オペアンプの発振

質問

オペアンプの負帰還回路で出力にトランジスタを
接続して定電流回路を組んでいますが、出力が
発振してしまいます。
文章ですが、出来る限り条件を記載しますので
何故発振しているのかについて、ヒントだけでも
頂けませんでしょうか？（当方初心者です。）

・オペアンプはＮＪＵ７０４２Ｆ（ＪＲＣ）、
・１ピン(＋入力)に０～０．５Vを入力、出力は１ＫΩを介して
　トランジスタ２ＳＤ２２１２（ＲＯＨＭ）のベースに接続。
・オペアンプの電源は５Ｖ
　トランジスタのコレクタは負荷（ＬＥＤ）を接続
　トランジスタのエミッタは分岐しており、
　一方は１ＫΩを介してオペアンプの３ピン（－入力）に接続
　もう一方は１Ωを介してＧＮＤに接続。

試した事
１：オペアンプの出力抵抗は０～２．４ＫΩの範囲で取り替えて
　　みましたが、改善みられず。
２：オペアンプの＋入力が低い領域（０～０．１V程度）では発振しない。

過去ログその他等でいろいろ調べましたが、位相が云々等書かれて
いますが基本的知識が乏しいので理解できていません。

オペアンプ及びトランジスタの仕様はアドレスを記載します。
http://semicon.njr.co.jp/njr/hp/productDetail.do?_isTopPage=false&_productId
=203&_moveKbn=PRODUCT_DETAIL_MOVE_SPEC

http://www.rohm.co.jp/products/discrete/transistor/bipolar/2sd2212/

回答No.8

KEN_2

ANo.6 です。

説明の都合で追加質問の順序を変えて回答します。
＊ブロッキング発信→ブロッキング発振に誤字訂正します。
ANo.7 さん　サンクス・・・

１．電源電圧約１２.２Ｖ　＜－BATT電圧ですね。
２．ＬＥＤ３個直列でVF=10.4V（IF=350ｍA時）約3.5V/1個あたり（青色LED？）
＊よって、Tr；2SD2212のVce電圧は約1.3Vの印加電圧になり、hfeは充分に電流増幅の性能は発揮しません。
（Vceに2V以上を印加してhfe；1k~10kとなります。）
　12.2V-10.4V-0.2V（TrのVset電圧）-0.5V（1Ωの電圧降下；500mA流したとき）
　以上から、約1.3Vの印加電圧となります。

(1)＞負荷電流不足のブロッキング発振と判断します。
　負荷電流不足とはどういうことでしょうか？
＊オペアンプの (IOH/IOL=200uA typ) から、Tr；2SD2212のhfe；1k~10kで、
　200uA　のX1000（hfe；1k）でTr；2SD2212に200mA以上流せません。
　（ダーリントンTrのhfeはVceが2V以下になると、半分以下の極端に低下します。）
　よって、オペアンプが電流出力→過電流で断→出力断で→オペアンプ復帰の繰り返し
　（ブロッキング発振の繰り返しとなり、入力電圧を0.1V以下にすると復帰する。）

(2)エミフォロTrにはどの様なものを選定したらよいでしょうか？
(3)エミフォロ（E.F）Trのコレクタには５Ｖ位を入力すれば良いでしょうか？
＊通常の低周波用TrでNPN型（例；2SC1815など）hfe；150程度で可
　5Vで可、Cを5VにBを1KΩの出力側、EとTr;2SD2212の間に電流制限抵抗を挿入する。
　抵抗は約3.7ＫΩ程度とする。（ベース電流；1mAとする。）
　5V（VCC）-1.2V（Tr；2SD2212のVce）-0.2V（E.FのVce）3.6Vから1mAとすると、

追伸：
１．VF=10.4V（IF=350ｍA時）から、1Ωで0.5A流れますので、LEDを劣化させます。
２．入力電圧;0.5Vから→LED電流0.35Aに制限する必要があります。
　1Ωが低いの指摘の一端で、オペアンプがノイズで誤動作します。
　0V/0.5V入力を0mA/350mAに対応させて変換する必要があります。
３．他の方も指摘していますが、オペアンプの閉ループ特性から、C;0.022μFの追加で発振対策をしておく必要があります。
＊開ループゲイン・閉ループゲイン・利得帯域幅で電子回路の定石を調べてください。
　（ノイズに弱く、温度変化で発振したりします。）

