「オペアンプ」

デジタル電子技術が登場するずっと前に、コンピュータは、数値を表すために電圧と電流を使用して計算を電子的に実行するように構築されていました。これは、物理プロセスのシミュレーションに特に役立ちました。たとえば、可変電圧は、物理システムの速度または力を表す場合があります。抵抗分圧器と電圧増幅器を使用することにより、これらの信号に対して除算と乗算の数学演算を簡単に実行できます。

コンデンサの電流を計算するための基礎としての微積分微分関数

コンデンサとインダクタの反応特性は、微積分関数に関連する変数のシミュレーションに適しています。コンデンサを流れる電流が電圧の変化率の関数であったこと、およびその変化率が微積分で導関数としてどのように指定されたかを思い出してください。 ？コンデンサの両端の電圧が物体の速度を表すように作成された場合、コンデンサを流れる電流はその物体を加速または減速するために必要な力を表し、コンデンサの静電容量は物体の質量を表します。

微積分微分関数のこのアナログ電子計算は、技術的には微分として知られています。 em> 、これは、コンデンサに印加される電圧に対するコンデンサの電流の自然な関数です。この回路は、デジタルコンピュータのように、この比較的高度な数学関数を実行するための「プログラミング」を必要としないことに注意してください。

電子回路は、複雑な物理システムに比べて非常に簡単で安価に作成できるため、この種のアナログ電子シミュレーションは、機械システムの研究開発で広く使用されていました。ただし、現実的なシミュレーションを行うには、これらの初期のコンピューターには高精度で構成が容易な増幅器回路が必要でした。

シングルエンドアンプに対する差動の利点

アナログコンピュータの設計の過程で、非常に高い電圧ゲインを備えた差動アンプは、カスタム設計されたゲインを備えたシングルエンドアンプよりも、精度と構成可能性のこれらの要件をよりよく満たすことがわかりました。高ゲイン差動アンプの入力と出力に接続された単純なコンポーネントを使用すると、アンプ自体の内部回路を調整または変更することなく、回路全体から実質的にすべてのゲインと機能を取得できます。これらの高利得差動増幅器は、オペアンプとして知られるようになりました。 、またはオペアンプ、アナログコンピュータの数学演算に適用されるため。

オペアンプのいくつかの機能

人気のあるモデル741のような最新のオペアンプは、高性能で安価な集積回路です。それらの入力インピーダンスは非常に高く、入力は741の場合は0.5マイクロアンペア（最大）の範囲の電流を引き込み、電界効果入力トランジスタを利用するオペアンプの場合ははるかに少なくなります。出力インピーダンスは通常非常に低く、モデル741の場合は約75Ωであり、多くのモデルには出力短絡保護が組み込まれています。つまり、内部回路に害を及ぼすことなく、出力を直接グランドに短絡できます。オペアンプの内部トランジスタステージ間の直接結合により、ACと同様にDC信号を増幅できます（特定の最大電圧上昇時間制限まで）。高電力能力が必要とされない限り、その種の性能に一致する同等のディスクリートトランジスタ増幅器回路を設計することは、はるかに多くの費用と時間を要します。これらの理由から、オペアンプには、多くのアプリケーションで廃止されたディスクリートトランジスタ信号アンプがほとんどあります。

次の図は、8ピンDIP（ D ）に収容された場合のシングルオペアンプ（741を含む）のピン接続を示しています。 ual 私 nline P ackage）集積回路：

オペアンプの一部のモデルは、人気のあるモデルTL082と1458を含め、パッケージに2つ付属しています。これらは「デュアル」ユニットと呼ばれ、通常、次のピン接続を備えた8ピンDIPパッケージにも収容されています。

オペアンプは、通常14ピンのDIP構成で、4つのパッケージで利用できます。残念ながら、ピン割り当ては、「デュアル」またはシングルユニットの場合ほど、これらの「クワッド」オペアンプの標準ではありません。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。

実用的なオペアンプの電圧利得は200,000以上の範囲であり、それ自体ではアナログ差動増幅器としてはほとんど役に立たないものになっています。電圧利得（A _V ）を備えたオペアンプの場合 ）200,000で、最大出力電圧振幅が+ 15V / -15Vの場合、飽和またはカットオフに駆動するために必要なのは、75 µV（マイクロボルト）の差動入力電圧だけです。ゲインを妥当なレベルに下げるために外部コンポーネントがどのように使用されるかを見る前に、「ベア」オペアンプ自体のアプリケーションを調べてみましょう。

コンパレータ

1つのアプリケーションはコンパレータと呼ばれます 。すべての実用的な目的で、オペアンプの出力は、（+）入力が（-）入力よりも正の場合は完全に正に飽和し、（+）入力が正でない場合は完全に負に飽和すると言えます。 （-）入力より。言い換えると、オペアンプの非常に高い電圧ゲインにより、2つの電圧を比較し、一方の入力が他方の入力を超えたときに出力電圧の状態を変更するデバイスとして役立ちます。

