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2012年10月

2012年10月31日 (水)

電流帰還型OPアンプの回路のはなし

電流帰還型OPアンプの回路とは

以前の記事で電流帰還型OP-AMPを考えるを書きました。今回は具体的な回路図で説明してみます。
ハード的には
下の図のように通常のトランジスタ2本による差動増幅回路でない点が、特徴です。
差動ではなくプッシュプル入力のソースフォロアーになっています。
Cuop_amp_2
この入力が+入力とすると、このFETのソースが繋がった点がー入力になっているのです。
どうして電流帰還型と呼ぶかというと、このソース抵抗にあたる R1 に出力から R2 によって電流が戻され、結果負帰還となってゲインを決定することが出来るのです。
2段目のトランジスタ(黄色の部分)は初段のFETのドレインに流れる電流を増幅して電圧に変換する働きをしています。出力段はインピーダンスを下げるためのエミッタフォロアーになっています。
このアンプはビデオ増幅を目的にこの回路定数でゲイン6dB、3dB利得が落ちる周波数が 8MHzとなっています。通常の電圧帰還型はゲインを20dBとると周波数数特性が1/10 程度になってしまうのに対して、電流帰還アンプの周波数帯域は半分の 4MHz程度までしか劣化しません。
ソフト的には
このような回路構成であることをよく理解することで、ソースに繋がっているR1や帰還抵抗のR2をあまり大きな値に出来ない点等、電流帰還型の高速OP-AMPの使い方もよく分ってくるかと思います。100MHz帯域を誇るTHS3201などは高速OP-AMPの代表例ですので、使い方の回路例等よく見て参考にして下さい。

2012年10月27日 (土)

たどり着くまでのはなし

たどり着くまでとは

これは故スティーブジョブスの言葉ですが、全体は以下の通りです。
「何かの問題を解決しようとして、それに取り組み始めたとしよう。そこで真っ先に浮かんできた解決策は非常に複雑なものだ。そんな時、多くの人はそこで止まってしまう。しかし、その後も取り組みを続け、問題と接し続け、タマネギの皮をもう数枚はがしていくと、しばしば非常にエレガントでシンプルな解決方法にたどり着くことがある。多くの人々は、そこにたどり着くまでの時間やエネルギーを費やしていない」
以前「完成への努力について」で書きましたが、私も全くこのジョブズの言葉に共感しました。なかなかシンプルでエレガントな解決策というものはすぐに出てこないものです。しかしながら日常普段にそのことについて考えて、「もうこれでいいや」としないで、なんとかそこにたどり着くまで、時間とエネルギーを費やそうということなんです。非常にこだわりをもったカリスマだけがなせる技ではなかったのです。どれだけ情熱を持って物事を完成まで持っていくか...
そこに天才の執着があるのだろうと思います。
Steve

2012年10月26日 (金)

