仮想接地

仮想接地とは

電子工学において、仮想接地（Virtual Ground）とは、回路内のノードが、基準電位（通常は接地電位）に直接接続されていなくても、あたかも接地されているかのように安定した電位を維持する状態を指します。この概念は、特に演算増幅器（オペアンプ）を含む回路の解析や設計において非常に重要です。

仮想接地の概念

「仮想」という言葉が示すように、仮想接地は物理的に接地されているわけではありません。しかし、回路の動作において、そのノードは接地電位とほぼ同じように振る舞います。これは、オペアンプなどの能動素子と負帰還回路の組み合わせによって実現されます。

仮想接地を構成する方法

1. 抵抗分圧器による構成: 2つの抵抗を直列に接続し、それぞれの抵抗に電圧を印加すると、抵抗の中間点は入力電圧に応じた電位になります。この中間点が仮想接地として機能します。この構成は、2つの電圧源が2つの抵抗と直列に接続された場合に、その中間地点が仮想接地となる現象を利用しています。抵抗値の比率により、出力電圧は入力電圧に対して反転した形で現れます。


Vout / Vin = - Rf / Rin


2. アクティブ仮想接地回路（レールスプリッタ）: オペアンプのような利得を持つ能動素子を用いることで、より安定した仮想接地を構成できます。オペアンプは、負帰還回路により、入力端子間の電位差をほぼゼロに保つように動作します。この性質を利用して、入力端子の一方を基準電位に接続し、もう一方の端子を仮想接地として利用します。これにより、負荷が接続されても電位が変動しない安定した仮想接地が実現できます。

具体的には、オペアンプの出力は以下の式で表されます。ここで、Rfは帰還抵抗、Rinは入力抵抗、Vinは入力電圧です。


Vout = -(Rf / Rin) Vin

仮想接地の応用

仮想接地は、以下のような様々な回路において重要な役割を果たします。

電圧電流変換回路: 入力電圧を電流に変換する回路において、仮想接地を利用することで、高精度な変換を実現できます。
電流電圧変換回路: 入力電流を電圧に変換する回路においても、仮想接地は重要な役割を果たします。
反転増幅回路: オペアンプを用いた反転増幅回路では、仮想接地の概念を理解することで、回路の動作をより深く理解することができます。

仮想接地の限界

理想的な仮想接地は、電流を無制限に流すことができ、インピーダンスはゼロですが、現実の回路では、電流容量やインピーダンスに限界があります。そのため、実際の仮想接地は、理想的な状態とは異なる動作を示す場合があります。特に、高周波回路においては、寄生インダクタンスやキャパシタンスの影響を考慮する必要があります。

実用的な仮想接地の注意点

安定性: 仮想接地は、常に安定した基準電位を維持する必要があります。負荷の変化や温度変化などの影響を受けにくい回路設計が求められます。
インピーダンス: 仮想接地のインピーダンスは、回路の動作に影響を与える可能性があります。特に高周波回路においては、インピーダンスの最適化が重要です。
電流容量: 仮想接地は、回路に流れる電流を処理できるだけの能力が必要です。過大な電流が流れると、回路が損傷する可能性があります。

まとめ

仮想接地は、電子回路の設計において非常に重要な概念です。この概念を理解することで、より複雑な回路の解析や設計を効率的に行うことができます。仮想接地は、現実の回路では理想的な状態とは異なる側面もありますが、多くの実用的な回路の動作を支える重要な要素です。

参考文献

Create a Virtual Ground with the LT1118-2.5 Sink/Source Voltage Regulator
Rail Splitter, from Abraham Lincoln to Virtual Ground
Creating a Virtual Power Supply Ground
* Inverting configuration shows the application of the virtual ground concept in an inverting amplifier

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