ディスクリート部品によるSpy-Bi-Wire電圧コンバータ（その1）

MSP430を2本の線でデバッグできる、I²CライクなSpy-Bi-Wireを、3.6V電源で動作するLaunchpadから引き出して、エネループ2本(約2.5V)で動作するシステムに接続する方法として、レベルトランスレータと呼ばれる双方向レベルコンバータのTXSE0104Eを使用したものを、以前製作して使用していましました。

この方法の良い点は確実に動作させられることと、使い方が簡単であるということですが、TXSE0104Eは入手経路が限られるという問題もあります。他方、I²Cの参考資料に掲載されているMOS-FETを使用したレベル変換方式では、使用するMOS-FETの特性が重要になってきます。

デバッグのターゲットとなるシステムの電源電圧は2.5Vですので、MOS-FETのV_thがそれよりも十分低い必要があります。また、ソース-ドレイン間の寄生ダイオードのV_Fも十分に低い必要があります。

まず、V_thの条件を満たすMOS-FETとしてはBS108またはBSS138が候補に挙がりました。秋葉原でも入手可能な部品という点ではBSS138が秋月電子通商で販売されているので、こちらを選定しました。

ただし、寄生ダイオードのV_Fとしては、440mAをパルス状にして流したときのデータしかなく、Typで0.8Vと比較的高い値を示していました。このため、今回の実験ではV_Fが0.3V程度と比較的低いショットキーダイオードのBAT43をMOS-FETのソース-ドレイン間に並列接続しています。

上の図に示した回路構成の電圧コンバータをLaunchpadとターゲットとなる回路に接続して、CCSから接続テストを行った結果、デバイスの認識とプログラムの書き込みに成功しました。

次のステップとしては、MOS-FETと並列に挿入しているショットキーダイオードを外したらどうなるか、というあたりの実験をしてみたいと思います。その理由は、Spy-Bi-Wireで接続した際に流れる電流は440mAよりもはるかに小さく、寄生ダイオードのV_Fの値もデータシートに示される値より十分小さくなることが期待できるためです。

北大とJST、トンネル効果を利用した新型トランジスタを開発

JSTと北大の研究により、新型トランジスタが開発されたそうです。

トランジスターの理論限界を突破　次世代省エネデバイス実現へ

このトランジスタは、現在主流のウェハ表面に100nm未満の精度で作られた、何層ものパターンを用いて生成されるものではなく、かなり大きな柱状のデバイスをシリコン基板上に作るもので、シリコン基板上にInAsという化合物半導体の芯を持つ柱を立てて作られるものです。

このトランジスタを用いて、現在のLSIと同じ程度の回路規模を実現するためには、柱の小型化が鍵になりますが、問題点はゲート領域を確保するためにある程度の柱の高さを確保する必要がある点です。

このトランジスタの動作原理は上記のリンク先の図2(d)に示されるように、ゲート領域の無添加InAsの伝導帯の静電ポテンシャルが変化することによってON/OFFの切り替えを行っています。

OFF状態

ゲート領域の伝導帯ソース領域の価電子帯よりも高いレベルにあり、ポテンシャル障壁によって電流は流れない状態になっています。

ON状態

ゲートに+電圧を印加した際にソースの価電子帯よりも下がって、ドレイン領域と同レベルになり、なおかつゲート領域とソース領域が、ごく薄いポテンシャル障壁を持つことによって、トンネル効果によりドレイン-ソース間の電流が流れます。

このため、柱を細くするのは問題なくても、柱の高さ低くしてゆくとスイッチとして機能しなくなります。

原理としては面白いと思いますが、実用化へのハードルは高そうです。

OPERAについて

CERNなどの研究計画で、CERNから発射したニュートリノをイタリアにあるOPERAと呼ばれる施設で到達時間を測定し、速度を求めるという実験が行われ、光速よりも速いという測定データが出たことを覚えているでしょうか？

その原因は、6月8日の朝日新聞夕刊によると、OPERA施設内の計時に用いられる信号伝送を行う光ケーブルの接続点で1.5mmの隙間があったためだそうです。

詳細を見ていないので推測ですが、仮にケーブルの光ファイバー同士を密着させるべき所が外れていた場合、光ケーブルから飛び出した信号が1.5mm先の光ケーブルにうまく入るかどうかが、まず疑問として浮上してきます。

