脈流を直流電圧に整流した直流電源を作る

■問題

【 LT1236/LT1007 】

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，10Vの高精度リファレンスIC(LT1236)を使った直流電源回路です．高精度リファレンスICのIN端子に加わるV+の電圧は，Ref_outで直流の10Vになり，その電圧を調整してoutから出力します．outの電圧はR₁とR₂で示した可変抵抗で調整します．可変抵抗の調整量を表したnが0.2のとき，outの直流電圧は(a)～(d)のどれでしょうか．ただし,OPアンプは理想として検討します．

図1　高精度リファレンスICを使った直流電源回路
可変抵抗の調整量がn=0.2のとき，outの直流電圧は(a)～(d)のどれ？

(a) -6V　(b) -2V　(c) +2V　(d) +6V

■ヒント

　図1のV+の電圧からoutの直流電圧を作るには，高精度リファレンスICの直流出力電圧(Ref_out)を元に作るやり方があります．
　図1の動作は，Ref_outの電圧がR₃に加わり，可変抵抗を表すR₁とR₂で分圧した電圧がOPアンプの非反転端子に加わります．可変抵抗の調整量を表すnが0.2のとき，この2つの電圧がLT1007とR₃とR₄からなる負帰還回路の入力になり，outから電圧を出力しています．以上の動作を用いてoutの電圧を計算します．

■解答

(a) -6V

　高精度リファレンスIC(LT1236)の出力(Ref_out)は直流の10Vになります．その電圧がR₃に加わります．そしてRef_outの10Vの電圧は，R₁とR₂の可変抵抗により分圧され，OPアンプの非反転端子に加わります．具体的には可変抵抗の調整量を表す「n=0.2」のとき，「R₁=8kΩ」，「R₂=2kΩ」になり，分圧した電圧は2Vになります．
　次に，LT1007とR₃とR₄を使った負帰還アンプは「R₃=R₄」なので，R₃側から見るとゲインは「G=-1倍」の反転アンプ，非反転端子側から見るとゲインは「G=2倍」の非反転アンプです．先程のR₃に加わる10Vを増幅した電圧をV_out1とすると「V_out1=-1×10V=-10V」，非反転端子の2Vを増幅した電圧をV_out2とすると「V_out2=2×2V=4V」になります．
　outの電圧をV_outとすると，重ね合わせの理より「V_out=V_out1+V_out2＝-6V」になるので，(a)が正解になります．このように図1の直流電源回路は，高精度リファレンスICの出力電圧を元にして作られています．

■解説

●直流電源について
　図2は，直流電源の動作を解説するブロック図になります．電源の入力電圧は安定した電圧ではなく，直流と低周波の交流が重なった脈流のようなときがあります．このような脈流を直流電圧にするのが高精度リファレンスICになります．高精度リファレンスICの出力が直流なので，その電圧を元に次段の回路で電圧調整できます．この調整は図1の電圧調整回路が担います．また図1のOPアンプの電源は正と負の両電源であり，電圧調整回路は負の直流電圧も作ることができます．
　ここでは，高精度リファレンスIC(LT1236)の基本的な動作について確認します．その後、高精度リファレンスICを使った図1の直流電源回路について解説します．

図2　図1の動作を解説するブロック図

●高精度リファレンスICの使い方
　高精度リファレンスICの基本的な使い方について解説します．図3はLT1236のデータシートにある高精度リファレンスICの標準的な接続例になります．高精度リファレンスICは，INとGND間にあるV₁の電圧から直流電圧を作って出力します．「LT1236-10」の製品名の後ろにくる数字は，Ref_outの電圧が10Vであることを表しています．

図3　LT1236の基本的な使い方

●V₁が変化したときのRef_outの変化
　V₁が変化したときRef_outの電圧がどれくらい変化するかは，データシートの規格より分かります．具体的にはLT1236-10のデータシートにある電気的特性の「Line Regulation」の項目になります．「Line Regulation」を参照すると，次になっています．

・測定条件が「11.5V≦VIN≦14.5V」において，Ref_outの変化は「標準で1.0ppm/V，最大で4ppm/V」(VINは図3のV₁に相当)

　この意味は，V₁が1V変化するとRef_outの電圧は標準で1ppm変化します．具体例を挙げると，V₁が12VのときRef_outの電圧が10Vとします．この状態からV₁が13Vへ1V変化すると，Ref_outの電圧変化は標準で10μV(outの電圧10Vから1ppm)の変化になります．このように高精度リファレンスICは，図3のV₁が変化してもoutの変化が極めて低く，直流電圧にみなせることが分かります．

●高精度リファレンスICの動作確認
　図4は，図3のシミュレーション結果になります．図4のプロットは，「.dc V₁ 0 40 10m」の .dcコマンドで，V₁を0V～40Vまで10mVステップでスイープし，このときのRef_outの出力電圧をプロットしました．
　図4よりV₁がおおよそ11V以上で高精度リファレンスICが動作を始め，それ以上の電圧では出力電圧は10Vの直流になるのが分かります．図1では，この10Vを元にして後段で電圧調整しています．

