第115回：電気・電子回路におけるオペアンプ応用回路　－２段増幅（１）－

電気・電子回路におけるオペアンプ応用回路　－２段増幅（１）－

①はじめに

オペアンプ増幅回路について、実務としての回路設計では、実際のオペアンプICの特性による制限を考慮して、要求仕様に対して必要十分な回路にしなければなりません。

今回から数回にわたって、具体的な回路例を取り上げて、実用回路設計に必要な検討事項を考えてみます。

②実用回路設計に必要な検討事項

ゲイン変更と周波数特性、１段増幅

シミュレーション

シミュレーションファイル「反転アンプ１段_ゲイン_10_100.asc」を参照してください。

出発点となる回路は、実績のある現行製品の回路、文献に記載されている参考回路などを想定しています。この回路は、DC～20KHz、0.1Vの入力信号を10倍増幅して１Vの出力信号とする反転アンプです。使っているオペアンプICは、汎用タイプのオペアンプICで、その特性は、オープンループゲイン100dB、GBP（利得帯域幅積）１MHzです。入力抵抗は10KΩ、帰還抵抗は100KΩで、一般的な値と言ってよいでしょう。反転アンプの遮断周波数fcを計算すると、fc=GBP／（反転ゲイン＋１）＝１MHz／11≒91KHzとなります。オペアンプ回路の周波数特性については、第91回～第92回を参照してください。

第91回

第92回

目的とする回路は、DC～20KHz、0.01Vの入力信号を100倍増幅して１Vの出力信号とする増幅回路です。まず、元の回路の帰還抵抗を10倍（100KΩ→１MΩ）して、ゲインを10倍から100倍にしてみます。シミュレーション回路の出力を見ると、20KHzの信号に対して、明らかにゲインが不足しています。AC解析で、周波数特性を見てください。遮断周波数が低すぎることが確認できます。遮断周波数を計算してみると、fc=GBP／（反転ゲイン＋１）＝１MHz／101≒9.9KHzとなります。

これを解決するために、「より広帯域の（GBPが10MHz程度の）オペアンプICに変更すればよい」のですが、ここでは、「同じオペアンプICで２段増幅する」方法を検討してみます。

ゲイン変更と周波数特性、２段増幅

シミュレーション

シミュレーションファイル「反転アンプ２段_ゲイン_100.asc」を参照してください。

元のゲイン10倍のアンプを２つ縦続した２段構成のアンプです。出力信号を見ると、ほぼ、満足できる特性と思われますが、周波数特性を少し詳しく検討してみましょう。

各段とも、遮断周波数fc ≒91KHzの１次ローパス特性ですから、これらが合成されて、２次のローパス特性となり、遮断周波数（－３dB）も7割ほどに低くなり、60KHz程度です。シミュレーションファイルには、理想オペアンプによって、１段増幅回路と同じ１次特性を示す回路を収めてありますので、AC解析で比較、確認してみてください。反転アンプ２段増幅では、出力は入力と同相、つまり、アンプ全体では非反転アンプとなります。これでもよいかどうかは、このアンプが使われる装置、システム全体に関わることなので、ここでは判断できません。

１段目のゲインを２倍、２段目のゲインを50倍とした回路も収めてあります。周波数特性は、均等にゲイン配分した回路よりも悪くなります。しかし、周波数特性以外の点を考慮しなければならない場合には、「均等なゲイン配分」が最良の選択ではないこともあり得ます。

非反転アンプの場合も、同様な２段構成を検討することができます。

シミュレーション

シミュレーションファイル「非反転アンプ１段_ゲイン_10_100.asc」、「非反転アンプ２段_ゲイン_100.asc」を参照して、考え方をたどってみてください。

なお、非反転アンプの遮断周波数fcの計算は、fc=GBP／（非反転ゲイン）＝１MHz／10＝100KHzとなります。

今回のまとめ