トランジスタをVbeで選別 その３ JFETで組んで見る。

この間飲みながら書いた記事は結構支離滅裂ですが（＾ｑ＾；定電流源にバイポーラ・トランジスタを使うよりJFETを使った方が部品数が少なく済み、電源も単電源で測定できそうです。

回路図

Q1は検査対象のNPNトランジスタ（2SC1815）です。

R4は10kΩのトリムで10Ω~10kΩでパラメータ分析しています。R3は電流値を検出するためのシャント抵抗です。

Q1の各端子の電位

Q1のベース・バイアスV(vb)はVCCをR1、R2で分圧して2Vにしています。シミュレーションでは少し低い値になっています。

Q1のエミッタ電位V(ve)は測定するV(vb)からVbe分電圧降下した値になっています。エミッタ(≒コレクタ)に流す電流によって変化しています。

エミッタ電流

N-ch JFET J1の特性によりますが、10kΩトリムのR4の設定値によって100uA（縦軸の0.0001）程度~1mA（縦軸の0.001）程度ぐらいはエミッタ電流を変化させられそうです。

Visでエミッタ電流を測定

R3に流れる電流はQ1のエミッタ電流と同じなので、V(vis)の電位を測定すれば、エミッタ電流Ieは Ie = V(vis) / R3(=100Ω) で測定できます。

実験

ブレッドボード配線図

測定手順

１． 電源電圧が+9V前後なのをチェック
２． A点が2V前後なのをチェック
３． B-C点の電圧Vbc、エミッタ電流Ieとして、Vbc = Ie * 100 と換算して流したいエミッタ電流になるようにトリムR4を調節する。100uA流したい場合は10mV。1mA流したい場合は100mV。
４． ブレッドボード図の「VMeter」のようにテスタをあててVbeを測定する。

エミッタ電流とVbeの関係の実験

トリムR4を調整して、エミッタ電流を変えてVbeを測定しました。

エミッタ電流Ieが多いほど、ベース・エミッタ電圧Vbeが高くなっていて、変化も大きいです。

トリムの調節が難しいので、多回転タイプのトリムのほうがいいかもしれません。

温度とVbeの関係の実験

テスターでVbe、HDC1000不快指数計で室温をロギングしました。どちらも測定間隔は0.5sですが同期はとれていません。

エアコンを入れたり切ったりして室温を変えました。

※Vbeのグラフの縦軸は反転してあります

横軸の0～8000あたりを見ると室温はが29℃～30℃で1℃程度上昇していて、Vbeは574mV～570mVで4mV程度の下降になっています。-4mV/℃程度です。

