ボルテージフォロワの役割がよく分かりません。

質問

ボルテージフォロワは、電流が流れることで寄生抵抗によって電圧値が低下しないようにするために、回路の入力段及び出力段に入れるものであると思いますが、
これを入れるのと入れないのでは具体的にどのような違いが表れるのでしょうか？

オペアンプを使った回路では通常、電流は流れないはずですので、このようなものは必要ないように思うのですが、どのような場合に必要になるのでしょうか？

回答No.4

rnakamra · ベストアンサー

#1のものです。

ちょっと説明がうまくなかったようです。
ボルテージフォロワを使用するのは、次の段の入力インピーダンスが小さく電流がある程度流れる場合に、信号を元の電圧をそのまま受け渡す際に使用します。
とくに信号源の出力インピーダンスが大きいときは信号源に流れる電流を減らすため、受ける側の入力インピーダンスを大きくする必要があります。
反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができません。(反転増幅回路の入力インピーダンスは信号源と反転入力端子の間の抵抗にほぼ等しい。この抵抗の大きさはさほど大きくできない。)
非反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができます(非反転増幅回路の入力インピーダンスは非反転入力と反転入力のピン間インピーダンスにほぼ等しく、かなり大きな値になる。)が、増幅率が1よりも大きくなってしまいます。
これを元の信号のレベルに下げるために抵抗で分圧してしまうと、分圧に使用した抵抗分出力インピーダンスが増えてしまいます。これでは何のためにオペアンプを入れて電流の影響を減らしたの意味がなくなってしまいます。
元の電圧のまま、次の段に受け渡すにはボルテージフォロワがよいということになります。

次に、#1の補足に対して。
>反転増幅回路と非反転増幅回路は単に反転するかしないかの違いだと思っていたのですが、
>それ以外に特性が異なるのですか？
これは、上でも述べていますが、反転増幅回路と非反転増幅回路は、増幅回路の入力インピーダンスが異なります。
信号源の出力インピーダンスが大きく、電流が流れると電圧が変化してしまような用途では入力インピーダンスを高くできる非反転増幅が有利です。

>・出力インピーダンスとは出力端子とグラウンド間のインピーダンスだと思っていたのですが、それでいくと分圧するということは
>出力インピーダンスを下げることになるのではないのでしょうか？
違います。出力インピーダンスとは信号を発生させている元と入力先との間のインピーダンスを意味します。
出力インピーダンスは信号源から流れる電流による電圧降下の大きさを決定付けます。
オペアンプを使った回路での出力インピーダンスは、理想的な状態ですはゼロになります。
分圧用の抵抗を入れてしまうと、分圧に使用した抵抗のうち信号源と入力先に入っている抵抗分が出力インピーダンスとして寄与していしまいます。

>・それと非反転増幅回路の出力を抵抗などで分圧することで増幅率を1以上にするデメリットを教えて下さい。
これは、何かの勘違いですね。
非反転増幅回路で増幅率を1よりも大きくしたいのなら分圧などする必要はありません。
非反転増幅で増幅率を1以下にしたい場合は、何らかの方法で信号を減衰させる必要があります。ここで分圧を使うのはあまり好ましいことではないということです。

お礼

回答ありがとうございます。

最初の質問内容から外れて来ましたが、後一つだけ、ここで
質問させてください。
入力インピーダンス、出力インピーダンスというのは
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%A5%E5%8A%9B%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%BC%E3%83%80%E3%83%B3%E3%82%B9

このページの図にあるZsのみを差し、ZLを含んでいない、
というのは合っていますか？

回答No.5

rnakamra

#4の補足に対して
>このページの図にあるZsのみを差し、ZLを含んでいない、
>というのは合っていますか？

合っています。
この図で言うとZsが出力インピーダンスで、ZLが今の議論での増幅回路の入力インピーダンスに当たります。
Zsが大きいとZLをそれよりも十分に大きくしないとVsとVLのズレが大きくなることが確認できると思います。

