参 考 資 料
JAJA130– 2008年2月

www.tij.co.jp

位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプの使用の注意点
山内

Field Applications & Solutions, Analog Signal Chain

淳

アブストラクト
また、OPA830を例として、問題事例を挙げています。

本アプリケーションノートは、位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプを使用する際に、必要な注意点と回路設計方法に

第３章では、特に問題となる非反転増幅回路のGain=1の場ついて実例を挙げて、解説したものです。

合について、その問題と解決方法について、OPA830を例と第１章では、オペアンプを使用する際に、位相・ゲイン余して説明しています。
第４章では、反転増幅回路において、第３章までに述べた問裕がない場合に生じる問題について述べています。

題が起きる場合について、その問題と解決方法について説明

第２章では、位相・ゲイン余裕、それぞれの余裕がない場しています。

合に生じる、発振現象について述べています。

目次
１．はじめに.................................................................................................................... 2
２．非反転増幅回路における不安定動作の要素.............................................................. 2２．１ 発振の原理....................................................................................................... 2２．２ ゲイン余裕・位相余裕................................................................................... 3
２．３ ＯＰＡ８３０の周波数特性............................................................................ 3
２．４ ＯＰＡ８３０のボルテージフォロワ回路特性 …................................................. 4
３．非反転増幅回路 Ｇａｉｎ＝１での使用方法............................................................. 5
３．１ ノイズゲインを上げてピークを低減する....................................................... 5
３．２ 入力端子間で位相補償する............................................................................. 5
３．３ 発振する周波数付近の信号のＧａｉｎを下げる.............................................. 6
４．反転増幅回路での使用方法........................................................................................ 7４．１ 反転増幅回路における発振例........................................................................... 7
４．２ 反転増幅回路における発振への対策................................................................ 7５．まとめ......................................................................................................................... 8６．参考文献...................................................................................................................... 8

この資料は日本テキサス･インスツルメンツ(日本TI)が、お客様がTIおよび日本TI製品を理解するための一助としてお役に立てるよう、作成しております。製品に関する情報は随時更新されますので最新版の情報を取得するようお勧めします。
TIおよび日本TIは、更新以前の情報に基づいて発生した問題や障害等につきましては如何なる責任も負いません。また、TI及び日本TIは本ドキュメン
トに記載された情報により発生した問題や障害等につきましては如何なる責任も負いません。

1

JAJA130

１．はじめにオペアンプは非常に多くの種類が存在し、それぞれの持つ諸特性に応じて、多くの用途に用いられています。ただし、その選択や使い方によっては、所望の特性が得られなかったり、問題が生じることもあります。位相・ゲイン余裕について、考慮しない場合では、最悪発振する可能性があります。
特に、高速・広帯域のオペアンプでは、周波数特性を伸ばすために、位相余裕を十分に取ることができないことが多く、使い方には注意が必要となります。
２．

非反転増幅回路における不安定動作の要素

非反転増幅回路において、Gain=1で使用する場合には、一般的にボルテージフォロワ回路を用います。一般的にオペアンプは、入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低いため、この回路は、前段・次段を分離するバッファ回路として用いられます。

図１

ボルテージフォロワ回路

ただし、用いるオペアンプによっては、Gainにピークを持ち、位相が回転して最悪発振します。まず、なぜ発振が起きるかについて実際のオペアンプ（OPA830）を例に挙げて説明します。
２．１

発振の原理

一般的な発振の原理について、以下に述べます。
オペアンプの負帰還回路を図２に示します。この回路において、出力信号が入力信号のレベルと等しくかつ位相が同じときに発振が起きます。

Vout

AoβVin
図２

オペアンプ

負帰還回路

図２において、出力電圧・入力電圧は下記のようになります。

Vout = -Ao・Vin
Vin = β・Vout
つまり、Aoβ=-1が成り立つときに、発振することとなります。これは、ループゲイン（Aoβ）が１で、位相が180°回転した時に発振することを示しています。

2

位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプの使用の注意点

JAJA130

２．２

ゲイン余裕・位相余裕

オペアンプが発振に対して、どの程度の余裕があるかを判断するために、ゲイン余裕・位相余裕があります。図３に、増幅回路を構成した際の利得・位相特性を示します。
利得[dB]

ゲイン余裕
0周波数
位相[deg.]

