プッシュプル増幅回路についてのご質問です

【定本トランジスタ回路の設計】中の回路例についてのご質問です。
OPアンプとトランジスタ組み合わせて、OPアンプの出力電流を増強する回路となります。
シミュレーションは負荷が100Ωの時、波形が（クロスオーバー歪みを除く）大きな歪みがなかったが、
ブレッドボードに回路を配線して、出力波形を見たらマイナス側に歪みが発生しました。
負荷を軽く変更したり（例：100Ω⇒1K）にして、マイナス側の歪みがなくなり、シミュレーション結果と同じカタチになりました。

なぜ、負荷が重い時マイナス側だけは歪みが出て、シミュレーション結果とズレるでしょうか。
いろいろ調査したが、原因は見つかりませんでした…
勉強不足で失礼致します、ご存知の方が教えて頂ければ幸いです。

質問者からの補足コメント

• 実測波形です。

  
    補足日時：2024/09/17 17:16

• 失礼致します。
  写真をアップすると画質が自動に落ちてしまうようです…
  念のために、写真をアップし直し致します。

  
  No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2024/09/17 17:19

• 画像が荒ってたため、アップし直し致します。

  
    補足日時：2024/09/18 09:04

• シミュレーションした結果

  
    補足日時：2024/09/18 09:13

• 実測した結果

  
    補足日時：2024/09/18 09:14

• 失礼いたしました、写真をアップし直しました。
  ご確認＆検討ください。

  No.3の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2024/09/18 10:51

• xs200様
  ご指摘頂き、ありがとうございます。
  例の回路はトランジスタの平均消費電力（v(+v,out)*ic(q1)）は222mWとなって、トランジスタの定格範囲内ようです。
  また、トランジスタ流れる電流の実効値は49mAとなっており、周囲温度Taが100度の場合でもhfeが低下する傾向がなさそうです。
  よって、例の回路は熱によるトランジスタの特性（hfeなど）低下の影響が少ないと見受けられます。
  たとえ熱影響があるだとしても、回路が動き始めた時トランジスタがあまり熱がこもらないから、波形の歪みが無いはずです。
  
  おっしゃる通り、Ibが大きくなるほどIbのステップ間の間隔が詰まってきます。
  つまり、Ibの増加につれて、hfeが低下します。
  オーディオ増幅介回路においては、負荷線はその等間隔（hfe変動なし）のところに置くべきでございますね。

  No.6の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2024/09/19 10:55

• 今回の案件は、コンプリメンタリトランジスタなのに、歪みが出るなら上下対象になるはずだが、
  2SA1015だけ歪みが出るのが不思議だと思って質問させて頂きました。
  
  すみませんが、上記は私見となります。
  間違い＆思い込みがございましたらご指摘頂ければ幸いです。

    補足日時：2024/09/19 10:56

• m-jiro　様
  ご検討頂き、ありがとうございます。
  オシロプの特性より、綺麗なキャプチャーが撮れないかもしれないです。
  黄色はベース波形、緑はエミッター波形となります。スケールは２V/div
  その差は見にくいと思いますが、別添付した写真は両波形の差（紫）となります。

  
  No.11の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2024/09/20 18:42

• 両波形の差は660mVとなります。
  スケールは500mVとなります。

  
  No.11の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2024/09/20 18:44

No.15 ベストアンサー 回答者： xs200 回答日時： 2024/09/21 00:05

有極性のコンデンサに逆電圧をかけていけないのはわかりますよね。

その回路ではコンデンサにかかる電圧は正方向、逆方向に交互に変化します。ですからコンデンサを入れるなら無極性を使います。SPICEでコンデンサの両端の電圧を見てください。オシロで見るなら10 kHzではわずかですが100 Hzにすればch1とch2でコンデンサの両端の電圧を観測すればはっきりわかります。-1 Vくらいまでは耐えられますが逆電圧をかけない方がいいに決まってます。

