高い電圧が掛からないOPアンプ回路の工夫




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■問題
IC内部回路 ― 上級

平賀 公久 Kimihisa Hiraga

 図1は,308型OPアンプの内部回路と負帰還回路からなる非反転アンプです.V3が入力,OUTが出力,ゲインがR20とR21の抵抗比で決まります.OPアンプ内部回路の初段アンプは,Q3とQ4の差動アンプとなり,コレクタ・エミッタ間の電圧(VCE3,VCE4)が,高い電圧が掛からないように内部回路で工夫されています.その電圧として正しいのは(a)~(d)のどれでしょうか.
 


図1 308型OPアンプの内部回路と負帰還回路からなる非反転アンプ
トランジスタのベース・エミッタ間電圧が「VBE=0.6V」
Q5とQ17のコレクタ電流が「IC=6μA」の定電流源
ドキュメント\LTspiceXVII\examples\Educational\LM308.asc

(a) 約0.6V (b) 約1.2V (c) 約1.8V (d) 約2.4V


■ヒント

 図1のOPアンプは,308型の内部回路です.負帰還によりIN+とIN-の電圧は,バーチャル・ショートで同じ電圧となります.また,差動アンプが平衡するので,Q5のコレクタ電流は半分ずつQ3とQ4に流れます.差動アンプは,左右対象の回路なので,平衡しているとき,Q3とQ4のコレクタ・エミッタ間電圧が同じになります.Q3とQ4のベース電圧を起点にトランジスタのコレクタ電圧(VC3,VC4)とエミッタ電圧(VE3,VE4)を求め,電圧の差を計算すると,コレクタ・エミッタ間の電圧(VCE3,VCE4)が分かります.

■解答


(a) 約0.6V

 図2は,図1からOPアンプの初段アンプを抜き出した回路です.Q15とQ17は,定電流源のI5とI17の記号で表しました.差動アンプが平衡しているとQ3とQ4のコレクタ・エミッタ間電圧は同じになるので,ここではIN+側に接続しているQ4のコレクタ・エミッタ間電圧(VCE4)を計算します.


図2 図1の初段アンプ

 図2のQ4のベース電圧となるIN+の電圧をVIN+とします.VIN+の電圧を起点にQ4のコレクタ電圧(VC4)を検討します.VIN+から見たQ14のベース電圧は,VBE4とR1の電圧降下を減じた電圧となります.Q14のベース電圧に,VBE14とVBE18を加えた電圧がQ7のベース電圧となります.Q7のベース電圧からVBE7を減じた電圧がQ4のコレクタ電圧(VC4)となります.この関係よりQ4のコレクタ電圧(VC4)は式1となります.

・・・・・・・・・・・・・・・(1)

 次にQ4のエミッタ電圧(VE4)は,VIN+からVBE4を減じた電圧となり,式2となります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

 全てのトランジスタのベース・エミッタ間電圧を「VBE」とし,式1から式2を減算してコレクタ・エミッタ間電圧(VCE4)を求めると式3となります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

 式3は,VIN+の項が消えるため,Q4のベース電圧が変動しても一定のコレクタ・エミッタ間電圧となります.式3で「VBE=0.6V」,「I5=6μA」,「R1=2kΩ」とすると「VCE4=594mV」となります.同様の計算がQ3側でも成り立ち,コレクタ・エミッタ間電圧は「VCE3=594mV」となります.以上より解答は(a)の約0.6Vとなります.

■解説

●308型OPアンプの内部回路
 308型OPアンプは,初段の差動アンプ(図1のQ3,Q4)に直流電流増幅率が数千あるスーパーベータ・トランジスタ(Super-β Transistor)を使い,入力バイアス電流を数nA以下にしたOPアンプです.入力バイアス電流を低減するほど理想OPアンプに近づきます.スーパーベータ・トランジスタは,コレクタ・エミッタ間の耐圧が低いので,高い電圧が掛からないように回路で工夫しています.
 図3は,図1を増幅段ごとに書き直した回路です.図3を用いてOPアンプ内部回路の解説をします.バイアス回路は,内部回路へ安定したバイアス電流を供給するために用いられ,Q5,Q17,Q21,Q29のコレクタから各段に一定のバイアス電流を供給します.2つの入力端子間にあるQ1,Q2,R8は,IN+とIN-間に大きな差動電圧が加わったときに,Q3とQ4の差動アンプを保護する回路です.


