トランジスタをVbeで選別 その３ JFETで組んで見る。

この間飲みながら書いた記事は結構支離滅裂ですが（＾ｑ＾；定電流源にバイポーラ・トランジスタを使うよりJFETを使った方が部品数が少なく済み、電源も単電源で測定できそうです。

回路図

Q1は検査対象のNPNトランジスタ（2SC1815）です。

R4は10kΩのトリムで10Ω~10kΩでパラメータ分析しています。R3は電流値を検出するためのシャント抵抗です。

Q1の各端子の電位

Q1のベース・バイアスV(vb)はVCCをR1、R2で分圧して2Vにしています。シミュレーションでは少し低い値になっています。

Q1のエミッタ電位V(ve)は測定するV(vb)からVbe分電圧降下した値になっています。エミッタ(≒コレクタ)に流す電流によって変化しています。

エミッタ電流

N-ch JFET J1の特性によりますが、10kΩトリムのR4の設定値によって100uA（縦軸の0.0001）程度~1mA（縦軸の0.001）程度ぐらいはエミッタ電流を変化させられそうです。

Visでエミッタ電流を測定

R3に流れる電流はQ1のエミッタ電流と同じなので、V(vis)の電位を測定すれば、エミッタ電流Ieは Ie = V(vis) / R3(=100Ω) で測定できます。

実験

ブレッドボード配線図

測定手順

１． 電源電圧が+9V前後なのをチェック
２． A点が2V前後なのをチェック
３． B-C点の電圧Vbc、エミッタ電流Ieとして、Vbc = Ie * 100 と換算して流したいエミッタ電流になるようにトリムR4を調節する。100uA流したい場合は10mV。1mA流したい場合は100mV。
４． ブレッドボード図の「VMeter」のようにテスタをあててVbeを測定する。

エミッタ電流とVbeの関係の実験

トリムR4を調整して、エミッタ電流を変えてVbeを測定しました。

エミッタ電流Ieが多いほど、ベース・エミッタ電圧Vbeが高くなっていて、変化も大きいです。

トリムの調節が難しいので、多回転タイプのトリムのほうがいいかもしれません。

温度とVbeの関係の実験

テスターでVbe、HDC1000不快指数計で室温をロギングしました。どちらも測定間隔は0.5sですが同期はとれていません。

エアコンを入れたり切ったりして室温を変えました。

※Vbeのグラフの縦軸は反転してあります

横軸の0～8000あたりを見ると室温はが29℃～30℃で1℃程度上昇していて、Vbeは574mV～570mVで4mV程度の下降になっています。-4mV/℃程度です。

