連 載 - トランジスタ技術

連 載
第７回 反転入力端子部の容量による不安定動作対策
遠坂 俊昭
Toshiaki Enzaka
実際の OP アンプ IC を使って増幅回路を作ると，
OP アンプ自体の特性や実装状態など，たくさんの要
Band Width）は 10 MHz なので，非反転増幅回路の高
域しゃ断周波数は 5 MHz になります．図 7 − 1
（ b）に，
因が安定な動作の障害になります．
ゲインの周波数特性を解析した結果を示します．確か
今回は，それらの要因の一つである OP アンプの反
転入力端子部の容量ぶんが安定動作に与える悪影響を
に非反転増幅回路の入出力ゲインは 2 倍で，しゃ断周
波数は 5 MHz です．
シミュレーションで調べ，その対策の方法を検討しま
す．
図7−1
（a）には反転増幅回路も示されています．こ
れら二つの増幅回路は，信号源のインピーダンスが 0
反転増幅回路とノイズ・ゲイン
Ωで，出力電圧が 0 V と考えるとまったく同じ回路で
す．違うのは信号を加えている箇所だけですから，高
域しゃ断周波数は，どちらの増幅回路も同じはずです．
非反転増幅回路の場合，入出力ゲインは帰還回路の
分圧比βの逆数（1/β）でほぼ決まります．しかし反転
ただし入出力ゲインは異なり，反転増幅回路は− 1 倍，
（b）からも，確か
非反転増幅回路は 2 倍です．図 7 − 1
増幅回路の場合は，β回路を構成している抵抗の一部
に信号を加えるため，非反転増幅回路と同じように扱
に両者のしゃ断周波数はほぼ同じであることがわかり
ます．
うことができず，その入出力ゲインは 1/ β とは少し
インからは求まらない
図 7 − 1 に示すのは，非反転増幅回路と反転増幅回
このことから，反転増幅回路の高域しゃ断周波数は，
GBW を入出力ゲイン（− 1 倍）で割っても求まらない
ことがわかります．いったん非反転増幅回路のゲイン
に換算しなければならないのです．
具体的に計算すればすぐわかりますが，通常の反転
増幅器ではゲインが 10 倍程度以上に大きくなれば，
高域しゃ断周波数は GBW をゲインで割った値にほぼ
等しくなります．
路の入出力ゲインの周波数特性を調べるシミュレーシ
ョンです．
● 入出力ゲインそのままでしゃ断周波数が低下す
異なった値になります．
反転増幅回路では，入出力ゲインとこれから説明す
るノイズ・ゲインの二つを検討することになります．
● 反転増幅回路のしゃ断周波数は GBW と入出力ゲ
非反転増幅回路の場合は，入出力ゲインは 1/βで
る！
？
す．図 7 − 1 の場合は 2 倍です．ところが反転増幅回
路の場合は，ゲイン特性が 1/βにならず，− 1 倍にな
（a）に示すのは，IN −端子とグラウンド間に
図7−2
抵抗 R 3 を挿入したゲイン− 10 倍の反転増幅回路と，
ります．
連載第 2 回（2005 年 4 月号）で説明したように，非反
抵抗 R3 のない通常の反転増幅回路です．
図 7 − 2 では，R1a と R1b を 10 kΩと 1 fΩに切り替え
転増幅回路の高域しゃ断周波数を fC［Hz］， GBW を
fGBW［Hz］，入出力ゲインを G［倍］とすると，次式
ながら解析（パラメトリック解析）することにより，負
帰還後の特性と裸特性を同時に求めています．
が成り立ちます．
fGBW
fC ＝
G
つまり 0 V ですから，抵抗を追加しても入出力ゲイン
は− 10 倍で変わりません．抵抗を追加した回路は，
ただし，OP アンプの裸ゲインの減衰傾度が− 6
dB/oct.に保たれている範囲において
図 7−1
（a）に示す OP アンプ・モデルの GBW（Gain
2005 年 9 月号
OP アンプの IN − 端子は，IN ＋ 端子とほぼ同電位，
信号源を 0 V に固定すると，ゲイン 100 倍の非反転増
幅回路（図 7 − 3）と同じになります．
図 7−（
2 a）
の上側のしゃ断周波数 fC は次のとおりです．
213
10
fC ＝
（100 k ＋ R1a//R3a）/（R1a//R3a）
た結果です．
以上から反転増幅回路の場合，ゲイン Ginv の周波数
＝ 100 kHz
図7−2
（b）の下側のしゃ断周波数は次のとおりです．
10
fC ＝
（100 k+R1b）/R1b
特性は次式で求まることがわかります．
R
1
Ginv ＝ 2
………………………
（7 − 1）
1
R1
1＋
AOβ
● 入出力ゲインの周波数特性を知りたいときはノイ
≒ 909 kHz
しゃ断周波数は，抵抗 R 3 がない場合が 909 kHz な
のに対して，抵抗がある場合は 100 kHz になります．
図7−2
（b）に示すのは，これらのゲイン関係を解析し
ズ・ゲインを考える
図 7 − 3 に示すように，
R1//R3 ＋ R2
R1//R3
で決まる値を「ノイズ・ゲイン」といいます．これは，
反転増幅回路（ゲイン−1倍）
OP アンプの出力から，OP アンプの入力端子に接続
される負帰還ネットワークで分割された値の逆数です．
つまりβの逆数です．
R 1 //R 3
R2
100k
1k
ノイズ・ゲインGnoise は次式のとおり．
R 1 //R 3 ＋R 2
Gnoise ＝
R 1 //R 3
図 7 − 3 図 7 − 2 の抵抗を追加した反転増幅回路のノイズ・ゲイン
非反転増幅回路（ゲイン2倍）
（a）回路（ RV は10kΩ）
ゲイン［dB］
OPアンプ（U1aとU1b）のオープン・
ループ・ゲイン： R 1a と R 1b を1fΩ
（ショート）にして解析
非反転増幅回路
両者の高域しゃ断
周波数は同じ
反転増幅回路
周波数
（b）非反転型の入出力ゲインは反転型の2倍だがしゃ断周波数は等しい
図 7 − 1 しゃ断周波数は同じだが入出力ゲインが異なる二つの増幅回路
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2005 年 9 月号