回答No.3

KEN_2

本来の質問と掛け離れた方向に向かっているので回答させていただきます。

>ボルテージフォロワの役割がよく分かりません。
本来の目的は入・出力の負荷の影響を受けないか与えないために、必要な部位に
挿入されます。
　1.低レベルの動作で、安定度を必要とする回路の出力段に挿入されます。
　（水晶発振回路やVCOなど負荷変動や温度安定度を必要な回路です。）
　２．負荷の入力抵抗が低く、接続すると信号源への影響が無視出来ない場合。
　（高周波回路の入力やSPアンプの様に低インピーダンス負荷の場合）

>これを入れるのと入れないのでは具体的にどのような違いが表れるのでしょうか？
１．水晶発振回路やVCOでは、発振周波数が変動や温度安定度が低下します。
２．信号発生器などでは規定の電圧出力範囲が得られなかったりします。
３．高周波回路では波形が歪んだり本来の信号出力が得られなくなります。

少し誤解がある様ですので、補足すると、
オペアンプの動作は負帰還を掛けて使用している場合は、
出力インピーダンスは低インピーダンスで、入力インピーダンスは高インピー
ダンス動作です。
１．反転増幅回路の入力インピーダンスは入力抵抗値となります。
２．非反転増幅回路では高インピーダンスとなります。
３．出力を抵抗などで分圧すると合成抵抗値が出力インピーダンスとなります。
　（抵抗分割出力とするとオペアンプの低出力インピーダンスのメリットが無く
　　なります。）
＊オペアンプの動作原理を解説サイトなどで勉強してください。

回答No.2

FOCA

昔のステレオアンプにはフォノ入力というものが付いていました。
アナログレコードを再生するために低雑音増幅器が入っていたのです。
ところが当時のOPアンプの性能はプアだったので、金に糸目をつけない高級機（数十万円以上）はディスクリートで組まれていました。
しかし、安物アンプ（数万円位）の場合は安く作るためにOPアンプの入力に低雑音トランジスタ（あるいはJ-FET）が追加されていました。
もう少し高級機（十数万円位）になると低雑音化のためにNFループの素子のインピーダンスを低くします。するとOPアンプの出力電流が大きくなる⇒OPアンプの出力段がAB動作になり歪率が悪くなる。⇒対策としてOPアンプの出力にフォロワを追加する。
というわけです。
いずれにしても最近は見かけなくなりましたね。

回答No.1

rnakamra

オペアンプを使用する回路でも、反転増幅回路のようなものだと、信号源を流れる電流はゼロにならないため信号源の出力インピーダンスによる電圧降下が起こってしまいます。

非反転増幅回路を使えば、信号源に流れる電流をほとんどゼロにできますが、非反転増幅回路では増幅率を1よりも大きくすることしかできません。
非反転増幅回路の出力を抵抗などで分圧すると、全体としての出力インピーダンスが大きくなってしまいオペアンプを使用する利点が吹っ飛んでしまいます。

信号源の出力インピーダンスが無視できず、さらに信号と出力の線形性を高める、さらにそのままの電圧を維持するにはボルテージフォロワが最適といえます。

お礼

ありがとうございます。

反転増幅回路と非反転増幅回路は単に反転するかしないかの違いだと思っていたのですが、
それ以外に特性が異なるのですか？

手元にあるオペアンプの本を見てみると、非反転増幅回路では増幅率を1より大きく出来るように書かれていますが、
これはご回答の「非反転増幅回路の出力を抵抗などで分圧すると、全体としての出力インピーダンスが大きくなってしまいオペアンプを使用する利点が吹っ飛んでしまいます。」
というところに相当するということでしょうか？

上記はただの確認なのですが、以下の２つは質問です。

・出力インピーダンスとは出力端子とグラウンド間のインピーダンスだと思っていたのですが、それでいくと分圧するということは
出力インピーダンスを下げることになるのではないのでしょうか？

・それと非反転増幅回路の出力を抵抗などで分圧することで増幅率を1以上にするデメリットを教えて下さい。ご回答でも上げられている通り
信号と出力の線形性が下がるということですか？