今回はオペアンプのベターな増幅回路の使い方を簡単にシミュレートしていきたいと思います。（位相特性や周波数特性は後ほど説明するかもしれません）

オペアンプ

オペアンプは電圧や電流といったアナログな値の増幅や演算を行う回路となります。

オペアンプには以下の数式が条件として与えられています。

${V_+=V_-}$

${I_{V_+}{\simeq}I_{V_-}{\simeq}0}$

Voutやそれに接続する回路からV+-へ帰還をかけるとV+とV-は同じ電圧になりますが、その際V+とV-の端子に流れ込む電流はほぼ0となります。

ユニティーゲイン回路

電圧の増幅をしないで高インピーダンスな回路から電流を取り出す際に用いる回路となります。

V+とV-は同じかつ、VoutがV-に短絡されているので

${V_+=V_{out}}$

となります。

非反転増幅回路

まず、V+とV-は同電圧になります。またR1の電圧はV+と同じ電圧がかかります。

${I_{R_1}=\frac{V_+}{R_1}}$

そしてV-端子には電流が流れないため、R1に流れる電流はR2を流れます。電流はVoutからR1,2を通ってGND方向に流れます。すなわちVoutの電圧は

${V_{out}=V_++I_{R_1}{\times}R_2=V_++R_2{\times}\frac{V_+}{R_1}}$

式を整理してゲインGを求めると

${V_{out}=V_+(1+\frac{R_2}{R_1})}$

${G=1+\frac{R_2}{R_1}}$

となります。ちなみにR1=R2=1kΩとするとGは2倍になります。

反転増幅回路

V+端子がGNDに接続されているので、R1に流れる電流は

${I_{R_1}=\frac{V_{in}-0}{R_1}}$

となります。
またV-端子に電流が流れないので、この電流はR2をVoutに向けて通ります。即ちVoutは

${V_{out}=0-I_{R_1}{\times}R_2=-\frac{V_{in}}{R_1}{\times}R_2}$

となります。
式を整理してゲインGを求めると

${V_{out}=-V_{in}\frac{R_2}{R_1}}$

${G=-\frac{R_2}{R_1}}$

となります。R1=R2を1kΩとするとGは-1倍となります。

電圧レギュレータ

入力電圧に対して出力電圧を一定にするレギュレータ回路が存在します。例えば三端子レギュレータが一つの例ですが、上記の増幅回路を応用し、オペアンプとトランジスタを組み合わせて作ることができます。

電源電圧Vccが10~14Vまで変化しているのに対して出力電圧VoutがVinを基準に5V一定で出力されているのが分かります。
非反転増幅回路ですからR1,R2=1kΩだとG=2倍、すなわち2.5VのVinの2倍の電圧がVoutから一定に出力されているのが分かります。

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