Op-Ampにおける負帰還の理解：電圧フォロワと安定性

オペレーショナルアンプの出力が反転入力に帰還させられ、信号が非反転入力に印加されると、デバイスは自己修正モードで動作します。この構成では、負帰還によりOp-Ampの出力が入力電圧をほぼ正確に追従します。

入力電圧V_inが上昇すると、出力も比例して上昇します。しかし、出力の一部が反転入力に帰還されるため、2つの入力間の差動電圧は継続的に減少します。その結果、出力は差動電圧をほぼゼロに保つ電圧で安定し、飽和ではなくリニア動作が保証される平衡状態に達します。

非常に高いオープンループ利得により、反転入力の電圧は実質的にV_inと同一になります。この関係は以下のように表現できます：

$$V_{out} = G\cdot (V_{in} - V_{out})$$

これを整理すると：

$$V_{out} = \frac{V_{in}}{1 + \frac{1}{G}}$$

例えば、差動利得200,000のOp-Ampに6Vの入力を与えると：

$$V_{out} = \frac{6}{1 + \frac{1}{200,000}} = 5.999700015\;\text{V}$$

この出力を維持するにはわずか29.99985µVの差動電圧で済むため、実用上は2つの入力電圧は等しいとみなせます。システムはしたがって、出力が入力にほぼ一致する安定状態を保持します。

Op-Ampにおける負帰還の理解：電圧フォロワと安定性

負帰還により、増幅器の正確なオープンループ利得が無関係になります。利得が200,000であろうと250,000であろうと、出力は実質的に入力と同一になります。この自己修正特性により、設計者は工場出荷時の利得を精密に合わせることなく、予測可能でリニアな性能を持つ回路を構築できます。

Op-Amp内部では、「ヌル検出器」が差動電圧を監視します。高感度の内部ポテンショメータが、検出器の読み取りがゼロボルトになるように出力を調整します。その結果、入力電圧を出力でそのまま再現する電圧フォロワ（バッファ）が得られ、利得は1となります。

出力は電源レールから電力を供給されるため、フォロワは入力信号自体を消耗させることなく、負荷に電流を供給できます。典型的な電圧フォロワは高入力インピーダンス、低出力インピーダンス、大きな電流利得を提供し、インピーダンス整合と信号バッファリングに最適です。

741などの多くの従来型Op-Ampは、正確に電源レールまでスイングできません。±15V電源の場合、741の出力はバイポーラ出力段のため、通常+14V付近で上限、-13V付近で下限となります。最新のレールツーレールデバイス（例：3130）は、電源レールからミリボルト単位まで近づけます。

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