差動増幅＋カレントミラー回路の出力振幅について疑問があります！

2023/08/10 08:34

このQ&Aのポイント

差動増幅＋カレントミラー回路の出力振幅について疑問があります！図の回路において、差動増幅の入力に差がなければ、Q6のコレクタ電位とQ5のコレクタ電位は同じです。
Q6のコレクタはQ5のベースと繋がっているため、Q5のベース電位もΔE下がり、Q5のエミッタ電位もΔE下がります。
初めの「Q5のエミッタ電位-0.6V＝Q5のコレクタ電位」という関係からスタートしている以上、0.3V以上の振幅を取り出すことはできないと考えます。

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「差動増幅＋カレントミラー」回路の出力振幅について疑問があります！

2010/09/04 15:58

「差動増幅＋カレントミラー」回路の出力振幅について疑問があります！図の回路において、差動増幅の入力に差がなければ、Q6のコレクタ電位とQ5のコレクタ電位は同じですよね？とすると、この時、Q6のコレクタはQ5のベースと繋がっているので、Q5の全端子の電位関係は・Q5のベース電位=Q5のコレクタ電位 …………… (ア) ・Q5のベース電位=Q5のエミッタ電位-0.6V……… (イ) という関係になっていると思います。そこで次の瞬間、Q1のベース入力がQ2のベース入力よりΔVin増加し、 Q6のコレクタ電位がΔE下がり、Q5のコレクタ電位がΔE上がったとします。（差動増幅） Q6のコレクタはQ5のベースと繋がっているので、このときQ5のベース電位もΔE下がり、 (イ)の関係はこの瞬間も成り立っているので、Q5のエミッタ電位もΔE下がります。すると、「Q5のコレクタ電位はΔE上がるが、Q5のエミッタ電位はΔE下がる」という動作をすることになります。初めの「Q5のエミッタ電位-0.6V＝Q5のコレクタ電位」という関係からスタートしている以上、 ΔEが0.3V以上になると、Q5のコレクタ電位とエミッタ電位がぶつかってしまうため、 Q5のコレクタからは0.3V振幅以上の交流電圧を取り出せないように思います。この考え方は間違っているのでしょうか？

tkitamura9003
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物理学
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inara1
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2010/09/05 16:17 回答No.4

tkitamura9003さんの回路は [1] ですね。 Q1とQ2のコレクタ電位の変化についてはそこに書かれていますが、ANo.3さんの説明と同じです。 [1] の図２(a) に、Vs1を一定（3V）として、Vs2を変えたときのVout （Q2のコレクタ電圧）の変化が出ていますが、Vs1 = Vs2 付近の変化が非常に大きくなっています。この部分を拡大したのが図２(ｂ) ですが、Vs1 = Vs2 = 3V では、Vout が 3V未満になっているので、Q2は飽和領域に入っていると思われます。しかし、Vs2 を動かしたときのVout の変化幅は2.5V程度あります。添付図の左側は、同じ回路を現実のトランジスタ（hfe=100、アーリ電圧=100V）でシミュレーションした結果ですが、[1] の図２と同じ結果になっています。添付図では、さらにQ1のコレクタ電圧 Vc1 の変化も示していますが、Vc1 は Vc2 と違ってほとんど変化していません。Q1とQ2の共通エミッタ電圧 Ve は、Q2のベース電圧 IN2 から0.6V低い電圧になっています。Vs2 < Vs1 のとき、Vout と Ve はほぼ同じになっています（Q1が飽和している）。添付図の右側の図は、Vs1 = Vs2 として（同相動作）、その電圧を変えたときの各部の電圧です。同相電圧が1V～3Vの範囲では Vc1とVc2はほぼ一定になっていますが、Vc1とVc2の値は同じではありません。Vc1とVc2が同相電圧に依らず一定の範囲が差動増幅器として正常動作する範囲です。同相電圧が3Vより大きいとQ1が飽和してしまいます。同相電圧が1Vより小さいと、下のカレントミラーのQ3が飽和してしまいます。差動動作での Vout の範囲をもっと大きくするには、同相電圧を1.5V程度に下げるのが良いと思います。 [1]　第16回差動対がオペアンプに変身（1）～能動負荷で利得を高める～　http://eetimes.jp/column/4121

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xpopo
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2010/09/05 22:14 回答No.5

inara1さんのシミュレーション結果で同相入力時の右の図でQ2が飽和していない範囲（Vs1,2が1.5v～3v）でVc2がVc1と一致していないのは以下の2つの理由からです。　１）Q1のコレクタ電流には能動負荷のカレントミラーのQ6とQ5のベース電流が　　流れこんでいるため、能動負荷の基準側のトランジスタのエミッタ電流がそのベース　　電流分少なくなっているためにミラーされる側のトランジスタQ５のエミッタ電流は　　その少ないQ6のエミッタ電流と等しい電流になっています。Q5のエミッタ電流には　　このベース電流分は含まれませんので、一方Q2のコレクタ電流はQ1のコレクタ電流と　　等しい電流が流れますので出力電圧Vc2はVc1より低くなります。　　このベース電流による影響はQ5,Q6のｈFEをシミュレーションで使った１００より　　もっと大きくすれば少なくなります。　2)　アーリー電圧の差　　差動対のNPNトランジスタQ1,Q2のアーリー電圧VA12、と能動負荷のトランジスタ　　Q5,Q6のアーリー電圧VA56が異なるとQ2のコレクタ出力抵抗r02とQ5のコレクタ抵抗r05は　　そのアーリー電圧の違いに応じて異なってしまいます。概略で、VA12／VA56＝r02／r05 　　の関係になります。inara1さんのシミュレーションでVA12とVA56の比がどの程度異なって　　いるかによりVc1とVc２の差は決まってきます。

tadys
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2010/09/04 21:48 回答No.3

