FETドライバ

質問

繰り返し20 MHz, 0から18V (または0から-18 V)にスイッチングするパルス電源を作ろうと思っています。
FETを使おうと思うのですが,TTLではゲート信号として使用できないでしょうか？FETドライバ、またはＯＰアンプ等で電流の増幅が必要なのでしょうか？
電子回路に関して素人です。どうぞご教示、よろしくお願いいたします。

回答No.10

tance · ベストアンサー

tanceです。

＞Rs=200 ohm, Rf=510 ohmの場合と理解すればよろしいでしょうか？

そのとおりです。

アンバランスの電源を使う理由は、LM7171は通常±15Vで使うので、
まずはトータル電圧（プラスからマイナスまでの電位差）を30V程度以下に
抑えた結果です。（これが36Vを超えると壊れます）

少なくともプラスは18Vを出力する必要があるので、電源は最高出力より
3Vくらい高くないとこのOPアンプは動作しません。（データシート参照）
すると21Vで良いのですが、そんな電源は売っていないので、よくある
24Vとしました。

すると、トータル30Vを守るにはマイナス側は6Vまでとなります。5Vの
電源は出回っているので、-5Vとしました。出力の最低電圧は0Vですから
マイナスは-5Vあれば十分です。

0V～-18Vのパルスも必要とのことですが、こちらはそれほど簡単では
ありません。まず、LM7171のデータシートには帰還抵抗(Rf)は510Ωが
ちょうど良いと書いてあります。するとゲインを決めるのはもうひとつの
抵抗(Rs)になり、144Ωとなります。（0～+18Vの方のゲイン+3.55倍に
合わせると144Ωとなります）
この144Ωという抵抗をCMOSの出力に直接つなぐのはちょっと酷です。
CMOSの負荷として重すぎます。

さてどうしましょうか。そもそも0～-18Vのパルスがどうして必要なのか
が解らないと何に気をつけて設計するべきかが解りません。
振幅が揃っている必要があるのか、立ち上がりなどのタイミングが重要
なのか、トランジェントを補償するだけで良いのか、直流まで必要
なのか、etc. etc. ・・・・

直流まで重要なのだとすると電源は-24Vも必要となります。（＋５Vは
CMOS用にあるのでそれを使えば良い）

タイミングが重要なのだとすると、片方だけにバッファを設けるのは
よろしくない可能性があります。

トランジェントだけが必要なのであれば、もっと簡単な方法もあります。
トランスが使えるかもしれません。

さしつかえなければ、マイナスのパルスを何に使うのかも開示して
ください。関係は薄いかもしれませんが、PDに入る光信号の帯域も
設計のヒントになります。（帯域外ならノイズも許される・・・等）

お礼

電源に関して、非常にわかりやすい説明、ありがとうございました。

0から- 18Vが必要な理由ですが、ご連絡いただけないでしょうか？

回答No.11

tance

PDの応答を速くする目的で18Vのパルスを作ろうとしているのだとしたら
5Vでもやってみてください。逆バイアス18Vと5Vではあまり変わらない
かもしれません。

もし5Vでも十分な性能が出るのなら、ことは一気に簡単になります。
CMOSのICで直に駆動できるからです。

お礼

皆さんにお返事する場所がないので、申し訳ないですが、こちらでします。
素人の私に用語の説明から丁寧に教えていただき本当にありがとうございました。
何はともあれ試作して、それでまたstruggleしてみることにします。
どうもありがとうございました。

補足

御返事どうもありがとうございました。
５Ｖでもピンフォトの動作に問題がないことがわかりました。
５Ｖで何とか試作してみます。

回答No.9

tance

tanceです。

＞少し細工をしているのであまり心配していません。

とおっしゃるので、そこは問わないことにします。

74ACシリーズのCMOSを5Vで使って、その20MHz出力をOPで18Vにまで
アンプすれば良いのだと思います。（全体が解らないので他に考慮する
ことがあっても抜けてしまいます）

必要なゲインは18V/5V=3.6倍です。非反転アンプにすれば出力がマイナス
になることもなく、単純にアンプするだけで済みます。

CMOS出力はOPの3ピンに直接接続します。（短く）
OPの2ピン～6ピン間に抵抗510Ωを接続します。（短く、特に2ピン側は）
今の抵抗に2pFのセラミックコンデンサを並列につなぎます。（短く）
OP2ピン～GND間に抵抗200Ωを接続します。（短く、特に2ピン側は）
OP7ピン～GND間に0.1uFのセラミックコンデンサを接続します。（短く）
OP4ピン～GND間に0.1uFのセラミックコンデンサを接続します。（短く）
OPの電源は、4ピンに-5V、7ピンに+24Vを与えます。これらの電流容量は
100mAもあれば十分です。電源には別途10uF 25Vとか35Vくらいの
電解コンデンサをつけておいてください。

