オペアンプの入出力特性。

質問

電圧利得３倍のオペアンプを作り（オペアンプを±１５Ｖで作動）
非反転増幅回路の直流電圧入出力特性をとったのですが、
飽和時の出力電圧はマイナス側が-13.8Ｖ、プラス側が14.2Ｖ
でした。
理論としては出力は最大（低）で+（-）１５Ｖでるはずです。
実際にオペアンプ内（また、その他）の何が原因で出力電圧が１５Ｖを下回ってしまうのでしょうか？
また、どの測定でもマイナス側の飽和出力電圧の値（絶対値）の方がプラス側の飽和出力電圧よりも低くなっています。
このことはオペアンプの初段トランジスタのミスマッチにより入力電圧０Ｖでも出力電圧が０Ｖとならないこととは関係はあるでしょうか？

考えうる原因を教えてください。

回答No.6

anisol

LM741のデータシートはNational Semiconductorのサイトでpdfファイルでダウンロードできます。4ページ目に回路図がありますが、参考になるでしょうか？

トランジスタが動作しているとき、そのベース・エミッタ間の電圧は常に約0.6Vです。また、トランジスタを完全にONさせたとき、コレクタ・エミッタ間には0.1～0.3V程度の電圧が残ります。これが飽和電圧です。その他抵抗に電流が流れれば電圧降下が起きます。というわけでOPアンプの出力は普通電源電圧いっぱいまでは振らせることができません。

回路図で出力段だけ見てみると、Q14のベース電圧は前段がどうがんばっても正の電源電圧以上にはならないので、出力電圧は電源電圧からベース・エミッタ間の電圧0.6Vを引いた電圧までにしか上がりません（正の電源と出力間にダイオード1本入れた状態と考えてもよい）。負側のトランジスタQ20についても同じです。出力段の前段も含めて考えれば電圧ドロップはもっと大きくなると考えられます（正確な説明は他の回答者の方に期待します）。「マイナス側の飽和出力電圧の値（絶対値）の方がプラス側の飽和出力電圧よりも低くなって」いる理由は回路が正負で対称でないからでしょう。オフセット電圧とは直接関係がないと思います。

参考URL：

http://www.national.com/pf/LM/LM741.html

回答No.5

milion

＃４の回答をした者ですが　一部訂正＆追記します。

【誤】
「理論としては・・・」とありますが、理論通りの電子部品は存在しません。特性のある部分のみを理論に近・・・

【正】
「理論としては・・・」とありますが、理想の電子部品は存在しません。特性のある部分のみを理想に近・・・

回路動作を理論で説明する場合、現実の回路定数や特性を数値化しなければなりません。しかし、全ての回路定数や特性を完璧に数値化することは不可能です。そのため、シミュレーションと実際の波形には必ず誤差が付きまといます。

回答No.4

milion

ものすごく噛み砕いた説明をします。オペアンプというものは２つの入力の大小関係によって出力が変化します。
片側の入力を「反転入力」（－記号）もう一方を「非反転入力」（＋記号）と呼びます。
反転入力よりも非反転入力の方が電圧が高い場合　出力電圧は上昇し、非反転入力よりも反転入力の方が電圧が高い場合　出力電圧は下降し、双方の電圧が等しくなると出力電圧はその値に落ち着きます。

入力電圧の範囲は一般的にＶｓｓ＋１．５ｖ～Ｖｃｃ－１．５ｖ程度であり、それを超える入力電圧では正常な動作を期待できません（詳しく説明すると長くなるので今回はそういうものと思って下さい）。

出力電圧も同じくＶｓｓ＋１．５ｖ～Ｖｃｃ－１．５ｖ程度の範囲内でしか出力できません。何故１．５ｖなのかはトランジスタのエミッタフォロワ回路の知識が必要です（これは独習してください）。
単純な回路で表現すると、Ｖｃｃから直列に２個のダイオードが順方向に直列接続され、さらにそこに３端子の可変抵抗の両端２端子のうちの一方が直列に接続されます。この可変抵抗の真ん中の端子が出力端子になります。なおかつ可変抵抗の残った端子と２個のダイオードが順方向に直列にＶｓｓに接続されています（つまり合計４個のダイオードの向きは全て同一）。
この可変抵抗は、反転入力よりも非反転入力の方が電圧が高い場合　出力電圧が上昇する方向に動き、非反転入力よりも反転入力の方が電圧が高い場合　出力電圧が下降する方向に動きます。ちなみにこの動きの速さを「スルーレート（Ｖ／μｓ）」と呼びます。
結局１．５ｖという電圧はダイオード２個分の電圧降下に相当し、使用分野によっては余裕を見込んで１．８ｖや２ｖで設計することもあります。

