LMC662で試作チョッパアンプ

汎用OPアンプをチョッピングで高精度化の方法を用いて、実測で約440μVの入力オフセット電圧を持つLMC662を低オフセット化する実験を行いました。このチョッパアンプのオフセット電圧の測定をしたところ、約55μVとなり、実際にオフセット電圧が小さくなっていることが確認できました。

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LTspiceでのシミュレーション


汎用OPアンプをチョッピングで高精度化では、PICなどのマイコンと組み合わせることによって(オフセットの小さくない)汎用OPアンプを利用して、微小電圧の高精度測定を行うシミュレーションを行いました。


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fig.1: マイコン利用チョッパアンプのスケマティック

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fig.2: 入力電圧-出力電圧特性。横軸が入力電圧で、縦軸が出力電圧。赤で示したラインがチョッパ増幅器の出力電圧を表していて、緑が理想的な出力電圧をあらわしています。


その結果、5mVの入力オフセット電圧を持つOPアンプでも0-25mV程度の微小電圧を測定することができることがわかりました。
そこで今回は、現実のOPアンプでもシミュレーション通り低オフセット化が実現できるのかを確認するために、単電源OPアンプLMC662を対象に実験を行いました。

回路構成


利用した回路の概念図をfig.3に、もう少し詳細な回路図をfig.4に示します。


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fig.3:測定回路の概念図

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fig.4:ChopAMPの詳細な回路図


制御用のPICマイコンは8ピンのPIC12F683を利用しました。
基準電圧源には、鈴商で購入したLM4040で作成した4.096Vを利用しました。
A/D変換後のデータは、シリアル通信で(別のPICに接続した)キャラクタLCDに表示しました。
被測定用の微小電圧は、5mΩの抵抗(ミリオーム抵抗 前編)に0-5Aの電流を流すことによって生成しました。電源はHP6632Aシステム電源、電流とシャント電圧の測定はR6452Aデジタルマルチメータを利用しました。

測定結果


測定結果をfig.5に示します。


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fig.5: マイコン利用自作チョッパアンプの測定結果


緑の十字シンボルが実測値で、赤のラインは測定値を線形フィッティングしたものです。

Vout = a * Vin + b
(Vout: 出力電圧, Vin:入力(シャント)電圧, a:ゲイン, b:出力オフセット電圧)

フィッティングの結果から a=102.129, b=0.0055435 という値が得られました。
従って、入力換算オフセット電圧が約55μVと求められました。

通常の差動増幅回路との比較


比較のために同じ個体のLMC662で通常のゲイン100倍の差動増幅回路を構成し、フィッティングから入力換算オフセット電圧を計算したところ440μVとなりました。

もともと入力オフセット電圧の低い個体だったようですが、それでも入力オフセット電圧の影響が、チョッピングによって改善されていることがわかります。

四端子法の必要性に対する補足


ただし、ミリオーム抵抗 後編での考察の通り電流測定を行う際には、正しい四端子測定を行わないと測定値が正しく得られません。

そういった意味では、今回のチョッパアンプは、シャント抵抗のプラス側とマイコンのGND端子の間の電圧を測定していることになるので、四端子測定とは言えません。
技術奴隷さんの指摘の通り、入力側のチョッピングは外付けスイッチを用意した方がよさそうです。

一方で、R6452Aデジタルマルチメータは、fig.3に示したとおりちゃんと四端子測定になるように接続してしまったので、今回のチョッパアンプの出力と直接比較することは、厳密に言うならば、できないということになります。

関連エントリ




付録


このエントリで使用したBsch3V形式回路図ファイルとチョッパアンプの測定データを添付します。回路図は、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。



参考文献/使用機器




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tag: PIC OPアンプ スイッチング回路 チョッパアンプ 2ちゃんねる HP6632A R6452A 

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。


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

2010年の抱負

皆様、あけましておめでとうございます。
新年の挨拶が遅くなりましたが、今年も私の駄文にお付き合いいただけたら幸いです。

今回のエントリでは、2010年の抱負と言いますか、以前からやりたかったことを、半積読状態の本の紹介と共に書きます。
やりたいことが多すぎて、いくつ達成できるかとかんがえると、かなり怪しいのですが。


