SDOTECK HOME

  • ご参考になりましたか?
    SDOTECKブログでは、みなさんからのフィードバックをお待ちしています。 説明が解らなかったり、もっと詳しく解説してほしいポイント・テーマがありましたら、お気軽にsudoteck@gmail.com までメールくださるか、記事にコメントして下さい。
  • -

RF PowerAMP なら

  • RF AMP DESIGN

HEX calc pro 1.00

  • HEX calc pro ver1.00
    エンジニア向けの16進と浮動小数点を混在して入力出来る計算機 。 Version 1.00 高機能な 16進電卓や科学計算電卓はありますが、いちいちモードを切り替えなければならず、最大の問題は16進数と小数点値を同時に使用出来ないことです。
    詳しい説明はここ
    iTunes ではここまで

ATT calc

  • ATT calc ver2.00
    iPhone 用 RF アッテネーター計算ソフトです。  RF開発エンジニアに必要な、 dBm - W 換算機能をはじめ、π型やT型の ATTを 設計する上で、必要な dB値から抵抗値を算出する機能と、 E24系列の抵抗値を 使用したときの減衰量(dB)と整合インピーダンス(Ω) が表示されますので、どの 抵抗値の組み合わせがよいか検討できます。  また、正確な値を必要とする場合に2個のE24系列抵抗を並列接続して理想の値を 求める計算機能も持っています。  操作はピッカーホイールを回すだけですので、実験中でも片手で簡単に操作 できます。

FIL Calc

  •  LPF 計算機
    RFエンジニア向けフィルター計算ソフト 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ました。

iPhone APP

  • ATT calc ver2.00
    SDOTECK が開発した iPhone APP の紹介です。 NEWS---SWRproリリース

Amazon

  • AMAZON Books

RAKUTEN

  • RAKUTEN

mujic.jp

  • music.jp
    music.jp

サイト内検索には?

  • -------------------------------
    ◆下の検索機能でこのブログのすべての関連項目を検索出来ます。是非使ってみて下さい。
サイト内検索
ココログ最強検索 by 暴想

SCHEMATICS

BOSE

  • BOSE
    クワイアットコンフォート20
無料ブログはココログ

Google

  • Google

« 2011年1月 | トップページ | 2011年3月 »

2011年2月

2011年2月25日 (金)

インピーダンスのはなし

インピーダンスとは
[impedance]で交流に対する抵抗のことを指します。通常直流ではコンデンサーは電流が流れない(抵抗値無限大)、コイルは電流最大(抵抗値ゼロ)ですが、交流信号ではそれぞれ周波数に応じて変化します。
今回は周波数でどのくらいのインピーダンスになるのか見てみます。
ハード的には
Inpedance まずコンデンサーですが、理論式でインピーダンスは
Zc = 1/( 2πf C ) で周波数に反比例してインピーダンスが下がっていきます。
実際はコンデンサーの周波数特性はリード線や半田端子のインダクタンスの影響で、高い周波数では逆にインピーダンスが上がってきますが、それ以下の周波数ではおおむね比例しています。デジタル回路のICの電源近くにつけるデカップリングコンデンサーの例で 0.1µFなどでは、1MHz で 1.6Ωで、それ以上の10MHz越えの周波数では十分な特性が得られますが、1KHz程度のアナログ音声回路でデカップリングしようとすると、1KHzでは 1.6KΩとかなり高いインピーダンスとなってしまうことが判ります。そんな場合は1000倍の100µF程度を使えば 1.6Ω程度になりますから、大丈夫と考えます。 これはコンデンサーの周波数特性だけでなく、容量値によるインピーダンスの問題ですので注意が必要です。
 次にコイルですが、インピーダンスは ZL = 2πf L で周波数に比例して大きくなります。高い周波数ではコイルの巻き線間の浮遊容量でコンデンサー成分が主流になり、インピーダンスが下がっていきます。
 コイルは主に交流信号を阻止する使用法が高周波では多いので、そのような使い方ではインピーダンスが高い(50Ωよりかなり大きい)周波数で使います。1µHでは数十MHz以上で使われ 10nHでは数GHz以上での高周波阻止に使われます。どのくらいのインダクタンスの値がインピーダンス的に50Ωかをだいたい理解しておくと、実験などのインダクター選択に便利です。
ソフト的には
 インピーダンスを理解することは基本ですが、コンデンサーには直列の残留インダクタンス、コイルには浮遊容量等に加えて両者とも内部損失を起こす抵抗成分があることを覚えておいて下さい。計算上十分低いインピーダンス値のコンデンサーを使うので損失はないと思って、パワーアンプの出力などに使うと内部の抵抗による損失で想わぬ発熱をしている場合があります。インダクタンスも細い線で巻いたコイルは巻き線の抵抗成分で発熱してインダクタンス成分が落ちたり、直流電流重畳によるインダクタンス低下の影響も出ますので、余裕のある設計が重要です。

