卒 業 研 究 報 告

題目Micro-Cap 5 / CQ を用いた
オペアンプの設計と製作

指 導 教 官

綿森道夫助教授

報 告 者

嶋 真秀

平成 １３ 年 ２ 月 ９ 日

高知工科大学 電子・光システム工学科

目次
第１章
序論
第２章
増幅回路
２−１ 増幅回路とは２−２ トランジスタの基本公式
２−３ 接地方式の分類
２−３−１ エミッタ接地
２−３−２ ベース接地
２−３−３ コレクタ接地
２−４ A 級動作
２−５ B 級動作
２−６ C 級動作

１
２
２
２
３
３
３
３
４
５
５

第３章
応用回路
３−１ CR 回路
３−２ 直結回路
３−３ ダーリントン接続回路
３−４ カレントミラー回路
３−５ 差動増幅回路
３−６ コンプリメンタリ回路

6
6
6
7
8
8
10

第４章
１石増幅回路４−１ 今、１石増幅回路をする理由
４−２ １石増幅回路とは４−３ シミュレーションの結果と実測の結果
４−３−１ トランジェント解析
４−３−２ 各ノードの電圧値
４−３−３ 周波数特性
４−３−４ 歪み率特性
４−４ 考察

11
11
11
13
13
13
14
14
16

第５章
プリント基板の作成
５−１ プリント･パターンの作成

17
17

５−２
５−３
５−４
５−５
５−６

パターンの焼き付け
現像
エッチング
基板の穴あけ及び、部品の取り付け
確認

18
18
19
19
20

第６章
５石オペアンプ
６−１ ５石オペアンプとは
６−２ シミュレーションの結果と実測の結果
６−２−１ トランジェント解析
６−２−２ 各ノードの電圧値
６−２−３ 周波数特性
６−２−４ 歪み率特性６−２−５ 周囲温度による出力電圧
６−３ 考察

21
21
23
23
24
25
25
26
27

第７章
８石オペアンプ
７−１ ８石オペアンプとは
７−２ シミュレーションの結果と実測の結果
７−２−１ トランジェント解析
７−２−２ 各ノードの電圧値
７−２−３ 周波数特性
７−２−４ 歪み率特性７−２−５ 周囲温度による出力電圧
７−３ 考察

28
28
29
29
30
31
31
32
33

結言

34

参考文献

35

謝辞

36

第 １章 序論
回路の歴史を辿って行くと、現在、主流になっているのは、IC や LSI という集積回路である。これらの集積回路が登場した背景には、真空管やトランジス
タといったアナログの活躍のおかげである。ディジタル IC のみならず、今でも、真空管やトランジスタは使われている。
アナログだけの回路を作りたいと考えた時、簡単にアナログ回路が設計出来な
いかどうかを調べていたら、それは、オペアンプを使った回路であった。なぜなら、オペアンプに１つの抵抗を加えるだけである。それに、オペアンプに限
らず、すべての IC について言える事は、オペアンプを使う人はオペアンプの中身、つまり内部の回路でトランジスタと抵抗がどのようになっているのかは、
特に知る必要がない。その上、入出力、電源、その他が、どのリード線（ピン）に割り当てられているか、定格はどのくらいかを規格表で調べるだけで使えるのである。中身が分からなくても、入出力がはっきりしているものをブラックボックスと捉える事が出来る。つまり、オペアンプに限らず、ディジタル IC と呼ばれるもののほとんどは、ブラックボックスともいえ、動作が理解出来れば、中身を知らなくても、その回路の働きが分かるようになる。
しかし、このまま、回路のブラックボックス化が進めば、ちょっとしたトラブルに遭遇した時の対処が難しくなるのではないかと危惧している。対処法は、幾つか挙げられるが、まずは、中身を理解する事が、一番、早いのではないかと考えた。部品の小型化が進む現代の社会において、IC などのブラックボック
スと呼ばれる部品を選ぶ時に、その真価を発揮できるかも知れないし、ディジタル回路の時代にも不安なく対応できる様になるかも知れない。
研究の目的として、まず、アナログ IC の代表であるオペアンプの内部がどの様になっていて、また、どの様に動作をしているのかを知る。それには、回路シミュレータ Micro-Cap 5を用いて、設計した回路のシミュレーションを行う事である。さらに、目標として、簡単に回路が読めるようになる事、これまで学んできた回路を生かして、オリジナルの回路を自分の力で考える様にする事
である。