10 uFのコンデンサの役割を考えていますか? 出力に表れる直流成分のカットのためです。質問の回路程度の倍率では直流成分は少ないので実験であれば直流カットのためのコンデンサは不要です。単電源で使うなら必要になり電圧は左側が必ずプラスです。画像のような回路になります。本に載ってるかな? 本が図書館にあるか検索したけど近隣の図書館にはありませんでした。

この回答へのお礼

xs200　様
返信遅れて申し訳ございません。

正負電源の時、出力側は（フィルムコンデンサ等の）無極性コンデンサを使用するとこが理解できました、ありがとうございます！！
シミュレーション結果も仰った内容を実証されました。
正負電源が対称の場合は、Tr.エミッター側のDCバイアスが0Vとなるため、コンデンサを入れる必要がないことを承知しておりますが、有極性コンデンサを入れてはいけないのが気付かなかった…、勉強になりました。


回路の歪みの件については、原因が分かりました。
先に結論から申し上げます、OPアンプの動作がはおかしいです。

OPアンプ単体で10倍利得の非反転増幅回路を作って、
オシロで出力を見ると、例の回路と全く同じ歪みが出ました。
（負側の波形がクロスオーバー見たいな歪みが観測されました）
負荷は１Megにしても、歪みがそのままでした。

よって、OPアンプの問題だと判断されています。
ほかのアンプを差し替えて評価すべきだが、
手元にこのアンプしかないので、すぐには評価できません…

因みに、このOPアンプはAmazonで買った模倣品でした…
口コミで見たら、TI社の純正品と比べて特性が非常に悪い粗悪品らしいです。
こういったアクティブ素子はやはり純正品を買った方が良いですね。
（純正品と代用OPアンプは取り寄せ中）

ちゃんとした純正品を使用したら、今回のトラブルに引き込まれないかもしれないですが、そのおかげで色々お勉強でできましたね。

いろいろご教授&指摘頂き、ありがとうございます。

お礼日時：2024/09/24 19:52

No.16 回答者： kanta2006 回答日時： 2024/09/22 08:20

トランジスタのベース波形の部分で波形が歪んでいるなら、原因はそれより前、オペアンプで歪んでいる可能性が高いですね。

気になるのは、トランジスタのベース抵抗が無い事。
これによってオペアンプの出力電流が過大になり、オペアンプの出力が歪んでるんじゃないですかね。

トランジスタのhfeって何もしなくても勝手にIb=Ic/hfeになってくれるわけじゃなくて、Ibを制限するものが無ければ、飽和するところまで流れ切ってしまいますからね。
あんまりトランジスタで電流増幅も出来ずに、出力電流の大半がコレクタじゃなくてベースに流れてしまって、それがそのままオペアンプに流れ込むような気がします。

シミュレーションも、電圧波形だけじゃなくて、トランジスタのコレクタ電流、ベース電流、オペアンプ出力電流も見たらいかがですか。
この回路だと、トランジスタでは電圧はほとんど増幅せずに電流増幅しようとしてるんですよね。
だったら電圧波形だけでは肝心な部分が見えていません。

シミュレーションモデルは簡易なモデルだと、オペアンプの電流を無限大に流せてしまったりしますからね。

出力のDC成分カットのコンデンサ極性は、オフセットがどっちに振っているかによって変わりますので、この回路だとコンデンサを入れないか、あるいは入れるなら無極性がいいでしょう。
どっちにオフセットしてるかは分からないし、オフセット無視できる程度のオフセットだと考えればコンデンサ無しでいいですし。
アンプなどのDCカット用途には、無極性電解コンデンサがありますので検討してみて下さい。

オペアンプが正電源だけの単電源だったらオフセットは必ずプラスになるので、電解コンデンサの極性は左がプラスになり、極性ありの電解コンデンサでいいですけど、この場合は両電源ですからね。

この回答へのお礼

kanta2006　様
ご見解、ありがとうございます。

トランジスタの飽和の件については、回路は負帰還の構成となっているため、
Tr.ベースに抵抗入れなくてもTr.が飽和しないではないかと思います。
（ベース側に複数の抵抗を入れて、波形は変化していないと確認しました。）