2011年2月24日 (木)

RF Power ATT のはなし

RF Power ATT とは20110224_92036
高周波用パワーアッテネーターです。パワーアンプの出力を監視する場合など、方向性結合器で落としきれないレベルを検波器の前段で減衰させるような場合、特にプリント基板上で方向性結合器を構成して作成する場合などに有効で、SMD型のものや大電力の場合は金属プレート(フランジ)に半田付けされているものもあります。
ハード的にはPowatt
 通常の抵抗器と同じようにセラミック基板に薄膜で抵抗を作った表面実装型のものは表にあるように、YDSで500mW程度が最大で,Nikkohm製では金属やセラミック基板で放熱されるのを前提としたチップATTが10Wから 150Wまで標準で用意されています。 選定で注意しなければならない点はATT量に応じて電力消費量が計算される点です。 6dBで75%、10dBでは 90% ,20dBでは 99%の電力がATTで消費されますので、電力容量に注意する必要があります。大きな電力を扱う場合はフランジ付きが便利で(表中寸法最後にFの表記があるもの)、基板をくりぬいて角穴をあけ、ヒートシンクにフランジをねじで取り付けます。注意する点は入出力のリード線が基板の表面とピッタリ合うようにヒートシンクを掘り、かつ基板との隙間ができるだけ小さいようにするのが、高い周波数までマッチングが崩れないノウハウです。
20110224_93554
ソフト的には
 反射電力を測定する場合、サーキュレーターで出力保護をしている時は方向性結合器をサーキュレーターの前に入れると、方向性結合器では反射電力は測定できません。そんな時はサーキュレーターの終端をパワーATTにして終端に来る電力を直接測定するのも良い方法です。少ないパワーの場合や、反射電力に対し瞬間的にアンプを切ってしまう用途ならば、大きな放熱器のついた終端抵抗を省略できる場合があります。

2011年2月22日 (火)

IC-756 VCO Unit 回路図追加

SCHEMATICS にICOM IC-756 のVCOユニット回路図を追加しました。
IF周波数が 69.0115MHzと高くとっているため、ローカル周波数のVCOとして広帯域にする必要があるため、3つのVCOを切り替えてVCOUnitとして構成しています。それぞれのVCOユニットは2SK508のゲート接地の発振器を使っており、ソース抵抗の部分をDC的にトランジスタで ON/OFFすることによってVCOを切り替えています。コイル部分だけを切り替えたりする場合と違って、最適なバリキャップ(可変容量ダイオード)を選択できますし、共振部分に不必要なスイッチによる抵抗成分がないため、発振のQを高くとることができますので、位相ノイズやスプリアスの点で有利な回路だと思います。電源にはリップルフィルターを使って電源ノイズを減らしています。Ic756_vco


2011年2月21日 (月)

検波用ダイオードのはなし

検波用ダイオードとは200pxgermanium_diode_1n60
 高周波信号を検出するのに昔はゲルマニウムを使ったダイオードいわゆる「ゲルマラジオ」で使っていたダイオードですが、ゲルマニウム半導体と金属の点接触で作られたIN60などが有名でしたが、現在は廃品種され、代わりにショットキーバリアダイオードが使われるようになっています。
どうしてゲルマダイオードでなければダメだったの?
 ゲルマダイオードはシリコンダイオードの順電圧 0.7Vとくらべ低い 0.3V程度の電圧でONします。これはより小さな信号でも検波出来ると言うことで、AM信号を検波しようとした場合ゲルマダイオードでは 0.6Vp-pもあれば検波出来たレベルが、シリコンダイオードでは検波出来なくなり、バイアスをかけたり検波信号レベルを大きくしなければならなかったので、廃止された当時は互換できずに苦労しました。20110221_105011
 そこでショットキーバリアダイオードの登場です。詳しくは記事を参照してほしいですが、ゲルマダイオードと同様に低い順電圧で、検波器に有用です。1mAで0.2〜0.4Vの順電圧となりますが、電流がすくなければさらに低い電圧でONします。またスイッチング速度も通常のダイオードの 1/10の1nS以下ですから高い周波数まで検波出来ます。図は検波器として 5.8GHzでの使用例です。20110221_105424
ソフト的には
 ダイオード検波は検波しても元の電圧レベルよりは出力電圧は大きくならないので、OP-AMPなどで増幅するか、高感度のメーターなどを使うかするしかありません。スペース的に余裕がない場合などはデテクターICを使った方が簡単な場合があります。デテクターICにはダイオード検波と同様なリニア検波と出力が入力のLOG値に比例したLOG検波方式があり、広いダイナミックレンジが必要な場合は LOG検波ICが便利です。


2011年2月17日 (木)

世界には色々..