1

第２章

増幅回路

２−１

増幅回路とは増幅回路の働きを簡単に言えば、小さな電圧の変化を大きな電圧の変化に変える事である。
例えば、１ｍV の入力電圧が入ると、出力電圧が１V になったとする。この増幅率は、 出力電圧 / 入力電圧で求める事が出来る。この式により、1000倍に増幅されたことになる。この増幅度の事をゲインといい、一般にはデジベル（dB）という単位で使われる。
次に示す式は、電圧、電流の増幅度のデジベル（dB）を求める式である。
・電圧の増幅度の求め方・
ゲイン = 20 log 10 ×

Vin:入力電圧
Vout:出力電圧

Vout
Vin

・電流の増幅度の求め方・
ゲイン = 20 log 10 ×

Iin:入力電流
Iout:出力電流

Iout
Iin

上式を用いると、10 倍は 20dB、1000 倍は 60dB と求める事が出来、また、−0.1 倍は−20dB、−0.001 倍は−60dB と求められる。

２−２

トランジスタの基本公式

１）直流電流増幅率
IC
h FE =
I B
上式を用いると、ベース電流とコレクタ電流の値が分かる。
例えば、ベース電流が１00μA で、電流増幅率が 100 だとすると、コレクタ
電流には 10ｍA 流れるようになっている。
２）エミッタ、コレクタ、ベースの電流の関係

IE = IC + IB

2

２−３

接地方式による分類

２−３−１ エミッタ接地
ベースに順方向のバイアス電圧をかけて、バイアス電流を流し、その上に信号電流を重ねて流す。コレクタ側には、負荷抵抗器と電源を接続して、増幅された信号電力を取り出すことによって出来る回路である。
＜エミッタ接地の特徴＞① 入力インピーダンスは低い。
② 出力インピーダンスは高い。
③ 電圧利得、電流利得が大きい。
２−３−２ ベース接地＜ベース接地の特徴＞① 入力インピーダンスは低い。
② 出力インピーダンスは高い。
③ 電圧利得は大きいが、電流利得は小さく約１である。
２−３−３ コレクタ接地
別名、エミッタフォロワと呼ばれる。エミッタフォロワは、負荷抵抗がトラン
ジスタのエミッタ側とアース側の間にある回路である。
＜エミッタフォロワの特徴＞①入力抵抗が極めて高い。
②電圧ゲインはほぼ１である。
③ひずみが少ない。
④周波数に対する特性がよい。
⑤電圧ゲインでなくても電流ゲインが高いので、ステレオ・アンプ等の出力回路に使われる。
信号源が交流の場合、入力抵抗、出力抵抗のことをそれぞれ入力インピーダ
ンス、出力インピーダンスと呼ぶ。このインピーダンスとは交流的な抵抗の事であるが、信号源の電力を最も効率よく効率よく伝えるには、出力インピーダ
ンスと入力インピーダンスを同じ値にする必要がある。
エミッタフォロワは、入力インピーダンスが高く出力インピーダンスが低いのが特徴である。この特徴を生かして、出力インピーダンスが高く入力インピー
ダンスが低く、直接接続出来ないようなときに、間に入れて、使うことがある。
２−４ A 級増幅回路

3

トランジスタに正のバイアスをかけることにより入力信号の波形を損なうことなく全周期にわたって増幅する回路で１）固定バイアス回路
２）自己バイアス回路の２つの回路方式がある。
１）固定バイアス回路①入力端子に微少な電圧変化を与えると、ベースには直流電圧にその変化が表れる。
②ベースの電圧が変化すると、ベース電流も変化し、コレクタ電流が変化する。
③すると出力端子に直流電圧の大きな変化となって入力信号が表れる。
＜固定バイアス回路の特徴＞①回路が簡単。
②電流損失が少ない。
③ゲインが高い。
④温度による安定度は良くない。
２）自己バイアス
自己バイアス回路は固定バイアス回路と同じようにバイアス電圧をトランジ
スタのコレクタに与えていて、形も似ているが、バイアス抵抗がトランジスタのコレクタからベースに接続されている。
＜自己バイアス回路の特徴＞①入力抵抗が下がる。
②ベースに出力電圧の一部が負帰還されるため、電圧ゲインが下がる。
③温度による安定度がよい。
④周波数特性がよい。
⑤雑音、ひずみが少ない。
３）電流帰還バイアス回路
固定バイアス回路のベース、エミッタと電源のマイナス極の間に抵抗を接続した回路と同じ構造をしている。ベースとマイナス極に接続されている抵抗には、ベース電流の 10〜15 倍の電流が流れている。
電流帰還バイアス回路の特徴を次頁に示す。
＜電流帰還バイアス回路の特徴＞

4

①電圧ゲインは低くなる。
②周波数特性がよい。
③温度変化に対して安定している。
④入力抵抗は下がる。
⑤雑音、ひずみが少ない。
⑥回路が複雑になる。
⑦電流損失が大きい。
２−５

