メディア
連載
» 2015年12月21日 11時30分 公開

マイコン周辺部品の選び方――トランジスタ/MOSFET編Q&Aで学ぶマイコン講座(21)(3/3 ページ)

[菅井賢(STマイクロエレクトロニクス),EDN Japan]
前のページへ 1|2|3       

MOSFETの種類と使い方

 MOSFETにはP型とN型があります。スイッチング素子として使う場合、N型は負荷よりも接地側に付け、P型は負荷よりも電源側に付けます(図4参照)。N型の場合は、ゲートにHighレベルを印加するとONします。P型の場合は、ゲートにLowレベルを印加するとONします。MOSFETのゲートには、基本的に電流は流れません。マイコンの汎用IOを出力端子としてゲートに接続する場合の負荷はゲート酸化膜の静電容量になります。この静電容量がマイコンのデータシートに記述されている負荷容量よりも小さければ、データシートに記載されている汎用IOのスペックがそのまま適用できますが、それよりも大きいと、インタフェースの設計に注意が必要になります。

汎用IOを出力としてMOSFET入力に接続する場合

 マイコンの汎用IOを出力として使用する場合、トランジスタと違って電流が流れませんので、負荷電流の検討は基本的に不要です。ただし、ゲート容量の大きいMOSFETの場合は、負荷となる静電容量を充放電する時間を考慮する必要があります。マイコンの汎用IOの負荷容量はマイコンのデータシートに記載されています。

図4 MOSFETの種類と使い方(下の図はSTM32F103シリーズのデータシートに記載されている負荷容量) (クリックで拡大)

 図4中の下図はSTM32F103シリーズのデータシートに記載されている負荷容量です。この場合50pFです。汎用IOの負荷は50pFを前提としてスペックが規定されているという意味です。

 これは汎用の出力がHighレベルでもLowレベルでも同じ条件が適用されます。もし、STM32F103にゲート容量が50pFよりも大きいCMOSを接続する場合は、データシートに記載されている特性は保証されません。自分で時定数などの計算を行って適切なインタフェースを設計する必要があります。特に信号の立ち上がり時間や立下り時間のAC特性に影響を及ぼしますので、通信機能として使用する場合は注意しなければなりません。

MOSFETを出力として汎用IO入力に接続する場合

 MOSFETの出力をマイコンの汎用IOに接続する場合はどうでしょうか? この場合、汎用IOは入力として使います。前述したように、汎用IOの入力レベルにはCMOSレベルとTTLレベルがあります。MOSFETの場合はCMOSレベルが適用されます。CMOSレベルはTTLとは違って、電源電圧に依存します。図5にSTM32F103シリーズのCMOS入力レベルのグラフを示します。VIHの規定は0.65VDDで、VILは0.35VDDです。基本的にCMOS回路同士のインタフェースは電流が流れませんので、電圧降下は気にしなくてもよいですが、マイコンの汎用IOにはプルアップ/プルダウン抵抗がついている場合があるので、別経路で電流が流れないか確認する必要があります。

図5 CMOSレベル(グラフはSTM32F103シリーズのCMOS入力レベルのスペック) (クリックで拡大)

FAN OUTと配線長

 1つの出力端子(ここでは汎用IO)に接続できる素子の数をFAN OUT(ファンアウトまたはファンナウト)といいます。汎用IOから複数のトランジスタやMOSFETを接続する場合は、負荷が増えて、正常な電気的特性が得られなくなります。トランジスタの場合は負荷電流が増えますし、MOSFETの場合は負荷容量が増えます。増えた総量でインタフェースを設計しなければ正常な動作が得られなくなります。

 実際に、1つの汎用IOに十数個のトランジスタをつないで、「正常に動作しないのですが……」と問い合わせてこられたユーザーもいらっしゃいました。

 また、汎用IOとトランジスタまたはMOSFETとの配線長も負荷増加の要因になります。配線はインダクタンス成分と抵抗成分を持っていますので、できる限り短くしましょう。実際に配線長を1mくらい引き回して、こちらも正常に動作せず問い合わせてこられたユーザーがいます。

 マイコンの汎用IOとトランジスタまたはMOSFETは、つなげれば動作するというものではありません。必ず電気的特性のマッチングを取って設計する必要があります。

過去の質問一覧はこちら

次の記事を読む

前のページへ 1|2|3       

Copyright © ITmedia, Inc. All Rights Reserved.

RSSフィード

公式SNS

EDN 海外ネットワーク

All material on this site Copyright © ITmedia, Inc. All Rights Reserved.
This site contains articles under license from AspenCore LLC.