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５－１　オペアンプの基本動作

■学習概要
　ここでは，オペアンプの基本事項と基本動作を学ぶ。


■オペアンプの基本事項
　オペアンプは，数mm程度のシリコンチップ上に集積化された増幅器で，演算増幅器とも呼ばれる。

●回路記号と端子名
図1(a)は，電源端子を含んだオペアンプの回路記号である。IN+が非反転入力端子，IN－が反転入力端子，OUTが出力端子である。オペアンプは動作させるのに電源を必要とし，V+が電源のプラス端子，V－が電源のマイナス端子である。図(b)は電源端子が省略された回路記号である。

●外観
　図2は，オペアンプの外観である。図(a)がディスクリートパッケージ，図(b)が表面実装パッケージである。パッケージより8ピンの端子が出ており，パッケージに付けられたくぼみや丸印がマークの箇所である。

●パッケージ内のピン配置
図3はオペアンプ（品名LM358）のピン配置である。各ピンには1～8の番号が割り付けられる。マークの下のピンが1番である。LM358は2個入りのオペアンプであり，パッケージ内に同じ特性のオペアンプが2つ入る。

●内部回路
図4は，LM358の内部回路である。オペアンプは，NPN/PNPトランジスタと抵抗，小容量のコンデンサで構成される。内部回路は作動増幅回路（入力部）やカレントミラー回路（定電流源部）など，集積回路（IC）特有の回路で構成される。


■オペアンプを用いる利点と欠点
●オペアンプを用いることの利点を以下に示す。
・理想アンプ：オペアンプは「高ゲイン」，「高入力インピーダンス」，「低出力インピーダンス」という理想的なアンプ特性を持つため，回路を設計しやすく，希望する性能を得やすい。
・低消費電流：回路の消費電流を少なくすることができる。
・小形：同等の性能の回路を製作した場合，トランジスタ回路と比較すると小形にすることができる。
・高信頼性：モールドされたパッケージ内に検査済みの回路が収められているため，信頼性が高く壊れにくい。
・多くの種類：低消費電力用，低ノイズ用，低電圧動作用など，用途に応じた多くの種類のオペアンプがメーカより用意されている。

●欠点は次の通りである。
　・周波数特性：トランジスタより使用できる周波数が低い。
　・価格：トランジスタよりも高い

■オペアンプの基本特性
●等価モデル
図5がオペアンプの等価モデルである。入力インピーダンスZiは高く，出力インピーダンZoは低く，増幅度A0が高い特性を持つ。理想的なオペアンプ（理想オペアンプ）の各パラメータは，Zi=∞，Zo=0，A0=∞である。

●動作
入力電圧（VIN+,VIN－）と出力電圧Voの関係は，次の通りである。
Vo=（VIN+－VIN－）A0 (1)
出力電圧Voは，式(1)で計算するとVIN+>VIN－の時∞であり，VIN+＜VIN－の時－∞である。

●出力動作範囲
図6にオペアンプの出力動作範囲が示される。図6(a)は，理想オペアンプの出力動作範囲は制限がなく，－∞～∞である。図6(b)は，実際のオペアンプの出力電圧である。最大出力電圧は，電源電圧によって制限され，上限値VO+と下限値VO－でクリップする。VO+とVO－の値は次の通りである。
VO+=VCC－Va，　　　VO－=－VCC+Vb
ここでVa, Vbは，0～1.5(V)であり，オペアンプによって異なる。特にVa=Vb=0のオペアンプはレールツーレールのオペアンプと呼ばれ，その出力動作範囲は，―VCC～VCCである。
本書では分かりやすくするために，この後のオペアンプはレールツーレールのオペアンプが使われるものとする。