電圧リファレンスとOPアンプで作る高精度な電流源

■問題

【 ADR225 / ADA4625 】

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，2.5Vの電圧リファレンス(ADR225)とJFET入力OPアンプ(ADA4625)を使った高精度な電流源回路です．出力電流は，Aのノードから負荷抵抗に流れるI_RLの電流になります．図1の回路定数のとき，I_RLの電流は(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　2.5VリファレンスとJFET入力のOPアンプを使った高精度な電流源
電流源の出力電流はI_RLになる．

(a) 25μA　(b) 50μA　(c) 75μA　(d) 100μA

■ヒント

　図1の接続のとき，ADR225で生成する2.5Vは，ADR225のOUT端子とGND端子間の電圧になります．ADA4625のOPアンプはユニティ・ゲイン・バッファです．この接続のとき，R₁にかかる電圧を検討すると簡単に分かります．

■解答

(a) 25μA

　図1の動作は以下のようになります．

ADR225のOUT端子とGND端子間の電圧は2.5Vになる
ADA4625のユニティ・ゲイン・バッファは，反転端子と非反転端子がバーチャル・ショートになる
バーチャル・ショートなので，ADR225のOUT端子と，OPアンプの非反転端子のAのノード間が2.5Vになり，R₁の両端にかかる
R₁の電流は「2.5V/100kΩ=25μA」になる
JFET入力OPアンプの入力バイアス電流はゼロと見なせるので，25μAはI_RLになる

　以上の動作より，(a)の25μAが正解になります．

■解説

●電圧リファレンスの基本的な動作について
　高精度な，電圧リファレンスADR225は，電源電圧が変動しても直流2.5Vの一定した電圧を出力する基準電圧ICになります．図1は，この一定した直流電圧を使って電流源を作る回路になります．ここでは先に2.5V電圧リファレンスの基本的な動作について解説します．
　図2(a)は，ADR225の基本的な動作をtran解析でシミュレーションする回路になります．図2(a)は，LTspiceをインストールするとローカルPCにアプリケーション回路として保存されています．

図2　ADR225の回路例と回路の呼び出し方

　この回路の呼び出しは，ツール・バーの「Componet」から部品の一覧を開き，図2(b)のように「Search」でADR225を検索します．検索後に「Open Example Circuit」をクリックすることで現れます．
　図3は，図2(a)のシミュレーション結果になります．このシミュレーションは，ADR225の入力電圧(V_IN)が0秒のとき0V，1秒で5Vになるように推移したときのOUTの電圧を調べています．ADR225の入力電圧(V_IN)は，自身の電源電圧も兼ねており，通常は他の回路と共通の電源電圧等に接続して使います．

図3　図2(a)のシミュレーション結果
入力電圧が3.5V以上になると，ADR225の出力電圧は2.5Vで一定になる．

　図3より，0.7秒経過付近の入力電圧(V_IN)が3.5VでADR225が動作を始め，その後5Vまで推移しても，OUTから一定の2.5Vを出力するのが分かります．このようにADR225は2.5Vのリファレンスとして機能します．

●ADR225のGND端子に外部から電圧を加えたときの動作
　ADR225はOUT端子とGND端子間の電圧を2.5Vにします．この場合，GND端子に外部から電圧を加えてもOUT端子とGND端子間の電圧差は2.5Vになります．図1の電流源は，ADR225のOUT端子とGND端子間の電圧差は変わらないことを利用した回路になります．この動作を図4で確かめます．
　図4は，図2(a)のGND端子にV₂の直流電圧を加えた回路になります．図4では「.step」コマンドを使い，V₂が0V，250mV，500mVのときのOUTの変化を調べます．tran解析の指定と入力電圧(V_IN)の変化は，図2(a)と同じになります．

図4　図1のADR225のGND端子にV₂の電圧を加えた回路

　図5は，図4のシミュレーション結果になります．V₂の電圧によりOUTの電圧はその分だけ高い電圧になりますが，OUTからV₂の電圧を減算したOUT端子とGND端子間の電圧差は，どの場合も2.5Vで一定になります．

図5　図4のシミュレーション結果
OUTの電圧はV₂を加えた電圧になるが，OUT端子とGND端子間の電圧差は2.5Vで一定になる．

●電圧リファレンスとJFET入力OPアンプを使った電流源回路
　図6は，図1をシミュレーションする回路になります．V+の正電源は電圧リファレンスとOPアンプの電源に使い，0msで0V，1ms後に5Vになります．V-の負電源はOPアンプに使い，0msで0V，1ms後に-5Vになります．ADA4625はJFE入力OPアンプで，OPアンプの入力バイアス電流はゼロと見なせます．