世界には色々凝った人(グループ)がいるものですね。
今日はRFパワーアンプの基板レイアウト例を探していたら、とっても凄いページに出会ってしまいました。
ハード的には
20110217_103836
まずは e-bay に出品されていた HF 500Wアンプ。どうやらMOS-FETを4個使って合成している基板なのですが、入力をバランで2分配して、その後普通に2分配(ウィルキンソンじゃないと思うけど、周波数が低いから普通のパラレル接続かな?)して2合成。出力はトランスで合成しています。この基板の回路図を探そうと思って探していて見つけたのは、
Merakitというページでした。
 はじめはパワーアンプの回路図のページを見つけたのですが、回路例が多くてすごい。
 サイドにある TRANSISTOR RF という所にも昔の日本製トランジスターがあってなつかしい。
RF Power AMP の 100 MHz - 450 MHz 250W Power Amplifier BLF548 という所をクリックすると
20110217_110823
って回路図と、パーツリスト・レイアウト図がありました。
英語で書いてあるところと、何か北欧の言語みたいなので、よく判らない文もあるけれど、回路図は世界共通で、そのへんは良かったなーと思います。
ソフト的には
 大昔ノルウェーに出張した時、夜中の12時過ぎまでアマチュア無線家のパーティーに付き合ったことがありました。ちょうど現地に日本の方がいたのでご一緒したのですが、当時VOLVOのワゴンが路の横に除雪された雪にぶつかりながら走っていて平気だったのはすごいなと感じました。たしか三菱の業務用トランシーバー保守会社の関係だったような.. このページを見ていてそんなことを思い出しました。


2011年2月16日 (水)

直列と並列のはなし

直列と並列とは
抵抗などを直列に接続した場合と並列に接続した場合の動作を考えてみます。
ハード的には
R_ps 一般的な例で100Wと60Wの電球を家庭用電源100Vに繋いだ場合を考えてみます。
 まず、並列です。これは通常の使い方で、どちらも同じ100Vがかかりますので、100Wには1A 、60Wには 0.6A の電流が流れます。抵抗値を計算しますと、
100Wでは R = V ÷ A = 100V ÷ 1A = 100Ω 、
60Wでは 100V ÷ 0.6A = 167Ωとなります。
 ではこの2つの電球をこんどは直列に繋げてみましょう。どちらが明るいでしょうか?普通考えると 100Wの方が明るいわけだから 100W の方と思いますね。 実際に計算してみましょう。
 まず直列なので電流は同じ値流れますので、抵抗値を計算すると
100Ω + 167Ω = 267Ω で 100Vをかけると電流は I = V÷R なので
I =100V÷267Ω = 0.375A となります。
 次に電球両端にかかる電圧を計算します。
100Wのほうは 100Ω x 0.375A ≒ 38V 
60W のほうは 167Ω x 0.375A ≒ 62V となります。
電力を計算すると
100Wのほうが 38V x 0.375A =14W 、
60Wのほうが 62V x 0.375A = 23W
と結果は 60W の方が明るくなります
 これは 60W のほうが抵抗値が大きく、直列接続では同じ電流が流れた場合に電圧降下(両端の電圧)は抵抗値が大きいほうが高くなるので、結果電力消費は 60W のほうが大きくなったからでした。
ソフト的には
 高い電圧を分圧してマイコンで測定する様な場合を考えると、例えば 48V電源の電圧監視で2.5V ぐらいに落としたい場合で計算してみます。48V側に10KΩを使うと考えると 48V-2.5V = 45.5Vかかるので電流は 4.55mA 下側の2.5V側には 2.5V÷4.55mA =0.55kΩ ≒ 560Ω と計算できます。それぞれの電力を求めると 45.5V x 4.55mA = 207mW , 2.5V x 4.55mA = 11mWとなり、48V側の抵抗は1/4Wではけっこうぎりぎりですので、1/2W型を使うか、1/8W の精密抵抗で2個並列にしたもの(合計5kΩ)を2個直列にして10kΩとして使えば、1/2W相当として使えますので、抵抗の種類が少なく出来、精密抵抗も使えます。

2011年2月15日 (火)

