アンプは、いろいろあります｡アンプを勉強してみましょう｡
なお、これは「回路シミュレーション遊び」のまとめです｡
第一章 OPアンプの増幅回路
第一節 周波数特性
ワイドラーのモデルを考えてみましょう｡
図１ 理想ワイドラーOPアンプ
これは理想ワイドラーOPアンプのモデルです｡E1は初段で増幅度100万倍です｡
R1,C1は一次のローパスでカットで100Hzのフィルタです｡
E2は出力段のバッファでゲイン１です｡
図２ ゲイン特性
この傾きは-6dB/Octですので,周波数に反比例します｡
では、帰還をかけてみます｡
図３ ゲイン１０倍の反転アンプ
入力は100mVです｡
図４ 位相特性 赤 ゲイン特性 緑
位相は90°でゲインが0dBになるのは100MHzで位相余裕は90°です。
極めて安定ですね｡
図５ 回路の周波数特性
-3dBが約9MHzですね｡
では、E1の出力電圧を見てみます｡
図６ E1の出力電圧
100mV入力なので10Hzは1Vですが,10KHzでは100V、１MHzでは10KVにもなっています｡
なぜかというと、CRフィルタが-6dB/Octで落ちますから、出力が一定であるにはE1は6dB/Octで上昇しなければなりません｡
ということは、電源電圧±15VのOPアンプでは、内部回路も電源電圧±15Vなので,1.5KHz以上の特性はウソになっています｡
そこで,電源電圧によって出力が制限されるダイオードリミッタを追加します｡
図７ 電源電圧の限界を考慮したモデル
入力電圧は１Vです。したがって,ゲインは10倍ですから10V出てくるはずです｡
図８ 出力電圧特性
100Hzはともかくとして1KHzは三角波それ以上はゲインがありません｡
図９ ダイオードのリミッタの電圧
これを見ると100Hz以外の周波数でリミットがかかっています｡
では、リミットがかからないように入力電圧を1uVにして見ます｡
図１０ 1uV入力の出力電圧 下 ダイオードリミッタの電圧 上
今度はリミッタがかかってないので1MHzまでは10uVでていますね。10MHzは、6uVですね。
したがって,このモデルでは,出力電圧と周波数特性は関係があることが分かりました｡
すなわち、出力振幅が大きくなると周波数特性はどんどん狭くなるということです｡
もっと正確言えば、高域ほど振幅が取れなくなり歪が増えるということでしょうか｡
第二節 出力電圧
NFBがかかっていますので負荷に対しても電圧は変わらないはずです。
図１１ 理想OPアンプの場合
では、10HzでRLを変えてみます。
図１２ 入力10Hz１V入力のときのRLを振った場合
見事にみんな揃っていますね。ではE1の出力を見てみます。
図１３ E1の電圧とRL
縦軸の単位はKVです。まあ、R2が100ΩでRLが1Ωですから10Vの出力がでるにはE2は約1KVは必要になりますね。
では、電源電圧によるリミットをかけます。
図１４ 電源電圧によるリミットをかけた回路
図１５
R2とRLの関係でE1の出力は大きくなるのに,リミッタがかかるのでこうなることは当たり前ですね。
したがって、電源電圧という制約がある以上負荷抵抗には制限ができてしまいます。
いかにNFBといえども役に立ちません。
第三節 クロスオーバー歪
NFBが機能しておれば,例えクロスオーバー歪も隠されてしまいます。
図１６
図１７ 赤 E2出力 緑 VOUT
ほら、クロスオーバー歪を補正したE2出力のためVOUTはクロスオーバー歪がありません。
拡大してみます。
図１８
VOUTはまっすぐですね。
では、入力をうんと絞って見ました。2uVです。
図１９
緑はE2出力です。赤はVOUTです。クロスオーバー歪が見えてきました。
なぜでしょうか。
図２０ 赤 E1のー入力 緑 信号源電圧
要するに0.25uVを100万倍しても250mVにしかならないのでD1,D2の抵抗が極めて大きいのでこうなるのです。
では、1KHzにしてみます。1KHzでは10万倍のゲインです。
図２１
拡大してみます。
図２２
すこし緑がカクッとしています。
では、入力を下げてみます。1mVにしました。
図２３
クロスオーバー歪が見えますね。
図２４ 赤 E1のー入力 緑 信号源電圧
第四節 出力インピーダンス
出力インピーダンスは帰還量によって決まります。したがって,高域では帰還が減りますので悪くなります。
図２５ 注入法による出力インピーダンスの測定