これでOP出力（7ピン）をPDのカソードにつなげばOKです。

なにしろ高速信号なので、上にしつこく書いたように短く配線という
ことは必須となります。GNDもできれば面積の広いものにしてください。
銅テープなどが使えます。短く、というのはICソケットが使えない
くらい、とお考え下さい。数mmが命取りになることもありえます。
（1GHzまで使えるPDをお使いですから、すでにご承知だとは思いますが）

しかし、どのような工夫をされているか解りませんが、暴力的なノイズが
電流アンプに加わることだけはご承知おきください。

ひとつ書き忘れました。510Ωの抵抗は1/2W型のものを使ってください。
これでも少し発熱すると思います。

お礼

非常に丁寧な御返事どうもありがとうございました。

自分なりにお返事の内容を勉強してみたのですが、
非反転増幅回路とのことで、下記ＵＲＬの
Rs=200 ohm, Rf=510 ohmの場合と理解すればよろしいでしょうか？
http://markun.cs.shinshu-u.ac.jp/learn/OPamp/ninvop.html

＞OPの電源は、4ピンに-5V、7ピンに+24Vを与えます。

とのことですが、どうして4ピンと7ピンの電圧の絶対値が5と24 V
と異なるのでしょうか？
(そういうもの、ということでしたらお返事は不要です)

ところで、0から18 Vにスイッチする電圧に加えて、
0から- 18Vにスイッチする電圧も作らなければならないのですが、
この場合は反転増幅回路で、下記ＵＲＬの
Rs=200 ohm, Rf=710 ohmとすればよろしいでしょうか？
http://markun.cs.shinshu-u.ac.jp/learn/OPamp/invop.html
その場合に4ピン,7ピンに印加する電圧はやはり4ピンに-5V, 7ピンに+24 Vなのでしょうか？

ご教示、どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.8

tance

tanceです。

2MHz,5kVのパルスよりは簡単ですが・・・（笑）

回路を拝見すると18V電源からフォトダイオード（PDと略します）までの
間に10kと0.1uのローパスフィルタが入っていますね。これは電源の
持っているノイズを検出しないようにするためのものと思われますが、
これがあるために、約2msec程度以下の立ち上がり（下がりも）の信号
（電源パルス）はそこを通過できません。当然20MHzのパルスも通れません
ので、このままではだめです。

まずは抵抗とコンデンサをとっぱらってください。抵抗はショートし、
コンデンサは外します。そして、PDのカソードに0V～18V振幅のパルスを
与えれば当初の動作にはなります。

ただ、PDは電圧を印加しなくても感度はあるので、光チョッパのような
動作は期待できないと思います。0Vのときも18Vのときも感度はあまり
変わりません。変わるのは応答スピードです。

感度あり / なしを20MHzで繰り返したいのなら、PD周辺は今のままにして
おいて、アンプ出力を高速のアナログスイッチでON/OFFする方が良いと
思います。

とは言うものの、20MHzのスイッチングに対して十分速い応答をする
アナログスイッチはなかなかありません。RF用のものを使うように
なりそうな気がします。

お礼

再度、御返事どうもありがとうございました。

＞ただ、PDは電圧を印加しなくても感度はあるので、光チョッパのような
動作は期待できないと思います。

こちらのほうは、少し細工をしているのであまり心配していません。
ＯＰアンプの使い方がわかれば、試作としては安く済みそうなので、ご指摘のとおり、ＰＤ周辺の抵抗とコンデンサを取り外してやってみます。

申し訳ないのですが、ＯＰアンプ周辺の回路について教えていただけないでしょうか？ＯＰアンプも全くわからないのです…
どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.7

tance

高速で大振幅のパルスを作るのは簡単ではありません。FETのスイッチで
構成しようとしても立ち上がりか立ち下がりのどちらかは使い物に
ならないくらい遅くなってしまいます。これを避けるにはプッシュプルに
しなければならず、そうなると急に設計が難しくなります。

やはりANo.5の回答のように高速OPアンプを使うのが無難です。

ピンフォトダイオードを使うということはおそらくI-V変換器があると
思いますが、ピンフォトダイオードに振幅18Vものパルスを与えると
ピンフォトの持つ接合容量への充放電電流がかなり大きな値になり
I-Vがまちがいなく飽和します。飽和からの回復に時間がかかるため
20MHzでは動作できない可能性があります。

