プッシュプル回路の入出力特性




『LTspice Users Club』のWebサイトはこちら

■問題
使用するコマンド ― .DC/.TRAN/

平賀 公久 Kimihisa Hiraga

 図1は,OPアンプの出力にR1とQ1,Q2からなるプッシュプル回路を加えた増幅器です.図2はV1の入力電圧に対するOUTの出力電圧(入出力特性)を調べたプロットになります.Q1とQ2のベース・エミッタ間電圧をVBE,R1の電圧降下をVR1としたとき,正しい入出力特性は,(a)~(d)のどれでしょうか.検討を簡単にするため,OPアンプのオープン・ループ・ゲインは無限大とします.


図1 OPアンプの出力にプッシュ・プル回路を加えた増幅器


図2 図1の入出力特性でX軸は入力電圧,Y軸は出力電圧

(a)の特性 (b)の特性 (c)の特性 (d)の特性


■ヒント

 プッシュプル回路は,オーディオ用途で,大きな電流を必要とする場合に使用されます.図1を機能ごとに分けると,OPアンプは高い入力抵抗でV1からの信号を受けて後段に伝えます.Q1とQ2は,V+とV-から,負荷(RL)へ大きな電流を供給する回路です.R1は,Q1とQ2のベース電流を制限する抵抗になります.図1はOUTからOPアンプの反転端子へ負帰還しています.この負帰還が成り立つとき,V1の電圧はOUTへどのように伝わるかを検討すると分かります.

■解答


(a)の特性

 図1のOPアンプの出力からOUTまでは,R1からQ1,Q2のベースとエミッタを通る信号経路なので,位相は同相になります.そしてOUTからOPアンプの反転端子へ接続しているので,図1は負帰還回路になります.
 OPアンプのオープン・ループ・ゲインが無限大で負帰還が成り立つとき,非反転端子と反転端子はバーチャル・ショートになり同じ電圧になります.この動作より,V1の電圧が推移すると反転端子も同じ電圧で推移し,反転端子の電圧はOUTの電圧ですので,V1とOUTは同じ電圧で推移します.
 図2の(a)~(d)のプロットで,X軸の電圧とY軸の電圧が同じ電圧で推移するのは図2(a)になります.
 このように負帰還ループ内にR1とQ1,Q2のプッシュプル回路が入ると負帰還の効果により,R1の電圧降下やQ1,Q2のベース・エミッタ間電圧の影響を小さくした入出力特性になります.


■解説

●負帰還ループにプッシュプル回路が入らない回路
 図3は,図1によく似ていますが,OPアンプの反転端子の接続が異なる回路です.この回路は,OPアンプがユニティ・ゲイン・バッファ(出力を入力に全て戻す回路)となってV1の信号をゲインが1倍でR1とQ1,Q2からなるプッシュプル回路へ伝えます.図1との違いはOPアンプの反転端子の接続先です.図1は負帰還ループ内にR1とQ1,Q2からなるプッシュプル回路が入りますが,図3は入りません.


図3 ユニティ・ゲイン・バッファにプッシュ・プル回路を加えた増幅器
図1の入出力特性と比較する.

 図3のQ1,Q2は,B級プッシュプル回路と呼ばれ,V1の信号電圧が約±(VBE+VR1)以内だと負荷へ電流を供給せず,電力を消費しない利点があります.反面,負荷へ電流を供給しない領域は,V1が変化してもOUTの電圧が0Vで一定となる不感帯(入力がある大きさになるまで,出力が0)となり,電圧波形がひずむ欠点があります.
 以降では,図3の不感帯を小さくする対策として,反転端子の接続先を図1のようにすることを解説します.

●不感帯をシミュレーションで確かめる
 図4は,図3の入出力特性をシミュレーションした結果で,使用したドット・コマンドは「.DC」です.図3の「.dc V1 -10 10 1m」は,V1の電圧を-10Vから+10V間を1mVステップで変化させたDC解析を実行するという意味になります.図4より,入力電圧が約±(VBE+VR1)以内ではOUTの出力電圧は0Vになり,不感帯があるのが分かります.


図4 図3の直流解析による入出力特性 入力電圧が0V付近で不感帯がある.

 図5は,図3のV1に振幅が5V,周波数が1kHzの正弦波を加えたときのシミュレーション結果です.使用したドット・コマンドは「.tran 2m」で,時間0msから2ms間のトランジェント解析を実行するという意味になります.図4に示した入出力特性の不感帯は,図5のOUTの出力電圧の時間応答でも確認できます.また正弦波の振幅も不感帯の電圧だけ低くなります.B級プッシュプル回路については過去のメルマガ「プッシュプル回路の動作」で解説していますので,そちらを参考にしてください.

図5 図3のトランジェント解析による出力波形 不感帯があるので,出力波形はひずむ.

●対策した入出力特性の机上計算
 次に,図1のようにOPアンプの反転端子の接続先をOUTに変えたときの入手力特性について机上計算します.図6(a)は,図1のV1の電圧が正の電圧「V1>0」,図6(b)は負の電圧「V1<0」で分けたときの回路です.


