見本第1部
第1章

アナログ代表「OPアンプ」入門

まずはアナログ半導体代表OPアンプの理想特性をおさえる

アナログ回路はOPアンプからがオススメ
エンジャー Engeer
ナログ回路で重要な役割を果たしており，個々の回路の詳細を把握しようとするとトランジスタへの理解が必須となります．

アナログ回路の基本を習得するためにはじめに手にとるべき部品としては，OP アンプをおすすめします．本章では，アナログ回路において OP アンプ
がどのような特徴をもつ部品なのかを紹介します．

● 実際のアナログ回路
一方で，近年ではさまざまな電子回路が集積回路となぜ OP アンプからはじめるべきか

して 1 チップ化されています．とくにアナログ回路の基本として教科書で学ぶような回路は，集積回路として IC チップに内蔵されているため，なかなか目にする機会がないというのが実情です．ここで座学と実務
かい りの間に乖離が生じてしまうわけです．

アナログ回路において OP アンプがどのような位置づけにあるのかを簡単に整理します．
● 半導体の代表…トランジスタと OP アンプ
アナログ回路の基本部品としてはトランジスタがあります．トランジスタは P 型と N 型の 2 種類の半導体によって構成された部品で，電流を増幅する作用をもちます．トランジスタの電流増幅作用はさまざまなア

IN

高
抽象度

↑

低

↓

システム設計機能ブロック設計
トランジスタ回路設計
トランジスタ素子設計

図 1 は回路設計の抽象化レベルを区分けしたものです．多くの回路設計者は，このうちのシステム設計，あるいは機能ブロック設計を業務として行っています．
トランジスタ回路設計やトランジスタ素子設計につい

∫

＋

VCO

見本
E
p

B
n

C
p

C
p

n

B

E

n＋

p
p

図 1（1）

10OUT

回路設計の階層と抽象度

No.167

教科書で学ぶようなトランジスタ回路
やトランジスタ素子などの抽象度の低い回路は，アナログ回路設計の実務において取り扱う機会が少ない．
また設計難易度も高い

第1章 アナログ回路はOPアンプからがオススメ

入力インピーダンス
Z in＝∞Ω

出力信号

プラス入力端子（非反転入力端子）

出力端子

入力信号
マイナス入力端子（反転入力端子）

入力端子間の電位差を増幅して出力する

図2

出力インピーダンス
Z out ＝0Ω

V in＋

入力信号

V in

V in−

OP アンプの動作概要と端子名

出力信号

ゲイン A

A ＝20×Log10● OP アンプから学ぶメリット
それではトランジスタに代わって何からアナログ回
路を学ぶべきかというと，OP アンプです．OP アンプ
は信号を増幅する作用をもつ半導体部品です．OP ア
ンプを使ったアナログ回路では，アナログ回路特有の難しい部分がある程度抽象化されているため，いくつかの周辺部品を組み合わせることで比較的簡単に信号を増幅できます．

そもそも OP アンプとはOP ア ン プ（オ ペ ア ン プ と 読 む）は，Operational
Amplifier を略したもので，日本語では演算増幅器と訳されます．

図3

V out
［dB］
V in

OP アンプの 3 つの特徴

はプラス端子とマイナス端子があります．プラス入力
端子を非反転入力端子，マイナス入力端子を反転入力端子と呼びます．
また，OP アンプは半導体の集積回路であるため電源が必要となります．OP アンプの電源端子はプラスとマイナスがあります．プラスの正側電源端子はV CC，マイナスの負側電源端子はV EE などの端子名が用いられます．

「理想的な OP アンプ」の特徴
理想的な OP アンプは，図 3 に示すような 3 つの特徴をもちます．
入力インピーダンスが高い（Z in＝∞）
出力インピーダンスが低い（Z out＝0）

ゲインが高い（A ＝∞）
理想的な OP アンプは現実に存在しませんが，OPアンプを使った回路を設計する場合に理想素子として捉えることで，単純化して回路を設計できるようにな
ります．

見本

● OP アンプの成り立ち
演算と増幅器が組み合わさった用語からわかるとおり，もともとはアナログ・コンピュータの演算用の素子として開発されました．現在のコンピュータはディジタル化されてしまいましたが，OP アンプがもつ演算機能や増幅作用は現代でも必要とされており，抵抗やコンデンサなどと同等の基本部品としてさまざまな回路で使用されています．

