オペアンプ

オペアンプの役割とは？

我々を取り巻く環境は、風/光/音/気温/湿度などどれをみても連続的に変化する量、すなわちアナログ量です。片や我々が使用する装置の中ではディジタル処理を行う製品が大方となっていますが、装置の入り口ではこのアナログ量を扱う為に必ずアナログ信号処理が必要となります。このアナログ信号処理の主役となるのがオペアンプ(演算増幅器)です。
それでは具体的なアナログ信号処理の事例を一定時間毎に地表面温度を測定し装置に記憶するとの応用で説明します。まず地表面温度を温度センサーを使用し電圧（これもアナログ値です）に変換します。この電圧が微小な場合にはその変化を読み取れない恐れもありますので、電圧を増幅する必要があります。この増幅をオペアンプ（電圧へと変換された信号と基準信号との差分をとりオペアンプの周辺回路により差分を増幅する機能を有する）を用いることで実現できます。その後、増幅された電圧はA/D変換によりディジタル値へと変換され、マイコンによって処理されます。



他のオペアンプ応用事例として２点間(地表面と地上２ｍ)の温度差を測定し記憶する応用を考えます。同じく２個の温度センサーを用いこの２点における温度差をとる(減算)こともオペアンプを用いれば以下の様に行うことが出来ます。



オペアンプはこの他に加算、微分、積分の演算機能も有します。

この他、ディジタル回路とのインターフェース(やり取り)にはコンパレータ(比較器)が使われます。コンパレータの役割についてはコンパレータの基礎を参照願います。

(2005/12)

オペアンプとは？

Operational Amplifier（演算増幅器）の略で、理想的には

• 増幅率（ゲイン）：無限大
• 入力インピーダンス：無限大
• 出力インピーダンス：０
• 入力から出力への遅延：０

の差動増幅器です。
負帰還^注をかけて使用することで、増幅器やさまざまなアナログ信号処理（加算・減算・微分・積分など）が行えます。

〔オペアンプの表示〕
＋入力（I_N：非反転入力⇒Non - inverting inputと呼ばれ、印加された入力信号と出力信号の極性が等しいことを意味しています） 、−入力（I_I：反転入力⇒Inverting inputと呼ばれ印加された信号と出力に得られる信号の極性が全く逆(-180度)であることを意味します） 、出力（OUT）、電源（V⁺, V^-）の5本の端子があり、三角形で表します。



最も一般的な使用例は、次のような増幅回路です。



この例では、入力信号を（1＋R₂／R₁）倍に増幅して出力します。
R₁=1kΩ，R₂=10kΩなら、増幅率11倍のアンプとなります。このため、抵抗値を変えるだけで、自由に増幅率を設定できます。図の回路では、＋端子に入力をしているので、入力と出力は同相ですが（非反転増幅器）、R₁側に入力をすると、出力は反転します（反転増幅器）。

注　負帰還とは、出力と−入力を抵抗やコンデンサ、ダイオード、トランジスタなどを介して接続し、出力信号を−入力に戻すことをいいます。

(2007/01)

単電源オペアンプとは？

単電源で使用したときにGND入力できる、つまりV⁻を同相入力電圧範囲に含んでいるオペアンプのことです。

単電源用と２電源用の違いは何ですか？

厳密な区分はありませんが、一般に同相入力電圧の範囲が異なります。 V⁻と同じ電圧までの入力で動作する製品を単電源用としております。 従来の２電源タイプはV⁻から1.5V程度までの範囲ではご利用になれない製品となります。

入力電圧と出力電圧を電源電圧の範囲まで使用できるレール・トゥ・レールのオペアンプはありますか。

残念ながら、当社にはレール・トゥ・レール品はありません。

イマジナルショートとは？

イマジナルショートとは、オペアンプで負帰還をかけた場合にプラス入力とマイナス入力との端子間に電位差が無い状態を言います。イマジナルショートと呼ぶのは、プラス入力とマイナス入力の間で電圧的には同電位であることからあたかもショート状態であると見做せるからです。


〔反転増幅回路事例〕



上図でマイナス入力はプラス入力と同じＧＮＤレベルとなります。
オペアンプはイマジナルショート状態を常に保とうとする帰還特性を利用し増幅動作を行っています。

(2005/09)

