20240107082803 ユニティゲイン ボルテージフォロワが不可能なオペアンプがあるのはなぜ？
Texas Instrumentsのこのドキュメントで説明されている。 位相・ゲイン余裕の小さいオペアンプの使用の注意点
直感的な説明
一般にゲインが大きいほど、帰還は少なくなる。ということは、逆に言えばゲインが1のボルテージフォロワは、帰還量が多い。めっちゃ帰還してるということは、発振しやすい。発振しないための条件が、ゲインが大きい場合よりも厳しくなる。帰還にアンプなどを入れて増幅しない限り、全部を帰還させるボルテージフォロワがオペアンプ的には一番ツラい状態。ツラいとは安定して動作する限界に近づいているということ。つまり、ボルテージフォロワってオペアンプを不安定に近い状態で使っているよね。
理論的な説明
Why Unity Feedback is Most Difficult for Stability? 上記に必要なことは書かれているが、open-loop gainという言葉が表現している内容は一般にはループゲインと言われているもの。
The higher the open-loop gain the lower is the gain margin
これが結論ではあるのだが、用語の定義が不明だったため、色々調べることになった。上記の “open-loop gain” はループゲインのこと。この記事以外でも、時々ループゲインの意味でオープンループゲイン/開ループゲイン/open-loop gainという用語を使って解説している記事があるので注意。
20240107103934 発振条件 の条件を満たす回路が(意図せず)できてしまうと、発振する。(そう、気にするべきはループゲイン！) 発振しないようにするには、ループゲインが0dBになる周波数で、位相が180°遅れないようになっている必要がある。 位相余裕とは、0dBになる周波数で、180°よりどれだけ小さいか？ の角度のこと。 ゲイン余裕とは、180°位相がズレる周波数で、ゲインが0dBからどのくらい小さくなっているか？ の量のこと。 下図みたいになってれば余裕があるので大丈夫。
ところで、この図の周波数特性とかはどこを計測しているのか？というと以外と簡単ではなく、発振するかどうか？を含めた安定性の判定に使いたい場合、回路全体の周波数特性「ではなく」、ループゲインの周波数特性を使う必要がある。 ループゲインって何？ というとフィードバックループを戻し先に接続せず、切った状態での、アンプの入口に現れるゲイン。
ループゲインとは？ 12:40あたりからくわしい動画 LTspiceでオペアンプのループゲインをシミュレーション - YouTube
9 負帰還 この図の点bでのゲインに-1をかけたもの、と説明されているが、「負帰還を通った後、入力に戻される信号のゲイン」 と考えた方がわかりやすいのではないか。そもそも、点bでは入力も加わっているので、 になっている。その後の還送差の式ではそういう説明がされているので、点bの信号そのものではない。もし、「点bの前にある足し算で、帰還側から入る値」のことを言っているなら、説明がわかりにくくなっている。
負帰還の安定性を検討するには，ループゲインのボーデ線図を描きます． ボーデ線図上で，ループゲインが 0dB になるまでに，位相が
180o 以下であれば，安定です． また別の言い方をすれば，位相が
発振しやすい回路はどっち？ | CQ出版社 オンライン・サポート・サイト CQ connect
理想OPアンプのループ・ゲイン周波数特性は，2nd Poleの位置に45°の位相余裕があります．回路（a），回路（b）ともに，2nd Poleの位置は1MHzです．しかし，回路（a）は10倍の非反転増幅器であるので，位相特性はそのままで，ループ・ゲイン特性が20dB分下にシフトします．従いまして，位相余裕=45°（ループ・ゲイン=0dB)は，回路(b)が近いといえます．
●「.MEAS」で調べた値をプロットする**
図7は，図4の動作結果をプロットしたものです．また「.MEAS」で測定した位相余裕値を書き加えました．図4の回路（b’）のボルテージ・フォロワのループ・ゲイン周波数特性はOPアンプのオープン・ループ周波数特性であり，図4の回路（a’）の非反転増幅器のループ・ゲイン周波数特性は帰還率（ここでは-20dB）分だけOPアンプのオープン・ループ周波数特性がグラフ内で下に移動しています．このため位相余裕を測定するループ・ゲイン=0dBの周波数も低くなり，
-20dB/decの傾きであることから100kHzになっています．プロットのカーソルで確かめると「.MEAS」で調べた値であることが分かるでしょう．
ループゲインはボルテージフォロワだとオープンゲインそのものになる。
上の図は10倍=20dBの場合のループゲインとの比較。アンプとしての増幅率が高い=ループゲインが少ない=グラフが下に移動する=0dBになるポイントが低周波側に寄る=ゲイン余裕、位相余裕とも増える=安定する！