また、横軸の8000以降では室温が1.5℃程度に下がっていますが、Vbeは2mV程度の上昇です。

これらは室温が変わってもトランジスタの中の接合温度は変化しにくいためだと思います。

テスト測定

室温： 26.42℃～26.64℃
電源電圧： 8.96V
Vb: 1.931V
Vis：10.01mV

横軸の単位は0.5sなので、30s程度待って読み取れば十分そうです。

トランジスタをVbeで選別 その２

トランジスタのマッチングはかなりシビアな問題です。流す電流や温度によって測定値がコロコロ変わります。

同じ条件でマッチングが取れていたらOKだと思いますが、その条件を確定するのが難しい。

温度は室温で測定するとして、電流値を目で見てわかるようにすることを考えました。

コレクタ≒エミッタ電流

実験中のTLF01を想定して、電源（VCC）は9Vとし、ベースに加える電圧（Vb)は2Vとしました。

回路図のVbとVeの差分がVbeです。I１は電流源で「何があってもこの電流しか流さん」という役目をになってます。

I1の電流値を1uA～1mAにしてパラメータ解析しました。

流す電流によって620mV～420mVまで変わります。

トランジスタの温度係数は2mV/℃の係数があるので、こんなにバラツキがあっては選別が困難です。

選別にはコレクタ→エミッタの電流値を確定する必要があります。

JFETの定電流源にしてみる

Vbの電圧をR1とR2の分圧で2Vにし、定電流源をJ1とR4にしました。

R4の値を変えるとJ1のドレイン-ソースに流れる電流が変わるので電流値を可変できます。

R4の値を500Ω~10kΩにすると、Q1のエミッタ電流（Ie（QA1)）はおおよそ50uA~750uAになりました。

1mVの精度でトランジスタを選別するのはむずかしいですが、同じ電流を流し続けられればできるかな（＠＠？

メモ

J1まわりの定電流源の電流値はR4の両端の電圧を測ればできそう？

トランジスタをVbeで選別

トランジスタのhFE、Vbeの測定にAVRトランジスタテスターを使っていましたが、精度が不明です。測定しなおすと値がまるで違ったりします。

測定時間もそこそこ長くかかります。

定電流源を使ったVbeの測定

「達人と作るアナログシンセサイザー自作入門」で紹介されているVbeの測定方法を試しました。

シミュレーション回路図

Q2が検査対象のNPNトランジスタです。

OPAMP U1とNPNトランジスタQ1周りの定電流源を使ってQ2のエミッタ電流を引っ張ります。Q2のエミッタ電流は100uAになるように定数を決めています。

OPAMP U1はVrefとVe1が等しくなるように働きます。

各部の電位

定電流源の出力電流I(R1)は0.1mA（100uA）になっています。

V(out) - GND間の電圧を測定すればQ2のベース・エミッタ電圧が計測できます。

ブレッドボード配線図

Q1: 2SC1815GR
U1: TL072

トランジスタのVbeは2mV/℃の温度計数があるので、測定時には作業用手袋をしてピンセットを使って熱が伝わらないようにしました。マスクも着用（＾ｑ＾；

電源はヘッドホンアンプ用に作った±9V安定化電源を使用しました。

実験結果

室温: 25.7℃～25.2℃
電源電圧: +8.95V / -9.05V

Vc1 -1.617V
Vb1 -3.518V
Ve1 -4.102V
U1+ -4.101V

2SC1815GR 80本を測定。

測定時にVbeの値が徐々に大きくなるので変化がゆるくなるタイミングで計測しました。

Vbe(mV)	個数
573	1
574	0
575	1
576	0
577	16
578	34
579	26
580	9
581	0
582	2
583	0
584	2
585	2
586	0
587	1

選別後何本か測定しなおしましたが、誤差1mV程度で収まっているようです。

差動増幅回路 トランジスタ２段

Analog2.0のVCFで使われている差動増幅回路です。MiniMoogのVCFの差動増幅回路も定数は違いますが同じ回路が使われています。

シミュレーション回路図

差動増幅回路のNPNトランジスタを２段直結しています。一見するとダーリントン接続に似ていますが、１段目のTr（Q1、Q2）のエミッタが２段目Tr（Q3、Q4)のベースに接続しているだけでなく、100kΩのRを通してVEEに接地しています。

入力はV3、V4で+8Vにシフトした10mVp-pの逆位相のサイン波です。

「OUT」が回路の出力で、「Feedback」はトランジスタ・ラダー回路へのフィードバックです。

過渡解析

V(out)は約2.6Vp-pで入力に対して約260倍(48dB)で、V(feedback)は約396mVで入力に対して約40倍(20dB)です。

ダーリントン接続

ダーリントン接続と比較してみます。

シミュレーション回路図

R2とR3を取り除きました。

過渡解析

V(out)は約1.6Vp-pで入力に対して約160倍(44dB)で、V(feedback)は約244mVで入力に対して約24.4倍(28dB)です。１段目のエミッタを接地した方が、ダーリントン接続よりも増幅率が高くなっています。

いずれにせよ増幅率はTrのhFE依存していて目いっぱい増幅率を稼ぐ回路です。

増幅率を制限する

ダーリントン接続の場合Q3、Q4にエミッタ抵抗R2、R3を入れると増幅率を制限できます。

シミュレーション回路図

コレクタ抵抗RC = R6 + R7 + R8 = 1227Ω、エミッタ抵抗RE = 100Ωで、増幅率Av = RC / 2RE = 6.135(15.8dB)となります。

