オペアンプ実験用基板

典型的な実験室ベースの電気工学101の授業では、抵抗器、コンデンサ、インダクタ、ダイオードの講義や、キルヒホッフの法則を使った基本的な回路の解析方法など、ごく基本的なことから始めます。このようなトピックの実験室では、通常、次のような正反対のことが同時に当てはまるデバイスを使用します。祝福と呪い、愛と憎しみ、電子的探求の無限の遊び場と電気工学専攻の学生の悩みの種。この不思議で恐ろしいデバイスは何でしょうか。それは、はんだ付け不要のブレッドボード。

ここでは、はんだ付け不要のブレッドボードについてあまり詳しくは触れませんが、はんだ付け不要のブレッドボードには絶対にその居場所があり、すぐにはなくならないということだけは言っておきます。電子部品が物理的にどのように感じられるか、部品を再利用しながら最初の数回分の回路を構成し、「ハローワールド！」に相当する電子回路（LEDを点灯させる（直列抵抗を忘れないこと））を完成させるために、これらは非常に貴重です。しかし、図1に示す2 次ローパスフィルタ¹のような3、4、5または6個の部品で構成される回路を最初にいくつか作った後は、接続ミス、短絡、断線、そして最悪の場合、断続的な接続が発生する確率が急上昇します。

図1.典型的な「シンプル」なブレッドボード回路。（画像提供： Analog Devices）

回路の複雑さと部品数が増えるにつれて、ブレッドボードが実用的でなくなり²、回路基板を作製することが技術的に必要で、経済的にも優位になる決定点があります。たくさんの低価格、無料、オープンソースのレイアウトソフトウェアおよび低価格の回路基板メーカーのおかげで、その決定点は、非常に低いレベルにまで下がっています。今では、数本の解説ビデオを見て、無料のレイアウトソフトウェアをダウンロードし、基板を設計して、1週間後に郵送される、ということが1桁の米ドルで可能になっています。教育者や学生にとっては絶好のチャンスです。

分圧回路、単純なRCフィルタ、ダイオード、トランジスタアンプを1、2個といった最も基本的な回路の次に、学生がよく目にする部品は演算増幅器（オペアンプ）です。（純粋なアナログの）オペアンプは、非常に用途の広い部品です。人工知能（AI）、コンピュータサイエンス、デジタル、ソフトウェアなどに注目が集まっている2023年でさえ、物理的な世界からの小さな信号は常に増幅されなければならず、弱い信号はより強くする必要があります。多くの場合、A/Dコンバータ（ADC）で信号処理し、その後信号はデジタル領域の信号として処理されます。デジタル領域からの信号はアナログに変換され、増幅され、無線送信機、スピーカ、イヤホン、あるいはディスプレイに送られ、最終的には（非常にアナログな）人間によって使用されます。

学生が最初に作るオペアンプ回路は、それほど複雑なものではなく、オペアンプ本体、電源バイパスコンデンサ（これを忘れないこと）、機能を決定するいくつかの受動部品で構成されます。たとえば、次のようなものがあります。

• ボルテージフォロア/ユニティゲインバッファ
• -1倍の利得（アナログ反転回路）
• +2倍の利得
• その他の反転および非反転利得
• 差動アンプ
• 積分回路（およびローパスフィルタ）
• 微分回路（およびハイパスフィルタ）

これらの回路のどれでも、ブレッドボード上で高い確率で作ることができます。しかし、どの回路にも、午後の実験室セッションに参加するすべての学生にも、不満はあるでしょうし、最悪の場合、オペアンプから魔法の煙³ が出ることもあります。

さらに、構成はジャンパで選択できるため、たとえば、反転利得と非反転利得の切り替えや、微分回路と積分回路の切り替えなど、学生が簡単に機能を切り替えて、より早く直感を身につけることができます。

