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2011年12月

2011年12月31日 (土)

水晶発振回路のはなし

水晶発振回路とは
 水晶振動子を利用して安定な発振を行う回路です。
ハード的には
 Xtaloscs_2
 代表的な回路は2種類あります。水晶振動子をトランジスタのコレクタとベースに接続する「ピアースBC回路」は発振しやすいので良く用いられます。しかしながら、水晶振動子の両端とも信号線に繋がっているのでインピーダンスが高く、水晶の切り替えや周波数を可変する VCXOには不向きです。それで、「コルピッツ型」が用いられ、水晶の片方がGNDに接続出来るので、ここをダイオードで切り替えたり、トリマーコンデンサーやバリキャップを入れて周波数調整を可能にしています。
ピアースBC回路は水晶振動子が帰還する位相を変えて、共振周波数付近で発振させますが、コレクタの振幅を多くとった場合、水晶振動子にかかるパワーが大きくなりすぎて不安定になったり、破損したりします。その点コルピッツ型は水晶振動子に負担がかからないので、安心して使用できます。このコルピッツ型の発振条件はベース・エミッタ間のコンデンサーとエミッタ・GND間のコンデンサーの容量が周波数によって異なることです。エミッター・GND間の方が小さい場合が多いですが、周波数が高くなるにつれ小さな容量になります。初期のコルピッツ型ではベース・エミッタ間のコンデンサーが無い場合もありますが、これはトランジスタ自体のベース・エミッタ間容量を利用していると思われますが、温度変化等で発振しにくくなる場合が多いので、最近の回路は比較的大きな値を使っています。
「FET]の場合はコルピッツ型と似ていますが、このベース(ゲート)・エミッタ(ソース)間のコンデンサーがない回路もあります。これはFETがゲートインピーダンスが比較的高いことで、ドレイン電流の変化でゲートまで帰還される仕組みのようです。


2011年12月21日 (水)

マッチングのはなし2

マッチングのはなしに続く第2弾です。
 伝送系の50Ωとデバイスとはしばしば大きなインピーダンスの違いがあり、間のコイルやコンデンサーの回路でマッチングさせてゲインやパワーを最適にします。今回はこのマッチング回路についてどのような性能があるか考えてみます。
ハード的には
右図は各種のマッチング回路です。ここでは入力側 50Ω 、出力側 450Ω、周波数 10MHzの例をとってどのような特性を示しているかチェックします。Machings
R-ATT
これは抵抗でマッチングさせた例です。周波数特性がフラットですが損失が 6dB程度ありますので、パワー段やゲインの少ない時は使いにくいですね。
TRANS1
1:3の巻き数比のトランスを使ったマッチング回路です。これはコイルの場合巻き数比 1:3 ではインピーダンスはその二乗比の 1:9になって 50Ω x 9 = 450Ω とマッチングすることを利用しています。高周波増幅段でよく見られる手法ですが、トランスの共振周波数以外を減衰させて使用します。
TRANS2はコイルのインダクタンスが違うだけですが、コンデンサーの容量が大きい High C の前者よりもこちらのほうが負荷Qが低くなるため周波数特性が緩やかになっています。一般的に Hign-Cの同調回路の方がQを高く出来ます。
C-DIV
これは同調回路のコイル部分を分割してインピーダンス変換するのでなく、コンデンサーの分割比でインピーダンスをマッチングさせます。この回路はコンデンサーの容量を調整してマッチング出来るので、アンプの段間や出力段によく用いられています。
LPF
LPFのCとLを1つづつ使った回路で、インピーダンス変換によく用いられます。出力段の高次歪みをフィルタリングする効果もあり、低域まで比較的よくマッチング出来るので、広帯域のアンプに用いられます。次の LPF2のようにΠ型の回路構成をとることで、LPFの性能を上げることができます。ここで、普通のLPFと違うのは入力側と出力側のコンデンサーの容量が異なる点です。インピーダンスが高い方が小さな容量になります。
HPF
 LPFとは逆に HPFの特性を持ったマッチング回路です。高い周波数の受信機等で、ラジオや高周波電源ノイズなどの低周波の妨害信号が入ってこないようにする受信機前段などによく用いられます。
ソフト的には
 高い周波数ではLPF回路の代わりにストリップラインを使うことも可能です。通常はストリップラインの太さでインピーダンスを変換します。回路的には LPF の回路と同じ働きです。他には入出力コネクタまで1/4λの長さでパターンを作って、マッチングの微妙なズレを補うための手法等にも利用されています。

----------- 参考図書 -------------------------
この本の3章「インピーダンス変換技術」には上記の詳しい説明が記載されています。