また、ご指摘の有極コンデンサの件、ありがとうございます。
確かに、例の回路は無極性コンデンサを入れるか、コンデンサを無しで負荷を接続すべきです。

歪みの件については、おっしゃる通り、OPアンプの問題でございます。
詳細はxs200様の返信内容をご参照ください。

いろいろご見解頂き、ありがとうございます。
もし、上記の内容は間違いがございましたらご指摘頂ければ幸いです。

お礼日時：2024/09/24 20:19

No.14 回答者： m-jiro 回答日時： 2024/09/20 23:00

m-jiro です。

波形写真拝見しました。

下向きのボコッはopｰampから出てないかな？　IC不良の可能性大。

まさかと思うけど、SG（試験信号発生器）の不良じゃないよね？　オシロがあるのですからSG出力を確認してみて。それが大丈夫なら残るはop-ampしかない。

この回答へのお礼

m-jiro 様
アドバイスありがとうございます。
わたくしもOPアンプは怪しいと思います。
SGの出力信号を確認しました。問題ないです。
手持ちのOPアンプはこれしかないので、代用品がありましたら乗せ替えて検証致します。
いろいろご検討&教授頂き、ありがとうございました。
分かり次第お伝え致します。

お礼日時：2024/09/20 23:16

No.13 回答者： xs200 回答日時： 2024/09/20 20:12

両極性の電源ですから極性のあるコンデンサを入れてはいけません。

コンデンサは不要なので外してください。

この回答へのお礼

勉強不足ですが、頂いた解説は正直初耳です。
正負電源だから、電解コンデンサを入れてはいけない理由は思いつきません…
極性が合ったら入れるべきだと思いますが…参考書とかは普通に入れてると思います。

お礼日時：2024/09/20 20:51

No.12 回答者： xs200 回答日時： 2024/09/20 19:00

>>定格電力超えによる歪みが無い気がします。

>理論の半分しか電圧がでていないんでしょう。定格超えませんよね。

すみません。これは誤りです。超えてますね。と思っていたら、

⇒OPアンプの利得は10倍との設定してり、SourceはVpp１Vの時、出力Vppは10Vでございます。なので、Vppは設計値となっています、ただ負側は歪みが出ました。

あれ?ってなってしまいました。シミュレーションでは入力は2 Vppだけれども実際には1 Vppで実験したということですね。それでも定格超えですが。必要な出力が10 Vppでいいなら電源電圧を下げれば定格に収まります。なんのためにシミュレーションの波形を載せたのかわからない… とりあえず1 Vppで試したということでしょうか。そういう条件も記載しないとわかりません。

10 uFのコンデンサは無極性ですよね? っていうか出力を10 uFと100 Ωで分圧したらゲインが周波数により大きく違ってしまいます。周波数が大きく変化するなら抵抗値の小さいのは付けられません。10 kHzなら1/(2*3*10k*10u)=1.6 Ωですが、100 Hzじゃ160 Ωになってしまいます。【定本トランジスタ回路の設計】の回路そのままなのでしょうか?

この回答へのお礼

xs200　様
大変失礼いたします。
LTspiceの設定値は確かにVppが２Vとなってしまいました。
ファンクションジェネレータの設定値Vppが1Vとなっております。
申し訳ございません。

10 uFのコンデンサは電解コンデンサです。
その極性は左＋右ーでした。

オーディオアンプなら低周波時に低インピーダンスを維持するためにはご計算した通り大容量コンデンサが必要です。
本件は単なる10KHzの検討ですので、適当に10μF入れました。

またこの回路は【定本トランジスタ回路の設計】そのままではないです。
少しだけ変えました。すみませんが、写真の添付回数の上限となっていますので、写真はお見せることができません。

お礼日時：2024/09/20 19:27

No.11 回答者： m-jiro 回答日時： 2024/09/20 15:17

たびたび失礼

配線ミスがなかったことは了解しました。

Trのベース波形（op-amp出力波形）は撮影できませんか？
先日の実測写真（負側にポコッと出ている）の時のTrのベース波形です。
可能ならTrのベースとエミッタの波形を同時に2現象で撮影してください。直流分もわかるようにDCスケールで。垂直軸の0V位置と感度がわかるようにしてくださいね。
予想としては0.6Vの差で同じ波形のはずです。もし大きな違いがあればTrの不良と思われます。
ベースに既に負方向のボコッがあればop-ampが疑わしい。