● OP アンプの端子構成
OP アンプの端子構成と動作概要を図 2 に示します．
OP アンプは，2 つの入力端子と 1 つの出力端子をもっており，入力端子間の電位差を増幅します．入力端子● 入力インピーダンスが高い
入力インピーダンスは，信号源から見た OP アンプの入力端子のインピーダンスのことです．理想的なOP アンプにおいては入力インピーダンスが∞Ωであるため，OP アンプの入力端子に電流が流れません．
つまり微小な信号であっても，誤差なく入力端子間の電位差を検出できるということです（図 4）．
OP アンプでは入力端子間の電位差を増幅して出力するため，微小レベルまで差を検出できるということは非常に重要です．また，入力インピーダンスが高い
ことで，信号源での電圧降下の影響も受けなくなります．

11実用回路設計ては，半導体デバイスの設計者が取り扱います．
このような状況でこれからアナログ回路を学んでいくときに，トランジスタからはじめるのは学習効率が高いとは言えません．これはトランジスタの学習が不要ということではなく，回路設計についてある程度の理解が深まってからトランジスタを学び直すほうが効率的ということです．

V out

V out

基本完全マスタ負側電源端子（V EE ）OPアンプの3つの特徴
入力インピーダンスが高い（ Z in＝∞ ）出力インピーダンスが低い（ Z out ＝0 ）ゲインが高い（A ＝∞ ）ＯＰアンプ入門

正側電源端子（V CC ）

第2章

汎用NJM741からはじめる！ さまざまな定格&特性値の見方

現実のOPアンプの電気特性

エンジャー Engeer
前章では理想的な OP アンプの動作原理を紹介しましたが，現実の OP アンプには各種の制約があり，特性パラメータとして規定されています．OP アン
プを正しく使うためには，特性パラメータについて理解しておくことが大切です．
そこで本章では，汎用OPアンプであるNJM741（日
清紡マイクロデバイス）のデータシート（1）をもとに，各特性の意味について解説します．OP アンプを使いこなす上で重要な特性が多数含まれています．

守らないといけない絶対最大定格
絶対最大定格（Absolute Maximum Ratings）は，瞬時的であっても超えてはならない OP アンプの動作条件です．NJM741 の絶対最大定格は，表 1 のように規定されています．絶対最大定格を超える条件で動作させると，特性が劣化したり，素子を破壊してしまった
ります．そのため，動作時に絶対最大定格を超えないように回路を設計する必要があります．実際には，絶対最大定格に対してある程度のマージン，いわゆるディレーティングをもたせて回路を設計します．
● 電源電圧（Supply Voltage）
V ＋/V －，V CC/V EE

電源電圧は，OP アンプの正側電源端子（V CC）と負側電源端子（V EE）にかけられる電圧のことです．NJM
741 においては±18 V となっているため，電源電圧がこの範囲に収まるように電源回路を設計します．

記号

定格

V ＋/V －

±18

V

V IC

±15（注）

V

V ID

±30

V

消費電力

PD

（D タイプ）500（M タイプ）300

mW

動作温度

T opr

－40 ～＋85℃－40 ～＋125℃

電源電圧
同相入力電圧
差動入力電圧

保存温度

T stg

同相入力電圧は，図 1 に示すように，2 つの入力端子（反転入力端子と非反転入力端子）と GND 間に入力可能な電圧の限界値を表したものです．
また，表 1 に注記として記載されていますが，このOP アンプの場合は電源電圧が±15 V 以下の場合は同相入力電圧と電源電圧が等しくなります．
● 差動入力電圧（Differential Input Voltage）
V ID

差動入力電圧は，反転入力端子と非反転入力端子間に印加可能な最大電圧を表しています．この差動入力
電圧は図 2 に示すように，2 つの端子間の電位差を表したものなので，いずれの端子の電圧を基準としてもよく，また極性も関係ありません．
● 消費電力P D

消費電力は，OP アンプが許容可能な電力を表したものです．同じシリーズでもパッケージ形状によって熱抵抗が異なるため，形状ごとに消費電力が規定されています．
注意すべき点としては，この消費電力が周囲温度

No.167

T a＝25 ℃で規定された値だということです．つまり，
この消費電力は周囲温度が 25 ℃のときに動作温度の上限＋85 ℃を超えないように規定されたものであって，周囲温度が 25 ℃よりも高い場合には絶対最大定格の消費電力は小さくなります．

