アンプの2つの追従性能
スルーレートとゲイン周波数特性：OPアンプの正しい選び方
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| 図 OPアンプの基本特性と周波数特性について解説する．スルーレートや動作電圧範囲も重要なポイントである 〈著：石井 聡〉 |
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OPアンプの周波数特性とゲイン帯域幅積
OPアンプの性能を理解するうえで重要な指標の1つがオープン・ループ・ゲイン（$A_{OL}$）の周波数特性です．これはOPアンプ単体の増幅率を示し，非常に大きな値をもちます．たとえば，ADA4077では135dB，つまり約560万倍の増幅率になります．周波数が上がるにつれてゲインは低下し，一般的には周波数が10倍になるごとにゲインが1/10に減少します．この減少率は-20dB/デケードと呼ばれます．
OPアンプを使った増幅回路では，設定したゲインに応じて周波数特性が変化します．ゲインを高く設定すると，周波数特性の-3dBポイントは低くなります．これはOPアンプ単体のオープン・ループ・ゲインが増幅回路の最大ゲインを制限するためです．増幅回路の-3dB周波数と設定ゲインの積は一定値となり，これをゲイン帯域幅積（GBP）と呼びます．たとえば，ADA4077のGBPは約3.9MHzです．GBPを知ることで，増幅回路のゲイン設定から周波数特性を簡単に予測できます．
一方，電流帰還アンプは一般的な電圧帰還型OPアンプとは異なり，GBPの関係が当てはまりません．このタイプのアンプは反転入力端子のインピーダンスが低く，電流を検出して増幅する方式を採用しています．電流帰還アンプでは帰還抵抗$R_F$を固定し，入力抵抗$R_G$を変化させることが重要です．この点に注意しないと回路が正常に動作しません．
スルーレートによる出力振幅変化の制限
OPアンプのもう1つの重要な追従性能がスルーレートです．スルーレートとは出力電圧の変化速度の上限を示し，単位は[V/μs]や[V/ns]で表されます．たとえば，ADA4077のスルーレートは1.2V/μsです．スルーレートの制限により，高周波数かつ大振幅の信号では理想的な正弦波が出力できず，波形が三角波に近づく現象が発生します．
具体例として，ゲイン2倍の反転増幅回路で50kHz，8Vピークの正弦波を入力した場合，スルーレートの限界により出力波形が三角波状に変形します．出力の傾斜を測定すると約1.19V/μsとなり，これはデータシートのスルーレート値と一いたします．振幅を1Vピークに下げるとスルーレート制限を超えず，正しい正弦波が得られます．
スルーレートと振幅から計算される限界周波数はフルパワー帯域幅（FPBW）と呼ばれ，次の式で表されます．FPBWはスルーレートを$SR$，出力ピーク電圧を$V_{pk}$として，$FPBW = \frac{SR}{2\pi V_{pk}}$です．FPBWを超える信号周波数ではスルーレートがボトルネックとなり，波形ひずみが生じます．
電源電圧と動作電圧範囲の関係
OPアンプの入力および出力電圧範囲は電源電圧によって決まります．たとえば，ADA4077では±5Vまたは±15Vの電源電圧範囲で動作可能です．入力電圧範囲の上限はプラス電源電圧から約2V低い値，下限はマイナス電源電圧から約1.2V高い値に制限されます．これらの差分は電源電圧にかかわらず一定であり，それぞれ「ヘッドルーム」と「レッグルーム」と呼ばれます．
出力電圧範囲も同様に，プラス電源電圧から約1.5V低く，マイナス電源電圧から約1.5V高い範囲で振幅可能です．データシートに特定の電源電圧条件での仕様が記載されている場合でも，これらの一定差分を基に任意の電源電圧での動作範囲を推定できます．単電源動作の場合は±電源電圧を適宜置き換えて考えます．
〈著：ZEPマガジン〉参考文献
- ［VOD/Full KIT/data］USBマルチ測定器付き！実測とシミュレーションで学ぶアナログ回路設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［連載全3回］計測のための24ビット$\Sigma \Delta$型A-Dコンバータ活用，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［連載全4回］LTspice設計データで学ぶ Analog Devices電子回路教室，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［YouTube連載全8回］基本をがっちり！アナログ電子回路30選，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本 【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD/KIT/data］実験キットで学ぶ 初歩の電子回路設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD/KIT/data］実験キットで学ぶ 電源・アナログ回路入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
- ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社
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