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著作

  • 共著:「次世代センサハンドブック」培風館(2008)、「マイクロセンサ工学」技術評論社(2009.8)
  • 連絡先
    私への講演、セミナー、技術指導などのご依頼はこちらまで↓ okayamaproあっとまーくyahoo.co.jp  あっとまーくは半角の@にしてください
  • 単独著
    アナログ電子回路設計入門 (1994.12)、コロナ社: 実践アナログ回路設計・解析入門 (2005.1)、日刊工業: オペアンプ基礎回路再入門 (2005.7)、日刊工業: ダイオード・トランジスタ回路入門 (2005.12)、日刊工業: スイッチングコンバータ回路入門 (2006.9)、日刊工業: これならわかるアナログ電子回路基礎技術 (2007.6)

専門とする事項

  • 電源を含む精密アナログ電子回路の設計・開発、およびその教育、技術指導。センサ・アクチュエータシステムの構築。電子機器の不良解析指導および再発防止指導。解析主導型設計の推進と回路シミュレータの実践的活用指導。技術的側面からのプロジェクト管理指導。

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  • 岡山 努: アナログ電子回路の基礎と入門!これ1冊

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2009年1月

2009年1月31日 (土)

猫の芸

猫はふつう芸をしないが,猫の性格によっては芸をする猫もいる。

我家の1歳の猫は,最近ひとつだけ芸ができるようになった。

人差し指を猫の方角に向けたあと,バーンと飼い主の私が声を発すると,ニャーと鳴く。

90%の確率で鳴き,鳴かないときも口を動かす。我家のさちの声には反応しない。

かって,我家には

お座り,たっち,お回り,そしてニャーができた猫もいた。連続技。(犬ならふつーにできる)

猫なら珍しい。

今の猫も,バーン→ニャー→バタンまで行けば,結構話題にできるのだが。

猫は自分の興味で動く。叱られても飼い主の目を盗んで,悪いとは自覚しつつ目的を遂げるまでやる。

弱電ケーブルも感触の良いものだと,無数に噛まれる。

居間のパソコンのマウスも何度かやられた。操作性を度外視してスパイラルチューブを被覆してからは無被害だけど。

噛み切られるので,故障モードは断線なので危険は少ないけど,コードの根元で噛み切られると修理は厳しいです。

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2009年1月29日 (木)

オン電圧とオン抵抗

バイポーラトランジスタのスイッチング時には,C-E間のオン電圧が問題になることがある。オン電圧は駆動条件が整えば0.1V程度以下になる。負荷電流が大きいときには,駆動回路を強化するか,ダーリントン接続で見かけ上のhFEを稼ぐ。

集積化ダーリントントランジスタでは駆動回路は楽だが,オン電圧が0.8V~1V程度になる。低電圧のスイッチングでは無視できない。

パワーFETの低オン品種を使えば,オン電圧×ドレイン電流程度の損失で済む。

最近ではG-S間電圧5Vで十分飽和する品種が出回っているから,静的にはC-MOSで十分駆動できる。ただし,高速スイッチングとなると,G-S間容量とD-G間容量を充電するために,低インピーダンスで駆動する必要がある。ピーク電流が0.1Aを越えることも珍しくは無い。高速スイッチングでは,主FETに耐圧・オン抵抗ともに必要十分な品種を選ぶことになる。

スイッチング回路では大は小を兼ねず,小は大を兼ねない。

また,不完全オンはいかなるときにも回避する必要がある。大きな熱損失の発生により素子破壊に繋がるからだ。

扱う電力が大きく高速のときには,スイッチング回路の設計には神経を使う。リニア回路ならなおさら難しい。熱設計の課題も生じてくる。回路各部の自己発熱による熱的安定性も考慮しなければならない。

アナログ回路は,現実のセンサあるいはアクチュエータを前提に回路を組む。そのためにチップ部品では扱えない電圧・電流を対象とすることも多くある。

FPGAを使用すれば回路を意識しないで,プログラムできるデジタル回路とは違う世界なのである。

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2009年1月23日 (金)