オフセット電圧とは？

オペアンプ入力端子間の電圧差が0Vの時、理想的には出力電圧は0Vとなる筈です。しかし、実際には入力段差動増幅回路の＋入力と−入力のトランジスタのV_BEに差があります。これにより入力端子間の電圧差が0Vとならず多少の電圧が出力されます。この出力電圧をオフセット電圧と言います。

FAQ：opcomp-0002「入力オフセット電圧（V_IO）とは？」参照

(2005/10)

OFFSET-NULLによるオフセット調整とは？

オペアンプの入力段差動増幅回路における(V_BE差に起因する)不平衡を平衡とする調整を行います。オペアンプによっては調整用にOFFSET-NULL端子を有しています(uPC815は下図)。



この端子に可変抵抗を外付けし、入力段の平衡を取ることでオフセット電圧の調整を行います。

(2005/10)

最大出力電圧(Vom)とは？

規定の電源電圧でオペアンプの出力が飽和する限界値を表します。正電源側と負電源側の両方の値があります。また条件として、出力端子とＧＮＤ間の負荷抵抗(２ｋΩ、１０ｋΩ)か出力電流を設定します。
出力が内部回路構造によって正方向または負方向へ飽和するまでのダイナミック領域のことを意味し、負荷抵抗の値によっても制限されます。オペアンプの種類にもよりますが、通常　最大出力電圧はＶ^＋よりも１Ｖ〜１．５Ｖ下がった電圧とＶ⁻から１Ｖ〜１．５Ｖ上がった電圧の範囲までとれます。従って電源電圧Ｖ^±が変化すると最大出力電圧も変化しますので注意が必要です。


〔Ｖｏｍ−Ｖ^±特性曲線〕例：デュアル汎用オペアンプ：ＵＰＣ２５１

(2005/09)

出力印加電圧とは？

特性劣化や破壊を起こさずに、出力端子に印加できる電圧範囲です。
電源ON/OFF時の過渡状態も含めて、定格を越えないようにご注意ください。
なお、オペアンプとして得られる出力電圧は、電気的特性の最大出力電圧の範囲内です

CMR(Common Mode Rejection：同相信号除去比)とは？

入力電圧を変化させた場合に変動した入力オフセット電圧との変動比を示します。

CMR＝△V_I／△V_IO



通常はDC変動分を対象としております。
この値が大きければ同じ△V_Iである場合に△V_IOが小さいことを示します。
したがって、2つの入力に対し同一条件で影響を与えるモードの信号(ノイズ，ドリフト等)がどれだけ抑圧されるかの程度を表します。
尚、CMRは出力への誤差とし影響する一因ともなります(インフォメーション「オペアンプの用語と特性」2.7　同相信号除去比の影響をご参照下さい)。

SVR(電源変動除去比)とは？

電源電圧を変化させた場合に変動した入力オフセット電圧との変動比です。
SVR(電源変動除去比)は、電源のリップルやノイズに対しデバイスとしてどの程度抑えられるかが示されます。

SVR＝△（V⁺-V^-）／△V_IO

例） uPC801におけるSVRは、typ:76dBです。これによりSVRは6.3×10³倍であり仮に電源電圧が外乱により0.5V変動した場合、V_IOは79μVの変動となります。

チャネルセパレーションとは？

オペアンプがパッケージ中に複数(2or4チャネル)内蔵されている場合、動作をさせたオペアンプが他のオペアンプに及ぼす影響度合いを示します。

大振幅電圧利得(Av)とは？

開放電圧(負帰還をかけず)利得ともいわれ、データシートでは直流における差動電圧利得を示しています。100dB(10万倍)前後がオペアンプとして標準的な値です。
以下に汎用オペアンプuPC151のAv-f特性を示しますが、周波数が高くなるに伴いAvは減少する傾向を有しています。

オペアンプの消費電力は、どのように決まるのですか？

オペアンプ自身の回路電流と出力の負荷電流から計算します。
出力電流が流れ出しと流れ込みの場合で、それぞれ次のようになります。

（1） 出力電流が流れ出しの場合





たとえば、上の図の場合は次のとおりです。

（1） オペアンプ自身の回路電流による電力消費
I_CC×（V^＋−V⁻）=1（mA）×30（V）=30（mW）

（2） 出力負荷電流による電力消費
I_O×（V^＋−V_O）=10（mA）×10（V）=100（mW）

（1）+（2）=130（mW）

（2） 出力電流が流れ込みの場合

回路電流(Icc)は何チャネル分を示すのか？

回路電流は1パッケージに内蔵される全チャネル(2チャネル：デュアル形、4チャネル：クワッド形)の合計値が示されています。尚、各チャネルにて負荷が無い状態、つまり出力電流が0Aの時に電源端子に流れる電流を規定しています。

