電流波形の増幅について

質問

はじめまして。
0～10mAのノコギリ波電流（ピークが10mA）を、0～400mA（ピークが400mA）にリニア増幅し、数Ωの負荷を駆動する回路を検討しております。電流値が負荷の抵抗値に依存せず、温度変化に対して安定な動作をするような構成にしたいと考えておりますが、なかなかいい構成が見つかりません。ノコギリ波のパルス幅は100usです。
どなたかいい構成をご存じの方いらっしゃいますでしょうか。

以上、よろしくお願いいたします。

回答No.1

noname#230359

毎度ＪＯです。
補足要求です
１）既存の回路で、0～10mAのノコギリ波電流は実現できているのでしょうか？？
２）ＨＩインピダンスで温度特性の良い回路が必要のようですが、この回路の出力する電圧はどの程度必要ですか？？
　例えば「負荷抵抗」が∞の場合、何Ｖまで出力せねばならないか？

以上が明確であれば、良いアドバイスもできそうですが。

毎度ＪＯです。
>>電流値が負荷の抵抗値に依存せず
この事は回路の出力インピダンスが高い事を示します、負荷抵抗３～５Ω程度であれば、
出力インピダンスは１０ＫΩ程度であれば十分かと思われます。

>>0～10mAのノコギリ波は、高速の電流出力DAコンバータで実現しております
電流吐き出しタイプと仮定すると、

電流出力ＤＡコンバータ　（最大出力電圧は５Ｖ程度と仮定する）
　　　　　　　　　　　┃
　　　　　　　　　　　┃
　　　　　　　負荷　３～５Ω
　　　　　　　　　　　┃
　　　　　　　　　　　┃
　　　　　　　　　　ＧＮＤ

この回路で実現できている、0～10mAの定電流源を、≒40倍の0～400mAで出力したいのですね。
一種の電流バッファーと考えられます、速度は100usのパルスに十分追従できる速度となります。

この電流バッファーの定格は、４０倍のゲイン（リニアである事）、最大出力電圧は３Ｖ、最大出力電流は400mA、出力インピダンスは１０ＫΩ以上、周波数特性は1MHz程度は必要と思われます、
と、このように進めていきます、そこでこの定格を満たすデバイス（ＩＣなど）を捜してもよいのですが、
今回は新たに回路を考えてみましょう、簡単な回路であれば「カレントミラー」ですね。

電流出力ＤＡコンバータ　（最大出力電圧は５Ｖ程度と仮定する）
　　　┃
　　　┃
　　　┃　　　　　　　＋５Ｖ
　　　┃　　 　　　　　┃
　　　┃　　　　　　負荷　３～５Ω　
　　　┃　　　　　　　　┃
　　　┣━━━┓　　　　┃
　　　┃　 　 ┃　　　　┃
　　　┗┫　　┃　　　┣┛
　　　　┣━━┻━━━┫
　　　┏┫TR1 　TR2┣┓
　　 ┃　　　　 　 　┃
　　８０Ω　　　　　　　２Ω
　　　┃　　　　　　　　┃
　　ＧＮＤ　　　　　　ＧＮＤ

TR1はC1815など　
TR2はヒートシンク付きでTO220型のＮチャンネルトランジスタ
回路は検証していないので保障はできません、
「周波数特性は1MHz程度」がスペック的に苦しいかもしれません、
回路は簡単ですが参考程度にしておいてください、本格的に設計すると、もっと複雑になります。

お試しあれ！！、結果を知らせていただけると勉強になります。

ＧＮＤから－５Ｖに電流を引き込む形にするなら一つ問題があります、
電流出力ＤＡコンバータが－５Ｖまで出力出来るかですね、
電流出力ＤＡコンバータの出力に保護用のダイオードが挿入されていると、
－0.6V程度しか出力できません、そこでツェナーダイオードで「下駄を履かせましょう」

電流出力ＤＡコンバータ　（最大出力電圧は５Ｖ程度と仮定する）
　　　┃
　　　┃
　７Ｖ程度のツェナダイオード
　　　┃
　　　┃　　　　　　　ＧＮＤ
　　　┃　　 　　　　　┃
　　　┃　　　　　　負荷　３～５Ω　ＧＮＤに対して－電圧が印加される　
　　　┃　　　　　　　　┃
　　　┣━━━┓　　　　┃
　　　┃　 　 ┃　　　　┃
　　　┗┫　　┃　　　┣┛
　　　　┣━━┻━━━┫
　　　┏┫TR1 　TR2┣┓
　　 ┃　　　　 　 　┃
　　８０Ω　　　　　　　２Ω
　　　┃　　　　　　　　┃
　　－５Ｖ　　　　　　－５Ｖ

あるいはＧＮＤへ一旦カレントミラー回路で「極性反転」させて、
出力段は+5VからＰｃｈのＴｒによるカレントミラーにするかです、

回路がどんどん複雑になるので、他にも考えてみました、
電流出力ＤＡコンバータの出力を抵抗で一旦受けて、発生した電圧を、
ＯＰアンプによる反転増幅とトランジスタによるバッファで設計してみましたが、
この回路ですと速度（周波数特性は1MHz程度）が苦しくなります、
いずれにしても精度を要求すると、回路が相当に複雑にならざるを得ません。

再度ＪＯです。
>>入力電流の小さい領域で
ＤＡＣのＢＩＴ数は？？　　８ＢＩＴでも 400mA/256 ≒1.56mAですが、
あまりに小電流であればリニアリティが良くないかもしれません。

補足

JO様
早速のご回答まことありがとうございます。
説明が足らず申し訳ございません。

以下補足します。

1) 0～10mAのノコギリ波は、高速の電流出力DAコンバータで実現しております。
　（FPGAで制御しております）
2) ２Ｖ程度です。負荷抵抗３～５Ωのデバイスを駆動します。

よろしくお願い致します。

どうもご丁寧にありがとうございます！
すみません、大切なことが抜けておりました。負荷は構造上ＧＮＤに接続されます。ですのでＧＮＤから－５Ｖに電流を引き込む形になります。折角ご回答頂いたのに申し訳ありません。この場合、小電流（TR1）側も構成を変える必要がありますか。何卒よろしくお願い致します。

ありがとうございます。
回答が遅れましてすみません。
その後、PSpiceを用いて動作を試しております。
一応所望の動作をしておりますが、入力電流（ＤＡＣ出力）の小さい領域で
リニアリティがよくありませんでした。また出力の温度特性が気になっている
のですが、一番効くのはトランジスタの温特でしょうか？

ＤＡＣの出力電圧はよく分かりません（型名はＡＤ９７４２です）。
保護用ダイオードは入っていないように見えます。

もう少し戦ってみます。
ありがとうございました。