B 級増幅回路

バイアスをほとんどかけずに動作させるため、入力信号の半周期しか出力されない。このため B 級増幅は通常２つのトランジスタを対称に接続し、半周期ずつ交互に動作させるプッシュプル方式で使用される。プッシュプル増幅は少な
いひずみで大きな出力を取り出せるため、オーディオアンプなどでよく使われる。
A 級増幅回路では、無信号時にも一定のコレクタ電流が流れるため直流の消費電力が大きく電源効率も悪い。これに対して、B 級増幅回路では信号の入った時だけしかコレクタ電流が流れないため、電力の無駄が少なく、電源効率のよい増幅を行える。
B 級プッシュプル増幅回路は、同じ特性の２個のトランジスタを用い、上下対称形に組み合わせたもので、歪みのない正弦波出力が得られる。また、出力をあげる回路の終段に持ってくる事が多いのもこの回路の特徴である。
２−６

C 級増幅回路

負のバイアスをかけるため入力信号の半周期よりもさらに短い期間しか出力されない。また、出力波形が入力波形と相似になるような回路には適さない。
このためひずみや高調波が多く含まれるが、効率が高いので送信器などに使われる。また、高い電源効率が得られるだけでなく、バイアス回路が簡単に出来
る。

第３章

応用回路

5

これまで登場した増幅回路は、１段増幅のためゲインも 100 倍前後しか取れない。これ以上の電圧ゲインを得るには、１段増幅をもう１段以上接続する必
要がある。
３−１

ＣＲ結合回路Q1 と Q2 の両トランジスタは R3、R4 のバイアス抵抗により固定バイアス方式で動作をしている。C2 のコンデンサは、Q1 のコレクタ出力交流電圧を Q2のベース入力とすると同時に、直流的に結合しないように阻止する働きをする。
C4 と C5 のコンデンサは交流ゲインを大きくするために使用している。
C1 と C2 のコンデンサは、交流電流だけを通し、直流電流が流れない性質がある。Q1 のトランジスタの負荷に抵抗を使い、コレクタ側に起きる電圧変化をQ2 のトランジスタの入力へコンデンサで結合する方式である。
＜CR 結合回路の特徴＞①周波数特性が良い。
②ひずみが少ない。
③インピーダンスが不整合のため、損失が大きい。
④電力消費のため、電力効率が悪い。
３−２

直結回路

CR 結合回路は、トランジスタとトランジスタの間に、結合コンデンサを用いているので、低域で利得が減少する。また、コンデンサは、直流をカットして、交流成分だけを通す役割があるため、直流分を含んだ信号の増幅には適していない。

6この欠点を解決したのが、下図のようにコンデンサを介さないで、直接結合する。但し、１段目にある Q1 のトランジスタのコレクタ電圧がそのまま２段目にある Q2 のトランジスタのベース電圧になる。このため、１段目にあるトラン
ジスタの動作点の変動がそのまま増幅されてしまうので、直結増幅器の設計に当たっては、バイアスの安定のため、最初に各部の電圧と電流を定める必要が
ある。

３−３

ダーリントン接続回路

Q1:hfe1Q2:hfe2Q3:hfe1×hfe2(b) ダーリントン接続（a）スイッチング

上図の（a）は、トランジスタの特徴の一つであるスイッチングである。トランジスタ Q1 に順方向電圧約 0.6V を加えると、トランジスタ Q1 が動作する。
少ない入力電流で大きな電流を出したいときには、（a）では電流増幅率に限界があり、今以上の電流を出すことが出来ない。これを改善したのが、（ｂ）のようにトランジスタ Q1 と Q2 を２個接続する方法である。出力には、それぞれのトランジスタの電流増幅率 hfe1 と hfe2 をかけた電流増幅率が Q3 の電流増幅率となる。トランジスタの電流増幅率を上げる回路である。これにより、小さなベース電流でも非常に大きなコレクタ電流を取り出すことが出来る。

7

ダーリントン接続回路は、大きな電流増幅率を持っているため、大きな電流を必要とする出力スピーカ駆動用にも使われる。

３−４

カレントミラー回路

同相成分（CMRR）が大きく取れるカレントミラーまたは、電流反射鏡は、
コレクタ・ベース間を短絡したトランジスタのコレクタ側へ電流を印可し、そのコレクタ・ベース端子に近接したほかのトランジスタのベース端子に接続する回路である。下図に、カレントミラー回路を示す。

