AN13 APEX – AN13 AN13 電圧/電流変 Product Innovation From 換 電圧/電流変換 電圧/電流変換 電圧制御電流源（VCCS）は、部品の試験やモーターのト ルク制御で使用する能動負荷などの用途で使用できます。ト ルクはモーター電流の一次関数のため、トルクの制御は容易 に行うことができます。サーボ・ループで電流を駆動すること で、モーターのインダクタンスによる位相遅れが減り、ルー プを簡単に安定させることができます。 パワー・オペアンプを使用している VCCS では、負荷を接 地する必要があるかどうかに応じて 2 つの基本形態のいずれ かが想定されます。 この基本回路にはいくつかのバリエーションがあります。RS から反転入力への直接的な帰還接続は不要です。部品を組み 込むことで、回路のゲインを高めることができます。図 2 は、 同等の伝達関数を得られる、よりゲインが高い回路を示して います。回路のゲインが高いと、精度と帯域幅が多少失われ ますが、安定化しやすくなります。 RF Cf Rd +VS RI 電流源: 浮動負荷 図 1A は、浮動負荷に対応した VCCS の基本回路を表し ています。この負荷は実際には帰還パス内にあります。RS は、 負荷電流に比例した電圧を生成する電流センス抵抗です。 V IN RB IO = +VS IO –VS LOAD RF V IN (1 + ) RI RS RS FOR: R S << R F or R I 図2. 浮動負荷に対応する、 高ゲイン構成のVCCS回路 LOAD V IN RB 図 3 は反転 VCCS を示しています。入力電圧により電流 出力の極性が逆になります。反転電圧アンプの場合と同様、 アンプ入力にコモン・モード変動を持たない利点は、精度が 高まることと歪が少なくなることです。 –VS RS 図1A. 浮動負荷に対応するVCCS基本回路 RF 非反転 VCCS を説明している図 1A 以降の図に抵抗 R B が組み込まれていることに注意してください。この抵抗は、 入力電圧源が切断されたりパワー・オン・サイクル中に高イ ンピーダンスになった場合に、非反転入力が浮動状態になら ないようにするために存在しています。R B は、アンプの入力 バイアス電流の経路を与えるとともに、V IN が切断されたり高 インピーダンスになったときにアンプの出力電流を強制的に ゼロにします。図 1B は、浮動負荷に対応した VCCS の実 装を表しています。周波数が低い場合、追加されている部品 Cf、Rd、R F は、いかなる影響も及ぼしません。これらは安 定性を得るためだけに組み込まれています。これらの部品に 関する考慮事項は、 このアプリケーション・ノートで後述する「浮 動負荷 VCCS の安定化」のセクションで説明します。 RF Cf Rd +VS Cf Rd +VS RI V IN IO –VS I O =— V IN RS RF RI LOAD RS FOR: R S << R F or R I 図3. 浮動負荷に対応するVCCS、 反転構成 図 4 は、実際には CCCS、つまり電流制御電流源である 電流入力を表しています。これは実際には電流アンプです。 この回路は、デジタル / アナログ・コンバーター（DAC）と ともに使用した場合や、電流を入力として使用できる任意の アプリケーションで役に立つ可能性があります。 RF V IN RB –VS IO = IO LOAD Cf RS V IN RS Rd +VS I IN 図1B. 浮動負荷に対応する、 安定性が補償されたVCCS回路 アンプのループ・ゲインにより、R S を通過した電圧は、非 反転入力に印加された電圧と同じ値であると強制的に見なさ れるため、次の伝達関数が得られます。 –VS I O =— IO=VIN/RS I IN R F RS IO LOAD RS FOR: R S << R F 図4. 浮動負荷に対応するCCCS、 反転構成 50 www.cirrus.com Copyright © Cirrus Logic, Inc. 2009 （All Rights Reserved） 2009年5月 AN13U APEX − AN13UREVD AN13 浮動負荷VCCSの安定化 +VS RB 100K OPEN LOOP GAIN, A (dB) RS 0.5Ω Feedback Response (1/ß) 80 60 0 V IN 120 ßDC = .5 1.5 Fz = FB #1 –VS RL 1.0Ω RS 0.5Ω 100 80 60 40 LL 50µH SMALL SIGNAL RESPONSE FB #1 FB #2 20 0 –20 Aß 1 10 100 1K 10K .1M 1M 10M FREQUENCY, F(Hz) RS = .333 → 1/ß = 9.5dB Fz = RI 1.0 + .5 = 4.77kHz 2 50µH IO V IN これらの応答の交点では、結合された勾配が 40dB/dec となり、リンギングまたは大規模な発振が発生します。