オペアンプは、主に電圧信号を増幅するために使用される高利得電子部品です。これは差動アンプであり、出力は 2 つの入力 (正 + と負 -) 間の電圧差に依存します。オペアンプは高利得の特性を持っています。理想的な状況下では、開ループ ゲインは非常に高くなります (理論的には無限大に近い)。入力インピーダンスが高いと、入力電流がほぼ吸収され、フロントエンド回路との干渉が回避されます。出力インピーダンスが低い場合、後段回路を直接駆動することができ、2入力1出力を実現できます。出力 = ゲイン × (正の入力 - 負の入力)。
一般的なオペアンプの用途と種類
オペアンプの一般的な用途には、電圧アンプ、フィルタ (ローパス、ハイパス、バンドパス)、信号コンパレータ (コンパレータに関連)、積分器と差動、バッファ (電圧フォロワ)、アナログ計算 (加算、減算、積分など) が含まれます。一般的な回路としては、入力をインバータ端に接続して反転増幅機能を備えたインバータアンプや、入力をプラス端に接続し出力と入力を同相にした同相アンプなどがあります。ボルテージフォロワ回路では、正相入力＝出力となり、電圧増幅を行わずにインピーダンス変換を行います。
同相増幅回路の例
同相増幅回路の例
上図の同相増幅回路を例にとります。閉ループゲインは、フィードバック抵抗 Rf と分圧器 Rg によって決まります。同相アンプの入力信号と出力信号は同相です。
反転増幅回路例
反転増幅回路例
上図のインバータアンプ回路を例に挙げます。この増幅回路が理想増幅器を使用すると仮定すると、閉ループ利得は帰還抵抗 Rf と入力抵抗 Rin によって決まります。インバータアンプの入力信号と出力信号の位相差は180度です。
オペアンプを備えた調整可能なリニア安定化電源の設計
調整可能なリニア安定化電源の目的は、安定した調整可能な出力電圧を提供することであり、入力電圧や負荷が変化しても出力は安定したままになります。調整可能なリニア安定化電源の基本構造には、基準電圧源 (TL431、ツェナー ダイオード、高精度基準 IC など)、エラー アンプ (オペアンプ)、調整コンポーネント (通常はパワー BJT または MOSFET)、フィードバック抵抗分圧器ネットワーク (出力電圧の設定) が含まれます。
調整可能なリニア安定化電源回路の例
調整可能なリニア安定化電源回路の例
上図の調整可能なリニア電源回路を例にとると、この回路のコアはLM358、レギュレータダイオード、トライオード、負帰還回路で構成され、R9とD9は電圧安定化回路を構成します。 D9 の耐圧は 2.5V です。オペアンプの入力インピーダンスが高いため、多くの電流を供給するために電圧安定化ダイオードは必要ありません。このときオペアンプのIN1+は2.5Vとなります。オペアンプ、三極管、R12、RP3 は負帰還ループを形成します。計算された電圧範囲は 2.5V ～ 15V である必要があります。オペアンプの実際の電源電圧は±12Vであるため、データテーブルから、電源レールに対するオペアンプの出力振幅は1.35V～1.61Vであることがわかります。 D882 の最大 Vce 電圧は 0.5V です。 Vout の計算上の最大出力範囲は 9.89V ～ 10.15V である必要があります。したがって、実際の出力電圧範囲は 2.5 V ～ 10.15 V でなければなりません。
調整可能なリニア安定化電源回路を設計する際には、基準電圧の安定性に注意を払う必要があります。温度ドリフトが低く、安定性の高い基準源 (TL431 または LM4040 など) を使用する必要があります。オペアンプのタイプを選択する場合、出力電圧範囲は出力端 (レールツーレール) をカバーし、低オフセット電圧と低ドリフト特性を備えている必要があります。パワーコンポーネントのタイプを選択するときは、放熱と安全な動作範囲を確保するために、出力電流に応じて適切な BJT または MOSFET を選択する必要があります。熱保護と安定性にも注意を払う必要があります。大電流の場合は、ヒートシンクを使用し、発振を避けるために RC 補償を考慮する必要があります。帰還インピーダンスの設定については、安定性と耐ノイズ性を向上させるために、R1 および R2 の抵抗値が高くなりすぎること (数 k Ω の範囲内を推奨) を避けてください。入力電圧は最大出力電圧 + VCE (飽和電圧降下) または Vds (MOSFET) よりも高い必要があります。過電流保護機能を実現するために、電流サンプリング抵抗と 2 次コンパレータを追加できます。
この設計は、出力電圧の微調整、パワートランジスタの高発熱、低効率（線形特性）、低ノイズ、高速応答の特徴を持ち、入力電圧が出力電圧よりも高い状況にのみ適用可能であり、構造が簡単で集積が容易で、高電力アプリケーションには保護機構と良好な放熱が必要です。