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オペアンプのスルーレートとフルパワー帯域幅

オペアンプのフルパワー帯域幅を計算し、スルーレート歪みなしに信号を処理できるかを検証します。

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公式

FPBW = SR / (2π × V_peak)

SR — Slew rate (V/μs)
V_peak — Peak output voltage (V)

仕組み

スルーレート (SR) は、オペアンプの出力電圧が変化できる最大レートで、V/μsで表されます。オペアンプ内部の補償コンデンサに供給される充電電流によって決まります。大振幅の高周波信号でオペアンプが供給できるよりも速い電圧変化が必要な場合、出力は正弦波ではなく三角波になります。これはスルーレート制限と呼ばれる非線形の歪みです。フルパワー帯域幅 (FPBW) は、オペアンプが歪みのない全振幅正弦波出力を生成できる最高周波数です。FPBW = SR/(2π × V_Peak) です。周波数fでピーク振幅V_pの信号を歪みなく処理するために必要な最小スルーレートは、sR_min = 2π × f × V_p（V/μs単位、10で割った値）です。オーディオオペアンプは 20 kHz の信号を処理する必要があります。±10 V 出力では、SR_min = 2π × 20000 × 10 /10≈1.26 V/μs になります。

計算例

オペアンプ: NE5532、SR = 9 V/μs。信号:20 kHz、ピーク 5 V。
必要な最小スルーレート:
SR_Min = 2π × 20000 × 5/10= 0.628 V/μs
SR マージン = 9 − 0.628 = 8.37 V/μs (十分)
フルパワー帯域幅:
FPBW = 9 × 10/ (2π × 5) = 286,479 Hz ≈286 kHz
NE5532 は、スルー制限なしで最大 286 kHz の 5 V ピーク信号を処理できます。これはオーディオをはるかに上回ります。ただし、±15V電源（90% レールでV_ピーク = 13.5V）で使用した場合、以下のようになります。
20 kHz の SR_min = 2π × 20000 × 13.5/10= 1.70 V/μs
FPBW = 9 × 10/ (2π × 13.5) = 106 kHz — それでもオーディオには十分です。

実践的なヒント

  • ✓レールが±15Vで信号が20kHzのオーディオ回路では、SR > 2 V/μsが絶対最小値です。ヘッドルームには5V/μs以上を使用してください。NE5532 (9 V/μs) と OPA2134 (20 V/μs) は、十分なスルーマージンを備えた一般的なオーディオ機器です。
  • ✓高速ビデオまたはRFオペアンプ（SR 100+ V/μs）がオーディオに適しているとは限りません。オーディオ周波数のクローズドループゲインでは、ノイズが多くなり、不安定になりやすくなります。オペアンプを実際に必要な帯域幅に合わせてください。
  • ✓スルーレートディストーションは、ハーモニックディストーションとは明らかに異なり、耳障りで騒々しいサウンドになります。オペアンプのステージが大音量で耳障りに聞こえる場合は、出力波形をスコープで 20 kHz で測定し、三角形のクリッピングがないか確認します。

よくある間違い

  • ✗利得帯域幅積（GBW）とスルーレートが混同されがちです。GBWは、クローズドループ状態での小信号帯域幅に適用されます。スルーレートは信号が大きく、非線形の制限です。高速 GBW オペアンプでも、振幅が大きい高周波信号でもスルーリミットが可能です。
  • ✗実際のピーク振幅を考慮し忘れると、スルーレート要件はピーク振幅に直接比例します。±10Vのピーク時にFPBWが100kHzのオペアンプのFPBWは、±20Vのピーク時にわずか50kHzです。
  • ✗SR = SR_minと正確に一致するオペアンプを選択する場合、特に高調波や過渡現象によって基本波の要件を超える瞬時スルーレートが要求されるオーディオアプリケーションでは、常に少なくとも2倍（6dB）の設計マージンを適用してください。

よくある質問

SR_Min = 2π × 20000 × 12/10≈1.51 V/μs。安全マージンが 2 倍の場合、3 V/μs 以上を目標とします。最近のほとんどのオーディオ・オペアンプ (NE5532:9 V/μs、TL072:13 V/μs) は、この値を十分に上回ります。
はい。DAC 出力バッファオペアンプは、再構成フィルタの後に 20 kHz オーディオを通過させる必要がありますが、再構成フィルタ自体がナイキスト周波数 (44.1 kHz オーディオでは 22.05 kHz) でサブマイクロ秒のトランジェントを生成することがあります。これらのトランジェントをクリーンに処理するには、SR が 10 V/μs を超えるバッファオペアンプを選択してください。
信号レベルがスルーレート制限に近づいているが到達していない場合、オペアンプは「ソフトスルーレート制限」を行います。これは、波形のクリッピングが明らかになる前にTHDを増加させる穏やかな非直線性の一形態です。20 kHz で 0.001% 未満に抑えるには、SR が SR_min の 3 ～ 5 倍以上高くなるように設計してください。

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