オペアンプ入力インピーダンスの理解: 定義、意義、計算ガイド

まず最初に、Op-Ampはオペレーショナルアンプ（運算増幅器）を意味します。このデバイスは高利得電子電圧増幅器（DC結合）です。また、単一出力と特徴的な入力抵抗を持ちます。さらに、アナログ電子回路の基本構成ブロックです。インピーダンスは電圧と入力電流の相関を示します。つまり、Op-Ampの入力インピーダンスについて語るとき、それが回路そのものなのか、選択した基本チップ内の回路なのかを明確にすることが重要です。

違いは何でしょうか？ 前者はオペアンプ回路自体について語り、後者はチップ内の回路に焦点を当てます。

もっと知りたいですか？ 心配いりません。Op-Ampの出力インピーダンスが低い理由、計算方法などを詳しく解説します。

ICオペアンプの典型的な入力インピーダンスとは？

オペアンプの周りに回路を配置すると、差動入力電圧インピーダンスを変更できます。また、フィードバックの適用方法と外部電子部品が、全体の回路入力インピーダンスと信号源に影響を与えます。

つまり、2つの入力インピーダンスがあります：コモンモード（Zcm+ & Zcm-）と差動（Ziff）。前者は入力段からグラウンドまでのインピーダンスを指し、後者は2つの入力間のインピーダンスを指します。

さらに、これらのインピーダンスは通常高く、抵抗性です（10^5 〜 10^12 オーム）。言い換えると、高インピーダンス入力デバイスです。また、20〜25pFまでのシャント容量を持つ場合があります。

したがって、ほとんどのオペアンプ回路では、反転および非反転入力インピーダンスを低い値に減らすことができます。これは負帰還によって行えます——（差動およびコモンモード入力インピーダンス）がより重要であることを考慮して。さらに、反転および非反転入力端子も同様に重要です。

また、オペアンプ回路の入力インピーダンスは通常高いです。これはオペアンプが電圧分割器のように働くためです。

したがって、インピーダンスが高いほど、オペアンプ入力により多くの電圧が降下します。しかし、入力インピーダンスが低いと、回路全体で電圧降下がありません。その結果、信号を得られません。

出力インピーダンス Op-Amp

出力インピーダンス オペアンプは入力インピーダンスと似ています。しかし、ソースの見かけの電圧が、より多くの電流を供給する必要があるときにどれだけ変化するかを指します。例えば、負荷のないバッテリーの電圧が負荷時のバッテリーより高いとき、電流源インピーダンスが働いているのがわかります。

例えば、オペアンプが6Vの出力信号を持ち、開放回路で電位差電圧を測定するとします。回路が開放されているため、電流は0Aです。一方、電圧は6Vです。この時点で、出力を帰還抵抗に接続できます。オペアンプ帰還回路の出力電流が60mAになるように接続します。

また、抵抗両端の電圧を測定して約5.99Vを得ることもできます。

これにより、オペアンプの出力インピーダンスを求められます：

-6V/0mA – 5.99V/60mA = 0.2 オーム。

なぜ結果の単位が変わったのでしょうか？ まず、低ソースインピーダンスは、オペアンプが電圧を大きく変えることなく大電流をシンクできることを示します。また、結果から、オペアンプの入力インピーダンスが、オペアンプ出力範囲信号を示すものの負荷インピーダンスに類似していることがわかります。

さらに、オペアンプの出力インピーダンスと出力電位は、オペアンプの信号を受け取るもののソースインピーダンスに類似しています。したがって、適度に低い負荷インピーダンスと供給電流でソースが負荷を駆動すると、重く負荷がかかります。また、電圧信号には高電流とより大きな利得が必要です。

つまり、ソースインピーダンスが低くても、電圧降下なしで電流を供給できます。したがって、電圧降下を減らしたい場合は、負荷インピーダンスがソースインピーダンスより大きいことを確認してください。

したがって、高負荷インピーダンスは、高負荷インピーダンス時により少ない電流と電力を意味します。

理想的なオペアンプ インピーダンス

理想的なオペアンプ インピーダンスの特徴の1つは、無限大の入力インピーダンスと無限大の利得を持つことです。また、入力リードへの電流流入がゼロであることを意味します。これは、電流が入力端子（非反転と反転）に入ったり出たりしないためです。したがって、より高いユニティ利得があります。

さらに、理想的なオペアンプは出力インピーダンスがゼロです。これは、出力電流が出力電圧に依存しないことを意味します。したがって、理想的なOp-Ampは、負荷を駆動してそれに電圧を供給するために出力インピーダンスを必要としません。

要するに、出力インピーダンスはゼロまたは低く、対照的に入力インピーダンスは無限大または高入力インピーダンスと言えます。

入力インピーダンスと出力インピーダンスの計算方法

インピーダンスは電圧と電流の関係を示すため、ΔI / ΔV の比として表せます。ΔIは電流変化、ΔVは電圧変化を表します。

また、入力バイアス電流の差と入力コモンモード電圧範囲の差を測定することもできます。

出力インピーダンス、開ループ利得方程式、ソースインピーダンスなどのパラメータが必要です。これらを用いて、電圧分割の原理で出力電圧と入力電圧を求められます。

(Zin/(Rs + Zin)) Vin = Vsource — (1)

各パラメータ：

• Rs — ソースインピーダンス
• Zin — 入力インピーダンス
• Vin — アンプの基準電圧
• Vsource — 入力電圧

これにより、以下の式で出力負荷電圧も計算できます：

Vout × (Rload/(Rload + Zout)) = Vload — (2)

各パラメータ：

• Rload — 負荷抵抗
• Zout — アンプの出力インピーダンス
• Vload — 負荷両端の電圧
• Vout — アンプの出力

また、Voutを入力電圧利得倍で置き換えることもできます。

出力インピーダンスを測定できますか？ もちろん可能です。しかし、テブナン等価回路として測定する必要があります：

• Vo/Is = Zout — (3)
• 各パラメータ：
• I — 出力が短絡時の出力電流
• Vo — 出力が開放時の出力電圧

上記の式は、電流と出力電圧の線形関係から導かれることに注意してください。

オペアンプの入力インピーダンスが無限大である理由

通常、インピーダンスは回路が電流（直流または交流）の流れに抗する様子を示します。理想的なオペアンプには、無限大の2つの入力端子インピーダンスがあります。これは、電流が入力端子からオペアンプに流入しないためです。

したがって、入力が電圧を見て応答することはできますが、電圧がオペアンプに電流を流し込むことはありません。

言い換えると、オペアンプは入力電圧に影響を与えません。しかし実際には、オペアンプの入力回路に微小なリーク電流（通常数ミリアンペア未満）があることに気づくでしょう。

オペアンプの出力インピーダンスが低い理由

オペアンプの出力インピーダンスが低いのは、出力が供給する電圧が一定だからです。出力が負荷を増やす回路に接続されても、電圧は一定のままです。

しかし実際には、オペアンプは通常、出力インピーダンスに数オームを持ちます。したがって、出力端子の実際の電圧は、出力に接続する負荷に基づいて異なります。

まとめ

オペアンプの入力インピーダンスが高いのは典型的です。オペアンプは電圧利得デバイスだからです。高インピーダンスにより、入力に電圧が降下します。また、低電流消費を維持し、ローディング効果を回避するのに役立ちます。

このトピックについてどう思われますか？ 計算のヘルプが必要ですか？ ご質問やご提案があれば、お気軽にご連絡ください。