オペアンプとは？

オペアンプは、別名オペレーショナルアンプとも呼ばれ、さまざまなタスクを実行するために設計された電気部品です。2つの入力と1つの出力を持つこの半導体デバイスは、回路に必要な機能に応じて、他のオペアンプや抵抗、コンデンサと組み合わせることができます。

直流電源回路で使用されるオペアンプの主な用途は、反転入力と非反転入力の信号の差を増幅することです。さらに、オペアンプには反転型と非反転型があります。この特性により、オペアンプは電子回路で最も広く使用されている部品の1つとなっています。

このガイドでは、オペアンプとは何か、さまざまな種類、用途、オペアンプの動作について紹介します。

オペアンプは、以下の要因に基づいて分類することができます：

電源構成

• デュアル電源オペアンプ
• 単一電源オペアンプ

入出力構成

• 反転オペアンプ
• 非反転オペアンプ

内部アーキテクチャ

• バイポーラ接合トランジスタ（BJT）ベースのオペアンプ
• 電界効果トランジスタ（FET）ベースのオペアンプ
• 相補型金属酸化膜半導体（CMOS）ベースのオペアンプ

オペアンプには、目的に応じてさまざまなバリエーションがあります。

デュアル電源オペアンプ

これらの増幅回路の最初のものはデュアル電源オペアンプです。この増幅回路は、2つの異なる電源からの入力を持ち、これらの電源間の差を増幅します。デュアル電源アンプは、AC信号入力とプラス電圧を1つの電源として持ち、マイナス電圧をもう1つの電源として持ちます。これらの電源は、出力される増幅電流が交互に変化する範囲を作り出します。2つ目の負電源があるため、アンプ出力で完全な波形を作ることができます。

単一電源オペアンプ

これは単一電源オペアンプとは異なります。この回路では、正電源が1つしかなく、グラウンドが負電源として機能します。デュアル電源オペアンプと同様に、この回路には交番入力があります。しかし、デュアル電源オペアンプとは異なり、出力信号は完全な波形ではありません。これは、増幅回路に入力される負電荷がグラウンドであるためであり、つまり電流が交互に流れるのはゼロボルトの低電圧までであるためです。まとめると、単一電源オペアンプでは、電源が単一であるため、出力される交流信号の範囲が狭くなります。

非反転アンプ

オペアンプの種類には、非反転アンプと呼ばれるものもあります。このオペアンプは、その波形特性からこの名前が付けられています。出力される波形は、入力信号と同じ信号の高低を持ち、同じ速度または周波数で波形をミラーリングします。この入力信号と出力信号のミラーリングを表す用語は、入力信号と出力信号が同位相であることとしても知られています。同相特性だけでなく、非反転オペアンプは、増幅された出力を作り出すために、入力方法として抵抗も使用します。この方式による増幅出力をアンプ・ゲインと呼びます。非反転アンプのゲインは、以下の式で計算できます： ゲイン＝1＋（r1／r2）​ 非反転アンプでは、入力に電流が流れないため、抵抗の比率が増幅を生み出します。

反転増幅器

非反転オペアンプとは対照的に、反転アンプは入力信号と出力信号に違いがあります。反転オペアンプでは、出力信号と入力信号は互いに位相がずれています。

反転増幅器の入力が正であれば、出力は負になります。同様に、入力信号が負であれば、出力は正になります。反転増幅器の波形も、その波が高い正電圧でピークに達し、低い負電圧に下がるため、入力とは視覚的に位相がずれています。

さらに、波形が異なる、つまり位相がずれているため、反転オペアンプのゲインは別の式で計算されます。非反転増幅回路と同様に、反転オペアンプは抵抗を使用して出力を生成します。ただし、この出力は抵抗フィードバックと入力抵抗から計算され、追加の入力や+1はありません。

要約すると、増幅器の利得は抵抗入力対抵抗フィードバックに等しく、式中のマイナスは位相出力を表します。反転オペアンプの方程式は次のように書かれます： AV=-R1/R2.