オペアンプ - ボルテージフォロワ

概要

ボルテージフォロワは、オペアンプの出力と反転入力端子を直接接続し、非反転入力端子に入力信号を加えることで、入力電圧と等しい出力電圧を得る回路構成である。

この回路は、100[%]の負帰還 (帰還率 β = 1) により、電圧利得が1倍 (0 [dB]) となる。
位相反転は発生せず、入力信号がそのまま出力される。

ボルテージフォロワの最大の特徴は、極めて高い入力インピーダンス (理想値は無限大、実際には数[MΩ]〜数百[GΩ]) と、極めて低い出力インピーダンス (理想値は0[Ω]、実際には数[Ω]〜数十[Ω]) を持つことである。
この特性により、インピーダンス変換器として機能し、高インピーダンス信号源から低インピーダンス負荷へ信号を伝達する際に、信号源に負担をかけずに駆動できる。

ボルテージフォロワの回路図

主な応用例を以下に示す。

• センサ回路のバッファ (ピエゾセンサ、pHセンサ)
• ADコンバータの前段回路
• アクティブフィルタの出力段
• オーディオ回路 (プリアンプ、ヘッドフォンアンプ)
• 精密電圧源の低インピーダンス化

別名

ボルテージフォロワは、用途や強調する特性により、様々な名称で呼ばれる。

代表的な別名を以下に示す。

• ユニティゲインバッファ (Unity Gain Buffer)

  電圧利得が1倍 (0 [dB]) であることを強調する呼び方

• バッファアンプ (Buffer Amplifier)

  信号のバッファリング機能を強調する呼び方

• インピーダンス変換器 (Impedance Converter)

  高インピーダンスから低インピーダンスへの変換機能を強調する呼び方

• ボルテージバッファ (Voltage Buffer)

  電圧バッファリングを表す汎用的な呼び方

• 電圧フォロワ

  日本語での標準的な呼び方

これらの名称は、全て同一の回路構成を指す。
文脈に応じて適切な名称が使用される。

動作原理

回路構成

ボルテージフォロワは、以下の接続により構成される。

• 非反転入力端子 (+) に入力信号 Vin を接続
• 反転入力端子 (-) と出力 Vout を直接接続 (100[%]負帰還)
• 電源は正負電源または単電源

この構成により、出力電圧が反転入力端子に全て帰還されるため、帰還率 β = 1 となる。

理想オペアンプの仮定

ボルテージフォロワの動作を理解するには、理想オペアンプの2つの仮定が重要である。

• 仮定1 : イマジナリーショート (仮想短絡)

  オペアンプの開ループゲインが無限大に近いため、負帰還がかかった状態では、非反転入力端子 (+) と反転入力端子 (-) の電位差がほぼゼロになる。

  このため、V+ と V- がほぼ等しい電位になる。

  
  

• 仮定2 : 入力電流がゼロ

  オペアンプの入力インピーダンスが無限大であるため、2つの入力端子から流れ込む電流はほぼゼロである。

  このため、入力端子は信号源に電流を流さない。

これらの仮定により、ボルテージフォロワは理想的なバッファとして動作する。

ゲインの導出

ボルテージフォロワのゲインが1倍 (0 [dB]) になることを、オペアンプの基本式から導出する。

オペアンプの基本式は以下の通りである。

${\mbox{Vout}}=A\times (V+-V-)$

ここで、

• A

  オペアンプの開ループゲイン (通常、10⁴〜10⁶)

• V+

  非反転入力端子の電圧

• V-

  反転入力端子の電圧

• Vout

  出力電圧

ボルテージフォロワの接続条件は以下の通りである。

${\begin{aligned}{\mbox{V+}}&={\mbox{Vin}}\\{\mbox{V-}}&={\mbox{Vout}}\end{aligned}}$

