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2011年6月

2011年6月28日 (火)

レールトゥーレールOP-AMPの落とし穴

レールトゥーレールOP-AMPとは
以前の記事レールトゥーレール(OPAMP)についてで記載しましたが、OP-AMPには電源いっぱいまで出力出来て、単電源で使える便利なものがあります。今回使ってみて思わぬ見落とした点があったので、参考まで書いてみます。
ハード的には
 使ったのは秋月電子で売られていた2回路入低入力オフセット電圧CMOSオペアンプNJU7062DというOP-AMPです。
 チェックしたところでは 3Vまで使用可能で、レールトゥーレールで入出力出来るものとして使えそうでした。5V電源のCPUのA/Dコンバーターバッファアンプに使うため、単電源 5Vで使用でき、入力が0Vから使用でき、出力も 0Vから 5V付近まで出ることが必要です。
PICが悪いのか?
 PIC18F4550 のアナログ入力に接続し、OP-AMPのマイナス側入力に1.3KΩでGNDに、4.7kΩで出力に繋ぎ、OPAMPではGain= (4.7+1.3)/1.3 =4.6 と 1V程度の入力で使える設計で実験し、入力 0.1V程度で出力 0.5V程度出たので、さっそくプログラムを走らせて確認しました。
 PICは 10BitA/D なので 上位8BIT中2ビットと下位8BITを計算して求めるのですが、どうも上位2BITが0のまま。10BIT値を左詰に設定すれば上位レジスタに値は入りますが、上位2BITは0のまま。ネットで症状を探すと、「古いPICは8BITA/Dなので10BIT時は設定がいる」とかやってみるが改善されず。
原因はOP-AMP?
 仕方がないので、デバッグをやめ、基板を外してOP-AMPの出力を確認してみると、なんとMAX1.2Vで飽和してしまっている!「えー!レールトゥーレールだよねー」と、CPUへの出力ラインを切っても同じなので、本来使用する予定だったµSOP8のちっちゃな AD8616ARMZを変換基板に載せて実験。 これなら万事OKでした。でも完全レールトゥーレールのはずなのに...と、NJU7062Dのデーターシートをよーく見てみると。20110628_91754 こんなグラフが..ありました。要は「出力電流が 100µAまでしか出せませんよ。」ってことです。帰還につかっている 4.7KΩと1.3KΩが出力に繋がっているのでこれが負荷になっていたのでしょう。6kΩ X 100µA =0.6Vなのですが、入力電圧が1V程度に大きいので、ちょうど 1.2Vぐらいで飽和してしまった様です。
ソフト的には
 NJU7062Dのデーターシートをよく見ると
----------------以下引用----------------------
■ 概 要 NJU7061/62/64 は、低入力オフセット電圧を実現した 1 回路、2回路及び 4 回路入りの C-MOS オペアンプです。 低入力オフセット電圧(2mV max)及び低入力バイアス電流(1pAtyp)により、グランド電位近辺の微小信号を増幅することができ ます。
また、動作電圧は 3V (min)と低電圧駆動が可能で、出力は電源 電圧範囲内でフルスイングが可能です。さらに、消費電流は 150μA(typ)/1 回路と低く、特にバッテリ 駆動の各種機器に幅広く応用することができます。
-----------------------------------------------
と微小信号増幅と低消費電力が売りのOPーAMPです。帰還抵抗をあと1桁大きくすれば問題なかったですね。確かに低消費電力のセットの設計で、帰還抵抗で 1mA近く消費する設計はありえませんね。今回ICを外した後でこの原因が解ったのですが、とかくデーターシートには弱点はあまり明確に書かれていないので、そこをチェックできるのが「経験」でしょうかね?高速なOP-AMPでやたら電流を消費して熱くなったり、電源電圧が 15V MAXなどの制限があったり、出力にコンデンサーをつけたら発振したとか..
●今回の勉強.....レールトゥーレールOP-AMでは出力電流能力にも注意が必要。


2011年6月22日 (水)

NAKAMICHI DT-550 DC/DCコンバーター回路図追加

SCHEMATICS にNakamichi DT-550 DC/DCコンバーターの回路図を追加しました。
 Nakamichi 550の電池8本の 12Vからシステム電源 17Vを高効率で生成する DC/DCコンバーターの回路です。簡単な回路ですが、電池が最終放電値になるまで安定に電圧を供給するため昇圧型のスイッチングレギュレターとなっています。電池は他にはメーターランプに繋がる程度で、すべてはこのDC/DCコンバーターを通って稼働されています。図中安定化検出はツェナーダイオードを基準電圧にした PNP トランジスタのエミッタと出力電圧を抵抗分割した値がべースに接続されています。電池電圧が 13.6V程度から9.6V程度とそれほど広範囲でないために DC/DCの効率の良い発振回路や定数が選択できて実現されているかと思われますが、今は現物がないためトランスの大きさやコイルの太さなどチェックしてみたい回路です。
Dt550_dc_dc_2