図3 図1を増幅段ごとに書き直した回路

 入力の差動アンプには,スーパーベータ・トランジスタを用いて入力バイアス電流を低減し,入力特性の性能を良くしています.先ほどの式3で検討したように,VIN+が変化してもQ3とQ4のコレクタ・エミッタ間電圧は,約0.6Vとなるのでスーパーベータ・トランジスタのブレークダウンを防ぎます.
 2段目アンプは,Q8,Q10の差動アンプとQ15,Q16のアクティブ・ロードで増幅し,Q23のエミッタから出力段に信号を伝えます.出力段は,AB級のバッファ回路で,Q24,Q25,R16はクロス・オーバ歪を抑えるためのバイアス回路となります.Q26,R17,R18は負荷へ過大な電流が流れたときにQ27とQ28を保護する回路です.
 308型の回路は,スーパーベータ・トランジスタを用いて,入力特性の性能を良くした高精度OPアンプの先駆けとなり,その後のAD108やLT1008などの高精度OPアンプも308型を受け継いでいます.308という有名な品番は,同じ回路構成で製造した108,208,308の1つで,民生用普及グレードになります.
 図4は,図3のOPアンプ内部回路を三角形のOPアンプ・シンボルにして,図1の回路を表しました.R20,R21の抵抗比「G=1+R20/R21」でゲインが決まる非反転アンプとなります.


図4 図1をOPアンプの記号を使い書き直した回路

 308型のOPアンプは負帰還を安定にするキャパシタは内蔵されておらず,図3のCC1とCC2間に外付けで補償キャパシタを接続します.これが図4のC1になります.

●スーパーベータ・トランジスタについて
 入力バイアス電流を低減するには,スーパーベータ・トランジスタを使う方法とFETを使う方法があります.308型OPアンプは,スーパーベータ・トランジスタを使う方法を用いています.
 図5(a)は,NPNトランジスタです.図5(b)は,ラテラルPNPトランジスタの配線層より下の断面図です.トランジスタの電流増幅率は,図5に示したベース幅で決まります.NPNが深さ方向,ラテラルPNPが横方向の物理的な距離になります.NPNのスーパーベータ・トランジスタは,ベース幅を狭く製造することで,高い電流増幅率を得ています.


図5 バイポーラ・トランジスタの断面図

 図1は,高耐圧のNPNトランジスタとスーパーベータ・トランジスタの混在となります.高耐圧NPNトランジスタの電流増幅率に影響を与えずにスーパーベータ・トランジスタを製造するとき,p+のベース拡散は,共通で別々にn+のエミッタ拡散をしてベース幅を変えるか,また,その逆で,n+のエミッタ拡散は共通で,別々にp+のベース拡散をしてベース幅を変えるかの方法を用います.
 スーパーベータ・トランジスタの欠点は,ベース幅が狭くなるので,ベースがオープンのとき,コレクタ・エミッタ間の耐圧(BVCEO)が低くなります.入力の差動アンプにスーパーベータ・トランジスタを使うときは,式3のように高い電圧が加わらないように,コレクタ・エミッタ間電圧を1V以下にしています.

●入力バイアス電流のシミュレーション
 図6は「.op」解析により図1の直流動作点を調べたシミュレーション結果で,ログ・ファイル中に記載されています.ログ・ファイルは,シミュレーション終了後に「View→SPICE Error Log」または,回路図上でのCtrl+L(コントロールキーとLキーを同時押し)により表示できます.
 図6の列は,トランジスタで並び,行は直流動作点のシミュレーション結果が記載されています.Q3,Q4の直流電流増幅率(BetaDC:の行)は4990の高い値になります.通常のトランジスタの直流電流増幅率は100~200なので,25~50倍の高い値となります.Q3のベース電流(Ib:の行)は,反転端子側の入力バイアス電流であり0.518nAとなります.同じようにQ4のベース電流は,非反転端子側の入力バイアス電流であり0.555nAとなります.このように入力バイアス電流は,低い電流値となります.
 コレクタ・エミッタ間電圧(Vce:の行)は,Q3が0.659V,Q4が0.656Vとなります.解答の計算では,全てのトランジスタのベース・エミッタ間電圧を「VBE=0.6V」としましたが,実際は各々異なるベース・エミッタ間電圧になるため,解答の約0.6Vからズレが生じています.


図6 「.op」解析の結果
Ibがベース電流,Vceがコレクタ・エミッタ間電圧,BetaDCが直流電流増幅率

 図7は,図1のシミュレーションの指定を「.tran 10m startup」へ変更し,過渡解析の結果をプロットしました.入力は振幅が1.2V,周波数が1kHzの正弦波です.出力は,振幅が13.2Vの正弦波なので,ゲインは「G=11倍」であり,「G=1+R20/R21」の抵抗比で決まるゲインとなります.「V(n017)-V(n024)」のプロットがQ3のコレクタ・エミッタ間電圧,「V(n021)-V(n025)」のプロットがQ4のコレクタ・エミッタ間電圧です.2つのプロットは重なっており,入力信号が正負に振れても「VCE3= VCE4=約0.66V」と一定になります.


図7 過渡解析の結果
非反転アンプのゲインは11倍.
Q3とQ4のコレクタ・エミッタ間電圧は約0.66Vで一定.

 以上,解説したように,スーパーベータ・トランジスタをOPアンプの差動アンプに使うと入力バイアス電流を低減できます.スーパーベータ・トランジスタは,コレクタ・エミッタ間の耐圧が低くなります.この対策として308型のOPアンプは高い電圧が掛からないように内部回路で工夫しています.


■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.
LTspice6_042.zip

●データ・ファイル内容
LM308.asc:図1の回路

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