真空管からICへ：オペレーショナルアンプモデルの進化

オペレーショナルアンプと聞いて多くの人はシリコンベースのICを想像します。しかし、最も初期の商用Op-Ampは真空管回路でした。

1952年、George A. Philbrick Researches, Inc.が最初の汎用Op-AmpであるK2-Wを発表しました。これは8ピンのオクタルソケットに収められた2つの双三極管を特徴とし、当時のシャーシへの設置とメンテナンスを容易にしました。

回路図は、双三極管アセンブリと10個の抵抗、2個のコンデンサを示しており、当時としては驚くほどシンプルな設計です。

真空管の動作原理

真空管はNチャネルデプリッション型IGFETのように振る舞います：制御グリッドはカソードに対してより正の電位でより多くの電流を流し、それほど正でないときは少なく流します。K2-Wでは、左側の双三極管が差動対を形成し、反転・非反転入力を単一の増幅信号に変換します。1MΩ-2.2MΩの分圧器がこの信号を第2管の左三極管に供給し、さらなる電圧利得を提供して出力を反転させます。右側の三極管が電流利得のための非反転段を駆動します。ネオン放電管がツェナーダイオードのように電圧レギュレータとして働き、2つのシングルエンド増幅器間にバイアス電圧を供給します。

±300Vのデュアル電源で、K2-Wの出力スイングはわずか±50Vでした。オープンループ利得は15,000-20,000、スルーレート±12V/µs、最大出力電流1mA、フィラメント電力を除く静止消費電力は3W以上でした。1952年のドルで約24ドルでした。

固体トランジスタと次世代

トランジスタ技術により、同等の性能を維持しながら静止消費電力を大幅に削減し、信頼性を高めたOp-Ampが実現しました。Philbrickの1966年製P55Aは、オープンループ利得40,000、スルーレート1.5V/µs、±15V電源から±11Vの出力スイングを実現。最大出力電流2.2mA、価格は49ドル（ユーティリティグレードで約21ドル）。P55Aはディスクリート部品設計で、大型ICパッケージのような固体「ブリック」に収められていました。

以下の回路図のように、ディスクリート部品から基本的なOp-Ampを構築することも可能です。トランジスタQ3とQ4で形成される差動対は、K2-Wの双三極管と同じ役割を果たし、差動入力をシングルエンド出力に変換します。

ディスクリート部品から構築されたシンプルなオペレーショナルアンプ。

IC革命

1960年代半ばのIC導入はOp-Amp設計を変革しました。Fairchildは1964年から1968年にかけて702、709、そして現在ではアイコニックな741をリリースしました。741は今日の基準では陳腐化していますが、その堅牢性と短絡保護によりホビイストに人気があります。

741 Op-Ampの内部回路図。

SSI技術により、741はわずかな部品しか含まないため、ディスクリート部品で複製するのは非現実的です。これは、初期のICであっても大型ディスクリートアセンブリに対する明確な利点を示しています。

人気Op-Ampの性能比較

以下は、現在利用可能な性能特性の範囲を示す低コストOp-Ampの選択です。741はベンチマークとして含まれていますが、新しい設計はその仕様を大きく上回ります。

広く使用されているオペレーショナルアンプ

モデル	パッケージ内デバイス数	電源電圧 (V)	帯域幅 (MHz)	バイアス電流 (nA)	スルーレート (V/µS)	出力電流 (mA)
TL082	2	12 / 36	4	8	13	17
LM301A	1	10 / 36	1	250	0.5	25
LM318	1	10 / 40	15	500	70	20
LM324	4	3 / 32	1	45	0.25	20
LF353	2	12 / 36	4	8	13	20
LF356	1	10 / 36	5	8	12	25
LF411	1	10 / 36	4	20	15	25
741C	1	10 / 36	1	500	0.5	25
LM833	2	10 / 36	15	1050	7	40
LM1458	2	6 / 36	1	800	10	45
CA3130	1	5 / 16	15	0.05	10	20

表が示す通り、バイアス電流は劇的に異なります：MOSFETベースのCA3130は驚異的な0.05nA（50pA）のバイアス電流を実現する一方、バイポーラトランジスタを使用するLM833は1µA以上を引き込む可能性があります。CA3130の入力インピーダンスは1.5TΩ（1.5×10¹²Ω）と謳われています。

741は教科書の定番ですが、その性能は現代デバイスに凌駕されています。例えばLM1458は741と同じパッケージながら、より広い電源範囲、50倍のスルーレート、ほぼ2倍の出力電流を提供し、短絡保護を維持しています。

私の推奨：

• 低バイアス電流回路（例：低速積分器）：CA3130。
• 汎用直流増幅：LM1458（1つの8ピンDIPに2つのOp-Amp）。
• より高い帯域幅：LF353（JFET入力、LM1458の4倍の帯域幅）。
• 低電圧動作：LM324（3Vから動作、14ピンパッケージに4つのOp-Amp）。
• 高周波交流増幅：LM318。

高帯域幅・高電流Op-Amp

特殊用途Op-Ampは控えめなコストで卓越した性能を提供します。以下の表は、帯域幅または電流出力に最適化されたモデルを示します。

高帯域幅オペレーショナルアンプ

モデル	パッケージ内デバイス数	電源電圧 (V)	帯域幅 (MHz)	バイアス電流 (nA)	スルーレート (V/µS)	出力電流 (mA)
CLC404	1	10 / 14	232	44,000	2600	70
CLC425	1	5 / 14	1900	40,000	350	90

CLC404は21.80ドルで、1952年ドル換算でオリジナルK2-Wと同等の価格です。CLC425はより手頃な3.23ドル/個。両者はより高いバイアス電流と狭い電源範囲を犠牲に高速化を達成しています。

高電流オペレーショナルアンプ

モデル	パッケージ内デバイス数	電源電圧 (V)	帯域幅 (MHz)	バイアス電流 (nA)	スルーレート (V/µS)	出力電流 (mA)
LM12CL	1	15 / 80	0.7	1000	9	13,000
LM7171	1	5.5 / 36	200	12,000	4100	100

LM12CLは驚異的な13Aの出力電流を14.40ドルで提供します。対照的にLM7171は4kV/µsの高スルーレートをわずか1.19ドルで実現します。

極めて高い精度や再現性を要求する設計には、Burr-BrownやAnalog Devicesなどのメーカーが、事前設計された計装用増幅器やその他の特殊デバイスを提供しています。これらのブロックはベアOp-Ampより高価ですが、回路設計を簡素化し、多くの場合信頼性を向上させます。

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