一般的に光コネクタは精密加工されており、光ケーブル同士の接点で反射が起こらないように光ファイバのコア同士を密着させる機能を持っています。

緩みの原因が光コネクタへの挿入不良であった場合、受ける側の光信号が大きく減衰するだけでなく、空気中を経由することによる伝播時間遅延が発生します。

この条件で簡単に計算してみると

c=3×10⁸m/sとしてL=1.5×10^-2mの距離を進んだ場合を考えます。

t=L/c(sec)とすると、15/3×10^-3-8=5×10^-11secとなり、50psecとなります。

そうすると、OPERA側の時計は最も良い条件でも、本来の時刻より50psec遅れた時刻となっているため、光の速度とほぼ同じ速度で移動してきた粒子が、光よりも50psec早く到達したことになり、「光よりも速い粒子」が「発見」されてしまいます。

実際のところ光ケーブルが外れていたら、まともに観測はできないと思いますが、詳細はプレスリリースを待ちたいところです。

ちなみに、「超光速」を撤回＝ニュートリノ再検証―機器に不備・国際研究グループという記事によると、GPS衛星からの信号伝播時間の遅れは1億分の7秒(7×10^-8)、と上記の計算で求めた値よりも大きくなっています。

ケーブルの緩みなどを勘案すると設計した遅延時間よりも相当に大きくなっていたのでしょう。

参考

• 光ケーブルと光コネクタについて

「驕る平家は久しからず」

5月4日付けのNHKニュースによると、先日倒産が報じられた国内のDRAMメーカー、エルピーダが、米国のマイクロンによる再建支援を受けることになったそうです。

かつて、電子立国　日本の自叙伝というNHKの番組で世界最高水準と謳われた日本のDRAM産業が、かつて追い越したはずの米国企業に救済されるというのも皮肉な話ですが、確かにその番組でも、最終回にDRAM一辺倒では先が無いというような指摘はあったんですね。

結果的に、番組放映後10年も経たないうちに国内各メーカーが個別に持っていたDRAM部門を寄せ集めた、国策企業としてのエルピーダが誕生し、それでも10年余りで倒産し米国企業の救済を受けることになった訳ですが、倒産に至った経緯を真摯に反省して、社内の旧弊を取り除かなければ、同じ失敗を繰り返すであろうことは明白なわけで、経営陣には相応の覚悟が求められるのでしょう。

従来より低コストで高輝度な青色LED開発へ

Semiconductor Todayによると、NTTの基礎研究所(厚木市森の里)で窒素化合物半導体を、六角形に結合したホウ素と窒素の化合物(h-BN)の薄膜をサファイア基板上に生成してから、その上に窒素化合物半導体デバイスを作ることで、サファイア基板から半導体デバイスを切り離して、他のシリコンや金属、透明なプラスチックなどの基板上に貼り付ける方法を開発したそうです。

これは、サファイア基板と半導体デバイスの間に挟まれた、h-BNの層を機械的な力で剥離させることによって実現するそうです。この方法を用いると特殊な機材や化学処理の必要が無く結晶の欠陥も少ないそうです。

この方法を用いて作成したLEDは、従来のLEDと同じ順方向電流で、およそ2.5倍の輝度が得られたそうです。

LED表示機やLED照明の低消費電力化に寄与しそうな成果ですね。

更新が止まっていますが…

プロジェクト先から戻ってきて、てんやわんやであったことに加え、国内IT大手の大赤字の影響で再び職探しの身となっております。

実際のところ、国内の大手電機が軒並み不振に喘いでいる状況ではありますが、フォトマスクのメーカーなど、ごく一部では生き残れる可能性があるようです。

そんな訳ですが、製作品のアイディアは相変わらず海外の情報に依拠しておりまして、実にシンプルな構成の容量型タッチセンサの実験を試みようと画策しております。

またもや狂い始めたクォーツ時計

先のエントリで、一旦は動いたように見えたLED時計ですが、またもや狂い始めました。

ただ、今回は周囲温度の影響を強く受けたためと推測てきます。マイコンは工業規格品ですので余裕がありますが、電池と水晶振動子の動作温度範囲が0℃付近ぎりぎりとなっています。

• 電池：エネループ -5℃～50℃
  
• 水晶振動子：AB26T -10℃～60℃
  

このセットは、仙台市の郊外のアパートの一室に置いてあり、部屋の防寒性能が全くないため、暖房を使用しなければ外気温と同じ温度まで室温が低下します。

つい先日、仙台市中心部の最低気温が-6℃を記録しましたが、その時に電池もしくは水晶振動子に障害が発生したと考えられます。

寒冷地での使用を考慮した場合、動作温度範囲の広い部品を選定する必要があることに改めて思い至った次第です。