目的
今回は、エンハンスメント型のNMOSトランジスタを使用して構成したカレント・ミラーの動作を調べます。
背景
2020年8月のStudentZoneでは、バイポーラ・トランジスタ（BJT）を使用して構成したカレント・ミラーについて説明しました。NMOS（n型金属酸化物半導体）で構成したカレント・ミラーも、理論上はそれと同じように動作します。その基本原理は、「ゲート‐ソース間電圧VGSが等しい同一のトランジスタが2つあったとき、それらのドレイン電流IDの値は等しい」というものです。つまり、1つ目のトランジスタM1を流れる電流が、2つ目のトランジスタM2にミラーリングされるということです。MOSトランジスタのVGSとIDの間には、以下の関係があります。
ここでμnCox/2（= K）とλは、プロセス技術によって決まる定数です。
「同一のトランジスタ」というのは、W/Lとプロセス技術に依存する定数の値が等しいという意味です。カレント・ミラーは、2つのトランジスタのVGSが等しくなるように構成します（図1）。そのため、IDの値も等しくなります。NMOSのゲート端子には電流は流れ込まないので、IIN = IOUTとなります。
準備するもの
- アクティブ・ラーニング・モジュール「ADALM2000」
- ソルダーレス・ブレッドボード
- ジャンパ線
- 抵抗：1kΩ（2 個。抵抗値ができるだけ近いものか、3 桁以上のもの）
- 小信号 NMOS トランジスタ：「ZVN2110A」（2 個）またはNMOS アレイ「CD4007」
- デュアルオペアンプ：「ADTL082」など（1 個）
- デカップリング・コンデンサ：4.7 µF（2 個）
説明
図1の回路において、入力抵抗R1と出力抵抗R2の値はどちらも1kΩです。カレント・ミラーの入出力電流を正確に測定するために、R1とR2については実際の値を必ず正確に測定してください。IINは、W2（ADALM2000の任意波形ジェネレータの出力）の電圧をR1の値で割ることにより求められます。IOUTは、オシロスコープのチャンネル2で測定された電圧をR2の値で割ることで求められます。ダイオード接続されたM1は、M2のゲート端子とソース端子の間に接続されています。
図1の回路で使用しているオペアンプは、カレント・ミラーの入力ノードが仮想グラウンドになるように機能します。また、W2から出力されるステップ状の電圧を、1kΩの抵抗を流れるステップ状の電流に変換する役割を果たします。
ハードウェアの設定
W2の出力電圧は、ファイルに収められたデータを基に生成します。ここでは、stairstep.csvというファイルを読み込むと共に、振幅を3Vp-p、オフセットを1.5Vに設定します。オシロスコープのチャンネル1（入力1+と1-）を使い、出力デバイスであるM2のVDSを差動で測定します。カレント・ミラーの出力電流は、R2の両端に接続したオシロスコープのチャンネル2（入力2+と2-）を使って計測します。AWG1（W1）から周波数が40Hzの三角波を出力することにより、M2のドレイン電圧を掃引します。なお、図1の回路を使用する場合、オペアンプが電源Vp（5V）とVn（-5V）に正しく接続されていることを確認してください。
手順
オシロスコープは、入力信号と出力信号の複数の周期を取得できるように設定します。図1の回路を使用している場合には、オペアンプの電源が投入されていることを確認してください。
ソフトウェア・パッケージ「Scopy」を使用し、2つの波形をオシロスコープ機能によって取得してください。図5に、取得した波形の例を示します。また、LTspice®によって、この回路のシミュレーションを実行してみてください。
次に、W1の周波数を200Hzに変更し、オシロスコープ機能によって2つの波形を取得します。この条件で、LTspiceによってシミュレーションを実行した結果を図6に示しました。
以上、今回は実験とシミュレーションによって、NMOSトランジスタで構成したカレント・ミラーの動作を確認しました。ADALM2000とScopyの使い方もご理解いただけたでしょう。
問題
バイポーラ・トランジスタで構成したカレント・ミラーと比較して、NMOS で構成したカレント・ミラーにはどのような長所がありますか。
答えはStudentZoneで確認できます。