オペアンプの特性は、どのように判断するのですか？

次の３項目で判断できます。

• 利得帯域幅積（G・B積）
• ゼロクロス周波数
• スルーレート

それぞれの規格値が大きいものが高速・広帯域ですが、処理する信号の周波数によって、適切なオペアンプを選択する必要があります。これらの項目が電気的特性の表に記載されていない場合は、特性曲線に記載されている次の3つのグラフで判断してください。



オペアンプの差動ゲインと周波数の関係を示します。オペアンプは、DCから低周波域では高ゲインですが、高周波域ではゲインが低下します（斜線部分が設計可能範囲）。



出力がひずまずに振動できる最大周波数（サイン波）を示します（斜線部分が設計可能範囲）。



パルス入力に対する、出力応答特性を示します。

G・B積とは？

利得（Gain）と帯域（Band Width）の積のことで、通常はf=10kHzで規定します。Aυ−f特性の範囲内で規定できます。



斜線部分が設計可能範囲です。
たとえば、この例のオペアンプでは、100kHzの周波数で、60dBの増幅回路は実現できません。

ゼロクロス周波数とは？

開放電圧利得が0dB（1倍）となる周波数のことで、Aυ−f特性から求められます。

スルー・レートとは、どういう特性ですか。

スルー・レート（SR）というのは、パルス入力応答性を規定するもので、ボルテージ・フォロワ回路（ゲイン=1）での出力応答を1μsあたりの電圧振幅で測定した値です。これが大きいほど、高速のオペアンプです。

uPC803の出力特性を教えてください。

たまたま手元にありました製品でデータをとってみましたところ、左のようになりました。
ご参考になさってください。

測定条件　常温（約25℃）
電源電圧　±15Vです。

なお、この値はたまたま手元にあった製品のデータですので数値を保証するものではございません。

uPC1251 は 15Vにおける Vo vs Io（sink）特性が示されていますが、5Vにした場合の特性を教えてください。

5Vでは電流値が少し下がりますが、大きな変化はありません。
データ・シート に掲載している 15Vでの特性を参考にしてください。

負荷に容量をつけると発振し易いと聞きましたが、なぜでしょうか？

発振は出力から入力へ帰還が掛かることで生じます。 ゲインが 1以上（左の図では0dB）の時に出力を入力へ正帰還させる事で、 外部から信号が無くても自分自身で信号を増幅する事になり、発振を開始します。 負帰還アンプの場合は入力と出力の位相が逆（180度）ですから、 負帰還ループの位相が 180度遅れる事で全体として遅れが 360度となり、正帰還と同じ状態になります。 この状態で帰還量×増幅率が 1を上回ると正帰還と同様、この周波数で発振を開始してしまいます。 出力端子に容量をつけることで、位相の遅れが生じますから、抵抗負荷に比べて発振し易い状態になります。 発振しない程度は左の図のようにゲインが 1（0dB）の周波数の位相差（位相余裕と言います）、 または位相が 180度となる点のゲイン（ゲイン余裕と言います）で示されます。 理想的な増幅器の場合は浮遊容量や GND配線の影響がありませんが、 現実にはこれらの影響により帰還が掛かってしまいます。 このために発振がおきます。詳しくは下記資料をご参照ください。 参照資料： オペアンプの用語と特性

オペアンプのデータ・シートに「入力抵抗」が書かれていないのですが？

入力抵抗（Ω）は、データ・シートの電気的特性に記載がある入力バイアス電流（A）から単位電圧（1V）当りR=V/Iとして求められます。

uPC151の場合を例として示します。

	MIN.	TYP.	MAX.	単位
入力バイアス電流	−	80	500	nA
入力抵抗	2	12.5	−	MΩ

入力換算電圧性ノイズ(en)/入力換算電流性ノイズ(in)とは？

特にオーディオのプリアンプ等では小信号のゲインを高くとる為、本特性が重要視されます。オペアンプの中で発生するノイズにもオフセットと同様に雑音電圧と雑音電流の２種類があります。入力オフセット電圧にのるものが入力換算電圧性ノイズ、入力バイアス電流にのるものが入力換算電流性ノイズです。入力換算値なので、入力オフセット電圧と同様に増幅率倍されて出力に現れます。入力換算電流性ノイズは信号源抵抗との積により入力換算電圧性ノイズと見做され、電圧性ノイズに加算されます。従って、信号源抵抗が高くなるほど出力に出て来るノｲズは大きくなります。

