明日からはマイクロウェーブ展です。

明日から金曜日まではパシィフィコ横浜でマイクロウェーブ展2011です。
　今年は何日目に参加できるか不明ですが、年に１度のマイクロウェーブの展示会ですね。
　参加費無料ですから、平日参加できる人は是非いきましょう。

マイクロ波入門基礎講座では
11/30(水) 13:30～
基礎講座01
　改めて学び直す現場指向のマイクロ波伝送理論と基本回路設計
　- 自由自在のスミスチャートとS行列 -
12/1(木) 09:00～
基礎講座02
　マイクロ波フィルタ設計の基礎と実践
12/1(木) 13:30～
基礎講座03
　高周波計測技術
　- ベクトルネットワークアナライザ測定等の原理と信頼性 -
12/2(金) 09:00～
基礎講座04
　マイクロ波増幅器の基礎
12/2(金) 13:30～
基礎講座05
　高周波発振器の基礎

など改めて学び直すには良いでしょうね？

ワークショップで興味を引くのは...

11/30(水) 13:30～
ワークショップ01
GaN電子デバイス最前線
12/1(木) 13:30～
ワークショップ11
ミリ波・テラヘルツ波技術の最新動向と将来展望

12/2(金) 13:30～
ワークショップ19
無線電力伝送
- kHz, MHz, GHz -

もちろん展示会で新製品の説明を聞くのもおおきな楽しみですね。

マッチングのはなし

マッチングとは
　アンプなどで増幅するデバイスなどを次段（出力）や前段（入力）とインピーダンスを整合させて、パワーを効率よく伝達させるための手法です。「マッチングをとる」「マッチングが悪い」などと呼びます。
ハード的には

　よく使われる回路にΠ型マッチング回路があります。これは普通ローパスフィルターに使う回路ですが、伝送路の等価回路としても表現されているように、高周波をマッチングさせるうえで、アンテナカップラー（チューナー）などと呼ばれる装置もこの回路を使用しています。
コイルの両端にコンデンサーをGNDに落とした回路ですが、この回路は実は２つのLC回路が合わさって機能しています。通常のローパスフィルターでは入出力とも同じ値ですが、この回路を２つに分けて考えると、入力と出力を異なったインピーダンスでもコンデンサーを変えることで接合点で同じRとして接続することが出来ます。例えば入力側インピーダンスが容量性（C成分が多い）ならば、入力のC’を減らせば良いですし、逆にL成分が多い場合は入力のC成分を増やしてやります。インピーダンス自体が異なる場合はL'とC'とも両方変えて整合させますが、具体的にはスミスチャートなどで検証するのが良いでしょう。
　この方法はアンプのマッチング調整に応用できます。デバイスの入出力の伝送ライン（ストリップライン）はコイルとコンデンサーで等価できますので、デバイスの近くや、入出力端子にコンデンサーをGND間に増やしたり、減らしたり、もしくはストリッップラインを削って狭くしたりして加工してマッチングをとることで、必要なゲインや帯域特性を得ることが出来ます。
ソフト的には
　わたしもこの高周波分野の仕事に入った当初は、「アンプの調整する」って概念が判らず、いままでのオーディオ関連では歪みの少なくなるようあらかじめ設計されたバイアス調整用の半固定抵抗をまわしたりするのが調整でしたが、高周波ではデバイスの特性のばらつきにあわせてコンデンサーをつけたり、移動したりすることだったのですね。ちょっとカルチャーショックでしたね。

R-599 AF AMP回路図追加

TRIO R-599 のスピーカーを駆動するパワーアンプ回路をSCHEMATICS に追加しました。
前身のJR-599はごくオーソドックスなプッシュプル回路とドライバと前段アンプで構成されており、R-599では出力トランジスターなどは同じですが、音質や使いかってが随分改良されています。サーミスタでの温度補償はシリコンダイオードに修正、音声帯域を強調すべく初段とドライバとの結合はコイルを使った直列共振を利用しています。さらにCW時には近接キャリア音を消すためか、端子をLowに落とすことによってダイオードでコンデンサーをGNDに接続して高域を落とすような修正が加わっています。実際に使ったり、音を聞いた訳ではないですが、599シリーズは当時とても欲しかった機械ですね。

