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SAW波の電圧低下（定電流放電）からコンパレータON のフェーズ
capacitor C1はantilog電流源により定電流でantilogに電流が流入する方向で放電されているのでカーブは下降SAW波となり10Vから下降。
FET OUTの電位が1.5Vより大きい間は Q1は活性化しており(飽和している *1) Q2は逆バイアスで Cutoff。 このため Q1側のコレクタの5.6Kには電流Icが流れQ2側の5.6Kには流れていない。
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*1: Q2のVbeが活性化しないためにR1=5.6Kの電圧降下が大きいのでVce1は小さく結果Q1は飽和。
Q1は活性化している状態ではR1=5.6Kの電圧降下によって飽和しているがQ2が活性化する少し前の段階から飽和が解消され コンパレータON時は飽和していないがコンパレータOFFになると再度飽和する。 このためQ1の飽和に対した過剰キャリアの排出はコンパレータの状態が急変する直前に行われる。（排出量は少ない）
* Q1のIb1とIeは拡大。 Vsa=Vb1-Vb2
Q1の過剰キャリア排出はコンパレータONの直前からIb3がピークになる期間に行われる。 この区間では Q1のIe1が急変するので Ib1の逆方向電流はIe上での変化はよくわからない。 Ib3がピークから急低下する時間では コンパレータがOFFに向かう区間となるためQ1のVbe1もMIN値から上昇に転じそれが排出にも影響するのでしょう。
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Q2のベースすなわちコンパレータの閾値電圧はQ1アクティブ時 Q1のコレクタ電位の分圧で0.5V程度の電圧が発生している。 この電圧は Q1のIcに依存するのでQ1のIcの低下を受けて上昇しコンパレータ ON時は 1.5V程度の閾値となる。(Q1とQ2のVbが同じになるタイミングでコンパレータONが起動)
一方Q1のベースはというとSAW波(FEToutの電圧)がダイレクトにかかっているわけではなく5.6Kを介してかかっているのでほとんどSAW波の変化がQ1のベースには伝わらなく5.6K側にかかっているのでコンパレータ ON直前まで1.7Vくらいにしかならない。 Q1のVbeも変化は小さくほぼ変化しない。
Q2のVbはQ1のコレクタ電位の分圧なのでIc1が流れている状態ではVbは小さい(0.7V程度)
Q2のVbeはQ2がcutoffしているのでマイナスであり，SAW波の下降を受けて少しは上昇するが変化は小さい。
5.6Kの抵抗がベースに入っていることにより一般的な差動回路と異なり、cutoffしている Tr.に分圧電圧は伝わらず、変化は5.6Kの抵抗にほぼすべてかかっています。(Q1のB-E間微分抵抗が小さいので分圧はほとんど5.6Kに)
SAW波が1.7V以下にならない状態ではコンパレータ動作に変化はありません。 1.7Vを下がってくると状態は急変し、Q1のベースに SAW波の変化が伝わるようになります。 すな
わち Q1のB-E間抵抗が大きくなるので。 これによりQ1のVbeはSAW波の変化を受けて低下し Q1のIcが低下するため逆に Q2のベースの閾値があがりかつQ2のVbeが活性化に向かってマイナスがからプラスに上昇し、Q1とQ2のベース電圧差はSAW波の下降でどんどんちじまっていき0になります。
* 単純DOWN SAW波(VCOの cap電圧でなく) に対するコンパレータ ON付近の電圧
* VB1, VB2, VBE1, VBE2, VSA=(Vb1-Vb2)
* Vcap (ここでは R6に印加する 下降電圧のこと)
Q1とQ2のベース電圧の差(SA)が0になる付近で各素子の状態が急変してコンパレータONにいたる。
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正帰還反応により閾値が Q1のベース電位に近づいていく一方Q1のVbeの低下も加速しているので一気に Vb1とVb2が同じ値になりコンパレータON 。
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コンパレータ ONのフェーズ
