組み込みシステムの技術の蓄積レポートです。
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アナログ回路（18）-コイル（RL回路）
前回、MOSFETを使用して、コレクタ接地回路を作成してみました。MOSFETを使用したコレクタ接地回路に関しては、下記のページを参照してください。
アナログ回路（17）-MOSFET（ソース接地回路とドレイン接地回路）
今回は、RL回路を作成して使用して、コイルの動作をみていこうと思います。また、RL回路を式で表して、コイルの値や抵抗の値を変えてみてなぜそのような動作をするのか考えてみたいと思います。
使用する環境は下記のとおりです。
- Windows10
- LTspice XVII
下記のようなCR回路を構築しました。抵抗は 1Ω、コイルは 25μH です。
電源は下記のような設定になっています。
- PULSE
- Vinitial[V]：0
- Von[V]：5
- Trise[s]：1n
- Tfall[s]：1n
- Ton[s]：125u
- Tperiod[s]：250u
シミュレーション結果は下記のようになります。
概ね125u秒後には、コイルに流れる電流は 5Aとなっており、コイルにエネルギーが蓄えられた状態になっていると思います。それでは、抵抗を 5Ω、コイルは 25μHにしてみます。シミュレーション結果は下記のようになります。
アナログ回路（17）-MOSFET（ソース接地回路とドレイン接地回路）
前回、MOSFETについてご紹介させていただきました。FETの特徴として下記のようなものが挙げられます。
- ゲート・ソース間にかける電圧によってドレイン・ソースの間に流れる電流を制御する電圧制御素子ある。
- ゲート・ソース間の抵抗が非常に高い，そのため入力インピーダンスの高い回路を設計できる。
- ドレイン電流はある一定値以上流れない。
このMOSFETを使用して回路を構築してみたいと思います。下記のページを参照してください。
以前、トランジスタですが下記の３つの接地方式を紹介させていただきました。下記のページを参照してください。
- エミッタ接地
- コレクタ接地
- ベース接地
アナログ回路（15）-トランジスタ（エミッター接地回路とコレクタ接地回路）
MOSFETも下記のようにこれらに類似した接地方式を構築できます。
| エミッタ接地 | ソース接地 |
| コレクタ接地 | ドレイン接地 |
| ベース接地 | ゲート接地 |
トランジスタ同様、ソース接地とドレイン接地は使用する機会も多いと思いますので、これらの回路を見ていきたいと思います。使用する環境は下記のとおりです。
- Windows10
- LTspice XVII
まずは、ソース接地回路からです。前回下記のような回路を作成してみました。下記のページを参照してください。
本日はドレイン接地回路を作成してみたいと思います。
アナログ回路（16）-MOSFET
前回、バイポーラトランジスタについてご紹介させていただきました。バイポーラトランジスタを利用して電流を増幅することで、消費電流が大きいLEDを点灯させました。また、”エミッタ接地”、”コレクタ接地”、”ベース接地”のような接地方法があり、調べてみました。下記のページを参照してください。
本日は、MOSFETについて見ていきたと思います。MOSFETは、”Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”の略です。FETもトランジスタの一種でありますが、”バイポーラトランジスタ”のことをトランジスタと呼ぶことが多いです。FETの特徴として下記のようなものが挙げられます。
- ゲート・ソース間にかける電圧によってドレイン・ソースの間に流れる電流を制御する電圧制御素子ある。
- ゲート・ソース間の抵抗が非常に高い，そのため入力インピーダンスの高い回路を設計できる。
- ドレイン電流はある一定値以上流れない。
MOSFETはスイッチング素子としてよく使われます。それでは、このMOSFETを使用して回路を構築してみたいと思います。
使用する環境は下記のとおりです。
- Windows10
- LTspice XVII
