LTspiceでTL431

テキサスインスツルメンツが公開しているTL431のSPICEモデルは、回路的に不適切なコンデンサを接続したとしても、発振に至る様をシミュレーションしてくれません。
そこで、TL431の等価回路からSPICEモデルを作り、不適切な値のコンデンサを接続した場合に発振に至るシミュレーションをLTspiceを用いて行いました。

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TL431の発振


TL431は負荷のキャパシタンスによって発振しやすい回路です。
fig.1は、テキサスインスツルメンツのTL431データシートから引用した負荷と発振に対する安定な領域を図示したグラフです。


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fig.1: 負荷と発振に対する安定領域


2009年12月号のトランジスタ技術には、TL431を発振させずに使うための回路についての問題が載っていました。参考:「詰め回路:TL431」を解く

テキサスインスツルメンツのTL431のSPICEモデル


簡単に回路の発振に対する安定性を検討するために、回路シミュレータが利用されます。しかし、TL431のSPICEモデルは位相の回転まではモデル化されておらず、実回路では発振する回路でもシミュレータ上では発振しないようです。参考:シミュレータでは発振しない TL431 LC 発振回路 - 実回路は TL431 で位相が回ってしまったらしい

等価回路からSPICEモデル作成


そこで、発振に対する安定性を議論するために等価回路図からSPICEモデルを作成します。
と言っても難しい話ではなく、TL431データシートの等価回路をそのままLTspiceのスケマティックにするだけで、トランジスタやダイオードもLTspice標準のものを使いました。


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fig.2: TL431データシートの等価回路図


構成要素は大雑把に言って「バンドギャップ基準電圧」「差動増幅回路」「ダーリントントランジスタ」です。

シミュレーション結果


fig.3-4にLTspiceでのシミュレーション結果を示します。
負荷容量は確実に発振に至るであろう0.1uFとしました。


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fig.3: 過渡解析のスケマティック

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fig.4: 発振している出力波形


以下に示すfig.5-6は、負荷容量の値をパラメータスイープしたシミュレーション結果です。横軸は時間を、R11とC3の時定数で規格化したものです。


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fig.5: 過渡解析のスケマティック

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fig.6: 負荷容量の値によって発振の有無が変化する


負荷容量の値によって発振するかしないかが変化することがわかります。

TIのモデルとの使い分け


本エントリのSPICEモデルは、トランジスタの選択がいい加減であるため、正常動作時でも出力電圧が2.5Vよりも低めに出ます。また、発振に対する安定領域も実際のTL431と正確に一致するわけではありません。したがって、大雑把な傾向をつかむための利用にはよいかと思いますが、回路定数を決定するために使うようなことはできないと思います。

特に出力電圧が2.5V程度であることが重要な用途では、TIのモデルを利用するほうがよいです。

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。


参考文献




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tag: LTspice TL431 パラメトリック解析 

「詰め回路:TL431」を解く

トランジスタ技術2009年12月号に、「詰め回路①3端子基準電圧源TL431を発振させずに使う」と言う記事が載っています。これはトラ技の新しい連載で、今月号で出した問題の答えを来月号に載せるというもののようです。
今回のテーマは、タイトルのとおりTL431を発振させないようにするためには、出力と並列に入れるコンデンサの容量をいくつにすればよいかと言う問題です。


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fig.1: 詰め回路の問題


ちょっと難しかったので、私なりに解いてみたものをエントリとしてまとめます。
(別にこのエントリに限った話ではありませんが、)間違っているかもしれません。まだ自分で考えたい、と思っている方はこれ以降を読まないでください。

more...

tag: トランジスタ技術 詰め回路 TL431 LTspice パラメトリック解析 ナイキスト線図 負帰還安定性 

電子工作にマルチモニタ

先日、ふと思い立ってメインのパソコン環境をマルチモニタ化しました。
実際に使ってみたところ、想像以上に使い心地がよかったので、紹介のためエントリにまとめることにしました。
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マルチモニタとは


