JPS6040728B2

JPS6040728B2 - パルス幅変調スイツチング増幅トランジスタのベ−ス駆動回路

Info

Publication number: JPS6040728B2
Application number: JP10808878A
Authority: JP
Inventors: 哲雄吉田
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1978-09-05
Publication date: 1985-09-12
Also published as: JPS5535502A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、トランジスタを用いたスイッチング増幅器
の特性を改善するようにしたパルス幅変調スイッチング
増幅トランジスタのベース駆動回路に関する。

第１図はパルス幅変調信号によってスイッチングパワー
トランジスタを駆動する従来のベース駆動回路を示す回
路図である。

この第１図において、１は信号入力端子、２はパルス幅
変調回路であって、信号入力が音声信号の場合、パルス
の繰返周波数は通常７皿舷以上に選ばれている。また、
３は高速スイッチングトランジスタ、４はＮＰＮ形の電
力用スイッチングトランジスタ、５は正極性の電源、６
は負極性の電源、７，８はそれぞれ抵抗を示す。いま、
信号入力端子１に導入された信号入力はパルス幅変調回
路２でパルス幅変調をうけ、このパルス幅変調を受けた
パルスが高速スイッチングトランジスタ３のべ−スに加
えられると、そこで増幅されて、電力用スイッチングト
ランジスタ４のベースに加えられる。

そして、電源５の電圧と抵抗７とにより、電力用スイッ
チングトランジスタ４の最適な順方向ベース電流を与え
、電源６の電圧と抵抗８とにより、電力用スイッチング
トランジスタ４の定格内の逆方向ベース電圧および電流
を与える。ところで、現在利用できる電力用スイッチン
グトランジスタ４のスイッチング時間は無視できるほど
は小さくない。そのため、ベース駆動の条件も最小のス
イッチング時間を得るようにしなければならない。一般
的に、順方向ベース電流は大きいほどターンオン時間は
小さく、ターンオフ時間は逆方向ベース電流が大きいほ
ど４・さくなる。また、順方向ベース電流は十分４・さ
し、コレクタ飽和電圧を得る大きさが必要であり、逆に
、順方向電流が大きくなれば、逆方向電流も大きくしな
ければ、ターンオフ時間が大きくなってしまう。また、
逆方向電流を大きくするには、ベースの逆耐圧に制限が
あるため、駆動源のインピーダンス（第１図では、高速
スイッチングトランジスタ３のオン抵抗、電源６の内部
抵抗および抵抗８の抵抗値）を小さくするより他に方法
はないが、実現性の上では限度がある。したがって、順
方向電流は大きすぎない適当な大きさでなければならな
いが、その大きさはパルス幅によって異なる。

第１図の回路においては、パルス幅の広いところでの最
適な順方向鰭流はパルス幅の狭いところでは、オーバド
ラィブとなり、蓄積時間の影響で歪が増加し、電力用ス
イッチングトランジスタ４がオンする期間はある程度よ
り短くならす、また、パルス幅の狭いところでの最適な
瓶方向電流では、パルス幅の広いところでのターンオン
時間が大きくなり、かつ十分小さい飽和コレクタ電圧を
得ることができなくなる欠点があった。この発明は、上
記従来の欠点を除去するためになされたもので、ベース
駆動電流をパルス幅に応じて変化させかつその電流値と
その変化量を個々に設定することのできるパルス幅変調
スイッチング増幅トランジスタのベース駆動回路を提供
することを目的とする。

以下、この発明のパルス幅変調スイッチング増幅トラン
ジスタのベース駆動回路の実施例について図面に基づき
説明する。

第２図はその一実施例の横成を示す回路図である。この
第２図における９は高速電圧比較器である。この高速電
圧比較器９は２つの入力端子１０，１１を有している。
入力端子１川ま三角波の信号を入力するもので、入力端
子１１は音声などの信号を入力するものである。この高
速電圧比較器９の出力端には三角波の周波数を繰返し周
波数とする幅変調を受けたパルス（パルス幅変調信号）
が現われるようになっている。また、１２，１３はそれ
ぞれバッファを兼ねたィンバータ回路であり、上記高遠
電圧比較器９の出力端に現われるパルスはこのィンバー
タ１２を通して、ベース駆動回路１４の一方の入力端Ｃ
に供給されるようになっている。

