5 実用的なオペアンプ

実用的なオペアンプ

実用的なオペアンプは 理想 対応するが、いくつかの重要な点で異なります。 実際のオペアンプと理想的なオペアンプの違いは、回路性能に悪影響を及ぼす可能性があるため、回路設計者にとって重要です。

私たちの目標は、実用的なオペアンプの詳細なモデル、つまり理想的ではないデバイスの最も重要な特性を考慮に入れたモデルを開発することです。 実用的なオペアンプの記述に使用されるパラメータを定義することから始めます。 これらのパラメータは、オペアンプの製造元から提供されているデータシートのリストに記載されています。

表1は、3つの特定のオペアンプのパラメータ値を示しています。3つのうちの1つはμA741です。 μA741オペアンプは、以下の理由から、多くの例や章の終わりの問題で使用されています。(1)それらは、エレクトロニクス業界全体で大量に発見されています。 2)これらは汎用の内部補償オペアンプであり、それらの特性は他のタイプのオペアンプを扱うときの比較目的のための参照として使用することができます。 以下のセクションでさまざまなパラメータが定義されているので、典型的な値を見つけるために表3を参照する必要があります。

実用オペアンプ、オペアンプ

表1 - オペアンプのパラメータ値

理想オペアンプと実際のオペアンプの最も大きな違いは電圧利得です。 理想的なオペアンプは、無限大に近い電圧利得を持っています。 実際のオペアンプは、周波数が増加するにつれて減少する有限の電圧利得を持っています(これについては次の章で詳しく説明します)。

5.1開ループ電圧利得(G)

オペアンプの開ループ電圧利得は、フィードバックなしで入力電圧の変化に対する出力電圧の変化の比です。 電圧利得は無次元量です。 記号Gは、開ループ電圧利得を示すために使用されます。 オペアンプは、低周波入力に対して高い電圧利得を持ちます。 オペアンプの仕様では、電圧利得をボルト/ミリボルトまたはデシベル(dB)で示しています[20logとして定義されます。10(vでる/vin)]。

5.2修正オペアンプモデル

図14は、理想化されたオペアンプモデルの修正版を示しています。 入力抵抗を追加することによって理想化されたモデルを変更しました(Ri)、出力抵抗(Ro)、およびコモンモード抵抗(Rcm).

オペアンプ、実用的なオペアンプ

図14 - 修正オペアンプモデル

これらのパラメータの典型的な値(741オペアンプ用)は

オペアンプの性能を調べるために、図15の回路を考えます。 オペアンプの反転入力と非反転入力は、直列抵抗を持つソースによって駆動されます。 オペアンプの出力は抵抗を通して入力にフィードバックされます。 RF.

2つの入力を駆動するソースは vA そして v1そして関連する直列抵抗は RA そして R1。 入力回路がもっと複​​雑な場合、これらの抵抗はその回路のテブナン等価物と考えることができます。

実用オペアンプ、オペアンプ

図15 - オペアンプ回路

5.3 入力オフセット電圧(Vio)

理想的なオペアンプへの入力電圧がゼロのとき、出力電圧もゼロです。 これは実際のオペアンプには当てはまりません。 の 入力オフセット電圧, Vioは、出力電圧をゼロにするために必要な差動入力電圧として定義されます。 Vio 理想的なオペアンプではゼロです。 の典型的な値 Vio 741オペアンプの場合は2 mVです。 のゼロ以外の値 Vio オペアンプは入力オフセットを増幅するため、出力が大きくなるため望ましくありません。 dc エラー。

次の手法を使って入力オフセット電圧を測定できます。 出力を強制的にゼロにするために入力電圧を変えるのではなく、図16に示すように入力をゼロに等しく設定し、出力電圧を測定します。

オペアンプ、オペアンプ

図16 - Vioを測定するためのテクニック

ゼロ入力電圧から生じる出力電圧は、 出力DCオフセット電圧。 入力オフセット電圧は、この値をオペアンプの開ループ利得で割ることによって得られます。

図17に示すように、入力オフセット電圧の影響をオペアンプモデルに組み込むことができます。

入力オフセット電圧を含めることに加えて、理想的なオペアンプモデルはさらに4つの抵抗を追加して修正されています。 Ro それは 出力抵抗。 ザ 入力抵抗 オペアンプの Riは、反転端子と非反転端子の間で測定されます。 このモデルには、2つの入力のそれぞれをグランドに接続する抵抗も含まれています。

これらは、 コモンモード抵抗、そしてそれぞれが2に等しいRcm。 図16のように入力が一緒に接続されている場合、これら2つの抵抗は並列になっており、グランドへの合計テブナン抵抗は Rcm。 オペアンプが理想的であれば、 Ri そして Rcm 無限大に近づく(すなわち開回路) Ro ゼロ(すなわち、短絡)です。

図17 - 入力オフセット電圧

図18(a)に示す外付け構成を使用して、オフセット電圧の影響を打ち消すことができます。 反転入力端子には可変電圧が印加される。 この電圧を適切に選択すると、入力オフセットが相殺されます。 同様に、図18(b)は非反転入力に適用されたこの平衡回路を示しています。

