ADALM2000による実習:定電流源

今回のテーマは定電流源です。バイポーラ・トランジスタ(BJT)を使用して構成した定電流源と、NMOSトランジスタを使用して構成した定電流源の動作を実際に確認してみます。

バイポーラ・トランジスタで構成した定電流源

まずはバイポーラ・トランジスタを使って構成した定電流源から始めましょう。

目的

今回の実習の目的は、ゼロゲイン・アンプの使い方を理解することです。その一例として定電流源回路を取り上げます。この種の回路は、入力電流の変動に対して安定した(変動に対する感度が低い)出力電流を得るために使用されます。

準備するもの

  • アクティブ・ラーニング・モジュール「ADALM2000
  • ソルダーレス・ブレッドボード
  • 抵抗:2.2kΩ またはそれに値が近いもの(1 個) 
  • 抵抗:100Ω(1 個)
  • 抵抗:4.7kΩ(1 個)
  • 小信号 NPN トランジスタ:「2N3904」または「SSM2212」(2 個)

説明

図1に、定電流源回路の例を示しました。ご覧のように、バイポーラ・トランジスタを使って構成しています。

図1. バイポーラ・トランジスタを使って構成した定電流源
図1. バイポーラ・トランジスタを使って構成した定電流源

ハードウェアの設定

抵抗R1の一端には、任意波形ジェネレータ(AWG)の出力(W1)を接続しています。R1と抵抗R2、トランジスタQ1の接続は、2020年11月の記事「ADALM2000による実習:バイポーラ・トランジスタで構成したゼロゲイン・アンプ」の図1と同様です。トランジスタQ2のベース‐エミッタ間電圧VBEは、常にQ1のVBEより小さくなります。可能であれば、(同じコレクタ電流で)Q2のVBEがQ1のVBEより小さくなるように手持ちのデバイスの中からQ1とQ2を選択してください。Q2のベースは、ゼロゲイン・アンプの出力であるQ1のコレクタに接続します。また、電源VpとQ2のコレクタの間には抵抗R3を接続しています。この抵抗の値とオシロスコープの入力(2+)で測定した電圧値を基に、コレクタ電流の値を算出します。図2に、図1の回路を実装したブレッドボードを示しました。

図2. 図1の回路を実装したブレッドボード
図2. 図1の回路を実装したブレッドボード

手順

定電流源は、ゼロゲイン・アンプを使用することで構成できます。Q1のコレクタに現れる電圧は、入力電圧(W1)の変化に対して安定しています。そのため、これをQ2のベース電圧として使用すれば、Q2によって、安定化された電流を生成することができます。

AWGは、ピークtoピークの振幅が3V、オフセットが1.5V、周波数が1kHzの三角波を生成するように設定します。そして、オシロスコープのチャンネル2(2+)を使用し、Q2のコレクタ電流を計測します。その結果、安定化された出力電流が得られていることを確認できるはずです。

オシロスコープは、測定した2つの信号の数周期分が表示されるように設定します。XY機能を忘れずにオンにしてください。

オシロスコープによる波形の表示には、ソフトウェア・パッケージ「Scopy」を使用します。図3、図4に、取得した波形の例を示しました。

図3. Q2のコレクタ電圧とW1の電圧の関係
図3. Q2のコレクタ電圧とW1の電圧の関係
図4. Q2のコレクタ電流とW1の電圧の関係
図4. Q2のコレクタ電流とW1の電圧の関係

NMOSトランジスタで構成した定電流源

続いて、NMOSトランジスタを使って構成した定電流源の動作を確認します。

準備するもの

  • ADALM2000
  • ソルダーレス・ブレッドボード
  • 抵抗:2.2kΩ またはそれに近い値のもの(1 個) 
  • 抵抗:168Ω(1 個。100Ω の抵抗と 68Ω の抵抗を直列に接続して使用)
  • 抵抗:4.7kΩ(1 個)
  • 小信号 NMOS トランジスタ:「CD4007」または「ZVN2110A」(2 個)

説明

NMOSトランジスタを使って構成した定電流源回路を図5に示しました。

図5. NMOSトランジスタを使って構成した定電流源
図5. NMOSトランジスタを使って構成した定電流源

ハードウェアの設定

R1の一端にはW1を接続しています。R1とR2、トランジスタM1は、2020年12月の記事「ADALM2000による実習:MOSトランジスタで構成したゼロゲイン・アンプ」の図1と同様に接続します。トランジスタM2のゲート‐ソース間電圧VGSは、常にM1のVGSよりも小さくなります。可能であれば、(同じドレイン電流で)M2のVGSがM1のVGSよりも小さくなるように手持ちのデバイスの中からM1とM2を選択してください。M2のゲートは、ゼロゲイン・アンプの出力であるM1のドレインに接続します。また、電源VpとM2のドレインの間には抵抗R3を接続しています。このR3の値とオシロスコープの入力(2+)で取得した電圧値を使用して、ドレイン電流を算出します。図5の回路を実装したブレッドボードを図6に示しました。

図6. 図5の回路を実装したブレッドボード
図6. 図5の回路を実装したブレッドボード

手順

AWGは、ピークtoピークの振幅が4V、オフセットが2V、周波数が1kHzの三角波を生成するように設定します。そして、オシロスコープのチャンネル2(2+)を使用し、M2のドレイン電流を計測します。その結果、安定化された出力電流が得られていることを確認できるはずです。

オシロスコープは、測定した2つの信号の数周期分が表示されるように設定します。XY機能を忘れずにオンにしてください。

図7に、取得した波形の例を示しました。

図7. M2のドレイン電圧とW1の電圧の関係
図7. M2のドレイン電圧とW1の電圧の関係

問題

バイポーラ・トランジスタ、NMOSトランジスタを使って構成した定電流源に関する問題です。

  • 本稿で示した定電流源は、ピーキング電流源と呼ばれることがあります。なぜそのように呼ばれるのでしょうか。
  • 本稿で示した回路では、出力電流のピークの幅が狭くなります。幅が広く平坦なピークを生成するには、回路をどのように変更すればよいでしょうか。

答えはStudentZoneで確認できます。

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercerは、1977年にレンセラー工科大学で電気電子工学の学士号を取得しました。同年にアナログ・デバイセズに入社して以来、直接または間接的に30種以上のデータ・コンバータ製品の開発に携わりました。また、13件の特許を保有しています。1995年にはアナログ・デバイセズのフェローに任命されました。2009年にフルタイム勤務からは退きましたが、名誉フェローとして仕事を続けており、Active Learning Programにもかかわっています。2016年に、レンセラー工科大学 電気/コンピュータ/システム・エンジニアリング学部のEngineer in Residenceに指名されました。

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclausは、アナログ・デバイセズのシステム・アプリケーション・エンジニアです。アカデミック・プログラムや、Circuits from the Lab®向けの組み込みソフトウェア、QAプロセス・マネジメントなどに携わっています。2017年2月から、ルーマニアのクルジュナポカで勤務しています。現在、バベシュボヨイ大学においてソフトウェア・エンジニアリングに関する修士課程にも取り組んでいます。また、クルジュナポカ技術大学で電子工学と通信工学の学士号を取得しています。