Active DBMのはなし

Active DBMとは
通常のDBMはダイオードにてスイッチングするので、高レベルの入力に対して歪まないためにかなり高レベルのローカル入力が必要です。またローカルの漏れがバランスを取ってもある程度IFやRFに出てしまいます。この欠点を克服するため、スイッチング素子のダイオードの代わりに FET やバイポーラトランジスタを使用した物がアクティブDBMと呼ばれています。
ハード的には
Activedbm
 図はアマチュア無線のトランシバーのミキサーに用いられた回路ですが、FETをスイッチのように使い、ゲート接地の増幅器として使いながらゲート電圧でスイッチングできるので、ローカルレベルを比較的小さく出来るとともにある程度ゲインも得ルことが出来、ソースの電位を半固定抵抗でバランスを取ることでさらにローカルの漏れも少なくなっています。
 20110215_95355
また最近ではアクティブDBMのICが開発されており、アナログデバイスのAD8342などは3GHzまで使用でき、3.7dB程度のゲインを持っています。右に簡略化した内部回路図を示しますが、トランジスタで入力信号をスイッチングする機能が分かるかと思います。
ソフト的には
DBMではもう一つ重要なのがトランスの巻き方です。出力用のIFトランスは普通固定周波数なので、同調型のコイルを使えますが、入力やローカルは広帯域にする時にはトロイダルコアでトランスを作りますが、基板との浮遊容量などの影響を受けやすいので、GNDから離したり接着剤で止めたり、コイルの足の出し方や線の撚りかたなど、ノウハウがあるようです。


2011年2月14日 (月)

抵抗のはなし

抵抗とは
電流を制限したり、電圧を分圧したり、高周波ではアッテネーターを作ってマッチングを合わせたり、レベルを合わせたり多様な働きをします。
ハード的には
Images一般的には図のようにリードが両方に出たタイプのものがよく知られていますが、このようなタイプには「金属皮膜抵抗」と「ソリッド抵抗」、「巻き線抵抗」があり、ソリッド抵抗を除いては被膜に切り込みを入れたり、巻き線だったりするので、高周波的にはインダクタンスが多く、高い周波数では使われない。通常1W以上の大型のものもサイズが大きく上記の理由でインダクタンスが大きいので数MHz以下の用途にしか使われない。一方SMD型の抵抗は小型ならば周波数特性も良好で高い周波数で用いられる。Images1
 抵抗の単位はΩ(オーム)で、1000Ωが 1kΩ、1000kΩが 1M(メガ)Ωとなっている。さらに小さい抵抗値では電流測定などの用途に使われる 0.001Ωで 1mΩの単位が用いられている。
 1Ωの抵抗に1A(アンペア)の電流を流すと電圧降下が 1Vになり、電力は P = E x I なので、1V x 1A = 1W の電力が消費される。
ソフト的には
A/Dコンバーターなど電源電圧を分圧して監視する際に抵抗を使いますが、許容誤差に注意をしないと思わぬ誤差が生じます。50Vの電圧を1/10にしてマイコンで測定しようとした場合に 5%誤差の抵抗を使っても 50Vが 52.5Vから 47.5Vの測定誤差が出てしまうことになります。A/Dコンバーターに 12Bitなどの高性能なものを使っても思わぬところで誤差が出てしまうので使用場所と精度にはご注意下さい。

2011年2月10日 (木)

デカップリングコンデンサーのレイアウト

デカップリングコンデンサーとは
高周波デバイスや高速デジタルICの電源とグランド間につけて電源インピーダンスを下げたり、ピーク時の電流を供給するためのコンデンサーを指します。今回は高周波ICなどにコンデンサーを実装する時のレイアウトを考えてみます。
ハード的には
 最近では表面実装の多層基板が当たり前になり、ICとコンデンサーが同じ面に実装され、電源とグランドを内層で配線される場合が多くなっています。その際に内層から部品面までビアで接続するしか無いのですが、ビアのはなしでも紹介されたようにビア1本あたり 1nH程度のインダクタンス成分があります。数10MHzならばあまり問題ありませんが、GHzの信号を扱う場合、1GHzで6Ω程度の抵抗値を持ってしまいます。Decapc 何も考えずにレイアウトすると図の左側のようにビアを使ってICとバイパスコンデンサーを電源・GNDラインと接続します。等価式ではそれぞれにインダクタンスが入りますので、バイパスコンデンサーとの間には2倍のインダクタンスとなってしまいます。 改良してレイアウトしたのが右側です。表面のパターンで直接コンデンサーとICを繋ぎ、コンデンサーの近くでビアでそれぞれ電源・GNDと接続します。ビアを増やして接続するのも効果的です。
 もちろんコンデンサーの配置はICの端子と直近が望ましいですが、GND面を比較的広くとり、電源側を短く出来るレイアウトが一般的だと考えます。
ソフト的には
CADでレイアウトする場合は部品面パターンにデカップリングコンデンサーへのラインを引く場合に、一般的な細いラインでなく、太めのラインで引くように心がけましょう。CMOSデジタルICでも信号の切り替え時には瞬間的に30mA程度のパルス電流が流れることを思い出して下さい。


2011年2月 9日 (水)