(2005/09)

デュアルオペアンプの採用を検討していますが、各チャネル間の(電気的特性の)ペアー性はどのようなものでしょうか。

一般にデュアルオペアンプの電気的特性のペアー性を問題とするのは、入力オフセット(V,I)です。入力オフセットの発生要因は入力作動段の素子のばらつきによります。入力オフセット電圧のばらつきはデータシートの電気的特性に記載しています。

(2005/12)

推奨動作条件に負荷容量(CL)が記載されています。これはパッケージ内に複数チャネル(４チャネル、２チャネル)内蔵する場合、その内の１チャネルに適用されるのですか？

〔例：uPC842〕
推奨動作条件

はい、一つのパッケージに内蔵される複数チャネル中の１チャネルに対し適用します。

(2006/04)

uPC4558の出力電流はどの程度流すことができますか？

uPC4558は出力電流を規定していません。その代わりに、uPC4558のデータシートの特性曲線に参考値としてVo-R_L特性を記載しております。お客様の負荷抵抗(R_L)に対応した出力電圧(Vo)から逆算し電流値を求め参考として下さい。

(2006/06)

uPC844：データシートの「使用上の注意事項」に「本ICは出力電圧がV⁻＋0.7V以下では出力電流吸い込み動作をしなくなります」とあります。これはどの様な理由によるものですか？

データシートの等価回路における出力段トランジスタ：Q20はエミッタフォロワ構成となっています。本回路が動作する為にはQ20のエミッタとベース間電圧が動作するに必要なオン電圧の約0.7Vを与える必要があります。この為、結果として出力電圧の制御可能範囲はおよそ0.7V以上となり、オペアンプ自身で0.7V以下の出力電圧を出すことが出来ないこととなります。


尚、参考データとして「Vo−IoSINK特性」をデータシートに掲載しています。

(2006/07)

オペアンプUPC324の出力を短絡した場合、出力電流は制限されるのでしょうか
また短絡状態が維持された場合、品質的ストレスは加えられるのでしょうか

UPC324は出力短絡保護回路を内蔵しています。従って出力電流は下図の様な制限を受けます(下図は参考用として取扱いを願います)。

■V^＋へ短絡


上図のT_A＝＋２５℃の曲線にてI_O　SINKは３０ｍA程度に制限されています。

■V⁻（GND）へ短絡


上図のT_A＝＋２５℃の曲線にてI_O　SOURCEは５０ｍA程度に制限されています。

尚、「短絡状態が維持されたまま」でも絶対最大定格に記述する「全損失：P_T」を瞬時たりとも超えなければ品質的ストレス印加とはなりません。絶対最大定格(含：注４/５/６)を参照願います。

(2008/02)

２電源のオペアンプを単電源で使えますか？

ほとんどのオペアンプは単電源でも使えますが、GND入力、GND出力ができないので、入力にバイアスをもたせる必要があります。また、入力と出力の電圧範囲に制限があります。
入力トランジスタの形式によって、入力電圧の範囲が変わります。利用可能な電圧範囲を「同相入力電圧」に記載しています。製品ごとに、データ・シートでご確認ください。なお、規格は2電源で記載しています。

単電源オペアンプを両電源オペアンプとして使用することは可能ですか？

使用は可能です。ご使用に際しては電源電圧範囲、同相入力電圧範囲をご確認下さい。

(2006/06)

複数チャネル内蔵で、使用しないオペアンプの処理は？

入力端子をオープンのままにしても破壊はしませんが、空チャネルの動作が不安定となって、IC内部のバランスがくずれる可能性があります^注。このため、入力端子はボルテージ・フォロワとして、＋入力を同相入力電圧範囲内（たとえばGND）の電位に接続してください。



