オペアンプ基礎講座 ～種類や特性について詳しく解説！～

オペアンプの原理

• オペアンプは電源端子以外に、2つの入力端子と1つの出力端子を持っています。

  これらの2つの入力端子の一つは、「IN⁺」や、「+入力」、「非反転入力」などと呼ばれ、もう片方は「IN^-」や「-入力」、「反転入力」などと呼ばれます。

  オペアンプの一番基本的な動作原理は、この2つの入力端子間の電圧差を増幅して出力するというものです。

  具体的には、IN⁺とIN^-の２つの端子に与えられた電圧の差をオペアンプの内部で増幅して出力します。

  その増幅度合いのことを、増幅率や、ゲイン、利得（Av）などといいます。関係式は図のようになります。図中の増幅率は通常オペアンプそのものの特性によって決まり、オープンループゲイン^*とも呼ばれます。

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Open Loop (開放状態) で使用すると、出力は常に、最大 (High) か最小 (Low) に張り付くため、コンパレータのような動作をします。

*オープンループゲイン: 帰還回路が接続されていない状態でのオペアンプの直流信号の利得。

オペアンプはなぜ必要？

• そもそもオペアンプはなぜ必要なのでしょうか？

  私たちが生活している周りには、多くのアナログ信号が存在しています。そのアナログ信号を、私たち人間は、直に感じ取ったり、体感することができます。そして、私たちは、これら自然界のアナログ信号を、センサーで読み取り、より良い生活のために、活用しています。

• アナログ信号をセンサー等で読み取る

一方で、私たちは現在、コンピュータやスマートフォンなど、多くのデジタル信号を扱う機器を使っています。

• デジタル信号は、連続した途切れのないアナログ信号と違い、信号を符号として表現できるため、ノイズや誤差に強く、また、圧縮/拡張ができるため、情報の加工性に優れている、というメリットがあります。

  ただ、自然界の情報のほとんどは、アナログ信号です。よって、デジタル機器を使う場合、そこに入力されるアナログ信号はデジタル信号へ変換する必要があります。

• アナログは線のように連続した値で、
  デジタルは点のように離れた (離散的な)値

また、前述の"自然界のアナログ情報を読み込むセンサー"から出る出力信号 (アナログ) のほとんどは、低電力です。

このセンサーの信号をデジタル信号に直接置き換えると、信号が歪んでしまいます。またノイズが乗っていたり、逆に信号が大きすぎる場合もあります。

それら歪んだ信号 (所望の状態ではない信号) を利用して計算すると設計通りの動作を期待できません。

そこで、オペアンプの出番です。

センサーから出力された信号を、オペアンプを使って適切な大きさで、歪みが少ない信号にしてから、A/Dコンバータを使ってデジタル信号に置き換える事で設計通りの期待された動作をすることが可能になります。

なお、これはデジタルからアナログに変換する場合も同じです。

デジタル機器から出力する信号は、"0"と"1"が連続したデジタル信号なので、これを人間が理解できる信号にするには、D/Aコンバータを使って、アナログ信号に変換が必要です。
そのデジタルから、アナログに変換する際にも、オペアンプが使われることがあります。

以下はカラオケ機器の一例です。マイクから入力された声と、楽器の演奏とが重なったものが1つの音楽となり、スピーカーから出力されて私達の耳に入ってきます。

オペアンプの機能

オペアンプの機能には、どのようなものがあるのでしょうか？

代表的なものを4つ記載します。 (画像はイメージ)

• 増幅: 小さな入力信号を大きくして出力する。 (小さな振幅を大きな振幅にする)

• 信号の振幅を増幅

• フィルタリング: 入力された信号から不要な信号を取り除いて、必要な信号だけを出力する。

• 不要な信号を除去

• 比較: 2つの電圧を比較する。 (コンパレータのような動作)