高周波技術センスアップ101―数M~数百MHzの高周波信号と上手につきあうために (RFデザイン・シリーズ)

2011年12月20日 (火)

イメージのはなし

イメージとは
 ここでは 映像の Image でなく、一度中間周波数(IF)に変換して受信する、スーパーヘテロダイン受信機に特有な希望波以外に受信してしまう周波数のことをイメージ周波数と呼んでいます。
ハード的には
Mixer_2
 右図は CB トランシーバーの周波数を例にとったスーパーヘテロダインの周波数構成を示しています。
中間周波( IF )を 10.7MHz としたときに、 27MHzを受信したい場合、局部発振周波数( Local )は 上側に選択する場合10.7MHz +27MHz = 37.7MHzとなります。この場合にイメージ周波数は Local 周波数に対して受信周波数と反対側 IF 周波数離れたところに現れます。これは IF 周波数にミックスダウンする場合に Local 37.7 MHZ -27MHz = 10.7MHz となる他に 48.4MHz - 37.7MHz = 10.7MHZ ともミックスダウンされるからで、受信機の入力段での周波数選択能力( BPF )が弱いと少し強い信号なら受信してしまうからです。
 また、下側の Localの場合は 27MHz-10.7MHz = 16.3MHzとなり、イメージ周波数は 5.6MHz となります。こちらのほうがBPF 的には減衰量が多く取れること、Localの周波数が低いので高性能なトランジスタや PLL を使わずに済み、コストダウンが図れますので、この周波数関係がCB帯では多く使われました。
 しかしながら、低い周波数では強力な短波ラジオ信号があったりして、広帯域な信号を受信するには不都合で、例えば HF帯 ( 1.8MHz〜28MHz )まで連続カバーするような受信機ではイメージ周波数が時として強力な信号に出くわしたりしますし、広帯域をカバーするには多くのLocal発信器を切り替えて構成する必要がありました。そこで、技術の進歩に伴いIF周波数を50MHz程度に一気に高くとることで、Local周波数は 51.8MHz〜78MHzと1つのVCOで発振可能になり、イメージ周波数も右図のように 27MHzを受信する時には104MHzと十分離れた周波数にすることで、実現可能な入力段の選択能力で設計できるようになりました。
ソフト的には
高いIF周波数の採用で周波数切り替えがいらなくなりトランシーバーの設計は楽になるかと思いましたが、やはりそれだけではありませんでした。実は入力を広帯域にしたままですと、希望信号以外の強力な信号が入ってくると、高周波段やミキサー段が飽和して希望信号の感度が下がってしまう「抑圧現象」や「3次歪みによるスプリアス受信」が起きてしまいます。そこで、トランシーバー各社は入力段にフィルターを入れて、必要な周波数帯域のBPFを切り替える回路構成をとったのです。高性能を追求するとやはり必要なものはなかなか省けないものですね。


2011年12月17日 (土)

FUKUSHIMA Project のはなし。

昨日福島原発の冷温停止が宣言されましたが、やっぱり「完全停止には50年かかる」との友人の話を改めて思い出しました。そして今日日経Tech-ON の記事で FUKUSHIMA Project を知りました。
 その記事の中で筆者 山口栄一氏(同志社大学 教授)の以下の文に共感しました。まさに原発関連の仕事に従事する私の高校時代の同級生の話と一致していたからです。

----------------------- 以下引用 --------------------------------------
 筆者は、多くのエンジニアの方と接し、本来、彼らは「想定外」を嫌う人々なのではないかとの思いを抱き続けてきた。「原子炉は絶対に安全だから、その安全を疑ってはならない」という会社の方針自体は「非科学的」である。そうであれば、あればこそ「想定外」のことが起きてもきちんと作動する「最後の砦」を設けなければならない。エンジニアであれば、そう考えるのが当然なのではないかと考えたのである。
 その想像が当たっていたことを知ったのは、3月29日のことだった。「最後の砦」が実はすべての原子炉に設置されていたのである。それは、たとえ全交流電源が喪失したとしても、無電源(または直流電源)で稼働しつづけて炉心を冷やす装置であって、1号機では「非常用復水器」(IC)注4)、2~3号機では前述のように「隔離時冷却系」(RCIC)という。「非常用復水器」の進化形だ。

