アンプを作りましたが、波形が歪んでしまいました。

質問

直径0.1mmのコイルを500回巻いたものを負荷とし、500mA程度を流すためにアンプを作りました。
オペアンプ（ＯＰ１７７Ｇ）の－側に10ｋΩを通して正弦波を入力し（Ｆジェネを使用）＋側はグラウンドに落としました。
電源電圧は±１５Ｖです。オペアンプで500mAは出力できないのでブースト回路をつけようとしました。
トランジスタでダーリントン接続にしました。＋側は２ＳＣ５２００を使い、オペアンプの出力からベースにつなげました。
電源１５Ｖをコレクタにいれ、別に２２０Ωを通してベースにつなぎました。
－側は２ＳＡ１９４３（コンプリメンタリ）を使い、同じくベースにはオペアンプの出力と、電源－１５Ｖから２２０Ωを通してつなぎました。
ベースとベースの間にはベースエミッタ間の電圧を打ち消すためのダイオードをいれました。
２段のダーリントン接続にし、１段目のトランジスタのエミッタを２段目のベースにいれ同様にコレクタに電源から１５Ｖをそれぞれにつなぎました。
２段目のトランジスタのエミッタを負荷につなぎました。
負帰還として10ｋΩをいれました（ゲイン１０）。
Ｆジェネから１ｋＨｚの正弦波を振幅を変えながら出力したところ、Ｆジェネの出力振幅が３Ｖを超えたところで、負荷にかかる電圧の波形がなまってきました。
始め－側の波形の頭が歪み、さらに出力をあげると＋側の波形も歪んできました。（どちらも、オシロで負荷の両端を見ました）
負荷がコイルなので１ｋＨｚを入力することによるインピーダンスの増加や、負帰還における抵抗値の設定、コンデンサの有無など、波形が歪む原因としていろいろなことを考えていますが、さっぱり分かりません。
どなたか、この回路における欠点・問題点・修正点や、アンプを作る際の一般的な基礎知識、ひずみを無くすための方法など、どんな些細なことでも結構ですので、どうか教えてください。

回答No.6

vq100mg · ベストアンサー

＞抵抗を大きくすると、オペアンプの負荷は軽くなるということでしょうか？？

その通りです。

＞２２０Ωの抵抗はもっと大きくして、オペアンプは別の仕様のものを使う・・・

抵抗を大きくすれば、現状のオペアンプで問題ないという事です。

エミッタ抵抗は１Ωよりは取りあえず３Ωの方が安全でしょう。負荷を外してアイドリング電流（エミッタ抵抗両端電圧）を測ってみてください。どの程度の歪にしたいのか、また使用周波数にもよりますが、たぶん数mA 以下で十分だと思います。（抵抗値を増すとアイドリング電流は減少します）

コイルの式、

＞Ｌ＝磁界Ｂ[テスラ]×巻き数[回]×コイルの断面積Ｓ[ｍｍ2]／電流[Ａ]

は解釈すると、「ある巻数とコイルの断面積の下に、ある磁束密度がある電流で達成されていると仮定すれば、インダクタンスはいくらか」という式になっています。つまりインダクタンスはいくら欲しいかという事であって、その形状でインダクタンスがいくら得られるかという式ではありません。インダクタンス見積もりは、＃４のご回答にあるサイトが便利そうです。本当に大雑把でよければ、１ターンの長さ[cm]×１０nH × 巻数の２乗　でも良いでしょう。

お礼

オペアンプの出力にかかる抵抗を大きくし、エミッタ抵抗も３Ωに変えたところ、５００ｍＡが歪みなく出力されました。

このたびは本当にありがとうございました。
いただいたご回答の中に、自分にはまだ分からないことが多数ありますので、これから自分なりに勉強させていただきます。

また機会がありましたらお願い致します。

回答No.7

imoriimori

#3,#4の者です。
＃４へのご質問は＃６（＝＃５＝＃２）様が回答済みで、そのとおりですので、ここでは蛇足を。
重い負荷とか軽い負荷とか、私は感覚で言ってしまいました。このへんの感覚は教科書には出てきませんけど、結構大事だと私は思っています。低抵抗をドライブするのはしんどく、高抵抗をドライブするのはらくちん。普通の場合電圧で議論し増幅器もまた電圧増幅器なので（電流増幅器の議論なら話はかわりますが。）
電源に行く二本の抵抗を負荷と見なすこと、負荷インピーダンスをその二本の並列抵抗値と見なして良いこと、ということの把握も大事だと思います。電位の変動しない電源はＧＮＤに短絡しているのと同じことなのです、信号の見地からは。このへんもきちんと納得できるように説明している教科書は殆ど見かけませんけど、大事な勘所だと思います。