図2の回路（部品リストはこちら）は、これらの構成をすべてテストし、測定し、100%の成功確率で探索できるように設計されており、総費用は1桁ドルです。また、GitHubで回路基板ファイルを入手し、DigiKeyのDKRedまたはPCBビルダーサービスを通じて基板を注文することもできます。

図2a.オペアンプ実験用Kicad回路図。（画像提供：Analog Devices）

図2b.シミュレーション用オペアンプ実験LTspice回路図。（画像提供：Analog Devices）

図2c：オペアンプ実験用回路基板。（画像提供：Analog Devices）

複数のオペアンプスタイルに対応しており、基板にソケットを取り付けることで個々のデバイスを交換することができます。シングルオペアンプとデュアルオペアンプのピン配列は標準的な8ピンです。1つのオペアンプの余分なピンは、さまざまな機能を果たします。最も一般的なのは、摺動子を電源レールの1つに接続したポテンショメータによるオフセット調整で、この機能は完全にサポートされています。中央のSIPソケットには、この アクティブラーニング演習で説明するディスクリートトランジスタオペアンプが搭載されています。

作業台に向かう前に、選択した部品に基づいて予想される動作を計算しながら、紙の上で回路に取り組むことはとても重要です。LTspiceシミュレーションは、すべての部品値が入力された状態で提供され、過渡（時間領域）およびAC（周波数領域）応答を含む回路動作を予測するためのもう一つの手段を提供します⁴。

そして最後に、電源スイッチを入れて、回路が実際にどう動くか見てみましょう。ここではAnalog Deviceの ADALM2000 を使用しますが、このボードは、ほとんどのバイポーラ卓上電源、信号発生器、オシロスコープ、またRed Pitayaの STEMlab ボードのような他の多機能テスト計測器でも使用できるように設計されています。

ADALP2000 のパーツキットに含まれる OP97 アンプから始めますが、このアンプは±2.25Vから±20V の非常に広い電源レンジを持っており、ADALM2000の電源出力はそれに合わせて±5Vに設定されています。より興味深い回路の1つである差動アンプ用にボードを構成し、非反転入力に1kHz、1Vp-pの正弦波を、反転入力に100Hz、1Vのノコギリ波を印加します。この波形により、図3a（LTspiceシミュレーション）と図3b（測定結果）に示すように、反転入力の極性反転を明確に観測することができます。チャンネル1（オレンジ色）はオペアンプの出力で、チャンネル2は回路の反転入力です。

図3a.差動アンプのLTspiceシミュレーション結果。（画像提供：Analog Devices）

図3b.差動アンプの測定結果。（画像提供：Analog Devices）

ADALM2000用の オペアンプ実験用ボード とRed Pitaya STEMlab用の オペアンプ実験実習 （リンクの矢印をクリックすると詳細なセットアップが表示されます）に、その他の演習の完全な手順が掲載されています。すべての回路基板設計ファイル（KiCADフォーマット）とガーバーファイルは、クリエイティブコモンズ BY-SAライセンスの条件の下でリリースされています。

回路図からブレッドボード接続への変換ミス、ショート、オープン、接続の緩みなどを心配することなく、学生（または少し復習したい現役エンジニア）は、他の構成を行ったり来たりして、すべてのルールに従った場合に予想される動作や、同様に重要なルール違反時の制限（出力クリッピング、入力同相範囲、帯域幅の制限、その他アナログエレクトロニクスを楽しくする無数の小さな微妙な点）を調べることができます。大学の研究室でも実生活でも、このような機会は後でいくらでもあるはずです。

脚注：

1 - https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-active-filter

2 - どうやらこのエンジニアはそのメモを受け取っていないようです。 https://eater.net/8bit/

3 - 参照： https://en.wikipedia.org/wiki/Magic_smoke

4 - 著者は、手計算、シミュレーション、ベンチテストのいずれを先に行うのが良いのかについて何の意見も持っていません。現実の開発やデバッグのほとんどは、とにかくこの3つをさまざまな順序で繰り返すことになります。