注4)Isolation Condenser。正確には「隔離時復水器」という。

 前者の「非常用復水器」(IC)は、電源なしで約8時間、炉心を冷やし続けるよう設計されていた。後者の「隔離時冷却系」(RCIC)は、直流電源で炉心を20時間以上冷やし続ける。
「最後の砦」があれば、地震後にこれらが自動起動したか、運転員が手動で稼働させるのは当然である。それをしなければ、原子炉は「制御不能」になるのは自明のことだからである。そして、「最後の砦」が働いて原子炉を「制御可能」に保っている間に、なるべく早く対策を講じなければならない。冷やし続けられなくなれば、原子炉は「生死の境界」注5)を越えて熱暴走し、「制御不能」になってしまう。

注5)「制御可能」(原子炉の炉心がすべて水に浸った状態)と「制御不能」(原子炉の炉心の一部が水に浸っていずそこが空焚きになる状態)の境界。「最後の砦」が止まってからその境界に至るまでおよそ4時間の猶予がある。いったん原子炉が「制御不能」の次元に陥れば、「制御可能」に引き戻すことは「人知」ではできない。その境界の内側(「生」の側)を「物理限界の内側」、外側(「死」の側)を「物理限界の外側」と呼ぶことにする。

 ただ、地震で外部からの電源がすべて絶たれた状況では、その復旧が数時間でなされるということに大きな期待を抱くわけにはいかない。現実的には、敷地のタンク内にある淡水をまず使って冷やし、同時に「海水注入」の準備をし、淡水がなくなる前に海水に切り替えるしかないだろう。

 簡単な理屈である。けれども、それは実行されなかった。なぜなのか。
--------------------------------------------------------------------------

詳細は FUKUSHIMA Project Tech-ON 記事日経ECOJAPANの記事などを参照して頂きたいのですが、自分の作った・開発したものに対する技術・安全への追求は、現場を知っているエンジニアスピリットだと思うのです。 それを阻害する企業の誤った判断は追求されてしかるべきだと思います。

2011年12月15日 (木)

宇宙は静か?のはなし

宇宙は静か?とは
 宇宙の熱雑音のはなしです。
ハード的には
かつて15GHzの気象レーダーの雑音測定をした時に教えてもらったのですが、受信機の雑音レベルを測定するのに50Ωで終端したときが一番雑音が少ないはず...と思って話していると「いやアンテナにつければノイズレベルはもっと下がるから大丈夫」と言われた時でした。
「アンテナにつければ周囲からノイズが入るからもっと悪くなるのでは?」と思っていましたが、性能の良いパラボラアンテナを宇宙に向けると、ノイズが少なくなるそうなのです。
アジレントのアプリケーションノートには下記のような記載があります。
20111215_225834_2
ようするにアンテナを宇宙に向けると宇宙は温度が低いので(100Kといったら -173℃ですよね)熱雑音がとっても少ないので、アンテナの指向性にもよるが50Ω抵抗の室温(290k)の熱雑音(-174dBm/Hz)よりもはるかに小さくなるってことですね。この場合、受信機のNF(ノイズフィギャ)の良し悪しが大きく性能に影響がでることが判ります。アンテナからLNAまでのロスを少なくすることも NF向上の大きな点ですので、低損失のケーブルやバンドパスフィルタが重要だったことを覚えています。

2011年12月14日 (水)

高周波トランスのはなし

高周波トランスとは
 高周波のデバイスをプッシュプルで駆動する場合等に、入力および出力に使ってインピーダンスをマッチングさせるための変換器。プッシュプルのための位相を反転させたり、出力を合成したりする機能も有する。
ハード的には
Rfopt_2
 右図を例にとると、プッシュプルの出力回路に使う場合に2つのデバイスそれぞれにつける1次側の A,Bと電源供給するためのコモンのCが必要で、出力回路は通常50Ωに合わせて D,Eが用いられる。1GHz以上の高い周波数の場合は、この例では 25Ωのセミリジッドケーブルを使い、外皮側を A-C,B-Cと接続して1時側に使い、芯線側を直列に合わせて 出力側 50Ωとしている。デバイス側インピーダンスが 25Ωよりももっと低い場合はさらにトランスを使って下げることも出来る。しかしながら通常は長さを 1/4λにして動作させるのでそのままでは周波数帯域はあまり広く使えないので、フェライトコア等を使って使用帯域を下げることが出来る。
 下の例はアマチュア無線器などに使用される出力トランスでHF帯アンプの出力合成に用いられる。1次側の構成は銅パイプを使って両端に、連続したパターンと半田付けしたCポートと別々に半田付けされたパターンの A,Bで構成される。このパイプの中を出力線として D-Eが巻かれることになり、両方の銅パイプにはフェライトコアにて帯域を延ばすよう構成されている。 D-E の線は被覆線で単線でなく縒り線が用いられ、銅パイプのエッジで傷つけられないよう注意が必要です。
ソフト的には
 大型のフェライトを数多く使うことでフェライトのロスによる発熱を放熱したり、低域のロスをおさえることが出来ますが、構成上あまり高い周波数まで使うことは難しいようです。


