【初級者向わかりやすく解説】オペアンプの使い方

回路設計



この記事でわかること

・イマジナリーショートで、オペアンプの動作が理解できる
・オペアンプ基本3回路(反転増幅・非反転増幅・差動増幅)がわかる

デジタル回路と比べ、アナログ回路が苦手な人は多いと思います。
その主な理由の一つはオペアンプだと考えています。

オペアンプが難しいと感じる最大の原因は、
フィードバック(出力が入力に戻る)がある事です。

しかし、ある1つのルールを覚えておけば、
オペアンプ回路の動作がわかるようになります。

本記事では、オペアンプの動作が理解できる
たった一つのルールと、
そのルールを用いて3つの基本回路の動作について解説します。

イマジナリーショート(仮想短絡)で動作がわかる

オペアンプを使った回路は、
以下の3種類を覚えておけば、ほぼOKです。

・反転増幅回路
・非反転増幅回路(ボルテージフォロワも これの1種)
・差動増幅回路

どの回路でも、動作を理解するには
以下のルールだけ覚えておけばOKです。

反転入力端子(-)と非反転入力端子(+)が同じ電圧になる

つまり入力と+と-がショートしたと考えます。
これをイマジナリーショート(仮想短絡)と呼びます。

上記の3回路の各動作について、
イマジナリーショートを適用して解説します。

反転増幅回路

反転増幅回路は下記の回路です。

出力Voutは以下の公式で求まります。
 Vout=-(R2/R1)×Vin

この回路は出力が反転(マイナス)するので、
オペアンプの電源が単電源(+電源だけ使用)の場合は
Voutがマイナス出力できないので、あまり使いません。

上記の式を忘れたとしても、イマジナリーショートを使えば求める事ができます。

1. -端子電圧V- = +端子電圧V+と考える
 V+=0Vなので、V-も0Vになります。

2. オペアンプの三角記号を外す
 以下のような抵抗だけの回路になります。
 先程、V+、V-だった箇所をA点とします。

3. R1、R2に流れる電流I1、I2を求める
 A点の電圧VAは0Vになるので
  I1=Vin/R1
  I2=Vout/R2

 となります。

4. キルヒホッフの法則を適用する
 A点で電流の出入りする総和はゼロになるため
  I1+I2=0
 となります。

5. 3.と4.の式を組み合わせる
 Vin/R1+Vout/R2 = 0
 式を変形すると、初めに示した公式になりました。
 Vout=-(R2/R1) × Vin



非反転増幅回路

非反転増幅回路は下記の回路です。

出力Voutは以下の公式で求まります。
 Vout=(1+R2/R1)×Vin

この回路は出力が反転しない(負電圧にならない)ので、
先程の反転増幅回路と違い、
オペアンプの電源が単電源(+電源だけ使用)でも使えるので、よく利用されます。

この回路の増幅率を1にしたものをボルテージフォロワと呼び、
出力バッファとして良く利用されます。

この非反転増幅回路の公式も、イマジナリーショートを使えば求める事ができます。

1. -端子電圧V- = +端子電圧V+と考える
 V+=Vinなので、V-もVinになります。

2. オペアンプの三角記号を外す
 以下のような抵抗だけの回路になります。
 先程、V+とV-だった箇所をA点とします。

3. R1、R2に流れる電流Iを求める
 I= V2/(R1+R2)

4. A点の電圧VA=Vinになるので、
 電流Iは、
       I=Vin/R1
 としても表現できます。

5. 3.と4.の式を組み合わせる
 Vin/R1= Vout/(R1+R2)
 式を変形すると、初めに示した公式になりました。
 Vout=(1+R2/R1) × Vin



差動増幅回路

差動増幅増幅回路は下記の回路です。

出力Voutは以下の公式で求まります。
 Vout=(R2/R1) × (Vin+ - Vin-)

この回路は2つの電圧差を増幅するので、
オペアンプで最も良く使われる回路です。

この回路の公式も、イマジナリーショートを使えば求める事ができます。

1. -端子電圧V- = +端子電圧V+と考える
 +端子電圧V+は
  V+=R2/(R1+R2) × Vin+
 となるので、-端子電圧V-も
  V-= V+= R2/(R1+R2)×Vin+
 になります。 

2. オペアンプの三角記号を外す
 以下のような抵抗だけの回路になります。
 V+、V-だった場所をA点とし、電圧Vとします。

3. R1、R2に流れる電流I1、I2を求める
 A点の電圧VAは、1.より
  VA= R2/(R1+R2)×Vin+
   になるので
  I1=(Vin- ーVA)/R1
  I2=(VoutーVA)/R2

 となります。

4. キルヒホッフの法則を適用する
 A点で電流の出入りする総和はゼロになるため
  I1+I2=0
 となります。

5. 3.と4.の式を組み合わせる
 (Vin- − VA)/R1=-(Vout-VA)/R2
 Vout=(R2/R1+1) × VA-(R2/R1) × Vin-

 VA= R2/(R1+R2) × Vin+ を代入して
 Vout= ((R1+R2)/R1 × R2/(R1+R2))Vin+-(R2/R1)×Vin-
   =(R2/R1)×Vin+-(R2/R1)×Vin-

式を変形すると、初めに示した公式になりました。
 Vout=(R2/R1) ×(Vin+ - Vin-)

以上のように、オペアンプを使った回路図を見た時に、
3つの回路を忘れてしまっていても、
イマジナリーショートさえ覚えておけば、出力電圧を求めることができます。

<オペアンプに接続する並列コンデンサについて解説しています>

<トランジスタの詳細については下記の記事で解説しています>