＞図の回路において、差動増幅の入力に差がなければ、Q6のコレクタ電位とQ5のコレクタ電位は同じですよね？これが間違っています。 Q6のVc＝Q6のVb＝Q5のVbですが、Q5(Q2)のVcは外部の電圧で決まる自由な値です。バイポーラトランジスタの場合は電圧でなく電流で考えるのが基本です。 Q5とQ6はカレントミラーなのでQ5のIcとQ6のIcが等しくなります。 VinがゼロならばQ1とQ2のIcが等しくなります。 Q1のIc＝Q6のIcなのでQ1,Q2,Q5,Q6のIcは全て等しくなります。（Q5,Q6のIbの影響は無視しています） ΔVinが増加するとQ1のIc(I1)は増加し、Q2のIc(I2)は減少します。ただし、I1＋I2＝I0なのでI1の増加分とI2の減少分は同じ値になります。 I1はQ6のIcなのでQ5のIcと同じになります。したがって、ΔVinが増加するとQ5のIcが増加してQ2のIcが減少します。この差分が外部に流れなければQ5のVcが上昇します。その限度はQ5の飽和電圧で制限されます。 ΔVinが減少した場合はQ5のIcが減少してQ2のIcが増加します。この差分が外部に流れなければQ5のVcが減少します。その限度はQ2の飽和電圧で制限されます。 Q5のコレクタ電圧はおよそQ2とQ5のベース電圧の間の任意の電圧となることが出来ます。実際にどれだけの電圧になるかは外部の抵抗と電圧で決まります。

KEN_2
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2010/09/04 18:13 回答No.2

途中まではよいのですが、Q5のVceが定常時に何Vにあるかと言う条件が抜け落ちています。 >すると、「Q5のコレクタ電位はΔE上がるが、Q5のエミッタ電位はΔE下がる」という動作をすることになります。ここまでは正しいですが、最初の（ア）で異なり、Vceが考慮されていません。 >・Q5のベース電位=Q5のコレクタ電位 …………… (ア) ＊IN1,IN2のバイアス電圧で決定されます。不定となります。仮に、IN1,IN2,が2.6Vでバイアスされていたとすると、OUT出力電圧は2.3V程度となりΔVinの変化に対して、+0.6Vから+4.7V程度まで変化します。カレントミラー回路は定電流動作の高抵抗動作するもので、Q5のコレクタ電圧はQ2のVce-I2の電圧・電流特性に依存する電圧がOUTに出力されます。　

xpopo
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2010/09/04 17:42 回答No.1

>この考え方は間違っているのでしょうか？　この例の場合、出力Ｏｕｔの負荷はオープンなので負荷抵抗は無限大ですね。実際に差動対Ｑ１とＱ２の特性が完全に一致し、かつカレントミラー負荷Ｑ５とＱ６の特性も完全に一致していて、かつＱ５とＱ６のｈＦＥが十分に大きいという条件が成り立つ場合に　tkitamura9003　さんのいうとおり、出力は入力に差が無い場合、「Q6のコレクタ電位とQ5のコレクタ電位は同じ」になります。次に、その場合は出力が上昇するのに０．３Ｖしか余裕が無いのは事実です。この状態では出力ＯＵＴの電圧の高い方向への振幅余裕が０．３Ｖという事になります。そうですこの場合、すなわち「入力に差が無い」状態を入力がゼロＶという使い方では出力振幅は確かに０．３Ｖに制限されてしまいます。ところで、このアンプの入力から出力までの電圧ゲインはどのくらいあるのでしょうか？　差動対のバイアス電流は合計で約10mAあります。したがって、Q1,Q2それぞれのゲインｇｍ（A/V）は　gm=IC/VT　（ここで、VT＝kT/q　（ｋ：：ボルツマン定数、ｑ：電子素量、T：絶対温度）　で求まりますので常温25度ではそれぞれのトランジスタのｇｍは同じ値で、　　ｇｍ＝10(mA)／26（mV）＝0.38 (A/V) となります。また、Q2とQ5のコレクタ出力抵抗はｒ０は、とりあえずQ5とQ2のアーリー電圧を同じとして、仮に１００Vとしますと概算で　　　ｒ０＝VA/IC＝100（V）/5（mA）＝20（ｋΩ）となります。これらのコレクタ出力抵抗は透過的に負荷抵抗に並列になりますので等価的な負荷抵抗RLは半分の10ｋΩになります。（実際の負荷はオープンなので無限大）結局入力から出力までのゲインGは　G＝Vout／(VIN1－VIN2）＝２×ｇｍ×RL＝２×0.38×１０＊10＾３＝7600＝77.6dB と非常に大きなゲインになってます。　また、出力OUTはIN2のほうがIN1より大きくなれば下がりますし、最大Q2のエミッタまで　下がれますので例えば、IN２の電圧がDC２．５Vを中心に動作している場合は２．５V－VBE(Q2)≒１．８V（実際はコレクターエミッタ間の飽和電圧が０．１V程度あるので１．９V程度になるが、そこまで出力OUT下がれます。　　実際、増幅器のゲインが非常に大きいので入力VIN2をほんの少しだけVINより高い電圧で動作するようにオフセット電圧を与えてあげれば、０．３Vより大きな振幅で出力が動作するようにすることは可能になります。例えばあと２Vだけ出力OUTの電圧を下げるには入力VIN２を２V／７６００＝０．２６mVだけVINより大きくしてその電圧をオフセット電圧として入力に加えておけばよいことになります。