OPアンプのフルパワーバンド幅 （電子工学）

質問

OPアンプで「フルパワーバンド幅」とか「Fill Power Band Width」とかFPBWとかありますが、これは具体的に何を言っているのでしょうか？帰還増幅率（帰還率）とは関係しますか？

回答No.2

inara1 · ベストアンサー

フルパワーバンド幅というのは、オペアンプに正弦波を入れたとき、オペアンプの出力信号に「スルーレートによる歪み」が発生しないような入力信号の最大周波数のことです。FPBW は出力の振幅で変わってくる（振幅が大きいほど低い周波数になる）ので、出力振幅が何VppのときのFPBWと規定されています。

これはオペアンプの「出力信号」の振幅と周波数に関する特性なので、帰還増幅率とは無関係です。帰還増幅率がどういう値であっても、最終的な出力振幅が何Vpp以上になったときには、FPBWを超える周波数以上の信号は、スルーレートによって歪むということ表わしています。

出力信号の振幅が小さいときは、増幅できる周波数帯域は利得バンド幅積（GB積：Gain Bandwidth Product）で決まります。しかし、出力信号の振幅が大きくなってくると、GB積未満の周波数の信号であっても、出力信号の変化率（dV/ds：V は電圧[V]、s は時間 [s]) はスルーレートを越えることができないので、入力信号が正弦波であっても、出力信号の変化率がスルーレートを超えると、波形は三角波状になってしまいます。

スルーレート SR とフルパワーバンド幅 FPBW の関係は
　　　FPBW = SR/( 2*π*Vp ） --- (1)
で表わされます。Vp は 0V を基準とした片側のピーク出力振幅 [V] です（peak-to-peak振幅は 2*Vp になります）。つまり実際の出力振幅とオペアンプのスルーレートとが分かれば、フルパワーバンド幅はこの式から計算できます。

周波数が f [Hz] で、Vp [V] の振幅を持つ正弦波の電圧変化は
　　　Vp*sin( 2*π*f*t )
で表わされますが（ t は時間 [s] ）、この信号の電圧変化率は、これを 時間 t で微分したもので
　　　電圧変化率 [V/s] = 2*π*f*Vp*cos( 2*π*f*t )
となります。これが最大になるのは t = 0 のときで、その値は
　　　電圧変化率の最大値 [V/s] = 2*π*f*Vp
です。これがスルーレート SR [V/s] に等しくなるのは
　　　SR = 2*π*f*Vp
のときで、この式の周波数 f が FPBW になりますから
　　　SR = 2*π*FPBW*Vp
　　　→ FBPW = SR/( 2*π*Vp ）
となり、式(1)となることが分かります。FPBWがGB積より小さくなるのは
　　　FPBW = SR/( 2*π*Vp ） < GB積
なので、スルーレートの制限による歪を発生させない最大出力振幅 Vmax [V] は
　　　SR/( 2*π*Vmax ） = GB積
　　　→ Vmax = SR/( 2*π*GB積 ）
となります。出力信号の振幅が Vmax 未満なら周波数帯域は GB積で制限され（最大周波数 = GB積/電圧利得）、出力信号の振幅が Vmax 以上なら周波数帯域は FPBWで制限さる（最大周波数 = SR/( 2*π*Vp ））ことになります。

例えば、汎用オペアンプの LM358 のGB積は 1MHz、スルーレートは 0.5V/μs なので、Vmax = 0.0796V となります。オペアンプの出力電圧の片側振幅がこれ以下の場合は、周波数帯域 = GB積/電圧利得 となります。例えばオペアンプ回路の電圧利得が１（バッファ）のときの周波数帯域は1MHz、電圧利得が10倍のときの周波数帯域は 100kHzです。オペアンプの出力電圧の片側振幅が 0.0796V を超える場合の周波数帯域は、オペアンプ回路の電圧利得が何であっても、Vp = 0.1Vのとき 796kHz、Vp = 1V のとき 79.6kHz となります。つまり、電圧利得が１のバッファであっても、入力信号の振幅（= 出力信号振幅）が Vmax（ = 0.0796V） を越えると、周波数帯域はGB積（1MHz）より狭くなってしまいます。オペアンプの出力振幅が大きい場合は、GB積とFPBWの大小関係を考慮して、どれくらいの周波数まで増幅できるかを考える必要があります。

お礼

お礼が大変遅くなってもうしわけありません。大変参考になりました。ありがとうございます。技術的な拝啓もよくわかりました。