ロジックＩＣ調査？？せっかくなので・・・の巻き 2010.5.8
高速アイソレータは実現するか？で色々なインバータロジック（７４０４）買ったのだけれど、
結局速度を評価するには手持ちのオシロの性能が貧弱で、まともな測定ができなかったことも
あり、ほとんどテストしていないけど、手元に残ったのは多種なＩＣ。このまま、また部品箱
の肥やしにするのもちょっとしゃくに障るので、内部抵抗を測定してみることにしました。
周波数特性とは少し違うけれど、ドライブ力という点では一つの参考になるでしょう。
直流での測定なので、ブレッドボードや他のユニバーサル基板で適当に組んでも測定精度も
十分に確保できるでしょう。
色々買った７４０４インバータ。
ということで、まずは手元にあるインバータを変換基板にそれぞれ半田付け。そして、端子には
接続ピンも取り付けておきました。これで、下準備は完了です。
下準備完了。これから料理するぞ〜
まずはゲート毎の内部抵抗値
こんな回路で、内部抵抗を測定（推定）してみました。測定した結果は下表の通り。
評価時の回路
測定の様子
測定結果（シングル時）
| Highレベル時 | Loｗレベル時 | ||||||||
| 電位差ΔE（Ｖ） | 内部抵抗推定値（Ω）. | 電位差ΔE（Ｖ） | 内部抵抗推定値（Ω）. | ||||||
| Vcc(V) | IC | R=1k | R=500Ω | R=1k | 500Ω | R=1k | R=500Ω | R=1k | R=500Ω |
| 5 | 74AC04 | 0.046 | 0.091 | 9.2 | 9.2 | 0.037 | 0.075 | 7.4 | 7.6 |
| 3.3 | 74LCX04 | 0.038 | 0.076 | 11.7 | 11.7 | 0.039 | 0.078 | 11.9 | 12.1 |
| 3.3 | 74LVC04 | 0.044 | 0.088 | 13.5 | 13.7 | 0.036 | 0.072 | 11.0 | 11.2 |
| 5 | 74LVU04 | 0.119 | 0.237 | 24.5 | 24.8 | 0.078 | 0.157 | 15.8 | 16.2 |
| 5 | 74AHCU04 | 0.160 | 0.317 | 33.1 | 33.8 | 0.108 | 0.217 | 22.2 | 22.7 |
| 5 | 74HCU04 | 0.166 | 0.330 | 34.3 | 35.4 | 0.156 | 0.318 | 32.2 | 34.0 |
| 3.3 | 74LVX04 | 0.131 | 0.257 | 41.2 | 42.2 | 0.096 | 0.190 | 29.9 | 30.5 |
74ACおよび74LCX、74LVCが良好ですね。マニュアルでは24mA出力を謳っている実力もあり大したものです。
パラにして見よう。
７４０４は６回路ありますが、折角なので３回路パラにして内部抵抗が下がるかどうか調べてみましょう。
本来はロジックＩＣの出力はつなげちゃいけないのだろうけど、まあ気にしないで起きましょう。
測定結果（３パラ時）
| Highレベル時 | Loｗレベル時 | ||||||
| 電位差ΔE（Ｖ） | 内部抵抗 推定値（Ω）. |
シングル比 | 電位差ΔE（Ｖ） | 内部抵抗 推定値（Ω）. |
シングル比 | ||
| Vcc(V) | IC | R=1k | R=1k | 向上倍率 | R=1k | R=1k | 向上倍率 |
| 5 | 74AC04 | 0.016 | 3.3 | 2.8 | 0.013 | 2.6 | 2.8 |
| 3.3 | 74LCX04 | 0.013 | 4.0 | 2.9 | 0.013 | 4.0 | 3.0 |
| 3.3 | 74LVC04 | 0.015 | 4.6 | 2.9 | 0.013 | 3.8 | 2.9 |
| 5 | 74LVU04 | 0.041 | 8.3 | 3.0 | 0.028 | 5.6 | 2.8 |
| 5 | 74AHCU04 | 0.055 | 11.2 | 3.0 | 0.038 | 7.7 | 2.9 |
| 5 | 74HCU04 | 0.058 | 11.7 | 2.9 | 0.053 | 10.7 | 3.0 |
| 3.3 | 74LVX04 | 0.045 | 13.7 | 3.0 | 0.033 | 10.1 | 3.0 |
かなり低くなりますね。おおむねパラ数の効果通りで１／３程度に下がってきています。
