アナログエレクトロニクスでオペアンプが頻繁に使用されるのはなぜですか？

私はいくつかの本や論文で「Opアンプはアナログエレクトロニクスの常識です」または「...オペアンプはアナログ回路で最もよく見られるビルディングブロックです...」とその効果。

私の経験は、その主張に同意するか、または反論するほど十分に広範ではありませんが、私が見た回路で確かに裏付けられています。

このようなコンポーネントがおそらくプログラミングの「for」ループのようなものであるか、または利用可能になった広範なアプリケーションを見つける基本的なパターンのようなものになる理由を説明するために、私は基本的なものを見逃していると思うようになります。

オペアンプをこのような基本的かつ汎用性の高いパターンの実現にするアナログエレクトロニクスの基本的な性質についてはどうですか？

オペアンプは、理想的な差動アンプに近いものです。本当の質問は、アンプの何がそんなに素晴らしいのかということです。（少なくとも！）3つの答えがあります。

まず、明らかなこと-アンプを使用すると、信号の振幅を変更できます。（例えば、トランスデューサーからの）小信号がある場合、アンプを使用すると、電圧を有用なレベルまで上げることができます。増幅器は、信号の振幅を小さくすることもできます。これは、たとえばADCの範囲に合わせるのに役立ちます。

アンプは信号をバッファリングすることもできます。これらは、入力側で高インピーダンスを示し、出力側で低インピーダンスを示します。これにより、弱いソース信号を重い負荷に配信できます。

最後に、負帰還により、増幅器は信号をフィルタリングできます。いわゆるアクティブフィルター（アンプを使用）は、パッシブフィルター（抵抗、コンデンサ、およびインダクタのみを使用）よりもはるかに柔軟で強力です。また、オシレーターについても言及する必要があります。オシレーターは、フィルター処理された正帰還を備えたアンプを使用して作られています。

振幅制御、バッファリング、およびフィルタリングは、アナログ信号に対して実行できる最も一般的な3つのことです。より一般的には、増幅器を使用して、信号処理タスクの基本的な数学的記述である多くの種類の伝達関数を実装できます。したがって、アンプはいたるところにあります。

なぜ特にオペアンプなのか？私が言ったように、オペアンプは本質的に高品質のアンプです。主な特徴は次のとおりです。

• 非常に高い微分ゲイン（時には1,000,000もの高さ！）
• 非常に高い入力インピーダンス（FET入力オペアンプの低周波数でのテラオーム）
• 非常に高いコモンモード除去比（通常> 1000）

これらの特性は、アンプの動作がほぼ完全にフィードバック回路によって決定されることを意味します。フィードバックは抵抗のような受動部品で行われますが、抵抗はトランジスタよりも優れた動作をします。電圧と温度全体で単純なエミッタ接地アンプをシミュレートしてみてください-それは素晴らしいことではありません。

集積回路の最新の改良により、オペアンプは安価で高性能であり、すぐに入手できます。極端なパフォーマンス（高出力、非常に高い周波数）が必要な場合を除き、ディスクリートトランジスタアンプを使用する理由はもうありません。

オペアンプは、1つに3つの5つの基本的なツールです（それ以上ではない場合）。

• 最初に if elseステートメントのような比較デバイス(if a > b, output = a, else b)。

• 第二にバッファ(in = 1, out = 1, refreshed)。

• 第三に、乗算器のようなアンプ(in = 1, out = 10)。

• 第四に、位相シフト/遅延(in = x, out = x + 1)。

• 第五に、インバーター(in = x, out = 1/x)。

それらは非常に用途が広く、必要に応じて多くの回路に適応できる傾向があります。

基本的に、アナログのディスクリート要素を介して信号が処理されると、その振幅（電圧）が低下します。オペアンプはアナログ信号をバッファリングおよびブーストでき、最後に読み取り可能または有用であることを保証します。

