以前、Wii Uの15V出力のACアダプターを使ってLepyアンプの安定化電源を検討しました。このとき検討したのはDC-Arrow/DC-Yarrowなどとネットで紹介されているNON-NFB(NON-Negative Feed back)型の定電圧電源です。この回路から安定化電源部分だけを抽出してWii Uの15Vを使ってDC12V出力を得る構想をしました。今のところはLTspiceのシミュレーション検討だけで、実機の製作は未着手です。
ついでに帰還型のタイプについても、LTspiceで比較してみようと思います。
帰還型（NFB）定電圧電源
「定本 トランジスタ回路の設計」第10章の図18に掲示されている回路が、低雑音、低出力インピーダンスを実現しています。この本を持っていたので、早速、説明を理解しながら12V出力できるパラメータに置き換えてLTspiceで回路を組んでみました。
基準電圧V(op+)を作るツェナーダイオードはVz=3.9Vにしました。出力電圧Voutは可変抵抗（R1とR2で配分）で微調整できるようにしています。上図の回路記号を使ってVoutを表すと、
$$ \begin{aligned} Vout &=Vz \times\left(1+\frac{R 1 + R 5}{R 2 + R 3}\right)&= 12\\ \end{aligned} $$
の関係があります。このとき、分圧抵抗は合計で1KΩ程度に停めることが熱雑音に対して有効と説明されているブログがありましたので、そのとおりにしました。
ツェナーダイオードの作る基準電圧を安定させるため、オリジナルに対してCRのLPFを2段で追加しました。カットオフ周波数はCが10uFのときに1Hz程度、1uFのときに10Hz程度になります。
OPアンプには単電源のLM358を使います。また、出力用のトランジスタは低雑音の2SC2240を選択して、２A程度の電流を担保するためダーリントン接続のTTD1415Bとの2段構えにしました。この出力用トランジスタの構成は以前に検討したNON-NFB（DC-Yarrow_MOD)と同じです。
NJFETのJ1は，Q1のベース電流を供給するための定電流源です。この電流からQ1のベース電流を差し引いた電流がすべてOPアンプの出力端子に流れ込みます。出力電流を増やしながらシミュレーションしてみると、出力電流が50mAを超えるあたりからOPアンプに流れ込む電流が急増してOPアンプの出力が維持できなくなる現象が起きました。この現象はOPアンプの出力に直列に入っているツェナーダイオードのツェナー電圧Vzが3.3V以下で発生しました。
OPアンプの出力に直列に入っているツェナーダイオードはOPアンプの出力端子の電圧をGND側にレベルシフトするためのものです。Vz=3.3Vにしましたので、OPアンプの出力電圧は、15 - 3.3 = 11.7V になります。つまり、引用書籍には次のように説明されています。
OPアンプの正電源（8番ピン）は回路の出力電圧をそのまま使っているので，このツェナーダイオードがないとOPアンプの出力電圧が電源電圧よりも高くなってしまいます‘これではOPアンプがうまく動作しません。
時間軸0msから40msの間に0~2Aまで出力電流を増加させた場合のシミュレーションを下図に示します。Vout出力不足の対策として、直列に2kΩの抵抗を入れて電位差をつけています。
OPアンプは二つの入力端子間の電位差がゼロになるように動作します。
と引用書籍にあるのですが、そうはなっていません。OPアンプの出力に入っているツェナーダイオードを3.3V → 5.1Vにすると反転入力（－）側が2.9Vになり、電位差が0.1Vにまで下がりました。
出力電流が増えると電圧が設計通りに立ち上がらない
負荷電流が増えるとOPアンプの正常な出力が得られず、その結果Vout出力が２A程度にしかならない現象について、その原因は私の知識では推測できないのですが、色々パラメータ・シミュレーションしてわかった状況をあげておきます。
直観的に言えば、NJFETから流れ出た電流がOPアンプ出力側へ流れ過ぎて、トランジスタQ1のベース電流が不足しているので、OPアンプ側へ流れにくくすることが対策だと思います。
- 対策１：OPアンプの出力部のツェナーダイオードに直列に抵抗を入れる（＞220Ω）
- 対策２：OPアンプの出力部のツェナーダイオードはツェナー電圧の大きなものにする（＞3.6V）
- 対策３：OPアンプの出力部のツェナーダイオードの種類（LTspice モデル）を変える
帰還型NFBと無帰還型NON-NFBの比較
比較する回路
帰還型
無帰還型（DC-Yarrow改）
入力電圧の変動に対する周波数特性
入力電圧のステップ応答
入力リップルの低減効果
出力インピーダンス
負荷側に電流源を設け電流を振幅1V、1kHzで振動させたときの出力インピーダンス（出力電圧 / 負荷電流）を見ます。
1kHzにおいて、帰還型 57.7mΩ 、無帰還型 41.8mΩ でした。
出力の安定性
まとめ
- 入力電源の変動に対する安定性（周波数応答、ステップ応答）は、帰還型が優れています。
- 入力リップルの低減に関しては、無帰還型が優れています。
- 出力インピーダンスは無帰還型が低く優れていると言えます。（帰還型の0.7倍）
- 出力変動に対する安定性（応答性、収束性）は無帰還型が優れています。
帰還型の注意点
出力段のコンデンサーはセラミックコンデンサーを使うと高周波域のESRが低すぎて発振する恐れがありますので、タンタルコンデンサーかアルミ電解コンデンサーを使います。引用元：SUDOTEK 低雑音電源回路追加