やはりパラの効果は大きいです。
そういえば・・・・
ロジックＩＣの内部抵抗はずいぶん前ですがＲ−２ＲラダーＤＡＣのときに測定した覚えがあります。
Ｒ−２Ｒの誤差の１つの要因がロジックＩＣの内部抵抗にあるわけですから。今回測定した結果からいけば、
パラ化することでロジック自体の内部抵抗は下がりますから、これでＲ−２Ｒを作ればそれなりの精度が
得られるような気がしてきました。でも、また数１００本の抵抗の選別もあるので、それだけがちょっと・・・・。
世の中には精密抵抗があるわけですから、これらを使えば選別の手間は省けそうです。
でも、そのような精密抵抗っていくらくらいするのかな？と思い調べてみました。
いわゆる薄膜抵抗からピックアップです。digikeyで誤差０．１％、抵抗値１０ｋΩで、形状は２０１２サイズのチップ抵抗とすると
１０１品目もでてきました。なかでもバーンズの物が価格的にも入手しやすそうです（CRT0805-BY-1002ELFCT-ND）。
１００個買えば＠１３円。１６ビット分解能でステレオ分を揃えるには約１００個必要ですからね。ちなみに、
Ｒ−２Ｒを組むのはＲ−（Ｒ＋Ｒ）とすれば１種類の抵抗で済みますので、１６ビット分だと１６×３＝４８個で、ステレオで
約１００個になります。
でも、いまさらとういう感も・・・・・
リニューアルR-2Rは実現するのかな？ 2010.5.21
しばらく出張が続いてなかなか音楽を聴く暇はなかったけど、頭をあれこれ巡らす時間は
十分にできて、R-2Rをつくろうという気になってきました。 夏休みの工作かと思って
いだけど、少し前倒しになりそうです。
R-2R DACは抵抗の選択や、MSBの調整も必要で、作るのが面倒な割に一般のDACｰICに比べて
性能を出しにくく、やや使いにくいところがありますが、まずはディスクリート構成
となるため素子の特徴を出しやすいことと、いまでは少ないマルチビットＤＡＣを実現できること、
そしてなにより自作の楽しさが得られるＤＡＣです。
こんな素子も発見
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ちなみに、世の中にＲ−２ＲのＤＡＣがあるかを探してみると見つかりました。
１８ビット分解能のものです。これっていいのでは〜と思いましたが、
パッケージが小さい！これって実装に絶対失敗しそうです。
ちょっとあきらめ。
パッケージサイズ。ちいさいな〜
リニューアルR-2Rのコンセプト
また、どういったコンセプトで作るか色々と案を列記。
ケース１
必要最小構成の１６ビットとして、１枚の基板でステレオ構成としたもの。
ＤＡＩも搭載して、これ１枚でDACとして動作するように構成です。
できるだけシンプルをモットーに考えた場合。
ケース２
２４ビット構成として、１枚の基板では片チャンネル分。
２枚でステレオとなるが、４枚で差動で使えるようにする。
もちろんパラ化もこだわる（最大８パラくらいにする）。
いわゆるR-2Rのハイエンド？
いづれにしても、使う素子なんかは決まって来そうです。
抵抗器
チップ抵抗と通常の抵抗器も使えるようにする。チップ抵抗器については
抵抗値１種類で済むようにするのが便利です。またチップ抵抗は0.1%のバーンズのものが使える
サイズとするのがよいでしょう。
ドライブＩＣ
ロジックICの基本は74HCでしょうが、ドライブ段はインピーダンスの低い74ACを使いたいところです。
あるいはLXCシリーズかな。HCでも十分速度的に間に合いますが、折角なので低インピーダンス化をねら
いましょう！
基板サイズ：
電源基板やRenewASRCと同一サイズにすると２段、３段重ねができるので便利そうです。
動作電源
基本は5V単一としましょう。
差動アンプ
これは搭載せず、外付けとするのが簡単です。差動アンプ自体も簡単な回路なので、ユニバーサルで組んでも
しれているでしょう。あるいはミニアンプでもいいかな？
調整方法
ＭＳＢの抵抗値誤差を吸収するためのＶＲは搭載可能にするが、聴感のような定性的な調整方法だけでなく
テスターで簡単に設定できるように、前作と同様の工夫を行う。
こんな感じでしょう。
具体的なアートワークにかかる！
と、その前に
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こんな提案がありました。パラもいいけど、低ON抵抗のドライバー段をかますのも１つの手段です。
いっそのことオペアンプをつなぐという手もありますね。そうすれば、ほとんど出力抵抗はゼロです。
でも、実装できるかな〜