ソフトが解らなかった上司たち

ソフトが解らなかった上司たち
1)コンピューター黎明期Images
 私が最初にCPUの話題にであったのは大学4年(1975年)で、大学祭で当時はやりのアナログテレビゲームの「ピンポン」のハードを分担され、出来た基板をクラスメートの下宿に持って行った時でした。
 彼は6800というモトローラ製のCPUを見せてくれ、分厚いマニュアルを読んでいました。「これからはアナログのハードでなくてソフトでゲームが作れるんだ」とゲートICがいっぱい並んだ回路図を説明してくれました。当時大学のコンピューターはいわゆるオフコンで、プログラムを書くのは一行毎のパンチカード、結果はラインプリンタからというもので、プログラム修正するにもカードの打ち直し、プログラムのバックアップはテープ出力するなど、大変面倒なものでした。そんなコンピューターがゲームに使えるなんてちょっと信じられない時代でした。
2)就職してCPUに出会うS_hitachihd6805v
 就職して始めはホームオーディオセットの試作・検査が主で、まさにアナログの世界でしたが、はやりはじめたCBトランシーバーの開発で PLL-ICの駆動と7セグメントLED表示にコードスイッチからいかに安くコード変換するかで、デジタル回路設計が始まりました。そして始めてマイコン搭載のインターフォン開発で日立の HD6805 のプログラミングを任されたのでした。マイコンを開発するなら必要だ..と当時300万以上した開発ツールを購入してくれました。8インチフロッピーでの起動・コンパイルで、もちろん全てアッセンブラでした。
 ソフトは2種類のトーンを使った8ビットのコードで子機を識別するもので、内蔵の分周器でクロックを分周したトーン信号を発生し、受信時は復調した信号を整形し一定時間のパルス数を検出してコードを受信するものでした。まさにいままでアナログのフィルターや共振子を使ったトーンデコーダーをCPUで代替できた製品でした。
3) 世界初のCPUコントロール衛星放送チュナーBj200mkiii
 転職して初めての仕事はハンディスキャナーという当時警察無線やハムバンド、航空無線などのチャンネルをメモリーして順次スキャンして聞ける製品がはやっていましたが、当時はまだワンチップCPUの開発環境はインサーキットエミュレターなど非常に高価で、主に開発はソフトウェアハウスがメインでした。自社ではハードとコントロールのソフト仕様開発を任され、LCD表示、キー操作仕様、各種ICコントロールなどを設計し4Bitマイコンの開発をソフトハウスに依頼して調整する役目をしました。この開発でハードをコントロールするためのCPUのスピードの限界・アナログハードをコントロールする時の「時間待ち」の必要性などを、ハードの全く解らないソフトハウスのプログラマーに理解させるのに苦労しました。 この後に関連会社の開発しようとしている、世界初のCPUコントロール衛星放送チュナーのハード設計にはZ80を使ったマルチチップ構成で必要ポートやシリアル通信、赤外線リモコンなど出来るだけソフトの負荷が減るようなハードの構成で設計しました。ソフト開発は当時アメリカで開発され、その後アメリカへのOEMとして完成・出荷できました。
4)自社開発衛星放送チューナーSl7700s
 自社で衛星放送チューナーを作ろうということで、当時安価になってきた NEC uPD7801の開発環境を整え開発環境もPC9801などのパソコンでもできるようになってきました、32KBぼどの小さなサイズでしたが、自社オリジナルでコントロールソフトの開発、衛星アンテナのモーター制御機能の追加などを経て主に海外向けに出荷し、国内CS受信機として放送局にも納入される製品も開発できました。
5)アナログまっただ中のCPU応用
 直近の仕事ではパワーアンプの電流・電圧・温度を検出してアラームを出したり、デバイスのバイアス電流を制御してリニアリティ向上をコントロールするセットでした。最近の高速ADC/DACやDSPを応用すればアンプのリニアリティが向上できるなどの開発も追究しましたが、コストとのバランスで実際には製品化は出来ませんでした。
 これらCPU開発を通じて1つ感じた点が「ソフトが解らない上司たち」の存在でした。それはどういう点かというとまず
1) 上司達の年代では、論理和・差・積など集合論を普通教育で習っていない。
 アンド・オア・ノット などゲートICの働きがぴんと来ないので、「こののノイズを取るには01Hでマスクして」などという説明が通じない。ソフト上のコミュニケーションが取れない。
2) パソコンと組み込みCPUの違いがよく分からない
 従来手書きや計算機で設計を経験した上司達がパソコンを使い始めるとその性能に驚くからか、メモリーが豊富でソフトが色々あるパソコンと同じようなことが、CPUと言うだけで組み込みCPUで同様に出来ると思ってしまい、「メモリーが足りない」とか「スピードが追いつかない」などの理由が分からず、「ソフトが大変になるのでごまかしている」と思われてしまう。また「無線LAN」や「インターネットサーバー」機能などがハードだけですぐに実現できると思っている。
3) 自社で開発するならソフト追加・変更はいつでも「タダ」だと思っている
 自社でプログラマーを雇い、開発装置を買えば後の経費はかからないと思ってしまう「設備思考」からか... プログラマーがミスが起こらないように考えて分割・仕様設計してデバッグを続け、ようやくバグが取れてきたなと思った段階で、仕様追加・仕様変更をされる。後段での仕様変更がいかに難しいか、その後の検証が大変になるかが実感として解らないので「できないの?」と言う。確かに出来るのですが...。
4) サンプルが動くと「もう出来た」と思ってしまう
 必死でサンプル出荷に間に合わせたら、もう次の日には量産できると思ってしまう。ソフトの検証・信頼性チェックがどれだけ大切で時間がかかるのかが理解できないので、下手をするとバグだらけのセットを出荷されてしまい、あとで回収・ROM交換なんて悲劇が起こってしまう。
5)CPUはクロックが早ければ、8Bit より 16Bit ,32Bitならば性能が良いと思ってしまう。 そんなCPUを使えば出来るだろうと言いながら、価格が高くなると「なんでそんなに高いんだ」と文句をいう。
ソフト的には
 今回のテーマは「ソフトが解らなかった上司たち」ですが、アナログ・ハード技術者のみなさんにも心当たりはありませんか?これからはソフト開発にも「アナログのノウハウ」を伝えないと製品が出来ないことがますます増えてくるかと思います。お互いコミュニケーションを大事にしてゆきたいですね。

