電気/電子用語および定義：V

V_RMSは、二乗平均平方根(Root-Mean-Square)電圧を意味する。

なぜRMSが使用されるか？

時間に対して一定であるDC電圧とは異なり、AC (交流)電圧は時間とともに変化し、正弦曲線の形状をしている。AC信号のRMS値は、同じ熱効果(電力)を生み出すのに必要なDC電圧に等しい。米国における商用電源のRMSは110V_RMSで、欧州では220V_RMSである。

RMS電圧は平均電圧とはどのように異なるか？

正弦信号(図1)は、サイクル単位で正のピーク値と負のピーク値の間を交互に行き来する。したがって、信号の平均値は0となるため、信号の平均値は有用な数量ではない。AC信号の電力は、正と負の両方のサイクルで使用される。RMSは、時間軸上の特定点における信号電圧の値の二乗を使って計算される。二乗によって負符合が除去されるため、負の値の寄与が含まれることになる。このように、RMSは平均が0の一連の数に対する標準偏差の計算に似ている。

図1. 正弦曲線で変化するAC信号

RMSとピーク電圧の間にはどんな関係があるか？

V_RMSとV_pkの関係を示す式は、次のとおりである。

                V_pk

 V_RMS =  -------

                 √2

さらに詳しく：Data conversion calculator (データ変換計算器)

例：V_CCは正電源電圧であり、バイポーラトランジスタのコレクタ端子は、V_CC電源に接続されているかV_CCに接続している負荷に接続されている。V_SSはFETなどのソース端子に接続されている。

V+やV-も、電源電圧を意味する一般的な方法である。

電圧制御発振器(VCO)は、出力周波数が入力電圧に比例する電子発振器回路である。発振器は周期的なAC信号を生成するが、VCOでは、発振周波数が電圧によって決定される。

電圧制御発振器はどのように動作するか？

発振器は、1つの形態と別の形態の間でエネルギーを交互に伝送することによって動作する。そのための1つの方法はLC回路を使用するもので、エネルギーはインダクタ(L)とコンデンサ(C)の間を移動する。コンデンサは電極板の間の電界という形でエネルギーを蓄積してインダクタを介して放電し、インダクタはそのエネルギーを磁界の形で蓄積する。次にインダクタはコンデンサの他方の電極板に充電し、プロセスが再び開始するが、今度は電流が反対方向に流れる。この発振が起きる周波数は共振周波数で、√LCに反比例する。

電圧制御発振器は、可変容量ダイオードを電圧制御コンデンサとして使用することによって作ることができる。可変容量ダイオードにかかる逆バイアス電圧が変化すると、それに伴って容量が変化するため、周波数も変化する。

VCOは何に使用されるか？

VCOはフェーズロックループ(PLL)の重要な部分である。PLLは、｢基準｣信号の位相に対する関係が固定の信号を生成する制御システムである。PLLは、無線、通信、コンピュータ、およびその他の電子機器でさまざまな用途に使われる。VCOには、他にも周波数および位相変調での用途があり、ファンクションジェネレータやシンセサイザなどのアプリケーションがある。

参照：フェーズロックループ(PLL)および電圧制御発振器(VCO)

｢SSI｣ (Small-Scale Integration：小規模集積回路)、｢LSI｣ (Large-Scale：大規模)やその他いくつかとともに1970年代に生まれた用語で、IC当りのトランジスタまたはゲート数で定義される。技術が進化し続けることによって、数的定義というものは時間の経過とともに無意味なものとなるのは明らかであるため、その定義は少々愚作であったと言える。また業界によっても定義が異なる -- VLSIアナログ製品はVLSIデジタルロジック製品やVLSIメモリ製品とは大きく異なる。

結局、専門家は｢ULSI｣ (Ultra-Large-Scale：超大規模)のような用語を試み始めた。一方、エンジニアはそれをすべて無視し、新語を作り出す代わりにより優れた製品の開発に時間を費やした。