このベース駆動回路１４の他方の入力端Ｄには、上記パ
ルスがインバータ１２，１３を介して入力されるように
構成されている。すなわち、インバータ回路１２，１３
により、ベース駆動回路１４の入力端Ｃ，Ｄにコンブリ
メンタリなパルス信号を与えるようになつている。この
ベース駆動回路１４はスイッチングパワートランジスタ
１５のベースを駆動するためのものであって、第３図に
その回路構成の一例が示されている。

この第３図において、ベース駆動回路１４は、入力端Ｃ
，Ｄの制御によって、端子Ａの電圧（トランジスタ１５
のベース順方向電圧）と端子Ｂの鰭圧（トランジスタ１
５のベース逆方向電圧）を出力端Ｅに切換え出力するア
ナログスイッチのごと〈に動作し、そのオン抵抗は非常
に小さい。そしてトランジスタＱ，〜Ｑ，抵抗Ｒ，〜Ｒ
４，コンデンサＣ，，Ｃ２，ダイオードＰ，〜Ｐ３とで
構成されている。ここで、説明を第２図に戻すと、ベー
ス駆動回路１４の出力端Ｅはスイッチングパワートラン
ジスタ１５のベースに接続されており、また、端子Ｂと
このスイッチングパワートランジスタ１５のェミッタ間
にはコンデンサＣ３が接続されている。

スイッチングパワートランジスタ１５のエミツ外まアー
スされ、コレク外ま電圧源糖函敷形のローパスフィルタ
２５に接続されている。一方、１６はバッファアンプで
ある。

このバッファアンプ１６の電源端子には、正極性の電源
入力端子１８が接続されており、この電源入力端子１８
とアース間には、抵抗Ｒ５、可変抵抗２１、抵抗Ｒ６の
直列回路が接続されている。バッファアンプ１６の一方
の入力端と出力機間は直結され、アース端子はアースさ
れている。バッファアンプ１６の他方の入力端はコンデ
ンサＣ４を介して可変抵抗２０の可動端子に接続されて
いる。可変抵抗２０１ま入力端子１１とアース間に接続
され、入力端子に加えられる音声などの信号電圧を所定
のレベルに設定するためのものである。上記可変抵抗２
１は同様に、電源入力端子１８からの正極性の電源電圧
を設定するためのものである。バッファアンプ１６の他
方の入力端はこの可変抵抗２１の可動端子に抵抗Ｒ７を
介して接続されている。これにより、バッファアンプ１
６の他方の入力端には、可変抵抗２０で設定された信号
電圧と、可変抵抗２１で設定された電源入力端子１８の
正極性の直流電圧とが重量されて印加され、その電圧は
電圧源として、Ｆ点に現われるようになつている。バッ
ファアンプ１６の出力端はトランジスター７のベースに
接続されており、このトランジスタ１７はＮＰＮトラン
ジスタによりエミッタフオ。

ワであり、そのコレクタは上記電源入力端子１８に接続
され、ェミッタは抵抗父８、コイルＬを並列に介して上
記Ｆ点に接続されている。このＦ点はコンデンサＣ５を
経てアースされているとともに、抵抗２２を介して上記
ベース駆動回路１４の端子Ａに接続されている。この抵
抗２２と端子Ａとの接続点、すなわちＧ点はコンデンサ
２３を通してアースされている。抵抗２２はスイッチン
グパワートランジスタ１５の瓶方向ベース駆動電流を決
定する抵抗であり、またコンデンサ２３はスピードアッ
プ用のコンデンサである。

また、１９は負極性の電源入力端子であり、ベース駆動
回路１４の端子Ｂに負極性の電圧を印加するようになっ
ている。

さらに、上記ローパスフィルタ２５は抵抗２６を通して
端子２７に接続されており、この端子２７とスイッチン
グパワートランジスタ１５のコレクタ間には、ダイオー
ド２４が接続されている。次に、以上のように構成され
たこの発明のパルス幅変調スイッチング増幅トランジス
タのベース駆動回路の動作について第４図の波形図を併
用して述べる。