仮に、ピンフォトの容量が5pFあったとして、パルスの立ち上がり
（立ち下がり）が10nsecあったとすると、充放電電流は±9mAにも
なります。普通ピンフォトの光電流はもっと桁違いに少ないと思われる
のでI-Vアンプは間違いなく飽和します。

なかなか大変なことをしようとしているという覚悟が必要ですよ。
（いままでの情報から勝手に回路を推測していますので、お門違い
なら無視してください）

補足

御返事どうもありがとうございました。
正直、自分がやろうとしていることがそんなに大変なことだとは思いませんでした。(2 MHzで5 kVのスイッチングを自作回路でされておられる方を見かけたので)

No. 6のお返事に現在使用している回路ならびにやろうとしていることを書いたので、再度御返事いだたけましたら幸いです。
どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.6

walkingdic

>１．ゲート容量とは何でしょうか？
ＦＥＴのゲートには寄生容量というものがあります。
つまりゲート部分はコンデンサと同じになっているんですね。

>２．そしてＯＮ抵抗というのは、gate=highになったときにdrain-source間の抵抗値でしょうか？

そうです。

>３．「最大ドレイン電流が小さくても、ＯＮ抵抗が大きくてもよい」とどのようなデメリットがあるのでしょうか？

最大ドレイン電流を超えた電流は流せませんので、流したい電流が大きいとそれだけ流せるＦＥＴを選ぶことになります。大体流したい電流値の２倍以上の大きさまで許容できるＦＥＴを選定します。
ＯＮ抵抗が大きいと、電流を流したときにそれだけ抵抗分により発熱します。用途によっては電圧降下も問題になります。

他の方への補足を見るとピンフォト（ピンフォトダイオードのことですよね？）に電圧を掛けるようなのですが、ピンフォトにパルス電圧を掛ける理由がよくわからないのですが。逆電圧を掛けるのですよね？
何故バルスなんでしょうか。何か特殊な目的があるのですか。

何にしてもピンフォトに逆バイアスのパルス電圧を掛けるのであれば、電流はほとんど流れませんので（光電流分が流れるだけ）、ＦＥＴはゲート容量の小さいものを選べばＣＭＯＳロジックの出力ならば可能ではないかと思います。

ただどういう回路にされるのでしょうか。フォトダイオードのアノードとグラウンドの間にＮ型ＦＥＴを入れるのですか？
そしてカソード側は電源につなぐということでよいのでしょうか？

ちょっとどういう事をやりたいのかわからないとイメージがつかめないのですが。

ＦＥＴはゲート容量（または入力容量とかかれている）が１００ｐＦ以下程度のものにすればよいかと思いますが、、、

補足

御返事どうもありがとうございました。

いろいろ言葉足らずですみません。
以下が、現在、動かしている回路です。

earth--電池---R-------|←-----電流アンプへ
　　　　　　　　　　　　|　　　　　| 　
　　　　　　　　　　　　C　　　　earth
　　　　　　　　　　　　|
　　　　　　　　　　　earth
左から
earth－電池(18V)－抵抗(10 kohm)－フォトダイオード(カソード)－(アノード)－電流アンプへ
抵抗とフォトダイオードカソードの間にコンデンサ(0.1 μF)が入っており、コンデンサの他端は接地されています。
フォトダイオードのケースも接地されています。
使用しているフォトダイオードは浜松ホトニクスのS5973-01です。
http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/s5971_etc_kpin1025j05.pdf

現在、18 Vの電源の部分をパルス電圧にすることによって、TTL=highのときのみ、光電流が検出できないものかと考えております。
無理なことをしようとしているのかもしれませんが、その点も含めてご教示いただけましたら幸いです。どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.5

anachrockt

20MHzスイッチングでオペアンプ使ったとして，立ち上がり・立ち下がり時間を例えば5nsにするためには，必要なスルーレートは18V出力で3600V/μsです．
グラフ用紙に波形を書いて立ち上がり・立ち下がり時間が5nsならエエとしての話ですが．

電源電圧が20V以上でスルーレート3600V/μsを探すと，これとか
http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM7171.pdf
これですね．
http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM6171.pdf
これで直接駆動したらエエと思います．
とゆうか，後ろにトランジスタやFET付けると遅くて話になりません．