2011年2月 8日 (火)

受信機のはなし

受信機とは
[Receiver]で放送や通信を受信する機械のこと。ここでは無線通信に関しての受信機の構成を書いてみます。
Rx_2
ハード的には
上図に435MHz帯のアマチュア無線機の例をあげますが、スーパーへテロダイン方式と呼ばれる構成を取っています。古くはゲルマニウムラジオと呼ばれるものは、RF入力を直接検波(DET)して音声の変調波を取り出していましたが、異なった局を選択する能力(選択度)が弱かったり、感度が低かったりして現在のような形に進んできました。
 このスーパーへテロダイン方式の特徴は入力された信号をミキサーで一度低い周波数に変換し、増幅したのちに検波するという点です。なぜ、一度低い周波数に変換するかというと、
1)高い周波数では狭いフィルター(BPF...バンドパスフィルター)が作りにくいため、選択度のよい受信機を作りにくいため。
2)高い周波数のままで何段も増幅すると増幅した信号が入力に戻ってしまい発振しやすくなり、結果として感度の高い受信機を作りにくくなるため。
 また周波数を変換することのメリットとして、
3)信号を選択する方法として、以前はもっぱら高周波段のBPFの性能で選択度が決まってしまい、バリアブルコンデンサー(バリコン)などの機械的方法で同調回路を変化させて受信しなければならなかったが、IF周波数に変換して落とすための局部発振器( Local OSC )の周波数を変化させるだけで選局できるようになった。高周波増幅側のBPFは帯域内を通過するある程度広いものでも使えるようになった。
 カーラジオなどを考えてみると、大昔のカーラジオもワンプッシュ選局が出来、パネルに5個ぐらいのプッシュボタンが付いていて、それらを押すと選局できるというものでした。当時からすでにスーパーへテロダイン方式だったのですが、周波数を変えるのにコイルの中に入れたフェライトコアを出し入れしてインダクタンスを変えて同調をとるしくみで、5個のプッシュボタンの機構にはそのコアを個別に出仕入れするメカが組み込まれていました。ボタンに局を登録するには、まずボタンを引っ張り出し、選局ダイアルで選局した後、ボタンを押し戻すとコアの位置が記憶されるような機械でした。
 このメカニカルな機構がやがては5つの個別コイルを電気的に切り替える方法に進化し、現在ではマイコンにメモリーさせてPLLにて周波数を自由に変えられるようになりました。
 高周波増幅部のBPFは受信したい帯域内のみを通過させ、不要な信号からの妨害を防ぐ働きをします。比較的狭い帯域ならばヘリカルフィルターなど使うことが出来ますが、高価になります。通常のラジオなどは可変容量ダイオードを使って同調をとる方式で、マイコンからのD/A出力やVCOのコントロール電圧などを利用して希望の周波数に同調する方式をとっています。
ミキサー部は一般的にはFETやトランジスタの非直線領域を利用して行いますが、高性能の通信機器ではDBM(ダブルバランスドミキサー)など専用のモジュールを使いますが、高いLocal発振レベルが必要とされたりしますので、選定には注意が必要です。
 IF増幅部は変調信号によってすこし異なります。AM信号や携帯電話などのW-CDMAなど振幅成分に変調がかかった信号を増幅するには信号強度が弱い場合にゲイン(増幅度)を合わせて大きくしておく必要がありますが、強い信号の場合にはアンプが飽和して信号が歪んでしまいます。このようなことを防ぐため AGC( Automatic Gain Control)と呼ばれる検波出力が大きくなるとIFのゲインを下げる機構を使い、歪まないで増幅できるしくみがあります。FM信号では積極的に信号を飽和させ、AM的なパルスノイズなどを低減させ感度を十分確保します。信号検波にはそれぞれの変調にあった検波回路を使いますが、最近の携帯電話などではIF周波数をI/Q検波で復調した数MHz帯域ある検波信号を、直接 A/Dコンバーターで取り込み、信号処理する方式が一般的になっています。
ソフト的には
 スーパーへテロダイン方式で高周波増幅とIF増幅でゲインをかせげる利点と裏腹に、様々な注意点が増えてきました。それは第1にイメージ周波数と呼ばれる flo ±IF の周波数が受信できてしまう問題です。上図の例では 445.7MHz + 10.7MHz = 456.4MHz がイメージ周波数です。この周波数を受信できないように高周波段のBPFで十分減衰させる必要がありあます。また高周波増幅部のゲインを上げすぎるとミキサー段で強入力時信号が飽和してしまう点、IFの増幅度を上げすぎると内部雑音が増えてS/Nがかせげないなどスーパーへテロダイン方式に伴う設計の難しさが表れています。
 現在のI/Q検波方式などでは、直接信号と同じ周波数のLocalOSCを使う「ゼロIF検波」などデジタルBS受信チュナーなどで開発されていますが、今後はソフトウェア受信機などさまざまな可能性が開けてゆくと考えます。

