オペアンプの動作イメージとバーチャルショート-電気系ものづくりブログ

アナログ増幅回路などで大活躍のオペアンプ。このオペアンプは、どのような動きをしているのか、動作イメージなどについて、やっていきたいと思います。

オペアンプの動作の基本

オペアンプの動作は、(+)端子と(-)端子の電圧差を、オペアンプが持つ増幅率で増幅するというものです。

オペアンプが持つ増幅率は、100dB程度あります。100dBを倍率にすると、100000倍！です。「とても大きい値」という認識でOKです。

この「オペアンプの増幅率」がとても大きいので、(+)端子と(-)端子との間に少しでも電圧差があると、出力は（オペアンプが出力可能な）最大・最小値（≒電源レール付近）に張り付きます。

というのがオペアンプの基本的な動きです。しかし、これでは使いずらいので、「ネガティブフィードバック（負帰還）」というものを駆使します。

一番単純(？)なオペアンプを用いたネガティブフィードバック回路として「ボルテージフォロワ」があります。

ボルテージフォロワでは、出力Voutが(-)端子にそのまま入っています。出力が-の端子に帰還しているので「負帰還」です。

このボルテージフォロワ回路で、オペアンプの動作を見ていきます。

Vin＞Voutのとき、(+)端子の電圧の方が大きいので、オペアンプは全力で出力(Vout)を上げにかかります（←オペアンプの増幅率は非常に大きいので）。しかし、(-)端子にはVoutが入っているので、(-)端子の電圧もその分だけ上昇します。

Vin＜Voutになったら、(-)端子の電圧の方が大きいので、オペアンプは全力で出力(Vout)を下げようとします。

これらの働きによって、「(+)端子の電圧＝(-)端子の電圧」で落ち着きます。

このように、ボルテージフォロワは入力電圧と出力電圧が同じ電圧になります。

ここで重要なことは、負帰還をかけたオペアンプが"落ち着いた"状態にあるとき、(+)端子電圧と(-)端子電圧が同じ電圧になることです。

これを、「バーチャルショート」といいます。（「イマジナリショート」と呼ばれたりもします）

(+)端子と(-)端子が、あたかもつながっているかのように、同じ電圧となるので「バーチャルショート」と呼ぶのだろうと思います。

バーチャルショート（負帰還をかけたオペアンプ）は、(+)と(-)がつり合っているというイメージです。

上図は、ボルテージフォロワのイメージです。(+)端子の皿には「Vin」が乗り、(-)端子の皿には「Vout」が乗り、これらがつり合っています。