SEPP差動接続のバイアス印加方法の改良
前回、J-FETのSEPP差動接続の解析で、
１、普通の差動回路（ｺﾝﾌﾟﾘ差動の単なる並列化）
２、ｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘSEPPの差動接続
３、差動ﾍﾟｱの共通ｿｰｽ間にRsを挿入してﾊﾞｲｱｽ調整
の各方式の特性を比較した。
右の回路図の左側は、上から１、２、３の回路に対応する接続方法を示している。
ここで、３つ目の図は抵抗Rsの自己ﾊﾞｲｱｽではなくて、電圧源を代わりに挿入している。
２のｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘSEPPの差動接続では、ｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞを調整するには各FETのゲート４つに個々にバイアス電圧を印加必要であるが、このようにすると、１個の電圧源で済み、さらにRs挿入による３次歪み発生をなくす事ができ、大きな改善になる。
図の右側列の回路は、Bi-Trで同様に回路を構成した物であり、ｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘSEPPを構成する為のベースﾊﾞｲｱｽが１個に集約できる方法が３つ目の接続になる。
Bi-Trでの差動回路、SEPP回路の直線性はすでに検討した通りであり、ﾊﾞｲｱｽ電圧源を１個に集約した場合でも特性はSEPPと変わりはない。（IcRe=13mVになる値のRe挿入で最も直線性が良い）
ｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘSEPPの差動接続では、４つのﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ全てに個別のRe挿入が必要であり、部品数が多い。
共通ソース間にﾊﾞｲｱｽ源を移動したのに合わせ、４つのReも１つにまとめれば回路がシンプルになる。
この場合にどのような特性になるかを計算した。
右のグラフは、各TrのｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞIc=0.1mAに揃えた場合の入力電圧振幅に対する伝達gmの直線性を比較している。
青はRe=130ΩのｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘSEPP差動接続であり、最適条件を与えているために良い直線性を示す。
緑は同じRe=130Ωの差動ｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘ並列接続の場合で、gmの曲がりが大きく、３次歪みが大きい。これらはすでに差動やSEPP回路で解析済みの内容である。
赤がバイアス回路を１個にまとめた場合のgm特性で、４つのReも１個（電圧源に直列に130Ω）にしている。
同じ電流の差動と比較して、Reの挿入場所が違う（差動部分に対してはReが入っていない）ので、ゼロ点でのgmは４つのRe=130Ωを挿入した場合に較べて1.5倍ある。
大振幅では、SEPPと較べてエミッタ間に入るReが１個しかないので、gm増大のペースが早く、gmの直線範囲は少し狭くなっている。
電圧源にシリーズに入れないで、各エミッタに130Ω４個を挿入すれば、特性はSEPPと全く同じになる。
以上の解析では、Bi-Trではバイアスの簡略化の効果はあっても、特性的なアドバンテージは得られていない。
しかし、バイアス回路の実現方法を変えると、非常に素晴らしい特性が得られる。これが共通エミッタ間にﾊﾞｲﾊﾟｽ路を設けた新方式である。
バイアス電圧発生方法とgm特性改善効果
これまでの解析では、共通ｴﾐｯﾀ間にﾌﾛｰﾃｨﾝｸﾞの電圧源を挿入することでﾄﾗﾝｼﾞｽﾀのベースﾊﾞｲｱｽを与えていた。
実際の回路では電池を入れるわけにはいかないので、現実的な回路に置き換えた場合の一例が右図である。（これ以外にもﾊﾞｲｱｽを発生させる回路は沢山あるが、ここではこの回路で解析する。）
単純な差動のｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘ並列回路の共通エミッタ間にﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ２個分のVbeを挿入し、ﾊﾞｲﾊﾟｽ路を形成している。
ﾊﾞｲﾊﾟｽ路の２個のﾄﾗﾝｼﾞｽﾀの動作抵抗と挿入したReの合計が、SEPP時の最適条件：IcRe=13mVとなる時に、中心でのgm曲がりが平坦となる。
理想電圧源であれば、流せる電流に限界はないが、ﾊﾞｲﾊﾟｽした電流で電圧を得ているために、共通ｴﾐｯﾀのテール電流以上を流すことはできず、大振幅ではgm特性が低下する傾向となる。
つまり、SEPPでの大振幅時のgm増加傾向と、差動テール電流制限でのgm低下傾向をうまくバランスさせれば、SEPPを超える範囲でのgm平坦化を期待できる。
実際にﾊﾞｲﾊﾟｽ路の電流比を変化させて特性の変化を見たのが、右のグラフである。
差動部のIc=0.1mAなのでIcRe=13mVとなるReの値は130Ωであり、バイパス路の動作ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽは合計130Ωが必要。
テール電流が0.6mAの時はバイパスに0.4mAなのでVbe２個分の動作抵抗は2*26/0.4=130
したがって付加する外部Re=0Ω。
