FET
のプッシュプル動作における歪
次はいよいよプッシュプルです。まずFETのプッシュプル動作について考えます。シングルの場合と同様ですが、PｃｈのFETの電流の向きは、ドレインからソースに流れる向きを正とします。したがって、PchのFETに実際に流れる電流は−となります。従って出力電流はNchに流れる電流とPchに流れる電流の和となります。ピンチオフ電圧の指定は、本来ならNchとPchの符号を変えるべきですが、紛らわしいのでNchの符号に准じて、同一符号でコンプリとして対称なPch特性となるようにしました。バイアス電圧も各FETに単独で加えられるようにしました。これも符号を揃えました。動作点電流とオフセット電流は自動的に決まります。デフォルトにはシングルのときと同じ値を入力しておきます。
その結果が動作計算表１と図１です。カットオフしない範囲、つまり入力−２から＋２までの間は合成曲線（出力電流）が直線となっています。事実、表を見ると出力電流はその範囲で−１６、−１２、−８、…１２、１６と等差数列を描いております。合成曲線の傾きがNchのｇｍとPchのｇｍの和、すなわち合成ｇｍです。カットオフしない範囲での最大出力電流は±１６、動作点電流は４、すなわちアイドリング電流の４倍の出力までノンカットオフ動作（A級動作）が保証されます。
条件設定表１
| ﾊﾟﾗﾒｰﾀ |
Nch |
Pch |
|
A＝ |
1 |
1 |
|
Vp＝ |
0 |
0 |
|
バイアス＝ |
2 |
2 |
|
動作点電流 |
4 |
-4 |
Ａは正の値、動作電流オフセットは０
Ｖｐは任意の値（一般に
MOS-FETは正の値、J-FETは負の値になります）動作計算表１
| 入力 |
Vgs(Nｃｈ) |
Iｄ（Nｃｈ) |
Vgs(Pｃｈ) |
Id(Pch) |
出力電流 |
|
-5.00 |
-3.00 |
0.00 |
-7.00 |
-49.00 |
-49.00 |
|
-4.50 |
-2.50 |
0.00 |
-6.50 |
-42.25 |
-42.25 |
|
-4.00 |
-2.00 |
0.00 |
-6.00 |
-36.00 |
-36.00 |
|
-3.50 |
-1.50 |
0.00 |
-5.50 |
-30.25 |
-30.25 |
|
-3.00 |
-1.00 |
0.00 |
-5.00 |
-25.00 |
-25.00 |
|
-2.50 |
-0.50 |
0.00 |
-4.50 |
-20.25 |
-20.25 |
|
-2.00 |
0.00 |
0.00 |
-4.00 |
-16.00 |
-16.00 |
|
-1.50 |
0.50 |
0.25 |
-3.50 |
-12.25 |
-12.00 |
|
-1.00 |
1.00 |
1.00 |
-3.00 |
-9.00 |
-8.00 |
|
-0.50 |
1.50 |
2.25 |
-2.50 |
-6.25 |
-4.00 |
|
0.00 |
2.00 |
4.00 |
-2.00 |
-4.00 |
0.00 |
|
0.50 |
2.50 |
6.25 |
-1.50 |
-2.25 |
4.00 |
|
1.00 |
3.00 |
9.00 |
-1.00 |
-1.00 |
8.00 |
|
1.50 |
3.50 |
12.25 |
-0.50 |
-0.25 |
12.00 |
|
2.00 |
4.00 |
16.00 |
0.00 |
0.00 |
16.00 |
|
2.50 |
4.50 |
20.25 |
0.50 |
0.00 |
20.25 |
|
3.00 |
5.00 |
25.00 |
1.00 |
0.00 |
25.00 |
|
3.50 |
5.50 |
30.25 |
1.50 |
0.00 |
30.25 |
|
4.00 |
6.00 |
36.00 |
2.00 |
0.00 |
36.00 |
|
4.50 |
6.50 |
42.25 |
2.50 |
0.00 |
42.25 |
|
5.00 |
7.00 |
49.00 |
3.00 |
0.00 |
49.00 |
それではシングルの解析同様にこの条件のもとで正弦波信号を加えて解析します。信号振幅にはデフォルトとして１を入力しておきます。
その結果が動作計算表２、および図２です。歪を含んだ
NchとPchの電流が合成され、きれいな正弦波になっています。シングルの解析同様に歪を求めたものを動作計算表３、および図３に示します。デフォルトの設定値では、カットオフしない動作範囲（A級動作）であるため、出力波形と基本波波形が完全に重なって歪が全くありません。これが２乗特性の面白いところです。表のなかの数値にXXXXXE-15 等の値がありますが、πの小数点以下が有限であるためにでてきた計算上のゴミだと思われます。実際は0です。条件設定表２
| パラメータ |
数値 |
|
信号振幅＝ |
1 |
信号振幅は正の値
動作計算表２ 動作計算表３
| ｽﾃｯﾌﾟ |
角度(rad.) |
Id(Nch) |
Id(Pch) |
出力 |
交流成分 |
基本波 |
歪成分 |
|
|
0.00 |
0.00 |
4.00 |
-4.00 |
0.00 |
-4.44E-17 |
0.00E+00 |
-4.44E-17 |
|
|
0.05 |
0.16 |
4.65 |
-3.40 |
1.25 |
1.25E+00 |
1.25E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.10 |
0.31 |
5.33 |
-2.86 |
2.47 |
2.47E+00 |