プリント基板作成ソフトのはなし

プリント基板作成ソフトとは
　いわゆるPCBCADと呼ばれている、配線図や部品を登録し、プリント基板のレイアウトを行って基板作成をスムーズに進めるのに現在では不可欠なソフトです。
ハード的には
　昔はいわゆる「オフコン」のUnix上で動くPCBCADソフトしかなく、図研のCR-3000が始めて使ったソフトでしたね。まだ自動配線の精度が悪く、手で引いた方がエレガントで、ずいぶん紙の上で下書きしてからオペレーターに渡してました。そのころはCADソフトを使うにもアップデートやら、テープに出力するのやらに Unix コマンドで行わなくてはならず、当時苦労してオペレートしていた担当者はいつの間にかUnixがわかるシステムエンジニアに成長して,その後ホームページやVPNなどネット構築に大きな力を発揮してくれました。
　当時は製図CAD AutoCAD が PC-98 に向けてリリースされた頃で、A3のデジタイザーやプロッタなどで回路図や図面を書き始めていました。その後パソコンでも使えるCADが次に出会った、Protel でした。パソコン用だから... と高をくくっていましたが、その頃は普通のPCがかつてのオフコン以上のパワーを持っていたので、ノートパソコンで基板設計出来るとは思ってみませんでした。その後 Protel は Alteum になってちょっと重くなってきました。
　個人的に趣味でも使えるものはと... 最近探すと トラ技などでも特集されている Eagle があります。
Lite 版でも2層という制限がありますが問題無く使えそうです。また、書籍が結構出ているのでマニュアルがわりに参考になりますので,1人で始めるのはかなり敷居が低く感じました。特に今時珍しく MAC 版があったので、さっそく入手して使ってみました。マウスでの拡大縮小やネットを選んでの配線などなかなか本格的で「これなら」と思う手応えです。
　P-版.COMの推奨の CAD も使ってみたのですが、OR-CAD系というか、配線図のシンボル登録がビットマップで動作は軽そうでしたが、ちょっと見栄えが良くない点、無償版はガーバー出力出来ず、P-版.COM専用になってしまうのもちょっと？と思います。
　当面 EAGLE を使って基板制作までチャレンジしたみたいと思います。図はMAC版。

R-599 144MHz Converter Local 回路図追加

Schematics に TRIO R-599 オプションの 144MHz帯（２ｍ）ユニットに使用しているクリスタルコンバーター局発部の回路を追加しました。
２つの水晶発振回路はコルピッツ型とよばれ、トランジスタのベースとコレクタ間に水晶発振子を接続して帰還させる回路です。コルピッツ型は回路が簡単で発振しやすく多く使用されます。この回路はベース･GND間の22Pが帰還位相調整用で周波数や水晶発振子によって調整します。２つの発振回路の同調コイルの出力を直列に繋げ、3艇倍と増幅をする2SC460のベースに直接入っています。この艇倍回路の動作は全くバイアスをかけていないので、ベース･エミッタ間のダイオードの非直線を利用して信号を歪ませ、3倍の周波数をコレクタのコイルで同調させ希望周波数を取り出しています。この段のコレクタ直流電圧が 4.5Vとなっていますので、11mA程度コレクタに流れていることが判ります。発振段のコレクタ電流は1.5mA 程度なのでこの段にかなりのレベルが入力されているのが判ります。
このLocal OSC によって 144MHz -116MHz = 28MHz 帯に落として受信されます。

Power ツェナーのはなし

Power ツェナーとは
　ツェナーダイオードのパワーのあるやつのことで、規格では 1W 以上のもある。
用途としては電流が流れる所で相対的な電圧降下を安定にするために使うが、例えば１２Vから 5V に落としたいときに100mA流れている場所では 12V -5V = 7V 7V x 100mA = 700mW とすぐにパワーが１W位必要になる。また、高い電圧を落とすために 30Vなんてツェナーを使ったが、定格 250mWのものでは 250mW ÷ 30V = 8.3mA しか流すことが出来ません。
ハード的には

　今月のトラ技（トランジスタ技術 2011年 12月号）には、「即席サバイバル回路」の特集で回路のノウハウが満載です。そこにあった回路ですが、右図のようにツェナーダイオードの代わりにトランジスタとツェナーダイオードを使って電流をトランジスタに流すことで、大電力のツェナーダイオードと使えるものです。トランジスタを大電流のものを使えば、トランジスタのhfe にもよりますが10A程度までは使えるとのことです。
ソフト的には
以前MOS-FETの 400Vスイッチングドライバで使った200V近い電圧を落とすための数10本のツェナーダイオードも、この回路を使えば部品の数を減らしてさらに電流を増やすことが出来てスイッチング性能が上がったかもしれません。アナログ回路にはレベルシフトという用途もまだまだけっこう多いみたいですね。
--------------- 参考図書-------------------------------------