お礼

低抵抗をドライブするか、高抵抗をドライブするか・・・
良く考えると当たり前かもしれませんが、今まで気づきませんでした。

丁寧なご回答、どうもありがとうございました。

おふた方が丁寧にご回答してくださったのですが、決められず、単にご回答いただいた順番でお礼の点数をつけました。申し訳ありません。

またの機会がありましたら、宜しくお願いします。

回答No.5

vq100mg

＞　＋１５Ｖから２２０Ωを通し、１つは２ＳＣのベースに、もう１つはオペアンプの出力につながっています。
＞　－１５Ｖから２２０Ωの抵抗を通し、１つは２ＳＡのベースに、もう１つは同じくオペアンプの出力につないでいます。

オペアンプの出力は、２２０Ωにつながっているのでは無く、ダイオードを４つを２分する点につながっているのではありませんか。上の文を額面どうり解釈すると、２ＳＣのベースも２ＳＡのベースもオペアンプの出力につながっているのですから、ダイオードは意味をなしていない事になります。ただし、オペアンプの出力のつながる節点は、２ＳＣのベースでも２ＳＡのベースでもほとんど問題ではありませんし、ダイオードが短絡されていたとしても、負帰還増幅器ですから、クロスオーバ歪が少し発生するだけであって、仰るような問題の発生原因にはなりません。単にオペアンプの負荷が重過ぎるのです。２２０Ωを、１ｋΩないし１０ｋΩくらいにちょっと替えて実験してみたら如何でしょう。

なお、エミッタ抵抗なしのダーリントンブッシュプルに対して、ダイオード４つだとアイドリング電流が大きすぎるかもしれません。正しい設定には面倒な計算と実測が必要です。多少のクロスオーバ歪を容認してダイオード３つで我慢するか、または１０Ωくらいエミッタに抵抗を入れておいたらどうでしょう（回路は非対称で構いません）。

なおコイルのインピーダンス７ｋΩは随分大きいようですが、７Ω ではありませんか。コイルの直径はどの程度でしょう。

補足

再びのご回答、どうもありがとうございます。

間違った説明をしてしまいました。申し訳ありません。
おっしゃる通り、オペアンプの出力は、４つのダイオードを２分する点につなげており、さらにそのダイオードをそれぞれのベースにつないでいます。

知識が乏しく理解が出来ていないのですが、
＞単にオペアンプの負荷が重過ぎるのです。２２０Ωを、１ｋΩないし１０ｋΩくらいにちょっと替えて実験してみたら如何でしょう。
・・・ということですが、抵抗を大きくすると、オペアンプの負荷は軽くなるということでしょうか？？
流す電流が少なくていいから、ということでしょうか・・・？？

また、再び説明不足で申し訳ないのですが、エミッタ部分には１Ωを入れています。
ただ、手元に１冊の参考書に「これは保護抵抗であり、１～３Ωが適当」とあり、もう１冊の参考書には保護抵抗という言葉は書いておらず、「数十Ωが適当」とありました。
どうすればいいのか分からず、１Ωをいれてしまいました。
この抵抗は、厳密に計算して求めた方が良いのでしょうか？？？

ちなみに、コイルについてですが、銅線の直径は０．１ｍｍで、２Φのボビンに５００回巻きをしており、コイルの直径は３ｍｍです。
インダクタンスは、
Ｌ＝磁界Ｂ[テスラ]×巻き数[回]×コイルの断面積Ｓ[ｍｍ2]／電流[Ａ]
から求め、Ｌ＝1.095075　と出ました。
インピーダンスは、
Ｚ＝√（Ｒ）２乗＋（ωＬ）２乗
から求め、Ｚ＝７０００[Ω]　と出しました。
ただ、自信はありません。。

