LTspiceの標準デバイスでまにあわせる

LTspiceは比較的簡単にメーカー製のSPICEモデルを導入できます。
しかしながら、複数のPCの間でファイルを共有しようとすると、LTspiceだけでなくSPICEモデルも複数のPCに導入しなければならないので手間がかかります。

一番簡単な解決方法は、メーカー製SPICEモデルを極力使わないことですが、この選択肢もなかなか悪くないのです。


ねがてぃぶろぐの付録


本ブログでは、LTspiceを用いてシミュレーションを行った場合、できる限り読者の方々が自分のPCで再現ができるように、回路図ファイルとプロットファイルを公開するようにしています。

例えばLTspiceクイック・スタートでは、エントリの最後の方に付録としてrelax-osc_asc.txt(回路図ファイル)とrelax-osc_plt.txt(プロットファイル,どの信号をグラフ上に表示するかを指定するファイル)へのリンクを設けています。

このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


上記のとおり、relax-osc_asc.txtからrelax-osc.ascへ名前を変更します。
LTspiceが既にインストールしてあれば、アイコンの形がテキスト形式のものからNPNトランジスタの形へ変化し、ダブルクリックからLTspiceで開けるようになります。
LTspiceのインストールをしていない方はLTspiceのインストールと初期設定を参考にインストールしてください。


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fig.1: _asc.txt → .asc


同様にrelax-osc_plt.txtからrelax-osc.pltへ名前を変更します。こちらは、テキスト形式のアイコンから、未登録ファイルのアイコンへ変わるはずです。

付録していないエントリ


一方で、ダウンロードできるようになっていないエントリもあります。
古いエントリの場合は、単純に公開しようと考えていなかっただけというのもありますが、新しいエントリでも、外部のSPICEモデルを利用している場合には、そのままダウンロードしても、各自でSPICEモデルをインストールしてもらわないと使えないことがあるときは、公開しないことにしています。

たとえばTL431で定電流ソースなどです。

とは言うものの、要は、LTspiceで標準でインストールされている素子以外を使うのがよくないので、LTspice標準のデバイスモデルでシミュレーションを間に合わせればいい事になります。

標準デバイスで表現したTL431で定電流ソース


TL431の構成は、データシートのブロック図通り、2.5Vの基準電圧源とエラーアンプ、出力トランジスタの3つの要素でできています。


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fig.2-3: テキサスインスツルメンツのデバイスモデルと同じような結果


上に示したとおり、このシミュレーションではテキサスインスツルメンツのSPICEモデルを使ったときと似たような結果となっています。

いいモデルを使えばいいというものでもない


どんな回路をシミュレーションするときでも、とにかく一番正確なモデルを、使うのが良いと考えている人が少なくなく存在していると思います。

確かに間違ってはいないのですが、アマチュア用途では多くの場合オーバースペックですし、逆にメーカー製モデルではシミュレーションで再現できない場合もあります。TL431で言うならLTspiceでTL431がまさにそれです。

やはり、シミュレーションの成否を決めるほとんどの要素はモデル化です。
目標としているシミュレーションに適したモデル化が出来るようになりたいものです。

関連エントリ




付録


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tag: LTspice 定電流 TL431 

超音波距離計 第七回:受信素子の駆動モデル

LTspiceでビヘイビア電源ほかで紹介した電流制御電流源を用いて、超音波受信素子を電流駆動するシミュレーションをLTspiceにて行いました。

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パルス数の限界


超音波距離計 第六回:送信パルス数にて送信パルス数を増加させていくと、やがて計測上限距離が伸びなくなる限界に達するのではないかという予想を立てました。


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fig.1: パルス数と距離の関係の予想


送信素子は共振回路であり、パルス数に対する送信強度は複雑に変化します。
そこで送信波形に対応した波形をもつ電源で受信素子を駆動する必要があります。

電流制御電流源でモデル化


基本的な考え方は、送信素子の抵抗成分で消費される電流と同じ電流波形で受信素子を駆動するというものです。
距離が離れるほど超音波のエネルギーが減衰するため、定性的ではありますが、増幅率を変化させることにより距離の変化も見ることもできると思います。

超音波送信素子のSPICEモデルは、超音波距離計 第四回:超音波素子の等価回路でモデル化を行ったものを、送信素子の駆動回路は第五回:ドライバの出力抵抗でモデル化したものを利用しました。

シミュレーション結果


以下に送信素子と受信素子の間にLTspiceでビヘイビア電源ほかで紹介をした電流制御電流源をはさんだシミュレーションの結果を示します。


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fig.2: 受信素子のスケマティック

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fig.3: シミュレーション結果


実測との比較はやっていない


本来ならここで素子の応答波形を実測して、シミュレーション結果との比較を行うことによりモデル化の妥当性を検証すべきなのですが、手元に使える素子が無いのでやりません。