2011年6月17日 (金)

海外出張のはなし2

先週から親の手術後の付き添いで時間が取れないで、ブログ更新がままならなかったのですが、WiMAX お試し環境が手に入ったので、病室から更新です。
今日は海外出張の話2「スイス編」です。
 スイスも早い時期の 0.5W FM CBトランシーバー案件で行ったのですが、抜き取り検査で帯域外スプリアス輻射で不合格となって再度電波監理局(PTT)に改善したセットを持ち込んで許可の取り直しをしなければならない任務でした。
1)到着からトラブル続き
 スイスのチューリッヒ空港にオランダのアムステルダム空港から乗り換えて着いたのですが、荷物が降りてこないで、案内に聞いたら「乗っていない」とのこと色々文句をいってもラチがあかないので、いったん出て迎えに来る人に交渉を頼もうと外に出ても待ちびとは来たらず....で、しょうがないので、行く予定の会社まで電話。これがなかなか通じなくて「日本からのエンジニアだ」「迎えがいない」がようやく通じてとにかくそこで待ってろとのことでしばらく待っていると、空港のエージェントらしき人が来てようやく荷物のこと、会社の人の迎えが来ないことを理解してもらえました。荷物の中には測定器もあったので「仕事に必要」と言うと「今日は次の便がないので明日になる」とのこと。その人が空港から会社まで郵送してくれることになった。そうこうしているうちに会社の迎えが到着。なんとものんびりしている..
2)会社はアルプスの向こう側
 それで車に乗って会社まで行くのだが、なんとアルプスを越えるとのこと。「出来たばかりの世界最長のトンネルをくぐるんだ」などといって本当に長いトンネルをくぐり、橋脚がばか高いハイウェイを通ってキアッソというイタリア国境の町まで行きました。「今度来るときはイタリアのミラノが近いよ」って言われました。
3)認可する管理局はチューリッヒ。
 測定器も届き、修正箇所も日本で検討してきた改造でOKだったので、サンプルを電波監理局に持って行くことになった。それでまた車でアルプスを越えてチューリッヒまで。現地で昼食となったのですが、スイス人のくせにメニューが読めない。「どうして」と思ったが、イタリアに近い場所は言語がイタリア語、チューリッヒはドイツに近いのでドイツ語圏だそうで、「おれはフランス語なら判るけどドイツ語は苦手」「このメニューの料理はきっと生肉だからやめておこう」など注文も大変でした。
 電管の担当はアマチュア無線家( スイスはたしかHB9CVのアンテナ で有名だったかな?)で「私もそうだ」「日本から来た」というと意気投合...仕事とは別だよと言いつつ測定結果OKにしてくれました。お礼に食事でも..と誘ったが「コーヒーだけで結構」とやんわり断られました。
4)あんまり働くな
 認可されたので、在庫のセットを改造するのですが、私1人だけだと大変なので改造のため若い男の人がパートで雇われました。彼が改造して、私の担当は調整だったのですが、早く在庫をやりきろうと毎日改造した分を完了すると、すぐ改造が追いつかなくなる状況でした。その際彼からひと言「あなたが早くやると、私の雇われる日数が予定より早く終わってしまう」「収入が少なくなるのでゆっくりやってほしい」と言われました。確かに生活がかかっているからなぁ
5)お昼はイタリアまで
 国境の町なのでイタリアまですぐ近く。普段は会社の近くの店で昼食が用意されているのですが、その日は「いっしょに食べに行こう」とさそってくれました。「パスポートもってるか」と聞くので変だなと思っていると車は国境を超えてイタリアまで...彼らはイタリアから給料の良いスイスまで働きに来ている人達でした。本場イタリアのピザとスパゲッティを堪能しました。イタリアの町中の窯焼きピザはおいしかったけど、チューリッヒ空港のピザは薄っぺらでまずかったなぁ。
6)近くの湖はあのコモ湖
 イタリアのレストランに向かう道は湖の横を通るのですが、その湖があの「スターウォーズ」でアナキンとアミダラ女王の過ごした湖のモデル地。有名スターの別荘も多い有名な湖だとは後になって知りました。
7)2回目はミラノから
 結局市場出荷分もまた改造しなくてはならないので、また数週間おいてスイスに行きましたが、そのときはミラノから行きました。その帰りは新たな修理用品...なんと4Uラックほどもある基地局のサンプルを2台も東京までもって帰らなければならないはめに...上野から東京までの道のりが大変でした。
 さらに帰りがクリスマスだったので、スイスの会社からプレゼントにと、おおきなクリスマスケーキ(マフィンの大きいものみたいなやつ)を日本まで持たされて、2台のサンプルと一緒でさらに大変で、成田空港でキャスターを買ったけど苦労したっけ。20110618_54848


