オペアンプの仮想短絡とは？――同じ電圧でも、入力端子をつながない理由

まず＋・−入力と、電源端子を分ける

三角形の左にある＋と−は、非反転入力と反転入力を表す。電池の正極・負極の指定ではない。オペアンプを動かす電源端子は別にあり、回路図では省略される場合もある。東北学院大学の講義資料とルネサスの入門解説は、この区別を示している。記号が上下反転していても、位置ではなく＋と−を見て入力を判別する。

基本モデルでは、出力は二つの入力の電圧差を大きく増幅する。＋側が−側より高くなる方向の変化は出力を上げ、−側が高くなる方向の変化は出力を下げる。ただし、実物が出せる電圧には限りがある。入力が少し違えば、どこまでも大きな出力が得られるという意味ではない。

出力を戻すことで、入力の差を小さくする

図の反転増幅回路では、出力から帰還抵抗Rfを通り、−入力側の接点へ線が戻っている。＋入力は0Vの基準へ接続されている。接点の電圧が上がろうとすると、オペアンプの出力は下がる。その変化がRfを通して戻ることで、接点の上昇を打ち消す方向に働く。これが負帰還の考え方である。

十分な利得があり、安定して線形動作できているときには、大きな出力変化を生む入力差が小さく抑えられる。そこでV− ≈ V＋と近似する。東芝のFAQも、これは端子同士が実際に接続されていない状態だと説明している。『同じ電圧だからつなぐ』のではなく、出力を戻す働きの結果として、ほぼ同じ電圧になるのである。

導線で＋と−を結ぶと、入力信号や抵抗網の接続そのものを変えてしまう。仮想短絡を使った計算では、電圧の関係だけを置き換え、元の配線図は保つ。接点を描き直す際に、新しい短絡線を足さないことが重要だ。

0Vの点に来た電流は、どこへ行くのか

＋入力を0Vへ接続した図では、−入力側の接点もほぼ0Vとなるため、仮想接地と呼ばれる。ただし接点からGNDへ導線があるわけではない。Analog Devicesの解説も、接地と同じ電位を持つ接点と、実際の接地接続を区別している。基準を0V以外へ置けば、近づく先の電位も変わる。仮想短絡は『必ず両入力が0V』という規則ではない。

理想モデルでは入力端子へ電流が入らないので、入力抵抗Rinから接点へ来た電流はRfへ流れる。たとえば、編集部の説明用仮定としてRinとRfを各10kΩ、入力を＋0.2Vとする。接点を0Vと近似すると、Rinには20µAが流れる。同じ電流がRfを通るには出力が−0.2Vになる。これは負電圧を出せる電源と動作範囲を前提とした例であり、0Vと正電源だけの回路へそのまま当てはめない。

『0Vだから電流が消える』のではない。各抵抗の両端の電圧差が、電流の向きと大きさを決める。また、入力電流ゼロは理想化である。Analog Devicesの教材が示すように、実物には入力バイアス電流があり、入力電圧のずれも残る。初歩の近似と、製品の仕様を同一視しないようにしたい。

帰還線があるだけでは、いつでも成立しない

必要な出力が出力可能範囲を超えて飽和すれば、差を打ち消すためにそれ以上動けなくなる。すると、V− ≈ V＋を前提にした答えが実際の回路と合わなくなる。負帰還がない回路にも、この近似を無条件に使えない。

電源範囲の内側なら十分というわけでもない。入力の同相電圧範囲や出力振幅の仕様を読む必要がある。TIの講義資料は、入力できる範囲が電源電圧と同じとは限らないことを示している。さらにロームは、有限の利得と帯域によって仮想短絡を適用できる領域が限られると説明する。本稿はゆっくり変化する信号の基本モデルであり、高速動作や安定性の設計まで保証するものではない。

職務説明を読む前に、三つの問いで確かめる

アナログ回路設計やセンサー信号処理の説明を読む際には、信号の入口、帰還経路、電源の三つを別々にたどるとよい。オペアンプの内部回路をすべて理解していなくても、入力電圧を読む場所と、出力から調整が戻る道を指せれば、次に学ぶ増幅回路の土台になる。これは職務理解の入口であり、採用条件や面接での出題を保証するものではない。

自分で確かめる問いは三つである。①仮想短絡を使っても＋と−の間に線を足さないのはなぜか。②図の接点が0Vでも、Rinから来た電流がRfへ流れるのはなぜか。③必要な負電圧を出せない電源に変えたら、どの近似を見直すべきか。電位、電流経路、成立条件を分けて答えられれば、公式だけでなく回路の動作を説明できる。