オペアンプ

オペアンプ内部の等価回路【入力段の動作原理から解説します】

オペアンプ内部の等価回路のイメージ図

  • オペアンプの等価回路って、どうやって表現するの?
  • オペアンプ内部の等価回路って、どう動いているの?

こんな疑問にお答えします。

 

 

本記事を書いている私は、10年ほど電子回路設計の仕事をしています。

オペアンプを等価回路でどのように表現するかって意外と知らないですよね。

オペアンプ内部も等価回路で表現できるので、その動作原理も気になるところです。

 

本記事を読めば、それらを理解することができます。

5分で読めますので、ぜひ最後までご覧ください。

 

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オペアンプの等価回路

オペアンプの等価回路は以下のとおり。

 

オペアンプの等価回路

 

オペアンプの出力電圧Voutは、入力電圧の差Vin利得Aをかけることで求めることができます。(利得 = ゲイン)

Vout = A × Vin

なので、上図のように、A×Vinの電源が右側にあり、Voutの電圧が出力されています。

 

ただし、これは理想的なオペアンプの等価回路です。

実際のオペアンプの等価回路は以下になります。

 

実際のオペアンプの等価回路

 

実際には入力電圧Vinに対して、微小な電流Iinが流れます。

電圧を加えて電流が流れるということは、抵抗分があるということです。

なので、入力抵抗があります。

 

また、理想的には出力側の抵抗分はゼロなのですが、実際には少し抵抗分があるので、出力抵抗があります。

 

オペアンプの等価回路は、このように表現できます。

 

しかし、私の経験上、オペアンプの動作を考えるときに、この等価回路を使ったことがあるかというと「NO」ですね。
実際にはありません。

この等価回路は、簡易的に表現したもので、実際にはもっと複雑です。

 

オペアンプの動作を理解するには、その複雑な等価回路を理解した方が良いです。

 

複雑といっても1つ1つ分解して考えれば難しくないので、複雑なオペアンプの等価回路について解説していきます。

 

 

オペアンプ内部の等価回路と動作原理

オペアンプ内部回路の構成

オペアンプの回路記号

 

知っている人も多いと思いますが、オペアンプの回路記号は上図のようになっています。

その内部の等価回路は以下のとおり。

 

オペアンプ内部の等価回路

 

1つずつ動作を解説してきます。

 

入力段の差動増幅回路とカレントミラー回路の動作原理

入力段の差動増幅回路とカレントミラー回路の動作原理

 

オペアンプの+INと-INに電圧Vを加えたとき、差動増幅回路の左側と右側のトランジスタに流れる電流をIとします。

同じ電圧Vを加えているので、同じ電流Iが流れます。

 

カレントミラーの左側には、差動増幅回路の左側(-IN側)にあるトランジスタから電流Iが流れます。

カレントミラー回路の右側には、左側に流れる電流と同じ電流が流れます。

よって、右側も電流はIとなります。

 

ここで、オペアンプの+INに+Vinをさらに加えます。

 

そうすると、差動増幅回路の右側のトランジスタには、I + Iin の電流が流れるようになります。

差動増幅回路の左側の電流はIのままなので、カレントミラー回路の左側も電流Iのままで、右側も電流Iのままです。

 

なので、コレクタ接地増幅回路のトランジスタに入力される電流は、

I + Iin と I の差分

ということになります。

つまり、

( I + Iin ) - I = +Iin

となります。

 

この電流が入力されることで、コレクタ接地増幅回路のトランジスタが動作します。

 

 

コレクタ接地増幅回路とエミッタ接地増幅回路の動作原理

コレクタ接地増幅回路のトランジスタに電流が入力されてないとき、Point_Aの電圧は抵抗を介してV-に接続されています。

V-がGNDに接続されていれば、0Vです。

なので、エミッタ接地増幅回路のトランジスタに電流は入力されないので、動作していません。

 

コレクタ接地増幅回路とエミッタ接地増幅回路の動作原理

 