したがって、どの程度正しいのかはちょっと自信がありません。

超音波距離計に関する連載では、すべてLTspiceによるシミュレーションだけで話を進めているので、折角なので最後まで実測無しで進めてみようかなと思います。

関連エントリ




付録


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tag: LTspice 定電流 

LTspiceでビヘイビア電源ほか

以下のLTspiceの基本素子を簡単に列挙しました。

  • 電圧制御電圧源(E)
  • 電圧制御電流源(G)
  • 電圧源を電流計として使う
  • 電流制御電流源(F)
  • 電流制御電圧源(H)
  • ビヘイビア電源(BV,BI)
  • 電圧制御抵抗(VCR)
  • 電圧制御スイッチ(SW)


今回書いたサンプルは、きわめて基本的な使用方法ですが、中村 利男(NAKAMURA Toshio)さんのフリーソフトで楽々エンジニアリングの中にあるBehavioral Model の使い方には、より詳しい使い方が解説されています。


電圧制御電圧源(E)


電圧制御電圧源は、回路上の2点間の電圧に比例した電圧を発生する電源です。
周波数特性等のない理想的なOPアンプと考えることもできます。


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fig.1: 電圧制御電圧源

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fig.2: V1の2倍の電圧を発生


素子の上での右クリックから立ち上がったダイアログのvalueの欄に増幅率を指定します。



電圧制御電流源(G)


電圧制御電流源は、電圧制御電圧源と良く似た電源で、入力された電圧に比例した電流を出力する電流源です。


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fig.3: 電圧制御電流源

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fig.4: V1の2倍の電流を出力


素子の上での右クリックから立ち上がったダイアログのvalueの欄に増幅率を指定します。



電圧源を電流計として使う


LTspiceでは、素子に流れる電流を表示することができます。しかし、ブリッジ回路のように理想的には短絡している部分の電流値を測りたいと考える場面もあります。
そういった場合は、0Vの電圧源を挿入して電流形の代用とします。


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fig.5-6: ホイートストンブリッジの検流計




電流制御電流源(F)


名称からある程度想像できると思いますが、ある点に流れる電流に比例する電流を流す電流源です。
電流の検出には、前述の電圧源を電流計として利用する方法を用います。


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fig.7: 電流制御電流源

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fig.8: I1の2倍の電流を出力


素子の上での右クリックから立ち上がったダイアログのSpiceLineに電流検出用の電圧源の名称を、valueの欄に増幅率を指定します。



電流制御電圧源(H)


もはや説明の必要も無いでしょう。
電流値に比例した電圧を出力する電圧源です。


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fig.9: 電流制御電圧源

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fig.10: I1の2倍の電圧出力




ビヘイビア電源(BV,BI)


これまで触れた電(圧|流)制御電(圧|流)源は、ひとつの入力に対して、単純に比例する出力を得るものでした。
これに対してビヘイビア電(圧|流)源は、複数の入力に対して、複雑な関係となる出力を得ることが出来ます。

使い方はV=F(...)となっているところに直接数式を打ち込みます。
数式の中で使える関数や演算子はLTspiceのHelp TopicsからB. Arbitrary behavioral voltage or current sources.の欄を参照してください。


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fig.11: ビヘービア電圧源で作った絶対値回路

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fig.12: V(in)の絶対値を出力


電圧制御抵抗(VCR)


電圧によって電圧や電流を制御できるならば、抵抗値が変化する素子が合ってもいいと考えるのは自然な流れだと思います。
LTspiceでは比較的簡単に実現できます。LTspiceで電圧制御抵抗(VCR)をどうぞ。

応用例としてはLTspiceで自己発熱するサーミスタなど。

電圧制御スイッチ(SW)


入力に対して非線形に抵抗値が変化する、電圧制御スイッチもあります。


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fig.13-14: スイッチ


SPICE Directiveをつかってモデルを指定する必要があります。
このとき指定できるパラメータには、ON抵抗やOFF抵抗、また、制御入力のしきい値などがあります。制御入力はヒステリシスを持たせることもでき、指定方法はLTspiceでデジタル回路 その1のしきい値の書式と同じです。



ねがてぃぶろぐの付録


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上記のとおり、relax-osc_asc.txtからrelax-osc.ascへ名前を変更します。
LTspiceが既にインストールしてあれば、アイコンの形がテキスト形式のものからNPNトランジスタの形へ変化し、ダブルクリックからLTspiceで開けるようになります。
LTspiceのインストールをしていない方はLTspiceのインストールと初期設定を参考にインストールしてください。


