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2011年1月

2011年1月28日 (金)

シリーズ電源設計を考える2

シリーズ電源設計について
今回は前回のシリーズ電源設計に足りなかった損失分散方法についてもうすこし考えてみます。
ハード的にはPdavr_2
 右図は12V入力で5V出力、負荷電流が 300mAの例です。一番上は通常の設計ですが、入力電圧が12Vの場合、ICには 12V-5V=7Vの電位差が生じてしまいます。これによって 300mAの電流時には 7vx0.3A =2.1W の損失となり、負荷の損失よりも大きな電力が熱となって出てしまいます。放熱の方法によってはICの定格を越えてしまいますし、基板に放熱するにしても数十度の温度上昇になってしまいます。
 そこで簡易的な解決方法として入力にシリーズに抵抗を入れます。ここでは 12Ω5Wの抵抗ですが、300mA時には 12Ωx0.3A =3.6V の電圧降下がおきます。それによってICの入力電圧は 8.4Vとなり、ICでの熱損失は抵抗とICに分散されます。この方法は消費電力が少ない場合に有効で、この条件でも抵抗に 3.6Vx 0.3A =1.1W程度の熱が出ますので余裕を見て 5W程度の耐圧の抵抗が必要になります。
 次の例は 8Vの定電圧ICをシリーズにして同じように熱を分散する方法です。高価なICが増えてしまいますが、8V程度の電源が必要な場合や入力にノイズが乗っていて5V電源をアナログ回路の近くに持って行きたい場合、5V電源をデジタル・アナログ用に2つのICを使いたい場合(このときは8Vでなく10〜9V電源にしてICの電圧降下を減らして電流が増えるのに対応する)などの場合有効です。
 最後の例は DC/DCコンバーターを使う例です。シリーズ電源の雑音・リップル除去効果は使いたいが、元の電源電圧が高すぎる場合などは前段にDC/DCコンバーターを使うと有効です。DC/DCコンバーターは定格電流に近い付近が効率が良いので、ICの入力電圧と使用電流に合った定格のものを選びます。
 DC/DCコンバーターは効率という点で損失を考えます。300mA流した時の効率が 80% ならば、残りの20%が損失になります。よって 8V x 0.3A x 20% = 0.48W となり、損失的にはいちばん少なくなります。最近ではオンボードで小型な DC/DCコンバーターが出ていますので、価格・納期的な問題はありますが、電源設計には有用ですね。
ソフト的には
DC/DCコンバーターの問題点はやはり出力ノイズでしょう。最近では 100KHz〜 500KHz付近のスイッチングだけでなく、1MHz以上のスイッチング周波数の機種や、デジタル制御のスイッチングレギュレターも出ていますので、特に低い周波数から増幅するアンプには注意が必要です。パワー段ではあまり問題になりませんが、入力ドライバ段などは積極的にシリーズ電源を有効な場所に使って電源を切り分ける必要があります。


2011年1月27日 (木)

Fil Calc 開発中

iPhoneアプリケーションの Fil Calc を現在開発しています。
 LPFやHPFの設計をするときに、いちいちパソコンを起動してフィルタを設計、結果をプリントアウトして、実験室に行ってネットワークアナライザで測定・実験、ちょっと修正したい時にまたパソコンの所にもどって、再計算...というのが結構面倒で、手軽にiPhone で計算できるといいいなと思って作り始めました。
操作画面
Lpf 右はLPF設計画面です。
●いちばん左側のホイールでフィルターの種類
・チェビシェフ
 リップル 1dB / 0.5dB / 0.2dB
・バターワーズ
・ベッセル
を選びます。
●次にフィルターの次数で3次から9次まで選べます。
●後の数字4桁と KHz / MHzでカットオフ周波数を設定します。
○上側のグラフには周波数軸とおおまかなフィルタ特性が表示されますので、落としたい周波数でどのくらいの減衰量が得られるかが分かります。
 ホイールを回しながら周波数を変えられますので、結構カットオフ周波数をぎりぎりにしながら、2倍波を落としたい...なんてLPFの周波数選択には有用かと思います。
Coil
 もう1つのおまけ機能が空芯コイル計算機です。
 結局フィルターを作るにはインダクターが必要なのですが、小信号ならばチップインダクターなどがありますので、それらを使って設計できますが、使える値が飛び飛びでピッタリの特性が出しにくかったり、出力部に入れるために耐電力性能がほしいときなどは、自分でコイルを巻くしかありません。そんな時に簡単にインダクタンスが分かったらいいなと思い、色々資料を探して空芯コイルならば出来そうだと考えて、作ってみました。コイルの直径(D)と長さ(L)巻き数(N)で計算できるようにしました。実際はどれくらいの太さの線で巻くかで多少変化しますが、WEBにある空芯コイル計算例と同じ計算値になったので、通常の密巻きでしたら問題ないかと思っています。現在実際にコイルを試作して合うかどうか検証中です。
リリースは
 特性グラフではフィルタの肩の部分がいまいちよく分からない点や、各フィルタ種類の位相変化特性の違いなどを解説した info 画面を作ろうと思っています。 まだリリースには数週間かかるかと思いますが、よろしかったらご意見・ご要望をお寄せ下さい。


2011年1月26日 (水)

