ねがてぃぶろぐ　 LTspiceで演算増幅回路

LTspiceで演算増幅回路

以下(fig.1)に示すような回路があるとします。

Fig.1: V1の電圧が0Vのとき、outの電圧は何ボルトでしょう？

R1は1Ωで1Aの電流が流れています。
V1における電圧は0Vでした。outにおける電圧は何ボルトでしょうか？

答えは1Vで、単純にオームの法則から求めることができます。

V = R * I = 1Ω * 1A = 1V

です。

反転増幅回路

これと同じ状況は、OPアンプ回路でよく見ます。
OPアンプは、負帰還をかけて、反転入力端子と非反転入力端子が同電位となる様にして使われるからです。(ヴァーチャルショートあるいは仮想短絡などと呼ばれます。)
Fig.2-3は、こういった場合の少し現実的な回路です。

fig.2-3: V1の電位はGNDと同電位だとわかる

抵抗値や電流・電圧を計算しやすい値にしていましたが、肝心なのは比率だけなので、実際の回路設計で使いやすい値に変更しても同じことです。(Fig.4-5)

fig.4-5: より現実的な回路定数として、R1を10kΩにI1を100uAに変更

これを90度回転させると、よく見慣れた反転増幅回路となります。(fig.6-7)

fig.6-7: 一般的な反転増幅回路

もう少し複雑な回路:加算回路, 対数増幅回路

こういった考え方は、『一見すると複雑な回路』の動作を考えるときに役に立つかもしれません。

たとえば、先ほどの反転増幅回路において電流源の数を増やせば加算回路になります。

fig.8-9:加算回路

また、R1の代わりに抵抗以外の素子を入れると、その素子の特性を反映した増幅回路になります。
一例として、ダイオードを入れた回路を紹介します。

fig.10-11:素朴なログアンプ

ダイオードの電流-電圧特性は、指数(対数)関数的です。
したがって、増幅回路も線形ではなく指数(対数)的なものになります。

『一見すると複雑な回路』もヴァーチャルショートを仮定すると、挙動が追いかけやすくなります。
ただし、OPアンプ素子そのものは、負帰還をかけた増幅回路としても、負帰還をかけないコンパレータとしても使われることがあるので、注意が必要です。(その両方のようなトリッキーな回路にも需要があるようです:しきい値付近で線形増幅器になるコンパレータ)

補足:ログアンプの温度特性

fig.10に示した素朴なログアンプは、通常、実用的ではありません。その原因は、帰還素子として利用するダイオードの温度特性が極端であるからです。

前述の素朴なログアンプを、LTspiceで温度解析したものがfig.12-13です。20℃から50℃まで温度変化が出力に与える影響は、入力電圧に換算すると最大で一桁程度の変化に相当します。