可変電流源

基準の可変定電流源は比較的高価な機材であるが,特にダイオード・バイポーラトランジスタの静特性には欠かせない。

汎用のデジタルテスタと抵抗で可変電流源を構成する方法を紹介する。

小信号ダイオード測定においては,10MΩ~数100Ωの抵抗を準備する。汎用の安価な可変電圧源(ふつーの可変安定化電源)の電圧と抵抗を変えながら,電源端と負荷端の電圧を測定する。これで,1nA~100mA程度までのダイオード特性を測定できる。

電流は目標値に正確には設定できないが,オームの法則に従ってかなり正確に計測できる。

デジタルテスタの電圧レンジはふつう10MΩであるから,もっと正確を期すならば,テスタの負荷効果を逆算することで,低い電流領域の電流値を補正する。

ポイントは,適度な電源電圧を選び,レンジホールドを行ってフルスケール誤差の影響を低減する。デジタルテスタのA/D変換は積分型なので,直線性は良好である。ゼロ点誤差は簡単に補正できるし,計算過程で消去される。

同じ方法をバイポーラトランジスタのベース・エミッタ間に適用すれば,VCE-IC曲線とhFEの測定を行うことが出来る。

半導体測定を通常の室内で行うには,手早く測定することが重要である。また,大電流領域では,通電時間を極力短くして測定するのがポイントである。

高価な機材を使うだけが精密測定ではないのだ。

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2009年1月21日 (水)

同相電圧

大きい電圧が重畳した微小電圧を扱う必要が生じる場合は,実務のアナログ回路では度々出会う。

この重畳している電圧を同相電圧という。

ブリッジ回路などでは,同相電圧数V,信号電圧が数mVなどの条件もふつうにある。この信号電圧を0.1%精度で扱うには,同相電圧の影響を10^-5程度に抑制する必要がある。この条件を満たす回路構成が3オペアンプ形計測増幅器である。オペアンプの入力範囲と出力範囲の制約から,同相電圧は10V程度以下でなければならない。

同相電圧が200V以下なら超高精度抵抗を用いた加減算器類似回路も実用になっている。

同相電圧の除去は,センサの励起回路側でも処理できる。励起回路をどこにも接地されていないフォローティング電源で構成し,ブリッジの一端を電子回路システムの一端に接地する手段もある。この際の励起電源は一般にトランス絶縁を行う。

アナログ絶縁回路を使用する方法もある。この場合も絶縁された電源を用い,アナログ絶縁を行う。

いずれにしても,大きい同相電圧下の増幅は個別部品を用いた電子回路によって実現されている。

工業用途においては,AC200V近くの同相電圧の重畳を前提として作られる回路もある。

プリアンプの設置場所とデジタル信号処理を行う場所が離れている場合には,交流を含む同相電圧の消去を考慮した回路システムを組む必要があるだろう。

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2009年1月19日 (月)

センター試験

センター試験の物理Ⅰを何も見ずに62歳のアナログエンジニアが時間制限付で解いてみた。

45年前の知識+エンジニア生活で残っている技量をチェックする目的。

正解率は70%,ポカミスが多い。所要時間40分。解答の再チェックはやらなかった。概ね良問だが,マークシート方式の欠点である解答の選択肢に工夫が足りない。次元のあっていない選択肢もある。一目見て,正解候補が1/2~1/3に絞られる。これを利用して大部分は短時間で,きちんと立式しないで正解に至る。

逆に基本式から出発し,きちんと計算すると時間不足になる傾向が強い。

当然,受験生はその点に慣れているだろうから,正解が1個に絞れればよいのだ。最後まできちんと解かなければならない問題は少ない。

センター試験での選抜の問題点は他にもある。センター試験結果を自己採点で把握した後,大学を選べることだ。アラカルト方式の大学もあり,負担の少ない科目を受験科目するなどの工夫をすれば,偏差値の高い大学に合格することも可能である。