シリーズ電源の設計を考える

シリーズ電源の設計とは
いろいろな分野がありますが、今回はアナログ電源などに使われるシリーズ電源の設計について考えてみます。電源には各種ICが使われており、TO-220型などの放熱板に付けて使用するタイプや基板上に実装するSMDタイプもあります。シリーズ型は入力電圧を制御素子で電圧を下げて安定化しますが、スイッチング型でなくリニア素子で電圧を下げるタイプは内部で入出力差に比例した電力損失があるので、注意しないと高温になったり、出力不足になったりするので、注意が必要です。
ハード的には
Avrlayout 代表例として 5V 0.5A のSMDタイプ TA78M05Fで考えてみます。このICはほぼ 7mm角の大きさで、基板上に表面実装します。図では下側に入力と出力、上側(素子の裏面全面にありますが)にGND電極があります。 データーシートを見てまず、
1)絶対最大定格をチェックします。最大入力電圧は 78M05Fでは 35Vということが分かります。これ以上は使えませんので、電流値がある程度一定ならば入力に抵抗などを入れて電圧降下させる・ツェナーダイオードを入れるなどの方法で高い入力電圧に対応することも出来ます。
2)消費電力 Ta=25℃で 1W ,Tc =25℃ で 10Wと書いてあります。いったいどちらが本当でしょう?これは後で確認します。
3)動作接合部温度ですが、これは内部のはなしですが冷えている場合はほぼ同じですから、-30℃から 150℃ということは -30℃より低い場合は動作させて暖めて-30℃以上にしないと、通常使用は出来ないということです。-30℃以下では電解コンデンサーの容量も少なくなりますが、ICのコールドスタート(冷え切った条件からのスタート)には注意が必要ですね。
4)熱抵抗ですが、接続部-ケース間が放熱器をつけた場合に重要ですが、今回基板実装では基板の放熱性能が確定しませんので、計算は別項目で書きます。右上に基板実装時のパターン例を示します。両面基板でしたらスルーホールビアをGND端子下に数多く配置して、裏側のパターンやケースにも放熱するための手法です。GNDが広ければかなり放熱面積がとれますし、内層があればさらに利用できます。
5)電気的特性ですが、出力電圧の項目を見て下さい。 Voutは最小 4.8V 標準 5.0V 最大 5.2Vと±0.2Vも差があります。通常の製品はほとんど ± 0.05Vぐらいには入っていますが、もしこれくらいの誤差のものが入荷してきても文句は言えないので、A/Dコンバーターの基準電圧など精密な電圧が必要な場合は、精密電圧源ICなどを使う必要があります。
6)負荷安定度の欄にある条件もチェックしましょう。 5mA < Iout <500mA とあり、最低電流が記載されている場合は注意が必要です。全く電流が流れない場合に出力が出なかったり、不安定なICもあります。 いろいろ項目がありますが、最後に重要なのが
7)「最小入出力間電圧差」です。ここには Tj = 25℃時に1.7Vとあります。これは内部ジャンクション温度25℃での規定ですが、広い温度変化にも対応するためには、この電圧よりかなり高めの 3Vぐらい確保するのが普通です。もっと少ない電圧差で設計したい場合は LowDropタイプのレギュレーターICを選択します。
8)次に周辺回路の確認です。測定回路例にある小容量のコンデンサーはセラミックコンデンサーで実装可能ですが、電解コンデンサーが入っている場合は必ず使用するようにしましょう。データーシートによっては内部抵抗が小さい大容量のセラミックコンデンサーは発振しやすくなったりするので、使用できないことが書いてあるものもあります。
9)最後に使用上の注意を読みましょう。出力側に電解コンデンサーなどが大量にあったりして電源断時に出力側に電圧が残り、逆方向に電圧がかかる可能性があると、ICが壊れますのでダイオードを追加する必要があります。
20110126_94328
 それでは電力損失の問題を考えます。まずデーターシートの表を見ます。いちばん外側のラインはこの温度で理想的に放熱した場合のリミットですので、最大定格の Tc=25℃時に 10Wというのがこのラインです。またいちばん内側の「単体」のラインがありますが、これは放熱せずICそのままの状態でのリミットです。1Wになっていますね。そしてちょっと実用的なのが 30x30x0.8mmのラインです。これはセラミック基板を使ってやはり結構理想的な条件なので、普通のガラエポ基板などではこれ以下になります。どのラインも周囲温度が上がると許容損失は減り、150℃では 0になります。周囲温度が 70℃というスペックでは6割ぐらいになってしまうことに注意しましょう。
 次に動作中の電力損失の計算です。仮に規格いっぱい 5V 0.5Aで使うとすると入力電圧+3Vして 8V入力とすると、IC内部では (8V-5V) x 0.5A = 1.5W となり、単体時 125℃/W x 1.5W = 190℃となり最大ジャンクション温度の150℃を越えるので、全く使用できません。理想的に放熱しても 12.5℃/W x 1.5W =19℃ 程度内部温度が上がってしまいます。右上の表で30x30x0.8では許容電力が単体の2倍程度なので、60℃/W とみれば 60℃/W x 1.5W = 90℃で 周囲温度(基板上の温度)が60℃ぐらいまでなら大丈夫そうです。周囲温度が高温状態で動作しなければならない条件ではさらにその分温度が上がるので電流をもっと下げる必要があります。基板実装して実験で電流・電圧を測定し温度計で端子の温度などを測定して基板のおおよその熱抵抗を推測して、計算する必要があります。
ソフト的には
経験的には許容電流の半分ぐらいまでにして使えば比較的温度上昇が少ないかと思われます。それ以上例えば 0.5Aめいっぱい使いたいときは、供給先が複数なら2つのICで分けて供給するとか、T0-220の TA7805などの1Aタイプにして、ケースにICを実装するとかの方法にします。また電流が少ないが、DC24Vなどの高い入力電圧のためICの損失が大きい場合は、ICの入力側に抵抗を入れて電圧を落とすか、小型の DC/DCコンバーターやもう1段シリーズレギュレーターを入れて入力電圧を下げるなどの手法をとります。設計時に予備の電源ICパターンを空いた場所に作っておくのも最初の設計では必要ですね。