この回答へのお礼

m-jiro　様
歪み件、原因は見つかり致しましたので、ご報告いたします。
仰った通り、OPアンプはおかしいでした。
このOPアンプはAmazonで買った粗悪品でした…
OP単体を評価して歪みも出ます。
詳細内容はxs200様のご返信内容をご参照ください。

いろいろご教授頂き、ありがとうございます。
また引き続き、よろしくお願いいたします。

お礼日時：2024/09/24 20:01

No.10 回答者： xs200 回答日時： 2024/09/20 14:16

大丈夫だと思いますは大間違いです。

絶対最大定格は瞬時にでも超えてはいけない定格です。自分勝手な判断はできず議論の余地はありません。

>電源電圧を±20Vに変更しますと

TL081の最大定格超えてませんか? STマイクロのだと±18 Vまでです。

>定格電力超えによる歪みが無い気がします。

理論の半分しか電圧がでていないんでしょう。定格超えませんよね。

「歪んでない」ではないんですよ。理論上では20 Vppでるはずが10 Vppしか出ていない。これでおかしい、素子が壊れてるのかとか配線を間違えているのかと疑わなければいけません。
負荷に100 Ωをつなげてる。これは使う素子を初めから間違えている。設計上ありえないことを考えてもムダです。耐えられるトランジスタに替えてから確認します。

きちんとした設計をしたいのか、壊れなければ理論通りでなく電圧が半分でもいいや、どちらなんでしょう? 後者のようにしか思えません。

この回答へのお礼

xs200　様
ご見解ありがとうございます。
良く考えると、Tr.は確かに瞬時に定格電力を超えていて、ダメです。
SOAグラフがありましたらきっとその範囲に超えます。
寝ぼけで間違い話をして、大変失礼致しました。

【TL081の最大定格超えてませんか? STマイクロのだと±18 Vまでです。】
⇒TL081は±20Vとなっています、定格範囲内でございます。

【「歪んでない」ではないんですよ。理論上では20 Vppでるはずが10 Vppしか出ていない。】
⇒OPアンプの利得は10倍との設定してり、SourceはVpp１Vの時、出力Vppは10Vでございます。なので、Vppは設計値となっています、ただ負側は歪みが出ました。

【負荷に100 Ωをつなげてる。これは使う素子を初めから間違えている。設計上ありえないことを考えてもムダです。耐えられるトランジスタに替えてから確認します。】
⇒大賛成です！
今の回路は定格に超えた設計となります。なんだかんだの討論意味がないです。当初、なぜ負側だけ歪みが出るのか不思議でご質問させて頂きました。
時間がありましたら定格範囲内のTr.を変えて確認致します。

いろいろ貴重なアドバイス頂きありがとうございます。
xs200様はまた何かお気になる点がございましたら、いろいろお聞かせください。よろしくお願いいたします。

お礼日時：2024/09/20 17:19

No.9 回答者： xs200 回答日時： 2024/09/19 19:57

m-jiroさんへのお礼読んでなかった。

当然、安定化電源を使っていますよね? 画像は負電源の電流を60 mAに制限したシミュレーション。

この回答へのお礼

xs200様
ご指摘、ありがとうございます。

安定化電源を使用しております、回路動作中に電源がCVモードになっています。
ご指摘した通り、素子はずっとSOA範囲内に動作させるべきです。
それを超えると動作しても保証してくれないです。
仰った【5 V/100 mAとしても500 ｍＷ以上になってるはずです。超えている以上、波形がうんぬんという話はありません。】については十分理解できますが、下記はあくまでも今現在個人的な考えとなります。
1015は繰り返しオンオフでパルス見たいな動作するから、直流よりも大きな損失しないと思われます。通常のパワートランジスタの耐電力はDCとパルスの耐電力両方記載されています。小信号の1015は記載していないのが当然と言えば当然です。
言いたいのは、1015はオンオフ操作するからある程度瞬時に絶対電力を超えても大丈夫だと思います。

