演算増幅回路

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資料紹介

目的
演習増幅器(オペアンプ)の基本的な演習増幅回路を構成し、その特性を計測、理解する。
実験方法
2.1.反転増幅回路
発振器の出力電圧波形を正弦波200MHz,2Vp-p(peak-to-peak)に設定し発振器の出力波形を確認した。
演算増幅回路実験装置を用いて、510Ωと5.1kΩの抵抗を用いて増幅度-10の反転増幅回路を構成し、発振器の出力を反転増幅回路の入力端子に接続し入力波形と出力波形を計測した。
10kΩと100kΩの抵抗を用いて同様に、入力波形と出力波形を観測した。
2.2.非反転バッファ回路
実験１と同様に510Ωと5.1kΩの抵抗でGAIN-10の反転増幅回路を構成し、その入力側にバッファ回路を繋げ、バッファ回路の入力には発振器の出力を接続した。
１．の状態で実験１と同様に入力波形と出力波形を計測した。
2.3.非反転増幅回路
入力電圧を正弦波200MHz、2Vp-pに調節した。
次に増幅度11の非反転増幅回路を構成し発振器を接続し、実験１と同様に入力波形と出力波形を計測した。
2.4.加算増幅回路
信号の増幅度をそれぞれ-3.3、-1とし、-3.3には正弦波200MHz、2Vp-pを接続し、-1には±2V出力の直流電圧源を接続した。
±2Vの調節つまみの回転により、加算増幅回路の出力信号の変化を観測を行なった。
2.5.差動増幅回路
増幅度10の差分動作増幅回路を構成し、－入力には三角波200MHz、2Vp-pを接続し、＋入力には可変抵抗を用いた、直流電圧源を接続した。
可変抵抗の調節ツマミの回転によりプラス入力側の電圧を変化させ、－入力信号と出力信号の変化を観測した。
可変抵抗の調整による－入力信号の変化をさけるため、発信器の出力と差動増幅回路の間にバッファ回路を設け、可変抵抗の調整による－入力信号の変化が起きなくなる事を観測した。
結果と考察
反転増幅回路
図１：反転増幅回路の回路図
実験で用いた反転増幅回路の回路図を図1に示す。この回路には電圧1V(2Vp－pの電圧)の交流電圧がかかっている。
図2：R1=510Ω、R2=5.1kΩの時の反転増幅回路の入力信号e1と出力信号e0
図3:R1=10kΩ、R2=100kΩの時の反転増幅回路の入力信号e1と出力信号e0
図2、図3はそれぞれR1=510Ω、R2=5.1kΩ、R1=10kΩ、R2=100kΩの時の反転増幅回路の入力信号e1と出力信号e0をグラフ化したものである。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (1)
より、いずれの回路も増幅度が-10であり、入力信号に対して、出力信号の電圧が10倍、位相が反転していることが読み取れた。
　また図2、図3を比べてみると、図2の入力信号の電圧が発振器の出力電圧に対して、約1/2小さくなっている。これは発振器の出力抵抗が約600Ω、反転増幅回路の入力抵抗R1の値が510Ωと、発振器の出力抵抗に対し、反転増幅回路の入力抵抗R1の値が小さいためにこのような影響を受けていると推測した。実際に計算によって入力信号の電圧が発振器の元の出力の1/2になるのかを考えてみた。
以下図3は発振器の出力抵抗と反転増幅回路の入力抵抗に着目した簡略図である。実験と同じ値の発振器の内部抵抗(出力抵抗)R0＝600Ω、反転増幅回路の入力抵抗R1=510Ωとした。
図3において、
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)
(3)式に実際の値