2011年1月25日 (火)

ストリップラインデバイダーのはなし

ストリップラインデバイダーとは
マイクロストリップラインを使って信号を分岐する手法です。λ/4 インピーダンス変換器としてマイクロストリップラインを使うので、通過ロスが少なく基板だけで出来るので比較ハイパワーでも使用できるなどのメリットがあります。しかしながらVHF帯以下ではλ/4が結構長くなるので、サイズ的には不利です。
ハード的には
Dv4
 この図はε = 2.55 、厚さ 1.6mm の基板を使った 435MHzの4分配のパターン図です。2分配では途中の 7.2mmラインで分岐しますが、4分配ではそのままでは狭帯域になってしまうので、ここでもう1度λ/4を入れて 17.7Ωまで下げてから4分配しています。計算例を示しますと、
1) 50Ω -> 25Ωライン ( 50Ω ÷2)
 Z1= Zo x √( R/Zo) = 50 x √( 25 /50) = 35.36Ω
2) 25Ω -> 12.5Ω ライン(50Ω÷ 4 )
 Z2= Zo x √( R2/Zo) = 25 x √( 12.5 /25) = 17.7Ω
のインピーダンスを持つλ/4 のストリップラインをAPP CAD 等で計算して作れば良いことが分かります。
 このストリップラインの分配器の特性をシミュレーターで確認した物が以下の特性図です。
Div435
 2段階に構成したため、比較的広帯域にマッチングが取れています。通過ロスもほとんど理論上の-6dBに近い値になっております。
ソフト的には
 435MHz ではトータル240mm程度の長さになってしまいやや大きめですが、損失の少ないテフロンなどの素材を使えば、数百Wのパワーで使用することも可能です。ただ、基板とコネクタとの接続部分のマッチングに気をつけないと思わぬロスが発生することもあります。

2011年1月24日 (月)

UHF発振器のはなし

UHF発振器とは
UHF(300MHz 〜 3GHz )の周波数の発振器ですが、今回昔ジャンクで買った古い テレビ用 UHFコンバーターを見つけたので、その内部のUHF発振部分をチェックしてみたいと思います。
ハード的には
そのUHFチュナーとは以下のものです。Uhf_tu
 下側の金属が重なった部分がバリコン(バリアブル・コンデンサーの略)ですが、これがシールドケースで全体で3つの部分に分かれていますが、このいちばん右側の部分が発振部と思われますので、部品の配置や抵抗値をチェックして、実体配線図と、回路図を起こしてみました。Uhf_osc
 中央の白い薬の錠剤みたいなものはトランジスタで、昔の高周波用のものはこの形が結構使われました。そのコレクタ(C)からディスクコンデンサー(茶色に半田がもってあるもの)の反対側が共振用の金属片に繋がっています。コレクタはまたチョークコイルを介してVccにも繋がっています。
 エミッター(E)からは1kΩでグランドへ、ベース(B)からは同じくディスクコンデンサーでGNDに繋がり、GNDへは1.8kΩ抵の抵抗で、Vccへは 5.6kΩの抵抗でバイアスがかけられています。
 発振回路としては通常エミッターからコレクタへの帰還コンデンサー(回路図上の黄色のC)が必要ですが、見あたりません。よーくみてみると、エミッターと抵抗との半田付けが玉のようになってかなり大きいのがわかります。この半田と、コレクタのディスクコンデンサーの半田面との空間容量で帰還コンデンサーを形成しているようです。
 このチュナーの発振部は500MHz〜800MHz付近を発振していると思われますが、内部をキャビティのように共振させてシールドケースに穴をあけた部分で結合していると思われます。周波数を変化させるバリコンは三日月型で、周波数に対して直線的に変化するよう工夫されていますが、今ではほとんど見られなくなりました。バリコンの上側に銅板が半田されていますが、これはバリコンとGNDで容量を作って容量値を調整するトリマーコンデンサーの役目をしています。
ソフト的には
中央と右側を通して透明なチューブの中にダイオードが入っています。この右側のリード線が長めになってシールド板に半田づけされ、左側でも長めに半田付けされ、出力端子に繋がるコイルに接続されています。右側で発振電力をカップリングして、左側の入力信号とダイオードの非直線領域を使ってミキサーとして機能しています。いちばん左側は入力部ですが、アンプはなく300Ωにマッチングしたコネクタだけのようです。ちょっとあまりにも古いので映像IF出力するものか、VHFにダウンコンバートするものか不明ですが、RFアンプが無い点から後者ではないかと思われます。
 実はこのバリコンに興味があって 144 or 435MHzのプリセレクタができないかと思って買っておいた物ですが、使われずに眠っていました...