単位（注）
電源電圧が±15 V 以下の場合は電源電圧と等しくなる

16● 同相入力電圧（Input Voltage）
V IC

見本

（周囲温度 25 ℃）
表 1（1） NJM741 の絶対最大定格
項目

OP アンプは入力信号を増幅して出力する働きをもちますが，電源電圧以上に増幅することはできません．

図 1 同相入力電圧は 2 つの入力端子と GND 間に入力可能な電圧を表
したもの

V CC

V IC
V EE

第3章

部品は電気特性だけで決まるわけじゃない

OPアンプICの種類と選び方エンジャー Engeer

OP アンプは，さまざまなメーカから多種多様なラインナップで販売されています．そこで本章では，
OP アンプを選ぶときに知っておくと役立つ，分類
方法とそれぞれの特徴について説明します．部品選定の際の参考として活用してください．

パッケージによる分類
OP アンプをはじめとした集積化回路は，規格化されたパッケージに封止されて販売されています．パッ
ケージは，目で見てわかる OP アンプの最も大きな違いです．
OPアンプに使用されるパッケージの代表的なものとしてDIP（Dual In−line Package）とSOP（Small Outline
Package）があります．図 1 に示したのは NJM741 の 2つのパッケージの違いです．
● その 1：DIP
DIP は，比較的端子数の少ない IC に使用されるパッケージです．端子がパッケージの両側面から出ており，プリント基板の挿入実装部品です．
端子数は 4 ～ 64 ピンでいろいろなバリエーションが存在しますが，OP アンプにおいては主に 8 ピンと14 ピンが使用されています．パッケージが同じであれば，異なるメーカにおいてもピン配置の互換性があります．

● その 2：SOP
SOP は，DIP と同じくパッケージの両端から端子が出ているタイプのものです．DIP との違いとしては，
表面実装用タイプであることとピン・ピッチが狭いことが挙げられ，小型化に適したパッケージと言えます．
SOP は，DIP と比較して熱容量が小さくなります．
前章で紹介した NJM741 の場合，DIP では消費電力が500 mW であったのに対して，SOP は 300 mW です．
なお，SOP にはピン・ピッチやパッケージ幅が異なるものが数多く存在します．ピン配置の互換性があったとしてもフット・プリントの互換性がないために，
別の OP アンプに置き換えられないことがあります．

回路数による分類
市販されている OP アンプは 1 個のパッケージの中に複数の回路が実装されており，1 回路，2 回路，4 回路のタイプに分かれます．ここでは DIP を例にして，回路数ごとのピン数とピン配置の関係を紹介します．
● 1 回路入り OP アンプ
1 回路入りの OP アンプは 8 ピンの DIP に封止されています．図 2 に示すように，2 ピンが反転入力端子，3ピンが非反転入力端子，4 ピンが負側電源端子，6 ピンが出力端子，7 ピンが正側電源端子と規定されています．
そのほかの端子は OP アンプの型式ごとに異なりますが，NJM741 においては 1 ピンと 5 ピンがオフセッ
ト電圧の調整端子，8 ピンは NC（Non Connection；未接続）となっています．

見本

NJM741D

NJM741M（a）DIP（b）SOP

図 1（1） NJM741 におけるパッケージの違い

24

No.167● 2 回路入り OP アンプ
2 回路入りの OP アンプも 8 ピンの DIP に封止されます．図 3 に示すように，2 つの OP アンプに対して，OP
アンプ A の入力端子が 3 ピンと 2 ピン，出力端子が 1ピンとなっています．また，OP アンプ B については
5 ピンと 6 ピンが入力端子，7 ピンが出力端子です．残

2

第 部

第2部

第4章

完全マスタ！ 基本 OP アンプ回路

完全マスタ！ 基本 OPアンプ回路

まずは基本回路で設計の全体像をつかむ

その①：反転増幅回路
エンジャー Engeer

反転増幅回路の理論
反転増幅回路は，図 1 に示す OP アンプと 2 つの抵抗によって構成され，入力信号の極性を反転して増幅する作用をもちます．極性というのは，直流回路においてはプラスとマイナスの符号を意味し，交流回路においては位相が 180°変化することを意味します．
R2
入力信号

R1

V in−

V in

V in＋

−

● 動作の概略
まずは数式ではなく，イメージ図をもとにして反転増幅回路の概略を理解します．
バーチャル・ショートの作用
反転増幅回路では，OP アンプの反転入力端子に対して入力抵抗 R 1 を介して信号源が接続されます．こ