2011年2月 7日 (月)

FETのドライブ電流を考える

FETのドライブ電流とは
FETは電源スイッチングやLED駆動など、ドレインーソースの電圧降下ロスが少ないので最近よく使われるようになってきました。ゲートをドライブする時、静的には電流が流れないはずですが、ゲート容量があるため瞬間的に電流が流れます。Fet_drive
ハード的には
 SOP8パッケージに入った小型パワーMOS FET で100V 3A 程度の Renesas RJK1028DSP 等でもゲート入力容量は450PF程度あります。データーシートにも 4.5Vドライブ出来ると書いてあるので、5V電源のデジタルICで駆動すれば良いのですが、実はこの入力容量が問題なのです。通常のCMOSゲートICでは出力電流は 25mA程度です。これらで直接FETをドライブするとどうでしょう?
Capdrive
 上図はシリーズ抵抗〈ゲート抵抗〉1Ωのとき、入力容量Cissが 10PF(赤)100PF(緑)1000PF(青)のときのポートに流れる電流です。通常のゲートIC入力容量は10PF以下ぐらいでは瞬間30mA程度流れますが、短時間に充電されますので、平均電流はほとんど無視できます。100PF程度ですと2nS程度の短時間 でも70mAと、かなり危ない負荷条件だと考えられます。1000PFでは電流は飽和し40nS程度続きます。この例では 1Ω の抵抗がある条件ですが、全く抵抗をつけない場合では ICの破壊や動作不良が起こるでしょう。
ソフト的には
パワーMOS-FETでは入力容量が数1000PFあるのが普通なのでゲートICでドライブする場合はスピードが問題なければ100Ωから 1kΩ程度のゲート抵抗をつける必要があります。高速ドライブが必要な場合はゲートICをパラレル接続して電流を増やしたり、さらに駆動するためのICや小型のFETを使ってドライブする工夫が必要になります。

2011年2月 4日 (金)

CMOS VCOのはなし

CMOS VCOとは
専用のICではなく、ゲートICを使ってVCOを作ることが出来ます。CMOSであれば 10MHz以下の信号の発振など十分に可能ですので、応用によっては安価に製作できるのがメリットです。
ハード的には
Cmosvco 図上側はCMOSインバーターを使ったVCOです。抵抗の組み合わせで デューティサイクルや発信周波数範囲が変わりますが、図の定数で作れば、コンデンサーの値で最大使用周波数が規定できます。コンデンサーを 100PF以下にするとさらに高い周波数を発信できますが、ICの入力容量や配線容量などの影響で計算より低めの周波数になります。入力抵抗100kΩで20%〜30%の周波数可変範囲がとれますが、さらに広くとりたい場合は R3,R4を調整する必要があります。
 下側は 1つのNAND-ICで PLLを構成した例で、フリップフロップに抵抗とコンデンサーで帰還回路を構成して単体で発振するようにした物です。もう1つのNDNDで周波数を比較した信号と出力波形を三角波に変えた信号を比較して周波数をロックさせます。 分周器を利用することでリファレンス周波数の何倍かにロックできますが、発信周波数自体はあまり高く出来ません。
ソフト的には
CMOSの分周ICなど種類が豊富ですので、上記PLLを使って低い周波数ならばわりと簡単にPLLが作れます。図の応用はREF に 50Hz ,分周を 1/12 にして 600Hzを発振させ、その出力を 1/10 にすれば 60Hzになります。電源周波数を 50Hz-> 60Hz にする例です。


