第134回：電気・電子回路における電源回路の基礎　－ツェナーダイオード＋トランジスタ（５）－

電気・電子回路における電源回路の基礎　－ツェナーダイオード＋トランジスタ（５）－

①はじめに

これまで、小電力、低電圧の電源回路として、ツェナーダイオードと抵抗１本を使った回路に始まり、ツェナーダイオード＋エミッタフォロア、さらに、帰還制御を使った回路まで、取り上げてきました。

それぞれの回路で、入力変動特性、負荷変動特性を見てきましたが、それらは、緩やかな変化に対するものであって、ほぼDC特性と言えます。

しかし、実際に応用する際には、接続される入力電圧、負荷電流ともに、より高速の変化をすると考えるべきでしょう。昨今では、スイッチング電源が一般的ですし、デジタル回路との混在も普通のこととなっていますから、高速変動に対する過渡特性も調べてみることにします。

【注意】
これまで提示してきたシミュレーション回路は、動作原理の理解を主眼としたものであり、最適化された実機設計とは異なります。したがって、今回の結果については、個々の数値、波形などに拘泥することなく、大雑把な傾向をつかんで、参考とする程度に留めて下さい。

②ツェナーダイオード＋トランジスタ

入力ノイズ除去特性

入力には、何らかのノイズが含まれていると考えられますが、この入力ノイズをどのくらい除去できるか、見てみましょう。

シミュレーション

シミュレーションファイル「ZD＋Tr_入力ノイズ除去_過渡特性.asc」を参照して下さい。

ノイズ成分として、1Vpp、100KHzの矩形波を入力12Vに重畳しています。矩形波の立ち上がり、立ち下がりは、ともに10nsで、かなり高速にしています。

出力電圧のグラフを拡大してみると、以下のような結果となっています。

・ツェナーダイオード・・・・・・約1.1mV（１／909）オーバーシュートなし

・ＺＤ＋エミッタフォロア・・・・約1.5mV（１／667）オーバーシュート3.2mV

・ＺＤ＋エミッタフォロア２段・・約7.0mV（１／143）オーバーシュート5.1mV

・帰還制御基本回路・・・・・・・約8.1mV（１／123）オーバーシュート2.0mV

・帰還制御＿差動アンプ構成・・・約 12mV（１／83） オーバーシュート8.8mV

この結果を見ての個人的な感想ですが、トランジスタ（能動素子）の数が増えるにつれて、入力ノイズ除去特性が悪くなることは、予想していたものの、一桁オーダーの差があるとは、少し驚きです。

設計において「可能な限り、単純な構成が望ましい」という指針は、疎かにしてはいけないようです。さらに、実用設計時には、ノイズフィルタを追加するなど、特性改善の追加回路を検討することになると思います。

シミュレーション

シミュレーションファイル「ZD＋Tr_入力ノイズ除去_周波数特性.asc」を参照して下さい。

上記の結果を周波数特性の面から確認してみました。

1MHzあたりまでは、平坦な特性で、かつ、減衰量は過渡特性の順番と一致しています。トランジスタを使っている回路では、10MHzより高域では減衰量が減少（グラフは上昇）しており、これらの回路でオーバーシュートが発生していることが裏付けられています。一方、ツェナーダイオード回路は、高域でさらに減衰量が増えています。これは、「オーバーシュートなし」と符合します。

帰還制御回路では、100MHzより高域で特性が大きく変動していますが、この辺りについては、今回のような原理的な回路で議論すべきでは無いと思います。「帰還回路は動作の安定化に留意しなければならない」ということの傍証と考えるくらいで良いでしょう。

今回の一言

次回は、高速負荷変動の過渡応答を調べてみたいと思います。

今回取り上げましたサンプルファイルを使うには、アナログ・デバイセズのサイトよりLTspiceをダウンロードしてご利用下さい。