Analog Discoveryの活用（カーブトレーサ）

Analog Discoveryの活用（カーブトレーサ）
Analog Discoveryを使ったカーブトレーサの活用例です。１、基本機能とその限界使い方は極めて簡単で、２つのＳＧ出力を抵抗を介してトランジスタのベースとコレクタに繋ぎ、ベース印加電圧をstep変化してコレクタ印加電圧をsweepし、IcとVceをそれぞれ検出抵抗両端とトランジスタのＥ，Ｃに繋いで測定します。コレクタ直列抵抗があるので、Ｒｃの電圧降下分よりVce印加電圧が大きくならないとコレクタには電圧が印加されない。（基本測定法での限界）・ＩｃはSGの電流限界で30mAまで、Ｖｃｅは５Ｖまで。・コレクタ直列抵抗の損失があるので、電流が上がるとＶｃｅ測定範囲は狭くなる・コレクタ抵抗を小さくすると、25VレンジでA/Dしているので測定分解能がとても悪くなる。　（Ｒｃ電圧降下が１ＶだとLSB分解能3.5mVなので8bit分解能しかない）数Ｖ以下の領域で小電流の飽和傾向を見たいだけなら十分に使えますが、それ以上の範囲をカバーできないのであくまで「簡易的な」カーブトレーサとしてしか使えません。２、本格的なカーブトレーサの案本格的に改善するなら、・Ic, Vce範囲の拡大：外部アンプを使ってVceを最大100V, 500mAまでドライブする・オシロ入力25V限界の拡大：1/2, 1/4のATTを入れて最大100Vまでに対応・ベース電流ドライブの高精度化：Ｒｂ直列の流しっ放しではなく、OPアンプで電流ドライブする・Ｉｃ検出の高精度化：Ｒｃ検出抵抗のロスは１Ｖ以下にし、差動増幅で25V振幅をフルに使い、分解能をＵＰ以上の内容を盛り込んで設計してみたのがこの図。 U4（OPアンプ）の出力を外部ブースターアンプで最大100V, 500mAに増強。コレクタ電流検出抵抗はエミッタ側に入れ、ベース電流は完全定電流駆動、Vce印加も抵抗ロス分を補償して定電圧駆動する。電流検出は20倍増幅して差動でVrc入力へ入れ、±25V範囲をフルに使う。但し、高速にIb, Vceを変化させた時に定電流、定電圧部のフィードバック制御が乱れないかは未確認。３、簡易的なアダプタでの応用測定上の設計はとても本格的な物なので、製作するにはアンプ１台まるまる作るくらいの工数が必要。もっと手軽に測定範囲を拡大するアダプタを作成しました。回路は右図。 Vce SelectでVce印加範囲を0-5Vから最大20-25Vまで拡大します。 Vce印加はQ1のフォロワで最大200mAまで対応、Vbe分のロスはD1で補償。Ｒｃを直接コレクタに入れると電流でVceが変化するので、Ｑ１コレクタ側にＲｃを移動できるようにしてVceを一定のままでＩｃを変化できるようにしました。Ｒｂは３桁ダイヤルで１ｋ～1222kΩまで可変、Ｒｃは1-2-5stepで50Ω～20kΩまで切替。（Rc1/Rc2はソケットで一つのRcをどちらかに入れ替え）・Ｖｃｅ範囲拡大した測定例接続はRc1=Rc, Rc2=短絡、 Vce Selectで電圧印加範囲を25Ｖまで５回に分けて測定し、Exportでデータを取り出して外部でグラフにします。かなり手間が掛かりますが、普通に見るカーブトレーサの図が得られます。このデータを使ってVce変化に対するIc変化量を計算すると、コレクタ出力抵抗を決めるＶＡの値が求められます。（VA = IcdVce/dIc -Vce）下側のグラフがそれで、測定分解能の関係で測定ポイント毎に若干ばらつきますが、Ic=0.5～3.5mAの範囲ではＶＡの値は電流に関わらずVceに依存する事が分かります。 2SA1015の場合は、0.5Vで飽和領域を脱した後は5V付近までＶＡは上昇を続け、5Vでほぼ上昇は止まります。ＶＡの値が大きくてしかも電圧依存性が少ないほど直線性が良いと言えます。・Ｖｃｅ一定でＩｃ範囲拡大した測定例* 接続はRc1=短絡, Rc2=Rc、Ｒｃでの電圧降下でＶｃｅが削られないので、大電流領域でもＩｃがどこまで伸びていくかを確認しやすい。グラフは画面でそのまま見られますが、記録を残すために Exportで外部でグラフにしています。 DigilentのWaveFormsのソフトのバグでVce変化範囲を３Ｖ以下にすると測定データが異常値になるので、１Ｖ以下だけ見たい場合でも0-3VまでのSweepが必要。・Ｖｃｅ一定でIb-IcからhFE電流特性を計算した測定例 Sweepの信号源W1/W2を入れ替えてVce測定をＲｂ両端電圧に変えると、Ｖｃｅのステップ毎のhFEの電流特性(hFE=Ic/Ib)が測定できます。画面上ではIb-Icカーブが表示されるので、データをExportしてhFEを計算します。（Ib=Vrb/Rb, hFE=Ic/Ib) グラフは単なるIc/Ibではなくて⊿hFE=Ic変化分/Ib変化分を計算しています。この方が飽和等でのhFEの微妙な変化開始点が捉えやすい。測定例ではVce=1Vでは100mAで飽和が始まる事、電流が大きいほどに Vce変化でのhFE変化が大きくなる（ＶＡが大電流で低下する）事が読み取れます。Ｉｃ変化に対しカーブが水平であればhFEのリニアリティが良く、電圧での変化幅が小さいほどＶＡが大きい（コレクタ出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが高い）事を示しています。この2SC1741は低圧中電流の石なので、hFEﾘﾆｱﾘﾃｨはそこそこ良いが、コレクタ出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽはあまり良くありません。４、J-ＦＥＴの測定残念ながらWaveFormsのソフトではVgsが逆バイアスになるJ-FETの測定は対応していません。 Vgs印加範囲を±５Ｖにすれば良いだけなのに、それが出来ないのです。但し、VdsやVrdの測定極性が反転するのはエラーにならないので、P-chの測定モードを使ってN-chのJ-FETを逆バイアスにすることは出来ます。そのままではVds印加極性が逆に振れるので、アダプタのVce印加電圧シフトを使って逆に振れた分を補正すればＯＫ。実際にP-FETのモードを使って測定したのが右図。（データは2SK117 BL） Vdsに５Ｖの嵩上げをする事でP-FETの-5V～0VのVds変化幅を0～+5Vに変換しています。バイポーラＴｒと同様に、データをExportして加工する事でId-gm特性やそれに対するVdsの影響、ドレイン出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽとVdsの関係などを評価することも出来ます。　　　　計測のメニューに戻る　　　 AudioのTOPに戻る

