オペアンプを適切に使用するには？

ここに投稿して以来、これまでオペアンプを使用したり、今まで聞いたことのない新しいもの（Vom、Vcmなど）を聞いたりすることに夢中になっています。OP AMPSはプラグインするだけだといつも思っていましたが、いつでも機能します...非常に間違っています。

私が質問する前に、だれかがそれらに答えることができれば最もありがたい質問がいくつかあります。そうです、私はこのフォーラムで過去2時間、以前に質問された質問を探していました。まだ少し混乱していますが、いくつかのことが明らかになりました。

一貫性を保つために、この例全体を通して、このOP AMPを使用します。MCP601

VCM：コモンモード入力範囲

これが私が理解していることです。これは、MCP601が問題なく何でも問題なく受け入れることができる範囲です。これらの範囲を超えたり下ったりすると、予期しないエラーが発生します。

例：入力=オーディオ信号（1.2V pk-pk）VDD = 4.8V VSS = GND

VCM-上限= 4.8-1.2 = 3.6

VCM-下限= 0-0.3 = -0.3

VCM- = 3.6-（-0.3）= 3.9V$V_{CM_{PP}}$

入力の正のサイクル= 600mV +（VDD / 2）= 3$V_{IN}$

入力の負のサイクル= -600mV +（VDD / 2）= 1.8$V_{IN}$

= 1.2Vpk-pk$V_{IN}$

入力Vpk-pkが適切であることを意味しますか？

VOM：出力電圧振幅

これが私が理解していることです-MCP601がクリッピング前に出力できる範囲です。

例：入力=オーディオ信号（1.2V pk-pk）VDD = 4.8V VSS = GND GAIN = 3.2

入力バイアス= VDD / 2 RL = 5k

VOM-上限= 0 + 100mV = 100mV

VOM-下限= 4.8-100mV = 4.7V

VOM- = 4.7-100mV = 4.6V$V_{OM_{PP}}$

入力の正のサイクル=（3.2 * 600mV）+（VDD / 2）= 4.32V$V_o$

入力の負のサイクル=（3.2 * -600mV）+（VDD / 2）= 0.48V$V_o$

- V o P P =（4.32-0.48）= 3.84V（デカップリングキャップの前）。$V_o$$V_{o_{PP}}$

これは、とV O Mの両方について計算することを理解した方法です。私にとって、このOP-AMPはVinに問題がなく、Vinをうまく増幅しているはずですが、2.84Vppでクリップすると反対のことが起こりました。これは、上の計算からはあまり意味がありません。VCMはVOMと同様に満たされる必要があります。VOMには4.6VのVppがあるので、Voは理想的には3.84Vppで、VDDは4.8Vなので、問題なく3.84Vppに増幅されますか？$V_{CM}$$V_{OM}$

すばらしいVCMとVOMを実際に計算する方法を誰かに教えてもらえれば、この方法には欠けているものがあるか、いくつかの基本的なロジックが理解できていません。この方法を通じて、入力と出力の制限を理解する能力を獲得したいと思います。

この構成は、VDDを〜6.1Vに上げた場合に機能します。誰かがVCMとVOMの計算を通じて理由を説明でき、おそらく2つを関連付けることができ、おそらく混乱を解消できるでしょう。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

2番目のデータシートの切り取りはボルトではなくmVであり、出力範囲は供給電圧に関連しています。したがって、4.8V電源と5K負荷（0Vまで）では、線形出力範囲は0.1〜4.7Vです。入力と出力を2.4Vでバイアスすると、4.6Vp-pになります。オペアンプ出力は、電源電圧を超えることはできません（または満たすこともできません）。

入力が2.4Vでバイアスされている場合、入力範囲は-0.3〜3.6Vであるため、入力範囲に基づいて2.4Vp-p =（3.6-2.4V）* 2の入力電圧のみを処理できますが、出力が飽和しないようにする必要があります。

回路のゲインは+3.2であるため、入力電圧は+/- 0.71875Vまたは1.4375Vp-pの範囲内である必要があります。これにより、全出力範囲が得られるため、入力範囲は制限されません。

十分な電源電圧があり、動作範囲内で入力にバイアスをかけ、使用可能な出力範囲を念頭に置いていれば、単一の電源でほとんどすべてのオペアンプを使用できます。

一般に、低電力回路では、表示されている値よりも高い値の抵抗を使用する必要があります。明らかに5Kより低い5K ||（2.2K + 1K）で出力を読み込んでいるため、出力スイングは保証されません。通常、フィードバック抵抗は少なくとも10倍高くすることができます。負荷を25Kまたは100Kに増やし、フィードバック抵抗を100：1に増やすことができる場合は、より良い方法です。抵抗で非常に高くなる場合、安定性を確保するためにR3の両端に小さなコンデンサを追加する必要がある場合があります。