Q1、Q2のベース電圧差0の時、 Q1とQ2の Icは同じ値です。 ここでQ2のVbeは上昇する方向、Q1のVbeが下降する方向となりさらにQ1のベース < Q2のベースになった瞬間に Q1の Icが急低下, Q2のIc=MAXと状態は急変しコンパレータON開始、 Q2側の5.6K抵抗に大きな電流が流れて Q3をONさせます。 と同時に Q1の Ic急低下なので Q2のベースの閾値ははねあがり4V以上となるのでこれによりヒステリシスがはたらいて即座にコンパレータはOFFしません。
一方 Q3がONするので capacitorは急速充電して SAW波電位が一気に反転して +10Vに向かいます。 当然 Q1のベース電位もSAW波上昇に引っ張られて上昇しますが、Q2のベース電位上昇によりIc2が増えたことによりIeも増えエミッタ電位の上昇率の方が大きいため Vbe1は逆に低下しています。 ここはとても差動的な反応です。
エミッタ電位の上昇率はQ2のベース電位と同じになり結果 Q2の Vbeは初め少し上昇しあとは0.7V程度で一定となり Q1は基本 Q2のVbeの上昇に対して逆にVbeが低下するように動きますがそれほどの低下はないです。
* コンパレータON/OFF付近の電圧関係図( Vbe1, Vbe2, Vb1.Vb2.Ve )
* Vbe1(白), Vbe2(緑), Vb1(桃).Vb2(水).Ve(青)
上図のように Vbe1、Vbe2ともコンパレータON/OFF区間での変化は最少におさまっています。
PUT VCOなどと比べるとその差は歴然です。(PUT VCOはオーバードライブされやすい)
コンパレータOFFに向かうフェーズ
さらにSAW波の上昇電圧が上がってくるとQ1 Vb上昇でQ1のVbeが上昇するので Q2のIc低下、 Vbe2の低下、Q1のIc増加が続き（正帰還ループ） FEToutが5V程度になりQ1のベース電圧がQ2のベース電圧と同じになった(Q1 Vbe=Q2 Vbe) 直後に コンパレータが OFFします。 そこで Q2 Icは 0に向かって Q1の Icは ON以前の値に復帰。 Q2のベース電位(閾値）は定常値に復帰し、 Q2のIc=0 Q1のIcが定常値にもどります。
この際 Q2の余剰キャリアが逆ベース電流となってQ2ベースから22K/100p --Q1のコレクタ -- エミッタ経由で Q2のエミッタに流入してキャリアが元にもどります。
コンパレータ ON/ OFF付近
* Vcap(赤)、Vb1(緑), Vb2(桃)、Vbe3(白)
* コンパレータ ON/OFF 付近 拡大 ( Q1Vb > Q2 VbになったとたんOFF)
* Vb1とVb2の差(橙)、Vbe2(赤)、Vbe1(水)、Vbe3(白)
Vb1とVb2の差のカーブの変化がとても機敏。
Q3が OFFに向かうフェーズ
コンパレータOFF、この時点で Q3はまだONしています(SAW波はまだ5V程度で10Vに上がりきらない) のでcapacitorはまだ急速充電中です。 どうしてコンパレータが OFFになっても Q3の Vbeは0にならず Q3はONを続けられるのか。
これはQ3の余剰キャリアが ON時と逆方向のベース電流として流れるため Q2側のR3=5.6K抵抗に電位が発生するためです(*1)。 余剰キャリアが排出されると同時に Q2の5.6Kの電圧降下は 0、Q3 Vbeは0Vになりこの時点で SAW波の電圧は +10Vの最大値になっています(*2)。 この時点でQ3は実質OFFなので 定電流源による放電が開始され SAW波電圧は低下していきます。
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*1: 余剰キャリアの排出方向が逆ベース電流となってQ3のエミッタ -- +10V電源 -- Q1の
5.6K -- 100P -- Q3のベースと流れます。 この方向は Q2の5.6Kにとっては正常方
向で Q2の5.6Kに発生する電圧すなわち Q3のVbeは余剰キャリアによって発生してい
る電圧です。
*2: 正確にはVcapはMAX値から下降し始めている。
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水: Vbe3
黄: Vce3
白: Vbc3
橙: Ib3(拡大)
緑: R3 5.6Kにかかる電圧
カーソル位置が飽和終了位置。
Vce3は最少(飽和最大)で5mV程度でありこの位置が VcapのMAX値。 図中で118.87uSの位置でVce3が低下し始める位置(Vbc3も同様な低下を示す)
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電圧関係
白: Q1のVbe: コンパレータON/OFFでもほんのわずかしか変動しない。
橙: Q2のVbe: コンパレータON条件前から急激に変化 OFF後も急変化して逆バイアス