図6　図1をシミュレーションする回路

　図6のJFET入力のOPアンプは，ユニティ・ゲイン・バッファです．OPアンプの反転端子と非反転端子はバーチャル・ショートになります．バーチャル・ショートの効果により，電圧リファレンスのOUT端子とOPアンプの非反転端子のAのノード間が2.5Vになります．R₁の両端にかかる電圧が2.5Vなので，R₁の電流は式1の25μAになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　電圧リファレンス(ADR225)のGND端子から流れる電流は，ユイティ・ゲイン・バッファに流れるので，I_RLに関係しません．そしてJFET入力OPアンプの入力バイアス電流はゼロとみなせるので，R₁の電流25μAはI_RLになります．このように図6の電流源の出力電流(I_RL)は25μAになり，解答の(a)が正解になります．

●電圧リファレンスとJFET入力OPアンプを使った電流源の確認
　図7は，図6のシミュレーション結果になります．上段は正負の電源の推移，中段はOUTとA間の電圧差，下段は電流源の出力電流のI_RLをプロットしました．

図7　図6のシミュレーション結果
上段はV+とV-の電圧をプロット．1ms後に±5Vになる．
中段はOUTとA間の電圧差をプロット．電圧差は2.5Vで一定になる．
下段は電流源の出力電流をプロット．出力電流は25μAで一定になる．

　上段より正負の電源は1ms後に±5VになりADR225は動作を始めます．ADR225が動作をすると，中段のようにOUTとA間の電圧差は2.5Vになります．OUTとA間の電圧差はR₁の両端にかかるので，下段の電流源の出力電流は式1のように25μAになるのが分かります．

●電流源回路の負荷抵抗が変動したときの動作を調べる
　電流源は，負荷抵抗の電圧降下に関係なく一定の電流になるのが特徴です．この特徴を図8の回路で確認します．図8は負荷抵抗のRLを「.step」コマンドを使い，1Ω，10kΩ，20kΩに変化させたときの出力電流(I_RL)を調べます．その他のシミュレーションの条件は図6と同じになります．

図8　負荷抵抗が変化したとき，出力電流(I_RL)が変わらないことを確認する回路

　図9は，図8のシミュレーション結果になります．上段が負荷抵抗が変化したときのAの電圧変化，中段がOUTとA間の電圧差，下段が電流源の出力電流のI_RLをプロットしました．

図9　図8のシミュレーション結果
上段はAの電圧をプロット．負荷抵抗が変化するとAの電圧は変化する．
中段はOUTとA間の電圧差をプロット．電圧差は2.5Vで一定になる．
下段は電流源の出力電流をプロット．負荷抵抗が変化しても出力電流(I_RL)は変わらない．

　上段より負荷抵抗が変化すると，Aの電圧は負荷抵抗が1Ωのとき25μV，10kΩのとき250mV，20kΩのとき500mVに変化します．Aの電圧が変化しても中段のようにOUTとA間の電圧差は2.5Vになります．OUTとA間の電圧差に変化はないので，電流源の出力電流は図9下段のように25μAで一定になるのが分かります．

　以上，電圧リファレンスとOPアンプを使って，高精度な電流源を作る解説を行いました．ADR225の電圧リファレンスは温度係数が40ppm/℃と低く，電源電流は50μA(最大)と低電源電流です．そしてADA4625は低入力バイアス電流(±15pA)，低オフセット電圧(±80μV)，低い電圧ノイズ(3.3nV/√Hz)の性能です．2つのICとも高精度なデバイスですので，図1の高精度な電流源を作ることができます．

◆参考・引用*文献
(1)アナログデバイセズ：ADR225の製品の詳細ページ
(2)アナログデバイセズ：ADR225のデータシート
(3)アナログデバイセズ：ADA4625の製品の詳細ページ
(4)アナログデバイセズ：ADA4625のデータシート

■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．
LTspice11_006.zip

●データ・ファイル内容
ADR225 ex1.asc：図4の回路
ADR225 ex1.plt：図4のプロットを指定するファイル
Current Source tran1.asc：図6の回路
Current Source tran1.plt：図6のプロットを指定するファイル
Current Source tran2.asc：図8の回路
Current Source tran2.plt：図8のプロットを指定するファイル