これを基本式に代入すると、

${\begin{aligned}{\mbox{Vout}}&={\mbox{A}}\times ({\mbox{Vin}}-{\mbox{Vout}})\\{\mbox{Vout}}&={\mbox{A}}\times {\mbox{Vin}}-{\mbox{A}}\times {\mbox{Vout}}\\{\mbox{Vout}}+{\mbox{A}}\times {\mbox{Vout}}&={\mbox{A}}\times {\mbox{Vin}}\\{\mbox{Vout}}\times (1+{\mbox{A}})&={\mbox{A}}\times {\mbox{Vin}}\\{\mbox{Vout}}&={\dfrac {\mbox{A}}{(1+{\mbox{A}})}}\times {\mbox{Vin}}\end{aligned}}$

開ループゲインAが無限大に近づくとき、

${\begin{aligned}{\mbox{Vout}}&={\dfrac {\mbox{A}}{(1+{\mbox{A}})}}\times Vin\\&\longrightarrow {\dfrac {A}{A}}\times {\mbox{Vin}}\\&={\mbox{Vin}}\end{aligned}}$

したがって、

${\mbox{Vout}}={\mbox{Vin}}\quad \cdots \quad$ ゲインは、1

この導出により、ボルテージフォロワのゲインが1倍であることが数学的に証明される。

非反転増幅回路との関係

ボルテージフォロワは、非反転増幅回路の特殊ケースとして理解できる。

非反転増幅回路のゲイン式は以下の通りである。

${\mbox{Av}}=1+{\dfrac {\mbox{R2}}{\mbox{R1}}}$

ここで、

• R1

  反転入力端子とグランド間の抵抗

• R2

  反転入力端子と出力間の抵抗 (フィードバック抵抗)

• Av

  電圧利得

ボルテージフォロワは、フィードバック抵抗 R2 = 0 (直接接続) の特殊ケースである。

${\mbox{Av}}=1+{\dfrac {0}{\mbox{R1}}}=1$

この時、帰還率 β = 1 となる。

非反転増幅回路の抵抗を以下のように変化させると、

• R2 = 0[Ω] の時

  ボルテージフォロワ (Av = 1)

• R2 > 0 の時

  非反転増幅回路 (Av > 1)

このように、ボルテージフォロワは非反転増幅回路の最もシンプルな形態である。

ボルテージフォロワの特徴

入力インピーダンス

ボルテージフォロワの入力インピーダンスは、理想的には無限大である。

実際のオペアンプでは、以下の範囲の入力インピーダンスを持つ。

• バイポーラトランジスタ入力オペアンプ : 数[MΩ]〜数十[MΩ]

  例: LM358 (約2 [MΩ])

• FET入力オペアンプ : 数百[MΩ]〜数百GΩ

  例: TL072 (1[TΩ]以上、1[TΩ]近く)

この極めて高い入力インピーダンスにより、以下に示すメリットが得られる。

• 信号源に電流をほとんど流さない
• 高インピーダンスセンサからの信号を歪ませずに取得できる
• 分圧抵抗の出力電圧を変化させずに取得できる

高インピーダンスセンサの例を以下に示す。

• ピエゾセンサ (数[MΩ]〜数GΩ)
• pHセンサ (数百[MΩ])
• イオン選択電極 (数百[MΩ])

出力インピーダンス

ボルテージフォロワの出力インピーダンスは、理想的には0[Ω]である。

実際のオペアンプでは、以下の範囲の出力インピーダンスを持つ。

• 汎用オペアンプ: 数[Ω]〜数十[Ω]
• 高精度オペアンプ: 数[Ω]〜十数[Ω]

この極めて低い出力インピーダンスにより、以下に示すメリットが得られる。

• 負荷に大きな電流を流せる。
• 負荷インピーダンスの変化による出力電圧の変動が小さい。
• 複数の負荷に信号を分配できる。

出力インピーダンスが低いことにより、以下の回路を駆動できる。

• ADコンバータ (入力インピーダンス: 数[kΩ]〜数十[kΩ])
• ケーブル (容量性負荷)
• 後段の増幅回路

その他の特徴

ボルテージフォロワは、以下の特徴を持つ。

ボルテージフォロワの主要特性

項目	特性・説明
電圧利得	1 V/V (0 [dB]) 入力信号が増幅されずにそのまま出力される
位相シフト	0° (位相反転なし) 入力信号と出力信号の位相が一致する
周波数帯域	ゲインが1倍であるため、オペアンプのGB積 (ゲイン帯域幅積) とほぼ等しい周波数帯域を持つ 例: TL072 (GB積 = 3 MHz) の場合、約3 MHzまでの信号に対応