ここで は、このポイントを「交点臨界周波数」と呼ぶことにします。 この回路は、その応答が交点臨界周波数で優位となる代替帰 還パスを使用することで最良の補償が得られます。 代替帰還応答に対する適切な基準は次のようになります。 1. 交点臨界周波数で 1 桁（20 dB）以上優位となる応答です。 2. 代替帰還応答には、交点臨界周波数より 1 桁小さい周波 数で発生するコーナー周波数を持ちます。 この応答を提供するために、図 6 に示す補償応答を提供す る代替帰還部品が選択されています。図 6 の FB は、閉ルー プ構成時にアンプで見られる支配的な帰還パスです。RF は 単に、代替帰還ループの接地脚リターン・インピーダンスとし て動作するため、100 ～ 1000 Ωの低い値となります。そ の後、希望の高周波ゲインを提供する Rd が選択され、代替 帰還のカーブを生成する Cf が選択されています。 なお、 これらの技術は、 Apex Precision Power AN05「精 密磁気偏向」で説明した電磁偏向アンプの安定化に使用され る技術と類似している点に注意してください。 +VS RI 図5. 帰還応答のグラフ AN13U RB 100K RF R L+R S 2πL L 1 10 100 1K 10K .1M 1M 10M FREQUENCY, F(Hz) 1/ß DC .047µF 332Ω PA07 40dB/decade 40 rate of closure 20 –20 FB #2 Rd 接地された負荷に使用する VCCS は「改良型 Howland Current Pump」と呼ばれることがあります。これは、実際 には、入力信号と帰還の両方を分けてセンスする差動アンプ です。 図 7 は、関連する伝達関数を使用したこの VCCS の一般 的な例を示しています。 SMALL SIGNAL RESPONSE 100 Cf 接地された負荷に対する電流出力 LL 50µH –VS RL 1.0Ω 120 +VS 図6. アンプの補償 PA07 V IN RF 100Ω OPEN LOOP GAIN, A (dB) 負荷は、これらすべての回路の帰還ループ内にあるため、 安定性に多大な影響を与えます。負荷が常に純抵抗であれば、 解析は容易になるため、多くの回路では、安定性を保証する ために部品（Cf や Rd など）を追加する必要がなくなります。 しかし、現実には通常、これらの回路を使用して、電磁コイ ルやモーターといった複雑な負荷を駆動することになります。 安定性解析は、帰還応答をアンプの開ループ・ゲインに対 してプロットする「減衰率」のテクニックを使用すれば、最も 簡単に行えます。この技術で使用する情報は、任意のアンプ のデータ・シートから容易に取得できます。 減衰率とは、帰還応答とアンプの Aol がどのように交差 するかを表したものです。結合された交点の勾配が 20dB/ dec を超えなければ、その回路は安定します。 たとえば、図 1A のアンプについて考えてみます。0.5Ω の電流センス抵抗を持つ PA07 アンプを使用して、1Ω の直 列抵抗を持つ 50 µH のコイルを駆動すると想定します。図 5 では、PA07 の Aol グラフ上に負荷の応答とセンス抵抗を 重ね合わせています。 –VS IO = V IN RS RF LOAD RF RI FOR: R S << R F or R I 図7. 接地された負荷に対応するVCCS 最初に考慮すべきこの回路特有の事項は、2 つの入力抵 抗（R I）および 2 つの帰還抵抗（R F）を厳密に一致させる 必要があることです。わずかな不一致であっても、伝達関数 で大きな誤差が発生し、出力インピーダンスが低下するため、 回路は本来の電流源とはならなくなります。 一致要件の一例として、図 8 の PA07 を使用した実際の 例を考えてみましょう。抵抗を許容誤差にできるだけ厳密に 一致させることで、43K Ωの出力インピーダンスが生成され ています。1% の不一致で、出力インピーダンスは 200Ω に低下し、伝達関数に約 20% の誤差が生まれています。 このことから、0.1% より優れた一致率が必要であることが わかります。一致率が完全で、あらかじめパッケージングされ ている抵抗ネットワークを使用した場合におそらく最良の結果 が得られます。図 8 の回路では、他の箇所の不一致を補償 するために、2 つの抵抗（R F）での若干の不一致が必要とな り、最高の性能を得るためにはトリムポットを組み込む必要が ある場合があることを示唆しています。 