ICHIKEN で紹介されたオペアンプのDC解析

ICHIKENで紹介されていたオペアンプを下記の
https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html
回路シミュレータで $\text{DC}$ 解析してみました。
ICHIKEN さんの紹介記事はこちらですので、ご参照ください。
[ディスクリートオペアンプを自作する!](https://ichiken-engineering.com/discrete_opamp_part1/)

参考文献 : 解析OPアンプ&トランジスタ活用 黒田徹著 CQ出版社

## 各経路の DC 電流を表示
オペアンプの各経路 ( 線 ) に流れる電流を、以下の手順で表示させることができます。
1. 流れる電流を表示させたい線の上にマウス・ポインタをおいて、右クリックする。
2. 開いたパネルで、「編集」を選択する。
3. 開いたパネルの「電流を表示」にチェックを入れる。

以上を繰り返して、下図のように各経路の電流値を表示させてみました ( $\text V_{\text{in}}=0~\text V$ )。

![DC解析Vin=0V.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3549839/6dc7c302-5891-4c58-ae60-01c7f207270c.png)

各トランジスタの特性は同じで、電流増幅率 $\beta=100$ に設定されています。各トランジスタは能動領域で動いてるので、すべてのトランジスタにおいて $I_C/I_B\approx I_E/I_B=100$ となっていることが確認できます。
## オフセット電圧の調整
$\text V_{\text{in}}=0~\text V$ でも、出力には$-64~\text{mV}$ の $\text{DC}$ 電圧が発生しています。これを小さくするには、$I_{B1}(6.4~\mu\text A)$ を $\text V_{\text{in}}$ 側で吸い込んでやればよいので、$\text V_{\text{in}}=-6.4~\text{mV}$とすれば、$\text{DC}$ 出力電圧は $-0.23~\text{mV}$ と小さくすることができます。
同様な効果を期待して、$\text{IN+}\sim\text{GND}$ 間に $910~\Omega$を挿入しても、$\text{DC}$ 出力電圧は $+0.27~\text{mV}$ と小さくすることができます。

## 定電流回路 ( Q8, Q12 )
$\text Q12$ の上にマウス・ポインタをおくと、画面の右下に $\text{Q12}$ の状態が表示されます。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3549839/66d14bfc-6bc3-cb59-4bb2-57ebc07e6230.png)

$I_{C8}\approx I_{E8}=\text V_{\text{be}12}/470=0.62/470=1.3~\text{mA}$

## カレント・ミラー
$\text{Q9}$ と $\text{Q10}$、$\text{Q9}$ と $\text{Q11}$ のカレント・ミラーにより、入力段 ( $\text{Q1, Q2, Q6, Q7}$ ) と電圧増幅段 ( $\text{Q3}$ ) に、$I_{C8}$ と同じ電流値 ( $1.3~\text{mA}$ ) の定電流が供給されています。

また、$\text{Q7}$ と $\text{Q6}$ もカレント・ミラーを構成しており、$I_{E6}=I_{E7}=637.7~\mu\text A$ が流れています。

## Vin=+1V のとき
![DC解析Vin=1V.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3549839/42a64066-10fd-2a00-e566-3cb09b51906a.png)

入力電圧 $\text V_{\text{in}}$ は約 $-10$ 倍され、$\text{DC}$ 出力電圧は　$-10.1~\text V$ となっています。このとき、$\text{Q4}$ はオフ状態で、負荷 ( $1~\text k\Omega$ ) 電流はすべて $\text{Q5}$ に吸い込まれています。

## Vin=-1V とのき
![DC解析Vin=-1V.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3549839/fb925e12-1522-508c-abd8-bfbc74ddfa61.png)

入力電圧 $\text V_{\text{in}}$ は約 $-10$ 倍され、$\text{DC}$ 出力電圧は $+9.9~\text V$ となっています。このとき、$\text{Q5}$ はオフ状態で、負荷電流はすべて $\text{Q4}$ から吐き出されています。

$\text V_{\text{in}}$ スライダで入力電圧を $-1\sim+1~\text V$ まで変化させると、$\text V_{\text{in}}=0~\text V$ を境にして $\text{Q4}$ と $\text{Q5}$ が交互に $ON/OFF$ する $B$ 級動作をしていることが分かります。

## シミュレータの簡単な使用法
- マウス・ホイールで回路図全体を拡大縮小できます。
- $\text{Alt}$ キー $+$ ドラッグで回路図全体を移動できます。
- サイドパネルの $\text V_{\text{in}}$ スライダで、入力電圧を $-1\sim+1~\text V$ まで可変できます。
- $\text V_{\text{in}}$ のシンボルをダブルクリックすると編集パネルが開き、$\text V_{\text{in}}$ の電圧値をキーボードから入力できます。

