目的
今回はΔVBEの概念について検討します。ΔVBEは、入力電圧が変動しても安定した出力電流が得られるようにしたい場合に使用されます。今回の実験では、帰還を使用することにより、電源電圧の範囲内で一定またはレギュレートされた出力電流を生成する回路を例にとります。
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：500Ω の可変抵抗またはポテンショメータ（1 個）
- 抵抗：100Ω（1 個）
- 小信号 NPN トランジスタ：「2N3904」（3 個）
- 小信号 PNP トランジスタ：「2N3906」（3 個）
説明
図1に示した回路をソルダーレス・ブレッドボードに実装してください。青色の四角は、ADALM2000をどこに接続するのかを表します。PNPトランジスタQ1、Q2、Q3は、ゲインが2のカレント・ミラーを構成しています。つまり、入力電流の2倍の出力電流が得られます。NPNトランジスタQ4、Q5、Q6と可変抵抗R1により、この回路のΔVBEが決まります。抵抗R2は、この回路に流れる電流の測定に使用します。その測定には、オシロスコープのチャンネル2を使用します。また、オシロスコープのチャンネル1により、回路における電圧の変化を測定します。
出力電流はR1によって設定します。R1の両端には、Q4のVBEと、並列に接続されたQ5/Q6のVBEの差（ΔVBE）が現れます。Q1、Q2、Q3で構成されるカレント・ミラーでは、3つのトランジスタのサイズが等しければ得られるゲインは2になります。したがって、Q4を流れる電流は、Q5とQ6の電流の合計値の2倍になります。ここで、Q4、Q5、Q6のサイズが等しいとすると、電流密度の比は4となり、ΔVBEは次式のように表されます。
この式には絶対温度の項が含まれており、電流は絶対温度に比例します。この特性は、有利に働くケースもあれば不利に働くケースもあります。
ハードウェアの設定
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。
手順
任意波形ジェネレータ（AWG）は、ピークtoピークの振幅が10V、オフセットが0V、周波数が100Hzの三角波を生成するように設定します。オシロスコープは、電圧と時間の関係が表示されるように設定します。また、横軸がチャンネル1、縦軸がチャンネル2となるXYモードの設定も行ってください。なお、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）。回路の電源は、確実に接続されていることを再確認してから投入してください。
回路のフローティング特性を確認する
図1の回路では、負の端子のリファレンスとして負の電源を使用しました。続いては、この回路が真にフローティング電流源であることを確認するために、ブレッドボードを図5のように実装し直すことにします。その上で、再度測定を実施しましょう。
ハードウェアの設定
図6に、図5の回路を実装したブレッドボードを示しました。
手順
AWGのW1は、ピークtoピークの振幅が10V、オフセットが0V、周波数が100Hzの三角波を生成するように設定します。オシロスコープは、電圧と時間の関係が表示されるように設定します。また、横軸がチャンネル1、縦軸がチャンネル2となるXYモードの設定も行ってください。回路の電源は、確実に接続されていることを再確認してから投入してください。
問題：
電流源がほぼ一定の電流を維持するためには、その両端において、少なくともどれだけの電圧が必要になりますか。LTspice®によるシミュレーション結果を基に解析を行うことで、必要な最小電圧を求めてください。
答えはStudentZoneで確認できます。