PSoCでCapSense


お正月にのんびりとPSoCマイコン・スタートアップのサンプルを動かしてみました。

PSoCマイコン・スタートアップは、MiniProgと開発基板付で3990円という価格で、どういったトリックか分かりませんがMiniProgを単体で購入するよりも安上がりと言うお買い得本です。
内容的には、コーディングを含まないお手軽開発手法の「システムレベルデザイン」とタッチセンサを実現するための「CapSense」の解説の二本立てで、どちらに関しても日本語の解説書は(おそらく今のところ)この本だけだと思います。



CapSense関係にはまだ触れていませんが、システムレベルデザインの手法は思いのほか面白そうだと言う感触です。
CapSenseというのは、静電容量変化型のタッチセンサを実現するための技術云々・・・簡単に言うと、iPodについてるぐるぐるの事らしいです。
ねがてぃぶろぐでは、今後CapSenseでのタッチセンサを用いた回路を実際に作ってエントリにまとめたいと考えいます。

ただ、システムレベルデザインは、そもそもプログラミングが好きだと言う人にとっては、あまり興味がわかないかもしれません。また、複雑なソフトウエア処理を必要とする場合は、どちらにせよチップレベルデザインが必要になるでしょう。
PSoCマイコン・スタートアップには、チップレベルデザインでの開発手法の解説はありません。必要に応じて別の参考書が必要でしょう。



私としては、トランジスタ技術2009年1月号がお奨めなのですが、如何せん、1年前の雑誌です。手に入らないことも多いでしょう。今ならこれならわかる!PSoCマイコン活用術が妥当なのだと思いますが、わたしは読んだことがありません。

Scilabで数値計算


回路シミュレーションは概ねLTspiceでできるのですが、それ以外のちょっとした数値計算をやりたくなることはよくあります。

Excelで操る! ここまでできる科学技術計算を参考書としてExcelで何とかしようと考えていた時期もありましたが、どうせプログラミングに近いことをするなら、それらしい環境を整えた方が後々楽だろうと考えました。



入門書は、たまたま書店で目に付いたScilab入門―電気電子工学で学ぶ数値計算ツールです。この手のソフトウエアになれている人にとっては鬱陶しく感じるかも知れませんが、本に書いてあるとおり入力を行っていくことでScilabが使えるようになります。丁寧です。



メインテーマとしているのは、あくまで数値計算です。
例として取り上げているのは電子回路なので、ねがてぃぶろぐの読者の方には理解しやすいでしょう。Scilab入門―電気電子工学で学ぶ数値計算ツールは、入門書なので、アルゴリズム部分を補うための副読本としてはScilabで学ぶわかりやすい数値計算法を選びました。

複雑でない数値計算をScilabを用いて自力で出来るようになるのも今年の目標の一つです。

計測器とPCの通信ソフトをC#で


私の所有するHP6632AやR6452Aは、GPIBやRS232インターフェースを介してPCと接続することができます。PC側の制御ソフトウエアを書けば、自動計測環境が構築できます。



ですが、まあ、優先度は低めですね。

Googleアドセンス


ねがてぃぶろぐのAmazonのリンクから商品を購入してくださる皆様、いつもありがとうございます。
今年は、Googleアドセンスをはじめようかなと思っています。

このエントリでもたくさん貼ってありますが、Amazonアソシエイトが楽しくなってきました。しかし、儲かるのか?と聞かれますと、きっぱりと否なのです。
では、どういったことが面白いのかと言いますと、実際に読んでいただいている方がどんな方なのかと言うことが分かる点です。

ねがてぃぶろぐは、アクセス数に比してコメントやトラックバックの数が少ない部類のブログだと思います。もちろんAmazonアソシエイトを通じての書籍等の購入も少ないのですが、それでも他のフィードバックとは異なった発見があります。

例えば、ねがてぃぶろぐで一番売れている本は、実はExcelで操る! ここまでできる科学技術計算です。といっても現時点で5冊ですが。
前述の本は、必ずしも電子工作関連本ではありません。電子工作ブログを自称するねがてぃぶろぐとしては、意外だと言う印象です。