これらの特徴により、ボルテージフォロワは信号の増幅を行わず、インピーダンス変換のみを行う理想的なバッファとして機能する。

代表的なオペアンプIC

ボルテージフォロワ回路で使用される代表的なオペアンプICを用途別に紹介する。

オペアンプICの特性比較

汎用オペアンプの特性比較

オペアンプ	項目	仕様・説明
TL072/TL074	型式	Dual/Quad FET入力オペアンプ
	GB積	3 [MHz]
	入力インピーダンス	10¹²[Ω]以上 (1 [TΩ]近く)
	スルーレート	13 [V/µs]
	入力オフセット電圧	±3 [mV]
	入力バイアス電流	±30 [pA]
	用途	オーディオ応用、低ノイズが必要な回路、高インピーダンスセンサのバッファ
LM358/LM324	型式	Dual/Quad バイポーラ入力オペアンプ
	GB積	1 [MHz]
	入力インピーダンス	約2 [MΩ]
	スルーレート	0.5 [V/µs]
	入力オフセット電圧	±5 [mV]
	入力バイアス電流	±50 [nA]
	電源電圧	3[V]〜32[V] (単電源動作可能)
	用途	低コスト汎用応用、単電源回路、センサ信号の取得

高精度オペアンプの特性比較

オペアンプ	項目	仕様・説明
OP07	GB積	0.6 [MHz]
	入力オフセット電圧	±75 [µV] (OP07E)
	オフセット電圧ドリフト	±2 [µV/℃]
	入力バイアス電流	±4 [nA]
	用途	精密計測、データ取得、DC信号の増幅
OPA277	GB積	10 [MHz]
	入力オフセット電圧	±10 [µV]
	オフセット電圧ドリフト	±0.1 [µV/℃]
	入力バイアス電流	±10 [nA]
	用途	高精度データ取得、計測器、精密電圧源のバッファ

高速オペアンプの特性比較

オペアンプ	項目	仕様・説明
OPA627	GB積	16 [MHz]
	スルーレート	55 [V/µs]
	入力オフセット電圧	±0.8 [mV]
	入力バイアス電流	±30 [pA]
	THD+N (全高調波歪み+ノイズ)	0.00003[%]
	用途	高精度オーディオ、精密計測、高速信号処理
AD8065	GB積	145 [MHz]
	スルーレート	180 [V/µs]
	入力オフセット電圧	±1.5 [mV]
	入力バイアス電流	±0.6 [fA]
	用途	高速信号処理、RF応用、ビデオ信号の増幅

オペアンプICの比較表

代表的なオペアンプICのスペックを以下の表に示す。

オペアンプIC比較表

IC名	GB積	スルーレート	入力オフセット	用途
TL072/TL074	3 [MHz]	13 [V/µs]	±3 [mV]	オーディオ、汎用
LM358/LM324	1 [MHz]	0.5 [V/µs]	±5 [mV]	単電源、低コスト
OP07	0.6 [MHz]	0.3 [V/µs]	±75 [µV]	精密計測 (DC)
OPA277	10 [MHz]	0.8 [V/µs]	±10 [µV]	高精度計測
OPA627	16 [MHz]	55 [V/µs]	±0.8 [mV]	高精度オーディオ
AD8065	145 [MHz]	180 [V/µs]	±1.5 [mV]	高速信号処理

オペアンプの選択は、以下の要件により決定される。

• 周波数帯域 (GB積)
• 精度 (入力オフセット電圧、温度ドリフト)
• 速度 (スルーレート)
• コスト
• 電源電圧 (単電源または正負電源)

