非反転増幅器と仮想短絡
帰還分圧器が利得を定める
帰還抵抗比 Rf/Rg を動かすと、出力側の金色の矢印の長さが変わります。入力は下側の + 端子に入り、仮想短絡が上側の V− を Vin と同じに保ちます。出力から下りてくる Rf-Rg 分圧器が Vout の一部を V− へ帰還させ、op-amp はその帰還が Vin と等しくなるまで出力を上げるので、出力は入力の (1+Rf/Rg) 倍になります。利得が白い点線のちょうど 4 になるように抵抗比を合わせてください。
入力を非反転入力に入れる
入力電圧 Vin を非反転入力 V+ に直接つなぎます。負帰還がかかっている限り op-amp は二つの入力の電位を等しくそろえるので(仮想短絡)、反転入力 V− も Vin になります。反転増幅器では V+ を接地につないで V− が 0V でしたが、ここでは V+ が Vin なので V− が Vin に引き留められます。二つの入力の間に電流は流れないのに電位だけが等しくなる状態が仮想短絡で、図の上側の入力線に書かれた金色の文字がそれです。
帰還は分圧だ
出力 Vout から Rf と Rg が直列に接地までつながり、二つの抵抗の間の節点が V− に届きます。出力を入力とする分圧器というわけです。V− 端子には電流が入らないので分圧はきれいに成り立ち、V− が受ける電圧は Vout·Rg/(Rg+Rf) です。仮想短絡がこの値を Vin と等しくするので Vout·Rg/(Rg+Rf) = Vin、整理すると Vout = Vin·(Rg+Rf)/Rg = Vin·(1+Rf/Rg) です。利得 1+Rf/Rg は分圧器が帰還させる割合 β = Rg/(Rg+Rf) の逆数なので、帰還させる割合が小さいほど利得は大きくなります。
反転増幅器との鏡、そしてフォロワ
反転増幅器は仮想接地(V−=0)で利得 −Rf/Rin をつくり、非反転増幅器は仮想短絡(V−=Vin)で利得 1+Rf/Rg をつくります。反転のほうは符号を反転させ、利得が 1 より小さくなることもありますが、非反転のほうは符号を保ち、利得はいつも 1 以上です。入力が V+ のとても大きな入力抵抗に入るので、信号源から電流をほとんど引かないのも長所です。Rf を 0 にするか Rg を外すと利得はちょうど 1 になり、入力側にはほとんど負担をかけず出力側で電流を十分に供給する電圧フォロワ(バッファ)になります。
最初の画面に戻ると
帰還比を動かすと金色の矢印は入力の (1+Rf/Rg) 倍に伸び、Rf/Rg = 3 で白い点線のちょうど 4 倍に届きました。入力を非反転入力に入れた一度の選択が反転入力を Vin に引き留め、出力から下りてきた分圧器がその一部を帰還させる間に、op-amp は二つが等しくなるまで出力を押し上げました。符号はそのままで、利得はいつも 1 以上です。反転増幅器が仮想接地でやったことを、非反転増幅器は仮想短絡と分圧で鏡のように繰り返します。