価値がありました。

微分機能を用いたコンデンサ電流の計算

コンデンサとインダクタは、微積分の関係を自然にモデル化するリアクティブな特性を持っています。コンデンサを流れる電流は、その電圧の時間変化率、つまり微分に等しくなります。コンデンサの両端電圧を物体の速度として表現すると、その結果として得られる電流は、その物体を加速または減速させるために必要な力に対応し、静電容量は物体の質量として機能します：

この微分のアナログ計算、いわゆる微分演算は、コンデンサによって「プログラミング」なしで自動的に実行され、微分方程式のシミュレーションに簡単かつ低コストな方法を提供します。

アナログ回路は複雑な機械モデルよりも安価で構築が容易なため、機械システムの初期研究開発で広く採用されました。現実的なシミュレーションを実現するには、高精度で容易に設定可能な増幅器が不可欠でした。

差動増幅器がシングルエンド設計を凌駕する理由

初期のアナログコンピュータでは、極めて高い電圧利得を持つ差動増幅器が、カスタム利得のシングルエンド増幅器よりも必要な精度と設定容易性を提供することが明らかになりました。高利得差動増幅器の入力と出力にシンプルな外部部品を接続するだけで、内部回路を変更せずに実質的にあらゆる利得や機能を得ることができました。これらの高利得差動増幅器は、アナログコンピュータの数学演算における中核的役割からオペレーショナルアンプ（Op-Amp）と呼ばれるようになりました。

現代Op-Ampの主要特徴

• 高入力インピーダンス： 例えば741は最大0.5µAしか消費せず、FET入力段ではさらに少ない電流です。
• 低出力インピーダンス： 741で典型的に75Ω程度、多くのモデルが内蔵短絡保護を備えています。
• 直流と交流の性能： 直接結合により直流信号の増幅が可能で、帯域幅の制限が最大電圧立ち上がり時間を定義します。
• コスト効率： 単一のICが、極めて高出力が必要でない限り、複雑なディスクリートトランジスタ増幅器に匹敵する性能を提供します。

図1は、8ピンDIPパッケージの単体741 Op-Ampのピン配置を示しています。TL082などのデュアルパッケージ（8ピン）や741タイプのクアッドパッケージ（14ピン）も同様の規約に従いますが、正確なピン割り当てはデータシートを参照してください。

裸のOp-Ampの実用的応用

電圧利得（A_V）が約200,000、±15Vのスイングを持つ裸のOp-Ampは、わずか75µVの差動入力で飽和します。それでも、いくつかの有用な方法で活用できます。

コンパレータ

コンパレータとして使用する場合、非反転（+）入力が反転（-）入力を超えるとOp-Ampは飽和正電圧を出力し、そうでなければ飽和負電圧を出力します。この高利得により、「より大きい」検出に最適です。

例示回路では、入力電圧をポテンショメータ（R₁）で設定した基準電圧と比較します。V_inが基準を下回ると出力がLEDを駆動し、そうでなければLEDは消灯します。この基本的な低電圧アラームロジックは、リレー、トランジスタ、SCRを駆動して機械デバイスを作動させることもできます。

矩形波コンバータ

直流基準を交流正弦波に置き換えると、コンパレータは矩形波発生器になります。正弦波が基準を横切るたびに、出力は飽和状態間で切り替わり、基準電圧で調整可能なデューティサイクルの矩形波を生成します。

ポテンショメータを調整すると交点が変化し、オン/オフの持続時間（デューティサイクル）が変わります。この原理はパルス幅変調（PWM）の基盤となっており、パルス幅が制御信号によって変調されます。

バーグラフドライバ

同じ入力を監視しながらそれぞれ異なる基準電圧を持つ複数のコンパレータOp-Ampを用いると、一連のLEDを駆動してバーグラフメータを形成できます。入力電圧が上昇するにつれ、順次コンパレータがオンになり、より多くのLEDが点灯して信号強度を視覚的に示します。

この同じアーキテクチャは、フラッシュアナログ-デジタルコンバータにも採用されており、一組のコンパレータがアナログ電圧を直接バイナリコードに変換します。

レビューまとめ

• 三角形シンボルは普遍的に増幅器回路を表します。
• すべての電圧は共通グラウンドを参照し、一貫した測定を保証します。
• 差動増幅器は2つの入力間の電圧差を増幅し、（+）が非反転、（-）が反転です。
• Op-Ampは超高利得の差動増幅器で、元々アナログコンピュータで使用されました。
• Op-Ampは非常に高い入力インピーダンスと低い出力インピーダンスを提供します。
• コンパレータとして使用すると、高速な「より大きい」判定が可能で、アラームや制御ロジックに有用です。
• PWMは交流信号と直流基準を比較することで実装でき、デューティサイクル制御された矩形波を生成します。

関連ワークシート

• 基本オペレーショナルアンプ ワークシート