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2012年7月

2012年7月31日 (火)

表面効果のはなし

表面効果とは
[Surface Effect]で、導体中の電流が周波数が高くなるに従って、表面のみに集中する現象です。Skine
ハード的には
 右図は銅線が流す周波数によってどのくらい電流が表面に集まるかを示した図です。
Bea04013aa74f6c9ad77a5c862820300
ここでは電流が1/e 約0.37になる深さを計算しています。ρ = 導体の電気抵抗、ω = 電流の角周波数 = 2π × 周波数、μ = 導体の絶対透磁率ですが、これによって例えば、銅(Cu)の場合に 10kHzでは d は 0.66mm になります。直径2mmの銅線では太さの 1/3では電流が約 1/3になるような計算です。
そして、周波数が 10MHzとなりますと、 d は 21µm となり、直径の1%ほどの領域になっています。
もちろん電流は本来流れる 100% より流れる領域が減るので,抵抗値が増えるようになり、ロスが増えることになります。
 さらに 100MHzでは 6.6µm ,1GHzでは 2µm となりますので、このあたりの周波数ではプリント基板などではほんの表面だけになりますので、プリント基板の銅箔の厚みを増やしても抵抗値減少にはなりません。よく見られる高周波パターンの金メッキなどの処理は、酸化防止だけでなく、表皮効果でのロスを下げる効果があります。
ソフト的には
 FMラジオや短波受信機など高い周波数になってくると、この表皮効果を抑えるために、太い1本の線を使うのではなく、細い絶縁された線を何本も束ねた「リッツ線」と呼ばれる線がコイルなどに多用されました。ラジオのフェライトバーに巻いてあるコイルの線がリッツ線で、単線よりは切れにくい点も重宝されたのではなかったでしょうか。数MHzではあまり効果がなかったのではないかと思いますが、少しでも入力コイル側でロスを減らす役割は重要だと考えられたのでしょう。

2012年7月27日 (金)

トランジスターとフェルミ準位のはなし

トランジスターとフェルミ準位とは
 前回のフェルミ準位のはなし、PN接合のダイオードまででしたが、今回はトランジスターについて考えてみます。Ferumitr_2
ハード的には
例として、NPNのトランジスターを右図のようにフェルミ準位について見てみます。いちばん上が電圧を何もかけないとき、ちょうどダイオードのPN接合がエミッター・コレクター向きに2つある様子がわかります。ベースが真ん中で、P型半導体なので、フェルミ準位fLが同電位とすると、ベースの電子のあるレベルが高いため、壁となってエミッターの電子はコレクターに行けません。
中央の図は、コレクターにVccの正の電圧をかけた図です。コレクターが正の電圧がかかっているため、(電子レベルの)電圧レベルが下がって、ベースから電子が少量流れ込むかもしてませんが、エミッターからは依然としてベースのP型の壁があるため、コレクターに電子が流れることはありません。
 次にいちばんしたの図です。ベースに正の電圧をかけますと(ちょうどPN接合のダイオードに電流が流れ出す Vf と同じように)ベースの電位が下がり、エミッターから見た電子の流れを阻害していた壁がなくなります。それで、急激にエミッターから電子が移動して、コレクターに電流が流れることになります。
 ここで、注意して欲しいのは、ベースに流れる電流はこの電子の壁となったフェルミ準位の壁をなくす程度の電流があればよいので、エミッターからの電子のほんの少しでこの壁を操作できることです。
 このベースに流れる電流とコレクターに流れる電流の比率を「電流増幅率」hfe と呼んで、トランジスターの性能を示す1つのパラメーターとなっています。
ソフト的には
 ここで、トランジスターの動きで重要なのが、コントロールするベース・エミッタ間にかける電圧と電流です。ある程度の電流が必要ということは、電子の流れだけでなく、(電子の無い穴)正孔も同時に動いているという点です。この正孔がシリコンなどの半導体では移動速度が遅く、スイッチングでベース電圧を切っても、正孔がP型半導体層に残り、OFFするのに時間がかかることを引き起こします。
 電子と正孔の2つの電荷を運ぶもの(キャリア)で動作するこのようなトランジスターをバイポーラ[Bipolar transistor]といって、主に電子のみで電流を運ぶ N-CH MOS-FETや正孔で動作する P-CH MOS-FETのように単独のキャリア(運ぶもの)で動作するものをユニポーラ[Unipola transistor ]といいますが、一般的にはそう呼ばずに、単純に「FET」といってトランジスタの方を「バイポーラ」と呼ぶことが最近は増えてきました。


