トランジスタの欠点を補うOPアンプの入力回路

■問題
IC内部回路 ― 上級

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，741型OPアンプと呼ばれる，古典的なOPアンプの内部回路を簡略化した回路図です．出力とマイナス入力端子を直結して，ゲイン1のバッファ・アンプとして動作します．この回路のプラス入力端子に2V_PPで1kHzの正弦波を加えたとき，X点の波形として正しいのは，図2の(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　741型OPアンプと呼ばれる，古典的なOPアンプの内部回路を簡略化した回路図
出力とマイナス入力端子を直結して，ゲイン1のバッファ・アンプとしている．

図2　図1の回路のX点の波形
入力に2V_PPで1kHzの正弦波入力を加えたときの波形は？

(a)の波形　(b)の波形　(c)の波形　(d)の波形

■ヒント

　図1でQ₁₃は，定電流源として動作します．そして，Q₁とQ₂のコレクタ電流を足し合わせた電流が，Q₁₃のコレクタ電流と等しくなります．X点の電圧は，この条件を満たすような値になっていることを考えれば，答えが分かります．

■解答

(b)の波形

　図1の回路は，Q₁とQ₂のコレクタ電流を足し合わせた電流が，Q₁₃のコレクタ電流と等しくなるように，X点の電圧が制御されます．Q₁とQ₂のコレクタ電流は，Q₁とQ₂のベース電圧と，X点の電圧でコントロールされます．トランジスタが適切な電流で動作している場合，そのベース・エミッタ間電圧は，0.7V程度になります．Q₁，Q₂およびQ₅，Q₆のベース・エミッタ間電圧を0.7Vとすると，X点の電圧はQ₁とQ₂のベース電圧よりも1.4V低い電圧になります．
　また，図1のOPアンプは，Q₁のベースが+入力端子で，Q₂のベースが-入力端子となっています．負帰還を掛けて使用したOPアンプの性質として，+入力端子の電圧と-入力端子の電圧は等しくなります．そのため，Q₁とQ₂のベース電圧波形は，ともに，0Vを中心として±1Vの正弦波信号になります．そして，前述のX点の電圧はそれよりも1.4V低い電圧になります．図2の(a)～(d)の中で，そのような波形となっているのは，図2の(b)なので，正解は(b)ということになります．

■解説

●OPアンプの入力回路
　OPアンプの入力回路は，一般的に，2つのトランジスタを組み合わせた差動回路で構成されます．図3は，入力にPNPトランジスタ(Q₁，Q₂)を使用した入力回路です．741型OPアンプが開発された当時は，PNPトランジスタの性能が良くありませんでした．ラテラルPNP(LPNP：横型PNP)という構造で，電流増幅率は，NPNトランジスタよりもかなり小さい値でした．そのため，図3の回路では，Q₁，Q₂のベース電流がOPアンプの入力バイアス電流となり，帰還抵抗やバイアス抵抗によって，入力オフセット電圧が発生してしまうという問題がありました．

図3　PNPトランジスタを使用した入力回路
OPアンプの入力バイアス電流が大きくなるという問題があった．

　一方，図4のような，入力にNPNトランジスタ(Q₁，Q₂)を使用した入力回路は，OPアンプの入力バイアス電流に関しては，図3の回路よりもかなり小さくできます．ところが，信号を増幅するトランジスタ(Q₅)の電流増幅率が小さいため，OPアンプのオープン・ループ・ゲインﾝが小さくなってしまう，という問題がありました．

図4　NPNトランジスタを使用した入力回路
OPアンプのオープン・ループ・ゲインﾝが小さくなってしまうという問題があった．

　そこで考案されたのが，図1のOPアンプに使用されている入力回路です．図5は，図1の入力回路部分のみを取り出したものです．入力トランジスタ(Q₁，Q₂)には，NPNトランジスタを使用しているため，ベース電流が図3よりも小さくなります．そして，入力NPNトランジスタのエミッタにPNPトランジスタ(Q₅，Q₆)が接続されています．Q₅，Q₆はベース接地として動作します．そのため，Q₆のコレクタ電流は，Q₁のコレクタ電流とほぼ等しく，Q₅コレクタ電流がQ₂のコレクタ電流とほぼ等しくなります．