2011年1月21日 (金)

ポテンショメーターのはなし

ポテンショメーターとは
可変抵抗器のことですが、今回はトリマーポテンショメーター(半固定抵抗)について書いてみます。
オーディオアンプなどにある音量ボリュームなどと違って、トリーマーは基板上に設置され、バイアス電圧やアラームのリミットなど出荷前に調整する役割がほとんどです。
ハード的にはTrimmer_2
 通常トリマーの両端には右図のように抵抗を入れて、調整時に不用意な状態にならないようにしてあります。その理由として...
1)通常トリーマーは抵抗誤差が10%〜20%あり、調整後の環境変化・時間経過によって数%ずれる可能性があることから、可変範囲を分圧して誤差を少なくする。
2)定格電力が 100mW 程度と小さいことから全電圧をかけずに分圧して電力を減らす。
3)設計時に設定した値と実際に調整したのちに値が違って可変範囲が変わってしまった場合にも、両側の抵抗の変更だけで対応できる。
 などの理由があげられます。
 具体的に右図で設計してみましょう。CASE1
・まず予想されるトリーマーの中間電圧を求めます。この場合定電圧ダイオードの電圧5.8Vを基準としてトランジスタ2SC372のベース・エミッタ電圧 0.7Vを加えて 6.5Vと予想します。
・次に使用するトリマーの抵抗値の選定ですが、さして高いインピーダンスの場所でもなく、可変端子からトランジスタのベース電流を流しますので、低めの 1kΩ程度を選択します。
・同様に出力9V側の抵抗を 1kΩ として計算してみます。(よく使う値を選んだだけですが..)
・9Vと6.5Vの電位差は 2.5Vでこの間の抵抗が 1kΩ とトリマーの半分 1kΩ/2 で 1.5kΩとすると、電流は 1.7mAと計算できます。
・そして下側のR2はトリマーの0.5kΩとの和で 6.5Vですから 6.5v/1.7mA =3.8kΩとなりますので、トリマー分を引いて 3.8kΩ -0.5kΩ = 3.3kΩ となります。
 電流1.7mAからトリマーの可変範囲は 1.7mA x 0.5kΩ =0.8Vとなり6.5V±0.8V可変出来るという計算です。
次に実験から可変範囲を設定し、その後抵抗を計算する方法。CASE2
・まず両端の抵抗は0Ωにしておき(100Ωでもかまわないが、確実に設定範囲になるはずと思えるようにしておく)トリマーは上記選定で 1kΩとしておく。
・実験から 6.5Vが最適と決定し、調整範囲の余裕として±0.5Vとして設計を開始する。
・トリマーの両端は上記理由から 7.0V と 6.0V とする。
・トリマーの片側は 0.5Vなので流す電流は 0.5kΩ/0.5v = 1mA となります。9V出力側の抵抗は 9V-7V = 2V なので 2V / 1mA = 2kΩ となり、下側は 6V /1mA = 6kΩ となります。
ソフト的には
20110121_82422回路がオペアンプのバイアスなど電流がほとんど無い場合にはもっと高い抵抗値に、またGaAs-FETなどのゲートバイアスなどインピーダンスを下げたい場合は 100Ωや 500Ωなどの小さな値を選択しましょう。
またNETで調べているうちに、Panasonicの資料では摺動側に+をかけるのを推奨されているのをはじめて見ました。

2011年1月20日 (木)

グラフェンを考える

グラフェンとは
ベンゼン環を2次元平面に敷き詰めた6員環シートのこと。グラフェンシートとも言う。このシートを筒状に丸めたものがカーボンナノチューブ,複数枚積層したものがグラファイトである。( Tec-ONより)
 最近ではこれを使った FETがなんと
200GHz超えのグラフェンFET ,SamsungやIBMから発表相次ぐだそうだ。Thumb_230_170ghz
 「高速・高周波の信号処理デバイスとして高いポテンシャルを備えており,Si-CMOS回路とも融合できる。将来は,Siデバイスと同じ基板に,スピントロニクス素子などとともにグラフェンFETを集積することが可能になるだろう」との見方を示した。( kim氏)
 IBM社は米Massachusetts Institute of Technology(MIT)との共同研究の成果を披露した。SiC基板上に形成したゲート長240nmのグラフェンFETで,230GHzの遮断周波数を実証した。グラフェンはSiC基板の熱処理によって成膜している。(IBM社)

 なにか、一桁以上高速なCPUができそうですね。

未来デバイス開発プロジェクトNo0003追加

未来デバイス開発プロジェクトNo0003 として番組表・現在・録画済プログラム選択EPGを追加しました。
 あなたは、自分の使っていない機種のDVDレコーダーやBDレコーダーの操作を簡単に使えますか?スマートフォンの操作スタイルを刷新した iPhone のように、テレビ・レコーダーの操作性も改善する必要があるのでは...と 開発者はだれでも思っているでしょう。しかしながら従来の操作性の継承・機能を削ることへの恐怖からか、なかなか新しいUI は出てきません。今回は少なくとも 番組選択・番組表・録画済み番組選択を1つのボタンではじめる UI を考えて提案してみます。Images
...うちでも使っている SONY のリモコン.....


