モノ創りで国造りを

ハード/ソフト問わず知見をまとめてます

アナログ回路の個別設計--基本事項--

Makersの課題

PCが安くなり、ソフトのツールがほぼ無料になった結果、
プログラミングの個人開発が容易になった。
加えてArduinoやラズパイ、それらに接続できる各種モジュールも安価で販売されるようになり、
個人でハードウェアの利用が可能となった。
さらには、個人で基板開発を行う上で障壁となっていた回路・基板CADも無料・安価に利用できるようになり、
製造も中国ベンダーによる低価格化が進んだ結果、 個人でハードウェアを設計・開発できるまでになった。

現時点で、個人がモノづくりを行うに必要な土壌はすべて整っており、
個人の技術力だけ唯一の障壁となっている。

ソフトウェアはトライアンドエラーを無料で行える一方で、ハードウェアは、安価になったとはいえ、一度のトライにお金がかかる。
ここでは、ハードウェア開発を行うにあたって、ミスを最小化できるよう、基本事項をまとめておく。

前提

ICの周辺回路設計の基本は、
ICのデータシートを読みこみ、レファレンス回路を流用・微調整すること。
危ない橋は渡らず、極力レファレンス回路を真似するのが、動作する基板を開発するための近道。

電源

電源は大きく分けてLDOとDCDC電源がある。
LDOの呼称はLow Drop Outの頭文字による。
"Low Drop Out"とは入力電圧と出力電圧の差が小さいことを意味している。
"DCDC"は、DC電源から(電圧の異なる)DC電源を生成することを意味している。
それぞれの特徴は大雑把に書くと以下の通り。

項目 LDO DCDC
構成 シンプル 複雑
ノイズ 小さい 大きい
効率 悪い 良い

LDO(Low Drop Out)

LDOの使い方

LDOの使い方は極めて簡単。やることと言ったら出力電圧の設定のために、FB抵抗の値を決めるくらい。

電源オフ時に注意が必要な時代もあった

入力電源供給を遮断した場合に、出力電圧>入力電圧となり、入力側の機器を壊す恐れがある。
最近のLDOダイオード内蔵が多いが、データシートを確認して、
ダイオードがなければダイオードを実装するのが良い。

LDOは効率が悪い

LDOは入力と出力の電圧は異なるが電流は等しい。

入力の電力 Pin = Vin x Iin
出力の電力 Pout = Vout x Iout

とした場合、IinとIoutが等しいので、消費電力は

Pross = Pin - Pout = (Vin - Vout) x Iin

となる。例えば入力電圧5V、出力電圧3.3V、電流1Aとした場合

Pin = 5 x 1 = 5W
Pout = 3.3 x 1 = 3.3W
Pross = 1.7W
効率 η = 3.3/5 = 66%

となる。
Prossの1.7WはすべてIC内部で熱になる。基板を使って放熱する必要がある。

ちょっとレベルアップ

ノイズレベルの確認。
LDOのデータシートにこんなグラフがある。
f:id:yuji2yuji:20181017013553p:plain
これは電源電圧変動除去比といって、
入力電圧のAC成分をLDOを通すことでどの程度除去できるかを示したもの。
例えば、横軸1kHzにおいて縦軸が60dBだった場合、
入力電圧に含まれる周波数1kHzのAC成分は、このLDOを通すことで
60dB(=1000分の1)抑制されることを意味している。

DCDC電源

DCDC電源には入力電圧と出力電圧の関係で、大きく分けて4種類ある。
基本的な構成は、コントローラICとFET or ダイオードで構成される。
FETのほうが効率は良いが、価格・サイズがアップする傾向にある。

降圧コンバー

出力電圧<入力電圧となるもの
以下のような回路で構成される。 f:id:yuji2yuji:20181017015045p:plain
出力段にコイルとコンデンサによるフィルタが構成されるので、
出力電源のノイズはそこそこ抑えられる。

昇圧コンバー

出力電圧>入力電圧となるもの 以下のような回路で構成される。 f:id:yuji2yuji:20181017015349p:plain
昇圧コンバータで注意が必要なのは、 電源ICが使用されない状態(Swをオフ)にしても
出力側に電源が供給され続ける点である。