実用的なオペアンプ、オペアンプ

図18 - オフセット電圧バランス

の応用

下のリンクをクリックして、TINACクラウド回路シミュレータを使用してオンラインでシミュレーションにより18(a)回路の入力オフセット電圧バランスをテストすることができます。

TINACloudを使用した入力オフセット電圧平衡回路シミュレーション(a)

TINACloudを使用した入力オフセット電圧平衡回路シミュレーション(a)

TINACloudを使用した入力オフセット電圧平衡回路シミュレーション(a)

の応用

以下のリンクをクリックして、TINACloud Circuit Simulatorを使用してオンラインシミュレーションで18(b)回路の入力オフセットバランスをテストできます。

TINACloudによる入力オフセット電圧平衡回路シミュレーション(b)

TINACloudによる入力オフセット電圧平衡回路シミュレーション(b)

TINACloudによる入力オフセット平衡回路シミュレーション(b)

5.4 入力バイアス電流(Iバイアス)

理想的なオペアンプ入力には電流が流れませんが、実際のオペアンプでは各入力端子にいくらかのバイアス電流が入ることができます。 Iバイアス それは dc 入力トランジスタに電流が流れ、標準値は2 µAです。 電源インピーダンスが低い場合、 Iバイアス 入力電圧の変化が比較的小さいので、ほとんど効果がありません。 しかし、高インピーダンスの駆動回路では、小さな電流が大きな電圧につながる可能性があります。

図19に示すように、バイアス電流は2つの電流シンクとしてモデル化できます。

オペアンプ、オペアンプ

図19 - オフセット電圧バランス

これらのシンクの値はソースインピーダンスとは無関係です。 の バイアス電流 は、2つの電流シンクの平均値として定義されます。 このように

(40)

2つのシンク値の違いは、 入力オフセット電流, Iio、そしてによって与えられる

(41)

入力バイアス電流と入力オフセット電流は両方とも温度に依存します。 の 入力バイアス電流温度係数 は、バイアス電流の変化と温度の変化の比として定義されます。 典型的な値は10 nA /です。oC. 入力オフセット電流温度係数 は、オフセット電流の大きさの変化と温度の変化の比として定義されます。 一般的な値は-2nA /です。oC.

オペアンプ、オペアンプ

図20 - 入力バイアス電流モデル

入力バイアス電流は図20のオペアンプモデルに組み込まれています。ここでは、入力オフセット電流は無視できると仮定しています。

すなわち、

オペアンプ、オペアンプ

図21(a) - 回路

入力バイアス電流によって引き起こされる出力電圧を見つけるために、このモデルを分析します。

図21(a)は、反転入力と非反転入力が抵抗を介してグランドに接続されているオペアンプ回路を示しています。

無視した図21(b)では、回路は等価回路に置き換えられています。 Vio。 無視して、図21(c)の回路をさらに単純化します。 Ro そして R負荷。 つまり、 RF >> Ro そして R負荷 >> Ro。 出力負荷要件は通常、これらの不等式が満たされることを保証します。

図21(d)では回路がさらに簡略化されており、従属電圧源と抵抗の直列接続が従属電流源と抵抗の並列接続に置き換えられています。

最後に、抵抗を結合して両方の電流源を電圧源に戻して、図21(e)の単純化した等価物を得ます。

オペアンプ、オペアンプ

図21(b)と(c) - 入力バイアス効果

ループ方程式を使って出力電圧を求めます。

(43)

where

(44)

コモンモード抵抗 Rcmは、ほとんどのオペアンプで数百MΩの範囲です。 だから

(45)

さらに仮定すると Go 大きい場合、式(43)は式になります。

(46)

オペアンプ、オペアンプ

図21(d)と(e) - 入力バイアス効果

の値が R1 が等しくなるように選択されると、出力電圧はゼロになります。 この分析から、 dc からの抵抗 V+ 地面に等しい dc からの抵抗 V - 地面に。 これを使う バイアスバランス 私達の設計で何度も拘束する。 反転端子と非反転端子の両方に dc 入力バイアス電流の影響を減らすためにグランドに接続します。

入力バイアス電流、実用的オペアンプ、オペアンプ

図22 - 例1の設定

例1

図22の構成に対する出力電圧を求めます。 IB = 80 nA = 8 10-8 A.
溶液: 図46(a)の回路の出力電圧を求めるには、式(22)の簡略形を使います。

図22(b)の回路では、

の応用

また、下のリンクをクリックすることでそのインタプリタツールを使用して、TINACloud回路シミュレータでこれらの計算を実行することができます。

入力バイアス電流モデリング回路シミュレーション

TINACloudによる入力バイアス電流モデリング回路シミュレーション

TINACloudによる入力バイアス電流モデリング回路シミュレーション

5.5 コモンモード除去

オペアンプは通常、2つの入力電圧の差を増幅するために使用されます。 したがって、それはで動作します 差動モード。 これら2つの入力のそれぞれに一定の電圧を加えても差には影響しないはずなので、出力に転送しないでください。 実際には、この定数、つまり入力の平均値 ありません 出力電圧に影響します。 もし2つの入力の等しい部分だけを考えれば、それは コモンモード.

