電験3種WebHandMade[過去問・解答・重点学習]

演算増幅器(オペアンプ)


演算増幅器(オペアンプ)とは、二つの入力端子に加えられた信号の差動成分を非常に高い利得で増幅することができるワンチップ化された増幅器のことである。





演算増幅器をそのまま使用すると増幅度が大きすぎるので、抵抗器を用いて負帰還をかけて、必要な増幅度に設定する





1.理想演算増幅器


理想的な演算増幅器は下記(1)〜(4)の特性を持つものである。


(1) 入力インピーダンス Zi=∞

演算増幅器に電流が流れ込まない。


(2) 出力インピーダンス Z0=0

電圧降下が発生しないので、増幅した信号をそのまま出力できる。


(3) 電圧増幅度 AV=∞

負帰還のときの仮想短絡により、増幅器の動作が安定する。


(4) 周波数特性 f=0〜∞

直流信号から交流信号まで増幅できる。



現実の演算増幅器は、複数の電子回路を組み合わせることにより理想演算増幅器の特性に近づけている。
また、上述(1)〜(4)の理想演算増幅器の特性を表す等価回路は下図1のように書くことができる。






2.仮想短絡(イマジナルショート)


下図2のような理想演算増幅器に負帰還をかけた増幅回路を考える。




上図1の理想演算増幅器の等価回路の出力電圧v0=AVv
の式から、差動電圧vは下式(1)となる。




ここで、上式(1)の出力電圧v0は負帰還をかけているので有限の値である。
よって、電圧増幅度はAV=∞から差動電圧v=0となるので、下図3のように反転入力端子(−)と非反転入力端子(+)が短絡しているものと見なすことができる。





この状態を仮想短絡(イマジナルショート)と呼び、演算増幅器に負帰還をかけたときの計算を簡単に行うことができるようになる。



例題1


下図のような理想演算増幅器を用いた直流増幅回路がある。
入力電圧Vi1[V]のときの出力電圧V0[V]の値を求めよ。








例題2


下図のような理想演算増幅器を用いた直流増幅回路がある。
入力電圧Vi=4[V]のときの出力電圧V0[V]の値を求めよ。








例題3


下図のような理想演算増幅器を用いた直流増幅回路がある。
入力電圧Vi=2[V]のときの出力電圧V0[V]の値を求めよ。