2011年1月19日 (水)

JFET RF AMPを考える

JFET RF AMPとは
ジャンクションFETを使ったアンプで、GaAs-FET のまだ無い初期の頃から高周波で使われてきました。今回は参考文献を基に検討してみます。
ハード的には
文献1には低雑音高周波増幅回路には以下7つの重点があると述べています。
1) NF(NoiseFigure...雑音指数)は初段で決まる。
 ・一般に高い周波数になるほどNFは悪化する。
 ・NFは初段を F1 次段をF2 ....Fn   ゲインを G1 ,G2 ..Gn とすると
  F = F1 +F2/G1+F3/(G1xG2) + ...Fn/( G1x ...X G(n-1))
となりゲインG1が多ければ後段はほとんど関係ない。
2) NFが悪いとどうなる?
 ・ノイズがゲイン分だけ増幅されるだけでなく、NF分加算されて増幅されてしまう。
  テレビのブースターアンプのNFが悪いと増幅しても画面がざらざら
3)動作点でNFが変わる
 ・動作電流については、NF最良点とゲインの最良点が違うので、どちらかを主にするか決める必要がある。(もしくは中間点にする)
4) 広帯域増幅器はNFが悪い
 ・同調型高周波増幅器では NF 1.5〜2dBが普通。広帯域ではどうしても悪化する。
5) 低雑音FETを使った高周波プリアンプ
Jfet_rf
 ・高周波低雑音 J-FETを使った物は優秀。NFを最良にするにはドレイン電流を調整する。
6) FETをパラレルにしてNFを下げるテクニックもある。
 ・図に示す回路は 40MHz RF AMPで、 SONY J-FET 2SK125を使っています。
 ・FETをパラレル接続するとgmが増加し、それだけゲインが上昇し、またNFが下がります。そして入力インピーダンスが下がり、50Ωとの整合状態が良くなります。
 ・図では半固定抵抗でドレイン電流を30mAと多めに調整して流し入力インピーダンスを50Ωより低めになり、NFにたいして良好な結果を得ています。
7) NFと IMの最良点にもズレがある
 ・受信機のIM(インターモジュレーション)はドレイン電流と密接な関係にあります。IMを重視するために電流を多く流すと、NFが悪化します。この両者をバランス取るため、初段にはNF重視のプリアンプ、次段(あるいはミキサ)にはIM重視で電流を流したものと使用目的を考えて選択する必要があります。
ソフト的には
以前 3.5GHzの受信機設計で初段にLNA-ICを使いましたが、ほぼICから入力コンデンサーだけでコネクタに出し、BPFにつないだ回路でした。アンプ単体でNFアナライザでみればOKでしたが、トータルでBPFまで繋ぐとなぜかNFが帯域内50MHzぐらいので大きく変化してしまいました。悪さをしていたのはBPFとのケーブルが長さ・取り回しの悪さでトランスになってマッチングが悪化していました。
 最近は優秀な ICが出来て楽をしますが、トータルのマッチングは重要ですね。

参考文献 ----------------------------------------------------------------------------------

2011年1月18日 (火)

各社ディスクリート定電圧回路追加

SCHEMATICS に各社のIC化の初期のディスクリートで構成した定電圧回路を追加しました。
 YAESUの回路はシンプルでよく使われる2石の回路です。比較トランジスター2SC372のエミッタにツェナーダイオードで基準電圧を作り、ベース電圧との比較でNPN制御トランジスタの2SD313をコントロールする回路です。
 TRIO の回路は比較にエミッタ共通のカレントミラー回路を使っています。制御トランジスターに PNP型を使うことで入出力電圧差が少なくても動作できるようになっています。
 ICOMの回路は 12V 電源を作る用途で、電流を多くとるためダーリントン接続で制御トランジスターを構成しています。またコントロール部のツェナーダイオードの位置も TRIOとは違ってホット側に接続されていますが、こうすることによって抵抗分割よりツェナーダイオードの電圧シフトの側が電圧変動の検出が敏感になり、電圧上昇時はツェナー側のトランジスターの電流が増え、反対側の制御トランジスターに接続されている側の電流が減ります。それによって制御電流が減り、出力電圧を下げるよう働きます。入力段のトランジスタは過電流の時にONして制御トランジスターのベースエミッタ間をショートするよう働き、過電流保護します。
 各社工夫した独自の回路をつかっており、興味深いですね。使用トランジスタも少ないのでムダにゲインが増えてノイズが出るようなことがありませんので、9Vの回路はVCO用にも使われています。

2011年1月17日 (月)

デカップリングを考える

デカップリングとは
[de-coupling]で[ de ] は「〜しない」、[coupling]カップリングは「結合」なので、結合しない・非干渉という意味です。よく使われるのはやっぱり「電源のデカップリングが悪い」「デカップリングのコンデンサーを増やさないと」など電源回路を通じで前段と後段のアンプが影響したり、デジタル電源のノイズがアナログアンプに影響したりするのを防ぐ回路を一般に呼びます。
ハード的には
De_coup 右図のように一番簡単なものは上側の抵抗とコンデンサーによるローパスフィルタを構成したものです。高周波では直流では電圧を落とさずに、高周波を落とすために抵抗の代わりにインダクターを使います。しかしながら高い周波数では逆に自己共振してインダクターとして働くなる場合があるので、かえって抵抗やフェライトビーズだけのデカップリングが効果的な場合もあります。またアクティブなデカップリングとしては定電圧ICリップルフィルターを使って電源を分離します。
 簡単な例で、抵抗10Ωとコンデンサ0.1uF (赤)と10uF(緑)の時の周波数特性をシミュレーションしてみます。10uFあればスイッチングノイズなどの10KHz以上は10分の1以上減衰できますが、10KHz以下では足りませんね。10KHz以下ならば 47uFから 100uF 程度はほしいところです。 0.1uFはもっぱら 1MHz以上の周波数で減衰が多くなってきますね。昔のマイコンのクロックは 4MHz 程度、現在は 20MHzから50MHz程度なので、0.1uFで効果的なことがわかります。
Fil_freq
ソフト的には
実はデカップリングにはもう1つ注意すべき点があります。それはコンデンサーの周波数特性です。あまり大きな容量のコンデンサーになると高周波ではインピーダンスが増えてしまったりして効かなくなりますので、電解コンデンサーとセラミックコンデンサー・0.1uFと 100PFなど容量を変えたものをパラに使ったりして広い周波数帯域で効果を持たせます。
 また同様にインダクターについても大容量だから万能ではなく、流せる電流が少なかったり、内部抵抗が増えて電圧降下が多かったりするので、選択にも注意が必要です。

2011年1月14日 (金)

電流の遅れ・進みを考える

電流の遅れ・進みとはCl
 交流を加えた時、コンデンサーは電流が90°進み、コイルは90°遅れるとよく言われます。電流が遅れるのは何となく分かりますが、「進む」とはどういうことでしょう?交流で電圧がゼロから徐々に上がろうとしている時、もう電流が最大値になっているなんてすごい予測だ?って疑問をしミュレーションソフトを使って検討してみました。
ハード的には
 右図のように、信号源に抵抗を通してCとLをGNDにつなぎ、コンデンサー・コイルに流れる電流と両端の電圧を測ってみました。 まずは下図のように信号源を矩形波(赤色)で駆動すると0Vから1Vに立ち上がった時にコンデンサーには電流が当然立ち上がって最大になりますが、コンデンサーの両端の電圧(緑色)は周波数にもよりますが1V->0Vの時で、90°ずれているとは見えません。
Sqe_c_2
 次に信号源を三角波に変えてみました。これならばサイン波に近いので分かりやすいのではと期待しました。(下図)
 信号源の電圧(赤)と、コンデンサーに流れる電流(青)はほぼ同じ形をしていますが、コンデンサー両端の電圧(緑)は高調波がとれるのかすこし丸くなって、三角波の上下の中間地点がほぼピークとなっています。これがだいたい90°電圧が遅れている状態ではないかと考えました。
Sq_c
 次に正式な正弦波を入れた波形を観測します。加えた電圧よりも電流がすこしずれています。
これが電流が進む現象か?と思い、周波数を上げてみましたが変化ありませんでした。
Sin_c_2
 次に周波数を下げてみると、なんと電流がきれいに90°進んでいました。

Sin_c_3
 同様にコイルに正弦波を流した場合。電流が90°遅れるのが分かります。

Sin_l
ソフト的には
 結局、シミュレーションでコンデンサーの電流の進み、コイルの遅れは実験できたのですが、いまいち感覚的に分かりません。ただ、「電流が進む」という概念は電圧を中心にした場合で、実際は「コンデンサーに電流が流れその電流値に応じて電圧が発生する」と考えれば、空のコンデンサーに充電するのに最初は電流が多く必要で、そのときは両端の電圧は小さい。充電するにしたがって電圧が上がってゆき、電流が少なくなる。とイメージした方が分かりやすいかと思います。
 コイルの場合は逆で電圧をかけてもインダクタンスが邪魔をしてはじめはなかなか電流が流れず、逆に電圧を下げても磁場を維持しようとしていままでの電流方向に長そうと邪魔をする...
 という感じでしょうか。実際はsinとcos の関係の式で解明されると思われます。

2011年1月13日 (木)

IC750A Mod Unit 回路図追加

SCHEMATICS に IC750A Mod Unit 回路図を追加しました。
平衡変調・ダブルバランスドミキサーICの µPC1037Hを使用しています。
キャリアサプレッションの調整ボリュームなど、データーシートには無いノウハウが現れています。

2011年1月12日 (水)

FETのはなし

FETとは
[Field Effect Transister ]で、電界効果型トランジスタと呼ばれます。通常のトランジスタをバイポーラトランジスタと呼ぶのは電気の伝送に多数キャリア(電子)と少数キャリア(正孔)の2つが作用するのに対して、FETはどちらかのみなので、ユニポーラトランジスタと呼ばれています。
ハード的には
Fet_hanasi 構造的に3つの種類に分類されますが、まず開発された頃からあるJ-FET (ジャンクションFET)ですが、ベースとなるP型基板上にN型半導体を作りソース・ドレインを電極で取り出します。そのN型半導体にP型を接合(融合)させゲート電極をつけます。ゲートとソース・ドレインとは PN接合で、ダイオードのように作用しますが、逆バイアスをかけると電流の流れない「空乏層」が生まれます。この空乏層をコントロールしてドレイン・ソース間の電流を制御できます。
 次にMES-FET( Metal Semiconductor FET )ですが、ダイオードにもあるショットキー接触を利用した高速なFETです。ジャンクションFETではコントロールにPN接合があるので、速度の遅い正孔も制御に関与するのに対し、MES-FETは電子だけなので高い周波数まで使用できるようになりました。
 次のHEMT( High Electron Mobility Transister)はMES-FETの仲間ですが、動作原理は全く異なっています。ゲートにマイナス電圧をかけると不純物のないGaAs層に空乏層が出来ますが、そこにN+GaAlAs層から電子が供給され、薄い電子ガスの層が発生されます。この電子ガスの中を電子が邪魔者がない空間として高速で伝送できるのです。最近では GaN半導体で HEMTが多種実用化されています。
 MOS-FET( Metal Oxide Semiconductor FET)は酸化金属膜でゲートが絶縁されたFETです。パワートランジスタとしてインバーターなどの制御だけでなく、CMOSトランジスタとしてCPUや各種LSIに使われています。
ソフト的には
FETにはゲート電圧を逆バイアスで使い、バイアスがないときは電流が流れる「ディプリーションモード」専用のJ-FETなどがありますが、MOS-FETなどバイアスをかけない時に電流が流れないで、電圧をかけて電流を増やす「エンハンスメントモード」や、両方のモードが可能なものがあります。最近ではパワー用途にノーマリーOFFのGaN-HEMTも製作されてきました。