I1

I2

上図のように R1、R2 の抵抗に I1、I2 の電流があったとする。この２つの電流は、R の抵抗によって流れる電流値が決まっており、I1 と I2 の電流値は、同じ電流値になる。なお、トランジスタは同じトランジスタを用いる。また、R1、R2 の抵抗にかかる Ve1、Ve2 のエミッタ電圧は、周囲の温度に対して大きく変動する事がない。
欠点として、アーリ効果、ベース電流、入力電流のばらつきによっては高精度のミラー回路が実現できない。また、出力回路の直流電位による電圧依存性がある。これは、入力電流値により変化する。

３−５

差動増幅回路

次頁に示す図のように、入力が NI と INV の２本あり、その差信号を増幅した回路である。つまり、反転増幅動作と非反転増幅動作を同時に行った時に出来る２つの入力電圧間の差減圧を増幅する回路である。

8

I1

I2

Ie

上図の回路に R1、R2、Re の各抵抗に流れる電流を I1、I2、Ie とすると、Ieの電流の値は、I1 と I2 の電流の和を足したものである。
但し、Q1 と Q2 のトランジスタは同じトランジスタで、かつ、R1 と R2 の抵抗は、同じ値の抵抗を用いることが条件である。また、Q1 と Q2 のトランジス
タの入力電圧が一方よりも大きいと、回路が動作しない。
＜差動増幅回路の特徴＞①回路の全体が平衡である。
②入力信号に対して個々のエミッタ電流は変化するが、アース回路や電源回路には打ち消し合って信号成分が流れない。
③最大利得は電源電圧で定まる。
④増幅だけはなく２つの入力に同時に入る雑音などの同相成分を取り除く能力がある。
差動増幅回路は、カレントミラー回路と組み合わせる事により、利得を上げる事ができる。これは、カレントミラー回路をトランジスタのコレクタ側に負荷（アクティブ負荷）として持つ差動増幅器の方が電源電圧に関係なく高利得を実現できるからである。

３−６

コンプリメンタリ回路

オーディオアンプによく使われる。なぜなら、特性が対称な NPN と PNP の
トランジスタを組み合せることによって、高出力でひずみの少ないアンプを作ることが出来るからである。

9

上図は、コンプリメンタリ回路である。Q1 のトランジスタのベース電圧が正電圧のとき、電流が流れるが、Q2 のトランジスタには電流が流れない。逆に、ベース電圧が一定の電圧になったときは、Q2 のトランジスタに電流が流れる。
つまり、Q1 と Q2 のトランジスタが交互に働くのがこの回路の特徴である。

10

第４章
４−１

１石増幅回路今、１石増幅回路をする理由①簡単な回路である。
②どこを改良すべき点かが分かる。
③回路アレルギーにかからない④１石増幅回路だけでも動作が出来る⑤応用回路への挑戦
４−２

１石増幅回路とは

トランジスタ１個だけでも、回路が動作出来る。図４−２−１回路の回路図を、図４−２−２ に製作した回路を示す。

図４−２−１

実際の１石増幅回路の回路図

11

に１石増幅

図 ４−２−２

実際の１石増幅回路の製作（上：表

12

下：裏）

４−３

シミュレーションの結果と実測との結果

４−３−１ Transient Analysis 解析

出力は、入力と逆位相をなしている事が分かる。トランジスタのコレクタ側に出力を持ってきた時には、入力が正に対し、出力は、反転される。
この時の増幅率は、約 567 倍。つまり、約 55dB であった。
４−３−２ 各ノードの電圧値

ノード１
ノード２
ノード３
ノード４
ノード５
ノード６

シミュレーション（V） 実測（V）
1.49
1.139
0
7.76E-02
9
9.000
5.63
6.110
0.725
0.634
0
3.06E-0113

実際に実測を行ったときの入力波形と出力波形を以下に示す。

入力波形

出力波形

４−３−３

周波数特性
周波数特性

ゲイン（ｄＢ）

50

シミュレーション
0

1KHz

実測

-50
10

100

1000
10000
周波数（Ｈｚ）

1000001000000

実測値の周波数が 100KHz までは、変化なし。実測値のカットオフ周波数は、
低域では、550Hz で、高域では、142.5KHz であった。なお、100KHz 付近からが、実測のゲインが低下している。これは、周波数カウンタによる電圧降下が発生していると考えられる。
４−３−４

歪み率特性

次頁に示す図は、入力電圧に対する出力電圧を示したものである。実測とシミュレーションが、一致していないが、発振器の歪み率によるものなので、実際には、シミュレーションとほぼ一致している。