2.47E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.15 |
0.47 |
6.02 |
-2.39 |
3.63 |
3.63E+00 |
3.63E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.20 |
0.63 |
6.70 |
-1.99 |
4.70 |
4.70E+00 |
4.70E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.25 |
0.79 |
7.33 |
-1.67 |
5.66 |
5.66E+00 |
5.66E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.30 |
0.94 |
7.89 |
-1.42 |
6.47 |
6.47E+00 |
6.47E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.35 |
1.10 |
8.36 |
-1.23 |
7.13 |
7.13E+00 |
7.13E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.40 |
1.26 |
8.71 |
-1.10 |
7.61 |
7.61E+00 |
7.61E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.45 |
1.41 |
8.93 |
-1.02 |
7.90 |
7.90E+00 |
7.90E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.50 |
1.57 |
9.00 |
-1.00 |
8.00 |
8.00E+00 |
8.00E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.55 |
1.73 |
8.93 |
-1.02 |
7.90 |
7.90E+00 |
7.90E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.60 |
1.88 |
8.71 |
-1.10 |
7.61 |
7.61E+00 |
7.61E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.65 |
2.04 |
8.36 |
-1.23 |
7.13 |
7.13E+00 |
7.13E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.70 |
2.20 |
7.89 |
-1.42 |
6.47 |
6.47E+00 |
6.47E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.75 |
2.36 |
7.33 |
-1.67 |
5.66 |
5.66E+00 |
5.66E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.80 |
2.51 |
6.70 |
-1.99 |
4.70 |
4.70E+00 |
4.70E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.85 |
2.67 |
6.02 |
-2.39 |
3.63 |
3.63E+00 |
3.63E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.90 |
2.83 |
5.33 |
-2.86 |
2.47 |
2.47E+00 |
2.47E+00 |
0.00E+00 |
|
|
0.95 |
2.98 |
4.65 |
-3.40 |
1.25 |
1.25E+00 |
1.25E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.00 |
3.14 |
4.00 |
-4.00 |
0.00 |
-4.44E-17 |
9.80E-16 |
-1.02E-15 |
|
|
1.05 |
3.30 |
3.40 |
-4.65 |
-1.25 |
-1.25E+00 |
-1.25E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.10 |
3.46 |
2.86 |
-5.33 |
-2.47 |
-2.47E+00 |
-2.47E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.15 |
3.61 |
2.39 |
-6.02 |
-3.63 |
-3.63E+00 |
-3.63E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.20 |
3.77 |
1.99 |
-6.70 |
-4.70 |
-4.70E+00 |
-4.70E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.25 |
3.93 |
1.67 |
-7.33 |
-5.66 |
-5.66E+00 |
-5.66E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.30 |
4.08 |
1.42 |
-7.89 |
-6.47 |
-6.47E+00 |