尚、先のお方の回答であった「レールツーーレイル」という種類のオペアンプでは出力電圧がＶｓｓ～Ｖｃｃの範囲全てをカバーできます。

「理論としては・・・」とありますが、理論通りの電子部品は存在しません。特性のある部分のみを理論に近づけるよう特化したものはありますが、基本的にある性能を良くしようとすると他の部分の性能が悪くなることが往々にしてあります。回路設計をする場合は自分が必要としている特性項目に着目し、それが満たせるものをリストアップした後　他の特性項目が設計の許容範囲外のものをふるい落とすようなことをするものです。

回答No.3

ikkyu3

オペアンプは、沢山のトランジスタ、ダイオードや抵抗器で構成されています。
特別な高級品は別として、ほとんどはモノリシックＩＣとなっていますので、作りっぱなしで無調整です。

内部は差動増幅器やカスケードアンプになっています。
入力の差動増幅器のトランジスタの僅かな特性の不ぞろいがオフセットとなって、出力にドリフトが出るのは一般的です。

出力増幅器は、トランジスタのコレクタなどが電源と出力の間に入りますから、飽和電圧は、０にはならず、電圧が残ります。
この飽和電圧の差も正負の飽和電圧が一致しない一因でしょう。

カスケードアンプも正負の特性は、完全に一致するとは限らないので、出力のドリフトの原因になります。

ｈａｇｏｒｏｍｏさんの測定では、双方とも飽和するところまで、入力を入れて比較しているとすれば、出力段トランジスタの飽和電圧の不ぞろいと思いますが。

できれば、詳しい規格表で内部の等価回路が公開されていれば理解しやすいと思います。無いでしょうね。

オペアンプの勉強中とのことですので、基本としてトランジスタ増幅回路のおさらいをすることをお勧めします。
他に参考になりそうな書籍をＵＲＬに入れておきます。

参考URL：

http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/31891.htm

回答No.2

kabasan

出力トランジスタのＣ－Ｅ間の電圧降下でしょう？
それともレールツーレールのオペアンプを作ったのでしょうか？

回答No.1

Spur

電源電圧から1.5Vくらいを引いた電圧が最大出力の常識ですけど？
なぜ15Vの電源で15V出せるのでしょうか？
hagoromoさんの「理論」がわかりません。

自作されたオペアンプですよね？
じゃあ、どんな値に設計したのですか？
バイアス電流は？　バイアス電圧は？　電流制限抵抗は？

入力電圧が0Vで出力電圧が0Vなら理想アンプですよね？
どんな抵抗器を使ったか知りませんが、誤差ゼロですか？
特性のトランジスタを使って作ったのか知りませんが、すべて誤差ゼロの全く同じ特性のトランジスタを使われたのでしょうか？
その辺りの説明が無いので答えられませんが、どんな優秀な設計者でも、それは不可能じゃないでしょうか？
可能とすれば、設計なら、自動補正機能を持たせているとか、抵抗器もコンデンサもトランジスタも、すべて1/1000000くらいで測定した、まったく誤差の無いものを使うしかないですね。

補足

早速の回答ありがとうございます。

スイマセン。書き方が足らなかったです。
自分で設計したオペアンプではなく、
ＬＭ７４を使用しました。
理想オペアンプを考え、実際の素子との違いを比較し、
電子回路初心者の私はオペアンプとはどういうものなのか
さわりを知ろうと試みたわけです。

トランジスタの誤差などから、飽和時の出力電圧が、どうしてマイナス側の値が低くなってしまうのか？ということを考えだすことができずに
質問させていただきました。

また、実際には電源電圧-1.5Ｖが最大電力となるのも、
トランジスタの特性を学び始めたレベルの私には
”常識”という感覚がなく、その理由もまたつかめずにいます。

なんだかＳｐｕｒさんの思っていたレベルの話でなくて申し訳ないです。