180°
位相余裕

周波数

図３

増幅回路の利得・位相特性

ゲイン余裕は、位相が-180°の時に、利得が0dBよりどの程度小さくなっているかを示しています。
また、位相余裕は、利得が０の時に、位相が-180°よりどの程度の余裕があるかを示しています。このため、位相が-180°で利得が正である場合・利得が0dBで位相が-180°より回転している場合、動作が不安定で発振する可能性があります。
一般的には、位相余裕は45°～60°、ゲイン余裕7dB～10dB以上であることが目安となります。ただし、高速・広帯域のオペアンプでは、この値より小さくなることが多くなります。
２．３

OPA830の周波数特性

次に、OPA830を実例として、実際の回路ではどのような挙動を示し、どのような対策が必要であるかについて、説明します。
OPA830は、ローパワー、単電源、広帯域の電圧帰還型のオペアンプです。また、データシート内には、”unity-gain stable”の表記があり、ボルテージフォロワ回路においても、安定して動作するように思われます。
ただし、実際には非反転入力でGain=1において、発振の対策が必要となります。このことについて
は、OPA830のデータシート SBOS263Eの21ページに記載されています。
このように、必ずしも”unity-gain stable”であっても、単純にボルテージフォロワ回路を作成してしまうと、Gain=1で安定して動作せず、発振してしまうものがあります。安定して動作するかどうか、Gain=1での周波数特性を見るとわかります。
図４にOPA830の非反転入力での周波数特性を記します。

位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプの使用の注意点

3

JAJA130

図４ OPA830非反転増幅回路 小信号周波数特性（電源電圧=5V）
Gain=2以上においては、ピークがなく安定して動作していることがわかります。ここで、Gain=1の場合について見ますと、周波数200MHz付近で約5dBのピークが見られます。
このゲインピークと位相余裕の関係を図５に示します。
302520ピーク [dB]

151050-5-1002040

図５6080100
位相余裕 [deg]120140160180

位相余裕とゲインピークの関係

図５を観ると、5dBのゲインピークを持つ場合、約30°の位相余裕であることがわかります。一般的に、位相余裕の目安は45°～60°以上と言われており、OPA830についてはその半分程度の位相余裕しか持っていません。このため、回路構成・寄生素子・温度等により、位相が-180°より多く回転した場合、発振が起こります。

4位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプの使用の注意点

JAJA130

２．４

OPA830のボルテージフォロワ回路特性

OPA830105400450-10360-20270-30180-4090-500-60-90-70-180-80-270-900.1

110Frequency [MHz]100

Phase [deg]Gain [dB]

ここではまず、OPA830を用いて、ボルテージフォロワ回路を作成した場合にどのような特性が得られるか確認します。以下に、ボルテージフォロワ回路とそのシミュレーション結果を示します。

-360
1000

図４ ボルテージフォロワ回路（OPA830使用） 図５ OPA830ボルテージフォロワ回路周波数特性
この結果を見ると、データシートと同様に、100～200MHz付近で、ピークを持ち、動作が不安定であることがわかります。

３．非反転増幅回路 Gain=1での使用方法
非反転入力、Gain=1で使用するには、上記のようなボルテージフォロワ回路を使用することが多いですが、OPA830のように位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプでは発振してしまいます。このため、ノイズゲインを増やす・位相補償を行う等の工夫が必要となります。以下に、その方法と特性を示します。
３．１

ノイズゲインを上げてピークを低減する

20Ω

Gain [dB]

+5V

40.2Ω
OPA830105400450-10360-20270-30180-4090-500-60-90-70-180-80-270-9020Ω
図６0.1

入力端子間に抵抗を接続（ノイズゲインを上げる）

1

図７

10
Frequency [MHz]100

Phase [deg]ボルテージフォロワ回路において、そのピークを低減させるには、まずノイズゲインを上げる方法があります。図６、７にその回路例と周波数特性を示します。

-3601000

周波数特性

ボルテージフォロワ回路でのノイズゲインは１です。この場合には、図２のGain=1と同じ周波数特性を持つこととなります。このため、ここでは、ノイズゲインを上げてピークをなくすようにします。
位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプの使用の注意点