▲本章では，OP アンプを使った回路のなかでも最も基本となる反転増幅回路の理論，設計（シミュレーション），製作，測定を順に解説します．設計，製作，測定については，読者の手元で再現できるよ
うに工夫しているので，ぜひ本書を片手に実験にチャレンジしてみてください．

のとき，OP アンプの入力インピーダンスは非常に高いため，図 2 に示すように OP アンプ内部には電流が流れません．
また，
反転入力端子の電位はバーチャル・
ショートによって GND と同電位，つまり 0 V となります．
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）に基づいて反転増幅回路の動作を考えると，点V in−には入力抵抗 R 1 と帰還抵抗 R 2から同じ大きさで極性が異なる電流 2 つの電流
（I 1＝
−I 2）
が流れ込むことになります（図 3）．
R2

出力信号

V out

＋

入力信号

R1

V in
V out ＝−
図1

R2
V
R 1 in反転増幅回路の構成

入力信号

V in

I2

見本

R1

0V

電流

V out

＋

キルヒホッフの電流則

I 1＋I 2＝I 3
I 3＝0
I 1＝− I 2

V out ＝ R 2 ×（− I 1 ）

図3

反転増幅回路における電流の流れ方

01印

入力信号

V in

I1
R1

式を変形

V out ＝−

R2
−I1

V in− −

＋
図4

R2
V in
R1

出力信号

V out

反転増幅回路における出力電圧の求め方

No.167

34034-047

出力電圧VV
I 1＝ Rin ＝− Rout
1
2

出力信号

I 3＝0A

オームの法則OP アンプの入力端子には電流が流れない

I 2＝− I 1

V in− −V out

OPアンプの入力インピーダンスは非常に高いため電流は流れない．またバーチャル・ショートによって反転入力端子は0Vになる

図2

R2

出力信号

流れない
＋

OP アンプと 2 つの抵抗で構成され，入力信号と出力信号の極性が反転する

I1

V in− −

0V

第2部4章̲2C.indd 34

2024/06/15 9:25

2

完全マスタ！ 基本 OP アンプ回路

第 部

基本の反転増幅とのちがいからOPアンプを知る

第5章

その②：非反転増幅回路
エンジャー Engeer
OP アンプを使った基本回路として，非反転増幅回路の理論，設計（シミュレーション），製作，測定を順に解説していきます．

▲

非反転増幅回路の理論
非反転増幅回路は，図 1 に示すように OP アンプと2 つの抵抗によって構成されます．非反転増幅回路では信号源が非反転入力端子に接続されているため，入力信号と同じ極性で増幅された信号が出力されます．
回路のゲイン G は，2 つの抵抗の抵抗比に 1 を加えたものとなります．

▲

まずはバーチャル・ショート
非反転増幅回路においても，OP アンプのバーチャ
ル・ショートの作用が重要な役割を果たします．反転
V in＋

V in

V in−

＋

出力信号

V out

−

R2
R1
図1

V out ＝ 1＋

見本

R2
V in
R1

非反転増幅回路の構成

OP アンプと 2 つの抵抗で構成され，入力信号の極性がそのままで増幅される

バーチャル・
ショートに
よって非反
転入力端子
に接続され
た信号源の
電圧が反転
入力端子に
もかかる
図2

入力信号 V in＋ ＋

V in

02印

V in−
V in

入力信号

V in＋ ＋

V inバーチャル・
ショート

流れない

出力信号

V in−

−

入力インピ
ーダンス
Z in＝∞Ω

出力信号

V out

−

R 2 帰還抵抗

V out
R2

接地抵抗

R1

R1

非反転増幅回路の帰還抵抗に流れる電流

図3

I1

I1
OPアンプの入力インピーダンスが高い
ため，接地抵抗に流れる電流はOPアンプの出力端子から流れる

非反転増幅回路における電流の流れ方

No.16748048-055

V in /R 1）の電流が流れます．理想的な OP アンプの入力インピーダンスは非常に高い（Z in＝∞）ため，電流I 1 は OP アンプの出力端子から帰還抵抗 R 2 を介して流れます（図 3）．そのため，出力信号 V out は抵抗 R 1 と帰還抵抗 R 2 のそれぞれの電圧降下分だけの電圧をもちます．
分圧と出力電圧の関係
入力電圧V in が規定された状態においては，出力電圧V out はバーチャル・ショートの作用が働くため，抵
抗 R 1 と帰還抵抗 R 2 の分圧比によって決まります（図4）．
抵抗の分圧則の式を展開すると，出力信号V out は入力
信号V in に対して（1＋R 2 /R 1）倍の電位をもつことになります．
これが非反転増幅回路において，信号が増幅される原理です．非反転増幅回路の動作は，0 V を支点としたテコの動作のように捉えることができます．図 5 において，非反転増幅回路では抵抗 R 1 と帰還抵抗 R 2 が同一極性に並んでいるため，入力信号の極性をそのま▲● 動作の概略