2012年7月25日 (水)

フェルミ準位のはなし

フェルミ準位とは
Ferumi[Fermi level]で、エンリコ・フェルミ氏が原子のエネルギーについて電子の数によって飛び飛びの値を持つことから、P型やN型の半導体のエネルギー(電圧)が飛びとびになっていて、ある一定以上を超えないと電流が流れないことの説明に使われます。 右図の半導体で説明すると、いちばん左の(I)真性半導体は電子も正孔(電子の抜けている部分)も同じように存在し、フェルミレベルは中間(fI)です。中央の P型半導体は 正孔の量が多いため、フェルミレベル(fP)は下がっています。電子の比較なので、電子の荷電するマイナスの方向が上のレベルになるので、レベルは低く表現されます。右のN型半導体は電子が多いのでフェルミレベル(fN)は高くなっています。
ダイオードは
 P型とN型が接合されたものがダイオードですが、なにも電圧をかけない(あるいは極めて低い電圧)の時はフェルミレベルがほとんど一緒なので、電子のある領域ではN型からP型の方に電子が流れて行くことが出来ません。ここで、電圧をかけると、P型にプラスをかけるとフェルミ準位が下がり、ダイオードの順方向電圧 Vfを超えるあたりで、電子がN型からP型の方に流れ、正孔もP型からN型の方に移動できるようになって、電流が流れ出します。
 通常のP-N接合では温度が上がるとこの Vf が小さくなります。それは電子が熱で運動しやすくなりフェルミ準位の坂を越えやすくなるためで、逆に温度が下がると電子の運動が弱くなり、より高い電圧を必要とします。これは金属などはフェルミ準位が一定の条件で電子が移動するので、温度で抵抗値が変わらない(超伝導は別ですが)ことと区別して考えてください。
 次回はトランジスターのフェルミ準位の動きについて考えてみます。

2012年7月19日 (木)

パワーMOS-FETの寄生ダイオードと寄生トランジスタ

パワーMOS-FETの寄生ダイオードと寄生トランジスタとは
 パワーMOS-FETと聞くと、大きなチップののっている大きなトランジスタだということが想像つきますが、ゲート・ドレイン・ソースのサイズがでかいチップのトランジスタではなく、小さな MOS-FETが何百個も並列につながって、大きな電流を流せるようにした構造なのです。そうしないと大きな構造にするとソース・ドレインの距離が増えて、ONしたときの抵抗も大きくなってしまうからです。
ハード的にはFetdiode 右の図は、そのトランジスター1個分の構造図ですが、ドレインを下のベースにして上側に出来るソースを左右方向のアルミ配線で接続し、ゲートを前後方向のアルミ線でパラレルに接続してゆきます。ですから、TO-220 などの金属放熱板むき出しの MOS-FETの金属板がドレインであることが放熱的にもチップの乗っている構成上重要になっています。
 右の図でドレイン側にある濃い青色の領域はドレインに+電圧をかけた時に生じる逆電圧による電子の無い空乏層で、ゲートに正の電圧をかけることによってゲート直下に電子が集まって生じる電子の領域(緑色のNの部分)がドレインのN領域まで伸びることによってソースとドレインに電流が流れることになります。この逆電圧がかかっている部分が PとNなので、実質的にはダイオードが逆バイアスされている状態と同じことになります。それで、図の中央のように、寄生ダイオードとして存在することがわかります。
 さらにゲートの電圧が切られ、トランジスターがOFFになったときには、電子領域が少なくなり、P-N逆接続だけでなくソースのN領域が重要になり今度はソースから見ると、 N-P-Nのトランジスタが存在するように見えます。(図のいちばん下)ベースはソースとの間の残った電子の領域によってソース電位に抵抗が落ちているような状態になりますが、逆にドレインとの間の空乏層がコンデンサーとしての働きをして、OFFになってドレイン電圧が上昇するにつれてゲートの電圧を上昇させ、電流を流す働きをします。この動作が「アバランシェ降伏」といってゲート電圧がなくなったタイミングなのに急激に電流が流れてしまって、寄生トランジスタ部分が破壊されてしまいます。
 それに比べて、寄生ダイオードは逆電圧がかかった状態なので通常は問題無いように思われますが、負荷がコイルのように誘導性の場合、逆起電力がドレインにかかる場合があります。これはインバーターとか、スイッチング電源とかでトランスやコイルの負荷の場合重要で、仮に逆の電流に持ちこたえて壊れないレベルだったとしても、こんどは正常にONさせる時にこのダイオードに溜まった電荷を中和し、空乏層を作って動作するまで時間がかかり、結果 ONする速度が落ちてしまう原因になります。
ソフト的には
 このように寄生ダイオード、寄生トランジスターの存在をよく覚えておいて、必要なショットキーバリアダイオードを追加したり、アバランシェ降伏に絶えうる電流・電圧範囲を確認したりすることで、トラブルは避けられます。そもそも IC などは、みんな寄生ダイオードの上にトランジスタや抵抗が作られているのですから、電源電圧がかかっていない時に、入力端子に電圧をかけたりすることは御法度です。ICをただのディスクリート素子の集まりだと思ってしまうと、「入力抵抗があるはずなのに何で壊れるの?」「MOS なのに何で入力端子に電流流れちゃうの?」とわけが解らなくなってしまうでしょう。