5JAJA130

図５の場合では、ノイズゲインが2となり、ほぼフラットな特性を得ることができます。入力端子間抵抗を小さくして、ノイズゲインを上げていくと、より安定になりますが、帯域が狭くなります。
また、この場合においては、オフセット電圧や入力換算電圧ノイズもノイズゲイン倍されますので、ローノイズ回路を設計する際には、注意が必要です。
３．２

入力端子間で位相補償する

Gain [dB]+5V20Ω
1000p

OPA830105400450-10360-20270-30180-4090-500-60-90-70-180-80-270-900.1

110Frequency [MHz]20Ω
図８入力端子間で位相補償

図９100

Phase [deg]この方法は、位相余裕を大きく取る場合に入力端子間で位相補償を行います。図８、９に回路とそのシミュレーション結果を示します。

-3601000

周波数特性

非反転・反転入力間にCRを接続して、ポールとゼロ点を設定して、位相補償します。このため、ピークはなくなり、発振することがなくなります。また、この方法では、容量を接続しているので直流的にはオープンとなり、オフセット電圧の影響は受けません。ただし、スルーレート・セトリング時間については、注意が必要です。
３．３

発振する周波数付近の信号のGainを下げる

12Ω
OPA8300.1u

Gain [dB]+5V

105400450-10360-20270-30180-4090-500-60-90-70-180-80-270-900.1

図１０出力に抵抗・容量を直列接続

110Frequency [MHz]図１１100Phase [deg]ボルテージフォロワ回路が発振する原因は、Gain特性でピークを持ち、位相が回転してしまうことです。このため、そのGainピークを下げるため、出力にCRを直列接続させます。図１０、１１にその回路およびシミュレーション結果を示します。

-360
1000

周波数特性Gainのピークがなくなり、発振する可能性はなくなります。抵抗・容量値については、シミュレーションや実験により、決定します。
6

位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプの使用の注意点

JAJA130

各方法とも、周波数特性が低域側にシフトするため、もともとの周波数帯域ではなくなってしまいます。このため、実際に使用する信号の周波数を考慮して、使用する必要があります。
４．反転増幅回路での使用方法
ボルテージフォロワ回路では、発振条件を満たすことにより、発振が起こりますが、反転入力で使用した場合、発振の条件がA0β=1で位相回転が180°以上であることから、発振しないように考えられます。
しかし、反転入力の場合においても、ノイズゲインを考えた場合には、非反転入力の場合で考える必要があります。
４．１

反転増幅回路における発振例

図１２は、Gain=-2（-6dB）で構成されています。反転増幅回路であるため、一見すると発振する可能性がないように見えます。図１３にこの回路のシミュレーション結果を示します。この結果を見ると、100MHz付近でGainのピークと位相回転が見られます。このような状況においては、最悪の場合発振が起こってしまいます。

2kΩ

OPA830Gain [dB]1kΩ+5V+2.5V
図１２ Gain=-2 反転増幅回路

20720

106300540-10450-20360-30270-40180-5090-600-70-90-800.010.1

図１３110Frequency [MHz]100

Phase [deg]33p-1801000

周波数特性

ここで、非反転入力側から見た場合について考えます。高周波領域においては、容量はショートと同じになりますので、非反転入力から見たとき、高周波領域ではノイズゲインが１となってしまいます。
OPA830では、非反転入力・Gain=1において、5dB程度のピークを持つことにより、位相・ゲイン余裕が小さく、発振が起こる可能性があります。
４．２

反転増幅回路における発振への対策４．１に示した回路において、Gainのピークをなくし、安定した動作をさせるため、反転入力に容量を接続します。図１３に回路図、図１４にそのシミュレーション結果を示します。

位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプの使用の注意点

7

JAJA130470p2kΩ

OPA830Gain [dB]1kΩ

+5V+2.5V

20720

10630

0540-10450-20

360-30270-40180-5090-600-70-90-800.01

図１３ 容量（470pF）を接続

0.1

図１４

110Frequency [MHz]100

Phase [deg]33p-1801000

周波数特性

反転入力からGNDに470pFの容量を接続しています。この容量により、AC的にみたノイズゲインを上げて（ノイズゲイン=1+(470pF/33pF)）、高周波領域での安定動作を行うこととなっています。