001_20101116055220.png
fig.1: _asc.txt → .asc


同様にrelax-osc_plt.txtからrelax-osc.pltへ名前を変更します。こちらは、テキスト形式のアイコンから、未登録ファイルのアイコンへ変わるはずです。

関連エントリ




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tag: LTspice 定電流 

CMOS4050の出力抵抗

4050はデジタル回路のレベルシフトなどに便利な標準ロジックICです。4050でLEDを駆動する場合、出力段のFETが定電流特性となり電流制限抵抗を省略できることがあるようです。
そこで、本エントリでは電源電圧と負荷抵抗を変化させることにより、4050の出力抵抗を測定しました。
その結果、電源電圧が5VのときのみLEDを電流制限抵抗無しで駆動するのに適した出力抵抗となることが分かりました。

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CMOS4050


4050は、CMOS標準ロジックのひとつで非反転バッファです。


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fig.1: 4050内部等価回路

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fig.2: 4050機能ブロック


fig.1-2は、東芝セミコンダクタの4050データシートによる4050の内部等価回路図です。

東芝セミコンダクタ4050データシートの概要にあるとおり、広い動作可能電源電圧と入力トレラント機能を持つため、レベルシフトをはじめ、さまざまな用途に利用されます。

出力電流が大きく、1 個のTTL を直接駆動できるため、CMOS からTTL の接続に有用です。入力は、VDD に無関係にVSS + 18 V までの電圧を加えることができるため、15 V、10 V 系のCMOS 論理回路から5 V 系のCMOS/TTL 論理回路へのレベル変換IC としても使用できます。


(関連:デジタル回路の簡易レベルシフト)

4050の出力インピーダンス


やまねこさんのつぶやきを見て、以前おこなったSimさんのPICkit2のレベル変換回路(2)のエントリのコメント欄での議論を思い出しました。

このときののりたんさんの解説が

その昔、40xxシリーズのメタルゲートCMOSを使っていた頃には、「CMOS-ICのID-VDS特性は、定電流特性になる。だから、LEDの電流制限抵抗は省略できる。」といわれていました。いわゆる五極管特性の領域を使っていたからだと記憶しています。
ところが、最近のCMOSマイコン出力のID-VDS特性というのは、ほとんど直線になってきています。つまり、三極管特性の部分を使っているようなのです。そのため、出力インピーダンスは線形、つまり抵抗と考えて差し支えないと思います。
VGS電圧が高くなれば、IDが増加します。マイコン出力の場合には、VGSにVDD-VSS間電圧がそのまま印加されるので、gomisaiさんのおっしゃるように、電源電圧に依存してIDが変化するという関係がみえてきます。

そういえば、40xxシリーズのID-VDS特性を実測したことは、ありませんでしたね。
# と、書いておくとgomisaiさんが測定してくれるかも。


これに対する、わたしのレスが

のりたんさん
解説ありがとうございます。
> # と、書いておくとgomisaiさんが測定してくれるかも。
ブログネタリストに加えておきます。


でした。
実を言うと、既に少しだけ測定はしていたのでした。
勿体つけても仕方が無いので、測ってあるところまで公開します。

4050でLEDを駆動するとき電流制限抵抗を省略できるか?


ここで、本エントリの目的をはっきりさせておこうと思います。

PICやAVRの事はとりあえず置いておいて、40xxシリーズ標準ロジックICの4050で順電流が数ミリアンペアから数十ミリアンペア程度のLEDを駆動する際に、抵抗を省略できる(順電流に近い電流領域で、出力インピーダンスが定電流特性に近くなる)か、できないかを各電源電圧について検討することとします。

測定方法


電流の向きは、ソースとしました。基本的には出力電流と出力端子の電圧降下から、オームの法則を用いて出力抵抗を決定します。

出力電流を可変するため、負荷抵抗として100Ωから1kΩまでのE6系列のカーボン抵抗を用意しました。抵抗の取替えを簡単にするため、回路はブレッドボード上に作成しました。


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fig.3: 測定回路


ブレッドボードの接触抵抗などの影響を避けるため、抵抗測定には四端子法を用いました。電圧端子の取出しには、洗濯バサミ型のICテストクリップを用いました。
電源は、HP6632Aシステム電源で3V、5V、9V、12V、15V、18Vに設定したものを利用しました。電流測定と電圧測定は、R6452Aデジタルマルチメータで行いました。

結果と考察


以下に、測定結果を示します。


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fig.4: 4050の出力電流-出力インピーダンス特性


