可変電流源 AD9833ファンクションジェネレータでOPAMPを評価

AD9833ファンクションジェネレータで、GNDより正側の単電源波形を出せるようになったので可変電流源に使うOPAMPを再評価してみた。

「可変電流源の構想」でテストした時は、低電圧フルスイングのNJM2732とAD8532、OPA2134が0V～2Vでほぼ正常だっが、改めて測定してみると周波数が100kHzぐらいになると差が出てきた。

2mA出力するつもりで測定

AD9833FGから2Vp-pのサイン波を出力して、可変電流源に入力。

電圧→電流変換の比率は1V→1mAとしていて、負荷抵抗に1kΩのRを入れて入力電圧と出力電圧が同じになるようにした。

シミュレーションでは2mAが上限だったので、2Vp-p、100kHzのサイン波を入力してようすを見てみた。←出力も2Vp-pになる。

OPA2134

ch1:入力 ch2:可変電流源の出力

NJM2732

AD8532

※いつもはオシロのメモリを10Mにしていますが、今回は見やすいようにメモリを10Kに設定しています。なので、波形の線がいつもより細く表示されています。

比較するとOPA2134は出力波形に振動があり、NJM2732は100kHzだと追随できていない感じだ。AD8532は多少くずれがあるが比較的きれい。

【異常系】3mA出力

シミュレーションでやった通り、2mAが上限だが、3Vp-pを入力して3mA出力できるかどうかも見てみた。2mA出力の時と同じく負荷は1kΩなので、シミュレーション以上の力があれば出力も3Vp-pになる。

OPA2134

ch1:入力 ch2:可変電流源の出力

NJM2732

AD8532 

こういう悪条件ではOPA2134はひどい結果になり、AD8532もおかしな挙動をする。比較的NJM2732はましだが、2mAの時の結果が良くない。

AD8532を使ってみる。

シミュレーションの上限の2mAの結果が良かったので、AD8532を使ってみることにする。電源電圧が2.7V~6Vとなっているので注意が必要。

2mAでは波形の崩れがでたが、少し入力電圧を下げて1.8V入力(1.8mA出力)にすると

100kHzの電圧→電流変換でこれぐらいなら、音源製作の実験用としてはまずまずだと思う。

可変電流源 でけた&リードベンダでジャンパ線の加工

回路図

基板図

前回ブレッドボードで組んだ回路で測定したのとほぼおなじ条件で測定

OPAMP： OPA2134

10kΩ (出力電圧 = 入力電圧×10)

ch1:入力電圧 ch2:出力電圧

リードベンダでジャンパ線の加工

サンハヤトのリードベンダでジャンパ線の加工をしてみた。

リードベンダで所望のピッチでスズメッキ線を曲げる。

熱収縮チューブをスズメッキ線に通して、基板の表側になる部分を絶縁する。

φ2mmの熱収縮チューブなので収縮させてもガバガバです。もう少し径が細い方がいいかも。

熱収縮チューブで絶縁しなくても使えますが、基板の表になる部分を絶縁しておくと、何かの拍子にジャンパ線がショートしてしまう可能性を減らせます。

Github:
https://github.com/ryood/VCCS_Unit

可変電流源 基板設計

可変電流源のバリエーション OPAMP+PNP Tr

以前作ったSPI VCAで使っている電圧→電流変換回路も可変電流源として使えるし、部品数も少なくて済む。

回路図

負荷抵抗RLを1kΩ～10ｋΩで1kΩ刻みでシミュレーションしてみた。電流源なので負荷抵抗の値が変わっても、負荷抵抗に流れる電流は変わらない。

DC解析

上のV(out)は負荷抵抗の「OUT」の点の電位で、コンプライアンス電圧というらしい。V(out)の上限が-1V前後で制限される。負荷抵抗の抵抗値が上がるとコンプライアンス電圧で制限されて、取り出せる電流が頭打ちになる。