差動増幅回路のはなし

差動増幅回路とは

差動増幅回路については差動アンプのはなしで原理については書きました。
今回実際使用する例を挙げて、回路動作を考えていきます。
どんな時に必要か?
今回必要になった事案は電流検出ユニットのインターフェイスからでした。
20121026_111619
パワーアンプの電源電流を検出するためのユニットですが、出力の仕様が2.5Vを中心に電流によって±?V 出力されるというものです。確かに計ってみると電流に応じて電圧が変化しますが、「2.5Vを中心じゃ困ったな〜シフトさせようか」とおもってピンを見るとリファレンス用の2.5出力があり、この電圧と差動で増幅すれば良いようです。
まずはシミュレーション
をしてみようと、SIMetrix を立ち上げて、こんな回路を作りました。
Cir1
信号源を 2.5VのDCオフセットと、1Vp-pのサイン波信号として合成して作り、まずは非反転増幅回路で増幅率2倍でそのまま信号を +入力にします。すると
Gr1
このグラフの赤色、6Vを中心に±1Vの出力となりました。2.5V x 2 = 5V , (2.5V+1V) x 2 = 7V なのでそのまま2倍ですね。
これでは差動にならないので、マイナス入力をオフセット入力とした 2.5Vのポイントに接続したのが次の回路図です。
Cir2
 この出力が上のグラフの緑色なのですが、何か変ですね。サイン波の波高は2Vになって増幅されていますが、下限が 2.5Vあって 0Vになってないのです。よく考えてみるとこの回路では単純に2.5V オフセットしただけで2つの入力の差を増幅している訳ではないようです。どうすれば差分の増幅ができるのでしょう?
 それが次の回路です。
Cir3
 どこが違うかというと、+入力とGNDの間に抵抗 R5 が入っているのです。よく見ると抵抗の値も違いますね。
 オフセット電圧を VF サイン波の信号電圧を VS 、+入力端子の電圧を Vp,-入力端子を Vn とすると、オペアンプの出力電圧 Vo (0Vに近い値を想定)として
( Vn-Vo )/R4 = (VF-Vn)/R3
Vp= ( VF + VS) x R5/(R2+R5)
R2 = R3=1 , R4 =R5=2  なので
Vn -Vo = 2VF-2Vn   変形して  3Vn = 2VF +Vo
Vp = VFx 2/3 + VS x 2 /3 変形して 3Vp =2VF +2VS
OPアンプが正常動作時には2つの入力の電圧は同じなので、
3Vn = 3Vp
2VF+Vo =2VF + 2VS
Vo = 2VS
となり、純粋に信号分を2倍に増幅します。
結果のグラフが以下のとおり
Gr2_2
緑の線が回路図どおり2倍の結果。すべての抵抗を 1kΩにした時は赤色のように1倍の増幅度となります。
 
 


FSpeed 1.5 バージョンアップ

iOS 用のスピードメーターユティリティソフト

FSpeed を Version1.5
にバージョンアップしました。
主な変更点は
1)iOS6 のマップの拡大縮小の記憶が出来てなかったのを
  修正しました。
2)Info 画面を新たに作成しました。
  どんな画面かはお楽しみに(下記画像がその一部)
20121026_95944
AppStore ではここ です。

2012年10月24日 (水)

New MAC's CPU のはなし

New MAC's CPU とは

本日10月24日早朝の Apple の発表会で、iPAD Mini が発表されました。
またもう1つ注目されたのは、やはりもう1つの Retina ....13inch MBP Retina でした。しかしながらすでにベンチマーク等で予想されたとおり、残念ながら 2core 4スレッドのi7-3520M の採用で、しかも GPUは intel内蔵 HD400グラフィックスなのでスクリーン解像度が 2,560 x 1600 と 15インチにせまりながら、少し残念な構成でした。やはり Retina Display は思いのほか熱と消費電力が大きく、74Whのバッテリーでも 4コア CPUや GPU採用は難しかったのでしょうか?構成的には MB Airとクロック周波数が高いだけで(とはいっても 1.5倍あるので大きいですが)優位点はストレージ容量でしょうか?
Mbcpu2
 今回BEST と感じたのは Mac Miniの最高機種です。従来比2倍のスピードという性能は 2コアから4コアになったRetina 15インチ最高機種と同じのCPUでは無いでしょうか!ちょっと心配なのが GPUが無くなって HD4000グラフィックになった点です。うーんちょっと今回もお買い得ではないでしょうかね、mini は...
iMAC はサイドが薄くなった、 5mmになったというけれど、中央はそのままで、ちょっとおかしい形。CPUは早くなって多分バカッ早でしょう。ストレージも Fusion Drive という 128G SSD と 1THDDの合体ドライブだそうです。
 最後になりますが、iPad Mini は軽くていいんじゃないかと思います。今の iPadはちょっと手で持ち続けるには重いので、半分の重さは Goodですね。でも次はきっと Retina Display になって A6X が使われると思うのですが、いかがなものでしょう?

2012年10月23日 (火)

