OPアンプとは何か ―― その働きと役目を知る

●電圧フォロワは最も基本的な負帰還回路

　OPアンプが二つの入力ピンをもっているのは，与えられた入力値と，OPアンプ自身が作り出す出力値を比較するためです．この二つを一致させるのが負帰還の働きです．

　OPアンプの出力OUTを反転入力IN-に接続すれば，最も基本的な負帰還回路になります（図4）．OPアンプはIN+とOUTを比較して，その差を無限大倍に増幅したものをOUTに出力します．もしOUT＞IN+であれば，OUTは-∞に発散しようとして下降しますが，すぐにIN+と一致するので下降が止まります．逆に，OUT＜IN+であれば，OUTは+∞に発散しようとして上昇しますが，すぐにIN+と一致するので上昇が止まります．

図4　最も基本的な負帰還回路

　すなわち，OPアンプは出力OUTを常にIN+に近づける方向に動かし，自動的に一致させます．OPアンプ自身は単に誤差を増幅し続けているだけですが，負帰還回路ではそれを利用して自動的に誤差を0に保ち続けます．

　この回路の動作の式は，式(1)にIN-＝OUTを代入して，

　　　OUT＝A×（IN+－OUT）

すなわち，

（1＋1/A）×OUT＝IN+　・・・・・　(2)

となるので，A→∞の極限を取れば

　　　OUT＝IN+　・・・・・　(3)

となります．Aが有限でも十分に大きければ，誤差項（1/A）×OUTは無視できます．

　このように，負帰還をかければ出力OUTと反転入力IN-の関係が決まるので，それによってOUTの値が確定します．この回路は，与えられた入力電圧IN+と全く同じ出力電圧OUTを作る回路です．IN+が変化すればOUTはそれに追従（follow）して変化し，常に一致した状態を保ちます．それで，一般に電圧フォロワ（follower）と呼ばれます（図5）．

図5　電圧フォロワ

　また，この回路は入力電圧IN+によって制御され，出力電圧OUT＝IN+を作り出す電圧源と見なせるので，電圧制御電圧源（VCVS：Voltage Controlled Voltage Source）とも呼べます．OPアンプは誤差を検出するエラーアンプであり，かつ出力電圧を生成する電圧源として働きます．