【自作派必見】自宅で手軽にV-Iカーブトレーサーを構築する方法

電子工作のトラブルシューティングに欠かせないV-Iプロット。市販のカーブトレーサーは高価ですが、実は身近な機材を使って自作可能です。本稿では、自宅のラボで手軽にV-I特性を測定するための構築テクニックを紹介します。

そうそう、これ系の話題で必ず出るコメントを先回りしておくと、昔は「カーブトレーサー」っていう、V-Iプロット専用のすごく特化した装置があったんだよね。今はSMUが同じ仕事をしてくれるから、ほぼ絶滅したけど。Tektronix 576や577みたいな往年のカーブトレーサーは、この記事で紹介されてるSMUよりもずっと高価なやつじゃないとできないような芸当ができたんだ。例えば、1500Vや1600Vまで電圧を上げられるからパワートランジスタやダイオードのブレークダウンを見たり、大電流用の治具を使って短いパルスで1000Wもの電力をかけて、200Aみたいな大電流でのV/I特性を確認したりとかね。一般的にV/I特性で一番面白いのは、ブレークダウン挙動を見るための高電圧側か、バイポーラトランジスタの飽和電圧やFETの最小抵抗、あるいは大電流での利得低下を確認するような高電流側だから。カーブトレーサーの使い方はこの動画でわかるよ：https://youtu.be/bXbGktOHXzs 　きれいな画像はこちら：https://www.pa4tim.nl/meetapparatuur/tektronix-576-de-koning-onder-de-curvetracers/

「この本は、かつて学習を試みて壁にぶつかった人を含め、探究心のあるホビー層向けです。420ページ超、290以上の緻密なカラー図解で、『The Secret Life of Circuits』は配管の例えや難解な公式よりも、現代的な問題解決と真の直感を優先しています」――個人的には、この分野の良書を書くせっかくの機会を無駄にした気がする。既存の文献を皮肉って「真の」直感とか言っちゃうあたり、正直うんざりするよ。

学生時代にジョセフソン接合（JJ）を扱っていた頃を思い出すよ。接合の特性評価で最初にやるのがI-Vカーブの測定だった。JJのI-Vカーブは低減衰領域にヒステリシスがあるから厄介で、必要な精度でカーブを取るために結構込み入ったステップ制御のロジックが必要だったんだ。今どきは何でもデジタルで、AcqirisやAgilentの1GHz ADCがあって測定は全部ソフトウェアで完結するけど、昔使ってた古い20MHzのHMAGオシロスコープをXYモードにして、三角波発生器でI-Vカーブをリアルタイムで表示させてた頃が懐かしいよ。古き良き時代だったな。

いい記事だね。ONSemiのBS170のデータシートを見ると、「ドレイン・ソース間降伏電圧」のスペックが「VGS = 0, ID = 100 uA DC」の時にしか適用されないことは明らか。実際のデバイスで測定したカーブが教科書と違って見えたら設計者が困るんじゃないかって？ まあ、みんなが思うほどでもないよ。理由としては（a）測定カーブは依然として規定のパラメータ内に収まっているから、（b）多くの基本パラメータは個体差（あるいは経年変化）の方がもっと大きいから、というのがある。グラフに使われているV_GSの値（2.34, 2.5, 2.63, 2.71V）を見てみると、0.4Vも差があるよね。でもデータシート上のV_GS(th)（導通し始めるしきい値）は0.8～3.0Vもの範囲があるんだ！カーブの傾き（g_fs）に至っては範囲すら提示されず、単一の動作点での「代表値」しか書かれていない。だから設計者はこのパラメータだけに頼って回路の挙動を決めることはできなくて、あくまで一般的な範囲や傾向として捉えるしかない。ただトランジスタ単体を使って、予想通りの動きをする発振器や増幅器が作れるなんて思っちゃダメってこと。製品として成立する回路にするには、こうしたバラツキを負帰還で完全に抑え込む必要がある。だから実用的な回路は、トランジスタの全端子に抵抗やコンデンサのネットワークがぶら下がっている構成になりがちなんじゃないかな。