2011年2月 3日 (木)

YAESU FT 0NE  ミキサー部回路図追加

SCHEMATICS に YAESU FT 0ne のミキサー部を追加しました。
ダブルバランスドミキサーを NECの4個組みのショットキーバリアダイオード ND487C2-3R を使って構成しています。
 DBMの使い方で重要な点は、全ての端子がきちんとインピーダンスにマッチングした状態で使う必要があることです。マッチングしないと相互変調やダイナミックレンジなど理想的な特性が得られません。この回路では入力とローカル入力にアッテネーターを入れてマッチングの不整合に対応しています。またマッチングが悪くなる大きなデバイスとしてIFのフィルターが上げられます。フィルターの通過帯域は良くてもそれ以外の周波数はほぼ全反射になってしまうので、IFフィルターを直接繋いだ場合にミキサーのイメージ周波数などが全反射してミキサーに戻り、さらにスプリアスなどを生じてしまう悪影響があります。このセットでは間にゲート接地のバッファアンプを入れてこの問題を解決していると思われます。Ft1_mix


2011年2月 2日 (水)

FlipFlopのはなし

FlipFlopとは
フリップフロップで、ゲートICの種類。ON/OFFの状態を保持できるため、スタティックメモリーSRAMなどのセルに利用されている基本メモリ構造です。
ハード的には
Flipflop
右図のような NAND ゲートを2つ使い各々の出力を他の入力に接続した形で、ここではNANDゲートを使っているため、入力 X1,X2はプルアップされ通常は H レベルであるとします。
・Start
 まずどちらかのゲートが High 出力しているとして、Y1が High の状態をスタート状態とします。NANDゲートは論理表のように、どちらかの入力がLの場合は出力がHとなります。ここではY2が Low なのでそれが入力に繋がっている X1側が出力 Y1=Hとなっています。
・X2 Low
 次にX2をLowにして反転をはじめます。X2がLowなので下側のゲートは入力がLowなので出力がHighになろうとして
・Y2 High
 Y2がHighの状態に変化します。するとY2が繋がっている上側の NANDの入力が両方ともHighになるので
・Y1 Low
 Y1がLowに変化します。同様にY1がLowに変化しましたから入力に繋がっている下側のゲートも入力がLowになります。これによってX2をLowにしたことにより状態が変化して下側の NANDの入力が両方ともLowに変わりました。
・Stable
 このことでLowにした X2をHign戻しても、もう片側が Lowになりましたので出力はそのままで安定するようになっています。
 もう一度、こんどは X1 をLowにしても同様に変化して、安定な状態に反転します。
 以上2つのゲートが交互にON/OFFの状態を交替して、入力操作をやめてもその状態を保持する動作を利用して、メモリーとして活用できるのです。
ソフト的には
S/Rフリップフロップは Set と Reset 入力端子を持ち、出力状態を電源ON時などに初期化できます。 FlopFlopは別名「ラッチ」とも呼ばれ、状態記憶のデバイスとして多く使われ、アラーム信号の保持などマイコンを入れるほどでもない比較的少量の状態記憶に適しています。

2011年2月 1日 (火)

チップインダクターのはなし

チップインダクターとは
20110201_83921
チップインダクターのなかで高周波用・大電流用には積層タイプや巻き線タイプがあります。
通常のタイプでも数MHz程度までは理想動作しますが、周波数が高くなると規定インダクタンスよりも大きくなったり、自己共振してインピーダンスのピークが現れたりします。
 
 
ハード的には
Lbm2016まずは太陽誘電のLBMタイプの巻き線インダクターです。2016タイプで120nHで600mA 1µHで 385mA ,10µHで 215mA 流せるものですが、1µHで300MHz、10µHで 30MHz程度までならインピーダンスピークの前なので使用できそうです。この周波数を超えると、インダクタンスが急激に増えて安定しなくなります。
20110201_75924
これ以上の周波数で使用したい時は、太陽誘電では内部導体に銀を使った積層タイプのHKシリーズがあります。インダクタンス値は少なくなりますが、図のように 6.8nH程度では 3GHzぐらいまで良好に使用できます。しかしながら積層タイプなので、最大 470nH 電流も 300mA までです。高周波のマッチングなど電流を流さない所ならば問題なく使用できると考えます。
他のメーカでは村田製作所も巻き線インダクターを作っていますが、高周波特性は小型のタイプのもののほうが優れていますが、流せる電流はあまりおおくありません。
ソフト的には
大電流を流すドレイン用のチョークコイルは手巻きするか、CoilCraft など空芯タイプのインダクターは数A流せますので、これらを使用するしかないですが、価格的に高くても大量生産時には有用です。20110201_84417

« 2011年1月 | トップページ | 2011年3月 »