マルチモニタとは、1つのパソコンに複数台のモニタを接続することです。
fig.1は実際に使っている様子です。


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fig.1: マルチモニタ


私の環境では、17インチモニタをふたつ横並びとして、2560×1024として使っています。

マルチモニタ宣伝の謳い文句としては、『作業効率が上がる』と言うものがあります。
実際に作業効率が上がるかどうかは分かりませんが、複数のウインドウを切り替える回数が減るのは楽です。

マルチモニタ環境を使うのは、画像関係のクリエイターや株取引をする人、一部の裕福なハイエンド志向のパソコンマニアと言うイメージがありましたが、モニタの値段も一昔と比べるとはるかに安くなっているので、趣味の電子工作でも利用する価値があると思います。

電子工作趣味人的使用法


実際に使っているところのスクリーンショットをお見せします。fig.1は、左のディスプレイにLTspiceを、右のディスプレイにAdobe Readerを立ち上げています。


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fig.2: LTspiceとTL431のデータシート


TL431のデータシートに書かれた等価回路をLTspiceの回路エディタに写しているところですが、どちらのアプリケーションも普通のモニタの全画面表示の大きさで見ることができます。

何かを参照しながら、何かを書くという組み合わせはたくさん思い浮かびます。

  • 回路図を見ながらソースコードを書く
  • 回路図を見ながらパターン図を描く
  • ウエブページを見ながら・・・
  • データシートを見ながら・・・
  • Excelを見ながら・・・


これらはみな、右のディスプレイに資料を、右のディスプレイに作業領域をという配置でうまくいきます。
同じアプリケーションを2つ立ち上げて、それぞれに違うデータを表示させて比較するといった使い方もできます。

fig.2は、PSoC Designerを横長に広げてみたところです。


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fig.2: PSoC Designer


横長なChipのブロック配置図は、横幅1280pxのディスプレイだとすべて画面内に収めるには、かなり縮小表示しなければなりません。これが横幅2560pxとなると、端子の入出力まで表示した上でデータシートウインドウまで確保できます。

PSoC Designerに限った話ではなく、マイコンやPLDの統合開発環境は、1つのウインドウの中にたくさんの分割されたウインドウ領域を持つものが多いと思います。こういった場合は、単一のアプリケーションであっても作業領域を広く取れることがメリットになります。

モニタ


わたしが実際に使ったモニタは、AcerのV173BWMです。
入力端子は、アナログVGAのみなのですが、動画やゲームが目的ではないのなら問題は無いと思います。私のところに来た2台は表示も鮮明で、色合いも綺麗です。
Amazonで購入するのなら、色違いのV173BBMの方が安いようです。



私は、見た目をそろえるため2台同じものを購入しましたが、当然ながら、今使っているモニタに新たに1台追加してマルチモニタとすることもできます。
わたしは、それ以前に使っていたモニタをノートパソコンに接続して、こちらもマルチモニタとしました。

USB-RGB変換


さて、1台のパソコンに2台のモニタを接続するためには、パソコンからメインのモニタつながっている映像出力端子に加えて、さらにもう1つの映像出力端子が必要になります。

ノートパソコンの場合は、増設しなくてもアナログVGA出力端子がついている場合が多いですが、デスクトップパソコンの場合は、ついていない方が普通でしょう。
デスクトップパソコンの場合、あるいは、ノートパソコンでも映像出力端子がついていない場合は、出力端子を増設する必要があります。

設定が簡単なのは、USB-RGB変換アダプタを利用することです。私はアナログVGA出力に加えてDVI出力もできるUSB-RGB/Dを購入しました。
しかしながら、前述のV173シリーズはアナログVGA端子しかもっていないので、アナログVGA出力端子のみのUSB-RGBで十分だったと思います。



マルチモニタのススメ


以上、マルチモニタ環境のオススメでした。

余ったモニタとノートパソコンで構成したマルチモニタ環境にも触れておきます。
ノートパソコン側のワイドモニタと外付けの普通のモニタでサイズや縦横比がことなります。こういう場合は、fig.2の様なひとつのウインドウを広げる使い方は難しい気がしますが、fig.1のようなふたつのアプリケーションを立ち上げる使い方なら問題ありません。

モニタを置く場所が無い?