2011年12月 9日 (金)

TA7310 VCO回路図追加

SHEMATICSにTA7310 38MHz VCO & PLL_Mix回路を追加しました。
東芝の TA7310 というICを使い、27MHz SSB/AM/FM トランシーバー用に設計した、VCO & PLL Mix回路です。PLL-ICに LC 7131という専用ICを使っているのですが、ローカルが低い周波数 27MHz -10.7MHz = 16.3MHz 用になっているので、SSB用には2回MIXして上側ローカル( 27MHz +11.275MHz = 38.275MHz) 用の VCO と 1St PLL Mix の回路です。送信部・受信部のミキサへはトランスの中点をGNDにして、アイソレーションを確保しています。また、TA7310は通常 VCOでなく、水晶発振用なのですが、ここではVCOとして使用しています。この回路の出力は 38.275MHz -10.24MHz = 28MHz付近で、次の PLLMixでは IF周波数帯域の11.275MHzを引いて 16MHz帯に落として PLLに渡します。
Ta7310
下記に TA7310の内部回路図を示します。左側 1ピンから3ピンまでが発振回路、その左がミキサー・出力段となっています。
Ta7310_2


2011年12月 6日 (火)

たまには音楽のはなしを

たまには音楽のはなしをしてもいいかなと思い、最近 iTunesで買った音楽について。
まずは ジブリジャズ ( All That Jazz シリーズ)
 全部は買わないで、2の海の見える街、4の風の通り道、6の人生のメリーゴーランドだけにして¥600でした。他は歌がちょっと合わないのと、あまりにもこれ以外のデキが良くなかった。私自身はマイナーな曲が好きなのでこの中では人生のメリーゴーランドがおすすめかなぁ。
 元々「ジブリシリーズのジャズとかスイングとかあるよ」と娘が見つけて来て、妻がほしい〜と言ったので探していたのですが、自分がはまってしまってます。
 そしてさらにもう数曲ほしいなと思って探したのも ジブリ・ジャズ2ですね。
 こちらは奇数番号がボーカル付き、偶数がボーカルなしなので、思い切って偶数7曲を購入。
AirMAC EX という WiFiアダプタは音声出力があって、仕事場のAVアンプに繋がっているので、無線でiTuneから選曲や音量の操作ができて BGM的に流せるのが楽です。こちらは最近聞き始めたのでまだどれがお気に入りか決めかねるのですが、以前は DIANA KRALLがお気に入りでしたね。

2011年12月 5日 (月)

定番を使う

定番を使うとは
 設計にかかわって何かと使いやすい、あるいは安くて性能がいいなどの特徴があって、よく使うトランジスタが限られてしまうことがあります。在庫を持つことを考えると、品種が少ない方が資材部では助かりますし、設計するにも素性が判っているので安心して使えるメリットがあります。
ハード的には
 シリコントランジスタの時代ではやはり、2SC372がトップではないでしょうか?小信号に欠かせない石でした。頭にhfeのランクの頭文字が印字され、Orange(70〜140),Yellow(120〜240) などあり、この石よりさらにhfeが高いのが 2SC373 ランクとしてはGReen(200〜400) でした。。Trs
 上の写真では上側左から2番目で、シルクハットのようなつばがついた形状です。このトランジスタはfTが200MHzもあるので、オーディオからHF帯域までなら万能に使えました。昔の「ラジオの製作」や「子供の科学」などいろいろな回路に使われていました。2SC372のコンプリメンタリペア(特性がそろったPNPの石)は 2SA495 で、小信号のプッシュプル出力に使われました。このようなペアがちゃんとそろっているのも定番の石の条件ですね。
 2SC372の第2世代が 2SC945でしょう(その右)同様に、現在では 2SC1815などが同じようにつかわれていますね。2SC945のペアが 2SA733 、2SC1815のペアが2SA1015ですね。
 しかしながら 2SC1815の時代になると分業が進んでこの石自体は fT=80MHzとそう高周波では使われなくなりました。高周波用であまり定番ではないですが、左上はトリオのトランシーバーなどで使われた 50MHz 1W 出力出来る2SC614です。
FETでは定番は 2SK30でしょうね。(写真下側右端)オーディオ用に多く使われました。無線関係では MK10という 2SK19の前身の石がICOMのトランシーバーなどに使われましたね。2SK150は作動増幅入力用の2石が1つのチップで作られ、バランスがとりやすいペアになっている製品です。
ソフト的には
 現在ではトランジスタもIC化され単品ではあまり使われなくなりました。オペアンプとなって便利に簡単に使えるようになり、定番の 4558など各社から出ているし、コンパチのピン配置なので使いやすいことも普及する原因となってますね。単電源で使う時は 358 コンパレーターなら 393 シリーズがいいかな?など、自分で使い慣れたトランジスタやOPアンプなどを持っておくと設計の使い回しや、回路設計のスピード化が図れますね。