# 幾つか電子回路の問題を含んでいますので、近くの技術者に相談されたほうが宜しいかと考えます。

回答No.7

anachrockt

原因としては，No.6の方のブロッキング「発振」が一番くさそうです．
トランジスタをパワーMOSFET（ロームなら2.5V駆動のこんなの）したらどうでしょう．
http://www.rohm.co.jp/products/discrete/transistor/mosfet/rtr030p02/

(1)'Band Width'で帯域幅のことです．
詳しく言うと'Gain Band Width:GB or GBW'で利得帯域幅（積）です．
オペアンプのカタログでは，「Ft」と書いてありましたね．
厳密に言うと色々ありますが，今回はBW=GB=GBW=Ftと考えてもかまわないでしょう．

(2)抵抗とコンデンサの積（次元は時間）が等しくなるようにします．
1kΩ×0.022μF＝10kΩ×2200pF
です．
周波数に直すと，周波数＝1/（時間）ですが，理由があって角周波数になりますから，
1/（2π×1kΩ×0.022μF）＝7.234kHz
になり，オペアンプのFt=47kHzに対し安全を見込んだ周波数になります．

回答No.6

KEN_2

下記結論から負荷電流不足のブロッキング発信と判断します。
LEDの輝度は下がりますが、1Ωを5Ω以上にするか、
オペアンプ出力は「１ＫΩを介して」の後に、
Tr；2SD2212の前にエミフォロのTrを挿入すれば安定するはずです。

幾つか疑問の定数があります。
回路の仕様が明記されていないので、仮定で定めて検討します。

入力：０～０．５V；　0V時LEDオフ、0.5V時LED点灯
LED仕様不明；→Vf；3.2Vの駆動電流が500mAの照明用大電力のLED！？

・オペアンプはＮＪＵ７０４２Ｆ（ＪＲＣ）
高出力シンク／ソース電流 (IOH/IOL=200uA typ)
出力は１ＫΩを介して
・トランジスタ２ＳＤ２２１２（ＲＯＨＭ））のベースに接続。
　hfe；1k~10k　　←から　1KとしてVce；1.3V時　（hfeはもっと下がる。！！）

トランジスタのエミッタは・・・・１Ωを介してＧＮＤに接続。
＊１Ωは低過ぎます。バラツキや安定度を考えると種類や回路を工夫すべきです。

補足

回答ありがとうございます。
何点か教えていただきたいのですが・・・
(1)＞負荷電流不足のブロッキング発信と判断します。
　負荷電流不足とはどういうことでしょうか？
(2)エミフォロTrにはどの様なものを選定したらよいでしょうか？
(3)エミフォロTrのコレクタには５Ｖ位を入力すれば良いでしょうか？

それと補足ですが、

・ＬＥＤについて詳細は言えませんが３個直列でVF=10.4V（IF=350ｍA時）です。
（ＬＥＤのあたまには約１２.２Ｖを入れています。）

・＞１Ωは低過ぎます。
　理由を教えて頂けると有り難いです。

回答No.5

anachrockt

＃2の方は誤解されているようですが，質問者の回路は典型的な定電流回路です．

負帰還ループを切るとゆうことは，BW（＝47kHz）以下でループゲインを1（0dB）にするとゆう意味です．
ループゲインを0dBにする周波数をクロスオーバー周波数と言いますが，これを安定のために10kHz以下にします．
出力とベースに接続されている1kの抵抗はそのままで，反転入力とエミッタに接続されている抵抗を例えば10kにすれば，オペアンプの出力から反転入力に直接入れるコンデンサは2200pFでもかまいません．

お礼

回答ありがとうございます。
何点か教えてほしいのですが・・・
(1)ＢＷとは何の略でしょうか？
(2)＞反転入力とエミッタに接続されている抵抗を例えば10kにすれば，オペアンプの出力から反転入力に直接入れるコンデンサは2200pFでもかまいません．
これの計算式を教えていただきたいのですが。
宜しくお願いします。

回答No.4

inara1

こういう回路ですね。

　　　　　　　　　　+5V
　　　　　　　　　　 ├──────-┐
　　　　　　　　　　 │　　　　　　　　　 ▼ LED
　　　　　　　　　　 │5　　　　　　　　 │
　　　　　　　　　1┏┷┓4　　　　　　　C
　Vin ────┨+　┠─ 1k ─ B
（0-0.5V）　 3┌┨-　┃　　　　　　　 E
　　　　　　　　│┗┯┛　　　　　　　 │
　　　　　　　　└─ ）── 1k ──-┤
　　　　　　　　　　　│2　　　　　　　 1Ω
　GND ────-┴──────┘

