前回のチュートリアルでは、オペアンプの開ループ利得（AVO）が1,000,000（120dB）以上と非常に高くなることを見ました。
しかし、この非常に高いゲインは実際には役に立ちません。なぜなら、わずか数マイクロボルト (μV) の小さな入力信号で、出力電圧が飽和し、電圧供給レールのいずれかに向かってスイングするのに十分であり、出力の完全な制御を失うため、アンプが不安定で制御が困難になるからです。
オペアンプのオープンループDCゲインは非常に高いので、出力端子から反転入力端子までアンプに適切な抵抗を接続することで、この高いゲインの一部を失うことができ、アンプの全体的なゲインを下げ、かつコントロールすることができます。
負のフィードバックとは、出力信号の一部を入力に戻すことですが、負のフィードバックを行うためには、Rƒと呼ばれる外部フィードバック抵抗を使用して、オペアンプの負または「反転入力」端子にフィードバックする必要があります。
この効果により、アンプに閉ループ回路が形成され、アンプの利得は現在、閉ループ利得と呼ばれています。
この負のフィードバックの結果、反転入力端子には、実際の入力電圧とは異なる信号が発生します。
正の非反転入力を使用していないため、これは下図のように共通のアースまたはゼロ電圧端子に接続されていますが、この閉ループフィードバック回路の効果により、反転入力の電位は非反転入力の電位と等しくなり、アースされた基準入力と同じ電位になるため、仮想アースのサミングポイントが生成されます。
反転式オペアンプの構成
この反転式アンプの回路では、オペアンプにフィードバックを接続して閉ループ動作を実現しています。 演算増幅器を扱う上で、反転増幅器には2つの非常に重要なルールがあり、それらを覚えておきましょう。 “それは、「入力端子には電流が流れない」ことと、「V1は常にV2と等しい」ことです。
これは、入力信号とフィードバック信号の分岐点(X)が、プラス(+)の入力と同じ電位(ゼロボルトまたはグランド)になっているためで、この分岐点は「仮想アース」になっています。
先ほど、反転増幅器やその他の演算増幅器について、覚えておくべき非常に重要なルールが2つあると言いました。
- 入力端子には電流が流れない
- 差動入力電圧は V1 = V2 = 0 としてゼロになる (Virtual Earth)
この2つのルールを利用して、第一原理により反転アンプの閉ループ利得を計算する式を導き出すことができます。
pamp gain formula
それでは。 反転増幅器の閉ループ電圧利得は次のように与えられます。
そして、これを転置するとVoutは次のように与えられます。
リニア出力
式中の負の符号は、出力信号が入力に対して180°位相がずれて反転していることを示しています。
また、出力電圧Voutの方程式は、Vout = Vin x Gainとして、固定されたアンプのゲインに対して回路が線形であることを示しています。
反転増幅器のもう一つの有用な応用例として、「トランスレジスタンス増幅器」回路があります。 トランス抵抗増幅器は、「トランスインピーダンス増幅器」としても知られており、基本的には電流-電圧変換器です（電流「入」と電圧「出」）。 フォトダイオードや受光素子などから発生する微小な電流を、図のように入力電流に比例した使用可能な出力電圧に変換するために、低消費電力のアプリケーションで使用されます。
トランス抵抗増幅回路
上記のシンプルな光駆動回路は、フォトダイオードから発生した電流を電圧に変換します。 フィードバック抵抗Rƒは、反転入力の動作電圧点を設定し、出力量を制御します。 出力電圧は、Vout＝Is×Rƒで与えられます。
反転型オペアンプの例 No1
次の反転型アンプ回路の閉ループ利得を求めなさい。
先に求めた回路のゲインの式を用いて
ここで、回路内の抵抗の値を以下のように代入してみます。
Rin = 10kΩ、Rƒ = 100kΩ
そして、この回路のゲインは次のように計算されます。
反転オペアンプの例 No2
元の回路のゲインを40（32dB）にしたい場合、必要な抵抗の新しい値を求めます。
入力抵抗を同じ値の10KΩにするとして、閉ループ電圧利得の公式を再配置することにより、フィードバック抵抗Rƒに必要な新しい値を見つけることができます。
利得 = Rƒ/Rin
よって、Rƒ = 利得 x Rin
Rƒ = 40 x 10,000
Rƒ = 400,000 or 400KΩ
回路の利得を40にするために必要な抵抗の新しい値は次のようになります。
Rin = 10KΩ、Rƒ = 400KΩ
この式は、Rƒの値を変えずに、Rinの値を変えることもできます。
オペアンプの反転増幅器の構成について最後に注意すべき点は、2つの抵抗が同じ値である場合、Rin = Rƒであれば、増幅器の利得は-1となり、入力電圧の相補形がVout = -Vinとして出力されます。 このような反転増幅器の構成は、一般的にユニティ・ゲイン・インバータ、または単に反転バッファと呼ばれています。
次のチュートリアルでは、入力と「同相」の出力信号を生成する非反転増幅器と呼ばれる、反転増幅器のオペアンプ回路を分析します。