14

４−３−５

周囲温度による出力電圧の変化

周囲温度（℃）
出力電圧（Ｖ）

-100
6.27

-75
6.15

-50
6.02

-25
5.89

0
5.76

周囲温度（℃）
出力電圧（Ｖ）

21
5.65

25
5.63

50
5.49

75
5.35

100
5.22

出力電圧の波形

入力信号電圧の波形

このグラフより、入力電圧は、1V と小さいため、波形がはっきり現れていな
いが、出力電圧が高いためである。温度の変化に対する出力電圧は、さほど変化は見られない。

15

４−４

考察

温度特性をシミュレータした結果、さほど変化は見られなかった。それは、この回路には、フィードバックがかかっているためである。
また、周波数に対するゲインについて、実測の結果から、この回路は、ゲインが低く、また、扱える周波数が、狭い事が分かった。

16

第５章

プリント基板の作り方

５−１

プリント・パターンの作成

方眼紙または回路作成ソフトを用いて、パターンの下書きをする。
下図は、８石オペアンプのパターンを方眼紙で書いたものである。

出来るだけ、回路図と同じ位置に部品を配置し、また、入力と出力は離しておくのがいい。トランジスタの足には向きがあり、方向を間違えない。トランジ
スタの足の向きは、トランジスタの種類によって異なっているので、トランジ
スタ規格表を見ながら、向きを確認する事で取り付けを行う。
ただ、回路図の配置通りに行かない部分があった。それは、①回路図で黒丸の接点と交わっていない（交差している）部分との区別②配線の長さと短さ③それに部品と部品間の間をどれくらいあけるのかであった。③については、プリント・パターンの完成後の回路がきちんと動作しているかどうかを確認するのと、回路を調整するため、場合によっては抵抗を可変抵抗に取り替えたり、大きな部品に変えたりする際に、隣の部品が当た

17

るかも知れないからである。また、部品の中には、放熱の必要があるものもあるが、今回の実験については、必要なかった。
パターンの作成が終わると、次は、パターンの焼き付けを行う。
５−２

パターンの焼き付け

実験手順①この作業は、出来るだけ薄暗い部屋で行う。
②パターン・フィルムを、感光基板に裏返して固定させる。出来るだけ、基板とフィルムを密着させる事で、基板にパターンを写す時間が早くなる。
③太陽の光または、蛍光灯の光で焼き付けを行う。
今回は、太陽の光よりも、蛍光灯の方が早く焼き付けられた。太陽の光に関しては、太陽の光の強さに影響されるためか、ムラが出来やすく時間がかかる（通常、３分の所を２０分かけても焼き付けられなかった。少しだけパターンが焼き付けられただけであった。）のと、昼間の間だけしか焼き付けられないので、時によっては不便であった。
基板にうすくパターンが表れたら、焼き付けの完了。次は、現像を行う。
５−３

現像

実験手順
①現像液の用意。
②①が出来たら、感光基板を上にして液の中に完全に沈みこませる。ケースの端を持って、左右に静かにゆすることで、作業が早くなる。ただし、現像には時間をかけすぎない。かけすぎると、パターンが細くなったり、場合によっては断線したりするため、作業時間は 1 分を目安に行う。
③パターン以外の感光膜が溶けたら、引き上げすぐに基板の水洗いをする。洗
いすぎはよくない。さっと洗う程度で。なお、洗い終わった基板は、光に当ててもよい。
④次の作業であるエッチングをする前に基板の検査と修正をする。パターンが細くなっていたり断線したりしている可能性もあるので、ここで修正しておかないとエッチングした後では、手後れになるため、ここでは慎重に行う。
現像が完了したら、次は、エッチングを行う。

18

５−４

エッチング

エッチングは銅を溶かす強い薬品であるので、取り扱いに注意が必要。また、エッチングは付着力が強いので、ビニール手袋やエプロンを身に付けて作業を
行った。
実験手順
①エッチング液の用意
適用温度より低い状態のまま、作業を行うと、エッチングに時間がかかりす
ぎて、次第には溶けるはずの銅がとけきれないままになってしまう。温度は絶対に守る。
②基板を沈めると銅が溶け始め、液が墨のように濁ってくる。現像のときと同じようにケースの端を持って左右に静かにゆする。
③割り箸などを使い、いらない部分の銅が完全に溶けたらエッチングの完了。
④水道の水を流し、よく乾かす。

５−５

基板の穴開け及び、部品の取り付け注意した事は、トランジスタの真ん中の足を取り付ける穴の位置であった。
トランジスタ 2SA1015 ならび、2SC1815 の真ん中の足は、トランジスタ規格

19表によりコレクタであるが、両端のベース、エミッタを先に穴をあけ、その中心にコレクタを持って来る様にした。他に、極性のある電解コンデンサやダイ
オードの向き、抵抗はカラーコードの読む方をプラス側に、許容差をマイナス側に持って行き、電流の流れる向きに取り付けた。