まず、入力端子１０‘こ、第４図に示す定振幅の三角波
２８を加え、入力端子１１には音声信号２９を加えると
、高速電圧比較器９の出力端には出力波形３０が得られ
る。この出力波形３０はインバー夕回路１２，１３に加
えられ、インバータ回路１２の出力端、すなわち、ベー
ス駆動回路１４の入力端には出力波形３０を反転した反
転信号３１が加えられる。また、インバー夕回路１３の
出力端、すなわち、ベース駆動回路１４の入力端Ｄにお
ける信号はインバータ回路１２の出力をさらに反転した
信号が印加され、出力波形３０とほぼ同様である。その
結果、ベース駆動回路１４の入力端Ｃ，Ｄにはコンブリ
メンタリなパルス信号が供給されることになる。また、
入力端子１１の音声信号は可変抵抗２０により設定され
たレベルとなって、この可変抵抗２０、コンデンサＣ４
を通してバッファアンプ１６の他方の入力端に加えられ
、この他方の入力端には、電源入力端子１８からの正極
性の電圧を可変抵抗２１により設定した直流電圧も印加
されており、この直流電圧と上述の音声信号が重畳され
た電圧がバッファアンプ１６に加えられる。

このバッファアンプ１６の出力はさらに、トランジスタ
１７のベースに加えられる。これにともない、Ｆ点には
第４図における信号３２が現われる。このＦ点の信号３
２は出力波形３０、反転信号３１と対比しても明らかな
ように、この出力波形３０、反転信号３１のパルス幅が
広くなれば、信号３２の電圧は高くなる。いま、ベース
駆動回路１４の入力端Ｃにおける出力波形３０が低レベ
ルで、入力端Ｄにおける反転信号３１が高レベルのとき
、このベース駆動回路１４の出力端Ｅと端子Ａの電位は
ほぼ等しくなる。

これとは逆に、ベース駆動回路１４の入力端Ｃにおける
出力波形３０のレベルが高レベルで入力端Ｄにおける反
転信号３１のレベルが低レベルのとき、端子Ａに流れ込
む電流は小さくなり、端子Ａの電位とＦ点の電位はほぼ
等しくなり、スピードアップコンデンサ２３に充電され
る。したがって、Ｇ点（または端子Ａ）の電圧は第４図
における電圧波形３３のようになる。ここで、スイッチ
ング／ぐワートランジスタ１５のベースに流れる電流を
考えると、その電流は第４図の３４のようになり、順方
向側のスパイクはスピードアップコンデンサ２３の放電
によるものであり、ターンオン時間を短くするのに有益
である。

また、逆方向のスパイク電流はスイッチングパワートラ
ンジスター５の蓄積電荷によるものであり、ターンオン
時間を小さくするためには大きいほど効果があり、電源
入力端子１９の負極性の電源の電圧はスイッチングパワ
ートランジスタ１５の耐圧が許す範囲で大きくする。

そして、一般に、オ−バドライブをすることにより、タ
ーンオン時間は短くなることが知られているが、パルス
幅変調のスイッチングアンプでは、パルス幅の狭いとき
オーバドラィブとなりトかえって、特性が劣化する場合
が多い。第２図の実施例においては、スピードアップコ
ンデンサ２３の充轟々圧もパルス幅に応じて第４図の電
圧波形３３のように変化するため、適度なオーバドラィ
ブを行なうことができ、スピードアップコンデンサ２３
の値を調整することにより、特性を改善することができ
る。

さらに、可変抵抗２０，２１を調整することにより、ス
イッチングパワートランジスタ１５のベース電流の大き
さと変化量をパルス幅の直線性および効率の最適点に設
定することができる。なお、上記第１の実施例では、繰
返し周波数１２歌ＨＺ〜２００ＫＨ２で出力１５０Ｗ、
変調度斑％、歪率０．５％以下と云う性能を抵抗２６の
両端から入力に負帰還をかけた状態で実現している。

以上説明したように、上記第１の実施例では、スイッチ
ングパワートランジスタ１５のベース電流を高速電圧比
較器９の出力端に現われるパルス幅に応じて変化させる
ことにより、パルス幅が狭いときでもオーバドライブに
ならず、スイッチングパワートランジスタ１５のターン
オフ時間を短縮することができる。

また、パルス幅の広いときには十分なべ−ス電流を与え
ることができるので、低いコレク夕飽和電圧を得ること
ができる。さらに、可変抵抗２０，２１を調整すること
により、スイッチングパワートランジスター５の順方向
駆動電流の平均値と変化量を任意の関係に容易に設定す
ることができ、容易に最適な動作状態とすることができ
る。また、トランジスタ１５のベースに与える逆バイア
スはパルス幅に無関係に一定電圧を与えるべく低インピ
ーダンスのベース駆動回路１４でスイッチされるため、
トランジスタ１５のターンオフ時間をパルス幅に関係な
く短くできる。