ブログに積極的に広告を載せるのは、文章のS/Nを下げる恥ずべき行為だと考えていた時期もありますが、始めてみて気づく面白さというものもあるのだと思いました。
こういう見方を持って、他の良く行くブログに貼られたGoogleアドセンス広告をクリックしてみると、いままで知らなかった使えそうなものも、しばしばあるようです。
これが、ねがてぃぶろぐでもGoogleアドセンスをはじめてみようかと思い至った理由です。

他にも


他にもたくさんあるのですが、書き始めてみたら長くなってしまったのでここまでにします。

関連エントリ




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tag: PSoC Scilab HP6632A R6452A 

LEDの温度係数

LEDの温度係数に関するトピックをいくつかまとめて書きました。

  • LEDはVFの個体差と温度係数により並列にできない
  • 実測から温度係数が負であることを確認した
  • LTspiceのモデルには不備がありそう


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LEDは並列接続できない


GaN系LEDの並列接続についてによると、LEDを個別の電流制限抵抗無しに並列接続することは推奨されません。これはLEDの順電圧VFと順電流IFの関係が非線形であり、順電圧の個体差による順電流のアンバランスが無視できないほど大きくなりうるためです。


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fig.1: LEDの並列化は推奨されない


さらに、LEDの温度係数が負である事もアンバランスに拍車をかけます。fig.2は白色LEDNSCW100の周囲温度-順電圧特性グラフです。


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fig.2: NSCW100の周囲温度-順電圧特性


LEDに順電流が多く流れているほど、発熱による温度上昇も大きなものとなります。
したがって、ばらつきによって順電圧が小さかった個体のほうが電流が大きくなり、温度上昇するため、順電圧が下がりやすい傾向にあります。

基準電圧源として使う


さて、LEDは広い駆動電流範囲にたいして狭い順電圧特性を持っています。そのためツェナーダイオード代わりの簡単な基準電圧源として使われることがあります。以前製作した5-500mA定電流電子負荷でもLEDを基準電圧源としています。

このアプリケーションでは、電流値の設定は可変抵抗で行うためLEDの順電圧の確度自体は重要ではありません。しかしながら、目標電流値設定後のドリフトは、出力電流の変動に直結するため問題となります。

(余談ですが、この定電流電子負荷をLTspiceをもちいて負帰還安定性判別してみたところ、発振する不安定な回路であると言う結果が出てしまいました。実際には製作しない方がいいと思います。すでに作ってしまった方はごめんなさい。負帰還安定性判別の詳細も後ほどエントリにまとめる予定です。)

温度試験


こういった背景から、今回のエントリでは温度変化に対するLEDの順電圧変動に関する定性的な評価を行います。

fig.3に示す実験回路を作成しLEDの順電圧を測定しました。
測定対象のLEDは、手元にあった型番もメーカーも不明な赤色LEDです。
Dummy Loadは、5-500mA定電流電子負荷を使用しました。


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fig.3: 実験回路構成


温度を測定する方法が無いので、測温はしていませんが、30秒あたりから65秒あたりまでドライヤーで温風を当てた際の順電圧VFと順電流IFの測定結果をfig.4に示します。


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fig.4: 順電圧の測定結果


大雑把に1.85Vに対して0.1Vと考えると、約5.6%の変動です。定電流回路のための基準電圧源とすればかなり大きい方だと思いますが、前述の電子負荷の設計思想から考えればまあまあの値だと思います。

LTspiceモデルの温度特性


ところで、LTspiceには各種LEDのモデルが標準で付属していますが、これらのLEDの温度特性のモデル化は成されていないようです。
以下に、LTspiceを用いたLEDの温度特性に関するシミュレーション結果を示します。


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fig.5: スケマティック

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fig.6: 温度特性が正になっている


シミュレーションに用いたLEDのモデルは、fig.2に特性を示したNSCW100です。
ここでfig.6とfig.2を比較すると温度に対する順電圧の変化が逆の傾向を持っていることがわかります。LTspiceに標準で登録されているLEDモデルを用いた温度解析は出来そうにありません。