ちなみに、forループはカウンターになります。10年カウンタはfor (i = 0, i < 10, i++)ループのように機能します。

オペアンプの主な利点は次のとおりです。

高入力インピーダンス：オペアンプは入力インピーダンスが高いため、前の回路に過度の負荷をかけません。オペアンプ自体は、数十ギガオームまたは数百ギガオームの入力インピーダンスを持つ場合があります。オペアンプのフィードバック回路の入力インピーダンスは低くなる可能性がありますが、オペアンプの入力インピーダンスが高いため、他のコンポーネントによってこれを完全に設定できます。

低出力インピーダンス：通常、オペアンプ回路は出力インピーダンスが低いため、負荷が動作に影響を与えることなく、別のオペアンプ回路（またはADCなど）を駆動できます。

高ゲイン：オペアンプのゲインが高いため、負帰還回路で使用でき、回路の動作はオペアンプではなくフィードバック要素によって支配されます。これの意味は

1. 多くの場合、フィードバック回路には、回路全体から高精度の性能を実現するために、わずかな高精度部品しか必要ありません。

2. 回路の動作はフィードバック回路によって制御されるため、オペアンプを多数の異なるフィードバック要素とともに使用して、増幅、微分、積分、対数増幅などの異なる機能を実現できます（これがop -ampには、このような「広範なアプリケーション」があります）。

本当の答えは、他の人が提供するものよりもはるかに簡単だと思います（実際は本当ですが）-オペアンプを使用すると、より高度な回路に必要なすべての「レゴ」を簡単に構築できます。https：//en.wikipedia詳細については、.org / wiki / Operational_amplifier＃Applications。オペアンプを使用すると、以下を取得できます（完全なリストではありません！）。

• 電圧/電流バッファ、
• コンパレータ（ヒステリシスあり）、
• アクティブアンプ（反転および非反転の両方）、
• 理想ダイオード、
• アクティブフィルター（積分器/微分器アプリを含む）、
• アクティブ整流器、
• アクティブな数学ブロック（例：sum、diff、ply、div）、
• ウェーブシンセ（スクエア、トライ、ノコギリ、さらにはVCO）、
• DACおよびADC、
• インピーダンス変換器、
• ジャイレーター、
• ...および他の多くの。

それは、おそらく不可欠なアナログ処理に必要なすべてのものを超えています-それらのいくつかは、デジタル処理にとってもきちんとしています。このように、オペアンプはここではパンとバターの両方です。

また、共通の電圧供給ラインとその動作特性（多くの実用的なアプリケーションの理想的なコンポーネントの特性に近く、単一のパッケージ内のオペアンプにも非常によく適合した） ）ディスクリート（ダイオード/ BJT / FET）アナログ回路（バイアス、電圧降下、温度補償など）に必要な多くのトラブルなしにそれらを使用できるようにします-より少ない部品で、よりシンプルで合理化された保守可能な回路を設計できます簡単なトラブルシューティング。

ある特定の電子部品を取り出して、「パンとバター」は馬鹿げていると呼びます。これらの「最も重要な」種類の声明も同様です。たとえば、アナログ回路の抵抗を数えると、オペアンプの数を大幅に上回っていると思います。

また、状況は変わります。真空管が素人の愚かな「最も重要な」または「ブレッドアンドバター」アナログエレクトロニクスのコンポーネント、そしてトランジスタであった時代がありました。

オペアンプを使用する必要はありませんが、特定の仕様に合わせて回路を実装する最も効率的な方法です。結局、オペアンプはトランジスタで作られているため、代わりにいくつかのトランジスタ（他のいくつかのコンポーネント）を使用することができます。

オペアンプの魅力は、一般的で簡単に利用できるビルディングブロックを具現化していることです。集積回路の魔法により、これらのビルディングブロックは単一トランジスタのサイズとコストになる場合があります。1つのオペアンプは特定のアプリケーションでは使い物にならないかもしれませんが、大量生産された集積回路を活用することで安価で十分に小さくできるため、実際には数個のトランジスタのみが実際に使用されるオペアンプ全体を使用する方が安くて小さくなります必要とされる。

