前回、opアンプのアクティブフィルタとパッシブフィルタの違いについて触れた。
今回も回路設計時に役立つよう、オペアンプにつけるコンデンサの役割と、どこにそのコンデンサを置けばいいのか分かるように簡便に解説する。
これまで自分は回路設計者にもかかわらず、アナログ回路をあまり理解せず、避けてきたが、そんな自分にも分かるよう、優しくまとめてみたので身構えずに軽い気持ちで眺めるくらいで読んでほしい。
アクティブフィルタとパッシブフィルタの違い～オペアンプ初級者向け簡単解説
種類は以下3つ。
①Cが並列接続
②Cが入力に接続
③Cが並列接続+Cがフィードバック抵抗に直列接続
※電源は回路簡素化のため省略
非反転増幅を基本に考える。
Vout＝(1+R2／R1)×Ｖin
増幅率：(1+R2／R1)
オペアンプの簡単見分け方覚え方～オペアンプ初級者向け簡単解説
①Cが並列接続
目的：高周波ノイズ除去(LPF)
考え方
入力が直流の場合：C1はオープン状態→無視→通常の非反転増幅回路となる
増幅率：(1＋R2／R1)
入力が交流の場合：C1はショート状態→R2が無効化(0Ω)
増幅率：(1＋R2／R1)→1
結果
周波数が高いほど増幅率が下がるLPFとなる
※高周波信号だけ増幅されない
カットオフ周波数：fc=1/(2×π×R1×C1)
カットオフ周波数前の特性：C1はオープン状態でC1は無視できるため増幅率一定
カットオフ周波数後の特性：周波数上昇→C1のインピーダンス低下→増幅率低下
②Cが入力に接続
目的：直流成分の除去(HPF)
考え方
C1部分が直流の場合：C1はオープン状態→R1もオープン状態→R1が∞
増幅率：(1＋R2／R1)→1
C1部分が交流の場合：C1はショート状態→無視→通常の非反転増幅回路となる
増幅率：(1＋R2／R1)
結果
周波数が低いほど増幅率が下がるHPFとなる
※低周波信号だけ増幅されない
カットオフ周波数：fc=1/(2×π×R2×C1)
カットオフ周波数前の特性：周波数上昇→C1のインピーダンス低下→増幅率上昇
カットオフ周波数後の特性：C1はショート状態でC1は無視できるため増幅率一定
用途
直流電圧まで増幅すると、出力が大きくなり過ぎて、
オペアンプの電源電圧Ｖccまで上昇して飽和してしまう事を防ぎ、
交流信号のみを増幅したい場合など
③Cが並列接続+Cがフィードバック抵抗に直列接続
目的：出力の振動(発振)防止しつつ高周波ノイズ除去(LPF)
考え方
入力が直流の場合：C1、C2はオープン状態→R2もオープン状態→R2が∞
増幅率：(1＋R2／R1)→非常に大きい
容量がC1＜C2の場合、
入力が交流の場合(低周波数)：インピーダンスがC1＞C2→C2がオープン状態ではなくなる
※インピーダンスZ=1／jwC
入力が交流の場合(ある周波数)：C2がほぼショート状態になる→通常の非反転増幅回路
(C1はまだオープン状態)
増幅率：(1＋R2／R1)
周波数が変化しても増幅率が一定の状態
増幅率が一定になり始めるゼロ周波数 ：fz＝1／2πR2C2
増幅率が再び下がり始めるポール(極)周波数：fp＝1／2πR2C1
入力が交流の場合(高周波数)：C1,C2がほぼショート状態になる→R2が無効化(0Ω)
増幅率：(1＋R2／R1)→1
結果
周波数が高いほど増幅率が下がるローパスフィルタとなる
出力の振動は入力へのフィードバック信号の遅れが原因。
①では、C1があることで高周波→低増幅率だが、入力に対して出力の位相が遅れる。
フィードバックが遅れるとで応答性が悪くなり、出力が振動するようになる。
②では、C2があることで、位相が進む。
増幅率が一定の領域で、あらかじめ位相を進ませておくことで、
その後の領域で位相が遅れても、全体としての位相遅れを小さくできる。
ゼロ周波数前の特性：周波数上昇→C2のインピーダンス低下→増幅率低下(位相は遅れる)
ゼロ周波数とポール周波数の間の特性：C2がショート、C1がオープン状態で増幅率一定(位相は進む)
ポール周波数後の特性：C1,C2がショート状態→増幅率低下(位相は遅れる)
C1とC2の比率を大きくする→fzとfpは離れる→増幅率一定の周波数帯域が広がる
必要とする信号周波数がこの一定の部分になるようにfzとfpを設定する
(目安はC1/C2=10倍程度)
例)
スイッチング電源の制御に使う場合
fz＜スイッチング周波数fs＜fpになるようにC1、C2を設定する
次回はオペアンプでバイアス電圧を中心に信号を出力する方法についてまとめていく