インピーダンス変換が必要な場面

ボルテージフォロワのインピーダンス変換機能が必要となる代表的な場面を以下に示す。

高インピーダンスセンサからの信号取得

高インピーダンスセンサは、出力インピーダンスが数[MΩ]〜数[GΩ]と極めて高い。
このようなセンサに低インピーダンスの負荷を直接接続すると、電圧降下により信号が歪む。

高インピーダンスセンサの例を以下に示す。

• ピエゾセンサ (圧力、振動の検出)

  出力インピーダンス: 数[MΩ]〜数GΩ

• pHセンサ (イオン選択電極)

  出力インピーダンス: 数百[MΩ]

• 高インピーダンス温度センサ

  出力インピーダンス: 数[MΩ]

ボルテージフォロワをセンサの出力に接続することにより、センサに電流をほとんど流さずに信号を取得できる。

計測回路における信号の取得

精密計測回路では、分圧抵抗やブリッジ回路から信号を取得する。
これらの回路は高インピーダンスであるため、直接ADコンバータに接続すると、ADコンバータの入力電流により電圧降下が発生し、測定誤差が生じる。

ボルテージフォロワを挿入することにより、以下に示すメリットが得られる。

• 分圧抵抗の出力電圧を変化させずに取得
• ブリッジ回路の平衡を崩さずに信号を取得
• ADコンバータの入力電流による測定誤差を最小化

ケーブル駆動

長いケーブルは容量性負荷として作用し、信号の高周波成分を減衰させる。
ボルテージフォロワの低い出力インピーダンスにより、ケーブルの容量性負荷を駆動できる。

これにより、以下に示すメリットが得られる。

• 長距離伝送時の信号劣化を抑制
• 高周波信号の減衰を最小化
• 信号の立ち上がり時間を維持

複数の負荷への信号分配

1つの信号源から複数の負荷に信号を分配する場合、ボルテージフォロワを使用することにより、各負荷が信号源に与える影響を最小化できる。

これにより、以下に示すメリットが得られる。

• 負荷の追加や削除が他の負荷に影響しない
• 各負荷に安定した電圧を供給
• 信号源の過負荷を防止

応用例

ボルテージフォロワの代表的な応用例を以下に示す。

センサ回路のバッファ

高インピーダンスセンサの出力をボルテージフォロワでバッファリングする。

ピエゾセンサのバッファ

• ピエゾセンサの出力インピーダンスは数[MΩ]〜数GΩと極めて高い
• ボルテージフォロワをセンサの直後に配置し、低インピーダンス化
• 後段の増幅回路やADコンバータに信号を伝達

pHセンサのバッファ

• pHセンサ (イオン選択電極) の出力インピーダンスは数百[MΩ]
• FET入力オペアンプ (TL072など) を使用したボルテージフォロワで信号を取得
• 低インピーダンス化した信号を増幅回路に送る

ADコンバータの前段

ADコンバータの前段にボルテージフォロワを配置することにより、以下に示すメリットが得られる。

• 高インピーダンス信号を低インピーダンス信号に変換
• ADコンバータの入力電流による電圧降下を防止
• 測定精度の向上

特に、サンプリング時にADコンバータの内部容量が瞬間的に充電されるため、信号源に瞬間的な電流が流れる。
ボルテージフォロワがこの電流を供給することにより、信号源への影響を最小化できる。

アクティブフィルタの出力段

アクティブフィルタ (ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ) の出力段にボルテージフォロワを配置する。