フラクショナルカウンタのはなし

フラクショナルカウンタとは

[Fractional -N  Counter ]で、訳すと分数のカウンターとなります。
PLLなどで使われているカウンターは通常整数分周で、高い周波数で比較周波数を高めにとれる前回記事のデュアルモジュラスカウンターは、プリスケーラーカウンターの分周比を変えて比較周波数ステップでの分周を行うものですが、これは直接分数がつかえちゃうなんとも理想的なカウンターです。
20121023_100211
 右図は ADF4153 のNカウンター部分のブロック図ですが、FRACTION REG と MODULUS REG の2つがあり、それと整数分周用の INTEGER REG をもっています。
 全体の分周比NはINT、FRACとMODレジスタによって(N =(INT+(FRAC/MOD)))で定義されます。
これによって比較周波数を 25MHz という高い周波数に設定しながら、MODを 125 とすることによって、200KHz ステップで周波数を設定することができます。このことは高い比較周波数を使うことによってループフィルターの時定数を抑えて、高速に追従しつつノイズを減らすことを可能にします。
ハード的に割り算回路が入っている訳ではありません。実はデュアルモジュラスカウンターのように時分割的に動作しているのです。例えば 1/100 ならば、100回に 1回だけカウントするのです。ですから MOD の回数の周期のうち FRAC 回カウントするように動作しているのです。これら詳しい動作については NationalSemiconductor社 のPLL についての文献が良いかと思います。
ソフト的には
万能なフラクショナルカウンターに思えますが、やはり弱点もあります。通常のPLLではスプリアスと呼ばれる基本波近辺の大きいピークは、比較周波のステップで現れます。しかしこのフラクショナルカンターでは比較周波数が高いので、理想的には比較周波数が 25MHzだったらずっと±25MHz離れた場所だけになりそうですが、やはり割り算する MODULUS の値や、分子の FRACTION の値によって比較的離れた場所ですが、スプリアスが現れます。20121023_102259
図はそのスプリアスの一例ですが、スプリアスの原因として
・FLACTIONAL スプリアス(基本波に近い付近)
・整数境界スプリアス
・位相比較器,参照周波数によるスプリアス
などの影響で発生します。
詳しい説明および対応はアナデバの資料に記載されていますので、ご使用の際は参考にして下さい。
 

2012年10月16日 (火)

パルススワローカウンタのはなし

パルススワローカウンタとは

パルススワローカウンタ( pulse swallow )方式と呼ばれる、PLLの分周器として使われるカウンタです。別名 デュアル・モジュラス・( dual-modulus )プリスケーラー付きカウンタとも呼ばれ、主に高い周波数帯域で使うプリスケーラー(前段分周器)が単一の 1/8 とか 1/2 とかでなく、 8/9 とか 16/17 とか 32/33 などという変な分周率が記載されているものです。これは設定によって 8分周と9分周(16 分周と17分周、32分周と33分周)を切り替えできる もので、この分周数が1違うことがミソで、これによって通常周波数のステップが分周数のかけ算で広くなってしまうのを防ぐ、働きがあるのです。
ハード的には
通常のプログラムできるカウンタは数 100MHz 程度なので、例えば 2GHz の周波数を扱うには、プリスケーラーで数100MHzまで落とします。高速なプログラマブルカウンタも出来ますが、消費電流が多くなったり、高価なプロセスが必要だったりで、普及価格帯ではやはりこのあたりでしょう。周波数を落とすにはプリスケーラーを使います。構造上2の倍数が楽なので、 1/2 ,1/4,1/8,1/16,1/32,1/64,1/128 ,1/256 などがあります。例えば 1/32 を使えば 2,000MHzの信号は62.5MHz になります。これなら処理も簡単です。そして周波数ステップを考えた場合、例えば 5MHz ステップにしたい場合はこれも分周されますので、PLLの比較周波数は 5MHz ÷ 32 = 156.25KHzステップとなります。ちょっと面倒ですね。
 ここで、問題があります。 PLL は比較周波数が低くなるとC/N(信号帯雑音比)が悪くなったり、ロックするまでの時間が遅くなり、性能的に難しくなります。今回は 5MHzステップだったのですが、例えば 100KHzステップにしたい場合は、 100kHz÷ 32 = 3.125KHz と結構大変な基準周波数になってしまいます。
この問題を解決できるのが、パルススワローカウンタです。
20121016_161021
 右図は AD4360 という PLL + VCO のICのプログラマブルカウンターの部分ですが、PRESCALERの部分に P/P+1 とありますね。これがデュアル・モジュラス・プリスケーラーです。そして 13Bit の Bカウンタと 5BitのA カウンターがあります。
 どのように働くかというと、このプリスケーラーが A カウンタの値で P+1 分周したり、P分周したり変化するのです。このプリスケーラーの出力が AカウンタとBカウンタに同時に出力されています。
1)通常状態  分周数( P+1)
 通常は プリスケーラーは P+1 の動作をします。この動作は、 A カウンタが0で無いときで、仮に Aカウンタがダウンカウンタならば A回繰り返すと0になりますので、それまでは
 ( P+1) x A 回カウントすることになります。
2)プリスケーラーが P 分周
 Aカウンタが0になると、プリスケーラーは P 分周となり、こんどは 13Bit の Bカウンタが0になるまでこの動作を行います。よって
  1)の状態では BカウンタもAカウンタと同時にカウントしてましたから2)の状態になったときは
 カウンタの値は ( B-A) です。
 よって カウント数は ( B -A ) x P となります。
3)両方 0 になるとリセットされ、 A,B カウンタは値を再セットされ、プリスケーラーは P+1 からまた再開します。
 よってトータルでは
 ( P+1)x A + ( B-A)x P = PxA + A + Bx P -A x P = A + BxP
となり、分周数 P に関係なく A が設定できることが分かります。
ですから 上記の 2GHz 100KHzステップでも 32/33 の デュアル・モジュラス・プリスケーラーを使えば、
2000MHz ÷100KHz = 20000  , 20000÷ 32 = 625  , 20000-(625x32) = 0 よって Aカウンタ 0 ,Bカウンタ 625 と設定でき、次のチャンネル 2000.1MHz は Aカウンタ 1 ,Bカウンタ 625 と 比較周波数 100KHzのままで実現できることがわかります。
ソフト的には
しかしながら、このデュアル・モジュラス・プリスケーラーには1つの重要な弱点があります。AカウンタとBカウンタの分周比の設定で B >= A という制限があるのです。動作2)の場合を考えて下さい。 Aより Bが小さいと 2)の状態にはなることが出来ませんね。ここに注意して分周比やプリスケーラーの値を設計するようにして下さい。