逆に言えば,大学は自校の選抜方式の如何に係わらず,一定レベル以上の学部卒業生を送り出す義務があるのだ。物理を課さないで工学部に入れたなら,本当は中学理科から一気に大学レベルまで引き上げるカリキュラムが必要なのだ。

大学は受験生集めに腐心しているが,卒業生の質の問題にも,もっと工夫していただきたいと願う。

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2009年1月15日 (木)

加湿器

エアコン:エアーコンディショナーはエアコンといえるモノではない。

冬場には,湿度が極端に低下する。石油ストーブはCO2も出すが加湿効果もある。

今シーズンは石油ストーブを止めて,エアコンのみ。

喉がからからに渇く。喉の渇きで夜,目が覚めることもある。

そこで,加湿器を投入。湿らせたフィルターに風を当て蒸発させるタイプの物。

蒸発量は0.5L/hくらい。これを終日運転する。水の補給は1日3回。

その他に空気清浄機も終日運転。高電圧無声放電による臭いの元の分解機能もある。

それにしても,湿度表示は機器ごとでかなり違いがある。10%くらいの違いは極当たり前。

それでも自動運転させている。相対湿度という定義が簡単なセンシングに向いていないのだろう。なんとなく,昔ながらの乾球と湿球の温度差からテーブルで相対湿度に換算する測定法が頼りになりそう。

エアコンはふつう加湿してくれないので,加湿器は別途の必需品のようだ。

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2009年1月14日 (水)

センサとアナログ回路

センサ/計器といえば,今や電気的出力をもつものが大半である。

そしてセンサを構成する材料・原理のの多くは,温度依存性をもつ。

センシングから電気的出力の仲立ちをするのが,精密アナログ回路である。

センサの多くは,計測のためにセンサに電気エネルギーを与えるか,測定対象からエネルギーを得て微弱信号を得る。どちらもアナログ電子回路が必要になる。

広い環境温度で信頼のおける,換言すればその出力が測定対象量にきちんと対応しているためには,一般に温度の関数であるセンシング量を実用上,温度に依存しない状態にする必要がある。この操作は温度補償と呼ばれる。

感温素子でセンサの温度を測り,増幅してAD変換-デジタル補正する手段と,全アナログ方式で行う手段やその中間的なものもある。

たとえば,抵抗変化型のセンサでは,基準電圧と基準抵抗を必要とする。抵抗変化量は相対的に小さいので,特定の条件下での実測値で基準の出力となるようにゼロ点校正を行う。さらに,センシング量を変えてスケール調整(スパン調整)を行う。必要に応じて温度も変化させて,ゼロ,スパンの温度補償を行う。これらの校正結果は調整抵抗の値や,デジタル変換後の信号処理の中で不揮発メモリに記憶される。

センサに要求される環境条件と信頼性は実にさまざまである。この環境の中でトレーサブルな値を提供することは,実に多くの工夫がなされている。

その中で,精密基準電圧源や精密抵抗の存在は大きい。これらを元に,アナログ電子回路を構築していくのである。

センサなしに現実の物理世界とのインターフェースをデジタルは行うことが出来ない。再びセンサの重要性がコンピュータ時代においても指摘される。

アナログエンジニアは現実世界とデジタルの世界の架け橋である。

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2009年1月11日 (日)

新春記録会

内輪の記録会に出場。

気温は低かったが,風が無く陽射しがあったので体感温度はまずまず。

我家の「さち」にも18mダブル(W)に出場して欲しかったが,仕事の関係でNG。

私は70mWでエントリー。

最初の6射(エンド),右よりに着弾。1射ミス:3点,計37点。今日もよくて36射230点台か。

顔向けを少し左に傾け,引き手を十分に引きつける。矢が右に集まるときには,発射の瞬間押手(左手)が力のバランスで右方向に振られていることも多い。

2エンド目は好調。36射を終えて290点近くの点数。自己ベスト。

次の36射もまずまず。この3ヶ月で5kg減量したので,体力温存を優先させて早射ち。

それでも,目標の250点UP。

幸先のよい新年記録会であった。当たる感触もなんとなく掴めたような気がする。

午後は疲れて昼寝してしまいました。

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2009年1月 8日 (木)

同相電圧

たとえば,センサ関連回路などでは,後段の回路の基準電位に対して数V異なる電位(同相電圧)の数mVの差信号を増幅する必要が生じる。

この場合,多用されるのが計測増幅器である。オペアンプを3個使用した計測増幅器では,差信号が大きく増幅され,同相電圧に対する利得は1である。初段の2個のアンプは同相電圧を仮の基準電位として増幅し,同相電圧分は3個目の加減算器で消去する。

3オペアンプ型計測増幅器は使用する抵抗精度を厳しく要求することなく,V台の同相電圧に埋もれた差信号を処理できる。ただし,扱える同相電圧は10V程度までである。

もっと大きい同相電圧の場合には,加減算器をベースにした精密集積回路を使用する方法もある。

信号源がブリッジ回路の場合には,ブリッジ電源をフローティングしてブリッジの中点電圧の片方を接地する手段もある。

同相電圧が大きい場合には,絶縁アンプを構築することもある。この場合,電源も絶縁しなければならないし,アナログ信号をトランスあるいは微小キャパシタを経由して送る必要がある。

高電圧の同相電圧の処理は回路規模とスペースが必要となる。微小電力しか扱わないからといって,絶縁を担保するには強電機器並の絶縁を行わなければならないからである。

同相電圧の処理は,対象とする電圧の大きさに依存してとり得る回路手段が異なってくる。

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2009年1月 6日 (火)

多段増幅器の利得配分

センサ関連回路などでは,信号源が低mVかつ信号源インピーダンスが変化する場合が多い。オペアンプの裸利得は10万~1000万倍程度であるので,閉ループ利得を最大でも1万倍程度以下とするのが通常の選択である。

回路形式は非反転増幅形を多用する。信号源インピーダンスの影響を受けにくいためである。

初段増幅器で電圧利得を稼ぎ,1段でVオーダーまで増幅する。サブVで低インピーダンスになれば,アース・電源回りあるいは外来ノイズに対しそれなりに頑健になる。次段以降は各種演算のやりやすい反転増幅器形式が大きな選択肢であろう。

コンピュータが発達し,市場の大きいA/Dコンバータのコスト/パフォーマンスが高くなった現在では,数Vまで増幅すれば高度な演算処理ができるので,電圧増幅率のみの観点からは初段で大きく増幅し,一気にVオーダーまで増幅することが多い。

ただし,位相補償形オペアンプでは利得を稼ぐと,周波数帯域が狭くなる。GB積の同じオペアンプを使用するなら,必要利得Aをn段で増幅する場合にはAのn乗根を各段に配分することが最適解に近い。

多段増幅器での初段回路はセンサ回路の性能をほとんど左右する。

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2009年1月 5日 (月)

略語

略語は,その会社,分野でのみ通用する符丁のようなもの。

特に3文字,4文字のアルファベットの略号はアナログエンジニアは嫌う。

この場合,分野によって同じ略号が使われている場合も多くある。

独自の造語などはフルネームの記述をどこかに入れるべきだ。

レーザーという言葉も,フルネームで述べれば,その性質の一端がわかる。ブラックボックス化した略語の氾濫は良い結果をもたらさない。

たとえば,研究室もちの研究者はPIと呼ばれるが,大学関係以外では一般的でない。

このような略語の氾濫は,科学・工学の一般性を失うことに繋がりない。

英文字数語の略号は,当事者にとって便利だが分野違いの理系人間にとって迷惑千番である。

略語の氾濫は分野間の意志疎通を阻害する。

これでよいのか。

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