そのため、８項方向の電流を大きくすることが可能で、
トランジスター５の飽和オン電圧を小さくすることがで
き、出力のパルス幅変調波形の直線性やトランジスタの
損失の面でも改善できる。また、ターンオフ時にベース
の逆バイアスを低インピーダンスのベース駆動回路１４
で与えることができるので、オン期間のベース電流を大
きくすることができ、安定なスイッチング動作が可能と
なる。

さらに、スピードアップコンデンサ２３の充亀々圧をパ
ルス幅に応じて変化させることにより、スイッチングパ
ワートランジスタ１５のターンオン時間を短くすること
ができる。

これらの効果はパルス幅が非常に狭いときと、非常に広
いときに著しい。

換言すれば、パルス幅のダイナミックレンジが広くなり
、ほぼ１００％のパルス幅変調信号をパルス増幅するこ
とができる利点を有する。上話第１の実施例では、スイ
ッチングパワートランジスタ１５のベース亀流を変調す
るために、トランジスタ１７によるエミツタフオロワに
よる電圧源を用いた場合について例示したが、この発明
はこれに限定されるものではなく、第５図に示すごとく
、トランジスタによる電流源を用いても同様の効果が生
じるとともに、第１の実施例では、バックーレギュレー
タ形（ＢＵＣＫ−ＲＥＧＵＬＡＴＯＲ形）のスイッチン
グアンプの駆動回路であったが、プッシュープル・レギ
ュレータ・コンバータ形（ＰＵＳＨ− ＰＵ
ＬＬＲＥＧＵＬＡＴＯＲＣＯＮＶＥＲＴＥＲ形）のスイ
ッチングアンプの駆動を第５図のように行なう場合でも
、同様の効果が期待できる。

この第５図において、３５は音声信号入力端子、３６は
パルス幅変調回路であって、音声信号入力端子３５に音
声信号が導入されると、第６図のＰ，Ｐ，Ｑ，Ｑに示す
ような逆位相のパルスおよびそのそれぞれのコンブリメ
ンタリなパルス出力を発生するようになっている。

パルス出力ＰとＱのデューティ比は０から１／２まで変
化する。パルス出力ＰとＰはベース駆動回路３７の入力
端に供給され、パルス出力ＱとＱはベース駆動回路３８
の入力様に供給されるようになっている。このベース駆
動回路３７，３６の出力はプッシュープル・レギュレー
タ・コンバータ形のスイッチングアンプを構成するスイ
ッチングパワートランジスタ５１，５２のベースを駆動
するものである。スイッチングパワートランジスタ５１
，５２の出力はトランス５３を介して整流回路５４（ダ
イオード５５，５６による両波整流回路）に伝送するよ
うになっている。トランス５３の１次巻線の中点には、
正極性の電源電圧が電源入力端子５７から供孫舎するよ
うになっている。

整流回路５４の出力端はローパスフィルタ４０を通して
負荷ＲＬに接続されている。一方、上記音声信号入力端
子３５からの音声信号は第２図の実施例の場合と同様に
して、可変抵抗５８でレベル調整されて、バッファアン
プ５９の一方の入力端に加えられ、このバッファアンプ
５９の他方の入力端には、電源入力端子６０からの正極
性の電源電圧を可変抵抗６１により調整した直流電圧が
印加されている。これにより、バッファアンプ５９はこ
の直流電圧と音声信号とが童畳された電圧を出力し、ト
ランジスタ３９に供艶造△する。このトランジスタ３９
のェミッタは電源入力端子６２より正極性の電圧が供給
されまたそのコレクタ定電流特性を利用した電流源とし
て作動し、その電流はベース駆動回路３７，３８に供給
するようになっている。ところで、ベース駆動回路３７
，３８はその出力でスイッチングパワートランジスタ５
１，５２を駆動し、トランス５３を介して整流回路５４
にパルスを伝送するが、ベース駆動回路３７，３８の出
力のパルス幅はそれぞれパルス幅変調回路３６の出力Ｐ
とＱに等しいから、ローパスフィルタ４０の入力端では
、デューテイ比０〜１の操返周波数が２倍になったＲ（
第６図参照）に示されるような波形となる。