プログラミング言語のFORループで類推を使用するために、実際にこの構成を使用する必要はありません。明示的なコードを使用して、変数を自分で初期化、インクリメント、およびチェックできます。特別なことをしたいときに、そうすることができますが、FOR構文の構造が硬すぎます。ただし、ほとんどの場合、ループにFOR構文を使用する方が便利でエラーが少なくなります。オペアンプの場合と同様に、各ケースでこの缶詰の高レベル構造のすべての機能を使用することはできませんが、とにかくそのシンプルさに価値があります。たとえば、ほとんどの言語では、増分を1以外の値にすることができますが、おそらくほとんど使用しないでしょう。

FORコンストラクトとは異なり、ディスクリート回路のオペアンプをそのインスタンスで必要な機能だけに最適化するコンパイラーはありません。ただし、大量集積回路の生産の大きな利点により、これらの機能は、FORループのいくつかの余分な命令に相当するものよりも少なくなります。オペアンプは、命令セットに実装されたフル機能のFORループであると考えてください。これは、すべての機能が使用されているかどうかにかかわらず、同じ命令を実行し、単純な場合でもそうでない場合よりも少ない命令を実行します。

オペアンプは、「素敵な」ビルディングブロックを提供するためにパックされたトランジスタの束であり、それらのトランジスタの1つまたはいくつかのコストで利用可能になります。これにより、トランジスタなどのすべてのバイアスに対処するための設計時間が短縮されるだけでなく、製造技術を使用してトランジスタ間の良好なマッチングを保証し、理想に近いパラメータの測定とトリミングが可能になります。たとえば、2つのトランジスタで差動フロントエンドを作成できますが、入力オフセット電圧をわずか数mVに下げることは簡単ではありません。

エンジニアリングはすべて、ある時点で利用可能なビルディングブロックを使用することに基づいており、オペアンプはアナログ回路の有用なビルディングブロックです。これは、トランジスタを使用する場合と実際に違いはありません。シリコンの精製、ドーピング、切断、パッケージング、およびディスクリートトランジスタとしては当たり前のようにテストするために、多くの処理が行われました。オペアンプは個々のトランジスタよりも統合されていますが、物事のスキームでは依然としてかなり「低」レベルです。

ソフトウェアの例えに戻って、これは既存のサブルーチンを使用して特定のアプリのコードを書くのと同じです。OS呼び出しの場合、それらを使用する選択肢はありません。それはあなた自身のシリコンを精製するようなものです。オペアンプは、自分で作成できる便利な呼び出しに似ていますが、ほとんどの場合、そうするのはばかげています。たとえば、整数をASCII 10進数文字列に何度も変換する必要がありましたが、そのために独自のコードを何回作成しましたか？そのためにランタイムライブラリ呼び出しを使用したか、使用している言語で使用可能なより高いレベルの構造（Cのprintfなど）を介して暗黙的に呼び出した可能性があります。

理想的なオペアンプには、無限の入力インピーダンス、0のオフセット、0の出力インピーダンス、無限の帯域幅があり、コストは0ドルです。理想的なオペアンプはありません。これらのパラメーターや他のパラメーターは、設計が異なると相対的な重要性が異なります。これがオペアンプが非常に多い理由です。それぞれが異なるトレードオフのセットに対して最適化されています。たとえば、LM324が「くだらない」オペアンプであると聞くことがあります。これはまったく真実ではありません。価格が優先される場合、これは最上級のオペアンプです。数mVのオフセット、1 MHzのゲイン*帯域幅などで十分である場合、それ以外はすべて高値のジャンクです。

あなたのコメントについて、「このようなコンポーネントが「for」ループのようなものになる理由を説明するために、基本的なものが欠けていると思うようになります」：

コンピュータサイエンスに見られるチューリングコンプリートの概念、またはブール代数にある機能的完全性の概念（したがってデジタルロジック）に対するエレクトロニクスの類似の概念を探しているかもしれません。

私の知る限り、アナログ回路にはすべての回路が基本的な構成要素のセットから派生できる「完全性」という概念はありません...