過渡解析

V(out)は約109mVp-pで入力に対して約10.9倍(20.7dB)です。少し大きいですね。

AC解析

AC解析するとV(out)は15.4dB程度になっています。何か変（＠＠？

Tr回路の実験 カレントミラー回路

「定本 トランジスタ回路の設計」では、カレントミラーは差動増幅回路のコレクタ負荷の置き換えとして紹介されていますが、差動増幅回路はブレッドボードでの実験が難しいので単体で実験してみました。


シミュレーション回路図

電流源のI1の電流がコピーされてR1に流れます。実際の回路では電流は測定しにくいので、R1を100Ω、1kΩ、10kΩにしてパラメーター解析しました。R1の値を変えても電流は変わらないので、R1の値によって電圧降下が変化します。

I1をDC解析の「Source to Sweep」としてR1の電圧降下(VCC-OUT)をDC解析しました。

DC解析

RL=1kΩのとき（青色の線）を見ると、おおよそ V(VCC,OUT)　= 1k * I1 で比例しています。RL=10kΩのとき（赤色の線）では、おおよそV(VCC,OUT)　= 10k * I1 です。

I = E / R なのでR1に流れる電流はI1と同じことになります。

ブレッドボード配線

電流源には自作の可変電流源を使いました。入力電圧に比例した電流が出力されます。出力電流(mA) = 入力電圧(V)となるように調整しています。

0V～2Vの電圧を入力すると0mA～2mAの電流源になります。

入力電圧は5V電源を10kΩのPOTで分圧して作っています。

入出力の測定（DC）

可変電流源への入力電圧とQ2のコレクタ電圧をテスタで測定してグラフ化しました。

負荷抵抗1kΩ、電源電圧5.052V

ほぼ比例していますが、少し傾きが大きくなっています。←入力電流より出力電流の方が大きくなっている。

負荷抵抗10kΩ、電源電圧5.052V

横軸の300mV、400mVあたりの縦軸を見るとこちらも傾きが少し大きくなっています。VCC付近になると出力がなだらかに頭打ちになるのはシミュレーションと同様です。

RLの値を変えてもほぼI1と同じ値の電流が流れていると言えます。

測定データ

RL=1kΩ(0.9994kΩ@DE-5000(DCR))
PWR(mV) 5052

IN(mV)	OUT(mV)	PWR-OUT(mV)
0	5055	-3
200.2	4844	208
398.2	4632	420
603	4406	646
804	4185	867
997	3966	1086
1201	3732	1320
1400	3494	1558
1599	3241	1811
1797	3010	2042
2001	2751	2301

RL=10kΩ(9.980kΩ@DE-5000(DCR))
PWR(mV) 5052

IN(mV)	OUT(mV)	PWR-OUT(mV)
0	5022	30
49.5	4517	535
100	3982	1070
151.1	3392	1660
199.3	2950	2102
251.2	2410	2642
302.4	1723	3329
350.6	1278	3774
401.8	820	4232
450.6	336	4716
498.7	119.5	4932.5
551.1	85.9	4966.1
600	72.2	4979.8

RL=10kΩの時、IN=400mV(可変電流源によって0.4mAに変換される）以上になると出力電圧の測定値がふらついてなかなか定まらないようなので、この間買ったロギング機能付きテスタのOWON B35を使って変動を見てみました。(Sampling Interval: 0.5s)

IN=485.2mV

最大値 183.4 mV
最小値 162.2 mV
平均 169.9599646 mV
標準偏差 3.689718804 mV

IN=100.7mV

最大値 4009 mV
最小値 3994 mV
平均 3998.055014 mV
標準偏差 1.591573913 mV

標準偏差を見ると、IN=485.2mVの方が大きくなっています。発熱の影響なのかテスタの読み取り精度の影響なのか（＠＠？

入出力の測定（AC）

シミュレーション回路図

過渡解析

1mAp-pのサイン波を入力して、V(OUT)(Q2のコレクタ電位)を測定しています。V(OUT)はおおよそ4.0V～5.0Vの1Vp-pで、入力に対して反転しています。

