オペアンプの『同相入力電圧範囲』とは？

オペアンプのデータシートには『同相入力電圧範囲』が規定されています。

この記事ではこの『同相入力電圧範囲』について詳しく説明します。

オペアンプの同相入力電圧範囲とは

同相入力電圧範囲とはオペアンプの反転入力端子と非反転入力端子に印可できる入力電圧V_INの範囲のことです。記号はV_ICMで表わします。

英語では『Input Common-Mode Voltage Range』と表します。頭文字の”I”と”C”と”M”から同相入力電圧範囲の記号はV_ICMとなっています。

• 入力電圧V_INが同相入力電圧範囲内にある場合

→オペアンプが正常に動作します。

• 入力電圧V_INが同相入力電圧範囲を超える場合

→オペアンプが正常に動作することができなくなります。

同相入力電圧範囲を超えるとどうなるのか？

入力電圧V_INが『同相入力電圧範囲内にある場合』と『同相入力電圧範囲を超える場合』に出力電圧V_OUTがどのようになるかを示したのが上図です。

オペアンプは反転入力端子と出力端子を接続した『ボルテージフォロア』を構成しています。『ボルテージフォロア』は入力電圧V_INと出力電圧V_OUTが等しくなる回路です。

入力電圧V_INが同相入力電圧範囲内にある場合は、出力電圧V_OUTは正常に出力されます。

入力電圧V_INがオペアンプの同相入力電圧範囲を超えると、出力電圧V_OUTは正常に出力することができず、不安定な出力電圧V_OUTとなります。

不安定な出力電圧V_OUTとは、オペアンプの内部回路の構成によりますが、同相入力電圧範囲を超えると下図のように出力電圧V_OUTが反転したりします。特にマイナス側(V_EE側)は出力が反転するオペアンプが多いです。

電気的特性の『同相入力電圧範囲』と絶対最大定格の『同相入力電圧』の違いとは

上図のようにオペアンプのデータシートには電気的特性と絶対最大定格が記載されています。

今まで説明していたのは電気的特性の『同相入力電圧範囲』です。絶対最大定格にも『同相入力電圧』という項目があります。この2つの違いは何でしょうか？

このデータシートでは、電気的特性の『同相入力電圧範囲』が標準値で±13.5Vで、絶対最大定格の『同相入力電圧』は±15Vとなっています。また電源電圧は±18Vとなっています。

これらを図で表すと下図のようになります。

電気的特性の『同相入力電圧範囲』は絶対最大定格の『同相入力電圧』より範囲が狭く、違いは以下のようになります。

• 電気的特性の『同相入力電圧範囲』

→オペアンプが正常に動作する入力電圧の範囲

• 絶対最大定格の『同相入力電圧』

→オペアンプが壊れない入力電圧の最大値

電源電圧が変化すると同相入力電圧範囲も変化する

上図はデータシートの一例です。このオペアンプはV⁺/V^-=±15Vの時に同相入力電圧範囲が±13.5Vとなっています。

そのため、電源電圧がV⁺/V^-=±15Vの時は、15Vより1.5V低い±13.5Vの電圧を反転入力端子と非反転入力端子に印可することができるということです。

ここで注意です！電源電圧がV⁺/V^-=10Vの時は±13.5Vの電圧を反転入力端子と非反転入力端子に印可することができなくなります。

電源電圧がV⁺/V^-=10Vの時は、10Vより1.5V低い±8.5Vの電圧しか反転入力端子と非反転入力端子に印可できなくなります。

すなわち、同相入力電圧範囲(V_ICM)は電源電圧V⁺/V^-に比例して変化するということです。

オペアンプの種類による同相入力電圧範囲の違い

オペアンプには同相入力電圧の違いによって『両電源タイプ』、『単電源タイプ』、『レール・ツー・レールタイプ』があります。各種類によって同相入力電圧範囲が異なります。

両電源タイプの同相入力電圧範囲

一般的なオペアンプです。同相入力電圧範囲は電源のプラス側(V_CC側)も電源のマイナス側(V_EE側)も狭くなります。

『両電源タイプ』の電源電圧はV_CCとV_EEですが、V_CCとGND(0V)の単電源でも動作します。

単電源で動作させる場合、入力電圧はGND(0V)近辺になると出力電圧が不安定になるので注意が必要です。

単電源タイプの同相入力電圧範囲

同相入力電圧範囲は電源のプラス側(V_CC側)は狭いですが、電源のマイナス側(V_EE側)は狭くなく、電源電圧(V_EE)と同じになります。

『両電源タイプ』と比べると、電源のマイナス側(V_EE側)まで入力信号を印可することができます。

そのため、電源電圧をV_CCとGND(0V)の単電源で動作させる場合、入力電圧がGND(0V)近辺になっても出力電圧が不安定になることがありません。

レール・ツー・レールタイプの同相入力電圧範囲

同相入力電圧範囲は電源電圧範囲に等しくなります。『単電源タイプ』と比べると、電源のプラス側(V_CC側)も入力信号を印可することができます。

同相入力電圧範囲はどのように決まるのか？

『両電源タイプ』のオペアンプと『単電源タイプ』のオペアンプの同相入力電圧範囲はどのように決まるのでしょうか？同相入力電圧範囲はオペアンプ内部のトランジスタのベースエミッタ間電圧V_BEとコレクタエミッタ間飽和電圧V_CE(SAT)によって決まります。