LSIおよびVLSIは現在一般用語としてよく使用されており、カテゴリにおける典型的な製品よりも主観的により多くのデバイスを備える製品または技術を指す。マキシムは、アナログおよびミックスドシグナルの技術トレンドが複雑さを増したものになってきたことを認識してきた。マキシム製品は、一般のアナログ製品よりも多くのデバイスを持つMAXQマイクロコントローラコアのような、複雑な制御を備えているものが多い。

一般的な配管のたとえを使うと、電圧は水圧に似ており、電流は流れ(例えば、 リッタ/分)にたとえられる。

数式では、通常Eという記号が使用される(E = IRなど)。Vは測定単位記号で、ボルトを表す。

電力はワット(W)で測定される：電圧と、各瞬間に測定される電流を掛ける。直流システムまたは抵抗負荷においては、ワット量とVA測定値は同じになる。しかし、反作用負荷の場合は、電圧と電流は位相はずれで、ボルトアンペア仕様はワット量より大きくなる。

電力を決定するためにワットがふさわしい。駆動回路(例：回路ブレーカ、配線、および無停電電源)の容量を決定するためには、VAが適切。

分圧器とは、出力電圧が入力より小さい電気回路である(図1)。

図1. 分圧器回路

｢分圧器｣という用語は、回路の動作の仕組みに関連している。この回路は、図1に示すように2つの直列抵抗(R1およびR2)と入力電圧ソース(Vin)で構成される。オームの法則によって決まるとおり、出力電圧は2つの直列抵抗の比によって次式に従って｢分割｣される。

抵抗の値が可変の分圧器は、ポテンショメータと呼ばれる。

分圧器は、固定電圧ソース(たとえばバッテリ)からより小さい電圧レベルを生成するための迅速かつ簡素な方法だが、以下のような理由から実用的に使うには非効率的である。

分圧器は、入力電圧ソースからの電流を浪費して出力電圧を生成する。理想的な電圧ソースは、負荷への電流の供給のみを行うべきである。

抵抗のサイズを増大すると浪費される電流の量が減少するが、回路の出力抵抗も増大するため、出力電圧のすべてが負荷に伝送されなくなる。理想的な電圧ソースは出力抵抗がゼロで、電圧がすべて負荷に伝送されるべきである。

実用的なアプリケーションの場合、最初に分圧器回路の出力を別の回路によってバッファしてから使用するか、またはより効率的なタイプの電圧リファレンスを選ぶ必要がある。

参照：

• 電圧リファレンス
• デジタルポテンショメータ

理想的なシステムではエネルギは100%伝送される。これを実現するためには、ソースインピーダンス、伝送線やすべてのコネクタの特性インピーダンス、および負荷インピーダンス間の正確な整合が必要となる。信号のAC電圧は干渉なく行きわたるため端から端まで同一になる。

実際のシステムでは、不整合インピーダンスが原因で(エコーのように)電力の一部がソースに反射される。反射によって破壊的な干渉が生じ、伝送線において様々な時間および距離で電圧のピークおよび谷が引き起こされる。

VSWRはこれらの電圧変化を測定する。VSWRは伝送線全体における最大電圧と最小電圧との比。電圧は理想的なシステムでは変化しないため、そのVSWRは1.0 (または1:1とよく表現される)となる。反射が生じると電圧は変化し、VSWRは例えば1.2 (1.2:1)のように高くなる。

数学的に：

VSWRは伝送線における信号の電圧比：

VSWR = |V(max)| / |V(min)|

ここでV(max)は伝送線における信号の最大電圧であり、V(min)は伝送線における最小電圧。

インピーダンスからも求められる：

VSWR = (1+)/(1-)

ここで (ガンマ)は負荷近くにおける電圧の反射係数で、負荷インピーダンス(ZL)とソースインピーダンス(Zo)から求められる：

= (ZL-Zo)/(ZL+Zo)

負荷と伝送線が整合していれば、 = 0、およびVSWR = 1.0 (または1:1)となる。