APDahlen Applications Engineer
AliceとBobはアナログ回路とマイクロコントローラ間のインターフェースに取り組んでいる中堅のエンジニアです。2人は、工学部の1年生を対象とした授業で、短いプレゼンテーションを行うよう依頼されました。
この物語では、AliceとBobがオペアンプ（演算増幅器）とその応用についてどのように理解を深めていったのかを探っていきます。
技術的なヒント： オペアンプに関する詳細については、以下をご参照ください。
初めて使ったオペアンプは何でしたか？
多くの皆さんと同様、私たちも定番のジェリービーンズ741から始めました。
この回路は比較的単純なので、学習を始めるのに最適でした。741において、ロングテールペアやカレントミラーといったトランジスタ回路がどのように実装されているかを理解することができました。
741よりも優れたものが必要だと気が付いたのはいつですか？
信じられないかもしれませんが、この小さな集積回路（IC）は62歳になりました！ElvisやJFKの時代から、私たちは着実に進歩してきました。
741に欠点があることに気づくのに、それほど時間はかかりませんでした。実際、上級実験では、ゲイン帯域幅積（GBW）が1MHzと低いことが明らかになりました。これは高い周波数のように思えるかもしれませんが、1MHzは利得がユニティ（1倍）まで低下する周波数であることを忘れてはいけません。実際には、可聴周波数帯の低域から利得が低下し始めます。
ゲイン1000倍のオペアンプを組み立てようとした際、私たちはこの教訓を痛感しました。結果は失敗に終わり、むしろローパスフィルタのような挙動を示してしまいました。そこで、ゲイン10のオペアンプを3段カスケード接続し、合計ゲインを1000にする方がよいことを学びました。これは問題なかったのですが、不快なヒスノイズが発生しました。そのため、低ノイズの選択肢や、GBWの高いオペアンプを検討することになりました。
Aliceが話に割り込み、真空管といくつかの低ノイズ NE5532 オペアンプを使用したギターアンプへの熱い思いを語りました。
オペアンプをマイクロコントローラに接続する際、どのような課題に直面しましたか？
それは非常に良い質問です。オペアンプがマイクロコントローラのダイに組み込まれている現在でも、私たちが直面している課題でもあります。
BobはAliceの話を遮って、「レールツーレール」と言いました。
マイクロコントローラのA/Dコンバータ（ADC）はシングルエンド方式で、入力範囲は0から基準電圧までとなっています。このことは、Arduinoの基本的な実験でご存じかもしれません。入力電圧が0～5V DCの場合、analogRead() の結果は0～1023になります。
741では、この低い電圧を増幅するのに苦労します。特に、5V DCの電源で動作させる場合はなおさらです。実際、出力は約1.5V DCまでしか下げられず、約3.5V DCまでしか上げられません。いずれの場合も、約1.5V DCのヘッドルームが必要となります。
適切な±12V DCなど、高い電源電圧を使用することもできますが、もっと優れた選択肢がある以上、これは扱いにくく、コストもかかる解決策です。その一例として、3.3V DC電源でもレールツーレール出力が可能な LMV358 が挙げられます。これは非常にシンプルで、マイクロコントローラと同じ電源を使用することも可能です。
現在も、私たちはセンサ、アンプ、電源の最適な組み合わせを見つけるため、さらに優れた代替案を探し続けています。コストは常に重要な検討事項です。
最後に何かありますか？
私たちのお気に入りのオペアンプ回路についてなら、何日も語り合えるでしょう。
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Alice：計装アンプ
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Bob：電球を使ったウィーンブリッジ発振器
BobとAliceに何か質問はありますか？ コメント欄に気軽にご記入ください。
楽しいはんだ付けを！
— AliceとBob
関連情報
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著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいます。