【回路】V-I Converter

【電圧・電流変換回路：V-I Converter】

　V-Iコンバータは入力された電圧を電流に変換して出力する回路だ。例えば、1V→1mA、2V→2mA、3Vなら3mAと言うように出力電流は入力電圧に比例する。（・・ように設計してある）

　写真は回路の動作を実験的に確認している様子だ。まずはラフな回路で動作の仕組みを確認しており、取りあえず高精度は求めない。従って抵抗器の誤差やOP-Ampのオフセット電圧がV-I変換の誤差となるのは織り込み済みだ。それがどの程度影響するのかも観測対象である。

　この状態で変換誤差は〜2%程度、オフセットは入力電圧換算で数mV相当であった。　例によってOP-AmpにはJ-FET InputのTL074CNを使った。従って電流検出抵抗及び負荷抵抗は数100kΩあたりまでならバイアス電流は無視できる範囲にある。　汎用のJ-FET-Input OP-Amp.で問題になるのはやはり電圧オフセットにありそうだ。

【I-Vコンバータの回路例】

　V-Iコンバータの回路は幾つもあって左図はその一例だ。　以前のBlog『YIG Oscillators』で、YTOの主コイルのドライブに使ったのもV-Iコンバータであった。　但し、片方向の磁界のみ与えれば良かったので、電流も一方向であり少し異なった回路を使っていた。

　V-Iコンバータの特徴は何であろうか。　ここに電圧源があって抵抗器を繋げば抵抗器には電圧に比例した電流が流れる。これはV-I変換になる。いま1Vに1kΩなら1mAが流れる。

　しかしV-Iコンバータはその抵抗器が幾らであろうとも入力電圧で決まる電流を流そうとする。 1Vで1mAの関係なら負荷が1kΩでも2kΩでも1mAを流そうとする。従って2kΩなら両端の電圧は2Vになっている。　もちろん出力を短絡（ショート）しても流れるのは1mAだけだ。

　では負荷抵抗が1MΩでも正しく動作するのかと言えばそれはNOだ。1MΩに1mA流すには1,000V必要になるが、OP-Amp回路からそんな電圧は発生できない。　普通は±15V程度の電源電圧で動作させるから出力は±10V少々までと考えるべきだろう。　回路の電源電圧が決まれば動作範囲も自ずと決まってくるのだ。この出し得る上限電圧を電流源の「コンプライアンス電圧」とも言う。（もちろん電源電圧が±1,500VのOP-Amp回路だって困難はあっても不可能ではない・・・が、それでも負荷が10MΩになった途端に破綻する・笑）

「真のV-Iコンバータはもし負荷がオープンになったなら端子間で放電してでも一定電流を流そうとする恐ろしい回路だ」（^ ^;;

　このV-Iコンバータは両方向型である。　入力電圧が正のときには電流を出力し、入力が負電圧なら出力端子は電流を吸い込むように動作する。　即ち「負の電流」も出力できる。　従ってGNDレベルを中心とした正弦波（電圧）を入力すれば『正弦波状の電流出力波形』が得られる。　なお、上記ブレッドボードの試作例は信号源抵抗が変換精度に影響しないよう入力にバッファ・アンプを置いている。　他の部分は回路図と同じだ。写真は実験初期のもので反転型から試したので少しだけ結線を変えている。（注：回路図は非反転型）

【三角波電圧→三角波電流】

　ファンクション・ジェネレータ(FG)から三角波電圧を与え、V-Iコンバータ回路を通し、その出力には抵抗器を接続する。　抵抗器の端子間電圧Vは電流値Iに比例するから，このように再び電圧に変換されて観測される。

　たとえば、長いケーブルの先に信号を送りたいとする。　ノイズを防ぐため、ケーブルの受端にある負荷抵抗は比較的低めに選ぶべきだろう。しかしケーブルには抵抗があって、しかも周囲温度で変動する。　そのような時はV-Iコンバータで電圧信号を電流信号に変換して送れば良い。　振幅1Vの電圧信号→振幅10mAの電流信号に変換して送れば、負荷抵抗：100Ωの両端で再び振幅1Vの信号として取り出すことができる。もちろんケーブルの抵抗値が変動したとしても誤差にはならない。

　ほかにも電流信号に変換すると扱い易くなる例も多く、V-Iコンバータは有用なものだ。もう少し大きめの電流が取り出せるようにすればYTOのFMコイルをドライブするにも良さそうだ。

【負荷はダイオード：1S1588】

　負荷にダイオードを付けてみる。　ダイオードのV-I特性が観測される。　ダイオードの順方向電流対端子電圧は直線ではない。　写真の様になる。（注：三角波に+オフセットを掛けてほぼゼロV、即ち0mAの所からスタートするようにしてある）

　このように電圧・電流特性が直線的ではないデバイスのI-V特性を観測するにも役立つ。　　三角波は時間対電圧が比例関係だから、電圧対電流特性を管面で観測していることになる。

　なお、オシロスコープをX-Yモードにし、X軸を入力三角波で振らせY軸をダイオードの両端電圧で振らせればより直接的にダイオードのI-V特性を描ける。

　　　　　　　　　　　　　　＊　＊　＊　＊　＊

　回路要素の実験は詰まらないだろう。その詰まらそうな回路も幾つか集まると面白そうな物が出来上がる。　これは年末に考えていて気になったテーマだった。まずは実験としてブレッドボードで荒削りに試してみた。　この先ではもっと大きなダイナミックレンジが必要とされるはずだ。　うまくOP-Amp.を選び各抵抗器の相対誤差を小さくすれば概ね行けそうに思う。アナログ回路ではこの「行けそう」と言う感触を得るのがとても重要だ。（笑）　de JA9TTT/1

(おわり）