2011年1月11日 (火)

電流を考える

電流とは
電子の流れと習いましたね。金属などでは「自由電子」が媒体となるので、電圧を加えたとたんに光速で電線の端から端まで飛んでいく...そんな想像をしていましたが、実は電流は「光速」ですが、電子は「低速」なんだそうです。
ハード的には
電流は光速(秒速30万km)で伝わりますが、Wiki の記載によると、「断面 1mm2の銅線に1Aの電流を流した場合、電子は平均的に 4.4mm/分の速度で流れる。」そうです。毎分4.4mmってすごくゆっくりではありませんか?Images 自由電子自体が端から端まで飛んでいく訳でなく、自由電子はいつもはランダムに動いているところに、電圧が加わると自由電子が引きよせられますが、その流れによって電磁場が起こって伝搬するそうでWikiでは「電流は粒子である電子の動きそのものが伝播するのではなく、導体の内外を電磁場の変化が光速度に近い速度で伝播することで電子のゆっくりした流れの先端部が高速で移動してゆくのである。この電磁波は電子などの荷電粒子の動きで生じる」と解説されています。
ソフト的には
 超ミクロな見方では、金属をたくさんの太陽系(金属原子)が密集した状態にたとえると、太陽系の外側の惑星(電子)が電圧で引っ張られるとその動きが電波となって隣の太陽系の自由電子に影響を与えて連鎖してゆく...なんて、ことが電線の中で起こっていると思うとちょっとロマンチックですね。


2011年1月 7日 (金)

E系列のはなし

E系列とは
抵抗やコンデンサーなどの値を示す規格で、通常用いられているのに E24,E12,E6などがあります。
ハード的には
E24num 抵抗やコンデンサーの値などは誤差がありますから、ある決まりをもって値の中間値が決められています。右の図は各系列の用いられる値の表ですが、1から10未満の数字でちょうど10倍ずつすれば全ての値に対して対応できています。
 仮に誤差 10% として 1KΩの抵抗では 0.9kΩ から 1.1kΩ までばらつき、1.2KΩでは1.08kΩから1.32kΩとなり、10%誤差で1.1kΩの抵抗を作っても 1KΩ,1.2kΩとの差がないので無意味なことがわかります。
 抵抗では5%や1%などよく使いますので E24系列はなじみが深いですが、コンデンサーなどは E12系列が普通ですね。
 しかしながら高周波で使う小容量のコンデンサーになると、ちょっと違ってきます。まず 1pFはよいとして 2pF,3pF,4pF,5pF,8pF など整数値が普通です。またこれより小さな値では 0.5pF,0.3pF,0.2pFなどがポピュラーでしょうか。
ソフト的には
誤差を示す許容差は 1kΩ±1% では 102F などと末尾のアルファベットで示されます。
M...20% , K ...10% , J ...5% , G...2% , F...1% ,
D...0.5% , C...0.25% , B...0.1%
などです。
 数値の部分は 数字の最初の2文字で10の位と1の位、3番目の数字で10の乗数(0の数)を示します。102 の例は10 x 10^2 = 10 x 100 = 1000Ω = 1kΩ となります。
 コンデンサーはJ,K,M が許容差を示すアルファベットで 102F,471B などのFやBはコンデンサーの温度特性を示すもので許容差を示すものではありませんので注意が必要です。


2011年1月 6日 (木)

Dclock サポート

SUDOTECK はデザイン時計アプリ Dclock をリリースしました。
このアプリはシンプルな赤いドットのフォントで表示します .
詳細は App Store または サポートページまで。
改善要望・バグ情報はここに書き込みください。
Dclockcta_2
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Refresh チャージングステーション
一度に4つの製品を充電できるコンパクトな充電器で、パワーチャージしてリフレッシュ!デスクやテーブルで混乱しがちなコードの乱れを解消します。6つのユニバーサルコネクターを内蔵(iPod®/iPhone®コネクター×2、USBソケット×1、マイクロUSBコネクター×1、ドコモ・ソフトバンク携帯電話コネクター×1、au携帯電話コネクター×1 )。ほとんどの製品に対応します。

ATT calc サポート

Phone / iPod Touch 用にいつでも簡単に使える、高周波エンジニア向けのアプリ ATT Calc を開発しました。
詳しい内容はここ
このページは質問や不具合、改善要望などを受け付けます。
 どんどんコメントして下さい。Attc_rdb
---- CM --------------------------------------------------------------------------------------
Bose IE2 audio headphones