ブレッドボードで実験

AD9833ファンクションジェネレータで1kHz/1Vp-pのサイン波を出力して入出力をオシロで測定しました。

ブレッドボード配線

ch1:可変電流源への入力電圧 ch2:OUT

オシロの表示値をみると、OUTは3.960V～5.040Vで入力に対して反転。歪も見られないようです。

Q1、Q2のベース電流をTrで駆動

EDN Japanの「電流信号をコピーする！ カレントミラー回路をマスターしよう (1/3) 」にTrを1つ追加してベース電流を供給する回路が紹介されています。

シミュレーション回路図

DC解析

過渡解析

シミュレーションだとTr 2個バージョンとほとんど差がないようです。

ブレッドボードで実験

前述の入出力の測定（AC）だけ行いました。

ブレッドボード配線

ch1:可変電流源への入力電圧 ch2:OUT

実験でもほとんど差がありません。

入力するサイン波の周波数を上げてみる

300kHzまで周波数を上げると波形に歪が出ました。

Tr 2個バージョン

ch1:可変電流源への入力電圧 ch2:OUT

Tr 3個バージョン

ch1:可変電流源への入力電圧 ch2:OUT

ただし、これは使っている可変電流源の歪です。

可変電流源の出力負荷を単に1kΩの抵抗にして、抵抗の両端の電圧を測定すると下のようになります。

ch1:可変電流源への入力電圧 ch2：負荷抵抗の両端の電圧

※可変電流源のOPAMPにはAD8532を使用

参考：「可変電流源 AD9833ファンクションジェネレータでOPAMPを評価」

実験に使ったTrの特性

Q1: 2SC1815Y B=164 Vf=706mV
Q2: 2SC1815Y B=157 Vf=706mV
Q3: 2SC1815Y B=169 Vf=708mV

※AVRトランジスタテスタで測定

Tr回路の実験 差動増幅回路 その2

差動増幅回路をブレッドボードで実験しました。

回路図

ブレッドボード配線図

定電流源に使っているQ3のバイアス回路のR6、R7を12kΩ、33kΩに変更しました。

信号源： PCM5102A PCM5102Aファンクションジェネレータ+4次バターワースLPF
電源電圧： +4.98V / -4.99V
Q1： 2SC1814 GR (β=417 Vf=691mV) （※）
Q2： 2SC1814 GR (β=417 Vf=693mV) （※）
Q3： 2SC1814 GR (β=380 Vf=689mV) （※）

（※）AVRトランジスタテスターで測定

入力

ch1:IN1 ch2:IN2

主にch2:IN2に信号波形が現れていて、ch1:IN1はノイズに埋もれてしまっています。4次バターワースLPFの出力のOUT側をch1、GND側をch2に接続しています。

差動入力なのでこれでいいかと思いましたが、3線のバランス出力(+、-、GND)で出力しないとうまくいかないのでしょうか？

出力

ch1:OUT1 ch2:OUT2

出力はちゃんと差動出力になっています。入力が100mVp-pとすると、OUT1、OUT2それぞれの増幅率Avは Av = 2.18Vp-p / 100mVp-p = 21.8(26.8dB)です。

Trの各端子の電位

Q1、Q2のエミッタ電位

ch1:Ve ch2:OUT2

Q1、Q2のエミッタの電位ch1:Veは-687.6mVで振幅はほとんどありません。AVRトランジスタテスターで測定したVfと近い値になっています。

Q1、Q2のコレクタ電位

ch1:Vc1 ch2:Vc2

Q1のコレクタ電位Vc1の中心値は2.554V、Q2のコレクタ電位Vc2の中心値は3.200Vで656mVの差が出てしまいました。原因はよくわかりません（＾ｑ＾；

入力を片側だけにする。

信号源からの入力をIN1のみにし、信号源のGND側はGNDに接続しました。

入力

ch1:IN1

出力

ch1:OUT1 ch2:OUT2

出力はOUT1が1.152Vp-p、OUT2が1.144Vp-pで、入力を100mVp-p(信号源の出力は両側に入れた場合からいじっていない)とした場合、OUT１の増幅率Av1、OUT2の増幅率Av2は

