🔌 オペアンプ抵抗計算機

オペアンプはアナログ回路設計の主役で、最も一般的な2つの回路構成では、たった2本の抵抗値が利得を決めます。非反転増幅回路の利得はG＝1＋Rₘ/R₁で、常に1以上です。反転増幅回路はG＝−Rₘ/R₁で、減衰も増幅もでき、位相が反転します。抵抗値の選び方は常に綱渡りです。小さすぎると信号源を負荷し消費電力が増え、大きすぎると雑音とバイアス電流誤差が支配的になります。

実務の目安として、利得1〜10程度なら抵抗は1〜100kΩの範囲に収めるのが無難です。高利得では帰還抵抗と入力容量がポールを形成して帯域を制限し、大容量抵抗は熱雑音を発生します。本ツールは双方向の計算に対応しています。抵抗値から利得を求める、または目標利得を実現する抵抗を求めることができ、結果はリニア比とdBの両方で表示されます。基本の電圧・電流・抵抗の関係はオームの法則計算ツールで復習できます。

反転構成では、−入力がバーチャルグラウンドになるため、R₁を流れる電流とRₘを流れる電流が等しくなり、G＝−Rₘ/R₁が導かれます。非反転構成では帰還により−入力がV+に追従するため、G＝1＋Rₘ/R₁です。本ツールはこれをそのまま適用し、ソルブモードでは未知の抵抗について式を変形します。

出力される必要な帰還抵抗（ソルブモード）とdB単位の利得は、そのまま設計ノートに書き写せる値です。帯域の上限はオペアンプの利得帯域幅積（GBW）で決まり、閉ループ帯域幅はGBW/Gです。10MHzのオペアンプを利得10で使えば約1MHzの帯域が得られます。抵抗値の選定には抵抗カラーコード計算ツールが手元の部品の解読に役立ちます。

1. 回路構成を選びます：反転増幅または非反転増幅。
2. 計算方向を選びます：抵抗値から利得、または利得から抵抗値。
3. 2つの抵抗値（または利得と片方の抵抗）を入力します。
4. 「計算」を押すと、利得（リニア・dB）または不足している抵抗が表示されます。
5. 結果に近い標準E系列の抵抗値を選びます。

反転増幅の利得式にマイナスが付くのはなぜ？

信号が反転入力に入るため、出力は入力と180°位相がずれます。交流信号では極性の問題だけですが、直流回路では入力と逆方向に出力が振れることを意味します。

抵抗値はどの範囲を選べばよいですか？

1〜100kΩを目安にしてください。それ以下では信号源インピーダンスとオペアンプの出力駆動能力が制限になり、それ以上では√Rに比例する熱雑音と入力バイアス電流誤差が増えます。高精度直流ではRₘ≤1MΩに抑えましょう。

非反転増幅で利得をちょうど1にするには？

Rₘ＝0（ショート）にしてR₁を外すか、古典的なボルテージフォロワ配線を使います。本ツールはその場合、帰還抵抗0を返します。反転入力にグランドへ落とす抵抗は不要です。

高利得で帯域が制限されるのはなぜ？

オペアンプの利得帯域幅積（GBW）のためです。閉ループ帯域幅≈GBW／利得なので、10MHzのオペアンプを利得100で使うと有効帯域は100kHzしかありません。高利得・高周波には段間カスケードか高速なアンプを選びましょう。

反転段で減衰器を作れますか？

作れます。Rₘ<R₁とすれば反転段は減衰し、入力インピーダンスはちょうどR₁になります。大きなセンサ信号をADCレンジまでスケールダウンしつつ信号源をバッファする定番手法です。

オフセット電圧やバイアス電流は考慮されていますか？

いいえ。理想オペアンプを前提にしています。実部品には入力オフセット電圧（µV〜mV）とバイアス電流（pA〜nA）があり、高インピーダンスや高利得の設計で小さな誤差になります。高精度直流には低オフセット品やチョッパ型アンプを選んでください。

ほとんどの設計では両抵抗を1〜100kΩに収めましょう。1kΩ未満ではオペアンプの出力と信号源が低インピーダンスを駆動するはめになり、1MΩ超では雑音とバイアス電流が忍び寄ります。標準のE系列を使い、利得の微調整は追わないこと。1%抵抗で利得精度は約2%です。バイポーラ入力のオペアンプでは、−入力に接続したR₁とRₘの並列値に等しい抵抗を＋入力側に挿入し、入力バイアス電流を補償します。利得帯域幅積のトレードオフも忘れずに。高利得で帯域が落ちるため、1段で巨大な利得を取るより2段に分ける方が賢明です。電源ピンにはチップ近傍に100nFのバイパスコンデンサを付けましょう。