2011年1月 5日 (水)

バランのはなし

バランとは
インピーダンスを変換したり、位相の180°違う信号を作ったりするトランスですが、高周波ではセミリジッドケーブルなどで比較的簡単に構成します。Nさんからメールで質問もありましたので、ついでに書いてみます。
ハード的には
Bulun 右図のようにだいたい1/4λの長さ(セミリジッドケーブルの短縮率がありますので、60%から70%の長さですが)のケーブルを曲げて、50Ω側から半分の25Ωにする構成を示しています。1本で構成する場合がほとんどですが、厳密にはバランスを合わせるため、もう1本25Ω側の芯線・外皮を逆に繋げたケーブルを対照的に配置し、反対側をGNDに接続します。プッシュプルの出力側など効率を追究したりする場合有効に働くようですが、構成が複雑になるのであまり使われません。
 一番下の例はPolyFet の製作例などに見られる、同様な働きを期待したものと考えられます。プリントパターンで 1/4λのストリップラインを構成して25Ω側からGNDに接続しています。1/4λなのでインピーダンス的には中心周波数でハイインピーダンスになるため動作的には問題ありませんが、他の周波数 特にMOS-FETなどがゲインが上がりやすい低周波ではショートする働きがあるので、低周波発振などには効果があると考えられます。また、セミリジッドでバランを作る際、ケーブルの下側のプリントパターンを削って避けなければなりませんが、この場合ストリップラインに半田付け出来るので、製作が簡単になるかと思われます。
ソフト的には
数MHz以下ではセミリジッドケーブルでは長すぎますので、トロイダルコアを使いますが、大出力ではコアが発熱したりするので注意が必要ですね。セミリジッドケーブルで広帯域にしたい場合などにもケーブルをフェライトコアに通して使います。


2011年1月 3日 (月)

dB(デシベル)のはなし

dB(デシベル)とは
[deci Bell ]で Bは電話の発明者 Graham Bell から付けた名前で、deci は1/10を表す接頭語。「デービー」「デシベル」と呼ばれます。10を底とした対数なので、幅広い値を指し示します。
ハード的には
About_db デシベルには色々な表記があり、使われる分野で異なった表記があります。
 まずdBcですが、これはキャリアー(c)からの比率を表します。スペアナなどでスプリアスなどの値を表示するのがポピュラーですが、通常50Ω系で測定していますので電力比を示します。
 次にdBiですが、これはよくアンテナのゲインなどで表現されます。1/2λダイポールアンテナを基準にする場合はdBdと表す。0dBd=2.14dBiとダイポールより大きな値となります。
 dBmは 1mWを 0dBmとした電力の単位です。電力なのでmWで示したときの0の数を考えるとW単位と比較しやすい。1W=1000mW = 30dBm
 dBv(小文字のv)やdBsは主にオーディオでの600Ω系の信号に使われます。0.77Vが 0dBsで[ VUメーター]の0dBがこの電圧に合わせた覚えがあります。
 dBµは受信機の感度などを示す電圧単位で 1µV = 0dBµ ,0dBµVとも表示されますが、最近SGなどの負荷を付けない電圧の単位で 1µVEMFと指定されています。負荷を繋げた場合 6dB落ちますので、この出力表現で開放か、負荷を付けた時か、どの状態をいうのか厳密になってきました。
dBVは 1V = 0dBV で電力関係の分野で dBW などとともに広く使われています。負荷抵抗が必ずしも50Ωでない分野は結構ありますね。
ソフト的には
 単純に dB と書いた場合は大きさの比になりますが、実際の示す単位が電圧なのか電力なのかでその倍数が異なりますので、注意が必要です。電圧で2倍ならば 20Log2 =6dB 電力ならば 10Log2 = 3dB と同じ2倍を示していてもdBの値は異なってしまいます。高周波エンジニアでも受信機から入った人は受信感度は dBµ(dBµV)で表す電圧単位が一般ですので2倍の入力というと 6dBを思い浮かべますが、パワーアンプから入った人は電力 dBm 表記が普通なので2倍の出力は 3dBって思い浮かべるのが普通です。dBだけのはなしでは電圧を言うのか電力なのか注意して話しましょう。

2011年1月 1日 (土)

新年あけましておめでとうございます。

2011年 本年もよろしくお願いします。

本年の最初の回路は AnalogDevices ADF4360-8 250MHz PLL です。
VCOが入ったPLL-ICですが、過去の記事でこのICを紹介していますので、ソフト関係などは参考にしてください。
全体の電圧は 3.3Vで動作していますが、VCOの位相ノイズを減少させるため、5Vから 3.2Vに下げるリップルフィルターを使っています。出力は広帯域を考慮して50Ωの抵抗負荷としています。出力に簡単なローパスフィルタを追加し、スプリアスを低減しています。プリント基板の配置に近くなるような配線図の書き方をしていますので、ラインの引き回しに注意してパターン設計します。特にアナロググランド(AGND)とAVDD関連は最短で繋がるように太いパターンで設計します。基準周波数の10MHzも高周波信号ですので、マイクロストリップラインの考え方でインピーダンスを合わせないと反射が出たりして出力側にもスプリアス・異常発振の原因になります。

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