2011年6月13日 (月)

Nakamichi DT550 Meter AMP回路図追加

Schematics に Nakamichi DT550 Meter AMP回路図を追加しました。
 Nakamichi のポータブルカセットデッキ DT550 のメーターアンプの回路です。大学生の頃バイトでお金を貯めて買った、とてつもなく重いポータブルのカセットデッキでした。単1電池8本を使ってナマ録が出来るという代物で、ナマ録よりも友人の家に出かけ、レコードをカセットにダビングするのに便利でした。一応当時のスペックで17KHzまで録再できるのはあまり多くなかったですね。ステレオマイクにもう1本マイク入力が付いていました。中身は電池で12Vを確保しただけに留まらず、DC/DCコンバーターでシステム電源は17Vを供給されています。メーターアンプは直結の2段アンプですが、アンプを通した信号をダイオードで検波していますが、直流出力からツェナーダイオードで入力トランジスタのベースにバイパスするラインがあり、直流帰還をかけて最大レベルを抑制するような働きをしているかと考えられます。
 メーター出力へは半固定抵抗の調整抵抗のラインと平行にコンデンサーが入れられ、メーターの機械的反応の遅さをコンデンサーで補助しているように見受けられます。この回路の出力は音声ラインのリミッター回路にも利用されています。
Meteramp
Nakamichi550 のアナログピークメーター
Nakamichi550meter


2011年6月 8日 (水)

製品の寿命について考える

製品の寿命とは
 製品として機能しなくなるには、電解コンデンサーやバックライトだったら容量や輝度が半分になり性能が満足できなくなる、などからセラミックコンデンサーの絶縁不良やタンタルコンデンサーのショートなど、確実に動作しなくなる現象まであるかと思います。製品で寿命に最も影響を与えるのが電解コンデンサーですが、今回は他の部品について考えます。
ハード的には
1)まずは半田付け部分
 一般に電子回路の寿命は個々のデバイスよりもおおきなファクターを占めるのが、半田付けと言われています。部品とプリント基板との接合部分の半田が温度変化で伸縮してクラックが入り、抵抗が増えてやがては断線となります。特に発熱するLSIのBGAなど多くの端子の半田の接続不良などが今日重要です。
 経験的にもインバーターの不良などをみると、2W クラスの抵抗の基板半田付け部分が熱でイモ半田状態になって焦げていたり、整流ダイオードの半田部分が半田クラックで導通不良になったものをけっこう見かけます。設計時に温度が高くなることから半田部分への影響を考慮する必要があります。
2)環境温度変化を少なくする(発熱を抑える)
 電解コンデンサーもそうですが、使用環境温度を規格よりも低くすることで寿命は延びます。
20110608_115734
 表は東芝セミコンダクター社のMIL-HDBK-217による電子部品の故障率予測の説明から引用しました。この図はICパッケージに対する故障率の温度ファクターですが、リニアICを例に取ると 25℃で 0.1 であるものが、50℃になると 0.71 と7倍にもなってしまいます。GaAs MMICでは100倍にもなります。このように積極的に温度を下げることは寿命にも大きな影響を与えます。
3)もちろん部品をへらして故障原因を減らす
 ディスクリートで構成するよりも、ICで機能を満足する場合は部品点数を減らす効果が大きいです。逆に1ポートだけ大電流出力したいだけなのに、8CH入ったバッファICを使うよりも FET1本で済む場合ならばそのほうがコスト・信頼性で有利ということですね。
ソフト的には
 上記電子部品の故障率予測にあるファクターで「環境ファクター」があります。家の中で使うよりも車の中では 8倍、戦闘機(飛行機)では 10倍故障率があがるようです。でも宇宙(飛行中)は地上と同じなんてちょっと面白いですね。

2011年6月 3日 (金)

