単段反転アンプ
Ver.1.002　2020.06.19

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2020.06.19　Ver.1.002　第二章記事追加

はじめに

反転アンプとは、図１のようなものです。

図１　反転アンプの基本回路

左の抵抗はRi次はRf出力の抵抗はRLです。

反転アンプのゲインを-A倍とすると、Aが十分大きければ、出力電圧Voutが、有限なので、反転アンプの入力電圧は限りなく0です。
反転アンプの入力電流は、反転アンプの入力電圧と入力インピーダンスで決まりますが、入力電圧がほぼ０なので、反転アンプの入力電流は0になります。
したがって、信号源の電圧をViとするとその電流Iiは、Vi/Riとなり、そのままRfに流れます。反転アンプの入力電圧は限りなく0なので、ここにコンデンサがあってもほとんど電流は流れないので、無視されます。

MOSFETの反転アンプの等価回路は、図2です。

図２　MOSFETの反転アンプの等価回路

つまり、Cissは、無視できるということで、高域特性は、RfとCrssで決まります。

Crssは、図３のように、ドレイン電圧に依存します。

図3　VDSとCiss,Crss,Cossの関係例

このように、ドレイン電圧が高くなると急減します。

図２は、トランジスタでもJ-FETでも同じです。トランジスタでは、CissがCib,CrssがCobとなるだけで、VCBによって依存することには、おなじです。

図4　トランジスタのVCBとCobの関係例

J-FETもVGDに依存し、CrssはVGDが大きくなると小さくなります。

図５　J-FETのVGDとCiss,Crssの関係例

したがって、高域特性は、VGSかVCBによって改善できるようです。

たとえば、図3のMOSFETは、VDSを25Vにすると、Crssは4pFに改善できますが、VDSを5Vで使うと、9.5PFになり、高域特性が半分以下になります。

たとえば、2SK369は、Crss=15pFで、2SK170は、Crss=6PFで、2SK30Aは、Crss=2.6PFで、この順で、高域特性は、倍に伸びることになりますね。

また、カスコード接続をとると、大幅にCrssを小さくできます。２SK369でもカスコード接続すれば、超ハイゲインで高周波特性は、2SK30Aと差がなくなります。

さて、FETもトランジスタも電流を流したほうがゲインを稼ぐことができます。

図６　J-FETのYfsとドレイン電流の関係例

オープンゲインを稼ぐとき、電流を流したほうがいい結果が得られます。

第1章　単段反転アンプ

また、単段反転アンプは、以下に示すように、位相が回っても90°なので、安定に帰還をかけられ、オープンゲインは、頑張れば、70dB～100dBにも達するのです。

OPアンプは、当時は多段でないとハイゲインはできなかったのです。それで、２ポール補償のワイドラーになったのです。２ポール補償とは、見かけ上単段アンプにすることです。

でも、今なら単段で、100dBも稼げるのです。これは、OPアンプが、目指していたハイゲインなのです。単段で、それが出来れば、位相は90°しか回らず、極めて安定に帰還がかけられるのです。OPアンプが目指していた理想が現実になったのです。

2ポール補償は、第一ポールと第二ポールの間はほぼ位相は90°です。しかし、第二ポールを上に移動することは困難で、第一ポールを下げるしかなかったのです。それで、100Hzという事になったのです。

それは、一般の帰還アンプにも言えることで、多段構成で、２ポール補償になるのがこれまでの伝統であったのです。

それが、単段でできるようになったのです。これは、大きな前進です。

一般に100Hz,1KHz,10KHzの3本の歪特性のカーブが重なるのは、下を見ればわかりますが、オープンゲインのカットオフが10KHz以上でなければなりません。

OPアンプの場合、オープンゲインのカットオフが100Hzなので、100Hz,1KHz,10KHzの3本の歪特性のカーブが100Hz,1KHzすら重らないし、当然10KHzも重なりません。

それは、それは、一般の帰還アンプにも言えることで、多段構成で、２ポール補償で、オープンゲインが、10KHz以下であると、100Hz,1KHz, 10KHzの3本の歪特性のカーブが重なりません。

第1節　2SC1815GR 抵抗負荷

R7,R8,R5,D1は、DCバイアス用の帰還回路です。AC帰還は、C4,R11,C2,R9で、帰還量はR11とR9で決まり、ゲインは、- R11/R9です。-は、反転するという意味です。