５−６

確認

動作を確認する前に、製作した回路のチェックを行った。確認する事は、抵抗の値、コンデンサの値、それに極性のある部品の向きが、間違っていないかど
うか、また、導電テストを使用し、基板の配線が断線、ショートしていないか、部品と部品の接触は起こってないかどうか確認を行った。

20

第６章

５石オペアンプ

６−１ ５石オペアンプとは１石増幅回路を改良する目的で、設計をした回路である。下に、実際の５石オペアンプの回路図を示す。

INV

図６−１−１

実際の５石オペアンプの回路図

初段に、Ｑ１、Ｑ２の差動増幅回路、Ｑ３、Ｄ１、Ｄ２、Ｑ５のカレントミラ
ー回路、Ｑ４のエミッタ接地回路を取り付けた回路である。差動増幅回路はＰ．
8 を、カレントミラー回路はＰ．8 をエミッタ接地は、Ｐ．3 を参照。
実際の５石オペアンプを製作した写真を図６−１−２に示す。

21

図６−１−２

実際に製作をした５石オペアンプ

この回路をシミュレーションで解析した結果、ゲインが高すぎて、測定できない。このため、出力から入力にバッファーを作る事によって、ゲイン１の回路を作った。図 6−1−3 は、図 6−1−2 の回路を改良したものである。

図 ６−１−３

改良した回路

直流バイアスを可変抵抗によって合わせる。
出力の一部を入力側に帰還させる事によって、ゲイン１の回路が作れた。
入力の波形と改良する前の出力波形、及び、改良した出力波形を次頁に示した。

22

入力波形（Ｔ＝21℃）① 改良前の回路の出力波形② 改良後の回路の出力波形①と②では、どちらも出力波形に変化はさほど、変化は見られないが、①の方が、多少、歪んでいる。 また、実測を行った時の周囲の温度が、21℃からか、
歪んでしまっているのが、分かり難い。しかし、トランジスタのような半導体
は、周囲の温度が上昇すると、電流が多く流れるという特徴がある。周囲の温度に関しては、実測では、測定できなかったが、６−２−５ で、シミュレーシ
ョンにて解析を行っているので、P.２６を参照。
６−２ シミュレーションの結果と実測の結果
６−２−１ Transient Analysis 解析
５石オペアンプの増幅率は、27.857 / 539.916u で、51595 倍となる。これは、デジベルで表示すると、94.25 dB である。このままでは、ゲインが高すぎて、測定器にかける事が出来ない。測定を容易にするため、図６−１−３ に示す回路にて解析を行った。解析結果を図６−２−１に示す。

23

図 6−２−１ Transient Analysis 解析

６−２−２

各ノードの電圧値（T=21℃）

各ノードの電圧シミュレーショ
シ ミュレーンシ ョン （V ) 実測１（V) 実測２（V)ノード１-15-15.00-15.00
ノード２
13.7
13.50
13.49
ノード３
14.3
14.12
14.11
ノード４
15
15.00
15.00
ノード５
-14.4
-14.34-14.33
ノード６
13.7
13.51
13.50
ノード７
14.4
14.17
14.17
ノード８
14.3
14.25
14.25
ノード９
0
0.105
0.106
13.5 ノード１０
0.607
0.737
0.628
ノード１１
9.89E-06-14.90 8.25E-02

24

前頁の各ノードの電圧値で、注目する点は、ノード９とノード１１の電圧値である。ノード９は、入力電圧で、ノード 11 は、出力電圧の一部を帰還させた
ときの電圧である。実測１では、ノード 11 が−14.90V とシミュレーションと合わない。これを改善するため、R3 を可変抵抗で取り付ける事によって、シミュレーションと合わせた。
６−２−３

周波数特性

以下に示す図は、５石オペアンプの周波数に対するゲインの関係について、シミュレーション結果と実測の結果のグラフである。

このグラフから読み取れることは、300KHz までは、どちらも変化なく、300
ＫＨｚ付近から周波数を高くしていくと、実測のゲインが低下していることが分かる。この原因は、測定系の原因で起きたためであるので、実際には、シミュレーションの結果とほぼ一致する。

６−２−４

歪み率特性

５石オペアンプの入力電圧に対する歪み率をシミュレーションの結果と実測の結果を次頁に示す。

25

このグラフから、 シミュレーションと実測との値が一致していない。これは、周波数カウンタの歪みが、0.4％持っており、これが、影響したと思われる。また、オペアンプ自身の歪み率は測れなかったが、極めて小さいことが分かった。
実測に関して、測定できたのは、歪み率計により扱えた入力電圧レンジ が0.3V から 3.0V までであった。これ以外のレンジでは、歪み率が 0.15％以内に設計ができず、測定が困難であった。

６−２−５ 周囲温度による出力電圧の変化
周囲温度（℃）-100
出力電圧（Ｖ） 1.11E-02-75
8.82E-03-50
6.71E-03-25
4.64E-03