図4　図3のシミュレーション結果
高精度リファレンスICが動作を始めると，outの電圧は10Vの直流になる．

●電圧調整回路について
　次に，図1について机上計算し，解答の答え合わせをします．図1では「n=0.2」で固定していましたが，ここでは可変抵抗を広く動かすことを考えて，nの値が線形に推移した一般式で検討します．図1の高精度リファレンスICの出力(Ref_out)は，10Vの直流になります．その電圧がR₃に加わります．そしてRef_outの10Vの電圧はR₁とR₂の可変抵抗により分圧され，OPアンプの非反転端子に加わります．
　この2つの電圧がOPアンプ(LT1007)とR₃とR₄からなる負帰還アンプの入力電圧になります．Ref_outの10Vは既知なので，分圧回路の出力電圧を一般式で表します．図5(a)は図1の分圧回路を抜き出したもの，図5(b)は図5(a)の等価回路になります．図5(a)の分圧回路にV_Ref-outの電圧が加わると,分圧した電圧は図5(b)のように「分圧電圧= nV_Ref-out」になります．

図5　分圧回路を等価回路に置き換える
(a)は図1の分圧回路で，(b)は分圧回(a)の等価回路．

　図6は，電圧調整回路を解説する等価回路です．図6は，高精度リファレンスICの電圧「V_Ref-out」と分圧した電圧「nV_Ref-out」が負帰還アンプに加わった回路になります．負帰還アンプのV_outは図1の出力電圧です．

図6　電圧調整回路を解説するブロック図

　図6の負帰還アンプは「R₃=R₄」なので，「V_Ref-out」の入力から見るとゲインは「G=-1倍」の反転アンプ，「nV_Ref-out」の入力から見るとゲインは「G=2倍」の非反転アンプになります．重ねあわせの理を使って，「V_Ref-out」が加わったときの出力電圧をV_out1とすると式1になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　同様に，「nV_Ref-out」が加わったときの出力電圧をV_out2とすると式2になります．

・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　V_out1とV_out2を重ねる(V_out1とV_out2を加算する)と，図6のV_outは式3になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　式3より，可変抵抗が中間になる「n=0.5」ではV_outは0Vです．「n＞0.5」になるとV_outは正の電圧を出力し，nの値で電圧調整ができます．そして「n＜0.5」になるとV_outは負の電圧を出力して電圧調整ができます．図1の「n=0.2」,「V_Ref-out=10V」のときは，式3より「V_out=-6V」になり，解答の(a)になるのが分かります．このように図1の高精度リファレンスICを使った直流電源回路は，可変抵抗の調整で正電源と負電源の2つの極性になります．図1で使用したOPアンプ(LT1007)は，低雑音OPアンプです．これは直流電源の雑音を低く抑えるのが目的です．

●高精度リファレンスICを使った直流電源回路のシミュレーション
　ここでは，図7を使い，図1の直流電源回路の出力電圧をシミュレーションします．シミュレーションは可変抵抗の調整量のnを「.stepコマンド」で「0.001，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，0.999」と変化させ「.opコマンド」でoutの電圧を調べます．

図7　図1をシミュレーションする回路
可変抵抗のnの値を変えて出力電圧の変化を調べる．

　図8は，図7のシミュレーション結果です．高精度リファレンスICの出力であるRef_outの電圧は10Vの直流です．そして，可変抵抗の調整量が「n=0.5」を境に,「n>0.5」で正電源，「n<0.5」で負電源になるのが分かります．「n=0.2」では解答の(a)である-6Vになります．

図8　図7のシミュレーション結果
高精度リファレンスICの出力電圧は10Vの直流になる．
nの値で出力電圧を調整でき，n＞0.5で正の電圧，n＜0.5で負の電圧になる．

●GND接続の注意点
　図1の高精度リファレンスIC(LT1236)に流れる電流は，データシートの「Supply Current」の規格より，標準で0.8mA，最大で1.2mAです．また出力電圧を調整する可変抵抗に流れる電流は「R₁+R₂=10kΩ」なので，Reg_outが10Vのときは1mAです．このときのGND配線の電流を図9に示しました．GND配線も僅かながら抵抗分があるので電圧降下が起きます．このGND配線の電圧降下の影響を軽減するには，図9のように負荷のGNDの近くで各々のGND配線を接続します．

図9　GND配線の電流
負荷のGND近くで各々のGNDを接続すると，GND配線の電圧降下の影響を軽減できる．

　以上解説したように，高精度リファレンスICは直流電源回路に用いられます．高精度リファレンスICのデータシートには，今回解説したライン・レギュレーションの他に，負荷電流が変化したときの特性を表すロード・レギュレーションや，温度が変化したときの出力電圧の変化，また長期間使用したときの出力電圧の変化等，図1のRef_outの直流電圧がどのくらい安定しているのかが記載されています．

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice10_004.zip

●データ・ファイル内容
LT1236 Basic Connection.asc：図3の回路
LT1236 Basic Connection.plt：図3のプロットを指定するファイル
Adjusting the output voltage 1.asc：図7の回路
Adjusting the output voltage 1.plt：図7のプロットを指定するファイル