コメント欄にてのりたんさんに指摘していただいたとおり、モニタを置く物理的なスペースが無いと言うのは切実な問題です。
以下に示すような「モニタ台」をつかえば、机の上に乗っている物をモニタの上に移し、マルチモニタを実現できるかもしれません。



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tag: 開発環境 LTspice PSoC 

セメント抵抗の温度特性 その1

電流測定用の四端子抵抗は比較的高価です。そこで、安価な二端子抵抗を基板上で四端子接続することで四端子シャント抵抗を自作できないかと考えました。
本エントリでは、セメント抵抗での試作を行い、電流値を可変した際の電圧降下を測定しました。
その結果、抵抗での損失にともなう自己発熱に起因すると考えられる抵抗値の変化が起こることが分かりました。

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四端子シャント抵抗の自作


電流測定が必要な場面は非常に多いと思います。電流測定の方法として、最もポピュラーなのはシャント抵抗を用いる方法です。(ミリオーム抵抗 前編)
電流測定用のシャント抵抗は、抵抗値がとても小さく、実装の方法だけで抵抗値が変わってしまいます。(ミリオーム抵抗 後編)
そこで、高精度な測定を行う場合は、専用の四端子シャント抵抗を用います。とは言うものの、四端子のシャント抵抗は、1個1000円以上するため、ちょっとした実験に使うには高価です。

そんな訳で、安価な二端子抵抗を基板上に実装した状態で、あらかじめ抵抗値を測定しておけば、自作四端子抵抗として使えるのではないかという考えの下、セメント抵抗を用いた試作を行いました。

製作と測定


0.1Ω(100mΩ)のセメント抵抗を基板上に四端子接続となるようにハンダ付けします。(fig.1)


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fig.1: 四端子セメント抵抗基板の外見(手前がセメント抵抗)


この基板には、5mΩのミリオーム抵抗もハンダ付けしましたが、今回のエントリでは使っていません。

上記のセメント抵抗に、HP6632Aシステム電源を用いて、0.2-5Aの範囲で0.2Aステップずつ電流値を上げていき、このときの電流と電圧をR6452Aデジタルマルチメータで測定しました。(ただ、1.4Aのデータを取り忘れました。ごめんなさい。)


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fig.2: 接続概念図


このときの端子間電圧と電流値から、オームの法則をもちいて抵抗値を算出します。

_eq001_20091117050911.png … (1)

_eq002.png … (2)

測定結果とデータ処理


fig.3に測定結果のグラフを示します。横軸に電流値、縦軸に抵抗値をとりました。赤のプロットが測定データです。
誤差棒は、測定結果がR6452Aの初期確度を満たしていると信じて、電流誤差の最大・最小値、電圧誤差の最大・最小値から付けました。低電流側で誤差棒が大きいのは、電圧が測定分解能に対して小さいためです。


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fig.3: 電流-抵抗測定結果


測定データから、放物線のような特性が見られました。そこで、これらのデータにたいして二次関数へのフィッティングを行ってみます。
緑の線が測定データに対して、gnuplotを用いて最小二乗法フィッティングを行ったものです。フィッティング関数として式(3)を用いました。ここで、a,bがフィッティングパラメータです。

_eq003.png … (3)

フィッティングの結果、a=0.07932972,b=98.9808となり、式(4)が得られました。

_eq004.png … (4)