図6 図1のV1が正の電圧と負の電圧で分けた回路

 入力電圧の極性によって動作するトランジスタが変わります.具体的には「V1>0」のときはOPアンプ出力が正になるのでNPNトランジスタが動作します.逆に「V1<0」のときはOPアンプ出力が負になるのでPNPトランジスタが動作します.この2つの状態について各々の入出力特性を机上計算します.

●「V1>0」のとき
 図6(a)において,V1が正の電圧のとき,OPアンプの非反転端子と反転端子の差電圧をΔVとすると,式1になります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

 OPアンプの出力電圧は,式1の差電圧をオープン・ループ・ゲイン倍した電圧「A・ΔV」になります.出力電圧(VO)は,OPアンプの出力電圧から抵抗の電圧降下(VR1)とトランジスタのベース・エミッタ間電圧(VBE)を減じた電圧となり,式2になります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

 式1を式2へ代入してVOで解くと式3になります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

 OPアンプのオープン・ループ・ゲインは1よりも十分大きな値なので,式4の近似が成り立ちます.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

 式4の近似を式3で使うと式5になります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

 式5より,不感帯になる右辺第二項は「VR1+VBE」をオープン・ループ・ゲインで除算した電圧なので極めて小さくなり,入力電圧V1と出力電圧(VO)は同じ電圧と見なすことができます.

●「V1<0」のとき
 図6(b)において,V1が負の電圧のとき,OPアンプの非反転端子と反転端子の差電圧は式6になります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

 出力電圧(VO)は,OPアンプの出力電圧に抵抗の電圧降下(VR1)とトランジスタのベース・エミッタ間電圧(VBE)を加えた電圧となり,式7になります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

 式6を式7へ代入してVOで解くと式8になります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(8)

 式4の近似を式8で使うと式9になります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(9)

 式9より,不感帯になる右辺第二項は「VR1+VBE」をオープン・ループ・ゲインで除算した電圧なので極めて小さくなり,「V1>0」のときと同様に,入力電圧V1と出力電圧(VO)は同じ電圧と見なすことができます.
 机上計算より,図6の「V1>0」と「V1<0」の両方とも不感帯が極めて小さくなり,入力電圧V1と出力電圧(VO)はほぼ等しくなることが分かります.

●不感帯を小さくした回路のシミュレーション
 図7は,図1のDC解析のシミュレーション結果で,使用したドット・コマンドは図3の「.dc V1 -10 10 1m」と同じです.図4と比べると,不感帯が極めて小さくなり,入力電圧と出力電圧はほぼ等しい結果になります.この入出力特性の-4Vから+4V間をプロットしたのが図2(a)になります.


図7 図1の直流解析による入出力特性
負帰還の中にプッシュ・プル回路が入ると不感帯は小さくなる.

 図8は,図1のV1に振幅が5V,周波数が1kHzの正弦波を加えたときのシミュレーション結果で,使用したドット・コマンドは図3の「.tran 2m」と同じです.不感帯が極めて小さくなるので,出力電圧が0V付近でのひずみは小さくなります.また振幅も入力の5Vとほぼ同じになります.


図8 図1のトランジェント解析による出力波形
図5に比べ,出力波形のひずみが小さくなる.

 以上,解説したように,図3のR1とQ1,Q2からなるB級プッシュプル回路に起因する不感帯は,図1のようにOUTからOPアンプの反転端子へ負帰還することで改善することができます.


■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.
LTspice7_016.zip

●データ・ファイル内容
ClassB Push Pull Amplifier.asc:図1の回路
ClassB Push Pull Amplifier no feedback.asc:図3の回路

■LTspice関連リンク先


(01) LTspice ダウンロード先
(02) LTspice Users Club
(03) トランジスタ技術公式サイト LTspiceの部屋はこちら
(04) LTspice メール・マガジン全アーカイブs
(05) ◆LTspice電子回路マラソン・アーカイブs
(06) ◆LTspiceアナログ電子回路入門アーカイブs
(07) ◆LTspice電源&アナログ回路入門アーカイブs
(08) ◆IoT時代のLTspiceアナログ回路入門アーカイブs
(09) ◆オームの法則から学ぶLTspiceアナログ回路入門アーカイブs
(10) ◆LTspiceエデュケーショナル・ファイルで学ぶアナログ回路アーカイブs

トランジスタ技術 表紙

CQ出版社オフィシャルウェブサイトはこちらからどうぞ

CQ出版の雑誌・書籍のご購入は、ウェブショップで!


CQ出版社 新刊情報



トランジスタ技術 2025年 1月号

注目のロボット センサ&走行制御!

TECH I シリーズ

マイクロプロセッサ・アーキテクチャ教科書

Interface 2025年 1月号

数学&図解でディープ・ラーニング

別冊CQ ham radio QEX Japan No.53

巻頭企画 ハムのArduino活用の勧め

CQ ham radio 2024年12月号

アマチュア無線(再)開局お役立ち情報

アナログ回路設計オンサイト&オンライン・セミナ