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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

スルーレートと信号振幅からオペアンプのフルパワー帯域幅を計算し、オペアンプがスルーレート歪みなしで信号を処理できることを確認します。

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公式

FPBW=SR/(2π×Vpeak)FPBW = SR / (2π × V_peak)
SR— スルーレート (V/μs)
V_peak— ピーク出力電圧 (V)

仕組み

オペアンプのスルーレート計算機は、オーディオアンプの設計、ビデオ回路、および高周波信号処理に不可欠なフルパワー帯域幅（FPBW）と最小スルーレート要件を計算します。アナログ設計者、オーディオエンジニア、RF フロントエンド設計者は、これを利用して大信号アプリケーションにおけるスルーによる歪みを防ぎます。ホロウィッツ＆ヒルの「アート・オブ・エレクトロニクス」（第3版、239ページ）によると、スルーレート（SR）は出力が達成できる最大dV/dtであり、汎用オペアンプでは通常0.5〜100V/μsです。オペアンプが全振幅正弦波を歪みなく再生できるかどうかは、sr_min = 2π FV_peak（f が MHz、V がボルトの場合 V/μs）の関係によって決まります。スルーレート制限を超えると三角波形の歪みが発生し、オーディオアプリケーションでは耳障りに聞こえる奇数倍音が追加されます。

計算例

NE5532 (SR = 9 V/μs) が、電源電圧が±15V、帯域幅が20kHzのプロフェッショナルオーディオに適していることを確認してください。歪みのない最大出力:V_Peak = 13.5V (レールの 90%)SR_Min = 2π × 20kHz × 13.5V/10= 1.70 V/μs と計算してください。マージン = 9/1.70 = 5.3× (オーディオトランジェントに最適)FPBW = SR/ (2π × V_Peak) = 9×10/ (2π × 13.5) = 106kHz を計算してください。NE5532はスルー制限なしで最大106kHzまでのフル振幅信号を再生できます。比較すると、LM358 (SR = 0.5 V/μs) は 13.5 V で FPBW = 5.9 kHz なので、中程度の音量を超えるハイファイオーディオには適していません。

実践的なヒント

  • ✓オーディオ (20kHz、±12V) の場合:SR が最小で 2V/μs 以上、SR が 5V/μs を超えることを推奨します。テキサス・インスツルメンツのオーディオガイドによると、NE5532 (9V/μs)、OPA2134 (20V/μs)、LME49720 (20V/μs) は、実績のある選択肢です。
  • ✓ビデオ・オペアンプ（AD8061、OPA695）は、高速アプリケーション向けに300V/μsを超えるSR（50MHzを超える周波数で1Vppが必要）を供給します。
  • ✓スルーレート歪みは、ソフトクリッピングに比べて明らかにきつい音になります。大音量で歪みが「ざらつく」聞こえる場合は、20kHzのオシロスコープで測定してください

よくある間違い

  • ✗スルーレートとゲイン帯域幅がわかりにくい — GBWは小信号帯域幅を制限し、SRは大信号帯域幅を制限します。オペアンプのGBWは高くてもSRは低い場合があります (たとえば、LM358:1MHz GBW、0.5V/μs)。
  • ✗出力振幅要件を無視 — SR 要件はピーク電圧に比例します。10 V 振幅では、同じ周波数で 5 V 振幅の 2 倍のSR が必要です。
  • ✗SR_minと正確に一致したSR_minのオペアンプの選択—トランジェントと高調波には基本値を超える瞬時スルーレートが必要。SR_minの3倍を超える設計

よくある質問

SR_Min = 2π × 20kHz × 12V/10= 1.51 V/μs。安全マージンが 2 倍の場合:SR > 3V/μs最新のオーディオ・オペアンプ (NE5532:9V/μs、TL072:13V/μs、OPA2134:20V/μs) のほとんどは、これを3～10倍上回っているため、トランジェントに対するヘッドルームが確保されています。
はい。再構成フィルタの出力には、オーディオ周波数でもSRが10V/μsを超える高速トランジェントが発生する場合があります。ESS テクノロジーのアプリケーションノートによると、NE5532 (9V/μs) はごくわずかです。DAC I/V 変換には OPA2134 (20V/μs) または LME49720 (20V/μs) が推奨されています。
スルーリミット以下：THDはオープンループ歪み（高品質のオペアンプの場合は約0.001％）によって設定されます。スルーリミットに近い：「ソフト」スルー制限によりTHDは 0.1-1% に増加します。スルーリミットを超える場合：三角形のクリッピングが激しいと、THD が 10% を超えます。< 0.01% at 20kHz, design for SR >5× SR_Minの場合。
FPBW = SR/ (2π × V_Peak)。SR = 10V/μs、ピーク出力が 10V のオペアンプのFPBW = 10×10/ (2π × 10) = 159kHz です。これは歪みのない全振幅正弦波の最大周波数です。振幅が小さいほど、使用可能な帯域幅が広がります。振幅が半分になると FPBW は 2 倍になります。

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