ドライバー段のMOSFETはハーフブリッジタイプのものやＨブリッジタイプのものがあります。とくに
Ｈブリッジドライバはモータドライブを想定したものでしょう。
  PNが両方入ったタイプ（ハーフブリッジ用？） FDS8958B |
  HブリッジタイプのIC（ZXMHC6A07N8DITR） これなら２回路とれる。 |
そして、具体的なアートワークにかかる！
必要な部品が搭載されるか確認してみましょう。
比較的余裕はありそうです。でも16bitステレオ構成（一番右）の場合ではＤＡＩ回路まで載せるのは難しそうです。
24Bitモノ構成： 24Bitモノ構成： 16Bitステレオ構成
バッファーOPアンプを使用 バッファーにMOSFETを使用 （DAI無し）
試作の前にちょっと確認しておくことがあるので、まずは部品を入手しないと！
なぜか、2SC97Aを購入！
私はメタキャン信者じゃないけれど（笑）、高周波がよいとのことなので購入してみました。
R-2Rの出力には差動アンプの接続が必要になる場合がありますが、
ついでなので、A7−ｂｅｔａアンプをリニューアルしてみようかとも思っています。
2SA97A いまでは珍しいＣＡＮタイプ
リニューアルするA7-Betaの回路案
上図のNPNトランジスタはすべて2SC97Aにしてみるかな？
まずはこんなパターンをつくりました。回路図とは部品番号が違うけど、回路図を別途修正。
基板サイズに余裕があるので、部品配置が楽です。
NEW A7基板
回路図を書き直しました。
今回の回路は初段Ｑ１，Ｑ２の定電流源としてFET、ツエナー、LEDの３パターンが使えるように
してみました。でも、２ＳＪ１０３って秋月から消えてしまったんですね。
部品類到着！
DIGIKEYに注文していた確認用の部品が到着しました。週末は少しテストをしてみましょう。
ＭＯＳＦＥが３種類とDUAL オペアンプが１種類です。
オペアンプについてはFET入力とスルーレート、さらに価格を考慮してTL072を選びました。
購入したチップ類
まずはMOSFETの評価
今回購入した３種のMOSFETのスペックは下表の通りです。値段が安いFDS8958は
多少ON抵抗が高めですがゲートチャージは小さいですね。
| 型 番 | SI4511 | FDS8858 | FDS8958 |
| メーカ | VISAHY | FAIRCHILD | FAIRCHILD |
| ON抵抗(mΩ） Ｎｃｈ Pch (4.5V時） |
17 50 |
20 34.5 |
39 80 |
| ゲートチャージ(nC) Ｎｃｈ Pch |
11.5 17 |
17 33 |
4.1 7 |
| 価格（円） Digikey |
@206 | @108 | @69 |
確認事項について
ひとつはMOSFETを外付けドライバーとして使用したときに低ＯＮ抵抗になっているかどうかを確認することです。
というのもそういった用途でつかったことがないので、まずは不安があります。さらに、MOSFETのゲートの入力容量も
大きいので、ロジックＩＣで駆動した場合に、どのような波形になるかも気になります。
価のための回路はこんな感じです。出力抵抗をＧＮＤに接続するか、あるいはＶｃｃに接続するかの２パターンにて分けています。
なお、on抵抗測定時の負荷抵抗は１００Ωと低い値をつかいました。有る程度低い抵抗値にしないと、テスターで測定できる
レベルの電圧がでそうにないですからね。
評価回路
まずは評価が出来るようにICをそれぞれ変換基板に取り付けます。
適当に割り折ったのでバリがいっぱいです（笑）。
変換基板にとりつけたＭＯＳＦＥＴとオペアンプ
評価の様子
ON抵抗の評価結果
下表のような結果になりました。74AC04の出力電圧差を含めたネットの測定値なので
多少カタログ値とはことなりますが、ほぼ同様の値でしょう。どれも０．１Ω以下が実現
できそうなので、かなり期待ができそうです。
| 型 番 | SI4511 | FDS8858 | FDS8958 |
| Nch-ON 電位差（ｍＶ） ON抵抗（Ω） |
1.4mV 28mΩ |
1.4mV 28mΩ |
1.9mV 38mΩ |
| Pch-ON 電位差（ｍＶ） ON抵抗（Ω） |
1.7mV 34mΩ |
1.8mV 36mΩ |
3.3mV 66mΩ |
波形を観察してみる！
今度は、入力に44kHz程度の信号をいれて波形をみてみましょう。
綺麗な矩形波になればいいのですが、結構ドキドキしたりします。
評価回路はこんな感じ。
これは結構面白い結果になりました。