0
2.51E-03

周囲温度（℃）21
出力電圧（Ｖ） 5.87E-04

25
2.04E-0450-2.35E-03

75-5.28E-03

100-8.71E-03

実測では、周囲温度による出力電圧の変化を知る事が出来ず、シミュレータの力を借りて、測定を行った。以下に示す波形は、周囲温度の変化による出力電圧の変化をシミュレーションで解析したものである。
シミュレーションの結果から、入力電圧と一致する温度は 30℃であった。
次頁に周囲の温度による出力電圧の変化を示す。

26

−５０℃

−２５℃

０℃

２５℃

５０℃

６−３ 考察直流バイアスは、可変抵抗を入れる事によってシミュレーションの解析結果と合わせた。しかし、同じトランジスタでも、性能が一致するとは限らず、出力をシミュレーションと合わせるのが大変であった。
１石増幅回路と比較して、１石増幅回路のカットオフ周波数が低周波は、
550Hz，高周波では、142.5KHz と使える周波数帯域が狭いに対し、５石オペア
ンプでは、カットオフ周波数が 938KHz と広く扱える事が出来た。ただ、この値は、測定系の原因によるゲインの低下であり、実際には、もっと高いと言える。また、周波数の歪み率も、1Ｖで 7.1%に対し、0.32%と約 2２分の１に押さえる事が出来た。

27

第７章

８石オペアンプ

７−１ ８石オペアンプとは５石オペアンプに差動増幅回路を２段目に、コンプリメンタリエミッタフォ
ロワ回路を終段に、また、終段の回路のバイアスを考えるときに、３段目にダイオードを取り付けた回路で、５石オペアンプを改良する事を目標にした回路である。
図 7−1−1 に示す図は、実際の８石オペアンプの回路図である。
回路図に電流の値を設計しているが、これは、抵抗の値を決めるのに、必要である。実際、各それぞれの抵抗の値は、計算した値とは、多少、異なっているが、それは、抵抗の部品はＥ−24 系の中から選ばなくてはならないため、近似の値の抵抗を選び、取り付けた。

1mA

４ｍA

７ｍA
２ｍA

図 7−1−1

実際の８石オペアンプの回路図

28この回路をシミュレーションしたところ、ゲインが高すぎて、このままでは、測定できない。そのため、出力から入力信号 INV に帰還をかけることによって、下図のようにゲイン１の回路を作った。
さらに、外部からの歪みを押さえるため、出力から入力信号のマイナス側に取り付けた。

７−２ シミュレーションの結果と実測の結果
７−２−１

Transient Analysis 解析

正の入力電圧の波形

負の入力電圧の波形

出力電圧の波形

出力には、正の極性が得られた。増幅率は、21.054 / 819.874E-6 = 25679 倍、デジベルで表示すると、88.2dB と高利得である。

29

７−２−２

各ノードの電圧シミュレーション（V）
ノード１
13.6
ノード２
-15
ノード３
15
ノード４
14.3
ノード５
-9.67
ノード６
1.31
ノード７
14.3
ノード 8
0
ノード９
0.629
ノード１０
-9.67
ノード１１
2.29E-05
ノード１２
0.683
ノード１３
-1.38
ノード１４
-0.683
ノード１５-0.037
ノード１６
-0.71
ノード１７
-13.5
ノード１８
-9
ノード１９
-12.9
ノード２０
0.635

実測１（V）
13.62015.000-15.000
14.180-9.2301.455
14.2501.068E-01-5.85E-04-9.2101.352E-01
1.338-1.455-1.0171.375E-01-0.728-13.440-9.280-12.930
5.90E-03

実測２（V）
13.61015.000-15.000
14.230-10.050
1.293
14.2501.041E-01-0.973-10.100-1.86E-01
0.579-1.611-0.930-1.758E-01-0.890-13.460-9.660-12.850-1.614E-01

実測 1 は、R3 に可変抵抗を取り付ける前を実測したもの、実測２は、R3 に可変抵抗を取り付けた時の実測である。周囲の温度は、21℃である。

30

７−２−３

周波数特性

このグラフにより、490KHz までは、シミュレーションとは変化なしでした。
10KHz 付近で、実測値のゲインが低下しているが、約−1dB つまり、入力に対して約 90%の 0.85V であり、これは、考慮する事はないと言える。
このグラフによる実測値のカットオフ周波数は、622KHz である。この周波数は、GB 積すなわち、周波数帯域積とも言い、使える周波数は、622KHz とも
言える。

