【図解】オペアンプの代表的な3つの回路

この記事では、オペアンプを用いた3つの代表的な回路（反転増幅回路、非反転増幅回路、ボルテージフォロワ）について、多数の図を使って徹底的にわかりやすく解説しています。

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反転増幅回路

反転増幅回路は、電子機器の中で最もよく使用される電子回路の一つで、名前の通り入力信号の極性を反転して増幅する働きを持ちます。

回路構成

回路構成としては、抵抗 R1を介して反転入力（マイナス）端子に信号源が接続され、非反転端子（プラス）端子にGNDが接続された構成となっています。

出力端子については、帰還抵抗 R2を介して反転入力端子に接続されます。

反転増幅回路では、抵抗 R1とR2の比によって規定されたゲインGに従って増幅された信号がVoutに出力されます。

動作原理

回路の動作原理としては、オペアンプのイマジナリーショートの作用によって「Vin- 」がGNDと同じ 0Vであり続けるようとします。

さらに、オペアンプの入力インピーダンスは非常に高い（Zin≒∞Ω）ため、オペアンプの入力端子間には電流が流れません。

ここでキルヒホッフの電流則（ある接点における電流の総和は 0になる）に基づいて考えると、「Vin-」には同じ大きさで極性が異なる電流が流れ込んでいることになります。

キルヒホッフの法則については、こちらの記事で解説しています。

【入門】キルヒホッフの法則とは？オームの法則と並んで、電気回路において重要な法則が「キルヒホッフの法則」です。そこでこの記事では、キルヒホッフの法則の原理について解説し...

そして、帰還抵抗 R2に流れる電流 I2は出力端子から流れているため、出力信号 Voutはオームの法則から計算することができます。

このとき Voutには、点aを基準電位として極性が反転し、さらに抵抗の比（R2/R1）だけ増幅された電圧が出力されることになります。

ちなみに、この反転増幅回路の原理は、オペアンプの増幅率A（開ループ・ゲイン）が回路のゲインG（閉ループ・ゲイン）よりも非常に大きい場合にのみ成り立ちます。

 

非反転増幅回路

非反転増幅回路は、反転増幅回路とは逆の性質、つまり入力信号の極性を変えずに増幅する働きを持ちます。

回路構成

非反転増幅回路は、信号源が非反転入力端子に直接接続されます。

反転入力端子については、出力端子から抵抗R1とR2によって分圧された電圧が掛かるよう接続されます。

この非反転増幅回路においては、抵抗 R1とR2の比に1を加えたゲインGに従って増幅された信号がVoutに出力されます。

動作原理

非反転増幅回路も、オペアンプのイマジナリーショートの作用によって「Vin- 」に入力信号「Vin」の電圧が掛かります。

ここで、抵抗R1にはオームの法則に従って「I = Vin/R1」の電流が流れます。

ただし、この抵抗 R1に流れる電流は、オペアンプの入力インピーダンスが高いために「Vin-」端子からは流れず、出力端子から帰還抵抗 R2を介して流れることになります。

つまり、この回路を単純化すると、出力信号「Vout」は抵抗R1とR2の分圧比によって決まると言えます。

そして、抵抗の分圧の式を展開すると、出力信号 Voutは入力信号 Vinに対して（1+R2/R1）倍の電圧が掛かるということになります。

このように、非反転増幅回路においては、入力信号の極性をそのままの状態で電圧を増幅することができます。

 

ボルテージフォロワ

ボルテージフォロワは、入力信号をそのまま出力する働きを持ち、バッファ回路として使用されます。

このバッファ回路は、主に信号源と負荷の間でインピーダンス変換するために用いられます。

回路構成

ボルテージフォロワは、オペアンプの反転入力端子に出力端子が短絡された回路となります。

非反転入力端子には、入力信号が直接接続されます。

動作原理

ボルテージフォロワは、これまでの回路と比較すると動作原理は単純です。

まずは、オペアンプのイマジナリーショートによって反転入力端子には非反転入力端子と同じ電圧、入力信号 Vinが掛かります。

そして、反転入力端子は出力端子と短絡している、つまり同電位であるため、入力信号が出力信号としてそのまま出力されます。

つまり、入力信号に追従するようにして出力信号が変化するということです。

このボルテージフォロワは、一見すると何のために必要な回路か分かりづらいですが、オペアンプの介することによって入力インピーダンスを高く、出力インピーダンスを低くできるため、バッファや中継機として重要な役割を果たします。

 

おわりに

今回は、オペアンプの代表的な回路を3つ解説しました。

いずれの回路とも、電子回路の教科書では必ずと言っていいほど登場する基本的な回路ですが、数式をもとにして理解するのは少し難しいです。

そのため、この記事でも実践しているように図や回路シミュレータを使って、波形を見ながらどのように機能しているのかを学んでいくのがおすすめです。

オペアンプを使った解析方法については、書籍と動画講座でそれぞれ解説しています。

いずれも、回路シミュレータの使い方をイチから解説していので、ぜひチェックしてみてください。

 

今回は以上です。

最後まで読んでいただき、ありがとうございました。