反転オペアンプ
信号を増幅して反転する
Op ampはoperational amplifier、演算増幅器の略です。電源を使って2入力の差を増幅します。負帰還は出力を差し引く入力へ戻します。反転は符号を変えること。利得は出力電圧/入力電圧。クリッピングは要求出力が電源限界を超えて切り取られることです。 Avは線形電圧利得で、単位V/Vはクリッピング前の入力1ボルトあたりの出力ボルト数です。
実験台
回路の設定を変え、測定値を予想してから課題を確認しましょう。教材用のモデルで、各レッスンに仮定を説明しています。
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動作のしくみ
理想電源+5 Vと−5 Vで、出力を両電源電圧に制限。帯域、速度、電流限界を省略。実際の部品には別の限界があり、実機試験済みモデルではありません。
要求Vout = −Vin × Rf/Rin。Vinは入力、Rfは帰還抵抗、Rinは入力抵抗。線形負帰還では差し引く入力は約0 V：仮想接地で、接地への配線ではありません。クリッピング時はこの近似が成り立ちません。 入力電流計はRinを流れる信号源の電流です。理想オペアンプ端子に入る電流はゼロです。クリッピング時は実際のVoutを使い、Iin = (Vin − Vout)/(Rin + Rf)です。
難易度
組み立て · 観察しよう
入力+1 V、入力抵抗10 kΩ、帰還20 kΩで電源オン。出力−2 Vを読もう。
ヒントを見る
+1 V; Rin 10 kΩ; Rf 20 kΩ → −2 V
探究 · 調整しよう
入力+0.5 Vで、クリッピングなしの出力−1.9〜−2.1 Vにしよう。
ヒントを見る
+0.5 V; Rin 10 kΩ; Rf 40 kΩ → −2 V
自力で解く · 限界を探そう
入力+1 Vで要求利得の絶対値が6以上になる抵抗を選ぼう。出力が−5 Vに制限される様子を見よう。
ヒントを見る
+1 V; Rin 5 kΩ; Rf 30 kΩ → 要求値 −6 V, 実際値 −5 V
追加の読み物と回路レシピ
信号を増幅して反転する
役立つつながり
両抵抗を2倍にすると利得は同じですが、線形動作中の入力電流は半分になります。
意外な発見
出力のエネルギーはアンプの電源から来ます。抵抗は利得を決めますが、そのエネルギーを供給しません。
避けたい落とし穴
仮想接地には適切な線形負帰還が必要です。クリッピングしたアンプは差し引く入力を0 Vに保てません。
Rfが2倍、Rinは同じ、クリッピングなし。利得の絶対値は…
- 半分になる
- 2倍になる
- 変わらない
詳しく読む
絶対値はRf/Rinなので、Rfだけ2倍にすると2倍です。