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title: オペアンプ (Op-Amp)
url: https://doc.liz6.com/ja/hardware/04-analog-circuits/02-operational-amplifier-op-amp
locale: ja
area: hardware
tags:
- hardware
- analog-circuits
date: 2026-06-30
modified: 2026-07-16
description: オペアンプ (Op-Amp) 基本概念 演算増幅器（オペアンプ） — 高利得差動増幅器。当初はアナログコンピュータでの数学演算（加算、積分など）のために使用され、現在では最も汎用性の高いアナログICです。 --- 理想オペアンプの特性 2つの黄金法則 理想 vs 実際 | パラメータ | 理想 | 実際 (LM358)…
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# オペアンプ (Op-Amp)

## 基本概念

**演算増幅器（オペアンプ）** — 高利得差動増幅器。当初はアナログコンピュータでの数学演算（加算、積分など）のために使用され、現在では最も汎用性の高いアナログICです。

```
記号:
      V+  ──┤+        ┌── Vout
             │  ────
      V-  ──┤- 

または:
         ┌──────┐
  V- ────┤-     │
         │   ───┼── Vout
  V+ ────┤+     │
         └──────┘
```

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## 理想オペアンプの特性

### 2つの黄金法則
```
1. 入力端子には電流が流れない:  Iin+ = Iin- = 0
   (入力インピーダンス = ∞)

2. バージョナルショート (Virtual Short):
   負帰還がかかっている場合、V+ = V-
   (開放利得 Ao = ∞ であり、差動電圧を → 0 に強制する)
```

### 理想 vs 実際
| パラメータ | 理想 | 実際 (LM358) | 実際 (NE5532) |
|------|------|-------------|---------------|
| 開放利得 Ao | ∞ | 100dB | 100dB |
| 入力インピーダンス Rin | ∞ | 1MΩ | 300kΩ |
| 出力インピーダンス Rout | 0 | 数十Ω | 0.5Ω |
| 帯域幅 BW | ∞ | 1MHz (GBW) | 10MHz |
| 入力バイアス電流 | 0 | 45nA | 200nA |
| 入力オフセット電圧 | 0 | 2mV | 0.5mV |

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## 基本回路

### 反相増幅器
```
        Rf
    ┌──┤├─────┐
    │         │
Rin │    ┌────┤
Vin─┤├───┤-   │
         │ ───┼── Vout
GND ─────┤+   │
         └────┘

Av = -Rf / Rin
Rin_eff = Rin  (入力インピーダンス = Rin)

例: Rin=10k, Rf=100k → Av = -10
```

### 同相増幅器
```
    ┌──────────┐
    │    ┌─────┤
Vin─┼────┤+    │
    │    │ ───┼── Vout
    │    ├-    │
    │   ┌┴┐   │
    │   │R2   │
    │   └┬┘   │
    │    ├────┘
    │   ┌┴┐
    │   │R1
    │   └┬┘
    │    │
   GND  GND

Av = 1 + R2/R1
Rin = オペアンプの入力インピーダンス (非常に高く、MΩ級)
```

### バッファ (電位従順器)
```
Vin ────┤+ 
         │ ───┬── Vout
         ├-    │
         └─────┘

Av = 1 (Vout = Vin)
用途: インピーダンス変換 — 高インピーダンス源を低インピーダンス負荷に駆動
```

### 差動増幅器
```
          R2
    ┌───┤├─────┐
    │          │
R1  │    ┌─────┤
V1─┤├────┤-    │
         │ ───┼── Vout
V2─┤├────┤+    │
    R3   └─────┘
    │
    R4
    │
   GND

R1=R3, R2=R4 の場合:
Vout = (R2/R1) × (V2 - V1)

これは計装増幅器の基礎となります
```

### インテグレータ (積分器)
```
         C
    ┌────┤├────┐
    │          │
    R    ┌─────┤
Vin─┤├───┤-    │
         │ ───┼── Vout
GND ─────┤+    │
         └─────┘

Vout = -(1/RC) × ∫Vin dt

用途: 波形生成、ランプ発生器、PID制御
```

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## 非理想特性

### 入力オフセット電圧 (Vos)
```
オペアンプの入力端子を短絡しても、出力がゼロにならない。
入力端子に微小な電圧源（数mV程度）が接続されているものと同等。

影響: 高利得回路では出力が飽和する
対策: 低VOSオペアンプの選択、またはゼロ調整回路の使用
```

### スルーレート (Slew Rate)
```
出力が変化できる最大速度 (V/μs)

SR = dVout/dt(max)

信号の変化がSRより速い場合 → 波形の歪み（三角波化）
例: LM358 SR=0.5V/μs → 20kHz正弦波の最大振幅 = SR/(2πf) = 4Vpp
    NE5532 SR=9V/μs → オーディオ用途には十分
```

### ゲイン・バンド幅積 (GBW)
```
GBW = 開放利得 × 帯域幅 (一定)

例: LM358 GBW=1MHz
    Av=100の場合 → BW = GBW/Av = 10kHz
    Av=1 の場合 → BW = 1MHz

利得が高いほど、帯域幅は狭くなる!
```

### 入力・出力電圧範囲
```
旧式オペアンプ (LM358): 出力は Vcc-1.5V までしか届かない
レール・ツー・レール (RRIO): 入力と出力の両方が電源レールまで到達可能
  要件に応じて選択すること
```

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## 一般的なモデル

| モデル | チャンネル | 特徴 | 用途 |
|------|------|------|------|
| LM358 | デュアル | 安価、単電源、低速 | 汎用低速 |
| TL072 | デュアル | JFET入力、低ノイズ | オーディオ |
| NE5532 | デュアル | 極低ノイズ、駆動力強 | プロフェッショナルオーディオ |
| LM324 | クアッド | LM358の4チャンネル版 | 多チャンネル低速 |
| OPA2134 | デュアル | ハイレゾオーディオ | HiFi |
| MCP6002 | デュアル | RRIO、低消費電力 | バッテリ駆動 |

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## 使用上の注意

1. **電源デカップリング**: 電源ピン近くに0.1μFのセラミックコンデンサを取り付ける
2. **入力コモンモード範囲**: 許容範囲を超えないようにする
3. **浮遊入力の回避**: 未使用のオペアンプはバッファとして接続する
4. **帰還ループ**: 安定性を確保し、必要に応じて補償コンデンサを追加する
5. **単電源バイアス**: 単電源使用時は仮想グランド（通常 Vcc/2）を作成する必要がある

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*キーワード: オペアンプ, 反相増幅器, 同相増幅器, バージョナルショート, GBW, スルーレート, オフセット電圧*