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基本を学ぶ

2014年12月17日 (水)

英語のはなし

英語のはなしとは

 やっぱり必要だけど、学生時代はなぜかあまり勉強しなかった英語についてです。
もちろん英会話は必要だけど、それ以前に海外製品のカタログを読むのに、けっこう英語力が必要なのです。ちょっと新しい ICや デバイスは、英語のカタログしか無くて、それも最大パワーや最大電流など、はっきりしたスペックならば表を見て大体判るのですが、細かい動作や、特にレジスタの設定方法などプログラムをしようと思ったときに、結構この英語が分からないのです。
 最近では優れた翻訳ソフトもあるし、私のこのBlogもけっこう海外の人がアクセスしていて、「どうして検索して読めるのだろう」と思って、流入経路をチェックすると、Web翻訳されたページがヒットするなんてことが結構ありました。
 それが、イラストや図は出来るだけ日本語を使わないようにしている理由でもあります。
時々おかしな翻訳が
ありますね。
以下は InfineonのSiC FET の紹介ですが...
20141217_165155
最初の特徴から謎ですね。
「通常デバイスがないのと同じに作動できるようにします。」
元の英文では
  • Direct Drive solution simplifies design in and enables normally-off behavior
    となっています。normally-off behavior を、ふつうに「ノーマリーオフ動作」でいいのに、確かにOFF時はデバイスが無いのと同じですが、混乱しますね。
    出だしも、「ダイレクトドライブソリューション」 とそのままのほうが、判りやすいのでは。。
    4項目めも、ちょっと判らない
  • Low power losses in reverse operation in combination with synchronous rectification
    となっていますが、どこが「後進動作」なのでしょう?同期整流にロスが少ないから有利なのは判りますが、謎です。

    大学でドイツ語も取りましたが、工学部なのにドイツ文学を習ってもしょうが無いと思いました。ドイツのサイエンス雑誌を翻訳したりしたらもうちょっとは面白かったのに...と思います。
    最近の学生はインターネットで生の英語や生の記事を読めるので、英語もその気になれば結構意欲を持って勉強できますよね。翻訳ソフトに頼らなくても...

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。

2011年5月10日 (火)

デプレッション型とエンハンスメント型のはなし

デプレッション型とエンハンスメント型とは
 FETのゲート電圧に対する電流特性を示す特性ですが、P-CH(2SJxxx)やN-CH(2SKxxx)という極性の問題でなく、簡単に言うとデプレッション型はゲート電圧がないときにON、エンハンスメント型はゲート電圧がないときはOFF(ノーマリーOFF)している特性です。20110510_84204
ハード的には
 図は2SK1740の ゲート電圧Vgsとドレイン電流 Id の特性図です。ゲート電圧が 0V(右端)のときに 55mAのラインでは、負の電圧をゲートにかけて、Vgs が 約-3V付近で電流が流れなくなります。これらのデプレッション型はRFAMPの GaAsFETや GaN-FETに多くみられる特性で、ゲートバイアスをかけておかないと大電流が流れ、悪くすると熱で破壊されます。ですから特に電源の立ち上げ時にゲート電圧がないと電流が流れすぎたりしますので、大電力をつかうスイッチング用途にはあまり使われません。
GaN-FETも現在ノーマリーOFFのものが電力用に多く開発されています。20110510_85912
 次にエンハンスメント型ですが、右図は2SK3980の特性ですが、ゲート電圧が左端の0V時にはドレイン電流が流れていません。ゲートに正の電圧を与えると、0.8V付近から電流が流れだし、1.4V程度で 1A流れます。このようにゲート電圧をかけないときに電流が流れないので、ドレイン電源を入り切りして保護できない大電流向けには、このような特性でないと電源をいれた瞬間ショートしてしまいますので、現在のパワーFETの大部分がこの特性です。
ソフト的には
デプレッション型のFETは応用として、 RFAMP用のGaAsFETのゲートバイアスに使う-5V電源が出力されない場合の保護に、-5V電源出力を10kΩ程度でゲートに接続しておいて、通常はFETのゲートにマイナス5Vがかかっていますので、FETはOFFしていますが、電圧がなくなったときにはFETがONして電流が流れるのを利用して、アラーム信号を出力したり、ドレイン電源をカットする働きをします。
 ONしてもドレイン電流値が定格値を越えないような使い方ならば問題ありませんが、高周波用トランジスタなどはゲインやNFの最適値に合わせるため、受信用のアンプでも電流をかなり流す場合がありますので、保護回路は必要になります。


2011年4月19日 (火)