発熱と温度


測定結果fig.3は、電流に対する抵抗値の変化が、誤差範囲内におさまらないものもあります。このことから、電流値に対する二次関数的な抵抗変化は、測定誤差ではなく、実際に1%程度の抵抗値変化が起こっているものと考えられます。
抵抗値を含む物性で、電流に対する二次関数になるものと言えば発熱、すなわち電力ジュールの法則(5)があります。

_eq005.png … (5)

fig.4に測定した電流と電圧の積から求めた抵抗での損失のグラフを示します。


004_20091117051003.png
fig.4: 電流-損失


緑のラインは、これらのデータに対して、抵抗値をフィッティングパラメータとした最小二乗法フィッティング結果です。
フィッティング結果から得られた抵抗値は、0.100452Ωでした。

温度と抵抗値


使用したタクマンのセメント抵抗の温度係数は、データシートより±200ppm/℃となっています。この値から見積もった1%の抵抗変化は、50℃の温度変化に相当します。

室温を約25℃とすると、抵抗の温度は75℃以上となっていなければならないことになりますが、5A通電時のセメント抵抗に触れてみたところ、触れられないほど熱かったので、この温度の見積もりは、まずまず妥当なものだと思います。

関連エントリ




付録


このエントリで使用した測定データと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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tag: 温度解析 熱設計 HP6632A R6452A 

昇圧電源を内蔵したIC

前からあっても不思議じゃないな、と思いつつも、実際に現物を見たことが無いから存在しないのだろうなと思っていたICがありました。それは、IC内部にスイッチングレギュレータを持つOPアンプです。

そんな折、EDN Japanチャージポンプを活用した単電源オペアンプという記事を見つけたので、ついでに考えたことを書こうと思います。


単電源OPアンプ


OPアンプの同相入力電圧範囲と出力電圧振幅は、ふたつの電源入力端子に加えられる電源電圧に依存します。
これらのパラーメータは、一般的なOPアンプでは、負の電源電圧よりも2~3V高いから正の電源電圧よりも2~3V低いところまでです。
fig.1は、NJM4580の出力電圧振幅の例で、出力できる電圧の範囲は、これら日本のラインの間の領域になります。


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fig.1: NJM4580の電源電圧-出力電圧振幅のグラフ,両電源OPアンプの例


こういった一般的な両電源OPアンプに対して、入出力できる範囲を負の電源電圧ギリギリまで改善したものを単電源OPアンプと呼びます。さらに、正の電源電圧側にも広げたものはレールtoレールOPアンプと呼ばれます。
fig.2は、単電源OPアンプであるLM358の同相入力電圧範囲です。


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fig.2: LM358の電源電圧-同相入力電圧のグラフ,単電源OPアンプの例


しかしながら、単電源OPアンプのGND付近での非線形性とバイアスのエントリにも書いたとおり、如何に単電源OPアンプといえど、完全に負の電源電圧までキレイに増幅ができるわけではないようです。

こういった理由から、単電源で扱えるはずの信号電圧範囲であっても、OPアンプのためだけに負電源を用意することがしばしばあります。

ADM3202


ADM3202は、TTL-RS232Cレベル変換ICです。
簡単に言うと、5Vの信号を±10Vぐらいの信号に変換できるということです。

このICは、正負の電圧を出力できるにもかかわらず、電源電圧は5V単電源です。その秘密は、IC内部に発振回路を持っていて、外付けしたコンデンサとあわせてチャージポンプ方式の昇圧電源と反転電源を構成しているところにあります。

ADM3202はデジタルICですが、NOT回路の代わりにOPアンプを入れておけば、単電源で完全なレールtoレールOPアンプになるはずです。


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fig.3: NOTの代わりにOPアンプを入れるとレールtoレールOPアンプになる?