SEPICコンバー

出力電圧が正圧で、入力電圧と出力電圧の大小関係はなし。 f:id:yuji2yuji:20181017015708p:plain
回路構成はかなり複雑だが、専用ICとそのデータシートがあれば誰でも簡単に実装が可能。

Cukeコンバー

出力電圧が負圧で、入力電圧と出力電圧の大小関係はなし。 f:id:yuji2yuji:20181017015847p:plain

チャージポンプ

昇圧/SEPIC/Cukeコンバータにはチャージポンプ回路を接続することで、
出力電圧を容易に2倍、3倍・・・と増幅できる。

FETの選び方

FETにはPMOSとNMOSがある。 f:id:yuji2yuji:20181017020452p:plain
FETの説明を見ると、小難しいグラフが記載されているが
個人開発での部品選定においては、ほぼ無視してOK。
とりあえず重要なのは、以下の4点。 印加電圧・電流がデータシートに記載されている定格値を超えるとFETは破損するので注意。

VGS(ゲートソース間電圧)

ゲートとソース間の電圧。ゲート側が+。

VDS(ドレインソース間電圧)

ゲートとソース間の電圧。ゲート側が+。

Idrain(ドレイン電流)

FETオン時に流れる電流値。

Ron(オン抵抗)

FETオン時のドレインソース間の抵抗。 大電流を流す場合、オン抵抗が大きいと発熱が大きくなり最悪燃えるので注意。
FET内部の消費電力の計算は以下で求められる。

消費電力 Pross = Idrain x Idrain x Ron

ロードスイッチ

一つの電源ラインから複数の機器に電源供給する場合に、
各機器の電源入力のOn/Offを切り替えたい事がある。
その場合、ロードスイッチを使用する。
小型のロードスイッチICも多数存在するが、
大電流用途ではNMOSとPMOSで構成するのが一般的。
電圧と電流によってFETを選択する。
f:id:yuji2yuji:20181017021054p:plain
1A程度であれば小型のICが売られている。

オペアンプ

センサのアナログ信号をデジタル化する際にADコンバータでAD変換する。
AD変換する前に信号レベルをADコンバーターのフルスケールに合わせるため、
オペアンプで信号を増幅する。

反転増幅回路

一般的な構成。出力が±反転される。 *+と-を間違えないように注意。 f:id:yuji2yuji:20181017021237p:plain
入力電圧と出力電圧の関係は以下となる。

Vout = -(R2/R1) x Vin

非反転増幅回路

出力を反転させないで増幅する場合はこの回路構成をで行う。
*+と-を間違えないように注意。 f:id:yuji2yuji:20181017021357p:plain
入力電圧と出力電圧の関係は以下となる。

Vout = (1+ R2/R1) x Vin

バッファアンプ(ボルテージフォロワ)

信号を増幅させない場合の回路構成。
電流が必要な場合や、フィルタを多段にする場合に使う。
f:id:yuji2yuji:20181017021501p:plain
*非反転増幅でR1 = R2 = 0の場合と等価

プルアップ/プルダウン

信号がデジタル値の場合、信号レベルのデフォルト状態をHかLに固定しておきたいことがある。
その場合に、信号-電源間または信号-GND間に抵抗を接続する。

インターフェース

IC間で信号をやり取りする場合、双方のインターフェースをあらかじめ統一しておく必要がある。
代表的なものは以下。

I2C

データ線とクロック線の2本で通信を行う。2本ともプルアップ抵抗を接続するのが一般的。

SPI

送信用のデータ線(MOSI)と受信用のデータ線(MISO)とクロック線(CLK)とチップセレクト信号(CS)の4線式。
MasterとSlaveを予め決めておく必要がある。 *MOSIはMaster Out Slave In、MISOはMaster In Slave Outを意味。 クロックに対するデータの読み出しタイミングで4通りのモードがある。

UART

送信用のデータ線と受信用のデータ線の2線式。
予めデータの周波数(ボーレート)を決めておく必要がある。

オープンコレクタ(オープンドレイン)

信号線をプルアップし、スレーブ側のICが信号レベルをGNDに落とすことで通信する。
信号の電圧レベルをマスター側が自由に設定できるメリットがある。