2012年7月17日 (火)

さよなら原発10万人集会に行ってきました。

さよなら原発10万人集会とは
 「さよなら原発1000万人アクション」が7月16日東京・代々木公園で主催した集会です。音楽家の坂本龍一さんはSakamoto「たかが電気のために、なぜ命を危険にさらさなければならないのか。お金よりも命が大事だ」と訴えました。坂本さんは18歳の時に安保闘争でやはり初めてデモに参加したのがこの代々木公園だったそうです。今のお歳が60歳だから、1970年の大学が紛糾した最後の頃の時代ですね。
 私は、仕事の関係上電気は必要ですが、やっぱり命と比べたら、原発はいらないですね。
 太陽光や風力などの発電に国家的にも予算と技術をもっとつぎ込むべきですね。
 また、同じく呼びかけ人のノーベル賞作家の大江健三郎さんはOoe政府に650万もの署名を持って行った次の日に原発を再稼働されて、「侮辱された」とほんとうに怒っていました。
 16日は会場は33度以上の炎天下で、1時間いただけで、熱中症のようになってかみさんがダウン。ちょっと休んでから途中でパレードに参加しました。
17万人という集会はほんとに初めてです。今日(17日)あれだけ放映しなかったNHKでさえも、朝のニュースで「最大規模の反原発集会」と報じてました。
仕事を思いっきりして、エレクトロニクスを進歩させる上でも、原発に頼らない科学を進歩させたいと思いました。坂本龍一さんの「3.11のあと沈黙することは野蛮だ」の結びの言葉が心にしみました。
Syuukai


2012年7月12日 (木)