システム理論、特に線形時間不変システムを研究する際に遭遇するアナログ回路に関するいくつかのルールがあります。

これがお役に立てば幸いですが、あなたが探しているものではないかもしれません。

アナログ電子機器とデジタル電子機器の両方で、理想的なコンポーネントを定義することができますが、理想的な特定の許容範囲内のコンポーネントで構築された場合に要件を満たす回路を設計することができます。単純化された理想的な動作を備えたコンポーネントを使用した設計に関する推論は、より複雑な実世界の動作を備えた実世界のコンポーネントを使用した設計についての推論よりも簡単です。

多くの場合、実世界のコンポーネントを使用して設計をモデル化し、設計の各段階で信号に許容公差を割り当て、指定された公差内の入力の組み合わせが与えられたときにその実世界のコンポーネントを表示することができますこれらの信号に対して、それらの信号に対して指定された許容範囲内の出力を生成します。これが可能な場合、許容値のそのような割り当てにより、より詳細な分析の必要性が回避されることがよくあります。

オペアンプが非常に人気がある理由の1つは、オペアンプにはある意味で明確な「理想的な動作」があり、その動作からの特定の逸脱を容易に特性化できることです。差動アンプの差動入力ゲインが10：1であると想定される場合、現実世界の部品が理想よりも大きいまたは理想よりも低いゲインを持っている可能性に対処する必要があります。ただし、理想的なオペアンプのゲインは無限であるため、増幅を目的とする実際のオペアンプは一般にゲインが低くなります[一部のデバイス、特にコンパレータとしての使用を目的とするデバイスは、ヒステリシスを持ち、理想的なオペアンプ]。一方向にしか理想から逸脱できない現実のデバイスについての推論は、2方向から逸脱する可能性のあるデバイスについて推論するよりも簡単な場合がよくあります。

アイソレーション、インピーダンスマッチング、スケーリング、レベル変換、デジタルコンポーネントと比較した大量の電流の供給、および信号生成は、オペアンプの一般的なアプリケーションです。

オペアンプの基本的な構成を調べて、特に発振器の役割と信号調整でアナログ設計で非常に人気がある理由を確認してください。

何年も前、私はゲイン付きの反転オペアンプを使用してRS-232 / MIL-188Cコンバーターを作成し、カスタムQuickBasic 4.0プログラムを実行する386ベースのPCを使用して、古いAT＆T Model 40 Teletypeからのデータを再利用しました。

これらは、デジタル信号処理の入力絶縁およびスケーリングフロントエンドとして不可欠であり、電圧から電流へ、または周波数から周波数への変換などの気の利いたタスクを実行できます。

「パンとバター」という表現は役割を補完するように思えます。オペアンプは回路の非常に優れた拡張であり、各回路には専門性があります。

たとえば、制御および調整の分野で、積分器および微分器として使用されます。これらは、高域通過フィルターおよび低域通過フィルターとして知られています。

また、出力はアンプのゲインによって大幅に増幅されるため、安定した発振状態に置くことができます。小さな入力信号を使用するだけで、正帰還を使用してオペアンプを発振に設定できますが、最良の例はシュミットトリガーですノイズキャンセルでは、双安定および単安定オシレーターのような回路を形成し、さらに555タイマーで補完的な役割を果たします。

コンパレータはその共通電圧モードを使用しますが、実際には、オペアンプの入力にはカスケード接続された差動アンプとそれに続くカレントミラーアクティブ負荷があり、入力を比較できるコンパレータとして使用することができます。この特性に基づいて、デュアルレール電源は回路を反対の電圧のすぐ近くで駆動します。

コンデンサが使用される回路の電流リミッターとして、遅い放電を防ぐために、高い入力インピーダンスによってこれらのオペアンプによって分離されているため、電荷を維持し、高速スイッチおよびホールド回路で素晴らしい補完的な役割を果たします