RS232Cのはなし

RS232Cとは
 シリアル通信の代表的な規格で、昔は電話線モデムなんてものとPCと繋いでインターネットやパソコン通信をしたので、このシリアルポートは必須だったが、最近はEtherPort が標準(WiFiのほうかも)なのであまり見かけなくなりました。現在でもUnixサーバーにログインしたり、周辺機器にはRS232Cポートでデーターを入出力するものもありますので、USB-RS232C変換器なんてものが使われます。
ハード的には
1)信号線の種類
最小単位では 送信線が TXD 受信線が RXD と共通グランド GND の3本で構成されます。場合によってはPC側が CTS( Clear to Send )「送って良いよ」とかRTS( Request To Send )「送って下さい」とか DTR(Data terminal Ready)「準備できてます」などの線が必要で、端末側でサポートされていない場合は、Highか Lowに繋がなければいけない時があります。
2)信号レベル
±12Vの電源で使われたことによって、だいたい±10V程度の信号レベルで通信しています。
実際の閾値では MAX232 などのドライバICの規格で見ると最小 ±5V Lowレベルが 0.8V Highレベルが2V程度のようです。20110419_220234レベル変換ICを使わないで、簡易的にトランジスタでドライバを構成することもできますが、あまり速いスピードはスピードアップコンデンサーなどが必要で結構難しいようなのです。2石で出来ますので覚えておくと便利ですね。基本的にドライバICはインバータータイプです。ですからマイコンでのシリアルポートの説明は通常High でスタートビットがLowとなっていますが、RS232Cコネクタでの信号レベルは通常時 -8V程度で、スタートビット時は+8VのHighになっています。ここが混迷するポイントの1つですね。
ソフト的には
RS-232Cにはスピードを示す ボーレートがあり、 300ボーとか 9,600BPSとか規定されます。最近ではもっと早いのが標準ですね。他に データー長は 7Bit か 8Bit 英語圏では 7Bit で文字を送れるのでそれで十分な場合もありました。ストップビットとかパリティビットなど設定は多いのですが、それらは他の詳しいサイトを参照下さい。8Bitでもスタートビットとストップビットは必須なので1文字送るには10Bit必要です。300BPSでは1秒に30文字、日本語だったら15文字しか送れないので、昔のパソコン通信ではいかに短く送るかが問題でした。現在も残るメールの Re: とか Fwd: なんか短縮のなごりですかね...


2011年3月22日 (火)

Offset のはなし

Offset とは
電圧などをシフトさせて信号の中点電位を動かす場合などに使う。AC波形にDC成分が重畳されているような場合、DC成分の電圧をXとすると「X ボルトオフセットされた AC電圧」と呼ばれる。
ハード的には
Opamp_offset
 高周波検波ICでダイナミックレンジの高いものなどは、信号がない場合でも数100mV程度の直流出力があるものがあります。(残留電圧、ゼロ電圧)これらをメーターなどに出力する場合、そのまま増幅するとその分だけ振れてしまうので、それを打ち消すためにオペアンプ回路にオフセット調整回路を使います。
 図はAC波形に直流でVofs だけ+にオフセットがかかった場合ですが、ボリュームを0Vにしたそのままの状態では直流成分も含めて増幅しますので、出力にも同じ割合で直流成分が乗ってしまいます。[図のオレンジのライン](この回路は反転増幅回路で、正確には負の出力が出ますが、説明を簡単にするためプラス側にグラフを書いています) そこでボリュームでVofs と同じ電圧オペアンプの+側に加えますと、[図の青色のラインのように]Vofsの電圧が出力=0 Vにオフセットされます。それで、出力には 0Vを中心にオフセットのない信号が現れます。
 実際に正負関係が同じになるようにするには、OPアンプ反転回路を2段使って行います。オフセット調整は初段だけで良いですが、注意しなければならない点は初段の出力電圧はマイナスなので、オペアンプは正負の電源電圧が必要になります。まだ初段のゲインを大きくとりますと電圧が飽和してしまうことがありますので、きちんと計算して増福度を決めましょう。
ソフト的にはOpamp_ofs2
負の電源が用意できない場合、オペアンプをレールツーレール入出力の物を使用します。オフセット値がプラスならば、通常非反転回路の2つの抵抗のうちマイナス入力とGNDに抵抗を付けますが、そのGNDの所にオフセット電圧Vofsを加えます。ここは増幅度が左右される場所なので通常のボリュームだけで電圧を加えるとそのボリュームで増幅度が変わってしまいます。一度オフセット電圧を作るボリューム出力を増幅度1のバッファ回路のオペアンプに入れ、その出力をGNDのかわりに繋げると安定に動作します。