　
Analog Discoveryを使ったカーブトレーサの活用例です。

１、基本機能とその限界

使い方は極めて簡単で、２つのＳＧ出力を抵抗を介してトランジスタのベースとコレクタに繋ぎ、ベース印加電圧をstep変化してコレクタ印加電圧をsweepし、IcとVceをそれぞれ検出抵抗両端とトランジスタのＥ，Ｃに繋いで測定します。
コレクタ直列抵抗があるので、Ｒｃの電圧降下分よりVce印加電圧が大きくならないとコレクタには電圧が印加されない。

（基本測定法での限界）
・ＩｃはSGの電流限界で30mAまで、Ｖｃｅは５Ｖまで。
・コレクタ直列抵抗の損失があるので、電流が上がるとＶｃｅ測定範囲は狭くなる
・コレクタ抵抗を小さくすると、25VレンジでA/Dしているので測定分解能がとても悪くなる。
　（Ｒｃ電圧降下が１ＶだとLSB分解能3.5mVなので8bit分解能しかない）

数Ｖ以下の領域で小電流の飽和傾向を見たいだけなら十分に使えますが、それ以上の範囲をカバーできないのであくまで「簡易的な」カーブトレーサとしてしか使えません。

２、本格的なカーブトレーサの案

本格的に改善するなら、
・Ic, Vce範囲の拡大：外部アンプを使ってVceを最大100V, 500mAまでドライブする
・オシロ入力25V限界の拡大：1/2, 1/4のATTを入れて最大100Vまでに対応
・ベース電流ドライブの高精度化：Ｒｂ直列の流しっ放しではなく、OPアンプで電流ドライブする
・Ｉｃ検出の高精度化：Ｒｃ検出抵抗のロスは１Ｖ以下にし、差動増幅で25V振幅をフルに使い、分解能をＵＰ

