シャント・レギュレータICを使用した基準電圧回路

■問題
ノイズ ― 初級

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，2.5Vシャント・レギュレータIC(LT1009)を使用した基準電圧回路です．出力には，負荷となる1.8kΩの抵抗(R_L)が接続されています．この回路で電源(V₁)の電圧を5V，10V，15V，20Vと変化させたときの，OUT端子の電圧として正しいのは(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　シャント・レギュレータICを使用した基準電圧回路
V₁の電圧を5V，10V，15V，20Vと変化させたときの，OUT端子の電圧は？

V₁	5V	10V	15V	20V
(a)	2.5V	2.5V	2.5V	2.5V
(b)	1.7V	2.5V	2.5V	2.5V
(c)	2.5V	2.5V	5V	6.7V
(d)	1.7V	3.3V	5V	6.7V

■ヒント

　LT1009は，出力電圧微調整用の端子を持ったシャント・レギュレータICで，基準電圧を作るときによく使われます．LT1009は，端子電圧が設定電圧(2.5V)よりも高くなると，電流を増加させるように動作します．そのため，高精度で温度特性の優れたツェナー・ダイオードとして使用することができます．図1でLT1009が2.5Vのツェナー・ダイオードとして動作すると考えれば，答えが分かります．

■解答

V₁	5V	10V	15V	20V
(b)	1.7V	2.5V	2.5V	2.5V

　LT1009が接続されていないとき，OUT端子の電圧は，V₁をR₁とR_Lで分圧したものになります．V₁が5Vのとき，OUT端子の電圧は1.7Vとなり，10Vのとき3.3V，15Vのとき5V，20Vのとき6.7Vになります．
　OUT端子に2.5Vのツェナー・ダイオードを接続すると，OUT端子の電圧は2.5V以上にはなりません．そのため，OUT端子の電圧は，V₁が5Vのときだけ1.7Vになり，それ以上のときは2.5Vになります．

■解説

●シャント・レギュレータICとツェナー・ダイオード
　LT1009のようなシャント・レギュレータICは，基本的には2端子素子として動作します．一端はGND端子で，もう一端に電圧を印可すると，設定された電圧以上になったときに，電流が流れるようになっています．この電圧はV_Zという記号で表示されており，LT1009の場合2.5Vとなっています．また，シャント・レギュレータICに電流を流すと，一定の電圧が発生します．
　このような動作をする素子としては，ツェナー・ダイオードがあります．ツェナー・ダイオードも電流を流すと一定の電圧が発生します．しかし，流す電流の大きさによって，発生する電圧は多少変動します．電流変化に対する電圧変化の割合をダイナミック・インピーダンスといい，一般的なツェナー・ダイオードの場合，数十Ωとなっています．
　一方，シャント・レギュレータICの場合，このダイナミック・インピーダンスが非常に小さく，LT1009の場合は0.2Ωとなっています．そのため，流す電流が変化したときの電圧変動が非常に小さくなっています．また，ツェナー・ダイオードは，個体ごとの電圧ばらつきが±5%程度あるのに対し，シャント・レギュレータICのLT1009では，0.2%以内にばらつきが管理されています．さらに，シャント・レギュレータICでは，温度が変化したときのV_Zの変動が非常に小さくなっています．

●シャント・レギュレータICとツェナー・ダイオードの特性の違い
　図2は，ツェナー・ダイオードとシャント・レギュレータの特性の違いをシミュレーションするための回路です．ツェナー・ダイオードは，ブレーク・ダウン電圧が4.7Vの1N750を使用しています．OUT_SRの電圧をOUT_ZDの電圧に近づけるため，LT1009を2個直列に接続していますが，通常はこのような使い方はしません．
　V₁の電圧を6V～20Vまで変化させ，さらに温度を-25℃～75℃まで25℃ステップで変化させています．

図2　ツェナー・ダイオードとシャント・レギュレータの特性をシミュレーションする回路
OUT_SRの電圧をOUT_ZDの電圧に近づけるため，LT1009を2個直列に接続している．

　図3は，図2をシミュレーションした結果です．ツェナー・ダイオードを使用したOUT_ZD端子の電圧は，電源電圧や温度が変化すると変動します．それに対して，シャント・レギュレータを使用したOUT_SR端子の電圧は，ほとんど変化していません．

図3　ツェナー・ダイオードとシャント・レギュレータの特性のシミュレーション結果
シャント・レギュレータは電源電圧や温度が変わっても出力電圧は一定．

●シャント・レギュレータICを使用した基準電圧回路
　シャント・レギュレータICを基準電圧源として使用する場合，図1のように電源から抵抗(R₁)を介してシャント・レギュレータICを接続します．シャント・レギュレータICを使用した基準電圧源は，一般的な電源回路と異なり，負荷としてあまり小さな抵抗を接続することができません．R₁と負荷抵抗(R_L)で電源電圧(V₁)が分圧されてしまい，出力電圧が低下してしまう場合があるためです．
　図1の回路で，シャント・レギュレータICを接続しないときのOUT端子の電圧は式1で計算することができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　式1を変形すると，式2のように，OUT端子の電圧が2.5Vを維持できる，最低電源電圧(V_L)を計算することができます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　式2の結果から，図1の回路は電源電圧が7.5V以下のときはOUT端子が2.5V以下となってしまうことが分かります．ただし，実際はシャント・レギュレータICが動作するための電流がR₁に流れるため，2.5Vを維持できる電圧は式2の値よりも若干高くなります．
　図4は，図1の回路で電源電圧を変化させたときのOUT端子の電圧をシミュレーションするための回路です．「.stepコマンド」でR_Lの値を100kΩと1.8kΩの2種類に変化させます．

図4　シャント・レギュレータICを使用した基準電圧回路をシミュレーションする回路
R_Lの値を100kΩと1.8kΩに変化させてシミュレーションを行う．

　図5は，図4の電源電圧を変えたときの出力電圧のシュミレーション結果です．R_Lが1.8kΩのときは，電源電圧8V以下でOUT端子の電圧が下がりはじめ，出力電圧2.5Vを維持できなくなることが分かります．一方，R_Lが100kΩのとき，電源電圧3V程度まで出力電圧2.5Vを維持できています．

図5　シャント・レギュレータICを使用した基準電圧回路のシミュレーション結果
R_Lが小さいと，低い電源電圧のときに，出力電圧を維持できない．

●LT1009の電圧微調整端子の使用例
　LT1009にはV_Zを微調整するための端子が用意されています．図6はLTspiceのサンプルファイルです．R2とR3が電圧微調整用のボリュームで，出力電圧を±5%可変することができます．図6 では.stepコマンドでボリュームの位置を40%，60%，10%と変えてシミュレーションを行います．そして，温度を-55℃～125℃まで変えたときの出力電圧を調べます．