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2011年5月16日 (月)

レベルシフトダイオードを使う

レベルシフトダイオードとは
 レベルシフトダイオードという種類のダイオードがある訳ではありません。ダイオードの順方向電圧やツェナーダイオードの定電圧を利用して電位差を作り、機能を向上させる目的でダイオードを使う方法です。
ハード的には
Amp
1)トランジスタのベース-エミッタ電圧補償
  右図の回路を見て下さい。オーディオのアンプですが出力段はコンプリメンタリプッシュプルという NPNとPNPの2つの極性のトランジスタをエミッタ共通にして出力回路に使っていますが、トランジスタのベース-エミッタにある程度あらかじめ電圧をかけておかないと、トランジスタのVbe(約0.7V程度)以下の小信号時にトランジスタを動作できません。そのために2つのトランジスタ分に対応する2つのダイオードが直列に繋がって、動作時にはVccから電流が流れるようになっています。このダイオードはトランジスタのVbeが温度に対して変動するのに合わせて変化し、出力のコレクタ電流を安定にする役目をもっています。部品を省略して抵抗分割でもバイアスはかけられますが、温度変化の補償はできません。このダイオードは、いってみれば2つのトランジスタ分の直流レベルをシフトしていることになります。
2)高電位差のドライブLevelshiftd
 100Vを越えるような高電圧をON/OFFする場合など、FETのONするゲート電圧よりも電源電圧が高い場合は通常抵抗で必要な電圧に分圧して使います。右図の例では電源100VでON電圧 -5VのP型FETを使うとすると、100V x 1k/(18k +1K) =5.2Vとなりゲート電圧は満足します。しかしながら動作させると下の波形のようにゲート電圧がゆっくりしかON方向に下がらず、高速スイッチングには不向きです。これは18kΩの抵抗でFETのゲート容量Cgs(数1000PF)を充電するのに遅れてしまうためで、抵抗を小さくすれば良いのですが、そうすると抵抗に流れる電流が増え、抵抗の電力定格超過や消費電流増大につながります。
 そんな場合ツェナーダイオードを使い図の例では 30Vx3個 で90Vレベルシフトさせれば、抵抗値はc100V -90V = 10V Vgs =10V x( 1k/(1k + 1k)) = 5Vとなり、1kΩとCgsの時定数で動作できます。
ソフト的には
 ICなどでは内部回路でダイオードをたくさん直列にしたものをよく見ますが、レベルをシフトしたり、トランジスタの温度補償をしたりするのに使われています。信号のDCレベルを半分の電圧にしたい時など、抵抗で分割すると信号レベルまで半分になってしまうが、ダイオード数個を使ってDCレベルを落とせば、信号レベルは変わらないのでそんな応用が有用ですね。
 

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