これにより、以下に示すメリットが得られる。

• フィルタ回路の出力インピーダンスを低減
• 後段の負荷によるフィルタ特性の変化を防止
• 積分回路やフィルタ出力の安定化

オーディオ回路

オーディオ回路では、信号の劣化を防ぐためにボルテージフォロワが使用される。

プリアンプ

• マイクロフォンやギターピックアップの高インピーダンス信号をバッファリング
• 低インピーダンス化した信号をメインアンプに送る

ヘッドフォンアンプ

• DAC (Digital-to-Analog Converter) の出力をバッファリング
• ヘッドフォンを駆動するための電流を供給

精密電圧源

分圧抵抗や基準電圧源の出力をボルテージフォロワでバッファリングする。

これにより、以下に示すメリットが得られる。

• 負荷電流による電圧降下を防止
• 基準電圧の安定化
• 複数の回路に基準電圧を供給

設計時の注意点

発振対策

ボルテージフォロワは、100[%]の負帰還 (帰還率 β = 1) のため、発振しやすい回路構成である。

発振の原因

• 100[%]の負帰還により、わずかな位相遅れでも不安定になりやすい。
• オペアンプに複数のポール (周波数特性の折れ点) がある場合、高周波で合計180°の位相遅れに達する可能性がある。
• 容量性負荷 (ケーブルの容量など) によるローパスフィルタ効果により、位相遅れが発生

対策1: ユニティゲイン対応オペアンプの選択

• データシートに "Unity-Gain Stable" または "Stable at Gain = 1" と明記されたオペアンプを選択
• これらのオペアンプは、ゲイン1でも安定動作するように内部補償されている。

対策2: 出力のRC補償

• オペアンプの出力端子と負荷の間に小さな抵抗 (数十Ω〜数百Ω) を挿入
• この抵抗により、容量性負荷によるポールが高周波側に移動し、位相余裕が確保される。

対策3: フィードバックパスの補償

• 反転入力端子とグランド間に小容量のコンデンサ (数pF〜数十pF) を接続
• 高周波での利得を低下させ、発振を抑制

容量性負荷への対応

容量性負荷は、オペアンプの出力インピーダンスと組み合わさってローパスフィルタを形成し、位相遅れを引き起こす。

容量性負荷の例を以下に示す。

• 長いケーブル (数pF/m〜数十pF/m)
• 後段回路の入力容量
• プリント基板のパターン容量

RC補償の手順

1. オペアンプの出力端子に抵抗 Rout (数十[Ω]〜数百[Ω]) を直列に挿入する。
2. 抵抗 Rout と容量性負荷 Cload により形成されるポール周波数が、オペアンプのGB積より十分高くなるように設定する。

   
   

3. ポール周波数の計算式を以下に示す。

   ${\mbox{fpoll}}={\dfrac {1}{(2\pi \times {\mbox{Rout}}\times {\mbox{Cload}})}}$

   
   

4. この周波数がGB積の10倍以上になるように Rout を選択する。

非理想特性の影響

実際のオペアンプは、理想オペアンプとは異なる非理想特性を持つ。
これらの特性がボルテージフォロワの性能に影響する。

スルーレートの制限

• スルーレートは、オペアンプの出力電圧が変化できる最大速度 (V/µs) を表す
• 急峻な入力信号に対して、出力が追従できず、波形が歪む
• 対策: 高速オペアンプ (高スルーレート) を選択

入力オフセット電圧

• 入力端子間の電圧差がゼロでも、出力に微小な電圧が現れる
• ボルテージフォロワでは、このオフセット電圧がそのまま出力に現れる (増幅されない)
• 対策: 高精度オペアンプ (低オフセット電圧) を選択、またはトリミング

入力バイアス電流

• オペアンプの入力端子に流れ込む微小な電流
• 高インピーダンス回路では、この電流による電圧降下が誤差になる
• 対策: FET入力オペアンプ (低バイアス電流) を選択