同一シンボルを結んだものが、同一の電源電圧を示しています。
つないだ線が立っているものほど出力が定電流特性に近く、寝ているものほど定抵抗特性に近いといえます。

ここで、電源電圧が5Vである緑のラインに注目してみます。
すると、一般的なLEDの駆動電流として妥当な値である6mA前後の領域でグラフが立っている、すなわち定電流特性に近くなっていることが読み取れます。
したがって、電源電圧が5VのときにはLED駆動時に電流制限抵抗を省略することができるでしょう。

一方で、これよりも高い電源電圧では、グラフが寝ているため定抵抗特性に近くなり、抵抗値も電流制限抵抗を省略するには低い値となっています。

逆に、3V動作時は出力インピーダンスが高くなりすぎて、LEDを十分に駆動できるだけの電流を取り出せなさそうです。

したがって、4050をソースで動作させたときは、電源電圧が5V前後の場合のみ電流制限抵抗を省略した状態でLEDを駆動できるという結論となりました。

関連エントリ




参考URL




付録


このエントリで使用した測定データを添付します。


参考文献/使用機器




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tag: 定電流 レベルシフト R6452A HP6632A ブレッドボード 

LTspiceで出力インピーダンス

電源の出力インピーダンスなどのように、電源の出力インピーダンスは、電源内部に抵抗(インピーダンス)を持つモデルとして表されます。
しかしながら、この内部抵抗は負荷などのさまざまな条件によって値を変えます。
そこで、本エントリでは負荷変動に対して出力インピーダンスがどのように変化するのかのシミュレーションをLTspiceを用いて行いました。

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出力インピーダンスの測定


電源の出力インピーダンスは、負荷抵抗をスイッチングすることによって測定することができます。この負荷抵抗の値を連続的に変化させると、各負荷領域における出力インピーダンスを測定することができそうです。(参考:HP6632AでFXA-7020ZR負荷試験 失敗編)

HP6632AでFXA-7020ZR負荷試験 失敗編で求められた出力インピーダンスは、HP6632AでFXA-7020ZR負荷試験の結果と比較しても、ミノムシクリップの接触抵抗が主要な成分であると考えられます。そのため、出力インピーダンスは負荷にかかわらず一定です。
しかしながら、乾電池の内部抵抗などは負荷電流に対して変動します。

そこで、より一般的には、出力インピーダンスは負荷抵抗に対する微分の形で表されるはずです。

微分から求める出力インピーダンス



001_20100306101843.png
fig.1: 出力インピーダンス測定回路


スイッチを開いたときと閉じたときの回路についてそれぞれ式を立てると

V=(R_o + R_L) \times I

V=(R_o + R_L + \Delta R) \times (I + \Delta I)


これをRoいついて解くと
R_o = - R_L - \Delta R - I \frac{\Delta R}{\Delta I}


ΔR→0,ΔI→0のとき
_eq_1b18.png


電流源の出力インピーダンス


電源の出力インピーダンスでは、電流源では出力インピーダンスが大きい方が優れた電源であると書きました。これは、出力インピーダンスの大きさが負荷が変動したときの電流の変動のしにくさを表していると言うことと関係しています。

LTspiceのグラフウインドウではd()/d()を使って微分を表すことができます。


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fig.2-3: 出力インピーダンス100kΩの電流源


fig.2-3は出力インピーダンスR1を微分から求めたものです。
多少の計算誤差が見られるようですが、ほぼ100kΩとなることがグラフから読み取れます。

TL431による10mA定電流源


これまでは、負荷変動に対して一定な出力インピーダンスを持つ電源の出力インピーダンスのシミュレーションをしました。
次により現実的な、負荷変動に対して出力インピーダンスが非線形に変化する回路のシミュレーションを行います。

以下に示すのはTL431で低抵抗測定用10mA定電流源で設計した定電流回路です。


004_20100306101843.png

005_20100306101843.png
fig.4-5: TL431による定電流回路


グラフ中の緑のラインが定電流回路の出力インピーダンスです。
負荷が30Ωより小さいときは、およそ150kΩの出力インピーダンスを持つ理想的な電流源として振舞います。負荷が30Ω以上になると出力インピーダンスが470Ω程度まで下がり、出力電流を表す赤のグラフも負荷抵抗に応じて下がっていきます。

470Ωというのは、R1+R3の抵抗値です。
電源電圧が5Vと言う今回の条件では、R1+R2+R3が500Ωをこえると10mAの電流が取れなくなるため、TL431の制御から外れて定電流制御が出来なくなります。

関連エントリ




付録


このエントリで使用したBSch3V形式の回路図ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


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