トランジスタ技術 2011年 12月号

電源電圧とパワー・負荷抵抗のはなし

電源電圧とパワー・負荷抵抗とは
　高周波パワーアンプの電力増幅段はデバイスによって出力が決まりますが、電源電圧やゲートバイアスによって電流を変化させた場合、デバイスの動作インピーダンスはどうなるのかを考えてみます。
ハード的には
　理想的に動作した場合を考えると、図のように高周波信号は0VとVddの間をフルスイングする場合です。この時の実効電圧 E を求めるとをVddを2 で割った√値になります。これはP-PとRMSのはなしで説明してありますが、商用交流電圧 100V は実効値で表現されているのが、片側ピーク値では√2倍の141Vあることはダイオードで半波整流したとき出てくる電圧を見ても明確です。このようにデバイスがある高周波出力をしている時は内部の動作インピーダンスRはどれくらいかを概算することが出来ます。この実効電圧 E から出力を計算するには E を二乗してRで割ればいいので、その式を変換すると R は Vddを二乗した値を 2P で割った値となります。
　Ga-HEMT で Vdd = 50V P = 25W の場合に計算してみると、50Ω となります。
ソフト的には
　この計算は実際にデバイスが動作している電流値というよりは、マッチングが正しく行われた時のデバイスの負荷をどう設計するかの概略を検討するのに有効です。感覚的に GaAsのデバイスで 12V での25W時は　2.88Ω 程度になっていることに比べ、電源電圧の高い GaN では 50V時には 50Ω 程度なので、新しいデバイスの実験でも、シングルエンドで結構50Ωとマッチングが取れそうだな... 50W なら25Ωなのでバランでプッシュプルにするか..などおおまかに検討できますね。　

最小化設計のはなし

最小化設計とは
　なにを最小にして回路設計するか、場合によっては変わりますが、コスト・部品点数・実装面積など制限されるものは多いので、今回は「まず定石にそって」そして最小にするには？を考えてみます。
ハード的には
　例としてアラームコントロール回路を例にとります。仕様は４つの入力を持ち、電圧が超過したのを検出してアラームを出力します。個々のアラームはLED表示すればよく、どれか１つのアラームが出ても接点出力がONにして外部機器に知らせます。
まず通常設計は、
A ) 電圧検出にコンパレーターを使います。ポピュラーな LM393M 東芝では TA75W393FU などがあり、よく使われている単電源の出力がオープンコレクタのコンパレーターICです。電圧がリファレンスより超過したら出力がHighになるよう設定電圧用の半固定抵抗の可変端子を−入力に、電圧入力を+入力に繋ぎます。コンパレーターはオープンコレクタなので、プルアップ抵抗で電圧を作成し、LEDは専用のトランジスターでドライブしてベースがHigh になると点灯するようにします。
B) アラーム出力は 4個入りの2入力OR CMOSゲートの 74HC32Fでアラームをまとめ、同様に接点出力のためのリレーを駆動するトランジスタのベースに接続します。

最小化ではなにを変更しましょうか？
A) アラームLEDドライブを省略できないか？
　LEDの電流をどのくらい設定するかにもよりますが、通常は 5mA もあれば大丈夫ですね。それをそのままコンパレーターでドライブできるかどうか、データーシートを見てみます。
出力Output Sink Currentは 16mA Typです。 min 6mAなので LEDだけなら最悪でもドライブできそうですね。しかしながら困ったことがあります。LEDをONするにはオープンコレクタでは ON時なので出力Low にするので、現在のアラーム出力レベルと逆になります。解決するには、コンパレーターの入力を逆にして接続し、動作を反転させます。
B) OR ゲートを省略できないか？
　ORゲートは他に使い道が無ければもう１回路余っているし、サイズ的にも大きいです。
C) リレーも大きいし小さく出来ないか？
　リレーも小型のものも増えてきましたが、寿命がある点と電流をけっこう消費するので、できれば使いたくない。出力が完全接点でないが、MOSリレーで問題なければ小型の AQY-212GSなどはどうでしょう？60Vで 1Aまで ON/OFFできますし、ON抵抗は平均0.34Ωです。電流も3mAで十分ONするので LEDとあわせても 動作時8mA程度なので、回路を簡略化できます。

　ORの代わりにダイオードでMOS-リレーを直接繋げました。どれかがアラームでLowになれば MOS-リレーはONします。
ソフト的には
　コンパレーターの出力電流がちょっと心配ですね。最小が6mAとなっていますので、LEDの電流を減らせればOKですが、減らせられない場合は MOSリレーだけPNPトランジスタを使ってエミッタを +5Vにベースを1kΩ程度の抵抗でダイオード接続点に。コレクタから電流が流れ出しますので、抵抗を繋げてMOSリレーに繋げGNDに落とします。