こうやって測定すると
図２６
このように出力インピーダンスが求まります。
このときE1の出力は,
図２７ E1の出力電圧
このように1MHzでは1KVにもなっています。
では、電源電圧の制限をかけて見ます。
図２８ 100KHzのVoutの電圧(赤）とRLの電流（緑）
これより,61.96mV/646.5uA=95.84Ω
図２６では1Ωでしたね。
図２９ 1MHzのVoutの電圧(赤）とRLの電流（緑）
これより、63.63mV/642.6uA=99.01Ω
図２６では10Ωでしたね。
図３０ 50KHzのVoutの電圧(赤）とRLの電流（緑）
50KHzです。55.93mV/656.5uA=85.19Ω
図２６では600mΩでしたね。
図３１ １0KHzのVoutの電圧(赤）とRLの電流（緑）
これより,78.49uV/707mA=0.111Ω
図２６では0.1Ωですね。
このように,E1の電圧が電源電圧を超えると帰還がかかりませんから出力インピーダンスの抑制はありません。
したがって,急激に悪くなるのです。
したがって,図２６のようなグラフではなくて、E1が15Vを超えたところで急激に100Ωに近づくグラフになります。
さて、ダイオードリミッタをかけて図２６のグラフのように測定できないかというとAC解析ではダイオードリミッタは無視されるので過渡解析で求めています。
第五節 電流帰還アンプ
この記事は、ここを参考にしています｡貴重なデータの公開ありがとうございます｡
図３２ 電流帰還アンプの回路図
ここでは,C1,R1が高域の安定性を決める定数です｡
さて、周波数特性はどうなるでしょう｡
図３３ 周波数特性
図３４ ボーデ線図 赤 位相 緑 ゲイン
安定ですね｡
図３５ 赤 E1入力電圧 緑 F1出力電流
いずれもワイドラーのような破綻はありません｡
第二章 帰還アンプの安定性
負帰還アンプについて、ここにかかれています｡
貴重なデータの公開ありがとうございます｡
ここにもかかれているようにポールは第1章のように1つではなく2つ以上あります｡
すると２ポールでは位相は最大180°回ります｡
そこで、安定な方法を考えてみます｡
第一節 負性抵抗・負性コンデンサの回路
図３６ CR1次LPF
この特性は次のようになります｡
図３７ 赤 ゲイン 緑 位相
位相が遅れます｡
さて、Cが負のときどうなるでしょうか｡
図３８ 赤 ゲイン 緑 位相
今度は位相が進みますね｡
コンデンサが、正で抵抗が負でも同じです｡
では、両方とも負の場合どうなるでしょうか｡
図３９ 赤 ゲイン 緑 位相
すると、抵抗またはコンデンサが負であれば、回った位相を戻すことができますね｡
しかし、この補正は使われることは、見かけません｡
第２節 位相補正
図４０ R1,C1とR2,C2の2つのポールを持ったアンプ
図４１ R2を振ったときの位相とゲイン
R2の値が小さいほど右に寄ります｡また、位相余裕は幾分改善されます｡
R2が10Kのとき,
図４２ R2が10Kのとき
位相余裕は約20°です。
図４３ C3,R6の位相補償をつけたとき
C3,R6の位相補償をつけると改善できます｡
図４４
位相余裕は61°に改善されました｡
図４５ 周波数特性 赤 C3,R6あり みどり なし
では、どうなっているかというと帰還回路は
図４６
図４７ 赤 ゲイン 緑 位相
このように位相が戻されているのです｡
第三節 ループが切れるとき
クロスオーバーなどでNFBが切れるとどうなるでしょうか｡
図４８ ループをきってみる
S1によってループをきってみました｡2KHz周期でDutyは99%なので1%つまり､5uSきってみました｡
図４９ 赤 OPアンプの出力 緑 SW信号
すると､SW信号がLのときOPアンプ出力にノイズがのります｡
NFBが切れるとノイズが発生します｡
図５０
これは、既にクロスオーバーのところで説明したようにX1のゲインが大きければ､NFBでQ1,Q2のドライブを補正しますのでNFBが切れることはありません｡
図５１ クロスオーバー歪
負荷が抵抗なので、NFBは切れませんでした｡では、負荷が信号を返すときどうなるでしょうか｡
図５２
V3は、位相が90°進んでいます｡すると､
図５３ 赤 トランジスタのエミッタ 緑 X1出力
すると、X1の出力に対してQ2のエミッタ出力が負に引っ張られていますね｡
つまり、NFBが切れてしまうのです｡
つづく