同様に、テール電流1mA時はバイパス0.8mAなのでVbe２個分の動作抵抗は2*26/0.8=65
したがって付加する外部Re=65Ω。
この条件でバイパス路に必要な電流を流す為には、ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀをﾀﾞｰﾘﾝﾄﾝ接続にしてPNPの電流をNPNの1/hfeにし、Vbeの差分＋付加Re電圧降下分との電圧差を発生させる。
具体的には、ﾊﾞｲﾊﾟｽとの電流比が6（テール電流=0.8mA）ではNPNのhfe=100が必要となる。
図で分かるように、ﾊﾞｲﾊﾟｽとの電流比が6.5-7（Ic=0.1mA*2の場合はテール電流=0.85-0.9mA）で最大平坦特性となる。この時に必要なNPNのhfeは150-200程度であり、NPN/PNPにA1015/C1815のYランクのような普通のﾄﾗﾝｼﾞｽﾀを使用できる。
この回路構成（Bi-Tr ｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘ差動回路の共通エミッタ間に2Vbe電圧のバイパス路を設けた形式）を、以下では「新形式セル」と略す。
SEPP差動接続との直線性比較
gm値を揃えるため、SEPPのIc=0.1mAに対し、新形式セルはIc=67uAに電流を下げた条件で比較した。
（同じｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞでは、上に出した図のようにgmの値は1.5倍となる。電流や抵抗比を同じに保てば、設定電流が異なっても入力Viに対するgmの変化は相似形となり、100mVでの変化%は同一）
ｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞが2/3しかないにも関わらず、gm直線範囲はSEPPより広く、同じ電流なら２倍の出力振幅までほぼ無歪みを維持できる。
この、新形式セルのgm直線化の基本原理は、有名な Multi-tanh 方式
＝動作点をずらした差動回路を並列動作 とよく似ている。
実際、同じ特性はテール電流を0.5mAにした２個の差動回路並列 Multi-tanh で実現することが出来る。
しかし、Multi-tanhとは接続トポロジーが異なるので、新形式セルは
・約1/4の低いｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞ電流で同じ特性
・必要なﾊﾞｲｱｽをﾀﾞｰﾘﾝﾄﾝ接続１個で実現
の違いがある。
新形式セルの歪み発生量を、通常の差動やｺﾝﾌﾟﾘﾒﾝﾀﾘSEPPと比較した。（ｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞ条件を0.1mAに揃えた場合）
いずれも４石のｺﾚｸﾀ出力を全て加算しているので、差動とSEPPのグラフは、電流値が以前の２倍になっている以外はすでに検討済みのデータと同じカーブである。
新形式セルは、SEPPのＡ級動作範囲より一桁低い歪み率で同じｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞであるにも関わらず、２倍の電流振幅まで低歪を保っている。
これは、実にｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞの２倍の振幅まで無歪み動作が可能である事を示している。
Multi-tanh 方式による直線化では、ｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞの半分弱までしか平坦化出来ないので、同じ電流振幅を得ようとすると４倍以上のｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞを流さなくてはならない。
直線化の補正をしない、単なる差動回路でも４倍のｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞを流せば電流の３乗で歪みは低下するので、1/64になり、何もしなくてもSEPPの最適化したカーブに近付く。
Bi-TrをＯＰアンプの入力段に使用する場合、ｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞの値はベースバイアス電流と入力ノイズ電流を決定し、非常に大きな要素となる。
ｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞを大きくすれば初段の歪みやＤレンジ（最大出力電流）は改善されるが、バイアス電流や入力ノイズ電流は犠牲となり、通常両者はトレードオフの関係にある。
新形式セルでは、
・小さなｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞ電流で非常に低歪み（差動の1/1000以下）
・同じｱｲﾄﾞﾘﾝｸﾞで最大電流は差動の４倍あり、ﾀﾞｲﾅﾐｯｸﾚﾝｼﾞが大きい
・SEPPのような熱暴走の危険がない
・回路がシンプルで回路素子数が少ない
の特徴があり、特許に値する非常に有用な技術と思われる。
この回路を考案したのは2004年の頃であり、会社内で技術職に異動後に特許のノルマから2005年に一度特許提案を出したことがある。
（技術に移ってすぐ仕事の特許が書ける訳はないので、個人的に温めていたアイデアを出した）
がしかし、社ではこのような基本回路の需要はなく、提案は不採用でボツと消えた。
これが「公知の技術」となったのは、2010/10/05の上條さんのBBSでの発言 が初出である。