ただし、uPC4556の場合には、増幅率10倍以上の増幅回路にする必要があります。




尚、空端子処理方法は電源供給形態に依りません。具体例を用いて説明します。

〔具体例〕
単電源オペアンプ：UPC324を使用する際に下記の電源供給形態が設定できます。



この様に電源供給形態が異なったとしても推奨接続例：ボルテージ・フォロワを用いて空端子の処理を行います。この際、＋入力端子は同相入力電圧範囲内の電位に設定する必要があります。

〔推奨接続例〕


■関連FAQ

• オペアンプ/コンパレータ>相違点と共通事項：使用しないオペアンプ、コンパレータに対する空端子処理方法が両者では異なります。どのような理由に依るのでしょうか？

(2007/01)

デュアルオペアンプ(uPC4560)を使用しますが、１チャネルを使用しません。この際、V^±＝±15Vで空チャネルの±入力端子を0Vに接続し、出力端子をオープンとする処理を予定しています。
この様な接続法で、どの様な問題が生じますか？

出力を入力に戻さないこの様な接続方法では利得が非常に大きい値となります。この状態で例えば入力オフセット(V_IO)等の小さな変化でも出力がHレベルもしくはLレベルへと振切れる動作をします。このV_IOは動作周囲温度（T_A）の変化に伴い変化します〔uPC4560データシート掲載の特性曲線：V_IO−T_Aを以下に示します〕。これは下図においてV_IOが０Vを横切ることで出力変化が生じることを示します。この出力変化に依る影響が使用チャネルに対し考えられます。
空チャネルに対しては推奨処理方法（ボルテージ・フォロア)によるご検討をお願いします。

〔V_IO−T_A特性〕


■関連FAQ

• オペアンプ>応用：複数チャネル内蔵で、使用しないオペアンプの処理は？

(2007/02)

オペアンプはコンパレータとして使えますか?

使えますが、次の2点にご注意ください。

• 位相補正コンデンサを内蔵しているのでスピードが遅い。
• 出力レベルがディジタル・インタフェースに適していない。

単電源用のオペアンプを使っていますが、出力電圧が 1V以下になりません。

単電源でご利用の場合は出力電圧が 1V以下になりません。
ゼロボルト付近の出力が必要な場合は、出力端子と GNDの間に抵抗（2〜5kΩ） を入れてプルダウンすることで低い電圧での特性を改善できます。
これは出力トランジスタの飽和電圧によって生ずる特性です。
ゼロボルト付近の信号を扱う場合はプラス・マイナスの 2電源必要となります。
マイナス側の電源（単電源の場合はグランド電位）から概ね 0.6V〜1.5V 程度が最低の出力電圧となります。
この電圧以下では出力インピーダンスが極めて大きな値となっていますのでご注意ください。

単電源のオペアンプを同相入力電圧で使用すると、出力電圧は0Vになりますか。

いいえ、0V出力にはならず、電源の1/2程度の電圧を出力します。
このため、0V出力が必要であれば、２電源用のオペアンプで、出力を±電源のセンタとしてください。

uPC358で音声信号の増幅をしたところ、出力にクロスオーバ歪みが出ます。

はい、おっしゃるとおりです。
クロスオーバ歪みが問題となる場合は uPC1458や、オーディオ用の uPC4572など、 またはクロスオーバの出ない uPC4742などをご利用ください。

超低ノイズ広帯域デュアルオペアンプ(uPC4570)の推奨電源電圧は±4V〜±16Vですが、単電源で使用の場合、電源電圧推奨値は4V〜16Vと解釈してよいですか？
また、単電源＋5Vでの使用も問題ないですか？

単電源での電源電圧範囲は8〜32Vとなります。従って5Vでのご使用は出来ません。

(2005/12)

2つのオペアンプをボルテージフォロワーとし、並列に接続し使用したいのですが、問題が有りますか？

2つを並列接続した場合、以下の理由から安定した動作は期待できません。ご使用はお止め下さい。本ご使用法ではボルテージフォロワー出力に(2つのオペアンプへの入力電圧が同じとしても)オフセット電圧による電位差が両オペアンプ間に存在します(この電位差を抵抗が0Ωにて結ぶこととなります)。この状態では電圧が高い方は電圧を高めようと、一方低い方は電圧を下げようと電流を吸い込む動作となり入力電圧が変化しても追従せず動作は安定しません。

(2006/07)