オープンドレインの応用

オープンドレインの応用とは

　CPUのポート出力などはCMOS出力や、オープンドレイン出力などいろいろありますが、今回はオープンドレイン出力の応用について考えます。
ハード的には
　主としてオープンドレインは外部デバイス駆動を目的にした場合、出力電流が比較的大きく「LED直接駆動可能」などとうたっている場合が多いです。また、ポートに出力保護ダイオードが入っていない場合は、電源電圧の+5V(+3.3V)よりも高い電圧をかけることが出来ますので、耐電圧をデーターシートで確認しましょう。
　右の図はオープンドレインの応用例です。一番上の MUTE はオーディオなどに用いられますが、FETには2SKタイプで常時ONしており、ゲートを -5VくらいかけないとOFFしないタイプなどがあります。このFETをオープンドレインで使うと、初期状態で出力OFFの回路なので、セットの電源をONする場合に比較的簡単な回路で電源ON時のノイズを消すことが出来ます。OFF時に出力を消すにはすぐゲート電圧を OFFする回路が必要です。
　次はリレー駆動回路です。リレーはトータルの電力で駆動しますので、 5Vなら 100mA 必要なリレーも、 12V仕様ならならば 40mA 程度で済みます。しかしながらマイコンのCMOSポートではHign時でも12V-5V =7Vかかりますので、OFF出来ません。CMOS出力では直接 ON/OFFできない電圧ですが、オープンドレインを使えば簡単に使えます。（マイコンのポート最大電圧をチェックすること）リレーは逆起電力でドライブするICを壊す恐れがあるので、逆電圧防止のダイオードを必ず入れます。
　Alarm Out は数個のアラームをまとめて（どれか１つでも出た時にAlarm Outしたいとき）使うのに便利です。アラーム出力ラインを延ばせば、アラーム検出個所が離れていても接続が容易です。この構成はワイアードOR といって結線状態でOR(どれかが働くと反応する）の論理出力します。正確には正常時 High アラーム時 Lowの負論理で使います。
　1Wire は１つの信号で送信と受信を兼ねることができる回路です。 I2Cバスの SDA などがこの回路になっていますが、送信が終わったら出力回路のオープンドレインをOFFすることによって、他の信号を受信することが出来るので、複数の送受信機を１つのラインに接続することが出来ます。
ソフト的には
　オープンドレインは ON時の Lowに引っ張る電流はかなり流すことが出来、Low時のインピーダンスが低く、この状態ではノイズに強いですが、High 時にはプルアップ抵抗のインピーダンスになります。高速で負荷に浮遊容量が増えますと、ドライブできるスピードが下がりますが、プルアップ抵抗を下げることである程度防ぐことが出来ます。また最近では I2C バスの中間につけてアクティブにバスをプルアップする回路デバイスも開発されているようです。いずれにせよ、CMOS出力とはちょっと違ったオープンドレインを使いこなすと、ハード設計の可能性が広がります。

大容量セラミックコンデンサーのはなし

大容量セラミックコンデンサーとは
　積層セラミックコンデンサーは、小型化され積層数を上げて大容量のものが開発されています。しかしながら、主として携帯電話や低電圧回路用のものが主流で、高周波パワーアンプに使うような高耐圧（100V以上）で使える大容量のものはあまり多くありません。10KHz程度の低い周波数から 200MHz程度までの広帯域のアンプを作る場合にデバイスのデカップリング（直流阻止）のためのコンデンサーの選定は重要です。
ハード的には


上図は 50Ωのインピーダンスで 1000pFのコンデンサーをデカップリングに使用した場合の通過特性(S21)と入力マッッチング(S11)を示しています。通過特性では 1.5MHz付近で3dB程度下がっていますが、コンデンサーの容量が少なく、低域でマッチングしなくなるのが判ります。このコンデンサーを100倍して 0.1uF にしたのが右のグラフです。周波数軸が変わっていますので、計り直せば、15KHz程度で 3dBダウンと改善されているのが判ります。

　このようにデカップリングのコンデンサーの容量で通過ロス・マッチングが変わりますので、低い周波数を増幅しようとする場合、大きなコンデンサーが必要です。さらに増幅するデバイス付近ではインプーダンスが 50Ωより低い場合が多いので、例えば半分の25Ωでは右図のように10uF程度にすることで十分な特性を得ることができます。反対に電解コンデンサーなどでは内部の抵抗が高周波域では大きくなって損失が増えるため、数10MHzまで使いたい場合は電解コンデンサーでなく、積層セラミックコンデンサーが適していますが、大容量で高耐圧なものが必要になります。

　右図は TDKの積層セラミックコンデンサーを金属端子に接続したメガキャップタイプですが
、耐圧 100Vならば 22uF 250Vならば 3.3uF,450Vならば 2.2uF が選択できます。
ソフト的には
　大きなコンデンサーを使うとサイズによるインダクタンスが増えて高周波特性が良くなりませんが、損失による発熱も注意すべき点です。大きいと放熱面積が増えるので、有利な面もあります。熱膨張による変化で半田部分にクラックが発生する場合がありますが、金属端子を使っているこのようなタイプでは有利ではないかと思います。