---

- シミュレーションを実行するには下記の回路ファイルをコピーして、シミュレータの File → Import From Text... で開くパネルに貼り付けてください。
```
$ 1 1e-8 3.3115451958692312 62 5 50 5e-11
t 80 240 112 240 0 -1 14.41634666220171 -0.5841812824323591 100 default
t 272 240 240 240 0 -1 14.397611323527633 -0.5841970332799155 100 default
t 208 176 176 176 0 -1 13.813428190499232 -0.6023747762208522 100 default
t 208 352 240 352 0 1 -0.018719587826520723 0.5836690886458467 100 default
t 144 352 112 352 0 1 0 0.5836690886458467 100 default
w 80 272 272 272 0
w 272 272 272 240 1
w 112 224 112 208 0
w 112 208 176 208 1
w 240 208 240 224 0
w 112 256 112 320 1
w 240 256 240 320 1
w 112 320 112 336 0
w 112 320 160 320 1
w 160 320 160 352 0
w 240 320 240 336 0
w 240 320 304 320 1
w 176 192 176 208 0
w 176 160 176 96 1
w 176 208 240 208 1
w 112 368 112 416 1
w 112 416 240 416 0
w 240 416 240 368 1
t 320 352 352 352 0 1 -13.804540962346366 0.6023886764723674 100 default
w 320 352 304 352 0
w 304 352 304 320 0
c 304 320 352 320 0 3.3e-11 -13.804540962346366 0.001
w 240 416 352 416 0
w 352 368 352 416 1
d 352 256 352 304 2 default
d 352 208 352 256 2 default
t 384 144 352 144 0 -1 14.066304545335312 -0.6023747762208522 100 default
w 352 208 352 160 0
w 208 176 384 176 1
w 176 96 352 96 0
w 352 96 352 128 1
w 352 96 464 96 0
w 384 176 496 176 0
w 384 176 384 144 1
t 432 368 464 368 0 -1 14.406929638818733 -0.526924993238032 100 default
t 432 208 464 208 0 1 -14.668679321556164 0.3955346128826254 100 default
w 464 192 464 96 1
r 464 224 464 288 0 27
r 464 288 464 352 0 27
w 464 288 544 288 1
w 352 320 384 320 0
w 384 320 384 368 1
w 464 384 464 416 1
w 352 416 464 416 0
t 528 176 560 176 0 -1 0 -0.6023747762208522 100 default
t 592 240 560 240 0 1 -28.171706578922286 0.6031393130080573 100 default
w 560 192 560 208 0
w 560 208 560 224 0
w 496 176 496 208 0
w 496 208 560 208 1
w 560 160 560 96 1
w 464 96 560 96 0
r 560 352 560 416 0 470
t 608 320 640 320 0 1 -0.6031393130080573 0.622779331848804 100 default
w 560 256 560 320 0
w 560 320 608 320 1
w 464 416 560 416 0
w 560 416 640 416 0
w 640 416 640 336 1
w 640 272 640 240 1
w 592 240 640 240 1
r 640 96 640 240 0 10000
w 560 96 640 96 0
R 352 96 352 64 0 0 40 15 0 0 0.5
R 352 416 352 448 0 0 40 -15 0 0 0.5
r 80 48 704 48 0 10000
r 16 240 80 240 0 1000
w 80 240 80 96 0
w 704 48 704 288 3
r 704 320 704 400 0 1000
207 704 288 752 288 4 OUT
207 -16 240 -64 240 4 IN-
207 80 272 32 272 4 IN\p
g 704 400 704 416 0 0
g 80 272 80 288 0 0
x 639 325 667 328 4 14 Q12
x 114 244 133 247 4 14 Q1
x 222 244 241 247 4 14 Q2
x 348 356 367 359 4 14 Q3
x 464 214 483 217 4 14 Q4
x 461 374 480 377 4 14 Q5
x 239 354 258 357 4 14 Q6
x 92 356 111 359 4 14 Q7
x 542 245 561 248 4 14 Q8
x 558 181 577 184 4 14 Q9
x 328 150 356 153 4 14 Q10
x 142 179 170 182 4 14 Q11
w 352 208 432 208 1
w 384 368 432 368 0
w 160 352 208 352 1
w 352 320 352 336 0
w 352 304 352 320 0
w 560 320 560 352 1
w 144 352 160 352 0
w 496 176 528 176 1
w 544 288 704 288 0
w 640 272 640 304 0
w 704 320 704 288 1
v -16 336 -16 272 0 0 40 0 0 0 0.5
g -16 336 -16 352 0 0
w -16 240 16 240 1
w 80 48 80 96 3
w -16 240 -16 272 2
x -59 305 -38 308 4 14 Vin
38 103 F1 0 -1 1 -1 Vin
```