オペアンプ、オペアンプ

図23 - コモンモード

実際のオペアンプの2つの入力端子が一緒に接続されてから、共通の電源電圧に接続されているとします。 これを図23に示します。 理想的な場合、出力電圧はゼロになります。 実際の場合、この出力はゼロ以外です。 印加された入力電圧に対する非ゼロ出力電圧の比は、 コモンモード電圧利得, Gcm。 ザ コモンモード除去比 (CMRR)は、 dc 開ループゲイン Go、コモンモードゲインに したがって、

(47)

CMRRの典型的な値は80から100 dBの範囲です。 CMRRをできるだけ高くすることが望ましいです。

5.6 電源除去比

電源除去比は、オペアンプが電源電圧の変化を無視する能力の尺度です。 システムの出力段に可変量の電流が流れると、電源電圧が変動する可能性があります。 この負荷による電源電圧の変化は、同じ電源を共有する他のアンプの動作にも変化をもたらす可能性があります。 これはとして知られています クロストークそして、それは不安定につながる可能性があります。

電源除去比 (PSRR)の変化の割合です vでる 電源電圧の総変化に。 例えば、正電源と負電源が±5 Vから±X NUMX Vまで変化すると、合計の変化はX NUM X - X NUM X = X NUM X Vになります。PSRRは通常マイクロボルト/ボルトまたは時々デシベルで指定されます。 一般的なオペアンプのPSRRは約5.5μV/ Vです。

電源電圧の変動を少なくするには、オペアンプの各グループの電源を 分離された 他のグループのものから(すなわち分離されて)います。 これは相互作用をオペアンプの単一グループに限定します。 実際には、各プリント回路カードの電源ラインは、0.1-μFセラミックまたは1-μFタンタルコンデンサを介してグランドにバイパスする必要があります。 これにより、負荷の変動が他のカードへの供給を大幅に超えないようにします。

5.7 出力抵抗

出力抵抗を決定する最初のステップとして、 Rでる図24の点線で囲まれたボックス内に示されているオペアンプ回路の部分に対応するTheveninが見つかります。 この分析ではオフセット電流とオフセット電圧を無視していることに注意してください。

(24)

この回路には独立した電源が含まれていないため、Theveninの等価電圧はゼロで、回路は1つの抵抗と等価です。 抵抗の値は、抵抗の組み合わせを使用して見つけることはできません。 等価抵抗を求めるために、電圧源vが出力リードに印加されていると仮定します。 それから結果の電流を計算します。 i、そして比率を取る v/i。 これにより、Thevenin耐性が得られます。

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図25(パートa) - テブナン等価回路

オペアンプ、オペアンプ

図25(パートb)

図25(a)は印加電圧源を示す。 回路は図25(b)に示すものに簡略化されています。

この回路は、図25(c)に示すようにさらに縮小することができます。ここでは、2つの新しい抵抗を次のように定義します。

(48)

次のように仮定します。 R 'A <<(R '1 + Ri)と Ri >> R '1。 図25(d)の単純化された回路が得られます。

入力差動電圧 vdは、分圧比を使用してこの簡略化された回路から求められます。

(49)

出力抵抗を求めるには、まず出力ループの式を書きます。

(50)

オペアンプ、オペアンプ

図25(パートcとd) - 縮約テブナン等価回路

出力抵抗は式(51)で与えられます。

(51)

ほとんどの場合、 Rcm 大きすぎるので R 'A»RA そして R1'»R1。 式(51)は、ゼロ周波数電圧利得を使用して単純化することができます。 Go。 結果は式(52)です。

(52)

の応用

下のリンクをクリックすると、TINACクラウド回路シミュレータを使用して回路シミュレーションで回路25(a)の出力インピーダンスを計算できます。

TINACloudによるオペアンプ回路シミュレーションの出力インピーダンス

TINACloudによるオペアンプ回路シミュレーションの出力インピーダンス

TINACloudによるオペアンプ回路シミュレーションの出力インピーダンス

例2

図26に示すように、ユニティゲインバッファの出力インピーダンスを求めます。

実用的なオペアンプ、オペアンプ

図26 - ユニティゲインバッファ

溶液: 図26の回路を図24のフィードバック回路と比較すると、

したがって、

図51(c)の単純化につながる不等式がこの場合に当てはまるかどうかわからないので、式(25)は使用できません。 つまり、単純化するには

この単純化なしでは、回路は図27に示す形式を取ります。

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図27 - ユニティゲインバッファの等価回路

この回路は、次の関係を見つけるために分析されます。

これらの方程式の最初の部分では、 Ro<<(R '1+Ri)<< 2Rcm。 出力抵抗は次式で与えられます。

ここでもゼロ周波数電圧ゲインを使用します。 Go.