• ２つの信号レベルを比較

• バッファリング: 電流量の小さいセンサーの信号などを、オペアンプを通して電力量を強化する。

• 電流能力を上げる

次にオペアンプの特徴について述べていきましょう。

オペアンプの特徴

増幅率 (ゲイン) が高い

• オペアンプの特徴として、非常に高い増幅率（ゲイン）があります。

  オペアンプの増幅率は通常、数十万から数百万に及ぶと言われています。これは非常に微弱な入力信号でもそれを大幅に増幅して出力できることを意味します。

  この高い増幅率があるために、オペアンプはさまざまな用途で使用されます。

  例えば、オーディオ機器で微弱な音声信号を増幅したり、センサーから取得した微弱な信号を増幅して読み取りやすくしたりします。

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入力インピーダンスが高い

• オペアンプは非常に高い入力インピーダンス^*を持っています。

  *インピーダンス: 電流の流れを妨げる抵抗

  装置や回路のインピーダンスが高いほど、その装置や回路に流れ込む電流の量は少なくなります。

  オペアンプが高い入力インピーダンスを持つということは、そのオペアンプの入力端子に電流がほとんど流れ込まないということを意味します。

  この特性により、オペアンプはその前段の信号源 (図で言えばセンサー) の信号を歪みなく増幅することが可能となります。
  要するに信号源が不必要なエネルギーを浪費すること無く、その信号をさらに回路の他の部分へ効果的に伝達できるという利点があります。

• 高入力インピーダンス

オペアンプの入力段に電流が流れ込まないので、センサーなどの機器は電流能力が低くてもOK。

NJM4558の場合、5MΩ(typ.)

出力インピーダンスが低い

• オペアンプは、出力インピーダンスが低いという特徴があります。それはオペアンプが多くの電流を効果的に供給できることを意味します。

  出力インピーダンスが低いと、出力端子からの電流の供給は、接続された負荷の大きさによって影響を受けないため、信号が歪むことなく、後段の負荷に送られます。
  すなわち、オペアンプが負荷に直接多くの電流を供給できるため、信号の精度を維持しながらさまざまな負荷に対して電力を供給できるようになります。

• 低出力インピーダンス

NJMOP177の場合、60Ω(typ.)

また、オペアンプには特有の概念がいくつかあります。

理想オペアンプとは

理想オペアンプは、二つの入力ピンの電圧差を無限大に増幅します。前述した増幅率が無限大∞ということです。 また、出力インピーダンスは、ゼロとなり、入力インピーダンスは、無限大です。

オペアンプを使った回路を設計する際に理想オペアンプの概念を理解しておくことで、回路の動作原理の理解が容易になります。

回路の初期設計段階では、理想的なオペアンプの特性（無限の帯域幅や増幅率、非常に高い入力インピーダンスなど）を基にした設計を行い、その後現実的なパラメータに基づいて調整を行うことが多いです。

また、理想的なオペアンプの特性を知っていると、設計した回路が期待通りの動作をしない場合に、問題を見つけ出しやすくなり、現実の特性と理想的な特性との違いを分析することで、問題の原因を特定しやすくなります。

バーチャルショート (イマジナリーショート) とは

オペアンプについて調べたとき、バーチャルショート^*という言葉が出てくると思います。
このバーチャルショートもオペアンプを理解する上で非常に重要な概念です。

*バーチャルショートとは仮想短絡のことで、イマージナリショートとも言います。

バーチャルショートは、文字通り、仮想的 (Virtual) に短絡 (Short) している、という意味で、オペアンプの入力端子、＋入力 (非反転入力端子) と、-入力 (反転入力端子) が、実際に繋がっていないのに、同電位になることで、あたかも入力同士がショートしている状態に見えることを表しています。

オペアンプを使った回路設計においては、このバーチャルショートという概念を理解しておくことは重要です。

オペアンプの使い方

オペアンプは私たちの生活のどのような部分で使われているのでしょう。

オペアンプは主にセンサー信号/音声信号の増幅や電力の数値化に使用されます。身近な生活まわりで言うと以下のようなものがあります。

オペアンプの種類

オペアンプにはたくさんの種類があり、その分類方法も様々です。

• プロセスによる分類
  [バイポーラプロセス] 入力インピーダンスが低い 耐圧が高い 低周波ノイズが小さい 消費電流が大きい *CMOSプロセスに比べて
  [CMOSプロセス] 入力インピーダンスが高い 耐圧が低い 低周波ノイズが大きい 消費電流が小さい *バイポーラプロセスに比べて

• 入出力段の構成による分類
  [両電源(dual)] 歪み率が少ない
  [単電源(single)] 出力フルスイング (出力Rail-to-Rail) 入出力フルスイング (入出力Rail-to-Rail)

• 特性による分類
  [高精度] オフセット電圧が小さい
  [高速高帯域] スルーレート/GBWが大きい
  [低消費] 消費電流が小さい
  [高出力] 出力電流が大きい
  [ローノイズ] 入力換算雑音電圧が小さい

• 特性による分類
  [高耐圧] 電源電圧の定格が大きい
  [低電圧動作] ICの最低動作電圧が低い
  [小型パッケージ]
  [車載用途]
  [高EMI耐性] 高周波ノイズに耐性がある