2011年3月 7日 (月)

2進数・16進数のはなし

2進数・16進数とは
2進数はバイナリ[Binary]、16進数はヘキサデシマル[Hexadecimal]と呼ばれ、コンピューターの数値を示したり、指定したりするのに必要な数値です。通常の10進数デシマル[Decimal]との比較を書いてみます。Binary
2進数
2進数は 0 と1だけで表現され、マイコンのポートの状態とよく比較されその桁の1つをBit(ビット)と表現されます。まさにデジタル式数値の基本です。電流・電圧で言えば OFF = 0 と ON = 1 と置き換えて考えられます。
桁を考えるといちばん小さい1の桁、次は2の桁、4の桁と桁の示す数値は2のn乗の値になっています。表記としては 16 = 00010000B などと末部にBinary の Bをつけて表現するのが一般的です。
 2進数を学ぶにはこの1から256までの桁の数値を、イチ、ニー、ヨン、パー、イチロク、サンニー、ロクヨン、イチニッパ、ニゴロと暗記しておくと10進数との変換に便利です。
しかしながらこのまままですと桁が多くなって記載しにくくなってしまいますので、4ビットをまとめて ニブル(nibble) あるいは、8ビットをまとめて バイト(Byte)として記載される様になりました。4ビットのニブル単位で表現されるのが 16進数で、 0,1,2,3,4....9,A,B,C,D,E,F と数字の次はアルファベットの AからFまで使って16までの数字を表現します。
16進数
 通常データーを示すのに初期のマイコンのビット数の8ビットから、もっぱら16進数の2桁で(例: 0= 00,255 = FF ) 8ビットを表すようになりました。かつてマイコンの初期には雑誌のプログラムにはヘキサダンプと呼ばれ、この16進数2桁を延々と並べて記載され、これを16進数キーボードで直接機械語として打ち込んだ時代もありました。ヘキサ数値を示すために、 00H と末尾に H をつける場合や &h 00 と前に書く場合もあります。10進数の変換には各桁を10進数になおし、上位の桁を16倍して加えます。
例として 3CH では 3x16 + 12 =60 と計算されます。
ソフト的には
 現在コンピューターのバス幅は8ビットだけでなく、32ビットや64ビットにもなっています。バス幅が大きくなると一度に処理する数値が増えますので、クロックを上げるのに比べて性能向上しやすいですが、ハード構成が複雑で高価になります。64ビットCPUになってもデーターの表現方法は16進数で桁が増えるだけなので、基本の16進数を理解しておくことは大事だと考えます。

2011年3月 4日 (金)

オープンコレクタのはなし

オープンコレクタとは
 CMOS構成の出力でなく、トランジスターのコレクタを出力として使い、もっぱらGNDへの電流引き込みの動作をする出力回路です。FETを使った場合はオープンドレイン出力と呼ばれます。
ハード的には
Open_c_2
 右図に例をあげ、LED4個に各々20mA電流を流した場合について考えますが、CMOSのドライバーでドライブする場合CMOSと同じ電圧(5V)でLEDを駆動しなければなりません。20mA が4本なので 80mAで、定電圧ICには ( 12V - 5V ) x 80mA = 560mW の損失となります。LEDの順方向電圧を2Vとした場合、LEDの抵抗では (5V -2V) x 20mA = 60mW , 60mW x 4個 =120mW  合計 680mW となります。
 オープンコレクタで動作させた場合 定電圧ICにはLED点灯による損失はなく、抵抗は ( 12V-2V) x 20mA = 200mW , 200mW x 4個 =800mW となります。
 定電圧ICへのLED以外の供給電流が大きい場合、オープンコレクタにしてLED電源を12Vから直接とることによって定電圧ICへの負担を減らすことが出来ます。また、+12V電源を使用すれば LEDを4個直列に接続することが出来るので一番下の図のように抵抗への損失は( 12V -(2Vx4)) x 20mA =80mW となり、最も損失の少ない回路を構成することが出来ます。
 2番目の回路でCMOSを使おうとすると、端子に電源電圧( +5V)以上の電圧がかかり、破損するおそれがあり、使用できません。これは例えば 24V動作のリレーなどを駆動する場合と同様、オープンコレクタ出力は高い電圧の負荷を ON/OFF することが出来ます。
ソフト的には
 オープンコレクタ出力は[ワイヤードオア]と呼ばれ、複数のオープンコレクタ出力を並列接続してどれかのトランジスタがONしても出力が ON するという[オア]回路を簡単に作れます。これは温度アラーム、電流アラーム、ファンアラームなどを複数まとめて1本のアラーム信号にすることで構成の簡略化をすることが出来ます。