テクノフロンティア2012に行ってきました。

昨日11日は東京ビッグサイトで行われている、テクノフロンティア2012RADブース説明員として参加してきました。
今日はお休みで、最終日13日(金)にまた参加しますので、髪の毛がいちばん個性的な説明員にSUDOTECKさんとお気軽にお声がけください。
まずは混雑情報
 開会の10時前には長い行列で、事前受付も各列20人ぐらい並びます。奥の5・6ホール入り口近くの受付の方がすいていました。午後1時頃も午後からの参加者が増えますので、同じぐらいの混みぐあいです。お昼前の11時すぎが空いている時間ですね。
合間にブースを見てくると
 まずは リニアテクノロジー µModule といって,コイルも FETも入った絶縁型の電源モジュールで、LTM8048は出力にノイズを減らすためにLowDropタイプのシリーズレギュレターが入っています。出力雑音は300mA時で 20µV となかなかです。BGAタイプなのが難点ですが、11.25mm X 9mm と超小型です。20120712_81814
STではUnknown PowerFlat という小型 MOS-FETパッケージが宣伝されていました。5mm X 6mm という小ささで、30V 25A 12.5A流したときに ON 抵抗が 3.5mΩと小さい。ドレインが幅広パッドになっていて、熱抵抗が 1.56℃/Wまで下げられるそうです。
 日本ケミコンでは高耐圧フィルムコンデンサーを見てきました。実は展示されていたKENWOODの基板に以前から何かなと思っていた銀色に光るSMDコンデンサー(リンクのRetin MBP の基板ではCPUの下、R30と書いてあるSMDインダクターの下側にたくさん使われています)があったので、説明員に聞いてみると色々な人が見てくれましたが、結局解らずじまいでした。みなさんご協力ありがとうございました。横から見るとさらに変わった形でしたので、ひきつづき探してみます。
RADブースは
 初出展ですので、なじみのお客さん以外の入りはほとんどないですが、ZENシリーズのRFAMPの筐体を開けて展示してあります。いまではなかなか見られないワイヤーの引き回しや束線、セミリジッドケーブルなどアマチュア無線家や測定器業界の方ぐらいしか興味を引かないようですが、今日からはもしかすると、アンプシールド部分も開けて、もうちょっと中まで見せようかと言っていました。


Photo


2012年7月10日 (火)

明日はテクノフロンティア RADブースです

明日は東京ビッグサイトで行われるテクノフロンティア 2012に出展するRAD社のブースで説明員として参加します。
この間 RF パワーアンプのコントロール用に開発した、LEDディスプレイのパネルメーターの実演やUSBを使った PCとのモニタ通信・リモートコントロールのデモを行います。
ハード的には
 10連バーLEDを2個づつ使って、FWD ,VSWRを表示するメーターとして構成し、他の温度や、アラーム表示のLEDはフルカラーLEDを使って、赤・緑・黄色・青色などを表示することから、総計80個もの LED素子をドライブするので、もちろんダイナミック駆動をしています。照光式スイッチもON/OFFで LEDを切り替えて点灯させるのですが、他のフルカラーLEDと輝度が違うので、表示のコモンドライブのデューティを変えて、フルカラーLEDを減光したときにスイッチLEDだけはデューティを変えないなど、細かい工夫も行いました。
ソフト的には
 USBを駆動出来る CPUを使ったので、シリアル互換の CDC クラスで通信を行っています。昔のRS232Cでのコマンドの様に通信で状態モニターやRF ON/OFFなど出来るよう豊富な機能を詰め込みましたが、やはり今時の使い勝手では悪い方になってしまうので、VB でコントロール用アプリケーションを作って気軽に使えるようにしてみました。がんばれば独自にパワーや温度の時間経過の記録保存なども作り込めるよう、ライブラリーを公開してゆくつもりです。ブースは東5ホール入り口からすぐです。20120710_162203


