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+ ────┤+     │
         └──────┘

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

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

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

一般的なモデル

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

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