プッシュプル回路の動作

■問題
電気回路 ― 基礎

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，NPNトランジスタ(Q₁)とPNPトランジスタ(Q₂)を組み合わせ，OUT端子に負荷抵抗(R_L1)をつけたB級プッシュプル回路と呼ばれる回路です．IN端子に繋がるV₁から，GNDを中心に振幅2V，周波数10kHzの正弦波を回路へ入力し，OUT端子の波形をプロットしました．NPNとPNPのベース・エミッタ間電圧は0.7Vとしたとき，その波形が正しいのは，図2の(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　NPNとPNPを組み合わせたB級プッシュプル回路
V₁は振幅2V，10kHzの正弦波を回路へ入力する．

図2　図1のOUT端子の電圧をプロット
正しい波形はどれでしょうか？

(a)の波形　(b)の波形　(c)の波形　(d)の波形

■ヒント

　今回は，NPNとPNPを組み合わせたときの回路の動きを考える問題です．図1のOUT端子の電圧は，負荷抵抗(R_L1)の電圧降下が現れます．IN端子に繋がるV₁の電圧により，負荷抵抗に流れる電流を検討すると分かります．

■解答

(b)の波形

　IN端子の電圧が-2V～2Vの間を推移するとき，NPNとPNPのベース・エミッタ電圧(0.7V)により，図1の回路動作は次の(1)～(3)の状態があります．

(1) V₁の電圧がNPNのベース・エミッタ電圧より高くなったとき
(2) V₁の電圧がPNPのベース・エミッタ電圧より低くなったとき
(3) V₁の電圧がNPNのベース・エミッタ電圧とPNPのベース・エミッタ電圧の間にあるとき

　(1)の状態のとき，NPNがON，PNPがOFFとなり，負荷抵抗にはOUT端子からGNDの方向に向かって電流が流れ，正の電圧となります．
　(2)の状態のとき，NPNがOFF，PNPはONとなり，負荷抵抗にはGNDからOUT端子の方向に向かって電流が流れ，負の電圧となります．
　(3)の状態のとき，NPNとPNPの両方がOFFになる不感帯となります．このときは負荷抵抗に電流が流れず，OUT端子の電圧は0Vとなります．
　以上の3つの状態を考えると，(c)と(d)は負の波形が無いため違います．(a)と(b)でV₁に対しOUTが0Vとなる不感帯があるのは(b)です．以上より，解答は(b)の波形となります．

■解説

●B級プッシュプル回路の概要
　図1のB級プッシュプル回路は，V₁の状態により動作するトランジスタが切り替わります．この様子を図3に示しました．

図3　V₁の電圧による3つの状態を表した

　図3(1)が，V₁の電圧がNPNのベース・エミッタ電圧より高くなった状態です．
　図3(2)が，V₁の電圧がPNPのベース・エミッタ電圧より低くなった状態です．
　図3(3)は，V₁の電圧がNPNのベース・エミッタ電圧とPNPのベース・エミッタ電圧の間にある状態で，NPNとPNPの両方がOFFとなる不感帯のときです．
　B級プッシュプル回路は，図3(3)の状態のとき電流が流れませんので，電力を消費しない利点があります．反面，解答の(b)の波形のように，波形がひずみむ欠点もあります．このひずみのことをクロスオーバひずみと呼びます．

●回路の動きを確かめる
　図4は，DC解析を用いて，図1のV₁の直流電圧を-2V～2Vまでスイープし，OUT端子の電圧，Q₁のエミッタ電流，Q₂のエミッタ電流をプロットしたものです．Q₁のエミッタ電流は，NPNのエミッタから流れ出す方向の電流をプロットするため，マイナスがついています．この結果を用いて，図3の(1)，(2)，(3)の回路の動きを確かめます．
　図3(1)に相当するところは，図4中の「(1)の状態」と書いたところです．V₁の電圧がNPNのベース・エミッタ電圧より高くなると，Q₁から電流が流れQ₂はOFFとなり，OUT端子の電圧は正となります．
　図3(2)に相当するところは，図4中の「(2)の状態」と書いたところです．V₁の電圧がPNPのベース・エミッタ電圧より低くなると，Q₂から電流が流れQ₁はOFFとなり，OUT端子の電圧は負となります．
　図3(3)に相当するところは，図4中の「(3)の状態」と書いたところです．Q₁，Q₂ともエミッタ電流は流れず，OUT端子の電圧は0Vのまま変化しない不感帯があるのが分かります．このように図4のDC解析の結果から，B級プッシュプル回路は，3つの状態があることを確かめることができます．

図4　V₁を-2V～2Vまでスイープした結果
OUT端子の電圧，Q₁のエミッタ電流，Q₂のエミッタ電流をプロットした．

●プッシュプル回路をシミュレーションする
　図5は，図1をシミュレーションする回路です．IN端子には，0Vを中心に振幅2V，周波数10kHzの正弦波を入力し，過渡解析を実行後にINとOUTの波形をプロットします．

図5　図1のDC解析をする回路

　図6は，図5のシミュレーション結果です．IN端子に加わる正弦波の電圧により，回路は3つの状態があるため，OUT端子の波形は解答の(b)の波形になることが分かります．

図6　図5のシミュレーション結果
解答(b)の波形になる．

●プッシュプル回路の応用
　図7は，OUT端子のクロスオーバひずみを抑えるためR₁，R₂，D₁，D₂のバイアス回路を追加したもので，AB級プッシュプル回路と呼ばれます．R₁，R₂の働きはD₁，D₂の電流を調整します．そしてD₁，D₂で発生する電圧により，NPNとPNPの両方が同時にONする領域を僅かに重ね，不感帯を無くしています．

図7　図1の応用回路
クロスオーバひずみを低減させる．

　図8は，V₁の直流電圧を-2V～2Vまでスイープし，OUT端子の電圧，Q₁のエミッタ電流，Q₂のエミッタ電流をプロットしました．このようにNPNとPNPの両方が同時にONする領域が重なることにより，不感帯が無くなります．V₁の電圧が0Vのとき，Q₁とQ₂には僅かに電流が流れます．この電流をアイドリング電流(またはアイドル電流)と呼びます．

図8　図7のDC解析結果
NPNとPNPの両方が同時に動作する領域を僅かに重なっている．

　図9は，図7の解析の指定を「.tra 200u」へ変更し，過渡解析を実行後にINとOUTの波形をプロットしました．不感帯が無くなることにより，OUT端子の波形は入力の正弦波に近づくことが分かります．

図9　図7の過渡解析結果

　以上，解説したように，図1のプッシュプル回路の動作は，V₁の電圧により3つの状態に分けられます．IN端子が無信号のときは電力を消費しない利点がありますが，OUT端子の波形はひずみます．プッシュプル回路は使用する部品の特性を合わせる必要があり，NPN，PNPの2つのトランジスタは，特性が揃っているコンプリメンタリ・トランジスタを用います．

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice5_026.zip

●データ・ファイル内容
Class_B_Ampilifer.asc：図5の回路
Class_AB_Ampilifer.asc：図7の回路