入力信号

入力端子と非反転入力端子はバーチャル・ショートの作用によって，図 2 に示すように同電位となります．
つまり，非反転入力端子に信号源が接続されると，それと同じ電位が反転入力端子にかかるように OP ア
ンプが動作するということです．
帰還回路の作用
このとき，抵抗 R 1 にはオームの法則に従ってI（＝1

第2部5章̲2C.indd 48

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第7章 その④：加算回路

ＯＰアンプ入門第7章

アナログ回路で計算できる基本

その④：加算回路● 反転加算回路
反転加算回路は図 1 に示すように，OP アンプの反転入力端子に複数の信号源を接続した回路です．反転増幅回路と同じく，帰還抵抗を出力端子と反転入力端子間に接続しています．各信号源の入力抵抗との比によってそれぞれのゲインが求まり，それらが足し合わされて出力されます．なお，出力信号の極性は入力信

入力信号

RF

R1

V in1

V in−

入力信号

R2

V in＋

V in2

V out ＝−
図1−

見本

2 帰還抵抗R F にはキルヒホッフの法則の電流則に基づいてI F ＝−（I 1＋I 2）の電流が流れる

R1

I1

R2

I2

V in1

出力信号

＋

V in1 V in2
V inN
＋
＋……＋
RF
R1
R2
RN

反転加算回路の構成

R F による電圧降下が出力信号として観測されます．
つまり，入力側の電流がすべて足し合わされて，出力端子に現れるということです．
ゲインの計算方法
ここでは信号源が 3 つの場合を想定して，ゲインを計算してみます．
図 3 に示すように，信号源 V 1，V 2，V 3 には，それぞれ入力抵抗 R 1，R 2，R 3 が接続されており，帰還抵
抗は R F とします．バーチャル・ショートによって反転入力端子の電圧が 0 V となるため，各信号源の入力
電流はオームの法則で計算できます．
V1
I 1＝
（1）
R1
V2
I 2＝
（2）
R2

▲

OP アンプを使った加算回路には，反転増幅回路による方式と非反転増幅回路による方式の 2 通りが存在
し，それぞれ反転加算回路と非反転加算回路と呼びます．いずれの方式においても，OP アンプの入力端子に複数の信号源を接続します．各信号源に対するゲインは，入力抵抗と帰還抵抗の比によって決まります．

実用回路設計

加算回路の理論号に対して反転します．
動作イメージ
反転加算回路の動作は OP アンプのバーチャル・シ
ョートの作用をもとに理解できます．
非反転入力端子が GND に接続されているため，図 2に示すように反転入力端子の電位は 0 V となります．
これに対して，各信号源からは入力抵抗を介して電流が流れます．この電流は，OP アンプの入力インピー
ダンスが非常に高いため帰還抵抗R F へと流れていき，▲

ここからは OP アンプを使った演算回路を取り上げます．演算回路においても理論だけでなく，回路シミュレーションによる検証と実際の回路の製作を行います．各種の演算回路のなかで，はじめに紹介するのは最も基本となる加算回路です．加算回路では，複数の入力信号に対してそれぞれにゲインを設定し，それらを足し合わせて出力できます．

基本完全マスタエンジャー Engeer

反転加算回路は反転増幅回路に複数の信号源を接続した構成

V out

RF
0V

−

I 1＋I 2
V out

V in2

＋

1 バーチャル・ショートの作用によって反転増幅回路にかかる電圧は0Vとなる

3 帰還抵抗の電圧降下によって生じる電圧が出力信号として観測される

図2

バーチャル・
ショート

反転加算回路における電流の流れ方

65065-071

04印

第2部7章̲1C.indd 65

2024/06/14 18:14

2

完全マスタ！ 基本 OP アンプ回路

第 部

第9章

ノイズ除去など応用性抜群！

その⑥：ローパス動作
積分回路
エンジャー Engeer

積分回路は微分回路と反対の性質をもつ回路で，ローパス・フィルタとして機能します．アナログ回路におけるローパス・フィルタは，後段の回路に対してノイズの影響を取り除く働きをもつために非常によく使用されます．