コレクタ接地増幅回路のトランジスタに電流+Iinが入力されると、トランジスタが動作するので、Point_Aの電圧はV+になります。

そうすると、エミッタ接地増幅回路のトランジスタに電流が入力されるので、トランジスタが動作します。

 

 

エミッタ接地増幅回路とプッシュプル回路の動作原理

エミッタ接地増幅回路のトランジスタに電流が入力されないとき、トランジスタは動作しないので、電流源の電流が下側に流れず、プッシュプル回路の上側のトランジスタに入力され、出力(OUT)にはV+が出力されます。

 

エミッタ接地増幅回路とプッシュプル回路の動作原理

 

エミッタ接地増幅回路のトランジスタに電流が入力されると、トランジスタが動作し、Point_Bの電圧はV-になります。

プッシュプル回路の下側のトランジスタはPNPトランジスタなので、Point_BがV-になると動作し、出力(OUT)にはV-が出力されます。

 

このようにして、オペアンプ内部の等価回路は動作しています。

 

 

補足:出力側の近くにある2つのトランジスタ(クロスオーバーひずみの改善)

出力側の近くにある2つのトランジスタ

 

出力側の近くにある2つのトランジスタは、出力の波形をキレイにするためにあります。

 

具体的に解説します。

 

プッシュプル回路の上側のトランジスタが動作するとき、Point_Bの電圧はトランジスタのベース-エミッタ間電圧(VBE)より高い電圧です。

 

プッシュプル回路の上側のトランジスタ

 

プッシュプル回路の下側のトランジスタが動作するとき、Point_Bの電圧はトランジスタのベース-エミッタ間電圧(VBE)より低い電圧です。

 

プッシュプル回路の下側のトランジスタ

 

ということは、Point_Bの電圧が、

2つのトランジスタのベース-エミッタ間電圧(VBE)の間にあるとき、

プッシュプル回路のトランジスタはどちらも動作していません。

 

動作しないプッシュプル回路のトランジスタ

 

どちらのトランジスタも動作しないときがあるため、出力の波形は以下のようになってしまいます。

 

クロスオーバーひずみの波形

 

 

トランジスタが切り替わるタイミングで、少しズレてしまってますね(図の赤丸のところ)。これをクロスオーバーひずみといいます。

 

これを解決するため、Point_Bの電圧に最初から2つ分のベース-エミッタ間電圧(VBE)を用意します。

これを2つのトランジスタを使って実現しています。

 

2つ分のベース-エミッタ間電圧

 

この動作を解説すると、エミッタ接地増幅回路のトランジスタが動作しているとき、Point_Bの電圧は、V-です。つまり、プッシュプル回路の下側のトランジスタのベース-エミッタ間電圧(VBE)よりも低い電圧です。

 

プッシュプル回路の下側のトランジスタ動作

 

この状態から、エミッタ接地増幅回路のトランジスタが動作しなくなると、Point_Bの電圧が、すぐにプッシュプル回路の上側のトランジスタのベース-エミッタ間電圧(VBE)よりも高い電圧になります。

 

プッシュプル回路の上側のトランジスタ動作

 

つまり、プッシュプル回路の下側のトランジスタが動作しなくなると同時に、すぐに2つ分のVBEがPoint_Bにプラスされるので、上側のトランジスタが直ちに動作します。

追加した2つ分のVBEによって、どちらも動作しないタイミングがなくなるということですね。

 

このため、プッシュプル回路のトランジスタの切り替えがスムーズになり、出力の波形はキレイになります。

 

クロスオーバーひずみを改善した波形

 

このように、出力側の近くにある2つのトランジスタは、出力の波形をキレイにしています。

これを、「クロスオーバーひずみの改善」と言ったりもしますね。

 

 

オペアンプの等価回路のまとめ

オペアンプの等価回路について解説しました。

オペアンプ内部の等価回路を理解することは、データシートの意味を理解することにつながります。

ぜひ本記事を何度も読んで、学習してみてください。

本記事が少しでもお役に立てば幸いです。

 

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