お時間がありましたら、どうぞ宜しくお願い致します。

回答No.4

imoriimori

#3の者です。
回路の形が少し見えてきました。http://www.nahitech.com/nahitafu/mame/mame3/outpow.html　みたいな回路ですね。ただし質問者様の場合この図の2.2Kの代わりに220Ω、そしてこの図の100Ωは無いという感じ。

そのような回路だとすると基本的に＃２様のご指摘が当たっている可能性が高いように思います。ＯＰアンプはトランジスタをドライブする以前にこの２本の220Ω（交流信号的には並列計110Ωという重い負荷）をドライブしないといけない。しかしＯＰ１７７にはその能力は無いわけで。

ゲイン１ですね、なら飽和じゃありませんね。

インピーダンスが７ｋかどうかは輪っか径がわからずインダクタンスがわかりませんのでなんとも。（インダクタンス見積もりはここが使えます。http://homepage1.nifty.com/CETUS/crystal/calculation1.htm　
でも７ｋΩの負荷ならとても軽いので、プッシュプル段のベース電流はそんなに入れなくてもいいわけですから、これまた＃２様の言われるように、220Ωなんて低抵抗にしなくてもよろしいかと。

補足

再びのご回答、どうもありがとうございます。

おっしゃる通り、書いていただいたＵＲＬの回路とほとんど同じです。
ちなみに、Ｎｏ２＆５の方にも待ちがった説明をしてしまいました。申し訳ありません。
オペアンプの出力は、４つのダイオードを２分する点につなげており、さらにそのダイオードをそれぞれのベースにつないでいます。

それと、知識が乏しいため理解が出来ていないのですが・・・
＞ＯＰアンプはトランジスタをドライブする以前にこの２本の220Ω（交流信号的には並列計110Ωという重い負荷）をドライブしないといけない。しかしＯＰ１７７にはその能力は無いわけで。
・・・ということは、まずこのオペアンプでは無理ということですか？？抵抗が重いということは、もう少し低くしなければいけないということですか？？

一方、
＞でも７ｋΩの負荷ならとても軽いので、プッシュプル段のベース電流はそんなに入れなくてもいいわけですから、これまた＃２様の言われるように、220Ωなんて低抵抗にしなくてもよろしいかと。
・・・ということは、２２０Ωでは無く、もう少し大きな抵抗を使う、ということでしょうか？？

つまり、２２０Ωの抵抗はもっと大きくして、オペアンプは別の仕様のものを使う・・・ということでよろしいでしょうか？？
＞交流信号的には並列計110Ωという重い負荷
・・・という部分が良く分かりません。。
見当違いならば、大変申し訳ありません。

どうぞ宜しくお願いします。

回答No.3

imoriimori

いまいち事態が把握できないのですが（つまり回路図がどうなっているか正確に読みとれないのと、こちらも経験不十分なのと）

（１）たぶん反転増幅回路のように思われますが、帰還の１０ｋはＯＰアンプ出力からですか、負荷のＬからですか。負帰還による歪み抑制の原理からはＬから戻したほうがベターなはずですが。
（２）歪みはＯＰアンプ出力で既に歪んでいますか。ＯＰアンプ出力がＯＫなら出力段のコンプリメンタリ部に何かありそうなことになりますが。
（３）ゲイン１０というのがちょっと理解できないですが。反転入力端子に１０Ｋ、帰還に１０Ｋでゲイン１０というのは考えにくいです。でもとにかくゲイン１０とますと、Ｆジェネ出力が３Ｖ振幅なら、最終段出力は３０Ｖ振幅。一方電源は＋－１５Ｖしかないなら、これはどうがんばっても歪むしかないように思われますが。
（５）負荷のＬがよくわからないです。直径0.1mmって導線直径ですか？コイルの輪っかの直径ですか？輪っかの直径がわからないとＬの概算ができないです。（そんなはずは無いと思いますが仮に輪っか直径、コア無しとすると超低インダクタンス、１ＫＨｚ程度では負荷インピーダンス低すぎ、ダーリントンをもってしてもＯＰ１７７Ｇの出力インピーダンスが問題になってきそう。でも輪っか径が0.1mmということはないですよね。）

