回路技術

オペアンプの超わかりやすい説明(コンパレータ)

回路の勉強を始めて、ちょうど7ヶ月が経ちました。

今回は、オペアンプの超わかりやすい説明を会社で教わったので、流布したいと思います。

それまでは、教科書を見て数式から特性を出したりしたのですが、数式的に導き出せても、実感としてよくわからなかったのです。

よくある、反転増幅回路と非反転増幅回路などの勉強をやった直後はさておき、時間が経つとどっちがどっちかぱっと見区別がつかないとか、よくあります。(自分だけなのか気になります)

さらには、初心者の僕は、まず端子がいくつもある時点で意味不明でした。

これらを解決するため、僕が聞いた説明を我々初心者で共有したいと思います。
まずは、オペアンプの基礎はコンパレータ(比較器)であるという考え方を提示していきます。
後々、これを応用すると、反転増幅等の回路の説明も出来ますので、まずはこの考え方を習得すると良いと思います。
少なくとも僕は、オペアンプに対する考え方の理解がだいぶ進みました。

オペアンプの振る舞いの超わかりやすい説明

オペアンプの5つの端子について

はじめに、オペアンプは増幅する素子ではなく、二入力の大小を比較する素子であるということを頭に入れておいてください。
大小を比較するために、二つの入力端子があります。
そして比較してオペアンプの内部に通した結果を出力に出します。

この比較する端子と出力端子のほかに、オペアンプ自体を動作させるのに必要な直流電圧が必要になります。

ここで、端子の数とその意味について簡単にまとめておきますので、ちょろっと頭の隅に置いておきましょう。

  • プラスの入力1つ
  • マイナスの入力1つ
  • 出力1つ
  • オペアンプを動作させるための端子 + 出力を制限する端子2つ(プラスとマイナス)
図1 オペアンプの入力と出力図1 オペアンプの入力と出力

図1を見て、もう一度確認しますと、赤文字の3端子が、上述しました比較すべき2つの入力とその出力で、緑文字の端子が、オペアンプ自体を動作させるための電圧になっており、役割がことなります。

この緑で示した端子に、+と-の直流電圧をかけることが多く、+12 Vと- 12 Vであったりします。
この時、赤文字で示した出力は、この+-12 Vを超えて出力されることはありません

これが、「出力を制限する」の示す意味です。

この意味は文にするとあまり実感がわからないかもしれないですが、トランジスタによる電圧増幅実験などをしたことがある方は、バイアス電圧がたりないと、波がちょぎれてしまう現象を見たことがあるはずです。

オペアンプは入力の大小を比較する素子

次に、どうやって比較して結果を出力するのか?という素子の振る舞いについて説明します。
図2の上の図で説明します。

1. オペアンプのマイナスとプラスに入力された数字の大小を比較します。マイナス側の入力に1 V, プラス側の入力に0 Vが入ったとします。
2. 符合も含めて大小を決めます。1 V と 0 Vなら1 Vの方が大きいのでマイナス側の入力がオペアンプの中を通っていきます。
3. 次に、大小を比較して選ばれた方の入力の符号側に大きく値を跳ね上げます。今回は、+1 V側の符号はマイナス、なのでマイナス側に一気に増幅します。
4. 増幅の上限値は、上述した緑文字の直流電圧の値です。+-12 Vだとすると、-12 V付近まで増幅します。

 

オペアンプの振る舞い図2 オペアンプの振る舞い

 

図3の表にあるように、プラスとマイナスに様々なケースで入力が入った場合、オペアンプの出力はどうなるかを考えてみましょう。

1番目の、入力を考えるとマイナスに0 V、プラスに2 Vなので大小を考えると2 Vの方が大きい。
2 Vの入力の符合はプラスなのでオペアンプはプラスに増幅します。

2番目も、-0.1 Vと0 Vの大小を比較します。
0 Vの方が大きい電圧であり、その入力の符号を調べるとプラスです。
結果、オペアンプはプラス側に増幅します。

3番目について考えてみましょう。
-0.2 Vと-0.1 Vの大小を考えます。
マイナスの符合が付いているので、少し戸惑うかもしれませんが、-0.2 Vより- 0.1Vの方が高い電圧です。
-0.1 の方の入力の符合を確認すると、プラスなので、オペアンプはプラスの方に増幅します。

そろそろ考え方がわかったと思いますので、残り2問は考えてみてください。

オペアンプの振る舞い図3 オペアンプの振る舞い

 

まずは、ここまででコンパレータとしてのオペアンプの働きを見てきました。
反転増幅等の回路もこの考え方を用いて考えれば、理解することが出来ますので、次回はその説明を行おうと思うております。