第2節 2SK170GR 抵抗負荷

定電流源は1mAの定電流ダイオードです。

１０KHｚ　方形波特性

１００KHZ　方形波特性

第3節　BS170抵抗負荷

第4節　2SK369抵抗負荷

2SK369を測定しました。定電流源は1mAの定電流ダイオードです。ドレイン電圧は27.9Vでした。計算通りです。オープンゲインは48.6dBありましたが、グラフから見ると-3dBは5~6KHzくらいです。クローズドゲインはグラフから見ると-3dbが500KHzくらいです。

第5節　２SC2120-Y抵抗負荷

掲示板よりこの回路で2SC2120-Yを測定しました。高域が伸びてないので、歪率の10KHzが悪くなっています。

第6節　２SC1775A抵抗負荷

この回路で 2SC1775Aを測定しました。 R5を22Kから18Kにしています。オープンゲインは53dBです。

第７節　２SC1775A定電流ダイオード負荷

１ｍAの定電流源は 1mAの定電流ダイオードです。コレクタは26Vでした。歪は、20dBアンプで、1KHz１Vで、0.0022%でした。ノイズレベルが-75dBなので、ほぼ近いです。

第8節　２SC1815GR定電流ダイオード負荷

2SC1815GR でもやって見ました。1mAの定電流源は1mAの定電流ダイオードです。位相は、180°から90°になって安定です。オープンゲインは71dB、-3dBは3KHz、クローズドゲインは-3dBは800KHzくらいでした。

200Hz以下で位相は大きく変わって見えますが、180°を超えたのです。実際は右から左に連続しているのです。

入力抵抗を3.3K にしました。シミュレーションによれば、ゲインが下がって、オープンゲインの高域が13KHzに伸びるはずですが、現実は、76dBのゲインとなりました。-3dBは 5KHzくらいかな。 400Hz以下で位相は大きく変わって見えますが、180°を超えたのです。実際は右から左に連続しているのです。

第9節２SC1815GR抵抗定電流ダイオード負荷

76dBのゲインを 65dBに落とし、-3dBを15KHzにしました。 1mAの定電流源は1mAの定電流ダイオードです。これに、100Kをパラにしました。ドレイン電圧は29Vでした。入力抵抗は3.3Kです。300Hz以下で位相は大きく変わって見えますが、180°を超えたのです。実際は右から左に連続しているのです。

第１０節２SK170GR抵抗定電流ダイオード負荷

2SK170GRを定電流ダイオード負荷で測定しました。 1mAの定電流源は1mAの定電流ダイオードです。

2SK170の CRD（定電流ダイオード）と39Kパラです。ドレイン電圧は27.9Vでした。

第11節２SK30AGR定電流ダイオード負荷

2SK30Aに 1mAのCRD（定電流ダイオード）を負荷にして、ゲインは56dB、-3dBは10KHzでした。位相も90°でいいんじゃないかな？ドレイン電圧は 23.5Vでした。なお、回路図の電圧マーカーの表示はでたらめです。60Hz以下で位相は大きく変わって見えますが、180°を超えたのです。実際は右から左に連続しているのです。

第２章　単段非反転アンプ

単段非反転アンプは、単段反転アンプから派生したものです。

図２－０－１単段非反転アンプの概略　R1,R5,C3は、帰還回路

アンプはQ2のベース接地アンプをQ1のエミッタフォロアで駆動するものです。ベース接地アンプは、ハイインピーダンスなので、Q3のエミッタフォロアで低インピーダンスに変換します。

R1,R5,C3は、帰還回路を構成します。帰還量は、R1,R5で決まります。

バイアス用のDC帰還を追加したのが、下図です。

図２－０－２　単段非反転アンプの回路図　ただしC1,R7,定電流源I1は、定電流ダイオードをモデル化したもの

これは単段非反転アンプの回路図です。

ベース接地アンプは、エミッタから流れ込んだ信号電流が、ほとんどそのままコレクタから流れ出るので、負荷抵抗が大きいほどハイゲインになります。

負荷抵抗だとハイゲインを狙うと高抵抗になり、動作点が微小コレクタ電流になってしまいます。
一般にトランジスタは、コレクタ電流に比例してftは大きくなるので、コレクタ電流は流したほうがゲインが稼げていいのです。高抵抗で、しかもそこそこの電流を流すとなると、矛盾しますが、その解決策は定電流ダイオードになるのです。

つまり、動作点と負荷抵抗を別々に決められて、都合がいいのです。

この回路の実測特性は、