７−２−4

歪み率特性

８石オペアンプの入力電圧に対する歪み率を次頁に示す。
実測とシミュレータの歪み率が異なっている。これは、発振器の歪み率によるものなので、実際には、シミュレータとほぼ一致するはずである。

31

７−２−５

周囲温度による出力電圧の変化

周囲温度（℃）
出力電圧（Ｖ）-100
2.33E-04-75
1.88E-04-50
1.48E-04-25
1.09E-04

0
6.88E-05

周囲温度（℃）
出力電圧（Ｖ）

21
3.35E-05

25
2.65E-0550-2.00E-05

75-7.24E-05

100-1.33E-04

周囲温度による出力電圧の変化を次頁に示す。

32

周囲温度による出力変化
上図の解析結果から、40℃付近で入力信号と一致する。実際、実験する時の温度は、21℃と 40℃に比べ、低い環境で行っている。さらに、温度が低下すると、出力電圧が上がっている事が解析結果から分かった。
７−３

考察

５石オペアンプを改良する目的で、設計した回路だったが、予想以上の収穫が得られた。まず、周波数特性について、５石オペアンプが 300KHz で、実測値のゲインが低下し始めるのに対し、８石オペアンプでは、490KHz と周波数が伸びている。ただ、カットオフ周波数が５石オペアンプの 938KHz に対し、８石オペアンプ回路では 622KHz と低い。出力にパイパスコンデンサを取り付けて、低周波や直流をカットしたりするなどの対策を施したが、周波数カウンタ
からくる電圧降下や歪みの影響が出力に響いたものと考えられる。しかし、622KHz という値は、高周波でも、大きな周波数帯に属しており、この結果は、満足している。

33

結言
この本研究を通じて、① 同じ性能を持つトランジスタでも、実際に製作をして、実測をして見ると、僅かではあるが、これが、回路全体に影響を与える事が分かった。
②回路の概念が分かり、回路の要領がつかめた。
③回路の設計をするだけではなく、実際に製作を行う事で、回路の考え方や動作の仕組みを理解する事が出来た。
④計測器から発する微少電圧、電流は、無視できる小さな値であった。しかし、この値が、回路に影響を与えていることが分かった。
周波数カウンタ

歪み 0.4％
入力電圧 0.39mV⑤回路シミュレータの使い方をマスターした。
⑥少しのトランジスタや抵抗、それにダイオードを取り付けるだけで、回路が動作する事は驚いたが、これが、自信につながった。
１つ 残念だった事は、８石オペアンプが思い通りにいかなかったことである。これまで学んできた回路を根本から見直して、改良を加えたが、測定器からくる微少電圧と、個々のトランジスタの性能が僅かながら異なっている事が分かり、これが、うまく動作しなかったと考えられる。
しかし、回路の設計からプリント基板の作製という一連の作業を行った事、回路がうまく動作しなかった問題点の解決に向けて、取り組んだ事など、それらすべてが、自分を大きく育ててくれた。

34

参考文献

1 .黒田 徹 著 「はじめてのトランジスタ回路の設計」
2. 藤井 信生
基礎シリーズ「電子回路入門」
3. 鈴木 雅臣
定本 トランジスタ回路の設計
4. 奥澤 煕 著 はじめて作るアンプの設計
5. 小高明夫・佐藤邦夫著
SPICE による電子回路の基礎
6. トランジスタ技術 No.56 電子回路シミュレータ活用マニュアル
7. 2000 年版 最新トランジスタ規格表

使用したシミュレータソフト
1. Micro-Cap 5 / CQ SpectrumSoftware 社

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謝辞

本研究の遂行と本論文の作成に際し、終始懇切なる御指導、御教示を賜った
高知工科大学工学部電子・光システム工学科綿森道夫助教授に深甚なる感謝の意を表します。
本研究全般の遂行にあたり、数章のご助言、ご討論を賜った高知工科大学工学部電子・光システム工学科八田昭光助教授に感謝の意を表します。
また、高知工科大学電子・光システム工学科在学中にご指導を賜った原央学
科長に心から感謝いたします。
最後に高知工科大学電子・光システム工学科在学中、本研究の実験遂行、各過程で終始ご厚意、ご協力を頂いた高知工科大学電子・光システム工学科、平木昭夫教授・河津哲教授・河東田隆教授・神戸宏教授・成沢忠教授・矢野政顕
教授・畠中兼司教授・西本俊彦教授・橘昌良助教授・野中弘二助教授・井上昌昭助教授・関口晃司助教授・笠原泰講師・武田光由実験講師・西田謙助手の方々には重ねて感謝の意を述べさせていただきます。
また、本研究を遂行するにあたり細部にわたり実験にご協力いただいた梅村
佳克氏、久保格致氏、新田敏弘氏、長谷川和也氏に感謝いたします。

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