電子回路34【電験3種 理論】演算増幅器の特徴と非反転・反転増幅回路の出力電圧を求める！平成22年度 B問題18 完全解説

今回は平成22年度 理論科目 B問題18（選択問題）を解説します。演算増幅器（オペアンプ）について、(a)特徴に関する記述の誤り、(b)非反転増幅回路（図1）と反転増幅回路（図2）の出力電圧を求める問題です。

オペアンプは入力インピーダンスが大きく、出力インピーダンスが小さいのが特徴です。非反転増幅回路の増幅度は1+R_f/R_i、反転増幅回路は−R_f/R_iで計算します。

出題のポイント

平成22年度 理論科目 B問題18：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種 理論科目 【電子理論（電子回路）】 平成22年度 B問題18

　演算増幅器（オペアンプ）について、次の(a)及び(b)に答えよ。

(a) 演算増幅器の特徴に関する記述として、誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）反転増幅と非反転増幅の二つの入力端子と一つの出力端子がある。
（2）直流を増幅できる。
（3）入出力インピーダンスが大きい。
（4）入力端子間の電圧のみを増幅して出力する一種の差動増幅器である。
（5）増幅度が非常に大きい。

(b) 図1及び図2の直流増幅回路のそれぞれの出力電圧V_o1[V]、V_o2[V]の値の組合せとして正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。ただし、演算増幅器は理想的なものとし、V_i1=0.6[V]、V_i2=0.45[V]は入力電圧である。

	Vo1[V]	Vo2[V]
(1)	6.6	3.0
(2)	6.6	−3.0
(3)	−6.6	3.0
(4)	−4.5	9.0
(5)	4.5	−9.0

ポイント解説：(a)出力インピーダンスは小さい、(b)非反転1+Rf/Ri・反転−Rf/Ri

(a) 演算増幅器は入力インピーダンスが非常に大きい一方、出力インピーダンスは非常に小さい。(3)は「入出力インピーダンスが大きい」としているが、出力インピーダンスは小さいので誤り。よって(a)は(3)。他は正しい：(1)反転・非反転の2入力と1出力、(2)直流も増幅できる（直結増幅）、(4)入力端子間の電圧（差）のみを増幅する差動増幅器、(5)開ループ増幅度は非常に大きい。

(b) 図1は非反転増幅回路（V_i1を+入力へ）。増幅度は1+R_f/R_i＝1+100/10＝11。V_o1＝11×0.6＝6.6V。図2は反転増幅回路（V_i2を30kΩ経由で−入力へ、+入力は接地）。増幅度は−R_f/R_i＝−200/30。V_o2＝−(200/30)×0.45＝−3.0V。よってV_o1=6.6V、V_o2=−3.0Vで(b)は(2)。

問題の解説

STEP1　(a)の誤り

入力Zは大きいが出力Zは小さい→「入出力とも大きい」(3)が誤り。

STEP2　(b)図1（非反転）

Vo1=(1+Rf/Ri)Vi1=(1+100/10)×0.6=11×0.6=6.6V。

STEP3　(b)図2（反転）

Vo2=−(Rf/Ri)Vi2=−(200/30)×0.45=−3.0V→(b)=(2)。

答え：(a)-(3)，(b)-(2)

まとめ

(a)誤り	出力インピーダンスは小さい→(3)
図1	非反転増幅（1+Rf/Ri）
Vo1	(1+100/10)×0.6=6.6V
図2	反転増幅（−Rf/Ri）
Vo2	−(200/30)×0.45=−3.0V→(2)

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