OPアンプとトランジスタがチップ素子なので、趣味の回路ではなさそうですね。
エミッタ抵抗が 1Ω と、とても小さいのが気になりますが、これだと、Vin = 0.1V のとき、LEDに流れる電流は 100mA になりますね。
エミッタ抵抗が小さいのは、LED に100mA以上の電流を流すことを想定しているのだと思いますが、LED に 100mA 以上の電流 If を流したときの LED の順方向電圧 Vf は何Vになりますか？（LEDの型番・データシートはありますか）

LED の Vf が大きくなると、2SD2212 のコレクタ-エミッタ間電圧 Vce （ = 5V - Vf - If ） が下がってきますが、このVce が 1V を下回ると、2SD2212 の電流増幅率が下がってきます。2SD2212 はダーリントントランジスタなのでもともと電流増幅率は大きいのですが、Vce < 0.7５V の状態で LED に 100mA以上の電流を流そうとすると、1mA 以上のベース電流が必要になってきます（データシート2ページ目のFig1を参照）。NJU7042 のデータシートには、出力電流と出力電圧の関係を示すデータが載っていないので詳細は分かりませんが、データシートの2ページ目にある「電気的特性」にある出力ソース電流は 200μA（出力電圧が電源電圧から 0.3V下がるときの電流）とあるので、ベース電流を 1mA も流すと、OPアンプの出力電圧が相当下がってしまい、必要なベース電流が流せないということが起こっているのではないでしょうか。

OPアンプの出力電圧低下と、Vin > 0.1V で発振するのと関係あるのかどうか分かりませんが、以下の情報が分かると原因追及の手助けになるかと思います。
　・Vin を 0.1V, 0.2V,0.3V と変化させたとき、Vce は何Vになるか（発振しない範囲で）

[1]　NJU7042データシート　http://semicon.njr.co.jp/njr/hp/fileDownloadMedia.do?_mediaId=1093

お礼

回答ありがとうございます。
＞・Vin を 0.1V, 0.2V,0.3V と変化させたとき、Vce は何Vになるか（発振しない範囲で）
時間が無くて確認できていませんので、今週中には確認して回答したいと思います。

回答No.3

angkor_h

ANo.2です。一つ忘れました。

>トランジスタのエミッタは分岐しており、
　一方は１ＫΩを介してオペアンプの３ピン（－入力）に接続
(-)への帰還は、さらに出力への接続と組み合わせるのが普通です。
あなたの方式は、全帰還で、且つ、出力トランジスタのVbeが固定的に加えられていることに注意してください。

お礼

回答ありがとうございました。
参考にさせていただきたいと思います。

回答No.2

angkor_h

何をする(何が目的の)回路ですか?　発振とはどういう状況ですか?

>・オペアンプの電源は５Ｖ　・１ピン(＋入力)に０～０．５Vを入力、
オペアンプの基本は、(+)と(-)の入力差を増幅することです。
あなたの言う「発振」とは、出力が天井に張り付いた状態のことですか?

>１：オペアンプの出力抵抗は０～２．４ＫΩの範囲で取り替えてみましたが、改善みられず。
オペアンプの(-)入力抵抗分より小さく見える限りは帰還比率が変わらないため、変化は無いはずです。
>２：オペアンプの＋入力が低い領域（０～０．１V程度）では発振しない。
ゲインが低い領域では、と言うことなのでしょう。
>もう一方は１Ωを介してＧＮＤに接続。
これではショートと同じです。

####
入力は(-)にしてゲインを取り、(+)をバイアスして、これを中心に入力を振れば、出力をLED点滅にできると思います。(+)バイアスや負帰還ゲインを調整すれば、LEDの明暗表示も可能です。

回答No.1

anachrockt

位相が云々等とゆうのは，オペアンプで負帰還ループを切れとゆうことです．
オペアンプのBWが47kHzですから，オペアンプの出力から反転入力に直接0.022μF程度のコンデンサを付けたらどうでしょうか？
もちろん，出力と反転入力に接続されている1kの抵抗はそのままで．
ところで，2SD2212は放熱しないで使って大丈夫ですか？
損失を見た方が良いかも．

お礼

回答ありがとうございます。
のちほどコンデンサを試してみたいと思います。
トランジスタの損失は0.6W弱ですので、放熱無しでは
厳しいと思っています。