スルーレート: 出力が追いつけない速さ
周波数を上げて出力が遅れるのを見る
薄い曲線が入力サイン、太い曲線が出力だ。入力周波数を上げてみよう。遅いときは出力がサインをそのまま追うが、速くなると出力が定められた最大速度でしか上下できず、サインが三角波に歪む。
出力は定められた速さより速く変われない
演算増幅器の中には安定のための補償コンデンサがあり、出力が変わるにはこのコンデンサを充放電せねばならない。だがそれを行う内部電流は有限だ。コンデンサの電圧が変わる速さは電流を容量で割った値なので、出力が時間当たり変われる最大速度が定まる。これがスルーレートで、よくボルト毎マイクロ秒で記す。SR = Imax / C。
速すぎるとサインが三角になる
サイン波が最も急なのは0を横切る瞬間で、その傾きは振幅と周波数の積に比例する。振幅が大きいか周波数が高くてこの傾きがスルーレートを超えると、出力はサインの曲線を追う術がなく、ただ±スルーレートの真っ直ぐな傾斜で上下する。だから出力サインが三角波に歪む。これは大信号でのみ現れる効果で、同じ周波数でも振幅が小さければ要求する傾きが小さく、ちゃんと追う。小信号のGBW限界とは異なる顔だ。
そして電圧限界、レールクリッピング
大信号には速さの壁だけでなく高さの壁もある。出力はいくら強く押しても電源レールを越えられない。振幅を上げて山が正電源や負電源に達すると、その先は平らに切り取られる。これが出力電圧限界、すなわちレールクリッピングだ。まとめると演算増幅器には大信号の二つの壁がある。時間当たりの変化速度を阻むスルーレートと、振幅の高さを阻む電源レールだ。これに小信号のGBWを加えれば、実際の演算増幅器ができることの境界がすべて描かれる。
最初の画面に戻ると
周波数が低いとき出力は入力サインを傷なく追った。周波数を上げるとサインが要求する傾きが急になり、ある点から出力がもう追いつけず真っ直ぐな傾斜でしか上下せず三角波になった。その境はサインの最大の傾きがスルーレートを超えるかどうかだった。これは振幅が大きい信号でのみ現れる速さの壁で、小信号のGBWとは異なる限界だ。これに出力が電源レールを越えられない高さの壁まで加えれば、無限利得という理想の裏に隠れた演算増幅器の本当の顔が現れる。
次へつながる流れ
演算増幅器の理想と限界をすべて見た。最後のop-ampユニットではこの素子をRCと組み合わせて役立てる。抵抗とコンデンサが周波数によってインピーダンスを変える性質を、演算増幅器の大きな利得と結ぶと、望む周波数帯だけを通し残りを抑える能動フィルタになる。信号から望む部分だけを選り分ける道具だ。