安定化電源：帰還型と無帰還型をLTspiceで比較

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。

帰還型NFBと無帰還型NON-NFBの比較

比較する回路

帰還型