C
入力信号

V in＋

V out ＝−

● 積分回路の概要
積分回路の構成は図 1 に示すように，反転増幅回路の帰還抵抗をコンデンサに置き換えたものです．周波数が低い領域では反転増幅回路として機能する一方で，周波数が高い領域では入力信号の変動が平均化されるため，ローパス・フィルタとして機能します．また，積分処理では入力信号の面積に応じて出力が変化する
ため，矩形波を三角波に変換できます．
積分回路では帰還容量のインピーダンスによって回路のゲインが変化するため，低い周波数と高い周波数で動作に違いが生じます．
● 低周波信号に対する動作イメージ
積分回路は，OP アンプのバーチャル・ショートの作用から動作を理解できます．図 2 に示すように，非反転入力端子は GND と接続されているため，反転入

低周波信号

V in

0V

I＝

V in
R1

図2

V out ＝−

低周波信号に対する積分回路の挙動

基づいて電流が流れます．

V in
（1）
R1
OP アンプの入力インピーダンスは非常に高いため，抵抗R 1 に流れる電流I はコンデンサへと流れていきます．一方で，コンデンサに流れる電流の大きさは，静電容量C と出力信号の時間変化によって決まります．
ddV outI ＝C （0−V out）＝−C
（2）
dt
dt
式
（1）
と式
（2）
より，出力電圧V out が求まります．
I＝帰還抵抗 R F は周波数の低い信号に対して，ゲインを制限する働きをもつ

RF

C

CR 1

V in dt

V in

図3

R1

V in−
V in＋

−
＋

出力信号

V out

実用的な積分回路の構成

No.1677806印

力端子の電位もバーチャル・ショートによって 0 V となります．ここで，入力抵抗 R 1 にはオームの法則に

入力信号

帰還容量のインピーダンスZ C が高いためゲインが非常に大きい

078-084

V in dt

V out

1

V out

＋

＋
バーチャル・
ショート

出力信号

積分回路の構成

ZC
≒∞
G ＝−
R1

−

1

CR 1

−

積分回路は反転増幅回路の帰還抵抗をコンデンサに置き換えた構成

Z C＞＞R 1

C

R1

図1

見本

dVout
dt

V in−

V in

積分回路の理論I ＝−C

R1

第2部9章̲1C.indd 78

2024/06/15 9:32

3

第 部

第3部

実用いまどき単電源／レール・ツー・
実用いまどき単電源/レール・ツー・
レール
レールOP
OPアンプ回路
アンプ回路

実用いまどき単電源/レール・ツー・レールOPアンプ回路

第12章 これからのアナログ回路のコモンセンス

いまどきのOPアンプ…
「単電源」＆「レール・ツー・レール」とはエンジャー Engeer
マイコンなどを使った電子回路においては 5 V や
3.3 V などの単電源が使用されます．本章では，OPアンプを単電源で使用するうえで知っておくべき知識について解説します．また，単電源 OP アンプを使用した各種回路の構成例も紹介します．

単電源 OP アンプとは● 両電源と単電源の違い
両電源と単電源の違いについて整理します．図 1（a）のように，両電源はプラスのV CC とマイナスのV EE の2 つの極性をもちます．一方で，単電源は図 1（b）に示
すように，正側電源端子にはプラスV CC が接続されますが，負側電源端子には GND が接続されます．つまり OP アンプの動作として考えると，単電源 OP アン
プは入出力の電圧範囲が V CC〜GND に制限されるということです．
両電源 OP アンプにも負側電源端子を GND に接続
すれば単電源 OP アンプのように動作するものも存在します．ただし，OP アンプ内部の構成が異なるため，入出力の電圧範囲が完全に一致するわけではありませ
ん．