また、横軸の8000以降では室温が1.5℃程度に下がっていますが、Vbeは2mV程度の上昇です。

これらは室温が変わってもトランジスタの中の接合温度は変化しにくいためだと思います。

テスト測定

室温： 26.42℃～26.64℃
電源電圧： 8.96V
Vb: 1.931V
Vis：10.01mV

横軸の単位は0.5sなので、30s程度待って読み取れば十分そうです。

トランジスタをVbeで選別 その２

トランジスタのマッチングはかなりシビアな問題です。流す電流や温度によって測定値がコロコロ変わります。

同じ条件でマッチングが取れていたらOKだと思いますが、その条件を確定するのが難しい。

温度は室温で測定するとして、電流値を目で見てわかるようにすることを考えました。

コレクタ≒エミッタ電流

実験中のTLF01を想定して、電源（VCC）は9Vとし、ベースに加える電圧（Vb)は2Vとしました。

回路図のVbとVeの差分がVbeです。I１は電流源で「何があってもこの電流しか流さん」という役目をになってます。

I1の電流値を1uA～1mAにしてパラメータ解析しました。

流す電流によって620mV～420mVまで変わります。

トランジスタの温度係数は2mV/℃の係数があるので、こんなにバラツキがあっては選別が困難です。

選別にはコレクタ→エミッタの電流値を確定する必要があります。

JFETの定電流源にしてみる

Vbの電圧をR1とR2の分圧で2Vにし、定電流源をJ1とR4にしました。

R4の値を変えるとJ1のドレイン-ソースに流れる電流が変わるので電流値を可変できます。

R4の値を500Ω~10kΩにすると、Q1のエミッタ電流（Ie（QA1)）はおおよそ50uA~750uAになりました。

1mVの精度でトランジスタを選別するのはむずかしいですが、同じ電流を流し続けられればできるかな（＠＠？

メモ

J1まわりの定電流源の電流値はR4の両端の電圧を測ればできそう？

JFETを使った可変電流源

自作の可変電流源は吐き出し型で吸い込み型では使えません。

参考「トランジスタ・ラダー・フィルターの実験 その３」

エミッタ側を出力とすれば吸い込み型になるかと思ったのですが思い違いでした。TrをPNPではなくNPNにする必要があります。

トランジスタを使った定電流回路の基本形

Current SinkがNPNを使った吸い込み型の定電流回路、Current SourceがPNPを使った吐き出し方の定電流回路です。

ベースに印加した電圧によって、エミッタ抵抗Rに一定の電流が流れ、エミッタ電流≒コレクタ電流なのでコレクタ側から一定の電流を取り出せるという仕組みです。

エミッタ側に負荷を入れると定電流源にはなりません。

自作の可変電流源を吸い込み型にしようと思うとNPN Trにして作り直す必要があります。

JFETを使った定電流源

自作の可変電流源は入力電圧に比例して電流を取り出せますが、少々回路が複雑です。バイポーラトランジスタではなくJFETを使えばかなり簡単に定電流源が作れます。

「回路の素101」と「続・トランジスタ回路の設計」を参考にしました。


回路図

JFETのゲート・ソース間を直結してVGSを0VにするとJFETのIDSSの定電流源になります。

手持ちの2SK170-BL（IDSS:6.0~12mA）と2SK30ATM-Y（IDSS:1.20~3.00mA）で測定しました。

ブレッドボード配線図

JFETのソース側（吐き出し型/Low Side）とドレイン側（吸い込み型/Hi Side）に直接テスター（OWON B35/mA/DC）を入れて電流を測定しました。ソース電流＝ドレイン電流なのでどちらも同じ電流値になります。

2SK170-BL	Low Side	8.58mA
2SK170-BL	Hi Side	8.56mA
2SK30ATM-Y	Low Side	1.82mA
2SK30ATM-Y	Hi side	1.82mA

テスターのOWON B35のmA/DCモードは十分に内部抵抗が小さいので（参考「OWON B35を購入しました」）直接回路に入れて測定しましたが、内部抵抗の高いテスターの場合は正しく測れません。

DER EE D-200AのmA/DCモードで測定

同じ回路ですが、測定値は1.93mAになっています。D-200Aでも10Aモードは内部抵抗が低いので精度は粗いですが正しく測定できました。

DER EE D-200Aの10A/DCモードで測定

JFETを使った可変電流源

JFETのソースとゲートの間に抵抗を入れるとソース電流=ドレイン電流を制限できます。

シミュレーション回路図

RIの値を100Ω～100kΩにしてパラメータ解析しました。

出力電流（2SK170）

RIの値によって5uA～2.5mA程度で出力電流が変化しています。

同じ回路でJFETのモデルをJK30に変更してシミュレーションしました。

出力電流（2SK30）

RIの値によって15uA～1.5mA程度で出力電流が変化しています。

2SK170の方が出力できる電流の幅が大きいのは、下の伝達特性のグラフの通りID/VGSの傾き（gm）が大きいためです。

2SK170 / 2SK30の伝達特性

ブレッドボード配線図

Parts	Side	RI=100Ω	RI=1kΩ	RI=10kΩ	RI=100kΩ
2SK170-GR	Hi Side	2.12mA	0.34mA	0.04mA	0.01mA
2SK170-GR	Lo Side	2.12mA	0.34mA	0.04mA	0.01mA
2SK30ATM-Y	Hi Side	1.46mA	0.59mA	0.10mA	0.02mA
2SK30ATM-Y	Lo Side	1.47mA	0.59mA	0.10mA	0.02mA

2SK170-GR+100kΩトリム

2SK170-GRを使ってRIを100kΩのトリムを使って連続可変にしました。

ブレッドボード配線図

トリムを回してドレイン電流は5.1uA~8.47mAに変化しました。2SK30ATMの場合は12.2uA～1.82mAでした。

実験中のトランジスタ・ラダー・フィルターで、カットオフ周波数のコントロール電流源に使ってみたいと思います。