GB積の制限

• ゲインが1倍のため、ボルテージフォロワの帯域幅はGB積とほぼ等しい。
• 例

  GB積が1 [MHz]のオペアンプでは、約1 [MHz]までの信号にしか対応できない。

• 対策

  高GB積のオペアンプを選択する。

トランジスタによるボルテージフォロワ

オペアンプ以外に、トランジスタを使用したボルテージフォロワも存在する。
これらは、よりシンプルな回路構成で実現できるが、性能面ではオペアンプ版に劣る。

エミッタフォロワ

エミッタフォロワは、バイポーラトランジスタを使用したボルテージフォロワである。

回路構成

• ベース (B) に入力信号を接続
• コレクタ (C) を電源 VCC に接続
• エミッタ (E) を出力として取り出す
• エミッタとグランド間に負荷抵抗またはプルダウン抵抗を接続

動作原理

• ベース-エミッタ間電圧 Vbe は約0.6V (シリコントランジスタ) で一定
• 入力電圧が変化すると、エミッタ電圧も追従して変化
• Vout = Vin - Vbe

特徴

• 入力インピーダンス: 数kΩ〜数十kΩ (オペアンプ版より低い)
• 出力インピーダンス: 比較的低い
• ゲイン: ほぼ1倍 (厳密には1未満)
• 電圧ドロップ: Vbe (約0.6V) の電圧降下が発生

制限事項

• Vbeドロップにより、出力電圧が入力電圧より約0.6V低くなる
• 入力バイアス電流が比較的大きい (数十nA)
• 精度はオペアンプ版より劣る (1[%]程度)

用途

• 低コスト、シンプルな回路
• 高速応答が必要な回路
• 単電源動作

ソースフォロワ

ソースフォロワは、MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) を使用したボルテージフォロワである。

回路構成

• ゲート (G) に入力信号を接続
• ドレイン (D) を電源 VDD に接続
• ソース (S) を出力として取り出す
• ソースとグランド間に負荷抵抗またはプルダウン抵抗を接続

動作原理

1. ゲート-ソース間電圧 Vgs により、ドレイン-ソース間電流が制御される。
2. 入力電圧が変化すると、ソース電圧も追従して変化する。

   ${\mbox{Vout}}={\mbox{Vin}}-{\mbox{Vgs}}$

特徴

• 入力インピーダンス

  極めて高い。(1[TΩ]以上)

• 出力インピーダンス

  低い

• ゲイン

  ほぼ1倍 (厳密には1未満)

• 電圧ドロップ

  Vgs (約1〜2 [V]) の電圧降下が発生

• バイアス電流

  ほぼゼロ (リーク電流のみ、[fA]オーダー)

制限事項

• Vgsドロップにより、出力電圧が入力電圧より約1〜2[V]低くなる。
• 精度はオペアンプ版より劣る。(1[%]程度)

用途

• 高インピーダンスバッファ
• 高速応答が必要な回路
• 低ノイズ回路

3つの実装方式の比較

オペアンプ版、エミッタフォロワ、ソースフォロワの特性を以下の表に示す。

ボルテージフォロワの実装方式比較

特性	オペアンプ版	エミッタフォロワ	ソースフォロワ
入力インピーダンス	1[TΩ] (FET型)	数kΩ〜数十kΩ	1[TΩ]以上
出力インピーダンス	数[Ω]〜数十[Ω]	数十[Ω]〜数百[Ω]	数十[Ω]〜数百[Ω]
電圧ドロップ	0[V]	Vbe (約0.6[V])	Vgs (約1〜2[V])
精度	0.1[%]以下可能	1[%]程度	1[%]程度
バイアス電流	fA〜pA	nA (数10[nA])	fA (リークのみ)
回路の複雑さ	中程度	シンプル	シンプル
コスト	中〜高	低	低〜中
用途	精密バッファ	高速、低コスト	高インピーダンス

オペアンプ版は、最も高精度で電圧ドロップがないため、精密計測や高性能バッファに適している。
エミッタフォロワとソースフォロワは、シンプルで低コストだが、電圧ドロップが発生するため、精度が要求される用途には適さない。

参考文献

• Texas Instruments - TL072 データシート
• Texas Instruments - LM358 データシート
• Texas Instruments - OPA277 データシート
• Texas Instruments - OPA627 データシート
• Analog Devices - OP07 データシート
• Analog Devices - AD8065 データシート