この回路は部品数が少なくて済むが、両電源が必要となり出力の基準点がVEEとなるのがデメリット。

可変電流源のバリエーション OPAMP+NPN Tr

似たような仕組みでNPN Trでも電圧→電流変換回路を作れる。

回路図

DC解析

こちらはコンプライアンス電圧が+1V程度になる。両電源は必ずしも必要ではないが負荷抵抗をVCC側に入れなくてはならずGNDから浮いてしまう。

今回使う回路

回路図

DC解析

この回路は部品数が増えるが、単電源で使えて負荷抵抗の一端がGNDに接地される。コンプライアンス電圧も実用的な範囲だと思う。

基板設計

回路図

基板図

R4は電圧→電流の変換率を決める抵抗で、ピンソケットを使って実装し差し替えられるようにする。

部品並べ

可変電流源の構想

前から作ろうと思っていましたが、なかなか手を付けられないでいました。電圧制御電流源です。

以前、電圧→電流変換回路をいろいろ実験したが、今回はEDNの「電圧制御のプログラマブル定電流源、デジタルコントロ－ルも容易 (1/2)」を参考にする。

LTSpiceでシミュレーション

シミュレーション回路図

Trの電流増幅率を上げるために、普通のTrとダーリントンTrを使用した場合と比較してみた。

普通のTrを使用

ダーリントンTrを使用

DC解析

普通のTrを使用

ダーリントンTrを使用

DC解析を見比べると、I（Rｌ)（出力電流）は、2.0V vs 2.0mAあたりを見ると、ダーリントンの方がマス目にあっている。

V(VCC,N003)は、R3の両端の電圧で、この電圧に比例した電流が出力される。

理想Trと理想OPAMPで5V電源だと2mA程度出力するのが上限。

ブレッドボード図

ダーリントンTrは持っていないので、2SA1015と2SC1815をそれぞれダーリントン接続して使った。電流増幅率が大きい方が良いのでともにGRランクを使った。

AVRトランジスタテスターで測定

Tr	hFE	Vf(mV)
2SC1815(1)	380	682
2SC1815(2)	322	683
2SC1015(1)	304	650
2SC1015(2)	299	650

OPAMPを変えて測定

レール電圧の正側付近を使うので、フルスイングOPAMPを中心に測定してみた。

自作のファンクションジェネレータで2Vp-pの正弦波を出力し、820Ωと3.3kΩのRで電源電圧を分圧し、GNDを+1Vシフトして、正側で振れる正弦波を入力した。

この回路定数では出力電流=入力電圧/1000となり、出力負荷は1kΩのRとしたので、入力電圧と負荷抵抗の電圧が等しくなる。

電源電圧： +5.07V

NJM4580

ch1:入力電圧 ch2:出力電圧

フルスイングではない、定番のNJM4580だと入力電圧が低い場合、出力が反転してしまう。

NJM2732

低電圧で動作するフルスイングOPAMP。0V~2V（0mA～2mA)がほぼ正常に出力される。

AD822

フルスイングOPAMP。450円＠秋月とちょっと高い。入力が0Vから立ち上がる時に少しいびつになっている。下降時は正常。

AD8532

低電圧フルスイング。正常に出力される。

NJU7032

CMOSフルスイング。入力が低い時はおかしくなる。

OPA2134

フルスイングとは銘打っていないが、電源電圧4Vから動作し、経験上フルスイングに近い特性。この実験でも正常に出力された。

まとめると、低電圧フルスイングのNJM2732とAD8532、OPA2134が0V～2Vでほぼ正常。次点でAD822．

NJM2732とAD8532は電源電圧の上限が6Vで、電源の制約が少ないOPA2134をまずは使ってみることにする。

負荷抵抗を変えて実験

負荷抵抗の値を変えると、出力電圧も変わるので（E=RI）OPA2134で確認してみた。入力はファンクションジェネレータの出力を最大にして測定。

1kΩ （出力電圧　= 入力電圧）

ch1:入力電圧 ch2:出力電圧

10kΩ （出力電圧　= 入力電圧×10）

100Ω （出力電圧　= 入力電圧/10）

何故だか出力にノイズが乗ってしまった。←原因不明

あまり厳密ではないが、入力：0V～2V、出力：0mA～2mAの範囲で使えそうだ。

<追記:2017.07.21>

OPA2134で測定し直してみた。入力のサイン波の周波数を100Hzに変更した。

1kΩ (出力電圧 = 入力電圧)

ch1:入力電圧 ch2:出力電圧

10kΩ (出力電圧 = 入力電圧×10)

見やすくするために、入力をプラス側にシフトせず電圧も小さくしている。

入力が0V程度の時0V程度、400mA程度の時4V程度出力されている。

100Ω  (出力電圧 = 入力電圧/10)

</追記>