赤: Q3のVbe: コンパレータはOFFしても急には低下しない。
緑: Q1のVbc: コンパレータON期間は飽和していなくOFF後に飽和が続く
水: Q2のVbc: 飽和しない
桃: Q3のVbc: コンパレータOFF後に飽和
電流関係
桃: Q2のIc：コンパレータONで急上昇、OFFで急低下
水: Q1のIc：コンパレータONで0近くに。OFF時Q2の過剰キャリアの排出経路になる
橙: 共通エミッタ電流：コンパレータOFF直後大きく増えるのは飽和によるIb1の増加
黄: R3(Q2の5.6K抵抗)を流れる電流：コンパレータOFF時Q3の過剰キャリア排出経路
灰: R1(Q1の5.6K抵抗)を流れる電流:
白: Q3のIb3：コンパレータONで急上昇、OFF後過剰キャリアの排出、方向逆転
Q3は飽和していないといえどIb3とIc2がほぼ同程度の電流値なので、Q3のベースには充分な
過剰キャリアがたまっているでしょう。 また図には Q2のIb2は明記していませんがIc2/Ib2=10程度なのでやはりこちらもVbc2が順バイアスにならないといえ過剰キャリアの蓄積はあります。
コンパレータON時、Q1の Vbe < Q2の Vbeなので差動電流は全て Q2のIcに流れて Q1のIcは0になると思いきやIc1の低下はそれほどではありません。(他のTr.モデルでシミュレートすると0になったりするので過渡現象のシミュレーションは難しいと思います)。
グラフでは Q2のIcが本来の差動共有電流よりはるかに大きくなっておりその電流は
差動の共有エミッタに流れ込むのでエミッタ電流もほぼ同じ値。 これはなんなのかというとQ3のベースについている speed up capacitorを流れる電流が流れた先がQ2のコレクタであるということ。 こんなに大量の電流が最終的に差動のエミッタに流れはしても
差動回路の特性から Q1, Q2のトランジスタの Vbeには影響していないのが特徴。
Q2の5.6Kに流れる山型の電流はなにか言うと前半はQ3のベースについている5.6Kに流れる電流で後半はQ3ベースの100Pに流れるQ3の過剰キャリアの排出電流です。 山の前半は
SW ON後は電圧の急変かを受けて電流は 100Pの Cに多く流れてしまうが時間経過後Cのインピーダンスが高くなり電流は 5.6K側に流れ始めるという反応。
* Q3まわりの電流値対比
* 白: Ic3
* 水: Ib3 60倍に拡大
* 橙: R3(R5.6K) 60倍に拡大
Ic3 : Ib3 = 60:1 程度 SW動作時Q3の最少hFE=60程度
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* Capacitorに対する充電と放電
コンパレータが ONしQ3の Tr. SWがONして capacitorが再充電され、充電が完了して
SWがOFFして再度、定電流源による放電が開始されるまでの様子を上に示します。 capacitorを再充電している最中もQ3は定電流源に対しても電流を供給しなければなりません。
1: Q3の充電電流Ic3はCap.と定電流源の両方をドライブ。
2: Q3は定電流源に対して電流供給するのがやっとの状態。この時点で Vcap=MAX
3: Q3のドライブ能力低下によって Cap.からも電流が定電流源に供給
4: Q3によるドライブでなく Cap.から電流が供給されて定常状態(定電流放電)になる。
定電流源をQ3がドライブしきれなくなるくらい電流が低下すればCap.の充電が終了して通常サイクルに戻る。 この回路はコンパレータとQ3のTr. SW回路は独立した存在なのでコンパレータがOFFすればあとは時間と供にQ3がOFFするはずです。
これに対してPUTを使ったVCOなどのように機能が分離していないケースでは定電流源電流が大きい時にCap.に対して充分充電(放電)が終了してかつまだSWのVbeが高い値にあった時、電流源とTr.の間に平衡が起きてしまいSW(Q3)がOFFしない場合があります。
状態遷移図(capacitorの充電開始から充電完了して再放電開始まで)
* Ib3、Ic3は拡大(倍率は異なる)
* Vcap: capacitor両端子間電圧
Ib3が急低下して0になってもIc3は急低下するも変化はIB3よりゆるく、まだ電流がある。 これはVbe3がまだ保持されていて Q3においてはIb3の過剰キャリアの排出と、 Ic3の通常動作が同時に行われているということなのでしょう。(逆方向Ib3 >> 正方向Ib3か)
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