ワンチップとマルチチップのはなし

ワンチップとマルチチップとは
 CPUシステムの構成のことです。今はマルチコアCPUがはやっていますが、コアがマルチではなくチップが多数必要という意味のマルチです。昔は簡単なシステムでも例えば8ビットのCPUの Z80なんかを使う場合、プログラムを書き込む ROM(Read Only Memory)が必要ですし、計算したり、記憶したりするために必要な RAM( Random Access Memory)も別に用意しなければなりませんでした。さらにスイッチの ON/OFF を検出したり、LEDをドライブしたりするポート制御のPIO( Programable Input Output )がないと外部と繋がりません。さらにシリアル通信をしようと思うと、UART( Universal Asynchronous Receiver Transmitter)というICを使って RS-232Cなどを構成しました。このような構成をマルチチップと呼んでいました。さらにこれらのICにアクセスするバスラインは共通なので、アドレス線と呼ばれる16ビットの信号をデコードして、例えば 0xE000〜0xE0FFまではPIOをアクティブにするため、0xE100〜0xE1FFまではUARTにと、デコードICというゲートICを数多く使いました。さらに、メモリーを読み込むデーターバスと外部とやり取りする I/Oバスは共通なので、プログラムを読むタイミングとI/Oのタイミングでは IORD や IOWR などの信号を検出して切り分けなくてはいけません。RAMに書き込む時には MEMWR 信号を検出して RAMを書き込み可能にします。さらにシステムがクロックで同期している場合、クロックと上記信号との同期をとったりするために、様々なゲートICが使われました。このような仕組みは現在でも CPUに対して DDR-SDRAM とか Flash-Memory とか PCI-Bussコントローラーとかの接続が必要ですし、North-Bridge とか South-Bridgeなどよ呼ばれた統合周辺チップがCPUとともにチップセットとして使われています。さらに多くの周辺との接続は現在では FPGA などのプログラム可能なゲートアレイチップによって構成が簡略化されてきました。
Onemultichip_2
 しかしながら、ラジオのチューニング用とか、テレビやVTRなど簡単なデジタル機器にこのようなマルチチップは大きすぎますし、コストがかかります。そこで、マイコン各社は 4Bit CPUなどでシングルチップCPU、ワンチップCPU という1つのパッケージでメモリーから周辺まで揃えたCPUを開発してきました。初期のワンチップICは主に量産をターゲットにしていたため、プログラムはマスクROMとしてCPU生産時に書き込まれてしまうので、中小企業や少量生産品には使いにくく、そのような場合は ROMのみ外付けできるバージョンとEPROMなどを使って2つのチップで構成していました。しかしながら、ROM用に データーバス8本アドレスバス16本(またはデーターバスと共用で8本の場合もあった)もCPUのピンが使われてしまうので、ポートが足りなくてラッチICなどをバスラインに追加しなければならず、結構設計は難しかったです。
 しかしながら、PICの様に内部に Flash Memoryを持ったり、従来のCPUでも一度だけ書き込みが出来るワンタイムPROMバージョンが出来たりして、やがて使いやすいワンチップ CPUが増えてきました。
 衛星放送受信機の PLL制御に初めて PIC-16Fを使いましたが、16Pinのちっちゃなパッケージで動くのをみて大変感心した覚えがあります。

2012年7月 4日 (水)

MoMA STOREサイトのはなし

MoMA STOREサイトとは
The Museum of Modern Art ニューヨーク近代美術館の公式オンラインストアです。
結構デザインの良いものが売られていますが、値段がそれなり....のが弱点です。
私がチェックして欲しいなーと思ったものを紹介します。
まずは電卓から--------------------------
パソコンにUSBで接続してテンキーユニットにもなるし、計算結果をパソコンに転送できます。3990円でまあまあの値段だし、黒色もあります。なんか旧マックのワイヤレスキーボードに似ています。
Cannon の BlueTooth のやつのほうが良いかなとも思ったのですが、値段が高いし、複数のパソコンにペアリングしたり、解除したりするのがけっこう面倒なので、USBのほうが簡単でしょう。ロンドンを拠点にするデザイナー「マツモト」作。世界に向けたプロダクトをめざす日本ブランド”TAKUMI”の製品です。

もう1つも電卓--------------------------
モバイルカリキュレーター
携帯電話みたいな8桁表示で、12/24時切替の時計も付いた計算機です。放置すると自動的にOFFになるのも便利。サスティナブルでユニバーサルなデザインをめざす日本ブランド、「所以(ゆえん)」に由来する”YUENTO”の製品です。計算機を保護する黒いフェルトのポーチ付き。1312円と結構安い。

プレゼントにはアラームクロック--------------------------
ベルアラームクロック,ホワイト
非常ベルに似た大きな音が深い眠りの国から現実に呼び戻してくれるパワフルなアラーム時計。背面全体が非常ベルに見える、ポップなデザインです。5分間隔のスヌーズ機能とLEDライト付き。朝が苦手なお友だちへのプレゼントにもおすすめ。赤・黒・白があって5250円

とっても不思議なシャンデリアのようなシェイドライト
オランダ出身の感性あふれるデザイナー、トード・ボーンチェによるフラワーモチーフのシェードです。花びらがひらひらと舞い降りるようなデザインは、実際に画像をクリックしてみて、拡大画像を確認して下さい。価格は10500円と照明のものでは安いと思います。
高さが60cm弱、幅が40cmぐらいです。