上記の回路では、コンパレータとしてオペアンプを接続し、入力電圧をポテンショメータ（R ₁ ）によって設定された基準電圧と比較しています。 ）。 V _in の場合 R ₁ で設定された電圧を下回ります 、オペアンプの出力は+ Vに飽和し、それによってLEDが点灯します。それ以外の場合、V _in が基準電圧を超えている場合、LEDはオフのままになります。 Vinが測定器によって生成された電圧信号である場合、このコンパレータ回路は「ロー」アラームとして機能し、トリップポイントはR ₁ によって設定されます。 。 LEDの代わりに、オペアンプ出力は、リレー、トランジスタ、SCR、またはソレノイドバルブなどの負荷に電力を切り替えることができるその他のデバイスを駆動して、低アラームの場合にアクションを実行できます。

方形波コンバーター

示されているコンパレータ回路の別のアプリケーションは、方形波コンバータです。反転（-）入力に印加される入力電圧が安定したDC電圧ではなく、AC正弦波であると仮定します。その場合、入力電圧がポテンショメータによって生成された基準電圧に等しいときはいつでも、出力電圧は反対の飽和状態間で遷移します。結果は方形波になります：

ポテンショメータの設定を調整すると、非反転（+）入力に印加される基準電圧が変化します。これにより、正弦波が交差するポイントが変更され、オン/オフ時間、またはデューティサイクルが変更されます。 方形波の：

AC入力電圧は特に正弦波である必要はないことは明らかです。この回路が同じ機能を実行するために。入力電圧は、三角波、のこぎり波、または正から負、そして再び正にスムーズに上昇するその他の種類の波である可能性があります。この種のコンパレータ回路は、デューティサイクルが変化する方形波を作成するのに非常に役立ちます。この手法は、パルス幅変調と呼ばれることもあります。 、またはPWM（変動、または変調 制御信号（この場合はポテンショメータによって生成された信号）に従った波形。

棒グラフドライバー

別のコンパレータアプリケーションは、棒グラフドライバのアプリケーションです。コンパレータとして接続された複数のオペアンプがあり、それぞれが反転入力に接続された独自の基準電圧を持っているが、それぞれが非反転入力で同じ電圧信号を監視している場合、一般的なもののような棒グラフスタイルのメーターを構築できますステレオチューナーとグラフィックイコライザーの表面に見られます。信号電圧（無線信号強度またはオーディオサウンドレベルを表す）が増加すると、各コンパレータは順番に「オン」になり、それぞれのLEDに電力を送ります。各コンパレータが異なるレベルのオーディオサウンドで「オン」に切り替わると、点灯するLEDの数は、信号の強さを示します。

上記の回路では、入力電圧が上昇すると、LED1が最初に点灯します。ポジティブな方向に。入力電圧が上昇し続けると、他のLEDは、すべてが点灯するまで連続して点灯します。

これとまったく同じテクノロジーが、一部のアナログ-デジタル信号コンバーター、つまりフラッシュコンバーターで使用されています。 、アナログ信号量をデジタル数値を表す一連のオン/オフ電圧に変換します。

レビュー：

• 三角形は増幅回路の一般的な記号であり、広い方の端は入力を示し、狭い方の端は出力を示します。
• 特に指定のない限り、すべて 増幅器回路の電圧は、共通のアースを基準としています。 ポイント、通常は電源の1つの端子に接続されます。このように、電圧は常に2点間で測定されることを認識しながら、特定の量の電圧が1本のワイヤに「オン」になっていると言えます。
• 差動アンプ 電圧差を増幅するものです 2つの信号入力間。このような回路では、一方の入力が出力電圧を入力信号と同じ極性に駆動する傾向がありますが、もう一方の入力は正反対です。したがって、最初の入力は非反転と呼ばれます。 （+）入力と2番目は反転と呼ばれます （-）入力。
• オペアンプ （または略してオペアンプ）は、非常に高い電圧ゲイン（A _V ）を備えた差動アンプです。 =200,000以上）。その名前は、アナログコンピュータ回路（数学演算を実行する）での最初の使用に由来しています。
• オペアンプは通常、入力インピーダンスが非常に高く、出力インピーダンスがかなり低くなっています。
• オペアンプは信号コンパレータとして使用されることがあります 、どの入力（反転または非反転）が最大の電圧を持っているかに応じて、フルカットオフまたは飽和モードで動作します。コンパレータは、「大なり記号」の信号状態を検出するのに役立ちます（一方を他方と比較します）。
• 1つのコンパレータアプリケーションは、パルス幅変調器と呼ばれます。 、および正弦波AC信号をDC基準電圧と比較することによって作成されます。 DC基準電圧が調整されると、コンパレータの方形波出力のデューティサイクルが変化します（正の時間と負の時間）。したがって、DC基準電圧は制御、または変調 出力電圧のパルス幅。

関連ワークシート：

• 基本的なオペアンプのワークシート