トランジスタの飽和を防止する回路の動作

■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2つのダイオード(D₁，D₂)を組み合わせ，負荷抵抗(R_L)を接続したトランジスタ飽和防止回路です．この回路は，ディジタル回路で，I₁の電流により，OUTの電圧が変わります．I₁は，10μs間の振幅が1mAとなる矩形波を入力し，OUT端子の波形をプロットしました(図2)．
　Q₁のベース・エミッタ間電圧を0.7V，D₁の順方向電圧を0.4V，D₂の順方向電圧を0.6Vとしたとき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トランジスタと2つのダイオードを組み合わせたトランジスタ飽和防止回路
I₁は，10μs間の振幅が1mAとなる矩形波を入力する．

図2　図1のOUT端子の電圧をプロットした波形
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トランジスタと2つのダイオードを組み合わせ，トランジスタの飽和を防止する回路の動きから，OUTの波形を考える問題です．図2の波形の違いは，OUTの極性と振幅です．Q₁がONしているときの電流の方向より，回路内部の電圧を検討すると分かります．

■解答

(a)の波形

　図1は，NPNを使ったインバータ回路なので，I₁からQ₁のベースへ電流が流れると，OUTの電圧は下がります．この論理になっているのは図2の(a)と(b)です．次にQ₁がONのときの回路の電流は，I₁の一部の電流がD₁を通ってQ₁のベース電流となり，残りはD₂を通ってQ₁のコレクタに流れます．このとき，INの電圧は，Q₁のベース・エミッタ電圧とダイオード(D₁)の順方向電圧を加えた値となり，OUTの電圧はINの電圧からダイオード(D₂)の順方向電圧を減じた値となります．OUTの電圧が低いときの記号をV_OLとすれば式1の電圧となり，図2の(a)の波形が正解となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　図1のようにトランジスタが飽和しないようにOUTの電圧を固定するトランジスタ飽和防止回路を，ベーカー・クランプ(Baker Clamp)回路と言います．この名前は，考案者のRichard H．Baker氏にちなんで名付けられました．

■解説

●トランジスタが飽和したときの動作
　図3は，トランジスタ(Q₁)と負荷抵抗(R_L)で構成したエミッタ接地回路です．トランジスタをスイッチのように使い，OUTの電圧が電源電圧に近い状態をディジタル信号のHigh，逆に，GNDに近い状態をLowとするインバータ回路です．この回路で，図1と同じ入力電流を加えたとき，OUTの波形がどうなるのか確認してみます．

図3　NPNトランジスタを使った簡単なインバータ回路

　図4は，シミュレーション結果です．上段にI₁の電流，下段にOUTの電圧をプロットしました．I₁から電流が流れないとき，トランジスタがOFFになっているので，OUTの電圧は，3VのHighの状態となります．I₁から電流が流れるとき，トランジスタのベースへ流れてQ₁のコレクタ電圧は，0V付近まで下がり，Lowの状態となります．この状態は,トランジスタの増幅機能が極端に低下するので，飽和と呼びます．
　トランジスタが飽和すると，OUTの電圧がONからOFFに切り替わるときの，スイッチングの特性が低下します．これはI₁の電流が無くなっても，ベースに蓄えられた電荷により，トランジスタがターンオフする切り替わりの時間が遅くなるからです．このようなスイッチング特性の低下は，ディジタル回路としてあまり良くありません．

図4　図3のシミュレーション結果トランジスタが飽和すると，ベースに蓄えられた電荷により,ターンオフする時間が遅くなる．

●ベーカー・クランプ回路の動作
　図5は，ベーカー・クランプ回路の動作を解説するため，図1を書き直して電圧と電流を記入しました．I_INが流れないときは，ベース電流(I_B)が流れないためトランジスタはOFFします．I_INが流れるとベース電流(I_B)となりトランジスタはONします．I_INの電流が，トランジスタがONするのに必要なベース電流以上となると，余った電流(I_IN-I_B)は図5の経路へ分流し，トランジスタのコレクタへ流れます．このときのOUTの電圧をV_OLとすれば式2となり，トランジスタが飽和しない電圧へ固定します．式2へV_BE，V_F1，V_F2の具体的な値を入れたのが式1となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　ベーカー・クランプ回路は，トランジスタが飽和しないようにOUTの電圧を固定するため，スイッチングの特性が低下するのを防ぎます．

図5　2つのダイオードを追加し，トランジスタがONの状態を表した図
回路内部の電圧と電流を記載した．

●ベーカー・クランプ回路をシミュレーションする
　図6は，図1をシミュレーションする回路です．I₁の電流源から20μs～30μs間で1mAを流し，0μs～50μs間の過渡解析を行います．

図6　図1をシミュレーションする回路

　図7は，図6のシミュレーション結果です．上段にI₁の電流，下段にOUTの電圧をプロットしました．図7のOUTがLowの状態となる電圧は，ベーカー・クランプ回路により，式1の0.5Vに固定され，トランジスタは飽和しません．飽和をしないことから，I₁の電流が無くなったと同時にターンオフしており，図4の結果と比べると，スイッチング特性は改善することが分かります．

図7　図6のシミュレーション結果 OUTは0.5Vで固定となり，I₁の電流が無くなると同時にターンオフが始まる．

　アナログ回路では，トランジスタが飽和しないように使いますが，ディジタル回路ではトランジスタを飽和させてLowの電圧とすることがあります．このとき，スイッチングの特性が低下するため，対策案の1つとしてベーカー・クランプ回路を用い，トランジスタの飽和を防ぎます．ベーカー・クランプ回路の有無でLowの電圧が異なりますので注意が必要です．

■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_028.zip

●データ・ファイル内容
Inverter_NPN.asc：図3の回路
Baker_Clamp_NPN.asc：図6の回路