補足

ご回答どうもありがとうございます。

（１）帰還の１０ｋは、負荷のＬから戻しています。先ほどＮｏ２の方の補足でも書かせていただきましたが、どうやらオペアンプ＋プシュプル・エミッタフォロア回路という回路のようでした。
自分の作っている回路の名前も知らず、すいません。。

（２）今オペアンプの出力を見たところ、波形が歪んでいました。
ゲインが１で、入力が±２Ｖあたりで歪み始め、それ以上はどれだけ上げても６．８ＶＰＰ以上は出力されませんでした。（波形の頭が水平になり、それ以上は出力しない状態です）
これは、そもそもオペアンプが正常に動作していないということでしょうか？？

（３）すいません。書き（打ち）間違いでした。ゲインは「１」です。
Ｎｏ１の方への補足に「今回はゲインは必要なく、電流だけが必要なので・・」と書いてるくせに、間違った質問をしてしまいました。

（５）説明不足ですいません。直径0.1ｍｍは、導線の直径です。自分なりに計算したところ、インピーダンスは７ｋΩになったのですが、合っていますでしょうか・・・？？

出来ましたら補足のご回答をお待ちしております。
どうぞ宜しくお願い致します。

回答No.2

vq100mg

OP-AMP の負荷がどうなっているかに着目して下さい。220Ω　の抵抗が２本並列に入っているのではありませんか。テブナンの定理を用いるか、または小信号等価回路として考えると解りやすいと思います。負荷が100Ω程度となってしまっているように見えますが。

http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/151066330OP177_c.pdf

の特性グラフ TPC 16. Maximum Output Voltage vs. Load Resistance をご覧下さい。
100Ω のところは線が引かれてませんが、外挿値は、結果を裏付けるものと思います。バイアス抵抗をドライブする十分な電流を出力できないのです。

ダーリントンで 500mA 出力という事なら、バイアス抵抗は 2 kΩくらいでも十分なベース電流を供給できそうです。

補足

ご回答どうもありがとうございます。

いろいろ調べていたら、どうやらＯＰアンプ＋プッシュプル・エミッタフォロアという回路を作っていたようでした。
自分が作っている回路の名前も知らず、すいません。。

知識が乏しく、ご回答を理解することが出来ないのですが、オペアンプには＋１５Ｖから２２０Ωの抵抗を２本直列につないで、－１５Ｖにつながれています。
詳しく言いますと、＋１５Ｖから２２０Ωを通し、１つは２ＳＣのベースに、もう１つはオペアンプの出力につながっています。
同じく－１５Ｖから２２０Ωの抵抗を通し、１つは２ＳＡのベースに、もう１つは同じくオペアンプの出力につないでいます。
それと、２つの２２０Ωは直列につながっていますが、そこにはダイオードを４つ（２ＳＣと２ＳＡで２つずつ）入れています。
ダーリントンをしているので、ベースエミッタ間の電圧（１．２Ｖ）を打ち消そうと考えました。

この２２０Ωの抵抗が、ダーリントンで５００ｍＡ出力なら、２ｋΩぐらいでも良い・・・ということでしょうか？？
見当違いならすいません。
よろしくお願い致します。

回答No.1

noname#40524

暫く遠のいていますので、不確かですが。
トランジスタのベースに加える電圧は最大で0.75Vです。
それ以上では波形はなまります。
この場合ダーリントン接続をしていますので、オペアンプの出力
3V以上では波形は『歪んでいる』と思います。（プラスマイナス1.5V）
不帰還はオペアンプに戻していたと記憶して居ます。
（つまり一つのアンプと言う考え）

補足

ご回答どうもありがとうございます。

ベースに加える電圧は最大で０．７５Ｖなんですか・・・
初めて知りました。
ダーリントン接続をすると、その分ベースに加えられる最大電圧も増えていくということでしょうか？？
原始的ですが、ダーリントンを何段にも増やせば・・・？？？
素人考えですいません。

負帰還は入力抵抗と同じ１０ｋΩでオペアンプの入力に戻しています。
これでゲインは１になるかと考えました。
今回は、ゲインは必要無く、電流だけが必要でした。

もしも他に何かありましたら、ぜひともごお教えください。
宜しくお願い致します。