完成への努力について

完成への努力とは
 仕事でもそうですが、要求された仕事を完了させた時に、「一応完了したが、これで本当に完成しているか」を時々考えませんか?。プリント基板のレイアウトでも、「バスライン間隔が所々そろっていないけれど、高速バスでないし繋がっているので問題ない」と考えるか、「もう1時間かけても、引き直して最短・等間隔で美しく引き直そう」と思うか...こだわりがある場合がありますね。「このラインを部品面にすれば、スルホールビアなしでいけるのに...どうしよう」なんて悩みも時々あります。
報告書でも20110603_85938
 試作実験などで測定結果をレポートする際に、エクセルの表を打ち出して詳しいデーターを上司に出せばそれで良いのですが、「判りやすいようにグラフを追加しよう」なんて思って追加すると右図のようなデフォルトの表になります。(MAC EXEL 2008の場合)P1dBのパワーのくせに、ずいぶん変動しているんじゃないかと逆に心配されてしまうようなグラフですね。それに単位が入っていませんし、周波数軸の線がないので見にくい点があります。
20110603_91235
 次の図は上記の点を修正して直したものです。各軸に単位を入れて補助目盛り線も追加して判りやすい様にしました。各軸の線の色も濃くして軸がはっきり判るようにしました。グラフ線が1本だけなので右にあった線の説明も省略してグラフ領域を大きめにしました。縦軸も 53dBmから 57dBmとスペックに比べてその全体が判りやすい範囲に設定し直しました。
 これでずいぶん良くなりましたのでオッケーなんですが、もうちょっと努力してみるのはどうでしょう?20110603_91206
 まず第1にタイトルを判りやすいように変えました。他に電源電圧対P1dBなんてグラフがあった場合区別が付きにくいですよね。 そして要求スペックの範囲を赤色で入れてみました。1100MHz〜1300MHzで56dBmを要求されているのが一目瞭然で、1300MHzではスペックにたいして余裕がないのもよくわかります。 上限リミットがある場合もそれらを記載できると良いですね。
 P1dBといっしょに消費電流や効率などのグラフを一緒にする場合は右側に第2軸を設けるのもいいですね。
ソフト的には
 日常の仕事で自分でも「完了した」と思っている仕事に対して、日々忙しいと「これでOK」とせざるを得ない場合が多いと思います。しかしながら仕事の結果を見る人の立場に立つとどうか? もうちょっと向上できる方法はあるんじゃないか?基板を他人にみられたとき「きれいなレイアウトしてるなぁ」と思われたい?
 人よりもう一歩の努力が、自分を伸ばしてゆくチャンスになっていくのではないかと思うのですが...

2011年6月 2日 (木)

PIN ATT のはなし

PIN ATT とは
 PINダイオードは高周波で順方向電流値によって抵抗が変わります。これを利用した高周波のアッテネーター回路を PIN ATT と呼んでいます。
ハード的にはPinatt2
 図の上側はブリッジドT型ATT回路です。単純な直列抵抗型のATTと違って可変した場合でも入出力のインピーダンスを50Ω近くに保とうとする工夫がこのような回路になっています。回路ではコントロール電圧がない場合(0V時)に最小減衰量とするため、通過用ダイオードをバイアスする Vccが必要です。コントロールポートに電圧を加えると、通過ダイオードのカソードの電圧が上昇し、通過ダイオードの電流が減り抵抗値が増えます。それと同時にコントロール側のダイオードに電流が流れ、2つの50Ω抵抗の反対側をGNDに落とす働きをします。
 下側の図はπ型ATTの回路で、コントロール電圧が0Vの時は最大減衰量となっています。GND側の2つのダイオードがONして入出力がGNDに落とされています。この場合PINダイオードのON抵抗が入出力のインピーダンスとなりますので、マッチングを取って減衰量を犠牲にするか、減衰量を優先してマッチングを犠牲にするかの設定を選んで電流値を決めます。コントロール電圧をかけてゆきますと通過ダイオードの抵抗が減るのに従ってGND側のダイオードの抵抗が増えますので、相対的に減衰量が減ることになります。
ソフト的には
 回路上減衰量を可変してもダイオードのGNDからの電位が Vccの半分程度になり、通過する信号レベルが大きくなってもVccやGNDで信号がクリップしないような工夫があります。入力信号のレベルによって信号のピーク値を計算しておき、十分高いVccで運用する必要があります。

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


トランジスタ技術SPECIAL (No.88)
 7章「高周波ダイオードの使い方」に PIN SW とともに PIN ATT の詳しい解説がされています。高周波ダイオードのスペックなども紹介されており、ダイオード全般の理解しやすい良書ですね。

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