そして、トランジスタ３９のコレク夕より、ベース駆動
回路３７，３８には電流が供給されるが、その電流は入
力信号、すなわち、音声信号の振幅、さらに換言すれば
、パルス幅にしたがって変化するため、その変化量と電
流の大きさを適当な大きさに設定することにより、第１
の実施例と同様の効果が得られる。つまり、出力電圧は
ほぼＯＶまで振ることができる。これにともない、この
発明を利用したスイッチングアンプでは、非常に広いダ
イナミックレンジをもっており、非常に狭いパルスでも
動作するので、ラジオ放送機などのＡＭ変調の変調器と
して使用すると、１００％まで直線的に変調することが
容易であるとともに、操返周波数を高くできる。それに
ともない、応答の速いスイッチングレギュレー夕を実現
できるものである。以上詳述したように、この発明のパ
ルス幅変調スイッチング増幅トランジスタのベース駆動
回路によれば、スイッチングパワートランジスタなどの
スイッチング動作を行なうトランジスタのベースを駆動
するために、そのベース回路にベース駆動回路を設け、
このベース駆動回路により入力信号に応じてパルス幅が
変調されるパルスを出力して順方向、逆方向のバイアス
電流を切り換えるようにし、さらに、その日頃方向電流
をパルス幅に応じて強制的に変化させるようにしたので
、パルス幅が狭いときでもオーバドラィブにならず、上
記トランジスタのターンオフ時間を短縮できる。

また、パルス幅の広いときには十分なべース電流を上記
トランジスタに与えることができるので、低いコレク夕
飽和電圧を得ることができるものである。また、この発
明の装置によれば、入力信号と直流電圧とを第２の回路
で重畳させてスイッチングトランジスタのベース順方向
電圧を得ているので、前記第２の回路に対する前記入力
信号と直流電圧の入力レベルを調整する２つの可変抵抗
器により、順万向駆動電流の平均値と変化量を任意の関
係に容易に設定することができ、容易に最適な動作状態
とすることができる。

また、スイッチングトランジスタのベースに与える逆バ
イアスはパルス幅に無関係に一定電圧を与えるべく低イ
ンピーダンスのベース駆動回路でスイッチされるため、
トランジスタのターンオフ時間をパルス幅に関係なく短
くできる。

そのため、順方向の電流を大きくすることが可能で、ス
イッチングトランジスタの飽和オン電圧を小さくするこ
とができ、出力のパルス幅変調波形の直線性やトランジ
スタの損失の面でも改善できる。また、ターンオフ時に
ベースの逆バイアスを低インピーダンスのベース駆動回
路で与えることができるので、オン期間のベース電流を
大きくすることができ、安定なスイッチング動作が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の基本的なべ−ス駆動回路を示す回路図、
第２図はこの発明のパルス幅変調スイッチング増幅トラ
ンジスタのベース駆動回路の一実施例を示す回路図、第
３図は同上実施例におけるベース駆動回路の詳細な構成
を示す回路図、第４図は第２図の実施例の動作を説明す
るための各部の信号波形図、第５図はこの発明の他の実
施例の回路図、第６図は第５図の実施例の動作を説明す
るための各部の信号波形図である。９・・・・・・高速電圧比較器、１０，１１・・・・・
・入力端子、１２，１３……ィンバー夕回路、１４，３
７，３８・・・・・・ベース駆動回路、１５，５１，５
２……スイッチング／ぐワートランジスタ、１６，５９
……バッファアンプ、１７，３９……トランジスタ、２
０，２１，５８，６１・・・・・・可変抵抗、２３……
スピードアップコンデンサ、２５，４０……ローパスフ
ィルタ、３５……音声信号入力端子、３６・・・・・・
パルス幅変調回路。第１図第２図第３図第５図第４図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

１入力信号をその振幅に応じたパルス幅変調信号に変
換する第１の回路と、前記入力信号および直流電圧がそ
れぞれ別々の可変抵抗器を介して入力され、この両者を
重畳させることにより、前記パルス幅変調信号のパルス
幅に応じてレベルが連続的に変化する電圧を取出す第２
の回路と、前記第１の回路から出力されるパルス幅変調
信号により制御され、トランジスタのベース順方向電圧
としての前記第２の回路の出力電圧と、これとは逆の一
定のベース逆方向電圧とを選択的に出力する低インピー
ダンスのベース駆動回路と、このベース駆動回路の出力
電圧によりスイツチング動作を行うトランジスタとを具
備してなるパルス幅変調スイツチング増幅トランジスタ
のベース駆動回路。