2012年10月14日 (日)

EtherNet のハードのはなし

EtherNet のハードとは

EtherNet は、LANなどではなくてはならない有線ケーブルのネットワーク規格ですが、古い RS-232Cなどにくらべてどうして長い距離をつなげることが出来るのでしょうか?工場内の通信ではパソコンとターミナル(タッチパネル)などは今でも RS-232Cで繋げますが、事務所のサーバーとはやっぱり LANで繋げますね。RS-232Cが数メートル以内の規格であるのに対し、よく使うEthernet の100BASE-T では 100m 以上も可能です。
Ethernet
ハード的には
 EtherNet は右図のようにパルストランスといって小さなデーター通信用のトランスで、PC内部と回線ケーブルとは分離されています。信号の伝送では極性の違った線がツイストペアと呼ばれるより線で束ねられていますので、ノイズが入っても同相ノイズでしたら、トランスで消されてしまいますので長距離・高速通信が可能です。
 また、トランスでPCと絶縁されていることから、設置上ノイズや静電気による破壊などからも強くなっています。
 RS-232Cではたとえより線で伝送したにせよ、GNDとのより線なのでノイズがはいればそのまま影響されますし、ICの入力端子がそのまま出ているので、静電破壊などには注意が必要です。RS-232Cはこの弱点を改良した RS-485という差動の通信規格がありますが、やはり長距離の通信まではサポートされていません。
ソフト的には
 実際のEtherNet に出会ったのは共同研究で大学に行ったときに、廊下に同軸ケーブルの 10Base5 がぶら下がっていたのを見で、「ああこれが EtherNet か」と思ったのですが、当時はまだ EtherNet も 10MBPS以下だったと思います。でもそのケーブルの先に全世界が繋がっているかと思うと、パソコン通信でホストに繋げて電話料金を気にしていた環境にくらべてうらやましく思ったものです。
 しかしながら Nifty でのパソコン通信のメールは、当時出張したドイツやイギリス、スイスから 2,400BPSのモデムで各国のアクセスポイントに繋げてやりとり出来たのは FAX に汚い手書き文字でやり取りしていた自分には大変便利でしたね。

2012年10月 5日 (金)

