オペアンプについて(負帰還、正帰還)[電子回路]

こんにちは、ぽたです。今日はオペアンプについて勉強していたので、それについて少しまとめてみたいと思います。

オペアンプとは

まず、オペアンプとは、基本的には

このような図になっています。同相入力は＋、逆相入力はー、V⁺とV^–は電源電圧、V_inとV_outは入力電圧、出力電圧です。

また、差動増幅回路として働くので、入力電圧の差を増幅します。よって

このような形でおくことができます。(Vo = V_out) Avは電圧増幅度です。これは通常、理想的には無限大です。したがって少しでも入力電圧に差があった場合は電圧は無限大に増幅されることになります。

ただし、実際には無限大には増幅されず、電源電圧まで増幅されることになります。

オペアンプの負帰還について

オペアンプの負帰還回路は、このように出力端子と逆相入力端子の間に抵抗R2が入っています。この場合、R1=R2だとすると、

となります。上の図と照らし合わせると、V_in^＋とV_in^ーを考えたとき、無限に増幅したくない場合、V_in^＋=V_in^ーとなります。この場合ならいいんですが、V_in^ーがずれてしまった場合は無限大に出力を増幅してしまいます。その時のことを考えてみます。

①V_in^ーが＋側にずれてしまった場合

この式より、V_oが減少するため、V_in^ーはV_in^＋に近づいていきます。

つまりV_o減少→V_in^–減少→ V_o増加→V_in^–増加　で元に戻ります。

②V_in^ーがー側にずれてしまった場合

上式より、V_oが増加するため、結論として、V_in^ー=V_in^＋へと近づきます。これは上の逆を考えれば良いです。

結論として、負帰還回路では、V_in^ー=V_in^＋となります。つまり、短絡しているとみることができます。このことをイマジナリショートといいます。仮想短絡とも。

オペアンプの正帰還について

オペアンプの正帰還回路はこのような形になります。負帰還回路とはオペアンプのプラスとマイナスを入れ替えただけの図です。

この場合もR1=R2として考えると、

となります。この場合も負帰還でやった二つのパターンを考えてみましょう。(入力電圧が等しい場合は普通に増幅)

①V_in⁺が＋側にずれてしまった場合

先ほども出てきた、

この式より、V_oがどんどん大きくなっていきます。

②V_in⁺がー側にずれてしまった場合

上式より、V_oがどんどん小さくなっていきます。

この二つから考えると、少しでもどちらかの方向にV_in⁺がずれてしまうと、その流れでどんどんV_oがずれていってしまうことがわかります。

上で述べたように増幅は電源電圧までしか増幅されませんから、V_oは電源電圧まで増幅されます。その動作のことを、

飽和動作

と呼びます。

まとめ

まとめると、負帰還の場合は入力電圧の差は0になるように、つまり、

V_in^ー=V_in^＋

に落ち着くことがわかりました。

正帰還回路は入力電圧の差が少しでも生まれてしまうと、電源電圧まで増幅され、

飽和動作

が起きるということがわかりました。

このような感じでオペアンプはまとめさせていただきました！参考になりましたでしょうか？

それでは！ぽたでした。