電流ブースト回路の吸い込み電流の最大値

■問題
アナログ回路の基礎 ― 基礎

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，反転アンプの出力電流を大きくするため，NPNトランジスタ(Q₁)と抵抗(R₃)で構成した電流ブースト回路を加えた回路です．OUT端子とGNDの間には，100Ωの負荷抵抗(R_L)を接続しています．この回路の特徴は，吸い込み電流が小さく，吐き出し電流が大きいことです．図1において，R_Lに流れる吸い込み電流の最大値は(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　出力電流を大きくする電流ブースト回路を加えた回路
吸い込み電流の最大値はいくらか？

(a) -12.5mA　(b) -16.7mA　(c) -50.0mA　(d) -66.7mA

■ヒント

　吸い込み電流は，OUTの電圧が負になり，GNDから負荷抵抗(R_L)を通って回路側に流れ込む電流のことです．負荷抵抗に流れる吸い込み電流は，どのような経路で流れるかを検討すると分かります．

■解答

(a)　-12.5mA

　図1のR_Lに流れる吸い込み電流の最大値は，OUTの電圧が負のときにQ₁がオフとなり，GNDからR_LとR₃を通って-5Vの電源へ流れる電流です．R₃の電流は，R_Lの電流の他に，R₂から流れてくる電流も加わります．しかし，R₂とR_Lが100Ωなので，R_Lの電流は大きく，R₂の電流は無視でき，R₃の電流はほぼR_Lの電流となります．
　よって，吸い込み電流の最大値は，R_LからR₃に流れる電流となるため，GNDと-5Vの電源との間にあるR_LとR₃の直列抵抗に流れる電流となります．そこで，オームの法則を用いて最大の電流を求めると,「-5V/(100Ω+300Ω)=-12.5mA」となり，(a)が正解となります．

■解説

　OPアンプを使ったアンプで，出力電流をOPアンプの最大電流より大きくするには，トランジスタや抵抗を使った電流ブースト回路を用います．図1は，トランジスタ(Q₁)と抵抗(R₃)のエミッタ・フォロワで，吐き出し電流を増加させる回路です．吸い込み電流は，吐き出し電流より小さくなるので注意が必要です．電流ブースト回路は，吸い込みと吐き出し両方の電流を大きくする回路もあり，それらについても解説します．

●電流ブースト回路の最大電流について
　図1は，負荷抵抗(R_L)に流れる吐き出し電流を大きくする回路です．図1のR_Lに流れる最大電流は，OUTの電圧が正または負により，電流の経路が変わります．OUTの電圧が正のときは吐き出し電流となり，+5Vの電源からQ₁とR_Lを通ってGNDへ流れます．この場合，吐き出し電流の最大値は，Q₁から供給されるため，大きな電流を負荷に流せます．一方，OUTの電圧が負のとき，吸い込み電流となり，Q₁は関係せず，GNDからR_LとR₃を通って-5Vの電源へ流れます．このため図1の吸い込み電流と吐き出し電流の最大値は異なります．

●吸い込み電流の経路と最大電流の検討
　図2は，OUTの電圧が負のときの最大電流の経路を赤の矢印で示しました．太い矢印は電流が大きいことを表し，細い矢印は電流が小さいことを表しています．

図2　図1の吸い込み電流の最大値を示した図

　吸い込み電流は，R_Lに流れるI_LとR₂に流れるI_R2を加えた電流がR₃に流れる電流I_R3となり，-5Vの電源に流れます．I_LとI_R2の電流は，OUTの電圧で変化しますが，R₂よりR_Lの抵抗の方が十分小さく，電流の大小関係は「I_L＞＞I_R2」です．吸い込み電流のI_R3は，ほぼ負荷抵抗に流れるI_Lとなります．この流れる経路により，吸い込み電流の最大値は式1となります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　式1へ図1の回路定数を入れて計算すると，解答の(a)の「I_omax=-12.5mA」となります．

●2種類の負荷抵抗を使ったシミュレーション
　図3は，図1をシミュレーションする回路です．IN端子は，0Vを中心に振幅200mV，周波数1kHzの正弦波を印加しています．反転アンプのゲインは「G=-10倍」なので，OUTの波形は位相が反転した振幅が2Vの正弦波になる設定です．R_Lは「.stepコマンド」で300Ωと100Ωの2種を切り替えて，次の2つの条件とします．これは吸い込み電流のI_Lが吸い込み電流のI_omaxより小さいときと，その逆の大きいときのOUTの電圧波形とR_Lの電流波形を比較するためです．

・R_L=300Ω　I_L=-6.7mA，式1のI_omax=-8.3mA　　　 ※I_L＜I_omaxの条件
・R_L=100Ω　I_L=-20mA，式1のI_omax=-12.5mA　　　※I_L＞I_omaxの条件

図3　図1をシミュレーションする回路
R_Lを300Ωと100Ωの2条件でシミュレーションする．

　図4は，R_Lが300ΩのときのOUTの電圧とI_L(=I(Rl))をプロットしました．「I_L＜I_omax」の条件なので，R_Lに流れる電流は，吸い込み電流の最大値の制限を受けないため，OUTの電圧波形とR_Lの電流波形は正弦波になります．

図4　図3のR_L=300Ωとしたシミュレーション結果

　図5は，R_Lが図1と同じ100ΩのときのOUTの電圧とI_L(=I(Rl))をプロットしました．「I_L＞I_omax」の条件なので，R_Lに流れる電流は吸い込み電流の最大値である「I_omax=-12.5mA」以上は流れません．このためOUTの負側の電圧波形は「R_L×I_omax=-1.25V」で一定となり，OUTの波形は正弦波になりません．

図5　図3のR_L=100Ωとしたシミュレーション結果

●吸い込みと吐き出しの両方の電流を大きくする回路
　図6は，吸い込みと吐き出しの両方の電流を大きくする回路です．図6のQ₁とQ₂を使ったB級プッシュ・プル回路の電流ブーストが用いられます．Q₁とQ₂は特性が揃ったものが望ましいので，コンプリメンタリー・トランジスタを用います．図6の吐き出し電流は，図1と同じで，電源(V+)からQ₁とR_Lを通ってGNDへ流れます．その逆の吸い込み電流はGNDからR_LとQ₂を通って電源(V-)へ流れますので，吸い込み電流は，図1より大きくなります．

図6　吐き出しと吸い込みの両方の電流を大きくする回路

　図7は，図6のシミュレーション結果です．図5のシミュレーション結果と比較すると，吸い込み電流が大きくなり，電流制限がかからず改善していることが分かります．

図7　図6のシミュレーション結果

　図6の回路の弱点は，B級のプッシュ・プル回路を使っているため，Q₁による吐き出し電流とQ₂による吸い込み電流が切り替わるとき歪みが生じます．この様子を確認するため，図8は，図7の時間軸を拡大しました．図8のように負荷電流が正のときはQ₁，負のときはQ₂が動作しますが，切り替わる0mA近傍で歪んでいることが分かります．

図8　図7の時間軸を拡大表示した

　以上，図1の電流ブースト回路は，吸い込み電流の最大値が小さくなり，それ以上の電流は流せません．このため，負荷を重くすると，波形がクリップしたようになります．電流ブースト回路をB級プッシュ・プル回路にすると，吸い込み電流の最大値が改善されます．B級プッシュ・プル回路のQ₁とQ₂の切り替わりによる歪みは，AB級プッシュ・プル回路にすると改善されます．

■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_044.zip

●データ・ファイル内容
Output_current_booster1.asc：図3の回路
Output_current_booster2.asc：図6の回路