ありがとう Steve のはなし

Steve とは 亡くなって今日10月5日で一年の Apple 創設者 Steve Jobs のことです。

彼の残したものはたくさんありますが、技術者にとって大事な点は「ユーザーが迷わない」製品作りではないかと私は思います。
Img_0610
この写真は私が持っている Apple製のマウスです。左から黄色に変色してしまった Macintosh SE/30 付属の ADBマウス(初めはもっと白い色でした)。次が LC630 付属の ADBマウス、中央が PowerMac G4付属のUSBマウス( 初代iMacと同じ)USBケーブルは他の用途に外して使われてしまいました。次が Apple Wireress マウス。BlueTooth 接続でマウス全体がボタンになっているモノ。いちばん右が現役の Apple Magic mouse です。全てのマウスに共通しているのが1ボタン(もしくはボタンがない?)ということです。
初期に作られたマウスはXEROX などワークステーションに使われていましたが、3ボタンなどあって、一般人にはどれを押したら良いか迷うから...とSteve は MAC 開発には1ボタンマウスに固執したのです。
 慣れてしまうと「 Windows みたいに右クリックでメニューが出て便利」と思い、実際仕事で使うのは2ボタンマウスを使っていますが、初心者にWindowsを教えるときや、使っている様子を見ると「マウスボタンのどっちを押すの?」と悩むときがしばしばです。
 そんなユーザーの不安を予測し、「迷わない」製品をデザインし続けた Steve だからこそ、 iPhone や iPad のマルチタッチインターフェイスが実現できたのではないでしょうか。製品を開発しているとき「これをつけたら便利じゃないかな?コストもちょっとしかかからないし」といたずらにスイッチを増やしたり、画面上のボタンをつけたりしたくなります。
 デザインを決定するときには大きなプレッシャーがあり「もし足りなかったらどうしよう」から「とりあえず付けておけば」と安易に移りやすいですが、本当に必要なものだけを残すよう真剣に検証し実現する手間をかける大切さを Steveから教わった気がします。

2012年10月 2日 (火)

コルピッツはCMOS発振回路?のはなし

コルピッツはCMOS発振回路?とは

Colpits  コルピッツ水晶発振回路は右図のようにトランジスタのベース-GND 間に水晶を接続し、基本的にはコレクタ接地のエミッタフォロァー型の回路なのですが、ベースーエミッタ間の帰還コンデンサーとエミッター-GND間の帰還コンデンサーで発振制御します。出力は基本波発振はエミッターから取り出します。水晶の一方をGND電位に出来るので比較的安定して発振できるのですが、この回路をちょっと見ても水晶で帰還されて発振する回路とはイメージが沸きません。しかしながらちょっと見方を変えると、実はデジタル回路でポピュラーなCMOS インバーター発振回路と同じ動作をしていることが解ります。では順を追って考えてみましょう。
1)まず交流回路のみ考えてみる。
 初めの回路はバイアス回路や電源回路を省いて書いたものです。
 コンデンサーでコレクターが接地されていますので、ここでは高周波的にGNDに落ちているものとして書いてあります。
2)次に出力端子の GND 側とシグナル側を反対にしてみます。
 こうしてエミッターを接地した回路に変更しても、高周波的には問題無く動作するはずです。直流的にはちょっと心配ですが、その点はちょっと置いておきましょう。
3)次に水晶の位置をベースーコレクタに移動して書いてみます。
 もともとそのように繋がっていたので問題無いでしょう。
 コンデンサーと抵抗も移動します。
4)移動したので、今度は解りやすく GNDシンボルで表記し直します。
 おなじみの回路になってきました。どうやら水晶をコレクタ・ベース間に入れるもう1つのピアース B-C 発振回路になってきました。
5) 最後にトランジスターを CMOS インバーターに
 トランジスターの B- C 間はCMNOSゲートでは インバーターという動作になるので、交換してみます。
 そうするとインバーターの入出力に水晶を接続して帰還させ、負荷インピーダンス制御のためのGND間へのコンデンサー2個が接続される、あのおきまりの回路になりましたね。
ソフト的には
 昔は水晶発振だったら、コルピッツ発振回路の方がポピュラーだったのですが、最近は水晶発振といったらマイコンのクロックに使われる方が一般的になって、CMOSインバーターの方がよく見られますね。そんなルーツがわかっているとゲートICが足りないときなど トランジスタ1石でクリスタル発振器が出来ることを思い出してくれると嬉しいですね。
参考図書------------------------------

定本 続トランジスタ回路の設計

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