blogこの広告は、90日以上更新していないブログに表示しています。clampを考えるうえで、オペアンプの知識は必要不可欠です。amplifierの動作原理を理解できるようになることを目指しています。今回の記事ではオペ・アンプの基本を学んでいきましょう。オペ・アンプの基本はとてもシンプルです。以下がオペ・アンプの図記号です。それぞれの端子に名前を付けています。\)があって、ゲインと呼ばれています。オペ・アンプの性質は各端子の電圧に以下の関係が成り立つことです。\)に近い)方がよいとされています。”理想的”と言ったりします。オペアンプの中身を覗いてみましょう。プラス端子とマイナス端子は実は\(Z_{in}\)の抵抗により接続されています。impedanceと呼ばれ理想的なオペ・アンプでは\(Z_{in}=∞\)が成り立ちます。impedanceと呼びます。理想的なオペ・アンプでは\(Z_{out}=0\)となっています。このように理想的なオペ・アンプでは入力抵抗が非常に高く出力抵抗が非常に低く設定されており、「ハイ受けロー出し」として知られます。オペ・アンプの「ハイ受けロー出し」の性質が実際の実験においてどのように役立つかをこの章の最後で簡単に説明したいと思います。下のオペ・アンプを用いた例を使って簡単な計算をいっしょにしてみましょう。理想的なオペ・アンプではインプットインピーダンスは\(∞\)ですから、電流はマイナス端子からプラス端子に流れません。\end{align}となります。\end{align}となります。実はオペ・アンプではマイナス端子やプラス端子が出力と接続されている場合、それぞれの電圧が等しくなります。これはインプットインピーダンスとゲインが\(∞\)であることにより導き出されることですが、便利なのでオペ・アンプの性質として記憶しておいても差し支えないかと思います。上の回路図で\((4)\)より\(V_-=0\)となっているのは、マイナス端子の電圧と接地されているプラス端子の電圧が同じになったというふうに考えることもできます。マイナス端子またはプラス端子が出力と接続されていて、かつ残りの端子が接地されている状態のことを仮想接地と呼びます。その意味は、直接接地されていない方の端子の電圧がオペアンプの性質によって0になっているということです。[補足終わり]以下にオペアンプの性質をまとめておきます。amplifierという特別な名前が付けられており出力の電圧が\((3)\)のようになることはぜひ覚えておきましょう。最後にオペ・アンプの性質であるハイ受けロー出しの効果を検討してみましょう。下の図を見てください。clampの実験の模式図です。resistanceそして膜電位\(E_m\)のみを考え、容量成分等は考えないことにします。電極はパッチクランプアンプへ接続されており、パッチクランプアンプへ流れる電流はゼロとします。電極の電圧\(V_e\)を計測するべく、電極をまずは直接電圧計に接続してみました。電圧計の内部抵抗を\(1MΩ\)、\(R_s\)はだいたい\(5MΩ\)で\(E_m\)は\(-60mV\)すると電圧計には\(-10pA\)の電流が流れることになります。このとき電圧計の読みは\(-10mV\)です。計測したい値が\(-60mV\)ですから話になりません。今度は電圧計の内部抵抗を\(10MΩ\)にしましょう。電圧計に流れる電流は約\(4pA\)で電圧計の読みは\(-40mV\)になります。同様に内部抵抗が\(100MΩ\)のとき電圧計には\(約-0.57pA\)の電流が流れ\(V_e\)の値は\(約-57mV\)になります。この辺りまでくるとギリギリ許せるといったところでしょうか・・・。clampにおいて\(R_s\)の値は一般的なオシロスコープのインプットインピーダンスや電圧計の内部抵抗に比べて十分に小さくないので直接電圧を図ろうとしても無視しがたい誤差が生じてしまうのです。そこで登場するのがハイ受けロー出しのオペアンプです。計算の簡単な部分はもう書き込んじゃいました。計算を進めて\(i_e\)を求めてみましょう。アウトプットインピーダンスを\(100Ω\)、ゲインを10万としましょう。電圧計の内部抵抗は\(1MΩ\)にしましょう。followerと呼ばれ入力電圧をそのまま出力として出すことができます。以下に数値を計算していますが、確かに入力電圧と出力電圧はほぼ同じです。followerはよく出てくるので余裕がある方は覚えておきましょう。[補足終わり]\(Z_{in}\)へ流れる電流は\(i_e\)で実際に計算してみると、\(0.00006pA\)です。出力電圧は\(-60.00006mV\)です。この値がそのまま電圧計の読みになります。このようにハイ(インプットインピーダンス)受けロー(アウトプットインピーダンス)出しのオペアンプを、電圧計と端子の間に配置することによって電圧計単独のときよりも比べ物にならないくらい良い精度で計測することができるのです。