『両電源タイプ』のオペアンプの同相入力電圧範囲

両電源タイプのオペアンプの内部回路は上図のようになっています。

V_CC側の同相入力電圧範囲の決め方

キルヒホッフの法則より

$$V_{IN}^{-}+V_{BE2}+V_{CE1(SAT)}=V_{CC}$$

V_IN^－の電位が高いとV_CCからV_IN^－にベース電流を流すことができず、電流I^-が流れなくなる。そのため、 V_IN^－の条件は

$$ V_{IN}^{-}{\lt}V_{CC}-(V_{BE2}+V_{CE1(SAT)})$$

V_EE側の同相入力電圧範囲の決め方

キルヒホッフの法則より
$$V_{IN}^{+}+V_{BE3}-V_{CE3(SAT)}-V_{BE4}-V_{BE5}=V_{EE}$$

V_IN⁺の電位が低いとA点の電位が低くなり、電流I⁺を流すことができない。そのため、V_IN⁺の条件は
$$V_{IN}^{+}{\gt}V_{EE}-(V_{BE3}-V_{CE3(SAT)}-V_{BE4}-V_{BE5})$$

『両電源タイプ』のオペアンプの同相入力電圧範囲

そのため、同相入力電圧範囲V_ICMは
$$V_{EE}-(V_{BE3}-V_{CE3(SAT)}-V_{BE4}-V_{BE5}){\lt} V_{ICM}{\lt}V_{CC}-(V_{BE2}+V_{CE1(SAT)}) $$

ベースエミッタ間電圧を全てV_BE、コレクタエミッタ間飽和電圧を全てV_CE(SAT)とすると、
$$V_{EE}-(-V_{BE}-V_{CE(SAT)}){\lt}V_{ICM}{\lt} V_{CC}-(V_{BE}+V_{CE(SAT)}) $$

V_BE=0.6V、V_CE(SAT)=0.3Vとすると、
$$V_{EE}+0.9V{\lt}V_{ICM}{\lt}V_{CC}-0.9V$$

『単電源タイプ』のオペアンプの同相入力電圧範囲

単電源タイプのオペアンプの内部回路は上図のようになっています。

V_CC側の同相入力電圧範囲の決め方

キルヒホッフの法則より

$$V_{IN}^{-}+V_{BE4}+V_{BE2}+V_{CE1(SAT)}=V_{CC}$$

V_IN^－の電位が高いとV_CCからV_IN^－にベース電流を流すことができず、電流I^-が流れなくなる。そのため、V_IN^－の条件は

$$ V_{IN}^{-}{\lt}V_{CC}-(V_{BE4}+V_{BE2}+V_{CE1(SAT)})$$

V_EE側の同相入力電圧範囲の決め方

キルヒホッフの法則より
$$V_{IN}^{+}+V_{BE5}+V_{BE3}-V_{CE3(SAT)}-V_{BE6}=V_{EE}$$

V_IN⁺の電位が低いとA点の電位が低くなり、電流I⁺を流すことができない。そのため、V_IN⁺の条件は
$$V_{IN}^{+}{\gt}V_{EE}-(V_{BE5}+V_{BE3}-V_{CE3(SAT)}-V_{BE6})$$

『単電源タイプ』のオペアンプの同相入力電圧範囲

そのため、同相入力電圧範囲V_ICMは
$$V_{EE}-( V_{BE5}+V_{BE3}-V_{CE3(SAT)}-V_{BE6}){\lt} V_{ICM}{\lt}V_{CC}-(V_{BE4}+V_{BE2}+V_{CE1(SAT)}) $$

ベースエミッタ間電圧を全てV_BE、コレクタエミッタ間飽和電圧を全てV_CE(SAT)とすると、
$$V_{EE}-(V_{BE}-V_{CE(SAT)}){\lt}V_{ICM}{\lt} V_{CC}-(2V_{BE}+V_{CE(SAT)}) $$

V_BE=0.6V、V_CE(SAT)=0.3Vとすると、
$$V_{EE}-0.3V{\lt}V_{ICM}{\lt}V_{CC}-1.5V$$

【その他】補足(今後図を用いて説明します)

・同相入力電圧範囲は、『オペアンプが正常に動作する入力電圧の範囲』と書きましたが、厳密にはオペアンプ内部の入力段の回路が全て線形領域で動作する範囲のことであり、CMRR（同相信号除去比）より悪化しない同相入力電圧範囲として定義されています。

・レール・ツー・レールタイプのオペアンプは入力段が2つあり、N型トランジスタの入力段とP型トランジスタの入力段が並列に接続されています。入力電圧がV_EEに近いときには主にP型トランジスタの入力段が機能し、入力電圧がV_CCに近いときには主にN型トランジスタの入力段が機能するようになっています。そのため、入力バイアス電流が負の時と正の時があります。