OPアンプを使った信号のスイッチ回路

■問題
アナログ回路の基礎 ― 中級

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，OPアンプ(U₁)と抵抗(R₁，R₂)とNチャネルJFET(J₁，J₂)を使い，IN端子からOUT端子への信号をON/OFFするスイッチ回路です．この回路において，IN端子に振幅2Vの正弦波を印加したとき，スイッチのコントロール電圧(V_C1，V_C2)とOUT端子の出力振幅(V_OUT)の関係は，次の(a)～(d)のどれでしょうか．なお，NチャネルJFETは，オン抵抗が120Ω，オフ抵抗が1GΩ以上で，V_GS(OFF)が最大で-3Vのデバイスです．また，スイッチのコントロール電圧(V_C1，V_C2)は，High側が+5V，Low側が-5Vを印加して制御します．

図1　IN端子からOUT端子への信号をON/OFFするスイッチ回路

(a)　V_C1=+5V，V_C2=-5Vのとき，V_OUT=1V
(b)　V_C1=-5V，V_C2=+5Vのとき，V_OUT=1V
(c)　V_C1=+5V，V_C2=-5Vのとき，V_OUT=1.06V
(d)　V_C1=-5V，V_C2=+5Vのとき，V_OUT=1.06V

■ヒント

　図1は，スイッチのコントロール電圧(V_C1，V_C2)を適切に与えると，OUT端子に信号が「伝わる/伝わらない」の2つの状態となります．NチャネルJFETの特徴は，ゲート・ソース電圧(V_GS)が0Vのとき，最大の電流となります．また，ゲート・ソース電圧を負にすることで，ドレイン電流が減るデプレッション型となります．V_GS(OFF)は，ドレイン電流(I_D)がゼロになる電圧を表します．2つのJFETはスイッチとして働き，各々のJFETのON/OFFにより回路の接続が変るため，そのときの回路動作より解答を求めることができます．

■解答

(b)　V_C1=-5V，V_C2=+5Vのとき，V_OUT=1V

　図1のNチャネルJFETは，スイッチのコントロール電圧(V_C1，V_C2)が+5VのときONし，-5VのときOFFとなります．「V_C1=+5V，V_C2=-5V」のときJ₁がON，J₂がOFFとなり，OPアンプ(U₁)は，0Vを出力するボルテージ・ホロワ回路となります．よって，OUT端子は，0Vなので，IN端子からの信号はOUT端子に伝わりません．「V_C1=-5V，V_C2=+5V」のとき，J₁がOFF，J₂がONとなり，OPアンプの反転端子(-端子)はバーチャル・グラウンドなので，R₂の一端がGNDとなります．この場合，IN端子からの信号は，同じ抵抗値であるR₁とR₂の分圧回路を通り出力されます．なので，IN端子に印加した2Vの信号は，1Vとなって出力端子に現れます．よって，解答は(b)となります．

■解説

●NチャネルJFETを1素子使った，簡単なスイッチ回路
　図2は，スイッチ1つを使った簡単な信号ON/OFF回路のブロック図です．SWがOFFのとき，IN端子に入力した信号は，R₁とR₂の分圧回路を通り，出力に信号が現れます．SWがONのとき，OUT端子は常に0Vとなり，信号はOFFとなる簡単なスイッチ回路です．

図2　スイッチで信号をON/OFFする簡単なスイッチ回路

　図3は，図2のスイッチをNチャネルJFETで実装した回路です．NチャネルJFETは，デプレッション型であり，ゲート・ソース間の電圧がV_GS(OFF)の電圧より低くなるとJ₁がOFFとなります．このときの出力端子の電圧は，J₁のオフ抵抗をR_OFFとすれば，式1となり，R_OFFは1GΩ以上なので無視できます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　NチャネルJFETは，ゲート・ソース間の電圧が0Vに近づくと，スイッチがONとなります．実際にはスイッチのコントロール電圧(V_C)を＋5Vにすることにより，ダイオードD₁が逆バイアスとなり，ゲートがオープンとなって，ドレインとソース間のオン抵抗は，最小値になります．このときの出力端子の電圧は，J₁のオン抵抗をR_ONとすれば，式2となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　NチャネルJFETのオン抵抗は有限であり0Ωではありません．スイッチに使用した2N5484のオン抵抗を調べると120Ωです．このことから，R₂とJFETのオン抵抗の並列抵抗(R₂||R_ON)があるため，OUT端子は完全にOFFにならず，僅かに信号が現れます．

図3　図2のスイッチをJFETで実装した回路

　図4は，図3のシミュレーション結果です．図3はIN端子へ周波数1kHz，振幅2Vの信号を印加しています．J₁がOFFのとき，同じ抵抗値(R₁=R₂=1kΩ)の分圧回路なので，式1のようにOUT端子は振幅1Vの信号が現れます．J₁がONのとき，OUT端子に信号が伝わらないのが理想ですが，NチャネルJFETのオン抵抗があるため，式2のように信号がOFFにならないことが分かります．

図4　図3のシミュレーション結果

●JFETを2素子使い，信号をON/OFFするスイッチ回路
　図5は，スイッチ2つを使い，信号をON/OFFするスイッチ回路のブロック図です．SW₁がOFF，SW₂がONのとき，OPアンプ(U₁)の反転端子(-端子)はバーチャル・グラウンドなので，R₂の一端がグラウンドとなり，R₁とR₂の分圧回路を通った信号がOUT端子に現れます．SW₁がON，SW₂がOFFのとき，0Vを出力するボルテージ・ホロワ回路となり，OUT端子は常に0Vとなるため，IN端子の電圧はOUT端子に現れません．

図5　2つのスイッチで信号をON/OFFするスイッチ回路

　図6は，図5の2つのスイッチをNチャネルJFET(J₁，J₂)で実装した回路です．NチャネルJFETにはオン抵抗がありますが，負帰還の効果により反転端子(-端子)はバーチャル・グラウンドであること，また，OPアンプの入力バイアス電流は少ないことから，オン抵抗は無視できます．

図6　図5のスイッチをJFETで実装した回路

　図7は，図6のシミュレーション結果です．図6は，図3と同様に，IN端子へ周波数1kHz，振幅2Vの信号を印加しています．コントロール電圧(V_C1，V_C2)によりNチャネルJFETのON/OFFを制御し，J₁がOFF，J₂がONのときOUT端子の信号は，振幅1Vになるのが分かります．また，J₁がON，J₂がOFFのとき，OUT端子は0Vになり信号は現れません．

図7　図6のシミュレーション結果

●反転アンプへの応用
　図8は，反転アンプへスイッチ回路を実装し，増幅した信号をON/OFFする回路です．

図8　反転アンプへスイッチ回路を実装した例

　図9は，図8のシミュレーション結果です．入力信号(V1)は，周波数1kHz，振幅0.5Vの正弦波を印加しています．J₁がON，J₂がOFFのとき，信号ゲインが2倍の反転アンプとして機能し，OUT端子には振幅1Vの信号が現れます．J₁がOFF，J₂がONのとき，OPアンプ(U₁)の出力は0Vとなり，OUT端子に信号は現れないため，出力信号のON/OFF機能がついた反転アンプとなります．