それでは、LTspiceを使用して、回路図を作成して、回路を作成したらシミュレーションを行いたいと思います。下記のような回路を構築しました。電源はドレイン側はDC5Vです。ゲート側は1msec間隔、Duty50%、電圧5Vのパルスになります。FETは”RUR040N02″を使用しました。
それでは、シミュレーション結果とデータシートを見ながらMOSFETにつてい理解を深めていきたいと思います。
アナログ回路（15）-トランジスタ（エミッター接地回路とコレクタ接地回路）
以前、トランジスタについてご紹介いたしました。LEDの消費電流が大きい場合、必ずしも電力元の流せる電流が足りているとは限りません。例えば、マイコンにIOピンをHiにして消費電流が大きいLEDを点灯させようとしても、電流が足りないと思います。そこでトランジスタを使用しました。トランジスタを利用して電流を増幅することで、消費電流が大きいLEDを点灯させました。下記のページを参照してください。
本日は、もう少しトランジスタについて考えてみたいと思います。トランジスタですが下記の３つの接地方式があります。
- エミッタ接地
- コレクタ接地
- ベース接地
エミッタ接地
エミッタを入出力の共通端子としてGNDにする方式です。電圧、電流の増幅率が大きく、汎用的に使用されています。
コレクタ接地
コレクタを入出力の共有端子としてGNDにする方式です。入力インピーダンスが高く、出力インピーダンスが低いので、インピーダンス変換に使われています。出力信号が入力信号の変化に追従するので、エミッタフォロワーとも呼ばれています。これは、以前下記のページで紹介した”電圧フォロワー回路”と類似した動作をします。
アナログ回路（10）-オペアンプ（電圧フォロア回路-バッファ回路）
ベース接地
ベースを入出力の共通端子としてGNDにする方式です。入力インピーダンスが低く、出力インピーダンスが高いです。少々扱いづらい回路ではありますが、高周波特性が良いので、高周波増幅の目的で使用されます。
これらの接地方式の特徴を下記の表にまとめてみました。
| エミッタ接地 | コレクタ接地 | ベース接地 | |
| 電圧増幅率 | 大 | 1 | 中 |
| 電流増幅率 | 大 | 大 | 1未満 |
| 入力インピーダンス | 中 | 高 | 低 |
| 出力インピーダンス | 中 | 低 | 高 |
| 入出力の位相関係 | 反転 | 非反転 | 非反転 |
エミッタ接地とコレクタ接地は使用する機会も多いと思いますので、これらの回路を見ていきたいと思います。まずは、エミッタ接地回路からです。以前、下記のような回路を紹介致しました。
このような使い方であれば問題ないですが、使い方によってはこの回路図には問題が発生します。
アナログ回路（14）-オペアンプ（両入力端子－プラス電圧印可増幅回路）
前回、反転増幅回路、非反転増幅回路、差動増幅回路（減算回路）等をLTspiceを使用してシミュレーションをすることで理解を深めてきました。これらに関しては下記のページでご紹介しています。
反転増幅回路、非反転増幅回路に関して
アナログ回路（9）-オペアンプ（反転増幅回路・非反転増幅回路）
差動増幅回路（減算回路）、加算回路に関して
アナログ回路（11）-オペアンプ（加算回路、減算回路-差動増幅回路）
反転増幅回路、非反転増幅回路はよく入力の片側をGNDにして使用しているものをよく拝見します。上記のページで紹介しているサンプル回路もそうです。反転増幅回路の場合は、プラス入力端子側をGNDに、非反転増幅の場合は、マイナス入力端子側をGNDに接続しています。それでは、両入力端子にプラス電圧を印可した場合はどうなるのか気になります。両入力端子にプラス電圧を印可したものとして差動増幅回路があります。これはこれで、便利な回路であるのですが、いろいろな回路図を見ると反転増幅回路や非反転増幅回路で似たような回路で両入力端子にプラス電圧を印可した回路を見かけたりします。そこで今回は、反転増幅回路や非反転増幅回路で似たような回路で両入力端子にプラス電圧を印可した回路がどのような動作をするのか考えたいと思います。
使用する環境は下記のとおりです。
- Windows10
- LTspice XVII
それでは、早速、LTspiceを使用して、回路図を作成して、回路を作成したらシミュレーションを行いたいと思います。