51 AN13 R1 RF´ 10.0007K V IN 10K IO RS PA07 RI +VS I IN +VS RI´ 0.1Ω R*C 10K –VS C*C RF (MUST BE TRUE CURRENT SOURCE) Zo = 43KΩ with EXACT R F, R I VALUES SHOWN I O =— –VS R2 IO 10K I O = -10A/Volt input R1 I IN R2 * OPTIONAL COMPENSATION—SEE TEXT 図9. 電流ミラー 図8. 実際のPA07を使用したVCCS 接地された負荷回路を使用した場合の安定性 減衰率および帰還応答 接地された負荷回路は、安定性の観点からいえば、際立っ て寛容です。一般的に、安定性を保証するために追加の対 策を行う必要はありません。 安定性に関するなんらかの問題が発生した場合、多くは 容量性として見える回路の出力インピーダンスが原因です。 これと等価な容量は次のように表すことができます。 減衰率安定性解析技術とは、帰還応答をアンプの応答に 対してプロットして安定性を判別する手法です。 任意の帰還アンプの閉ループ・ゲインは次の式で求められ ます。 RI + RF ここで : Aol はアンプの開ループ・ゲインであり、Acl は結 果として得られる閉ループ・ゲインです。 ß は、出力信号から、入力に帰還された信号までの減衰 を表します（図 10 を参照してください）。つまり、ß とは、 アンプの出力電圧を介してアンプに帰還された電圧の比率 のことです。（Vfeedback=ßVout） このアプリケーション・ノートで使用している例では、アン プ回路の対応する閉ループ応答（1/ß）をプロットし、この 応答をアンプの開ループ応答に重ね合わせることで ß をア ンプの応答にプロットしています。この「対応する閉ループ 応答」はノイズ・ゲイン Av（n）とも呼ばれます。 図 5 の例では、帰還ネットワークはヨークとセンス抵抗で 構成されているため、帰還応答と呼ばれている曲線は、実 際にはアンプの閉ループ・ノイズ・ゲイン応答を表しています。 図 6 では、Cf、Rd、RF の追加帰還応答は、他のすべての 応答とは独立してプロットされています。これらのグラフを 使用する際に注意すべきいくつかの重要なポイントを次に示 します。 Ceq = Acl = Aol/(1-ßAol) 2πfoRIRS ここで : fo = アンプのゲインと帯域幅の積 この容量は誘導性負荷と共振できるため、多くの場合、 急激な遷移時にリンギングの問題が発生します。これに対す る唯一の有効な補償は、単純な「Q スナバ」技術です。こ の技術では、まず誘導性負荷と回路の出力容量の共振周波 数を決定します。次に、共振周波数時のインダクタのリアク タンスの 10 分の 1 の抵抗値を選択します。この抵抗値の 10 分の 1 に等しい共振周波数時のリアクタンスを持つ直 列コンデンサを追加します。もう 1 つの方法として、小型イ ンダクタとダンピング抵抗を R S と直列に組み込む方法もあ ります。 なお、この式では、R I と R S を大きくし、ゲイン / 帯域幅 が優れたオペアンプを使用して実効容量を減らす方が有利 である点にも注意してください。優れた高周波性能が必要 な回路の場合、浮遊容量およびアンプの入力容量が最も顕 著になる点を上限として、R I および R S のいずれかまたは両 方を増加する必要があります。 この回路の不安定性を引き起こす 2 つ目のまれな原因は、 回路の出力インピーダンス特性における負性抵抗です。こ の問題は、帰還抵抗を調整して一致率を向上させることで 解決できます。 1.図 1 のように帰還ネットワークが複数ある場合、任意の 周波数で最も低いノイズ・ゲインを有する応答が支配的 な帰還パスとなります。図 6 では、この支配的な帰還パ スには FB というラベルが付いています。 2.ノイズ・ゲインおよび開ループ・ゲインが結合された傾き と交差する、つまり減衰率が 20dB/dec を超えるときに は常に、安定性が悪くなります。40dB/dec の場合には、 180 度の位相変化が起こるため、当然、発振が起こりま す。この例は図 5 に示されています。 電流ミラー 電流ミラー回路は、入力電流とは比例し、方向は逆とな る第 2 の電流を生成するのに便利なデバイスです。 入力で柔軟な電圧コンプライアンスを得るために、図 9 のミラーは実際の電流源から駆動する必要があります。任 意の入力電流は、R2 の両端での降下と一致する降下を R1 の両端で発生させようとするため、R2 を通過した電流 は R1 の電流と比例することになります。たとえば、R1 が 1.0 K Ωであり R2 が 1 Ωである場合、1mA の入力電流 により 1A の出力電流が生成されます。 +V S VO V IN ZF –V S V FB ß= V FB VO = ZI ZI Z I +Z F 図10. 帰還の要素ß 52 AN13U