例の回路は、電源電圧を±20Vに変更しますと1015の歪みが無くなりました。
この時1015は±15V時の損失が大きくなるのに、歪みが無くなりました。
なので、定格電力超えによる歪みが無い気がします。

失礼いたしますが、小生の私見となります。
間違いがございましたら、ご見解を頂きたいです。

例の回路は時間があったら注中に調査いたします。
現在調査する時間がなかなかないです…申し訳ございません。

お礼日時：2024/09/20 11:35

No.8 回答者： m-jiro 回答日時： 2024/09/19 16:56

オシロの感度はわかりました。

2V/divということは-4Vあたりで歪んでいるということになりますね。（そこまではすぐわかりますが原因に思い当たらず）
ともかく2SA1015周辺の配線を確認しましょう。誤接続、ショート、無接続などなど。ミスは「絶対に自信アリ！」と思っている所にあるものです（小生の経験から）。
大丈夫だったら2SA1015がボケている可能性大。1015がなかったら似たようなPNP-Trに変えてみて。
それでも改善しなかったらTL081を疑いましょう。ピン接が合えば別型番の似たようなop-ampでOKです。
小生TL081は使ったことがないのでどんなクセがあるのか知りません。741とか358などはよく使ったのでどんなクセがあるのかだいたい知っています。データシートではわからないクセがあるので古いものでも使い慣れた物の方が得策なんです。

2SA1015と2SC1815はコンプリメンタリ・ペアということになっていますが、特性は相当に違っています。とてもじゃないけど瓜ふたつとは言えません。よって用途や最大定格が似ていれば何を使ってもまず大丈夫です。それぐらい違うのです。

もうひとつ気になったこと。
実測波形でクロスオーバー歪が大きいですね。この部分ではop-ampに負帰還が掛からないのでゲインは最大になり、Trの不感帯（2個で約1.2V）は一瞬で飛び越えてしまいます。つまりごく小さなキズにはなりますがはっきりした水平線にはなりません。
もしかして帰還抵抗R2はTrのベースにつながっていませんか？　あるいはTr内部でB－E間がショートしているとか。

この回答へのお礼

m-jiro様
ご親切に説明頂き、ありがとうございます。
承知いたしました。
昨日回路をざっくり見直したが、配線ミスがなさそうです。別メーカの1015を載せ変えても変わらなかった。
効能性としてはOPアンプか配線ミスの可能性が高くなります。

1015はこんな性能ならいいですが、何か違う気がします。
これから1015単体で100mAくらい流せるエミッターフォロワー回路を組んで、その波形を見ます。もし歪みが無ければ1015が問題がないと確定できるでしょう。
今は代用のOPアンプは所持しておりませんので、OPアンプの検証は直ぐにはできません。
なので、原因の究明は暫く時間が掛かりそうです。

クロスオーバー歪みについては、負荷100Ω時図のように大きめになったが、
負荷は1Kとかの時クロスオーバー歪みが小さくなりまし、例の歪みもなくなりました。これについては、時間がありましたら原因探しいたします。

お礼日時：2024/09/20 11:00

No.7 回答者： xs200 回答日時： 2024/09/19 15:55

絶対最大定格は一瞬たりとも超えてはいけないものです。

平均値ではなく最大値で判断します。いつでも安全動作領域(SOA)で使わなければいけません。5 V/100 mAとしても500 ｍＷ以上になってるはずです。超えている以上、波形がうんぬんという話はありません。超えてるね、超えないようにしましょう、それでおしまいです。

コンプリメンタリトランジスタの特性は完全対象になるものではありません。特性が近いというだけです。データシートの静特性(VCE-IC)を見ても2SC1815はVCEに関係なくICは一定ですが2SA1015はVCEに影響されてICが変化します。IBが大きくなるほど傾きは大きくなります。また、2SA1015GR/2SC1815GRのhFEは200-400にばらついています。シミュレーションでは1000 Vかけようが100 A流そうがエラーにはならないのでとにかくデータシートをよく読むことです。