2011年3月 2日 (水)

ダイオード検波のはなし

ダイオード検波とは
Det
検波用ダイオードのはなしでダイオードの種類を書きましたが、今回は高周波や変調信号を検波する動作について書いてみます。
ハ−ド的には
 大きなレベルだけを検波するならば通常のVf (順方向電圧)= 0.7V 程度のシリコンダイオードでも問題ありませんが、入力信号が図のように1.2Vp-p程度の信号では片側 0.6V程度になりますから、ダイオードはONせずに、出力にはほんのすこしの信号しか現れません。
 これをショットキーバリアダイオードに変えると、Vf = 0.4V 程度でも十分ONしますので、出力に信号を得ることが出来ます。しかしながら、検波レベルを検出するだけなら良いですが、この付近の特性は入力電圧と電流の関係がリニアでは無いので、変調信号を検波したい場合は、ダイオードの特性が直線となる入力電圧をもっと高いレベルに上げなくてはなりません。
 ショットキーバリアダイオードでも入力信号が 0.4Vp-p 程度では信号が小さくなってしまいます。
 このような場合は Vfの小さいダイオードを使うか、図のように順方向に電流をすこし流れるように回路を作成して入力信号のセンターの部分をオフセットします。
 図の例では 0.2Vほどオフセットしてやれば、入力信号が小さくても出力信号を得ることが出来ます。
ソフト的には
 初期のトランジスタラジオはゲルマダイオードを使っていても検波感度を上げるため図の回路のようなバイアスをかけて使用していました。
 高周波デテクターICなどは、ダイオードをバイアスして微小な信号も検波出来るよう作られています。検波ICではさらに温度特性を改善するため、下の図のように信号を加えないでバイアスだけかけたダイオードと信号検波のダイオードの2つを差動増幅して温度特性をキャンセルしているものもあります。
Ltc5535


2011年2月25日 (金)

インピーダンスのはなし

インピーダンスとは
[impedance]で交流に対する抵抗のことを指します。通常直流ではコンデンサーは電流が流れない(抵抗値無限大)、コイルは電流最大(抵抗値ゼロ)ですが、交流信号ではそれぞれ周波数に応じて変化します。
今回は周波数でどのくらいのインピーダンスになるのか見てみます。
ハード的には
Inpedance まずコンデンサーですが、理論式でインピーダンスは
Zc = 1/( 2πf C ) で周波数に反比例してインピーダンスが下がっていきます。
実際はコンデンサーの周波数特性はリード線や半田端子のインダクタンスの影響で、高い周波数では逆にインピーダンスが上がってきますが、それ以下の周波数ではおおむね比例しています。デジタル回路のICの電源近くにつけるデカップリングコンデンサーの例で 0.1µFなどでは、1MHz で 1.6Ωで、それ以上の10MHz越えの周波数では十分な特性が得られますが、1KHz程度のアナログ音声回路でデカップリングしようとすると、1KHzでは 1.6KΩとかなり高いインピーダンスとなってしまうことが判ります。そんな場合は1000倍の100µF程度を使えば 1.6Ω程度になりますから、大丈夫と考えます。 これはコンデンサーの周波数特性だけでなく、容量値によるインピーダンスの問題ですので注意が必要です。
 次にコイルですが、インピーダンスは ZL = 2πf L で周波数に比例して大きくなります。高い周波数ではコイルの巻き線間の浮遊容量でコンデンサー成分が主流になり、インピーダンスが下がっていきます。
 コイルは主に交流信号を阻止する使用法が高周波では多いので、そのような使い方ではインピーダンスが高い(50Ωよりかなり大きい)周波数で使います。1µHでは数十MHz以上で使われ 10nHでは数GHz以上での高周波阻止に使われます。どのくらいのインダクタンスの値がインピーダンス的に50Ωかをだいたい理解しておくと、実験などのインダクター選択に便利です。
ソフト的には
 インピーダンスを理解することは基本ですが、コンデンサーには直列の残留インダクタンス、コイルには浮遊容量等に加えて両者とも内部損失を起こす抵抗成分があることを覚えておいて下さい。計算上十分低いインピーダンス値のコンデンサーを使うので損失はないと思って、パワーアンプの出力などに使うと内部の抵抗による損失で想わぬ発熱をしている場合があります。インダクタンスも細い線で巻いたコイルは巻き線の抵抗成分で発熱してインダクタンス成分が落ちたり、直流電流重畳によるインダクタンス低下の影響も出ますので、余裕のある設計が重要です。