私は難問を理解したと思います。

このようなプロジェクトを取り上げ、この範囲でオペアンプを使用する（たとえば、入力バイアス電流、Vom、Vcmなどとして通常大学から出てくるとは思わない特性を探すなど）。

これらの用語をすべて変更しようとすると、混乱し、オペアンプについて知っていた基本的なことを少し上書きしてしまいます。

$V_{OM}$$V_{CM}$$V_{in}$$V_{out}$$V_{OM}$$V_{CM}$

私が考慮しなかったのは、オペアンプのアーキテクチャのためにオペアンプが内部で持っている電圧降下です。

オペアンプが完全でない限り（内部で電圧降下がない場合）、レールツーレールになることはありません。

上記の問題の場合、単一電源の非反転アンプです。つまり、「負の」振幅でスイングするにはバイアスが必要です。

参考のために：

したがって、その4.576V-2.288V-0V

$V_{DD_{pp}}$$V_{DD_{p}}$

実験により、アンプの電圧降下は約1.616Vppであることがわかりました

2つのケースシナリオを実行します。

input_1 = 860mVpp

入力_2 = 1.14Vpp

ゲイン= 3.2

入力_1：860mVpp

VCM：

$V_{IN}$

ヴィン：

$V_{IN}$

VinはVcmの範囲内です

VOM：

$V_{OUT}$

$V_{OUT}$

VoはVcmの範囲内です

信号が予想どおりに動作することを期待します。

入力_2：1.14Vpp

VCM：

$V_{IN}$

ヴィン：

$V_{IN}$

VinはVcmの範囲内です

VOM：

$V_{OUT}$

$V_{OUT}$

VoはVcmの範囲内です

信号は予想どおりに動作するはずですが、そうではありません。

オシロスコープでは2.96Vppでクリップしますが、出力は1.14Vpp * 3.2 = 3.648Vppであると予想していましたか？発生しているのは、オペアンプの電圧降下です。

上記のように、オペアンプの電圧降下は〜1.616Vppだったので、計算をしました

VDD -Vod = 4.576-1.616 = 2.96Vpp !! これは基本的に、オペアンプが実際に駆動できるものを示しています。これは現在すべて理にかなっています。

基本的に、オペアンプがレール-トゥ-レールと言っていることは、少なくとも私が見ることができることは、VinとVoutが通常はオペアンプのVOMとVCMに違反しないことを意味します

VDDを6.1Vに上げると、オペアンプは実際に次のように期待される出力3.648Vppまで駆動できるため、これが機能する理由です。

Vdd-Vod = 6.1-1.616 = 4.484オペアンプの新しい制限は4.484Vppになり、3.648Vpp <4.484Vppなので出力に表示されます。

Vpk-pk = 3.6-（-0.3）= 3.9V。
入力Vpk-pkが適切であることを意味しますか？

たぶん。CM範囲の中点は、ここではVdd / 2ではなく、3.9 / 2 = 1.95Vです。これにより、最大3.9Vppの入力信号が可能になります。。ただし、ゲインは出力をクリップします。

出力がクリッピングされない場合、出力は線形範囲に留まります。これは、VL = 2.5Vに接続された5kを超える負荷に応じて、両方の電源レールから対称的に100mVクリッピングするように定義されています。これは、CMOSレールツーレールオペアンプがNchまたはPchドライバーのいずれかで約250オームのクリッピング抵抗を持っているためです。負荷がVss = 0になると、VL @ 2.5Vの仕様に比べて電流が2倍になるため、Vssを超えるドロップアウトは少なくなりますが、Vddを下回るドロップアウトは多くなります。

Vin {pp} * Av = 1.2 * 2.4 = 3.84Vppは、CM範囲の中央付近で入力リファレンスと差分リファレンスが両方とも共通（ゼロ差動）である場合、線形出力範囲に適合します。（電源は2Vに近いことを忘れないでください）この例では、Vdd / 2 = Vcmバイアスでも機能します。

アドバイス：フィードバックと負荷の組み合わせには、25kのR min値を使用してください

すべてのオペアンプの出力抵抗は、負のフィードバックゲインによって低下します。ただし、クリッピングにより、負のフィードバックが完全に失われます。ここでVddであるVgsが減少すると、RdsOnでFETが上昇するため、CD4000ファミリーのロジックと同様に、Vdd minで1kOhm以上に急速に5V未満に上昇することが知られています。