差動増幅器または電圧減算回路

オペアンプはもともとアナログ数学計算用に開発されましたが、それ以来、今日では多くの設計アプリケーションで役立つことが証明されています。私の教授が正しく言ったように、オペアンプは算術電圧計算機であり、加算増幅器回路を使用して2つの与えられた電圧値の加算を実行し、差動増幅器を使用して2つの電圧値の差を実行できます。これとは別に、オペアンプは一般的に反転増幅器および非反転増幅器としても使用されます。

オペアンプを電圧加算器または加算増幅器として使用する方法はすでに学習しているため、このチュートリアルでは、オペアンプを差動増幅器として使用して2つの電圧値間の電圧差を見つける方法を学習します。電圧減算器とも呼ばれます。また、ブレッドボードで電圧減算回路を試し、回路が期待どおりに機能しているかどうかを確認します。

オペアンプの基本

差動オペアンプに飛び込む前に、オペアンプの基本を簡単に説明しましょう。オペアンプは、デバイスに電力を供給するための2つの端子（Vs +、Vs-）を備えた5端子デバイス（単一パッケージ）です。残りの3つの端子のうち2つ（V +、V-）は、反転および非反転端子と呼ばれる信号に使用され、残りの1つ（Vout）は出力端子です。オペアンプの基本的な記号を以下に示します。

オペアンプの動作は非常に簡単で、2つのピン（V +、V-）から異なる電圧を取り込み、ゲイン値で増幅して出力電圧（Vout）として提供します。オペアンプのゲインは非常に高く、オーディオアプリケーションに適しています。オペアンプの入力電圧は、動作電圧よりも低くする必要があることを常に忘れないでください。オペアンプの詳細については、さまざまなオペアンプベースの回路でのアプリケーションを確認してください。

理想的なオペアンプの場合、入力インピーダンスは非常に高くなります。つまり、入力ピン（V +、V-）を介してオペアンプに電流が流入または流出することはありません。オペアンプの動作を理解するために、オペアンプ回路を開ループと閉ループに大まかに分類できます。

オペアンプ開ループ回路（コンパレータ）

開ループオペアンプ回路では、出力ピン（Vout）はどの入力ピンにも接続されていません。つまり、フィードバックは提供されていません。このような開ループ状態では、オペアンプはコンパレータとして機能します。簡単なオペアンプコンパレータを以下に示します。Voutピンが入力ピンV1またはV2に接続されていないことに注意してください。

この状態で、V1に供給される電圧がV2より大きい場合、出力Voutはハイになります。同様に、V2に供給される電圧がV1より大きい場合、出力Voutはローになります。

オペアンプ閉ループ回路（アンプ）

閉ループオペアンプ回路では、オペアンプの出力ピンが入力ピンのいずれかに接続され、フィードバックを提供します。このフィードバックは、閉ループ接続と呼ばれます。閉ループの間、オペアンプは増幅器として機能します。このモードの間、オペアンプは、バッファ、電圧フォロワ、反転増幅器、非反転増幅器、加算増幅器、差動増幅器、電圧減算器などの多くの有用なアプリケーションを見つけます。 Voutピンは反転端子に接続されている場合は負のフィードバック回路（以下に表示）と呼ばれ、非反転端子に接続されている場合は正のフィードバック回路と呼ばれます。

差動増幅器または電圧減算器

それでは、私たちのトピックである差動増幅器に取り掛かりましょう。差動アンプは基本的に2つの電圧値を取り込んで、これら2つの値の差を見つけて増幅します。結果として生じる電圧は、出力ピンから取得できます。基本的な差動アンプ回路を以下に示します。

しかし、待ってください！、これは、フィードバックがない場合でも、オペアンプがデフォルトで行うことではありません。2つの入力を受け取り、出力ピンでそれらの違いを提供します。では、なぜこれらすべての派手な抵抗器が必要なのですか？

はい、しかし、オープンループ（フィードバックなし）で使用される場合、オペアンプは非常に高い制御されていないゲインを持ち、実際には役に立ちません。したがって、上記の設計を使用して、負帰還ループの抵抗を使用してゲインの値を設定します。上記の回路では、抵抗R3が負帰還抵抗として機能し、抵抗R2とR4が分圧器を形成します。ゲインの値は、抵抗の正しい値を使用して設定できます。

差動アンプのゲインを設定するにはどうすればよいですか？

上に示した差動アンプの出力電圧は、次の式で求めることができます。

Vout = -V1（R3 / R1）+ V2（R4 /（R2 + R4））（（R1 + R3）/ R1）

上記の式は、重ね合わせの原理を使用して、上記の回路の伝達関数から得られたものです。しかし、それについてはあまり詳しく説明しません。R1 = R2およびR3 = R4を考慮することにより、上記の式をさらに単純化できます。だから私たちは得るでしょう

R1 = R2およびR3 = R4の場合、Vout =（R3 / R1）（V2-V1）

上記の式から、R3とR1の比率はアンプのゲインに等しいと結論付けることができます。

ゲイン= R3 / R1

それでは、上記の回路の抵抗値を置き換えて、回路が期待どおりに機能しているかどうかを確認しましょう。

差動増幅器回路のシミュレーション

私が選択した抵抗値は、R1とR2では10k、R3とR4では22kです。そのための回路シミュレーションを以下に示します。

シミュレーションの目的で、V2に4V、V1に3.6Vを供給しました。式による抵抗22kと10kは、2.2（22/10）のゲインを設定します。したがって、減算は0.4V（4-3.6）になり、ゲイン値2.2が乗算されるため、上記のシミュレーションに示すように、結果の電圧は0.88Vになります。また、前に説明した式を使用して同じことを確認しましょう。

Vout =（R3 / R1）（V2-V1）（ R1 = R2およびR3 = R4 =（22/10）（4-3.6）=（2.2）x（0.4）= 0.88vの場合）

ハードウェアでの差動アンプ回路のテスト

ここで、楽しい部分として、実際にブレッドボード上に同じ回路を構築し、同じ結果が得られるかどうかを確認しましょう。私が使用していますLM324オペアンプを回路を構築するために、我々は以前に構築されたことをブレッドボード電源モジュールを使用しました。このモジュールは5Vと3.3Vの出力を提供できるので、5Vの電源レールを使用してオペアンプに電力を供給し、3.3Vの電源レールをV1として使用しています。次に、RPS（安定化電源）を使用して、ピンV2に3.7Vを供給しました。電圧の差は0.4で、ゲインは2.2で、0.88Vになるはずです。これは、まさに私が得たものです。下の写真は、セットアップと、0.88Vの読み取り値を持つマルチメータを示しています。

これは、差動オペアンプの理解が正しいことを証明しており、必要なゲイン値を使用して独自に設計する方法がわかりました。完全な動作は、以下のビデオでもご覧いただけます。これらの回路は、ボリューム制御アプリケーションでより頻繁に使用されます。

ただし、回路には入力電圧側（V1およびV2）に抵抗があるため、入力インピーダンスはそれほど高くなく、コモンモードゲインも高く、CMRR比が低くなります。これらの欠点を克服するために、計装アンプと呼ばれる即興バージョンの差動アンプがありますが、それは別のチュートリアルに任せましょう。

チュートリアルを理解し、差動アンプについての学習を楽しんだことを願っています。質問がある場合は、コメントセクションに残すか、フォーラムを使用して、より技術的な質問と迅速な対応を行ってください。