オペアンプの動作電圧に幅をもたせるにはどうすれば

質問

個別部品で簡易的なオペアンプを作ってみようと考えています。
差動増幅などで構成されていると思うのですが、どうすれば動作電圧に幅をもたせることができるのかがよくわかりません。
うろ覚えですが、FETの定電流源でツェナーダイオードを動作させ基準電圧を作り、そこからカレントミラー等で各回路に定電流を供給する、というようなオペアンプの等価回路を見たことがあるような気がします。
こういった定電流源が動作電圧に幅を持たせるポイントなのでしょうか？
どうかよろしくお願いします。

回答No.1

xpopo

今日は。

＞どうすれば動作電圧に幅をもたせることができるのかがよくわかりません。

回答＞＞ここで質問されている「動作電圧」は「入力のコモンモード電圧」だろうと思いますが、それで合ってますか？
一応、「入力のコモンモード電圧」の意味と解して回答差し上げます。

＞FETの定電流源でツェナーダイオードを動作させ基準電圧を作り、そこからカレントミラー等で各回路に定電流を供給する、というようなオペアンプの等価回路を見たことがあるような気がします。
＞こういった定電流源が動作電圧に幅を持たせるポイントなのでしょうか？

回答＞＞その通りです。定電流源はその性質上、出力インピーダンスを非常に高く出来るという優れた性質がありますが、それを積極的に利用します。オペアンプの入力は一般にトランジスタの差動回路になってます。この差動回路の入力がオペアンプの非反転入力および反転入力になってますが、これら２つの入力のコモンモード電圧が大きく変動しても差動回路の共通エミッタ電流が変化しないようにしないと使用出来る入力電圧のコモンモード入力電圧範囲に大きな制約が出てしまいます。この共通エミッタ電流をカレントミラーを使った定電流源で構成すればその電流源の出力インピーダンスが非常に大きいために入力のコモンモード電圧が大きく変動しても差動回路の共通エミッタ電流の変化を非常に低く抑えることが可能になります。

　ちなみに、こちら（http://yahoo.jp/box/Sdokij）に載せた回路図にその一例を示します。図の回路図はディスクリートで組んだオペアンプで4558タイプの回路を構成してあります。
　まず、図で点線の四角で囲んだAの部分が定電流の元となる基準電流発生回路になります。この回路ではツェナーダイオードは使ってませんが、その代わりにnpnトランジスタのVBEを使ってます。
　この回路の動作はまず抵抗R13(33kΩ)でトランジスタQ14のコレクタに約400uA流します（電源のVccが15Vの場合）。Q14のベース－エミッタの並列に抵抗R12（680Ω）接続されてますがこの抵抗にQ13のエミッタ電流が流れます。Q13のエミッタ電流が増えてR12の電圧降下がQ14のVBE（約0.7V）を超えるとQ14のコレクタ電流が増えてQ13のベース電圧が下がりQ13のエミッタ電流を減少させます。結局この回路は常に抵抗R12の電圧降下がQ14のVBEに等しくなる用に動作します。
　結果、Q13のエミッタ電流、即ち、コレクタ電流IC(Q13)はVBE(Q14)／R12で決定されます。この場合約1mAになります。回路はこの電流をダイオード接続の基準トランジスタQ4とR2の直列回路に流してカレントミラーの基準を作ります。
　ディスクリートでカレントミラー回路を作る場合、注意しなければならないことがあります。それはカレントミラーを構成するお互いのトランジスタには相互に特性のバラツキがあるという事です。モノリシックICのばあいはチップ上のトランジスタの相互ばらつきは非常に小さいのでVBEの相互ばらつきも少ないためカレントミラーの精度も非常によいのですがディスクリートの場合はばらつきが大きくなかなかカレントミラーを計算どおり作るのが難しいです。
　対策としてVBEの相互ばらつきを低減するためにエミッタ側に抵抗を挿入します。そしてカレントミラーの基準になるトランジスタのエミッタ側の抵抗に発生する電圧を200mV程度にします。同じコレクタ電流のトランジスタのVBEのバラツキは±50mVも見ておけば十分ですのでこの200mVによってVBEのバラツキは殆ど吸収できます。
　参考に載せたオペアンプの性能は、周波数特性はこちら（　http://yahoo.jp/box/tuMn6X　）に載せましたがだいたい、4558の特性並みです。また肝心の入力のコモンモード電圧範囲ですがこちら（　http://yahoo.jp/box/AAXmA4　）のグラフに示します。回路は全帰還のヴォルテージフォロワーに組んであります。グラフで横軸は入力コモンモード電圧を縦軸は出力電圧を表します。グラフより入力コモンモード電圧は－13.6V～13.5Vの範囲でヴォルテージフォロワーとして動作してることがわかります。また、入力電圧が－14.4V以下になると出力が反転してしまってるのが分かります。これも4558と同じ動作ですね。
　回路のほかの部分についてはご質問の範囲から外れますのであえて説明してませんが、もし質問等ありましたら対応いたします。