ヒステリシス効果の表れる原因

質問

ヒステリシス効果について勉強しています。
　ヒステリシス効果の現れる原因についていろいろ調べると、「ループ利得が１より大きいから。またループ利得が１より大きいほどヒステリシス効果の値は大きい」とありました。
　しかしよく考えると、フィードバック（ループのことでしょうか？）をかけるだけで立ち上がりと立ち下がりの電圧に相違が生じるというのは少々疑問に思います。
　いったいなぜループを組むだけでヒステリシス効果が表れるのでしょうか？（それともヒステリシス効果にループは関係ないのでしょうか？）
　よろしくお願いします。

回答No.5

dojustice · ベストアンサー

A3です。
ご自分で問題点をもっと絞り込んでほしいと思い、補足要求を入れたのですが、今迄ご返事が
ないところをみると、お腹立ちになってしまわれたのでしょうか？(-_-;)

ご回答を入れます。
（ご返事がないので、肝心の箇所はわたしの「推測」によります。あしからず・・・））

「ループ利得が１より大きい」は「発振条件」です。
シュミットを形成するのに、「発振」は要件のひとつですが、すべてではありません。
（そういう意味では「ヒステリシスに関係ない」と言ってよいかとも思います）

発振回路→＋（比較電圧の設定）→コンパレータ回路→＋（動作点の移動）→シュミット回路

電源電圧5Vで動作する差動増幅回路を想定します。(0-5V)
入力マイナス側（反転側）に2.5Vをかけておきます。
この状態でプラス側（非反転側）の入力を徐々に上げて行きます。
2.5Vを僅かに上回った瞬間に出力は一気に増大し、上限まで振り切ります。（発振）
入力を徐々に下げていったとき、僅かでも2.5Vを切れば、一気に0Vに突入します。
「コンパレータ」の完成です。(この時点では未だヒステリシスはありません）

閉ループ利得の大きさは、（アンプ自身の速度と相まって）応答速度に関係するでしょう。
しかし、「1以上」であれば、遅かれ早かれコンパレータ動作をすることに違いはありません。

次にフィードバックループに10kΩ、信号源と入力の間に1kΩを入れた回路を考えます。
この場合入力を上げて行ったときは、2.75Vを越えた時点で出力は飽和します。(5V）
逆に下げてきたときは、2.25Vで出力は0Vになります。
（ヒステリシスができました。「シュミット回路」の完成です）

フィードバックループに10kΩ、入力の前に10kΩを入れた回路では、入力が5Vを越えた時点で、
出力は飽和します。
下げてきたときは、0V以下になったところで0Vになります。
上の場合はヒステリシスが0.5Vです。下の場合は5Vです。

このようにヒステリシスの深さは「外部要因」で決まります。
（勿論、この定数の中には、アンプの出力インピーダンス、信号源の出力インピーダンスを
含めて考えなければなりませんが・・・）

以上、ご質問にある「ヒステリシス効果の値は大きい」は、「ヒステリシスの深さ
（差電圧の大きさ）」と勝手に解釈してご説明しました。
シュミット回路にはこの他に応答速度の問題もあります。
わたしの解釈が違っておりましたら、ご遠慮なく補足欄へ書き込みなさってください。

蛇足ですが・・・
「入力電圧に出力電圧が加算されて・・・」は、発振（正帰還）の説明です。
ヒステリシス動作の説明とは無関係です。
もっと問題の本質を見つめる必要があるかと思います。

回答No.6

foobar

#2です。

少々気になったので、コメント。
正帰還でループ利得が1より大きい場合というのは「発散」条件とした方が良いような。

で、(出力電圧に制限が有る回路で)ループ利得が1を越えると、ヒステリシスは発生します。(出力電圧に制限がないと、、一旦出力が正か負に発散しちゃうと、あとはいくら(有限の)入力電圧をどう変えても、そっちに発散したままになります)

#5で書かれている、「2.5Vを僅かに上回った瞬間に出力は一気に増大し、上限まで振り切ります。（発振）
入力を徐々に下げていったとき、僅かでも2.5Vを切れば、一気に0Vに突入します。」という状況になるのは、ループ利得がちょうど1(あるいは1よりわずかに小さい)の時です。

以下追加補足
で、一旦ループゲインが１を越えると、ヒステリシス幅は出力電圧幅と帰還量で決まるのですが、、、
ヒステリシス幅をどこまで小さくできるか、という時には元の増幅率が問題になります。
出力振幅が同じなら、ヒステリシス幅を小さくするには帰還量を下げることになるのですが、ループ利得>1が制約条件になって、帰還量には下限があり、最小ヒステリ幅に下限ができます。

回答No.4

imoriimori

横から割り込む形になりますが。。。

#2さんの言われる「コンパレータの出力を入力回路に戻して入力電圧に足してやります」というのは、あなたのいわれる「シュミット回路」そのものです。同じことなのです。
シュミット回路の実現の仕方は他にもあります。それはコンパレータの出力（のうちの幾分か）が基準電圧に足される（回路極性によっては引く）ようにします。
どっちでも、いわゆる正帰還です。入力がいったん基準電圧を超えて比較出力が正になると、入力が少々下がっても比較出力は正のまま、ということで、それまでの履歴により比較の条件が変わる、つまり履歴により現在値が変わる、これがヒステリシスです。

回路でなくて物理一般なら、過去の履歴で現在の動作特性が変わる、あるいは現在の状況次第で次の入力に対する応答の仕方が変わる、これがヒステリシスです。

回答No.3

dojustice

「・・・ヒステリシス効果の値は大きい」とはどういうことでしょうか？

回答No.2

foobar

フィードバック　と書かれているところからすると、電子回路（コンパレータ？）のヒステリシス特性かと思います。
コンパレータの出力を入力回路に戻して入力電圧に足してやります。すると、出力が＋になると、入力電圧には若干電圧が上乗せされます。この状態から入力電圧を下げていきます。そうすると、上乗せされた分を打ち消すだけ入力電圧が下がらないとコンパレータ出力は-側（あるいは0）に振れません。
-側に出力が振れた後、入力電圧を上げていく場合も同様。このようにして、入力電圧-出力の特性にヒステリシスができます。

なお、ヒステリシスがおきる現象は、いろいろあって
1.上記電子回路のような場合
2.＃１回答にある磁性体の場合（この場合は、磁区の摩擦がヒステリシスの原因とされていたような）
3.沸騰現象や半導体の絶縁破壊のように負性抵抗領域がある場合
などが有名なところかと。

お礼

すみません説明不足でしたね.
コンパレータはよく解りませんが,シュミット回路を勉強していたときにヒステリシス効果にぶつかりました.
シュミット回路で考えても同じことなのでしょうか？

回答No.1

physicsache

ヒステリシスの問題は、磁区構造に注目することが重要です。