関連エントリ




参考URL




付録


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、実測データ、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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tag: HP6632A LTspice R6452A 定電流 電子負荷 LED 温度解析 

セメント抵抗の温度特性 その2

セメント抵抗の温度特性 その1から、セメント抵抗の抵抗値が温度によって変化するという説を立てました。今回は、定性的に異なる温度条件での抵抗値測定を行い、抵抗値の変化が温度に起因するものであると確認しました。

また、抵抗値変化を温度計として、セメント抵抗のパッケージの熱的特性に関する議論のアイデアについても触れました。

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その1の再確認


セメント抵抗の温度特性 その1では、セメント抵抗を基板上に四端子接続し、その特性を測定しました。
その結果は、測定電流によって抵抗値が異なると言うものでした。


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fig.1: 測定電流-抵抗値


抵抗は温度によって抵抗値が変わると言う性質があります。そのため、この抵抗値の変化は、測定電流による自己発熱の結果であると考えました。

今回のエントリでは、定性的ではありますが、異なる温度条件での抵抗値測定を行い、前述の抵抗値の変化が温度変化に起因するものであることを確認しました。

初期温度と抵抗値


まず、三段階(冷たい・普通・熱い)の温度に対して抵抗値を求めることを考えました。
回路構成は、fig.2のとおりで前回と同じです。測定電流はすべて約5Aで固定としました。


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fig.2: 回路構成


冷たい条件での測定は、抵抗を冷蔵庫にしばらくおいておいたあと、「できるだけ手早く測定する」と言う方法で行いました。
普通の条件は、しばらく室温においておいた抵抗を、「できるだけ手早く測定」しました。
「できるだけ手早く測定」というのは、自己発熱によって温度が上がってしまわないうちにと言う意味です。
最後に、熱い条件は通電状態で10分程度放置したものを測定しました。

table.1に結果を示します。


条件電流[A]電圧[mV]抵抗[mOhm]
冷蔵庫4.9951494.999.08
室温4.9950495.999.28
触れないほど熱い4.9966506.9101.4
table.1: 温度と抵抗値


温度が高い条件の方が抵抗値が高いことが確認できました。

通電時間と温度の関係


次にデジタルマルチメータR6452Aをパソコンとシリアル接続し、連続的にデータをサンプリングしました。
fig.3に横軸に通電開始時間、縦軸に抵抗値の変化を示すグラフを掲載します。
測定電流は5Aです。


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fig.3: 時間-抵抗値変化


熱のローパスフィルタ


これまでの考察から、セメント抵抗の抵抗値の変化は、抵抗の温度変化を表しているであろうという結論に至りました。そこで、この抵抗値の変化を温度変化とみなして、抵抗器の熱的特性に関して議論を行います。

熱抵抗を電気抵抗に、熱容量を静電容量に、熱源を電流源にそれぞれ置き換えれば、熱的特性は電気回路でモデル化することができます。このモデル化では、温度と電圧が対応します。

抵抗での発熱は、抵抗値の変化が小さいため一定と考えると、定電流源のモデルで表せます。セメント抵抗のパッケージを熱抵抗と熱容量が1つずつのもっとも単純なモデルとして考えると、fig.4のようになります。


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fig.4: 熱のローパスフィルタモデル

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fig.5: パッケージの温度変化


ここで、R1はセメント抵抗の発熱部とパッケージ間の熱抵抗、R2はパッケージと大気間の熱抵抗で、C1はパッケージの熱容量です。Tjは発熱部の温度、Tpがパッケージの表面温度、GNDに相当するのが大気温度です。

LTspiceでのシミュレーション結果から、fig.3の抵抗値変化の波形と形の似たパッケージ温度の波形が得られました。

デジタルマルチメータに熱電対を接続し、抵抗値変化の代わりにパッケージ温度を測定すれば、フィッティングからR1,R2,C1の値が得られるのではないかと思っています。(が、実際にやるつもりはありません。)

関連エントリ




参考URL




付録


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と実測データを添付します。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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