電子回路・半導体デバイスの問題

図のように、理想オペアンプを用いた積分回路がある。電圧はすべて接地を基準とする。

• 入力端子は抵抗値 $R=10\mathrm{k\Omega }$ の抵抗を通してオペアンプの反転入力端子（$-$）につながる。
• 反転入力端子と出力端子の間には、電気容量 $C=1.0\mu \mathrm{F}$ のコンデンサーがつながる。
• 非反転入力端子（$+$）は接地されている。

時刻 $t=0$ でコンデンサーの電荷は $0$（出力電圧 $V_{\mathrm{out}}=0$）であり、$t=0$ から入力端子に一定の電圧 $V_{\mathrm{in}}=0.50\mathrm{V}$ を加え続ける。オペアンプは理想的（入力端子に流れこむ電流は $0$、反転入力端子と非反転入力端子の電位は等しい）とし、考える時間の範囲で出力は飽和しないものとする。出力電圧が $V_{\mathrm{out}}=-2.0\mathrm{V}$ になる時刻 $t$ は何 ms か。有効数字 2 桁で求めよ。

2 個のオペアンプ $\mathrm{O}{\mathrm{P}}_1$, $\mathrm{O}{\mathrm{P}}_2$ を用いた次の回路を考える。電圧はすべてグラウンドを基準とし、入力はすべて直流とする。

• 1 段目（$\mathrm{O}{\mathrm{P}}_1$）: 入力電圧 $V_1=0.50\mathrm{V}$ は抵抗 $R_1=10\mathrm{k\Omega }$ を通して、入力電圧 $V_2=-0.20\mathrm{V}$ は抵抗 $R_2=20\mathrm{k\Omega }$ を通して、ともに $\mathrm{O}{\mathrm{P}}_1$ の反転入力端子（$-$）につながる。$\mathrm{O}{\mathrm{P}}_1$ の反転入力端子と出力端子の間には抵抗 $R_f=40\mathrm{k\Omega }$ がつながり、$\mathrm{O}{\mathrm{P}}_1$ の非反転入力端子（$+$）はグラウンドにつながる。
• 2 段目（$\mathrm{O}{\mathrm{P}}_2$）: $\mathrm{O}{\mathrm{P}}_1$ の出力端子は $\mathrm{O}{\mathrm{P}}_2$ の非反転入力端子（$+$）に直接つながる。$\mathrm{O}{\mathrm{P}}_2$ の反転入力端子（$-$）は抵抗 $R_3=10\mathrm{k\Omega }$ を通してグラウンドにつながり、さらに抵抗 $R_4=15\mathrm{k\Omega }$ を通して $\mathrm{O}{\mathrm{P}}_2$ の出力端子につながる。$\mathrm{O}{\mathrm{P}}_2$ の出力電圧を $V_{\mathrm{out}}$ とする。

オペアンプはどちらも理想オペアンプ（開ループ利得が無限大、入力インピーダンスが無限大、出力インピーダンスが $0$）とし、電源電圧は $\pm 15\mathrm{V}$ で、出力はこの範囲では飽和しないものとする。$V_{\mathrm{out}}$ は何 V か。正確な値で答えよ。

理想オペアンプを用いた次の回路（帰還抵抗つきの積分回路）を考える。電圧はすべてグラウンドを基準とする。

• 起電力 $V_{\mathrm{in}}=0.20\mathrm{V}$ の直流電源（内部抵抗 $0$、負極はグラウンド）の正極は、スイッチ $\mathrm{S}$ と抵抗 $R_1=10\mathrm{k\Omega }$ をこの順に通して、オペアンプの反転入力端子（$-$）につながる。
• 反転入力端子と出力端子の間には、抵抗 $R_f=100\mathrm{k\Omega }$ とコンデンサー $C=0.10\mu \mathrm{F}$ が並列につながる。
• 非反転入力端子（$+$）はグラウンドにつながる。

時刻 $t<0$ ではスイッチ $\mathrm{S}$ は開いており、コンデンサーには電荷がなく、出力電圧は $0$ である。時刻 $t=0$ に $\mathrm{S}$ を閉じた。オペアンプは理想オペアンプ（開ループ利得・入力インピーダンスが無限大、出力インピーダンスが $0$）とし、出力は飽和しないものとする。

時刻 $t=10\mathrm{ms}$ における出力電圧 $V_{\mathrm{out}}$ は何 V か。$e$（自然対数の底）を用いた正確な値で答えよ。

図のような、理想オペアンプを用いた非反転加算回路を考える。入力電圧 $V_1$ は抵抗 $R_a=10\mathrm{k\Omega }$ を通して、入力電圧 $V_2$ は抵抗 $R_b=20\mathrm{k\Omega }$ を通して、どちらもオペアンプの非反転入力端子（$+$）につながる。非反転入力端子にはこれ以外の素子はつながっていない。反転入力端子（$-$）は抵抗 $R_g=10\mathrm{k\Omega }$ を通して接地され、反転入力端子と出力端子の間には帰還抵抗 $R_f=20\mathrm{k\Omega }$ が接続されている。電圧はすべて接地を基準とする。

オペアンプは理想的（入力端子に電流は流れず、出力が飽和しない範囲では負帰還によって 2 つの入力端子の電位が等しくなる）とし、入力電圧の信号源の内部抵抗は無視できるとする。

$V_1=0.50\mathrm{V}$、$V_2=-0.30\mathrm{V}$ のとき、出力電圧 $V_{\mathrm{out}}$ は何 $\mathrm{V}$ か。有効数字 2 桁で求めよ。

図のオペアンプ回路（差動増幅回路）を考える。入力電圧 $V_1$ は抵抗 $R_1=10\mathrm{k\Omega }$ を通してオペアンプの反転入力端子（$-$）につながり、反転入力端子と出力端子の間には抵抗 $R_f=30\mathrm{k\Omega }$ がつながっている。入力電圧 $V_2$ は抵抗 $R_2=20\mathrm{k\Omega }$ を通して非反転入力端子（$+$）につながり、非反転入力端子と接地の間には抵抗 $R_3=40\mathrm{k\Omega }$ がつながっている。電圧はすべて接地を基準とする。

オペアンプは理想オペアンプ（電圧利得が無限大、入力端子に電流が流れ込まない、出力インピーダンスが 0、出力は飽和しない）とみなし、負帰還により 2 つの入力端子の電位は等しくなるとする。また、入力電圧の信号源の内部抵抗は 0 とする。$V_1=1.2\mathrm{V}$, $V_2=0.90\mathrm{V}$ の直流電圧を加えたとき、出力電圧 $V_{\mathrm{out}}$ は何 $\mathrm{V}$ か。