というものの、実在する現物を見たことが無かったので、アナログ信号を扱うICの内部にスイッチング回路を仕込むのはノイズなどの観点から難しいのだろうなと思っていました。

オートゼロアンプ


一方で、内部にスイッチング回路を持つことによって高い特性を発揮させるアナログICも存在します。昔から存在するものとしては、チョッパアンプやオートゼロアンプと呼ばれるものがあります。


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fig.4: 古典的なオートゼロアンプ


これらのアンプは、スイッチングによってアンプのオフセットやドリフトを小さくすることができます。この方式は、低オフセットとされている高精度OPアンプのOP07などと比較しても、さらに優れたオフセット特性を持っています。

その反面で、周波数特性は極端に悪く、使われるのは熱電対アンプなどの高精度かつ直流とみなしていい周波数の回路のようです。

チャージポンプを活用した単電源オペアンプでは、スイッチングノイズと帯域の関係を以下のように書いています。

また、チャージポンプを用いる場合、スイッチングノイズが問題になる。それについては、チャージポンプのスイッチング周波数をオペアンプの帯域よりも高く設定することで、スイッチングノイズがオペアンプの熱雑音より小さく抑えられるようになっている。


オートゼロアンプでは、扱う周波数帯域が非常に低いことを前提としているため、こういった問題を回避することができるのでしょう。

PSoCのSMP


さて、自分自身の電源電圧を内蔵昇圧回路で生成するOPアンプという観点からすると、PSoCのスイッチモード・ポンプ(SMP)もまた、この定義に当てはまります。

PSoCのSMPのスイッチング周波数は約1.3MHzと、この手のスイッチング電源としては、少々高めです。この周波数設定も、チャージポンプ内蔵OPアンプのノイズ問題と同様の考え方に起因するのでしょう。

逆に、アナログ回路を含まないマイコンで似たようなことを考える場合は、スイッチング周波数を下げることができるかもしれません。参考:PSoC SMP風のDC-DC昇圧をPICでやってみる

関連エントリ




参考URL




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tag: PSoC SMP PIC スイッチング回路 OPアンプ 

ブログの画像用のソフトウエア

ブログに使う画像をアップロードするだけでも、結構な数のソフトウエアを使っています。
ねがてぃぶろぐでは、無料ソフトだけで何とかしています。
本エントリでは、私が使わせていただいている画像関係の無料ソフトを列挙します。


画像の種類


ねがてぃぶろぐは、電子工作ブログです。
アップロードする画像は、デジカメで撮った写真、BSch3Vの回路図、LTspiceの回路図やグラフ、gnuplotで書いたグラフなどです。

形式はほとんどがPNGで、写真だけはJPEGです。
縦横のサイズは、基本的にはブログのデザインに合わせて、520×390としています。

スクリーンショット


gnuplotは、terminalとしてpngを選ぶときにサイズを指定すれば、520×390のグラフが簡単に出力できます。

BSch3Vは、[設定]→[画面サイズ(S)]→[フリーサイズ]とすることで、回路図のサイズを変更できます。


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LTspiceは、[Tools]→[Copy bitmap to Clipboard]とすればクリップボードに画像がコピーされます。LTspiceは終了時のウインドウサイズを覚えているので、少々ばかばかしいですが、あらかじめMM Desktop Ruler等をつかってLTspice自体のウインドウサイズを変更しておけば、ペイントに貼り付けるだけで520×390になります。

画像出力ができないソフトのスクリーンショットを撮るときは、PettyCameraを使うのが便利です。
以下は、回路シミュレータSIMetrix/SIMPLISの回路図とグラフのスクリーンショットです。


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写真の縮小


デジカメで撮ったJPEG写真は、そのままではサイズが大きいので、サイズを小さくします。
縮小専用。辺りが使いやすいです。

画像編集


めんどくさいので余りやりませんが、画像を編集することもあります。
ほとんどWindows標準のペイントですが、Gimpもつかいます。

gnuplotから出力したepsを簡単に編集できるソフトがあればいいのですが、どうもInkscapeをうまく使いこなせません・・・

画像(再)圧縮


そのままアップロードしてもいいのですが、画像のファイルサイズを小さくすることもしています。以下を参考にどうぞ。

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