補足

御返事、どうもありがとうございました。
すみません、ＯＰアンプ、使い方が全くわからないのですが、
たとえばご指摘していただいたLM7171を使用した場合、
LM717カタログ16ページのFig.1のような回路のVinに20 MHzのTTLパルスを
入れることになるのでしょうか？
CF, RF, Cinの決め方がよくわかりません。
自分でもどうにかしたいのですが、どうにもわからないのでご教示、どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.4

anachrockt

> 駆動するものはピンフォトなのですが、
こうゆう大事なことは最初に書かないと．
高速・電力スイッチングはものすごく難易度高いです．
TTLよりもCMOSの方が立ち上がり・立ち下がり特性が良く，出力振幅も電源電圧一杯取れます．
ここの，5Vシステム対応の「74AC」がエエと思います．
http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/logic/selection/index.html
http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/LogicIC/TC74AC04F_TC74AC04P_ja_datasheet_071001.pdf

なお，振幅が18Vは無理ですが，10Vなら逆極性で交互に駆動すればできるけど，出力はGNDから浮きます．

お礼

補足にはもうかけないので、こちらに書きました。
"10Vなら逆極性で"は5V-(-5V)=10Vの意味でしょうか？ＧＮＤから浮くのは困るので、18Ｖ(または-18V)の振幅での方法を教えていただきたいです。
どうぞよろしくお願いいたします。

補足

御返事どうもありがとうございました。
さらによくわからないのですが、
・20 MHzのtriggerはＴＴＬまたはＮＥＣＬというもののどちらかで取れます
・リンクしていただいたＨＰによると、電源電圧は7Vなので、7Vの振幅までしかとれないように思うのですが…なんとか18Ｖまで取れないでしょうか？
・「振幅が18Vは無理ですが，10Vなら逆極性で交互に駆動すればできるけど，出力はGNDから浮きます．」の意味がわかりません。
ご教示、どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.3

anachrockt

パルス周波数は20MHzですよね．
そうすると周期は50nsですから，グラフ用紙に波形を書いて立ち上がり・立ち下がり時間の限度を見極めます．
多分，パルス波形に見えるのは数nsでしょう．
そうなるとFETは，スイッチング用が使えず高周波用になります．
こんなヤツですね．
http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/BLF175_3.pdf
何個壊せばうまく動くのか，よくわかりませんが．
ドライブICの立ち上がり・立ち下がり時間はこんなヤツを使って1ns以下が必要じゃないでしょうか？
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC10E112-D.PDF
立ち上がり・立ち下がり時間に相当する電波が周囲に出まくり，テレビやFMに妨害を与えますから，その対策も必要です．
難易度を考えれば，素人が手を出すようなモンじゃありませんから，こういった専門メーカーに相談することを勧めます．
http://www.tamaoki-electronics.co.jp/
http://www.thamway.co.jp/index.html

回答No.2

walkingdic

＞FETを使おうと思うのですが,TTLではゲート信号として使用できないでしょうか？
ＴＴＬで駆動できるかどうかは使用するＦＥＴのゲート容量次第です。
そしてゲート容量はＯＮ抵抗が低いほど、流せるドレイン電流が大きいほど大きいという傾向があります。

最大ドレイン電流が小さくても、ＯＮ抵抗が大きくてもよいのであれば、ゲート容量は数十ｐＦのものがあるので、それであればＴＴＬ（といってもＣＭＯＳタイプ）でも駆動できますが。
多少不足する程度ならばバッファＩＣを並列に複数つなげるという業もあります。

補足

すみません、言葉の意味がわからないのですが、
１．ゲート容量とは何でしょうか？
２．そしてＯＮ抵抗というのは、gate=highになったときにdrain-source間の抵抗値でしょうか？
３．「最大ドレイン電流が小さくても、ＯＮ抵抗が大きくてもよい」とどのようなデメリットがあるのでしょうか？
ご教示、どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.1

cosmos-kt

電流の量に依るのではないでしょうか・・・。電圧的には、TTLでもいけますし、OPアンプでもいける品種もあります。

大電流用のパルス電源になりますと、FETやIGBT、サイリスタなどが必要になる場合もあります。その場合には、オーディオのアンプと同じ原理で回路を組みます。
初段で、電流増幅（いわゆるA級アンプ）を行い、後段で電圧増幅（いわゆるB級アンプ）で取り出すみたいな方法です。
ただし、この場合には、超高速パルス電源には向きませんので、その場合には、また別の方法を用います。

補足

御返事ありがとうございました。
駆動するものはピンフォトなのですが、手元の資料をみると最大定格で50 mWです。通常は乾電池で動かす程度なのですが…
なのでＴＴＬだけでもいけるでしょうか？