オペアンプと負荷抵抗について

質問

演算増幅器を用いた演算回路の実験を行っています。

反転増幅回路や非反転増幅回路、そして電圧フォロワの回路で、出力電圧（Vout）を測定する場合に、負荷抵抗を接続して測定しています。この負荷抵抗の値は51kΩと100Ωの２種類で測定をしています。

なぜ、このように負荷抵抗を接続して出力電圧を測定しなければいけないのでしょうか。（なぜ負荷抵抗が必要なのか。）
そして、負荷抵抗が51kΩの場合は、理論値に近い測定結果が得られるのですが、100Ωの場合では理論値とは異なる値になってしまいます。この理由を教えてください。
オペアンプはOP07を使用しています。

回答No.4

dojustice · ベストアンサー

１. 何故51kΩか？
　今回の実験の目的は、「負荷抵抗が大きいときと小さいときで、出力振幅が
　どう変わるか？」を考察するのが目的なのではないかと推察します。
　OP07は下記データシートにもありますように、負荷抵抗1kΩ以上で使用される
　オペアンプです。
　(２ページ表中最下段、[output voltage swing]参照）)
http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/OP07.pdf

　10kΩ以上では、出力振幅はほぼ一定になるので、100kΩでも1MΩでも
　同じ結果が出るはずです。→理論値に合致する
　「開放」でも構わないと思いますが、
　　(1)現実的な負荷に近い、
　　(2)並列に入る測定器のインピーダンス(1MΩ～）の影響を考えなくてよい、
　というところで、51kΩを選んだのではないでしょうか。　
　開放でも、51kΩでも結果が変わらないので、こうしたのだと思います。
　（わたしはOP07Aが負荷開放でも、正常動作することを確認しています）

２. 100Ω負荷
　これはOP07にとって、むちゃくちゃ厳しい負荷です。

　上記データシートに記載ありますように、電源電圧±15Vのとき、
　　　負荷抵抗10kΩで出力振幅　13.0V→2.0Vのドロップ
　　　　　〃　2kΩで出力振幅　12.8V→2.2Vのドロップ
　　　　　〃　1kΩで出力振幅　12.0V→3Vのドロップ・・・となっています。
　2kΩから1kΩになったとき、電圧降下が大幅に増加することに注目ください。

　極めて大ざっぱな計算ですが、
　　　(1)±12.8Vは9.08Vrms出力が可能、→2kΩ負荷では4.54mArms流れる。
　　　(2)±12.0Vは8.51Vrms出力可能、→1kΩ負荷では8.51mArms流れる。
　　　従って、　8.51-4.54=3.97mA の増加で 2.2-3.0=-0.8V落ちたので、
　　　内部抵抗は0.8V/3.97mA=約200Ωと概算されます。
　　（この計算はあくまでも、状況把握のための概算です）

　これに100Ω負荷がつながれば、出力電圧は1/3になります。
　電源電圧±15Vかけても、最大3.54Vrms(p-p10V)しか取り出せません。
　もし閉ループ利得を10にとったとすれば、入力電圧0.35Vまでは、入出力
　比例しますが、それ以上は飽和して出力電圧は上がらないでしょう。

　もう一つ、わたしはこのような苛酷な使い方で、ICが熱破壊されることを
　懸念したのですが、この方は（内部抵抗が高いお陰で）300mW程度のロスに
　止まり、OP07のPd=500mWですから、破壊にまでは至らないでしょう。
　内部抵抗の低いICなら一発です。
　しかし、かなり熱くなったことを体験されたはずです。
　(手で触れられないくらい・・・)

質問者さんから、状況のご開示がないので、かなり無理をして推測をいたしました。
（エーかげんな推測で、他の方々からのお叱りは覚悟の上です。(^_^;)）

OP07の出力インピーダンスは60Ωであることが、データシートに記載されています。
どなたか、「出力インピーダンスがあるから、出力電圧が下がる」と書いて
おられますが、これは誤りです。
オペアンプはフィードバックをかけ、閉ループで使います。
出力インピーダンスはこの閉ループの中に入るので、・・・正常動作している
限りは・・・これによって、電圧が下がるということは考えません。

参考URL：

http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/OP07.pdf

回答No.6

tadamaru2004

こまかいことで恐縮ですが，結果がかなり違ってきますので，あえて指摘させていただきます。

A4さんの計算には誤りがあります。

先ず，　2.2-3.0=-0.8V
と計算されていますが，２倍するのを忘れておられます。（振幅両側）
また，これをrms換算するのを忘れておられます。

これを考慮すると，内部抵抗は，　0.8Vx2/2.82=0.57V
　　　0.57V/3.97mA=140Ω

上下の出力デバイス(PNP,NPN)は，出力側から見た場合，交流的には並列と見做せるので，
　　140/2=70Ω
となり，スペックにある出力インピーダンス60Ωとほぼ同じ値になります。
（上記計算は，電圧読取りに誤差があるのでスペックにある60Ωが正しい）

従って，飽和出力も3.54Vrmsではなく，5.8Vrmsくらいまでは直線関係が保たれると推測されます。
（参考ですが，51kΩ負荷ではMax9.2Vrmsと推測されます）

本件は，A4さんの一部の計算ミスを指摘したもので，基本的な考え方には大きな誤りはない
ことを申し添えます。

回答No.5

dojustice

A4です。
失礼しました。

電圧フォロワなのですね。
２.中段の「利得10」は「利得1」に、「入力0.35Ｖ」は、「入力3.5V」と置き換えてください。

回答No.3

nano_cat

乾電池がまだ使えるかどうか調べるには、無負荷の電圧を調べるのではなく、ある程度の負荷をかけて状態で電圧を測ります。OPアンプでも乾電池でもいいのですが、もし、0.01Ωの負荷にしたらどうなるか、ちょいと考えてごらんなさい。

回答No.2

ming3

>なぜ、このように負荷抵抗を接続して出力電圧を測定しなければいけないのでしょうか。

オペアンプを使用する回路では出力が無負荷ということは有り得ないのでそのような測定方法をとっているのではないでしょうか。
負荷抵抗を接続しなくても測定は出来ると思いますので、実際に『負荷抵抗を接続』しないで測定して結果をみたらどうでしょうか。
その場合でも測定器自体が負荷となっています。

>負荷抵抗が51kΩの場合は、理論値に近い測定結果が得られるのですが、100Ωの場合では理論値とは異なる値になってしまいます。

オペアンプの出力インピーダンスは『0Ω』ではありませんから、負荷の抵抗値が小さいほど出力値は小さくなるはずです。
100Ω、51kΩ以外の抵抗値も試してみたら良いと思います。

回答No.1

Teleskope

>>　この理由を教えてください。<<

　課題そのままの質問の場合は、答えてはいけない規則がありますので、まず、これを御覧になってご自分で答を探してください。日本語の方は国産の類似品です。その上での「具体的な質問」になら答えることができます。

http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/2184.pdf

http://www.necel.com/nesdis/image/G12284JJ4V0DS00.pdf

お礼

ありがとうございます。
一度確認していたのですが、英語がたくさんあってよくわからなかったんです。
日本語の方を読んで、参考になりました。