Av1 = 1.152Vp-p / 100mVp-p = 11.52(21.2dB)
Av2 = 1.144Vp-p / 100mVp-p = 11.44(22.2dB)

で、差動入力した場合の約半分になっています。←差動入力した場合と片側をGNDに落とした場合は動作が異なる。

オフセット電圧

入力を両方ともGNDに落としてオフセット電圧を測定しました。R2を除去してQ2のベースを直接GNDに落とした場合と比較しました。

R1=10kΩ、R2=10kΩを介してGNDに接地

ch1:Vc1 ch2:Vc2

R2=10kΩのみ除去してGNDに直接接地

ch1:Vc1 ch2:Vc2

R2ありの場合はオフセット電圧は32mVですが、R2を除去した場合は1.501Vと大きなオフセット電圧が発生しました。

OPAMPの反転端子、非反転端子の入力インピーダンスを合わせておけ、というセオリーも納得です（＾ｑ＾／

OUT1だけを出力として利用

OUT2のコレクタ抵抗R4を除去してOUT1だけ出力として使いました。入力もIN1のみ。

ch1:IN1 ch2:OUT1

シミュレーションと同じく、出力はR4を入れた場合より若干歪んでいる気がしないでもないですが（＠＠？

周波数特性

信号源をAD9833ファンクションジェネレータ（Bypass出力）に変更して周波数特性を測定してみました。出力が600mVp-p程度なので入力に直列に56kΩのRを入れて減衰させて測定しました。

回路図

@1kHz

ch1:IN1(減衰後) ch2:IN2

増幅率Avは Av = 1.32Vp-p / 64mVp-p = 20.6(26.3dB)。

@1kHzと比較すると測定した最低周波数の500kHzですでに-3dBより下がっているようです。

増幅率が高いのでよくわかりませんが、エミッタ接地回路とくらべても周波数特性は悪化するようです（参考：「Tr回路の実験 エミッタ接地回路 その２」）

ブレッドボードでの実験の限界も感じます。

測定データ

F(kHz)	IN(mVp-p)	OUT(mVp-p)	Av	Av(dB)
500	52	268	5.153846154	14.24262901
600	46.4	216	4.655172414	13.35871541
700	46.4	180	3.879310345	11.77509049
800	48	156	3.25	10.23766722
900	46.4	130	2.801724138	8.948507435
1000	42.4	116	2.735849057	8.741842653
2000	30.4	43.2	1.421052632	3.052203264
3000	21.6	27.2	1.259259259	2.002303058
4000	20.8	18.4	0.884615385	-1.064910239

F(kHz)	IN(mVamp)	OUT(mVamp)	Av	Av(dB)
500	43.2	260	6.018518519	15.58979202
600	41.6	204	4.903846154	13.81073674
700	38.4	168	4.375	12.81956115
800	37.6	144	3.829787234	11.66349294
900	35.2	126	3.579545455	11.07655763
1000	34.4	110	3.197674419	10.09668485
2000	24	40	1.666666667	4.436974992
3000	14.4	24	1.666666667	4.436974992
4000	13.6	15.2	1.117647059	0.966093591

可変電流源

Q3の定電流源を、自作の可変電流源に置き換えてみましたがうまくいきませんでした。

この差動増幅回路ではうまく使えないのかもしれません。

VEEに引っ張る電流なので、可変電流源の電源の＋を差動増幅回路のGND、可変電流源のGNDを差動増幅回路のVEEに接続しました。可変電流源の設定電圧はGNDとVEEを10kΩのPOTで分圧して与えています。

2mA設定時（可変電流源の設定電圧:2.00V）

ch1:OUT1 ch2:OUT2

1mA設定時（可変電流源の設定電圧:1.00V）

ch1:OUT1 ch2:OUT2

1mAに設定したときに出力が歪んでいるのと（2mAの時も歪んでいますが）、OUT2に出力波形が現れていません。

誤算気味（T_T；；；

メモ：

Q3の定電流源の電流を変えてみる（R5の抵抗値を変更）

自作の可変電流源のOPAMPを耐圧の高いものに変更して、電源をVCC / VEEにしてみる。