前回、参考回路をもとにして設計する一例として、非反転アンプ回路のゲイン変更について解説しました。今回は、その続編として、周波数帯域の変更について考えていきたいと思います。
元となる参考回路は、前回と同じもので、5V単電源動作のオペアンプによる、ゲイン＝3の非反転アンプ回路です。入力のR＝10KΩとC＝1000pFのローパスフィルタによって、遮断周波数fc＝16KHzに設定されています。信号レベルは、入力１V、出力３Vを想定しています。
使われているオペアンプは、CMOSタイプ、入出力レールtoレール、利得帯域幅積GBP＝1.5MHz、スルーレートSR＝0.5V／μS、出力電流５mA程度の、一般的な汎用品です。
周波数帯域の設計変更といっても、低い周波数に変更する場合には、ほとんど問題は生じません。ローパスフィルタのRC定数を変更して、希望する遮断周波数とすればよいだけです。
高い周波数に変更する例として、遮断周波数を10倍の160KHzにする変更を考えてみましょう。他の特性は、参考回路と同等にするものとします。
まず、回路はそのままで、ローパスフィルタの遮断周波数fc＝160KHzとなるようにRC定数値を変更します。暫定的にR＝10KΩとC＝100pFとしておきます。
次に検討すべきは、オペアンプの高周波特性です。アンプ自体の遮断周波数は、利得帯域幅積GBP＝1.5MHz、ゲイン＝３ですから、1.5MHz／３＝500KHzとなります。十分な余裕とまでは言えませんが、動作に問題は無さそうです。
「めでたしめでたし」となりそうですが、これは、よくある「落とし穴」のひとつです。出力レベルが3Vですので、大振幅出力特性に注意を払わなければなりません。上記のアンプ自体の遮断周波数の計算は、小信号出力（100mV程度）に対する応答です。大信号出力に対しては、スルーレートによる制限を検討する必要があります。
スルーレートSR、出力振幅Vpと扱える周波数ｆの関係は、ｆ＝SR／2πVｐです。「第30回スルーレート( https://www.olinas.co.jp/media/knowledge/a265 )」の解説を参照してください。SR＝0.5V、Vp＝1.5V（３V／２）ですから、ｆ＝0.5／（2π×1.5）＝53KHzとなり、元のオペアンプでは無理であることがわかります。より高速のオペアンプに変更しなければなりません。
シミュレーションファイル「非反転アンプ_小信号特性.asc」「非反転アンプ_大振幅特性.asc」には、参考回路のオペアンプをそのまま使った回路と、同じようなCMOSタイプでより高速なオペアンプを使った回路を収めています。
この高速オペアンプは、利得帯域幅積GBP＝14MHz、スルーレートSR＝7.2V／μSですので、もとのオペアンプのほぼ10倍高速です。現在のオペアンプの性能を考えると、14MHzで高速と呼ぶのは、違和感がありますが、CMOSタイプ、入出力レールtoレールのオペアンプとしては、高速の部類でしょう。
なお、シミュレーションのAC解析で得られる周波数特性は、小信号特性であることに注意してください。大振幅出力でのスルーレート不足による影響を調べるには、トランジェント解析で出力波形を入力波形と比較しなければなりません。
さて、ローパスフィルタの定数を暫定的にR＝10KΩとC＝100pFとしましたが、この定数選択について、簡単な解説をしておきます。
コンデンサ値は、可能であれば、100pF以上とするのが無難です。これは、寄生容量の影響をあまり考えなくてよいからです。抵抗値については、前段の駆動能力によって、下限が決まります。コンデンサの充放電電流を供給できるだけの駆動能力が必要ですが、ワーストケースを考えて、抵抗をそのまま負荷として駆動可能であればよいわけです。今回の例では、入力レベルが1Vですから、抵抗値を１KΩとするには、１mAの駆動能力が必要ですが、前段が一般的なオペアンプ出力ならば、問題はないでしょう。
参考回路からの設計変更には、多くのケースがありますので、希望されるテーマの回路のリクエストを募集します。私の力が及ぶ範囲で応えてゆくつもりです。
今回取り上げましたサンプルファイルを使うには、リニアテクノロジーのサイトよりLTspiceIVをダウンロードしてご利用下さい。
