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第４章 アナログ回路（オペアンプ）

アナログ回路とは：時間的に連続変化する信号を扱う電子回路のことである．

アナログ回路には，増幅回路，発振回路，加算回路，減算回路，微分回路，積分回路などがある．一般に，トランジスタを中心に抵抗，インダクタンス（コイル），キャパシタンス（コンデンサ）などを用いて，いろいろな電子回路が作られる．

この章では，トランジスタなどから作った集積回路であるオペアンプを用いて，アナログ回路の簡単な設計方法を学習する．

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４－１ 理想的演算増幅器

演算増幅器は，アナログ回路における演算用（四則演算，微分，積分など）のため，トランジスタなどから作られた集積回路であり，性能の高い直流増幅器である．一般に，オペアンプ（OP，Operation amplifier）という．

オペアンプを用いてアナログ回路が簡単に作られる．

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オペアンプの構成

V+，V－は電源で，一般にV+に+15V， V－に－15Vに接続する．

入力端子vi+とvi

－は２つあり， vi+ に入力するとき，

出力voの位相は同じ， vi－に入力するとき，出力voの

位相は反転となる．

vo=A(vi+－vi

-)Aを電圧増幅度という．

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オペアンプの性質vi

+ = 0のとき

vo= － Avi-

入力と出力の極性が反転（逆位相）である．

vi－= 0のとき

vo= Avi+

入力と出力の極性が同じ（同位相）である．

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オペアンプの性質入力インピーダンス

オフセット電圧

入力電流

出力インピーダンス

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理想オペアンプ（１）Zin=∞，Ii

＋=Ii－＝0，

Vio=0

（２） Zout=0

（３）電圧増幅度A=∞

（４）入出力間に応答時間が0である（瞬時処理）

以上の4つ条件を仮定したオペアンプを理想オペアンプという．今後，理想オペアンプを使うことにする．

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■理想オペアンプを使う．■vi+=0とする．

４－２ 反転増幅器

入力と出力関係−−= i

Av

RRv 0

0

■増幅率はR0とRAの比で決

められるので，非常に便利である．

■入力の極性と出力の極性は反対であるので，要注意．

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４－３ 非反転増幅器

入力と出力関係+

+= i

Av

RRv 0

0 1

■増幅率はR0とRAの比

で決められるので，非常に便利である．

■入力の極性と出力の極性は同一である．

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オフセット電圧とは，入力電圧がなくても，微小な電圧が出力されることである．一般に温度，電磁干渉，電源電圧の不安定などの原因で発生する．これの存在はオペアンプの精度が大きく損なわれる．

４－４ オフセットの調整

この回路で打ち消されることができる．また，オペアンプにオフセット調整端子（可変抵抗器）が付いている．入力が０のとき，出力も０であるように調整すればよい．

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４－５ 加算回路 ■n個の入力電圧があって，それらの和を演算する回路を加算回路という．

■反転増幅器と同じ原理で実現される．

■入力電圧にそれぞれのR0/Riを

かけて，総和が得られる．

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例題：オペアンプによる加算回路

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加算回路 反転増幅回路

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４－６ 加減算回路

加算部分

減算部分

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減算回路

( )−+ −= iiA

vvRRv 0

0

■出力はvi+とvi

-の

差からなり，その倍率は R0/RAで調整

できる．

■理論回路であり，実際に加減算回路を用いる場合が多い．

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補充：乗算と除算回路乗算回路の基本は，反転増幅回路である．

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補充：乗算と除算回路除算回路の基本は，反転増幅回路である．

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４－７ 前段回路との接合

■前段回路がある場，オペアンプ反転増幅器のR0とRAの選び方を考える．結果：RA=RS（なぜか？後で論述）になり，R0は出力関係v0=-(R0/RA)viの要求により

求められる．

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４－７ 前段回路との接合

■RA=RSであるか

の理由を説明する．

■インピーダンス接合とは， RA=RSのとき，最大に効率で前段回路の信号をオペアンプ増幅器に伝える．

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４－８ 電圧ホロワ回路前段回路のRSが非

常に大きい場合，インピーダンス整合のための，大きなRAが

入手できない．

v0=vi+，その入力イン

ピーダンスはオペアンプの入力インピーダンス（∞と仮定）となる．大きなRSに対応でき

る点が利用される．

電圧ホロワ回路

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４－８ 電圧ホロワ回路

電圧ホロワ回路を使うことにより，前段回路とオペアンプ回路とのインピーダンス接合がうまくできる．結局：v0=-Avs，前段の高インピーダンスの影響を克服

できる．

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４－９ 微分回路

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４－９ 積分回路

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４－１０ 差動増幅回路

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演習問題

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演習問題

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演習問題

（４）次の回路の入力電圧と出力電圧の関係を求めよ．

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演習問題（５）次の回路の入力電圧と出力電圧関係を求めよ．ただし，数学の微分と積分記号を使ってもよい．