オペアンプ（ボルテージフォロワ）

質問

オペアンプについて今学んでいるのですがボルテージフォロワ
ですこしわからないのですが、
最大の特徴がインピーダンス変換と書かれていたのですが
よくわかりません。
オペアンプは入力インピーダンスが非情に大きく、出力インピーダンスは小さいので、ボルテージフォロワは電圧を保ったまま、大きな出力インピーダンスを小さな出力インピーダンスに変換できるそうですが・・・
入力電圧＝出力電圧と関係があるのでしょうか？
そもそもオペアンプの理想特性で入力インピーダンスが∞（非常に大きい）、出力インピーダンスが０（非常に小さい）の理由もわかりません。なぜそのような特性がいいのでしょうか？
インピーダンスのwikiを見てもよくわかりませんんでした；；

よろしくお願いします。

回答No.1

myeyesonly · ベストアンサー

こんにちは。
電源（正しくは電圧源、もしくは信号源）の内部インピーダンス（内部抵抗）の事を考えれば判りやすいかと思います。

普通の乾電池は１．５ボルトで、豆電球が繋がってもＬＥＤが繋がってもラジオが繋がっても１．５ボルトですね。

しかし、どんな状況でも１．５ボルトを保てるわけではありません。
取り出す電流が大きくなると、出力電圧は下がってしまいます。
＃逆に電流が少ない場合、新しい乾電池だと２ボルト近くあります。

この電流の変化に対する電圧変化（電圧降下）を、抵抗と同じように考えて、内部抵抗、もしくは内部インピーダンスといいます。

１Ａの電流を余分に流した時、電池の電圧が１．５Ｖから１．３ボルトまで下がったとしたら、この電池の内部インピーダンスは、
（１．５Ｖ－１．３Ｖ）／１Ａ＝０．２オーム
となります。

あらゆる電圧源、信号源には、これと同じように抵抗部分を考える事が出来、これを内部インピーダンスといいます。

今、内部インピーダンスが１０オームで現在の出力電圧が１ボルトの電源に、１０オームの負荷を新たに繋いだらどうなるか考えてみましょう。
抵抗は、負荷が１０オーム、内部インピーダンスが１０オームで事実上、２０オームになります。
すると、負荷を流れる電流は、
１ボルト／２０オーム＝０．０５アンペア
となります。
理想的な電源では内部インピーダンスはゼロですので、本来なら、この負荷には、
１ボルト／１０オーム＝０．１アンペア
が流れないといけません。

つまり、内部インピーダンスが高いと、負荷に流せる電流が減るわけです。

次に、この回路での、負荷抵抗にかかる電圧は、
０．０５アンペア×１０オーム＝０．５ボルト
となり、本来の電源電圧が内部インピーダンスと負荷抵抗で分割されてしまって、負荷にかかる電圧が下がってしまいます。

このように電圧源の内部インピーダンスが高い場合、測定器などに流す電流部分で誤差が発生してしまい正確な測定が出来なくなります。

取り出すのが直流電流じゃなくて、電気信号の場合は、信号源インピーダンスともいいます。

マイクロホンなどなら内部インピーダンスはキロオーム程度、心電図や脳波などならメガオーム以上です。

このように、特に測定分野では内部インピーダンスは高いと非常に困るので、インピーダンス変換をしないとまともな測定が出来なくなります。

また、増幅回路でも、前段の増幅回路の出力インピーダンスに対して次の段の回路の入力インピーダンスが低すぎると、同じ事が起こり、電圧増幅度が下がってしまいます。

こういう場合、インピーダンス変換を行います。
そして、インピーダンスだけ変換して、増幅率が１、つまり入力電圧＝出力電圧、の関係になる物をボルテージフォロアといいます。

・・・あ～。何か大作を書いた気分。(笑)

お礼

いろいろとあるんですね＠＠
参考になりました！ありがとうございます！

回答No.2

x-nishi

まず、ボルテージフォロアが入力電圧=出力電圧なのはいいですよね。

オペアンプ単体で考えていると、理想的なインピーダンスというのは概念がつかみづらいかもしれません。

電圧E0、出力インピーダンスR0を持った信号発生器の出力を、入力インピーダンスRi、出力インピーダンスRoのボルテージフォロアに接続し、さらにその出力を負荷RLに接続することを考えましょう。このときRL=R0とします。

まず信号発生器にRLを直接接続しようとすると、RLに生じる電圧ELは、
EL = E0 * (RL / (R0 + RL)) = E0 / 2
となり、発生した電圧の半分しかRLにかからないことになります。

ここで、信号発生器と負荷との間にボルテージフォロアを挿入します。するとボルテージフォロアの入力に印加される電圧Eiは、
Ei = E0 * (Ri / (R0 + Ri))
となりますよね。このとき、Ri>>R0であれば、Ei≒E0になりますが、そうでない場合にはEiはE0よりも小さい電圧になってしまいます。

同じ事が負荷に生じる電圧ELにも言えます。
EL = Eo * (RL / (Ro + RL))
ですから、RoがRLに比べて無視できない大きさのとき、EL≠Eoとなってしまいます。

逆にいえば、RiがR0に比べて十分大きく、RoがRLに比べて十分小さければ、EL≒E0が実現できるわけです。

このとき、「ボルテージフォロア＋負荷」をひとかたまりと考えれば、信号発生器に接続されるインピーダンスはRi、すなわちほぼ∞になりますし、
逆に「信号発生器＋ボルテージフォロア」をひとかたまりと考えれば、負荷に電圧を印加する機器の出力インピーダンスはRo、すなわちほぼ0となるわけです。
これを「インピーダンス変換」と呼んでいるわけです。

って書いているうちに#1さんがもっとわかりやすいのを書いていますね。一歩遅かった・・・

お礼

参考になりました！ありがとうございます！