🔧 アナログ基本回路構成：Op-Amp、Buffer、Comparator
🔧 Basic Analog Building Blocks: Op-Amp, Buffer, Comparator
📘 概要｜Overview
アナログ／ミックスドシグナル設計では、演算増幅器（Op-Amp）やコンパレータ、バッファなどの基本ブロックが多くの回路の構成要素となります。
これらの構成と動作原理を理解することは、ADC/DAC設計や電源制御などの応用回路へ進む上での基盤となります。
In AMS design, basic analog blocks such as operational amplifiers (Op-Amps), comparators, and buffers are fundamental components.
Understanding their structure and operating principles is essential for progressing toward ADC/DAC design and power control applications.
🧪 1. 演算増幅器（Operational Amplifier, Op-Amp）
| ⭐ 特徴｜Features | 📘 説明｜Description |
|---|---|
| 高ゲイン High Gain |
微小な差分入力でも大きな出力変化を生成 Generates large output for small differential input |
| 差動入力 Differential Input |
2つの入力端子（Vin+ / Vin−）を持つ Has two inputs: Vin+ and Vin− |
| 負帰還設計 Negative Feedback |
安定動作や所望のゲイン制御に使用される Used for stable operation and gain control |
| 主用途 Main Uses |
電圧増幅、積分器、フィルタ、電圧フォロワ等 Voltage amplification, integrators, filters, voltage followers |
📌 基本構成｜Typical Structure
- 差動入力ペア（NMOS or PMOS）
Differential input pair (NMOS or PMOS) - 電流ミラー型アクティブ負荷
Active load using current mirrors - 出力ステージ（クラスAB等）
Output stage (e.g., class AB)
📎 設計指標｜Key Design Metrics
- DCゲイン（DC gain）、帯域幅（bandwidth）、スルーレート（slew rate）、CMRR、PSRR
🔁 2. バッファ（Voltage Follower）
| ⭐ 特徴｜Features | 📘 説明｜Description |
|---|---|
| ゲイン1（ユニティ） Unity Gain |
入力をそのまま出力へコピー Output follows the input exactly |
| 高入力インピーダンス High Input Impedance |
信号源への負荷を軽減 Minimizes loading on signal sources |
| 低出力インピーダンス Low Output Impedance |
後段駆動能力を向上 Enhances driving ability of next stage |
| 主用途 Main Uses |
センサ出力、ADC入力、信号絶縁、レベルシフト後段など Sensor output, ADC input, isolation, post level-shift driving |
📎 代表構成｜Typical Configuration
Op-Amp＋負帰還による「ユニティゲイン構成」
A unity-gain configuration using Op-Amp and negative feedback
⚖️ 3. コンパレータ（Comparator）
| ⭐ 特徴｜Features | 📘 説明｜Description |
|---|---|
| 2つの入力電圧を比較 Voltage Comparison |
Vin+ > Vin− ならHigh出力、逆ならLow出力 Outputs High if Vin+ > Vin−, else Low |
| 高速応答 Fast Response |
ゲインが高く、ヒステリシス制御可能 High gain, supports hysteresis control |
| クロスオーバ判定 Threshold Detection |
ゼロクロス検出やしきい値超過判定に使用 Used for zero-cross and threshold detection |
| 主用途 Main Uses |
A/D変換、ゼロクロス検出、デジタル制御回路のトリガ等 ADC, zero-cross detection, digital control trigger circuits |
📎 構成上の違い｜Design Distinction
オペアンプに似ているが、負帰還をかけない構成
Unlike Op-Amp, designed without negative feedback
⚙️ 補足ブロック：電流ミラー、バイアス回路
⚙️ Supplemental Blocks: Current Mirror & Bias Circuits
-
電流ミラー｜Current Mirror
一定電流源としてOp-Ampやバッファの動作を安定化
Provides stable current source for Op-Amps and buffers -
バイアス回路｜Bias Circuit
リファレンス電圧・電流生成に用いる。Bandgap型など、温度補償付き構成が一般的。
Generates reference voltages/currents; often includes temperature compensation (e.g., bandgap references)
🎯 教材的ポイント｜Learning Points
- 各回路の入力／出力関係と動作原理を理解
Understand input-output relationships and operation principles - SPICEシミュレーションによるDCスイープ、過渡応答、ステップ応答の観察
Practice DC sweep, transient, and step response using SPICE simulation - レイアウトでの対称性やマッチングの重要性を次章でさらに学習
Layout-dependent matching and symmetry will be covered in the next section
🔗 次のセクション｜Next Section
▶️ layout_considerations.md：アナログレイアウトの設計注意点へ
Analog layout design considerations
📘 応用編 第5章：アナログ／ミックスドシグナル｜Analog / Mixed-Signal Design
© 2025 Shinichi Samizo / MIT License