V＋

−

GND

V EE

09印

V EE
（b）単電源OPアンプ

両電源 OP アンプと単電源 OP アンプの動作電圧範囲の違い

No.167

118

118-125−GND（a）両電源OPアンプ
図1

V CC

＋

＋

V−

● バイアス回路の必要性
0 V 付近の電圧を取り扱える単電源 OP アンプでは，動作点を定めるためのバイアス回路が必要となります．
一般的な交流信号は 0 V を基準に両極性の電圧を出力します．交流信号をそのまま単電源 OP アンプに入力
すると，負の電圧を取り扱うことができないため，
図 3 に示すように片側がクリップされた波形が出力されてしまいます．また，出力信号の下限値も完全に
0 V までは低下しておらず，50 mV 程度のところでクリップされています．
このように，OP アンプを単電源で使用する場合には，両電源 OP アンプの回路から単純にデバイスを置き換えるだけでは動作しません．ここでの問題は，入力信号に負極性が含まれていることです．そのため単

見本

V CC

V＋

● 入力電圧範囲が異なる理由
両電源 OP アンプの入力部は図 2（a）に示すように，
トランジスタの差動増幅回路によって構成されます．
一方で，単電源 OP アンプの入力部は図 2（b）に示すように，差動増幅回路が 2 段のトランジスタで構成されています．このようにすることで，カレント・ミラー
回路による電圧降下の影響を受けなくなるため，単電源 OP アンプでは 0 V 付近の電圧が入力できます．

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第14章
第14章 マイコン直結OK！55 V単電源の温度測定回路

マイコン直結 OK！
5 V 単電源の温度測定回路

OP アンプ IC は 1960 年代後半の登場以来，正負両電源（例えば±15 V など）で使用することを前提に作られていました．しかし近年は単電源専用や低電圧向
けの IC も多く出現し，用途ごとに適した OP アンプが選べるようになってきています．また使う側としては，バッテリ駆動のポータブル機器では限られた電源条件をフル活用し，A−D コンバータやマイコンとのイン

OP アンプを低電圧動作させるときの課題● 実際の動作電圧範囲を確かめる
5 V や 3.3 V といった低電圧で動作する回路を組む
とき気をつけなければならないことの 1 つに，OP ア
ンプが電源電圧に対してどこまで大きい信号を入出力

30

LM358のような単電源動作のOPアンプが登場（PNP入力段）
3

25

4

20

回路工夫で正負（上下）とも
電源いっぱいまで振れる
RTR OPアンプが登場

電源電圧［V］

10

5

5
0

2

−5
−10

図1

デンサと呼ばれるもので，入力信号の中の交流信号だ
けを通します．カップリング・コンデンサの後は交流信号の中心を 0 V と 5 V の中心である 2.5 V で動作させるように，R 1 とR 2 で分圧してバイアスしています．

見本

RTR：レール・ツー・レール

15

−15

実用回路設計ターフェースでは，接続先のディジタル機器の電圧に合わせてアナログ信号を扱う必要があります．
本稿では，OP アンプを＋5 V 以下の単電源で使用することを前提に，応用上の課題と解決策を探ります．

できるかがあります．
図 1 は，OP アンプで使用されている電源電圧と実際の信号電圧の推移について整理したものです．当初の OP アンプの多くは最大電源電圧がほぼ±18 V くらい，よって±15 V 電源で使用するケースが多かった
ようです．これはターゲットがアナログ・コンピュー
タだったので，信号電圧は切りの良い±10 V．したがって電源電圧は±15 V…というあたりが理由のようです．
両電源用 OP アンプの基準電位をシフトして単電源で使うことも多かったのですが，両電源用 OP アンプには単電源用 OP アンプと比べると，図 1 に示すように 0 V 付近の電圧を入力することが難しいという欠点があります．
実際に，OP アンプの動作電圧範囲を確かめてみます．図 2 に示す電圧フォロワ回路を使い，入力信号と出力信号をオシロスコープでモニタします．この例では入力信号がどのくらいのレベルで電源電圧に引っかかってクリップするのかを見るために，交流信号を入力しています．図 2 の C 1 はカップリング（結合）コン