５．まとめ
本アプリケーションノートでは、位相余裕の小さいオペアンプを使用した場合の問題について述べました。また、その問題を解決するための対策について、回路例を挙げて解説しました。
位相・ゲイン余裕が小さいオペアンプを使用する際には、非反転増幅回路においてGain=1で使用する場合には、発振をしないようにするため、回路の検討が必要です。
また、反転増幅回路においても、ノイズゲインの視点から、非反転入力側から見て、問題がないかどうか確認が必要となります。反転増幅回路であるから、発振が起きないということではありませんので、問題が起きる前に確認して下さい。
“unity-gain stable”であっても、Gain=1でピークを持ち位相余裕が小さいオペアンプにおいては、データシートの中に、Gain=1での使用の注意点が記載されておりますので、参照して下さい。

６．

参考文献

(1) OPA830 data sheet: SBOS263E, revised Aug. 2007(2) 岡本廸夫：定本ＯＰアンプ回路の設計 1993

8

位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプの使用の注意点

ご注意

IMPORTANT NOTICE

日本テキサス・インスツルメンツ株式会社（ 以下TIJといいます ）及びTexas

TIの製品もしくはサービスについてTIにより示された数値、特性、条件その他のパInstruments Incorporated（TIJの親会社、以下TIJないしTexas Instruments

ラメーターと異なる、あるいは、それを超えてなされた説明で当該TI製品もしくはIncorporatedを総称してTIといいます）
は、その製品及びサービスを任意に修正し、サービスを再販売することは、当該TI製品もしくはサービスに対する全ての明示的改善、改良、その他の変更をし、もしくは製品の製造中止またはサービスの提供を保証、及び何らかの黙示的保証を無効にし、かつ不公正で誤認を生じさせる行為中止する権利を留保します。従いまして、お客様は、発注される前に、関連する最です。TIは、そのような説明については何の義務も責任もありません。

新の情報を取得して項き、その情報が現在有効かつ完全なものであるかどうかご確認下さい。全ての製品は、お客様とTIJとの間に取引契約が締結されている場

TIは、TIの製品が、安全でないことが致命的となる用途ないしアプリケーション（例合は、当該契約条件に基づき、また当該取引契約が繍結されていない場合は、ごえば、生命維持装置のように、TI製品に不良があった場合に、その不良により相当注文の受諾の際に提示されるTIJの標準販売契約約款に従って販売されます。

な確率で死傷等の重篤な事故が発生するようなもの）に使用されることを認めておりません。但し、お客様とTIの双方の権限有る役員が書面でそのような使用にＴＩは、そのハードウェア製品が、TIの標準保証条件に従い販売時の仕様に対応ついて明確に合意した場合は除きます。たとえTIがアプリケーションに関連した情した性能を有していること、またはお客様とTIJとの間で合意された保証条件に従報やサポートを提供したとしても、お客様は、そのようなアプリケーションの安全面及い合意された仕様に対応した性能を有していることを保証します。検査およびそび規制面から見た諸問題を解決するために必要とされる専門的知識及び技術をの他の品質管理技法は、ＴＩが当該保証を支援するのに必要とみなす範囲で行持ち、かつ、お客様の製品について、またTI製品をそのような安全でないことが致なわれております。各デバイスの全てのパラメーターに関する固有の検査は、政府命的となる用途に使用することについて、お客様が全ての法的責任、規制を遵守がそれ等の実行を義務づけている場合を除き、必ずしも行なわれておりません。

する責任、及び安全に関する要求事項を満足させる責任を負っていることを認め、ＴＩは、製品のアプリケーションに関する支援もしくはお客様の製品の設計についとが致命的となる用途に使用されたことによって揖害が発生し、TIないしその代表て責任を負うことはありません。TI製部品を使用しているお客様の製品及びその者がその損害を賠償した場合は、お客様がTIないしその代表者にその全額の補アプリケーションについての責任はお客様にあります。TI製部品を使用したお客様償をするものとします。

かつそのことに同意します。
さらに、
もし万一、TIの製品がそのような安全でないこの製品及びアプリケーションについて想定されうる危険を最小のものとするため、適切な設計上および操作上の安全対策は、必ずお客様にてお取り下さい。