以上の内容を盛り込んで設計してみたのがこの図。

U4（OPアンプ）の出力を外部ブースターアンプで最大100V, 500mAに増強。

コレクタ電流検出抵抗はエミッタ側に入れ、ベース電流は完全定電流駆動、Vce印加も抵抗ロス分を補償して定電圧駆動する。

電流検出は20倍増幅して差動でVrc入力へ入れ、±25V範囲をフルに使う。

但し、高速にIb, Vceを変化させた時に定電流、定電圧部のフィードバック制御が乱れないかは未確認。

３、簡易的なアダプタでの応用測定

上の設計はとても本格的な物なので、製作するにはアンプ１台まるまる作るくらいの工数が必要。
もっと手軽に測定範囲を拡大するアダプタを作成しました。

回路は右図。
Vce SelectでVce印加範囲を0-5Vから最大20-25Vまで拡大します。
Vce印加はQ1のフォロワで最大200mAまで対応、Vbe分のロスはD1で補償。
Ｒｃを直接コレクタに入れると電流でVceが変化するので、Ｑ１コレクタ側にＲｃを移動できるようにしてVceを一定のままでＩｃを変化できるようにしました。

Ｒｂは３桁ダイヤルで１ｋ～1222kΩまで可変、Ｒｃは1-2-5stepで50Ω～20kΩまで切替。
（Rc1/Rc2はソケットで一つのRcをどちらかに入れ替え）

・Ｖｃｅ範囲拡大した測定例

接続はRc1=Rc, Rc2=短絡、
Vce Selectで電圧印加範囲を25Ｖまで５回に分けて測定し、Exportでデータを取り出して外部でグラフにします。

かなり手間が掛かりますが、普通に見るカーブトレーサの図が得られます。

このデータを使ってVce変化に対するIc変化量を計算すると、コレクタ出力抵抗を決めるＶＡの値が求められます。
（VA = Ic*dVce/dIc -Vce）

下側のグラフがそれで、測定分解能の関係で測定ポイント毎に若干ばらつきますが、Ic=0.5～3.5mAの範囲ではＶＡの値は電流に関わらずVceに依存する事が分かります。

2SA1015の場合は、0.5Vで飽和領域を脱した後は5V付近までＶＡは上昇を続け、5Vでほぼ上昇は止まります。

ＶＡの値が大きくてしかも電圧依存性が少ないほど直線性が良いと言えます。

・Ｖｃｅ一定でＩｃ範囲拡大した測定例

接続はRc1=短絡, Rc2=Rc、
Ｒｃでの電圧降下でＶｃｅが削られないので、
大電流領域でもＩｃがどこまで伸びていくかを
確認しやすい。

グラフは画面でそのまま見られますが、記録を残すために
Exportで外部でグラフにしています。

DigilentのWaveFormsのソフトのバグでVce変化範囲
を３Ｖ以下にすると測定データが異常値になるので、
１Ｖ以下だけ見たい場合でも0-3VまでのSweepが必要。

・Ｖｃｅ一定でIb-IcからhFE電流特性を計算した測定例

Sweepの信号源W1/W2を入れ替えてVce測定をＲｂ両端電圧に変えると、
Ｖｃｅのステップ毎のhFEの電流特性(hFE=Ic/Ib)が測定できます。

画面上ではIb-Icカーブが表示されるので、データをExportしてhFEを計算します。
（Ib=Vrb/Rb, hFE=Ic/Ib)

グラフは単なるIc/Ibではなくて⊿hFE=Ic変化分/Ib変化分を計算しています。
この方が飽和等でのhFEの微妙な変化開始点が捉えやすい。

測定例ではVce=1Vでは100mAで飽和が始まる事、電流が大きいほどに
Vce変化でのhFE変化が大きくなる（ＶＡが大電流で低下する）事が読み取れます。

Ｉｃ変化に対しカーブが水平であればhFEのリニアリティが良く、電圧での変化幅が小さいほどＶＡが大きい（コレクタ出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽが高い）事を示しています。
この2SC1741は低圧中電流の石なので、hFEﾘﾆｱﾘﾃｨはそこそこ良いが、コレクタ出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽはあまり良くありません。

４、J-ＦＥＴの測定

残念ながらWaveFormsのソフトではVgsが逆バイアスになるJ-FETの測定は対応していません。
Vgs印加範囲を±５Ｖにすれば良いだけなのに、それが出来ないのです。

但し、VdsやVrdの測定極性が反転するのはエラーにならないので、P-chの測定モードを使ってN-chのJ-FETを逆バイアスにすることは出来ます。

そのままではVds印加極性が逆に振れるので、アダプタのVce印加電圧シフトを使って逆に振れた分を補正すればＯＫ。

実際にP-FETのモードを使って測定したのが右図。
（データは2SK117 BL）

Vdsに５Ｖの嵩上げをする事でP-FETの-5V～0VのVds変化幅を0～+5Vに変換しています。

バイポーラＴｒと同様に、データをExportして加工する事でId-gm特性やそれに対するVdsの影響、ドレイン出力ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽとVdsの関係などを評価することも出来ます。

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