基本完全マスタ猪熊 隆也 Takaya Inokuma

ＯＰアンプ入門

第14章 NTCサーミスタ用増幅回路の設計

1

RTR OPアンプに加えCMOS回路による低電圧OPアンプも増えてきた

0V（回路の基準電位）
基準電位をシフトして単電源で使うことも多かった

当初のOPアンプ．±15V電源使用が多かった．出力は電源電圧より正負
とも2〜3V内側であった

OP アンプの電源電圧と動作電圧範囲の推移

＋5V

IN

C1

47μ

R1

47k

＋

R2

47k

低周波信号
発生器
600Ω出力

＋5V

−

I C1

OPアンプを交換して測定実験をした

C2

OUT

47μ
オシロスコープ

図 2 単電源動作における出力波形の測定回路（電圧フォロワ回路）

135

135-140

11-1印

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3

第 部

実用いまどき単電源／レール・ツー・
実用いまどき単電源/レール・ツー・
レール
レールOP
OPアンプ回路
アンプ回路

第17章 発熱/DCオフセット/フィルタ/出力インピーダンス

オーディオ用OP アンプ回路のポイント
猪熊 隆也 Takaya Inokuma

OP アンプの発熱
OP アンプで回路を組む場合，求める性能に応じて回路定数や使用部品の種類を検討すると思いますが，熱設計も忘れてはいけません．
意外と見落としがちなのが OP アンプ自体の発熱です．データシートには，絶対最大定格，ディレーティ
ング・カーブなどが記されています．これらは絶対に超えてはならない温度であり，十分な余裕をもって使用しなければなりません．素子が熱いまま動作させ続けると，すぐには壊れないにしても，発熱のあおりを受けた電解コンデンサなど周辺回路の寿命を短くした
り，はんだ割れ（クラック）が発生したりするなど，長期間使用し続けた場合の信頼性に大きく影響します．

壊れてしまう危険もあります．
また，周囲温度が高くなると，入力バイアス電流は小さくなります．周囲温度が 0 ℃と 50 ℃では 20 ％ほどのずれが生じますので，DC オフセットの温度ドリフトにも注意が必要です．
● OP アンプの温度を測定してみた
電源電圧を変化させた場合
実 際 に， リ ー ド・ タ イ プ の NJM5532DD（8 ピ ンDIP）と表面実装タイプの NJM5532MD（8 ピン SOP）のボディ表面温度を測定してみました．ガラス・エポキ
シ基板に実装し，電源電圧を変化させて熱電対 K−▲

無料で使える回路シミュレータが多数出てきており，部品メーカからも個別製品のマクロ・モデルが供給される昨今では，趣味でも仕事でも回路シミュレーショ
ンが欠かせないツールになっています．ところがシミュレーションではうまく動いていたのに，実際に回路を組んで動かしてみると，思ったような結果が得られない…という経験はないでしょうか．
本稿では，回路シミュレータだけではなかなか検討することができない，ともすれば見落としがちな OP
アンプのふるまいを考えてみます．

4

250CD
（三和電気計器）を使って測定します．負荷はな
4し（オープン），入力はショートで信号を入れずに電源電圧だけを変化させます．測定回路を図 1 に示します．
その結果が図 2 です．測定データは絶対値ではなく温度上昇値ΔT で表しています．ΔT ＝40 ℃ということは，周囲温度が 35 ℃であれば IC 表面温度は 75 ℃ということになります．
DIP パッケージはそれほどでもありませんが（といっても熱い！），表面実装タイプの SMD パッケージは負荷に電流が流れていない状態といっても，電源電圧±20 V 時にはΔT で 40 ℃とかなり熱くなっています．
OP アンプの温度は内部損失と負荷による出力段の見本● 電気的な影響
例えば，NJM5532D（日清紡マイクロデバイス）は内部消費電流が大きく（最大 16 mA），電源電圧しだいでは負荷に電流を流さなくてもかなりの熱さになります．
データシート（1）の消費電流対周囲温度特性例によると，電源電圧が±15 V のとき，周囲温度が 25 ℃では消費電流が約 9 mA です．周囲温度が 50 ℃まで上がったときは 9.5 mA に増加します．この IC の消費電流の最大値は 16 mA なのでばらつきが大きく，正の温度係数をもっているので，熱くなると電流が増え，発熱が増え，また電流が増えて…と最終的には部品が15印

NJM5532
DD/MD

熱電対 K-250CD+15V （三和電気計器）−15V

R 2 9.1k

R1
1k

RL

ディジタル・
マルチメータ
CD772（三和電気計器）C 1 100p
VP-7782D（levear）
オーディオ・アナライザ
600Ω出力図1

入力

OP アンプの温度上昇測定回路

No.167160

160-165

被測定アンプ

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このPDFは，CQ出版社発売の「トランジスタ技術SPECIAL No.167」の一部見本です．
内容・購入方法などにつきましては以下のホームページをご覧下さい．
内容
https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MSP/MSP202407.html
購入方法
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見本