バイポーラトランジスタを用いたシュミットトリガ回路の動作解析・設計サービス

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2020年01月03日 公開

当サービスでは、バイポーラトランジスタの一種であるNPNトランジスタを用いて作った、シュミットトリガ回路の動作解析および設計をします。

最初は動作解析・設計を行う回路の説明から話が始まりますが、説明を飛ばして当サービスを使いたい方は、パラメータの入力にお進みください。

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目次

1. このサービスの説明 … 1ページ
1-1. 動作解析や設計の対象になるシュミットトリガ回路の説明 … 1ページ
1-2. シュミットトリガ回路の「動作解析」と「設計」について … 1ページ
1-3. 当サービスを用いてシュミットトリガ回路の動作解析や設計を行う方法 … 1ページ
1-4. 制約条件について … 1ページ
2. パラメータの入力 … 1ページ

1.このサービスの説明

1-1.動作解析や設計の対象になるシュミットトリガ回路の説明

動作解析や設計の対象になるのは、図1に示す回路の非反転型シュミットトリガ回路です。

図1、動作解析や設計の対象となるシュミットトリガ回路
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図1、動作解析や設計の対象となるシュミットトリガ回路

図1の回路の動作原理について、詳しい事は「シュミットトリガ回路」の解説(5)に載っていますので、ここでは簡単に説明する事にします。

この回路は、Q1とQ2に2N3904などの、一般的な小信号用NPNトランジスタを使えば、トランジスタの型番に関係なく、ほぼ同じ入出力電圧特性になります。

図1の回路の入出力電圧特性の例を、図2に示します。

図2、図1のシュミットトリガ回路の入出力電圧特性の例
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図2、図1のシュミットトリガ回路の入出力電圧特性の例
このグラフでは、VCC=5[V]、VTLH=2[V]、VTHL=0.8[V]、VH=5[V]、VL=1.3[V]の場合の特性を表しています。

図1の回路は、低い電圧を入力すると出力電圧も低い電圧VLになり、高い電圧を入力すると出力電圧も高い電圧VHになる、非反転型の2値化回路として動作しますが、入力電圧が上昇中に出力電圧がVLからVHに変わる際の閾値VTLHが、入力電圧が下降中に出力電圧がVHからVLに変わる際の閾値VTHLよりも高いという、ヒステリシス特性を持ちます。

図1の回路では、まず電源電圧VCCを決め、R1R2R3の3つの抵抗値を適切に設定する事により、2つの閾値、VTHLVTLHをコントロールする事ができます。

1-2.シュミットトリガ回路の「動作解析」と「設計」について

図1の回路のVCCR1R2R3の4つのパラメータを与える事でVTLHVTHL、およびVLの3つの電圧を求める事を、このページでは、図1のシュミットトリガ回路の動作解析と呼ぶ事にし、VCCVTLHVTHL、およびR1の4つのパラメータを与える事で、その特性を実現するR1R2、およびR3の値の組み合わせを求める事を、このページでは図1の回路の設計と呼ぶ事にします。

注:VCCVTLH、およびVTHLの3つの要求仕様(パラメータ)を定めるだけでは、その特性を実現するR1R2R3の値の組み合わせが無数に求まります。そこで、3つの抵抗値の中のR1をさらに指定する事で、R1R2R3の値の組み合わせを1通りに絞っています。

なお、図1の回路では、VHは必ずVCCと同じ値となり、VLは、必ずVTLHより0.7V低い値になります。

1-3.当サービスを用いてシュミットトリガ回路の動作解析や設計を行う方法

次のパラメータの入力モード選択欄で動作解析を選べば動作解析が行え、設計を選べば設計が行えます。必要なパラメータを入力して動作解析するボタン(動作解析の場合)または設計ボタン(設計の場合)をクリックすると、図1の回路の動作解析あるいは設計が行えます。

最初は、デフォルトのパラメータのまま、動作解析や設計を行ってみてください。

なお、Q2として使用するトランジスタのhFE(エミッタ接地電流増幅率)が低いと、図1の回路が正常に動作しない可能性がありますので、そのチェックのためにQ2のhFEの最小値も入力する様になっています。Q2のhFEの最小値は、後述する制約条件の計算結果にのみ影響し、動作解析時のVTLHVTHL、およびVLの計算値や、設計時のR1R2、およびR3の計算値には影響しません。

注:Q2のhFE最小値と、いうのは、同一型番のトランジスタでもhFEの値にバラツキがあり、また使用条件によってもhFEの値に変化が生じるので、最もhFEが低い個体で、最もhFEが低くなる時のhFEの値を意味しています。

当サービスで動作解析をする際には、「シュミットトリガ回路」の解説(8)で解説した数式を用いています。また、当サービスで設計をする際には「シュミットトリガ回路」の解説(9)で解説した数式を用いています。

1-4.制約条件について

図1の回路は、R1R2R3をどの様な値に設定しても、シュミットトリガ回路として動作する訳ではありません。図1の回路がシュミットトリガ回路として安定に動作するためには、満たさなければならない3つの制約条件があります。

この制約条件については、「シュミットトリガ回路」の解説(8)で解説しています。

当サービスでは、これらの制約条件が満たされているかどうかの判定も行います。

制約条件が1つでも満たされていない場合は、動作解析の場合はR1R2R3の値を見直す必要があり、設計の場合はVTLHVTHLの値を見直す必要があります。

制約条件を満たさない場合は、VTLHが高すぎたり、VTHLが低すぎたり、ヒステリシス(VTLHVTHL)が小さすぎたり、Q2のhFEの最小値が低すぎたり、場合によってはVCCが低すぎたりします。

2.パラメータの入力

モード選択:
V 電源電圧を1~100Vの範囲で入力してください。
R1の抵抗値を1Ω~10,000kΩの範囲で入力してください。
R2の抵抗値を1Ω~10,000kΩの範囲で入力してください。
R3の抵抗値を1Ω~10,000kΩの範囲で入力してください。
Q2のhFEの最小値を5~10,000の範囲で入力してください。
(分からない場合は20を入力してください)
V 電源電圧を1~100Vの範囲で入力してください。
V VTLHを0.7V超VCC未満の値で入力してください。
V VTHLを0.7V超VTLH未満の値で入力してください。
R1の抵抗値を1Ω~10,000kΩの範囲で入力してください。
Q2のhFEの最小値を5~10,000の範囲で入力してください。
(分からない場合は20を入力してください)
図1(再掲)、動作解析や設計の対象となるシュミットトリガ回路
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図1(再掲)、動作解析や設計の対象となるシュミットトリガ回路
図2(再掲)、図1のシュミットトリガ回路の入出力電圧特性の例
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図2(再掲)、図1のシュミットトリガ回路の入出力電圧特性の例
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