オペアンプの位相補償

質問

オペアンプの発振をさせない為の位相補償の考え方について調べています。当カテゴリーで調べたところ『OPアンプなどの広帯域、高利得の増幅回路では、帰還をかけて使用するが、増幅回路自体の位相が180度をこすと、帰還回路から正帰還される為に発振してしまう。このため、適正な利得周波数特性を保つため、回路の一部に補償回路を設けて位相をコントロールして、発振を防止し、安定動作をさせている。』と記載されていました。同じ様な内容は他の文献、ウェブサイト等で見聞きしていましたが、殆ど理解は出来ていません。ボード線図で考えるとわかりやすいとも聞きますがいまいちわかりません。どなたか詳しい方、基本的な考え方からわかりやすく教えて頂けないでしょうか？

回答No.2

tance

オペアンプに限らず負帰還のシステムでは発振はつきものです。
発振をさせないで安定に増幅させるにはそれなりの技術が必要です。
そこで、位相補償のしくみを理解したいとお考えなのだと思いますが、
それはこのような文章主体の環境ではちょっと難しいですね。

完全に理解するには相当悩む覚悟が必要です。（おどかしてすみません）

そもそも発振が起こる条件にナイキストの発振条件というのがあります。
この条件を満たさないようにすれば発振は防げます。

帰還ループ内一巡の位相（移相）を180度にならないようにし、ループ
ゲインを１以下にすれば良いだけのことなのですが、これをどうやって
実現するかが、なかなか難解です。

ゲインを下げようとすると位相が遅れる。
位相遅れを生じないようにするとゲインが下がらない。
ではどうすれば良いのか、というあたりがポイントです。

実は、ゲインを下げても位相がある程度以上遅れないようにできる
のです。位相遅れは０ではありませんが、-90度のままゲインだけが
どんどん下がっていくという回路があります。

これを使うと、位相が回って発振しそうな周波数では、ゲインが１以下に
なって発振条件を満たさない、となり発振を防止できます。一般的な
OPアンプはほとんどこの方法で発振を防止しています。

詳細はやはりボーデ線図などを見ながら何度も何度も何度も考えて
理解してください。

これをマスターしている人は実はそう多くありません。
きちんと理解してある程度経験を積めば、この知識は相当価値ある
ものになります。

負帰還は電気の世界以外にも非常に多く見ることができます。
車を運転するのも、鉛筆で何かをなぞるのも、ガソリンの価格だって
ある意味負帰還で決まります。金融市場も正に負帰還です。
（サイバネティックスという学問を参照してみてください）
車やバイクのレースでは帰還スピードが遅くて発振してしまいクラッシュ
するシーンが見られます。

難解な勉強が必要かもしれませんが、概念自体が難解なのではないので
頑張ればマスターできます。挑戦してみてください。
（ちょっとおどかしすぎかな）

回答No.1

walkingdic

「位相が１８０度ずれると発振する」という意味が理解できないということなのだと思います。
では、一番簡単なゲイン１倍のアンプを考えて見ましょうか。
＋入力に１Ｖｐｐの正弦波をいれて、出力は－入力につなぎます。
一番簡単なバッファアンプですね。

まず発振しない十分低周波領域で考えます。
このアンプの動作は、
・初期値として＋端子は０Ｖ、出力も０Ｖ（だから－端子も０Ｖ）
・＋入力端子が０ＶからΔＶに変化
・＋／－端子間にはΔＶの電位差が生じる
・ＯＰアンプは非常に増幅度が高いからこれにより急激にオペアンプ内回路では出力を上げるように動作する。
・出力がΔＶに到達すると、マイナス端子もΔＶになり、電位差は０Ｖになるので、出力上昇は止まる。

よって出力はΔＶになる。

正弦波の場合にはこれが連続的に動作してバッファアンプとして機能しています。

では、発振するほど早い周波数、つまり丁度位相が１８０度ずれた場合にして見ましょう。

・初期は先ほどと同じ
・＋端子が０Ｖから大きくなり１Ｖｐｐまで到達
・＋／－端子の電位差も０Ｖから１Ｖｐｐまで到達してしまう
・しかしまだＯＰアンプ内部では出力電圧を上げようとするが出力端子に現れていない
・＋端子の電圧が下がり始めて０Ｖに戻る
・ここでようやくＯＰアンプの内部回路から出力端子に先ほどの電圧が出始める
・つまりマイナス端子にも＋の電圧がかかり始める
・＋端子の電圧が－１Ｖにどんどん向かっている
　ここで、よく見ると、マイナス端子の電圧は先ほどの遅れた出力によりどんどん電圧は高くなっていて、＋端子は逆にマイナス側に触れているから、端子間電圧はどんどん広がります。
・＋端子の電圧が－１Ｖに到達したとき、マイナス端子の電圧は＋１Ｖまで上昇しました。

この状態は端子間電圧がなんと２Ｖにも到達しています。

フィードバックをかけて＋端子と同じ電圧を出そうとしているにもかかわらず、逆に入力端子間電圧は２Ｖにもなります。
で今度は－端子＞＋端子なので出力はマイナスに一気に触れるように内部回路は動作を始めますが、もちろんまだ出力には現れません。

このように話を進めていくと、この＋端子と－端子の反対の関係は決して解消することがありません。

因みに、＋端子が上記の後－１Ｖから０Ｖに戻ったとしましょう。このときは、先ほどからＯＰアンプは出力を下げるように内部回路は動いていますので、それが出力に現れ、出力も一応０Ｖに戻ります。でも、まだ内部回路は今度は－側にしようとしていますので、今度はマイナス側に変化を続けます。
仮に、ここで出力端子を０Ｖに固定していたとしても、このマイナスの変化は止まりません。どういうことになるかというと、－端子は今度はマイナス側になるので、＋／－端子間電圧が生じて今度は内部回路は＋側に触れようとします。
でも出力はまだマイナス方向に変化しています。

要するに出力のフィードバック信号である－端子への入力が反映されるのが遅すぎるため、何時までたってもこの出力信号の変化は止まりません。
これを発振しているといいます。