ソーラー充電バッテリー
普通にeneloop製品なので、Amazonからでも買えるのですが、なぜかかっこいい。高効率のHITソーラーパネルを内蔵し、手軽に太陽光発電が出来ます。太陽光エネルギーは付属のエネループモバイルブースターに充電。モバイル機器を一緒に持ち運べるメッシュポケット付。8980円とちょっと高いかな?バッテリー自体は 5V 500mAで2時間出力可能とあるので、 1000mAh ぐらい。フル充電にソーラー充電では3日、USBでは7時間とあるので、やっぱりアウトドア専用ではちょっと心配。少しづつの使用ならば結構充電しながら使えるかな?

ホントはこれが気に入ったのですが、値段を見て断念しました-----------------------
さていくらでしょう?画像クリックでページに飛びます。


2012年7月 3日 (火)

差動アンプのはなし

差動アンプとは
 トランジスタ2石をエミッタ(FETの場合はソース)共通で使って、2つの入力電圧の差を増幅するような増幅器。通常初段に用いられる。オペアンプなどの入力回路で、+プラス入力と-マイナス入力のある増幅器がこの差動アンプにあたる。
ハード的には
Diffamp 右図が差動アンプの初段ですが、エミッタ共通で VE が共通電位となっています。ここで、仮に VE = 1V とすると、ベース電圧はそれぞれ Vbe の約0.7Vを加えて、VB1 =VB2= 1.7Vとなります。Re = 1kΩ とすると、エミッタ電流は両方で 1mA 、2石とも等しくすると片方0.5mAとなります。ここで、Rc = 10kΩ Vcc =10Vとして、VC = 10V -10kΩx0.5mA = 5V となります。ここで、VB2入力が僅かに電圧が上がって、1.8Vとなったとします。するとQ2のVbeが増えますので、コレクタ電流が増えます。結果、電流の増えた分だけ Rcによる電圧降下が増えて、VCが下がります。
この動きでは VB2は反転入力(-マイナス入力)といえるでしょう。
 もう一方、今度は反対側の VB1の電圧だけが1.8Vに上がったらどうなるでしょう?Q1はコレクタにVccが直接繋がっていますので、エミッターフォロワーとして動作しますので、繋がっている共通エミッタの電位(VE)も上昇します。そうすると、VB2は 1.7Vで固定されていますから、Q2のVbeが減って、コレクタ電流が減るように動作します。よって Rcによる電圧降下が減り、VCは上昇します。この動作は VB1が正極性入力(+プラス入力)という動作をすることが判ります。
4428fig02
図はもっともシンプルなオペアンプの回路図です。エミッタ抵抗の代わりにトランジスターで定電流源を作っていますが、一定の電流を流すことによって、左右のトランジスタのバランスの変化が検出しやすいような働きをしています。
ソフト的には
 なぜわざわざ、2つのトランジスタを使ってまで2つの入力をもったアンプが必要なのでしょうか?増幅だけならば、1つの入力のほうが簡単になると思います。
・1つは差動増幅でオペアンプのように出力からマイナス入力にフィードバックさせて、増幅度を設定できるようにすることです。しかしながら負帰還の回路は必ずしも差動増幅を必要としません。直結2石の簡単な回路でもゲインを設定できます。
・もう1つは、2つのトランジスタでVbeの温度特性によるバイアス変化を相殺出来るからです。OPアンプICなどは、ゲインを高くとると温度の変化によるズレが大きな影響になってしまうので、多段の集積回路では温度安定度は重要な点です。
差動増幅回路はオペアンプだけで無く、高周波の増幅器にも多く使われ、初期に使われたICは ICというよりは差動用トランジスタ +αぐらいの簡単なICが多かったですが、同じチップ上で作られているので、大変温度的にも安定して使えたものでした。昔のオーディオアンプの初段などはトランジスタを2個向かい合わせにして接着して差動回路の温度安定度をよくしたものでした。そういえば差動用2個入りトランジスタやFETもけっこう種類がありましたね。

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