CASE1はロジックICにAC04を用いて負荷抵抗１００Ωとした場合ですが、SI4511ではかなりリンギングが発生します。
これは負荷の問題かと思って負荷抵抗値を１ｋΩに変更してみましたがかわりません（CASE2)。
このリンギングはロジックICの出力ででているようなので、MOSFETの負荷容量が大きいために発生しているようです。
ということもありロジックICをもう少し出力がマイルドなHC04に変更(CASE3)したところ、かなり綺麗な波形になりました。
波形の点からいけばFDS8958が一番よいようです。内部抵抗だけで評価すると他の２種に劣ります（それでも優秀）が、
総合的にはＦＤＳ８９５８を使うのが一番よさそうです。
| SI4511 | FDS8858 | FDS8958 | |
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データ取り直し！！
あまりにも評価基板がやっつけ仕事だったので、少し綺麗に配線しなおして再測定してみると、
全然波形が再現しません。どうやら、さきほど測定した結果ではパスコンなども測定毎に変わって
いたところもあるので、再度測定し直してました。とくに、電源部に容量のある電解コンデンサを
いれておかないと電源が振られて、それだけでも悪い特性になるようです。良い勉強になりました。
きちんとした配線をしないと！！
評価基板を作り直し！
再評価結果
最初に測定したような大きなリンギングはなくなっています。
CASE1はロジックICに74AC04をつかい45kHz程度の周波数で波形を観察しましたが、SI4511では立ち上がりにやや乱れがみられます。
CASE2では周波数を１０倍程度に上げて測定しましたが、波形的にはＦＤＳ８９５８が一番綺麗です。
CASE3はロジックICを74HC04に換えましたが、周波数が高い領域では駆動力がたりずSI4511では波形がかなり鈍ります。
こうなるとMOSFETのＰｃｈとＮｃｈが同時にONになる時間帯が増えてしまって、貫通電流でMOSFETが加熱（あっちっち）になってしまいました。
CASE３でもＦＤＳ８９５８が良好のようです。
結論的にはＦＤＳ８９５８をつかってロジックは74ACシリーズなどの高速タイプを使うのがよさそうです。
最初の実験とは結論が異なってしまいましたが、再試験して良かったです。
| SI4511 | FDS8858 | FDS8958 | |
| CASE1 駆動ロジック 74AC04 周波数 約45kHz |
 立ち上がりに乱れがある。 |
 波形は綺麗 |
 波形は綺麗 |
| CASE2 駆動ロジック 74AC04 周波数 約443kHz |
 周波数を上げると乱れが顕在化する。 |
 やや波形に乱れ |
 ３種類の中では波形は一番素直 |
| CASE3 駆動ロジック 74HC04 周波数 約443kHz |
 この直後にICは加熱。 スイッチング速度が遅く貫通電流過大。 |
 波形の立ち上がりがやや鈍い。 |
 波形の立ち上がりはいい。 |
つぎはOPアンプ！0
オペアンプをボルテージフォローアーの形で使用してバッファーとしています。
ＯＰアンプのテストの様子
使用したのはＴＬ０７２（DUALです）
評価結果！
まずＯＰアンプなのでオフセットが生じますが、このオペアンプの場合は入力をショートしたときに
5.4mVのオフセットがありました。
(a)入力Ｈの場合： 出力電位差は-5.3mVでした。すなわちオフセットを考慮した実質の出力抵抗値は2mΩ
(b)入力Ｌの場合： 出力電位差は5.5mVでした。すなわちオフセットを考慮した実質の出力抵抗値は同じく2mΩ
ということでオフセットをさっ引いた場合のON抵抗はMOSFETより１桁低く数ｍΩを確保できることになります。
（ｃ）スイッチング特性
下図に示してますが４０kHz程度なら綺麗な矩形波になりますが、４００kHｚになるとスルーレートがよくわかります。
あまり高速動作には向かないですね。低速オンリーなら良い成績がでそうですが・・・・
さて、MOSFETとOPアンプのどちらを作るかな？それとも両方つくるかな？
MOSFETバッファー型にしましょう！
いろいろと理由はありますが
１．速度的に良好
２．OPアンプだとオフセットのばらつきが心配
３．５Ｖ単一電源で済む
といったところがメリットです。オペアンプの方が素子としてのバリエーションは高いのですが、
同時に価格も高いので、ちょっと数１０個を豪勢につかうのも大変です。
そうときまればアートワーク！
ぼちぼちと描いていきましょう。
長くなってきたので後編につづく。