図5　LPNPトランジスタの欠点を補うことのできる入力回路
入力はNPNトランジスタを使用し，そのエミッタにPNPトランジスタが接続されている．

　そして，Q₅とQ₆のコレクタ電流を足したものは，I₁とほぼ等しく，IN+とIN-の電圧差によって，それぞれのトランジスタのコレクタ電流の比率が変わります．また，信号を増幅するトランジスタ(Q₁₆)はNPNタイプなので，オープン・ループ・ゲインも大きくすることができます．つまり，図5の回路は，LPNPトランジスタの欠点から発生する問題を，解消することができるものです．ここで，Q₁，Q₂のベースがGND電位だった場合に，X点の電圧がいくつになるか，考えてみます．図5において，Q₄，Q₉はカレント・ミラー回路となっており，Q₉のコレクタ電流はQ₄の電流(I_CQ1+I_CQ2)と等しくなります．
　Q₉のコレクタ電流がI₁よりも小さい場合，X点の電圧は低くなります．すると，Q₁，Q₂，Q₅，Q₆のベース・エミッタ間電圧が大きくなり，Q₁，Q₂のコレクタ電流が大きくなります．するとQ₉のコレクタ電流も大きくなります．ここでQ₉のコレクタ電流がI₁よりも大きくなると，X点の電圧が上がり，Q₁，Q₂，Q₅，Q₆のベース・エミッタ間電圧が小さくなり，Q₁，Q₂のコレクタ電流が小さくなります．そのため，X点の電圧は，Q₉のコレクタ電流とI₁が等しくなる電圧で安定することになります．

●741型OPアンプの入力回路を確認する
　図6は，741型OPアンプの入力段の特性をシミュレーションするための回路です．IN-端子は，GNDに接続し，IN+端子の電圧を-200mVから+200mVまで1mVステップで変化させます．

図6　741型OPアンプの入力段の特性をシミュレーションするための回路
IN+端子の電圧を-200mVから+200mVまで1mVステップで変化させる．

　図7は，図6のシミュレーション結果です．図7は，PNPトランジスタのコレクタ電流を表示しているため，電流の符号がマイナスとなっていますが，入力電圧が0mVのとき，I_CQ5，I_CQ6ともに絶対値は，約10μAとなっています．そのため，I_CQ5，I_CQ6の合計電流は20μAとなり，I₁の電流値と等しくなっていることが分かります．また，入力電圧によってI_CQ5とI_CQ6の電流の比率が変わっており，I_CQ5が大きくなるとI_CQ6が小さくなる，差動入力回路として動作していることが分かります．

図7　741型OPアンプの入力段のシミュレーション結果
入力電圧が0mVのときは，I_CQ5，I_CQ6ともに約10μAで合計値がI₁と等しい．

●741型OPアンプの動作を確認する
　図8は，図1の741型OPアンプの動作をシミュレーションするための回路です．PNPトランジスタのモデル・タイプは，LPNPモデルとなっています．そして電流増幅率(BF)は，25となっています．

図8　741型OPアンプの動作をシミュレーションするための回路
PNPトランジスタのモデル・タイプはLPNPモデルで，電流増幅率は25となっている．

　図9は，図8のシミュレーション結果です．X点の電圧は，入力端子電圧(V(IN))よりも約1.4V低い電圧になっています．

図9　741型OPアンプのシミュレーション結果
X点の電圧は入力端子電圧(V(IN))よりも約1.4V低い．

●実際の741型OPアンプ(LM741)と周辺回路で動作を確認
　図10は，741型OPアンプと周辺回路（R₁₁，R₁₂，R₁₄，V₁，V₂）でゲイン11倍の非反転増幅回路を構成しています．R₁₁とR₁₂で帰還を掛けています．
　図10は，実際のOPアンプと同じように，図1や図8の回路では省略した，出力トランジスタの過電流保護回路や，ベース電流補償回路が含まれています．

図10　LTspiceのサンプルファイルLM741.asc
R₁₁とR₁₂で帰還をかけ，ゲイン11倍の非反転増幅回路を構成
ドキュメント\LTspiceXVII\examples\Educational\LM741.asc

　図11は，図10のシミュレーション結果です．入力の±1Vの正弦波に対し，出力は±11Vとなっており，ゲイン11倍の非反転増幅回路として動作していることが分かります．

図11　LM741.ascのシミュレーション結果
出力電圧は入力電圧の11倍になっている．

　図12は，入力端子の電圧(V(3))とX点の電圧を表示したものです．ゲイン11倍の非反転増幅回路として動作させた場合も，X点の電圧は，入力端子の電圧よりも約1.4V低い電圧になっていることが分かります．

図12　LM741.ascの入力端子とX点のシミュレーション結果
X点の電圧は入力端子の電圧よりも約1.4V低い電圧になっている．

　以上，741型OPアンプの入力回路について解説しました．741型OPアンプは1968年に最初の製品が販売されています．52年前(2020年現在)に設計された回路ですが，トランジスタの欠点をうまく補うことのできるよう，非常に巧妙な回路となっています．

■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_045.zip

●データ・ファイル内容
741_INPUT_DCS.asc：図6の回路
741_INPUT_DCS.plt：図7のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
741typeOPamp.asc：図8の回路
741typeOPamp.plt：図9のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル
LM741.asc：図10の回路
LM741.plt：図11のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル