オペアンプの入出力特性について

質問

実験でオペアンプを用いて反転増幅器を製作しました。
－入力端子とオペアンプの－入力端子間の抵抗R1とフィードバック抵抗Rfの値をどちらも1[kΩ]にして
入力電圧Eiを50[kHz]及び100[kHz]の２条件の時、0[mV]～400[mV]まで変化させ、その時の結果を横軸入力電圧Ei、縦軸出力電圧Eoで表しました。
結果として、
・50[kHz]　抵抗Rf=1[kΩ]
0[mV]～400[mV]変化させても、EoはEiの一倍、つまり等しい値で推移しました。
・100[kHz]　抵抗Rf=1[kΩ]
50[kHz]時と重なるように、グラフは推移しました。

以上の事から、増幅度はR1/Rfで決まることが分かりました。

また今度はRfの値を20[kΩ]として上記の周波数、入力電圧Eiの条件で実験を行った結果は以下のようになりました。

・50[kHz]　抵抗Rf=20[kΩ]
0～20[mV]程度では増幅度は約20倍でしたが、入力電圧が増加するにつれて、徐々に出力電圧Eoの増加は鈍くなり
最終的にEiをいくら増やしてもEoは3[V]以上あがらない、つまり飽和した状態となりました。

・100[kHz]　抵抗Rf=20[kΩ]
50[kHz]と同じく、はじめは20倍の増幅度で、Eoは増加して行きましたが、最終的にEiをいくら上げてもEoは1.5[V]以上あがらない状態となりました。

以上の事から、周波数の変化によって出力電圧の飽和が起ることがわかります。
そこで教えていただきたいのは
1.なぜ周波数が高くなるほど、出力電圧の上限が引き下げられるのでしょうか。
2.Rfの値がR1と同じつまり増幅度1倍の時は飽和が起らないのでしょうか。
3.増幅度の設定(比Rf/R1)を上げると飽和が発生するのでしょうか。

文献で調べ原因ではないかと思っていることを以下に簡単にではありますが列記します。
・出力信号の負帰還によって入力信号と位相が同位相となり"発振"
・スルーレート

ご教示宜しくお願いします。

回答No.4

maccha_neko

オペアンプの基本はコンパレータで，「＋の方が電圧が高ければ出力は＋側MAXに，－の方が高ければ－側MAXに向かって変化する」ものと考えれば良いでしょう．（細かく言えば「オープンループゲイン」倍の差動アンプですけどね）
たとえば反転増幅のようにフィードバックをかけると，＋側にちょっと行き過ぎれば－入力の電圧が＋側より高くなるので，出力が－側に引きずり戻されて・・・という具合に行き過ぎては引きずり戻されるために＋とほぼ同じ電圧のあたりでなんとなく安定するわけです．これがイマジナリ・ショートとかバーチャル・ショートと呼ばれる現象です．

さて，出力がMAXに向かって変化する・・とはいっても，無限大の速さでは応答できませんよね？だから，よーく見るとコンパレータとして動作させて出力が「最大船速！」で変化するときでも波形は”｜”ではなくて斜め・・”／”とか”＼”になってるわけです．どのくらいの傾きになっているかはオペアンプによって異なります．これがスルーレートっていうやつです．

さて，この斜めになっているということと，最初の「行き過ぎては戻り・・して安定している」ということを頭の中でイメージしてください．（犬を追いかけているようなイメージでも良いと思います）

入力が変化すると，それを追いかけるように一生懸命（笑）出力が変化するわけですが，入力の変化が遅ければ犬の散歩に付き合うようなもので，同じルートをトレースできます．ところが，犬が走って逃げるのを追いかけるように入力信号があまりにも速かったり，振幅の大きな信号に追従しようとすると，MAX全開バリバリ（死語？）！!で追いかけても追いつかなくなりますよね？
入力信号がすでにピークを過ぎて戻ってきた時にようやく追いついて，今度はあわてて逆向きに行くのだけど，やっぱり追いつけなくて・・ということになってしまいます．

追いつくかどうかは増幅率と入力信号のΔV／Δtに依存しています．正弦波を入れたとき，周波数が高くても振幅が小さければΔV／Δｔが小さいので追従しきれますし，振幅が大きくても周波数が低ければやはりΔV／Δtが小さいので追従できるわけですね．
また，増幅率を欲張ったときには，出力が大きく振れないとフィードバックして戻される入力が変化しないので，やはり出力が全開バリバリ（しつこい？）になっても追従しきれず同じような現象となるわけです．

極端に周波数が高くなるとこれ以外の要素もいろいろ出てきますが，大きな要因としてはこんなイメージで良いと思います．

回答No.3

midare_oni

オペアンプの出力電圧は、2つの入力電圧の差を開ループゲイン倍したものとなります。通常は開ループゲインが十分高い(1000倍以上)なので、2つの入力間電圧はほぼゼロとなるバーチャル・ショートとなります。
この開ループゲインは周波数特性を持ち、周波数が高くなると開ループゲインが小さくなります。外付け抵抗で設定した増幅度(Rf/R1)に比べて十分開ループゲインが高い場合は、外付け抵抗で決まるゲインとなりますが、周波数が高くなるとその関係が成り立たなくなるため出力電圧が設定値まで上がりません。（開ループゲインにより決まる値に近づく）
尚、出力電圧がもっと大きい場合はスルーレートによりその出力電圧が制限されますが、数十mVだとこの開ループゲインの周波数特性により制限されます。
オペアンプの場合、開ループゲインが1倍となる周波数を帯域と呼び、通常はこの周波数の1/10より低い周波数で使います。
電圧が大きいときは、内部の位相補償回路への充放電で決まる挙動となり(スルーレートはこれで決まる)、この開ループゲインで決まる周波数より低い周波数までしか扱えません。

回答No.2

yucco_chan

連投すみません。
P6　Open Loop Frequency Response と
P7 Large Signal Frequency Response の意味が分かりますか？
です。

お礼

ありがとうございます。

Open Loop Frequency Response
オープンループ周波数特性でしょうか・・・。
すみません、手元にある文献には詳細な内容がかかれておらず、その語句自体はじめて聞きました。
Large Signal Frequency Responseも同様です。

宜しければ、どんな特性か教えていただけませんでしょうか。

回答No.1

yucco_chan

参考URL P6のOpen Loop Frequency Response の意味は分かりますか？

>・出力信号の負帰還によって入力信号と位相が同位相となり"発振"

これは関係ありません。

>・スルーレート

原因と言えなくも無いですが、真の原因の結果の一つです。

参考URL：

http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM358.pdf