TI製品は、軍事的用途もしくは宇宙航空アプリケーションないし軍事的環境、航空ＴＩは、TIの製品もしくはサービスが使用されている組み合せ、機械装置、もしくはされておりません。但し、当該TI製品が、軍需対応グレード品、若しくは「強化プラス宇宙環境にて使用されるようには設計もされていませんし、使用されることを意図
方法に関連しているTIの特許権、著作権、回路配置利用権、その他のTIの知的ティック」製品としてTIが特別に指定した製品である場合は除きます。TIが軍需対財産権に基づいて何らかのライセンスを許諾するということは明示的にも黙示的に応グレード品として指定した製品のみが軍需品の仕様書に合致いたします。お客も保証も表明もしておりません。TIが第三者の製品もしくはサービスについで情報様は、TIが軍需対応グレード品として指定していない製品を、軍事的用途もしくはを提供することは、TIが当該製品もしくはサービスを使用することについてライセン軍事的環境下で使用することは、もっぱらお客様の危険負担においてなされるとスを与えるとか、保証もしくは是認するということを意味しません。そのような情報をいうこと、及び、お客様がもっぱら責任をもって、そのような使用に関して必要とされ使用するには第三者の特許その他の知的財産権に基づき当該第三者からライセる全ての法的要求事項及び規制上の要求事項を満足させなければならないことンスを得なければならない場合もあり、またTIの特許その他の知的財産権に基づを認め、かつ同意します。

きTI からライセンスを得て頂かなければならない場合もあります。
TI製品は、自動車用アプリケーションないし自動車の環境において使用されるようTIのデータ・ブックもしくはデータ・シートの中にある情報を複製することは、その情報には設計されていませんし、また使用されることを意図されておりません。但し、TIに一切の変更を加えること無く、かつその情報と結び付られた全ての保証、条件、がISO/TS16949の要求事項を満たしていると特別に指定したTI製品は除きます。

制限及び通知と共に複製がなされる限りにおいて許されるものとします。当該情お客様は、お客様が当該TI指定品以外のTI製品を自動車用アプリケーションに使報に変更を加えて複製することは不公正で誤認を生じさせる行為です。TIは、そ用しても、TIは当該要求事項を満たしていなかったことについて、いかなる責任ものような変更された情報や複製については何の義務も責任も負いません。

負わないことを認め、かつ同意します。

Copyright 2008, Texas Instruments Incorporated
日本語版 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社

弊 社 半 導 体 製 品 の 取り扱 い・保 管につ い て直射日光があたる状態で保管・輸送しないこと。

半導体製品は、取り扱い、保管･輸送環境、基板実装条件によっては、お客様での実装前後に破壊/劣化、または故障を起こすことがあります。

3.

防湿梱包
防湿梱包品は、開封後は個別推奨保管環境及び期間に従い基板実装

弊社半導体製品のお取り扱い、ご使用にあたっては下記の点を遵守して下さい。
1.

静電気
素手で半導体製品単体を触らないこと。どうしても触る必要があるすること。
4.

機械的衝撃
梱包品（外装、内装、個装）及び製品単品を落下させたり、衝撃を場合は、リストストラツフ等で人体からアースをとり、導電性手袋等をして取り扱うこと。
弊社出荷梱包単位（外装から取り出された内装及び個装）又は製品与えないこと。
5.

熱衝撃
はんだ付け時は、最低限260℃以上の高混状態に、10秒以上さら単品で取り扱いを行う場合は、接地された導電性のテーブル上で（導電性マットにアースをとったもの等）、アースをした作業者が行うこと。また、コンテナ等も、導電性のものを使うこと。
マウンタやはんだ付け設備等、半導体の実装に関わる全ての装置頬は、静電気の帯電を防止する措置を施すこと。
前記のリストストラップ・導電性手袋・テーブル表面及び実装装置類の接地等の静電気帯電防止措置は、常に管理されその機能が確認さないこと。（個別推奨条件がある時はそれに従うこと。）
6.

汚染
はんだ付け性を損なう、又はアルミ配線腐食の原因となるような汚染物質（硫黄、塩素等八ロゲン）のある環境で保管・輸送しないこと。
はんだ付け後は十分にフラックスの洗浄を行うこと。（不純物含有率が−定以下に保証された無洗浄タイフのフラックスは除く。）

されていること。
2.

温・湿度環境温度：0〜40℃、相対湿度：40〜85％で保管・輸送及び取り扱いを行うこと。（但し、結露しないこと。）

以上

2001.11