-6.47E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.35 |
4.24 |
1.23 |
-8.36 |
-7.13 |
-7.13E+00 |
-7.13E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.40 |
4.40 |
1.10 |
-8.71 |
-7.61 |
-7.61E+00 |
-7.61E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.45 |
4.56 |
1.02 |
-8.93 |
-7.90 |
-7.90E+00 |
-7.90E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.50 |
4.71 |
1.00 |
-9.00 |
-8.00 |
-8.00E+00 |
-8.00E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.55 |
4.87 |
1.02 |
-8.93 |
-7.90 |
-7.90E+00 |
-7.90E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.60 |
5.03 |
1.10 |
-8.71 |
-7.61 |
-7.61E+00 |
-7.61E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.65 |
5.18 |
1.23 |
-8.36 |
-7.13 |
-7.13E+00 |
-7.13E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.70 |
5.34 |
1.42 |
-7.89 |
-6.47 |
-6.47E+00 |
-6.47E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.75 |
5.50 |
1.67 |
-7.33 |
-5.66 |
-5.66E+00 |
-5.66E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.80 |
5.65 |
1.99 |
-6.70 |
-4.70 |
-4.70E+00 |
-4.70E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.85 |
5.81 |
2.39 |
-6.02 |
-3.63 |
-3.63E+00 |
-3.63E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.90 |
5.97 |
2.86 |
-5.33 |
-2.47 |
-2.47E+00 |
-2.47E+00 |
0.00E+00 |
|
|
1.95 |
6.13 |
3.40 |
-4.65 |
-1.25 |
-1.25E+00 |
-1.25E+00 |
0.00E+00 |
|
|
2.00 |
6.28 |
4.00 |
-4.00 |
0.00 |
-4.44E-17 |
-1.96E-15 |
1.92E-15 |
出力の平均値＝
4.4E-17交流成分の実効値＝
5.66歪成分の実効値＝
3.44E-16交流成分の振幅＝
8.0歪率（％）＝ 6.07E-15
それではまた条件設定表２の水色のセルに任意の値を入力して試してみましょう。プッシュプルの場合はいろいろなパターンがあって、とても興味深いものです。
まず設定表２の信号振幅を２にしてみます。これがノンカットオフ動作の最大振幅で各素子の電流波形はかなり歪んでいますが合成出力波形ここまでは無歪なはずです。出力は１６です。次に振幅を３にしてみます。
Nch,Pchの電流波形の片側がカットオフしてAB級動作に移行しました。それでも合成出力は比較的歪が少ないと思います。さらに振幅を４にしてみます。歪成分もはっきり確認できるようになり第三高調波（３次歪）が発生しているこがわかります。シングルの場合と違って、上下対称の歪の場合は３次を主成分とする奇数次の歪となります。再び信号振幅を１に戻して、次は条件設定表１の
Aの値をNchとPchで違う値を入れてみます。Pchの値を１．５にしてみましょう。つまり、NchとPchでｇｍの違うものを組み合わせたことになります。ノンカットオフの範囲でも歪が発生し２次歪が主成分であることがわかります。実際のFETにおいては、コンプリといってもｇｍの値に差があり、このような２次歪が発生する場合が多いようです。このままの状態で設定表２の信号振幅を５にかえてみます。歪成分の波形がいびつな形になりました。２次成分と３次成分両方が発生するとこのようないびつな歪波形となります。その他いろいろと条件を変えて試してみてください。再び設定表を
A＝１にして、振幅も１に戻します。バイアスの値をNch,Pchともに０．１とします。つまり、B級動作に近くなります。合成曲線のうねりを見ても出力波形を見ても、とてもFETをB級動作で使う気にはなりませんね。確かにFETはB級動作には適さない素子なのです。このシュミレーションでの合成波形、歪率の値はドレイン電流を合成したものつまりソース接地の場合の値であり、ソースフォロア（ドレイン接地）の場合は1+gm・RLの帰還がかかるため、歪は1/（1+gm・RL）に減少します。 （ｇｍはNchとPchの合成ｇｍです。）もちろん、これはシングルソースフォロアの場合も、また、トランジスタの場合についても同じです。