2011年12月 1日 (木)

現物から学ぶこと

現物から学ぶこととは
 トラブル対策の最大の経験は、やっぱり失敗することではないでしょうか?MWE2011を今日見てきて、学生展示などを見ながら、自分の経験してきた過程を省みて改めて考えると、最大の収穫は現物を触って作って失敗出来たことではないかなと改めて思ってしまいます。
 今どきの業務はあまりにも失敗しないためにシュミレーションしたり、用意周到で、冒険をしない...もしくは失敗することが許されない(昔だってそうだったと思うのですが...)環境・プレッシャーがあるのでしょうか?
ハード的には
 初めてケミコンを爆発させたのは中学3年生の頃でした。まだ真空管の受信機を作っていて、電源リップルがあるからとローカル発信器の電源に、コンデンサーを追加したときに誤って逆に繋いだ時でした。爆発というより内容液がプシューと音を立てて飛び出した程度でしたが、初めて感電した時と同じくらいドキドキしたのを覚えています。そんな経験で高校生の頃はいらなくなったケミコン 100uF/6.3Vなどを、わざと12V位を逆接してかけて爆竹のように爆発させて遊んだりしてました。最近のケミコンは防爆品なので、そんなことも出来ませんね... なんかケミコンがバカに熱を持ってるから調べたら逆接だった..ってことが最近ありましたね。
 電線の電流容量もそうですね、初めてニッカドバッテリーを使った時にふとした弾みで12Vくらいに接続したニッカドの両端を、みの虫クリップがついた実験ケーブルが触ってショートしたとき...電線が加熱して被服が溶けて、芯線が赤くむき出しになって露出しました。当時はニッカド以外では数10アンペア流せる電源なんて無かったので、びっくりしましたね。
 仕事についてからも色々ありました。初めてのBGAのICの基板設計でパターン引き回しを完璧に行い、試作で基板を作ったら、なんとそこら中電源ショートで動かない。よく調べたらBGAの端子番号の見方が裏面から見た配置なのに、CADへの部品登録でそのまま登録したので表裏が逆でした。納期が間に合わないし、いまさら...と悩みましたが、部品面とパターン面の交換を基板屋さんに依頼し、再試作してなんとかしのげました。試作実験だから良かったのですが、もちろんゲートICなどはずべて逆になるので、手で曲げて表裏反対にして手実装。なんとかソフト屋さんに渡せる試作機としては出来たけどハラハラものでした。もうあれから2度と表裏は間違えません。(BGAについては..?)
ソフト的には
 最近はシュミレーターがあったり、理論計算で特性をまず予測して作ることが普通になって、なかなか若い頃から半田ごてで火傷したり、感電したり、高価なトランジスタを一瞬で昇天させて落ち込んだりしなくなりました。理路整然と説明する学生の姿は頼もしいですが、彼らが何か作って楽しんでいるのかな?とちょっと思ってしまいます。メカやソフトを駆使してロボットバトルをする高専の学生たちと比べると、高周波エンジニアはもうちょっと楽しめる(失敗出来る)ことがあるといいなと思ってしまいました。僕らの時代はラジオ製作があったり、アマチュア無線があったり、無線の世界は夢だったのになぁ...と 今は無線があたりまえになりすぎたのか、高度になりすぎたのか..
 ゲルマニウムラジオは今時部品が無くて作れないからショットキーバリアダイオードラジオでも作ってみたらどうかなぁ

PS . -------------------------------------------------------------------------
★★ MWE 2011 開催の ご案内 ★★ (No.10)
MWE 2011好評開催中!2日目も見どころ・聴きどころが満載です!!
【学生コンテスト開催!】
明日は会場内E205にて学生コンテスト2011を開催しております。
本年初の試みとなる学生コンテストでは、課題として
「高周波増幅器の設計・試作」に取り組んでおります。
会場内にて各校の設計・試作した高周波増幅器の測定を行なっておりますので
各校の成果を是非ご覧ください。

と MWE 案内にあったけど見当たらなかった... E205ブースが見当たらなかった
だれかご存知ですか?

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