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2012年12月

2012年12月28日 (金)

APDの動作のはなし

APDの動作とは

APDとは[ Analog  pre-distorter ]で、前置アナログ補償器と訳される。

Apd3

では何を補償しているのかというと、アンプの歪みを補償しているのです。
アンプの歪みとは
右図のように、アンプに信号を入力すると増幅された出力が出てきます。このとき最大出力電圧(VP)(電力)以下だったら、きれいな正弦波として歪みのない信号となります(Normal ...緑)。
 しかしこの出力をオーバーする信号を得ようとしても、出力が飽和してちょうど±VP付近で頭が抑えられたような波形となって歪んでしまいます。
この波形は奇数次の高調波やIM歪みとなって、信号の帯域の外に歪みとなって出てしまい、携帯電話の電波などでは隣のチャンネルに妨害を与えたり、自分の信号の変調波がおかしくなってしまいます。
それならば、もっとパワーを出せるアンプを使えば良いのですが、パワーを出すためには更に増幅デバイスを大きなものにしたり、複数のアンプを並列にしたりして電力の消費量も上がってしまい、効率が悪くなってしまいます。
 このようなピーク出力が多いのは実は最近の OFDMなどの高速通信時の変調波の特徴ですが、変調波のタイミング的にはピークになるのはごく僅かの時間ですが、そのピーク波形が歪んでは困るので、たまにおこるピークのために大きなアンプを用意するのは非効率的です。
入力に工夫をした
のがAPD(前置補償器)で、右図の(with APD)黄色い波形のように、ピーク時の波形をあらかじめ大きめにしておけば、そのぶんピーク時に丸められてもきれいな波形となるようにしたのです。
これをアナログ的にやっているのが APDです。このリンクで、ダイオードをつかった回路の原理を説明しています。この技術のおかげで消費電力を増やすこと無くパワーアンプのピーク出力を上げることが出来たのです。
このようなピークを伸ばすことが出来るのは、増幅デバイスが完全にピークでクリップするのでなく、徐々にでも出力が伸びているからです。リニアリティを定義する P1dB という値がありますが、これは出力がリニア的に伸びる基準値から 1dB コンプレッションして下がっている値をさしています。ですから、ここからすこしはまだ出力が伸びる余地があるのです。最近の GaN-HEMT などはこの P1dBでなく P3dBといって3dB下がるときのパワーを定義していますが、これらはダラダラと入力をいれれば出力が伸びていく特性があるため、これら APDなどの補償技術に向いている素子と言えます。
現在はデジタル変調が主流なので、デジタル的に変調波を入力側で補償しているのがデジタルプリディストーターです。これは DSPなどで演算して行っています。
これら技術や、今はやりのドハティ回路などでパワーアンプの効率をあげているおかげで、小さなスマートフォンがなんとか電池が持たせながら高速通信を実現できているのですね。
--------------------------参考文献 -------------------------------------

ワイヤレス通信用RF電力増幅器の設計: 高効率とリニアリティを両立するGHz帯増幅技術 (RFデザインシリーズ)

2012年12月20日 (木)

PLL の C/N 特性のはなし

PLL の C/N 特性とはC_n_vco

PLLで色々トラブルはありますが、ようやく希望の周波数にピタッとロックしたのを確認してさてスペアナでC/N 波形をみてみると、大変なことになっていた...なんてこともあります。
ロックさせるために、とりあえずフィルターの時定数を減らしたり、チャージポンプの電流を増やしていたりしてループのフィルタ効果が全然効いてないなんてことがあります。
ハード的には
理想的には水晶発振器のC/Nまで持って行ければ良いのですが、右図一番上のように、水晶発振器は発振のQが高く、スペアナでのC/N波形では鋭いピーク波形をしています。電源や発振回路による雑音によって周波数がぶれることが無いので、大変シャープな特性をしています。
VCOはノイズだらけ
VCOは周波数を可変出来ることから、宿命的に周波数変動へのノイズの影響を受けます。まずは電源からのノイズで可変周波数素子であるバリキャップが変動してC/N比を悪くします。商用交流周波数の 50Hz や 60Hzあたりは誘導でも振られますので、ケースをしっかりシールドしたり、GNDを分離したりして影響を少なくします。
また、直流電源もリップルフィルターなどを使って、残留雑音を少なくします。また発振回路も例えばバリキャップを向かい合わせに直列に使ったりして発振レベル変動による周波数変動を少なくするなどの工夫もしています。
 このような努力をしてもやはり単体の VCO では右図上から2番目のようにノイズが中央から富士山の裾野のようにもりあがってしまいます。
ループフィルターの仕事
ここにPLLでロックするだけで無く、ループフィルターを挿入することでこのC/Nの盛り上がった部分を少なくすることが出来ます。
PLLの働きによって DC領域はぶれが少なくなりますが、その制御するオペアンプや電源などの自己ノイズを上手にカットするように周波数特性やゲインを選ぶことによって、上から3番目の図のように山の頂上付近をカットしてなだらかなC/N特性にすることが出来ます。
逆に特性の設定を間違えると中央付近は下がるものの、その両側に盛り上がりが出てしまったりします。これは主としてフィルターの周波数特性が高域まで伸びていないのが原因で、むやみにループにコンデンサーを入れて一見C/Nが良くなったように見えても、実は近傍ではかえってノイズが出てしまうなんてことが良くあります。
ソフト的には
チャージポンプの設定や、ループフィルターの設計などツールを提供しているメーカーもあります。
PLLは奥が深いですが、応用が広く重要な技術ですので、是非習得しましょう。
-------------------------参考文献 -------------------------------------

2012年12月12日 (水)

ICパッケージのはなし

ICパッケージとはNs

ICのパッケージについては、昔は DIP が標準で 2.54mm ピッチで幅が、7.62mmか 10.16mm かなんて違いを気にするだけで良かったのですが、最近の表面実装パッケージでは小型化によってハーフピッチの 1.25mmピッチはともかく、その半分の 0.65mm ピッチまであるのでICの型番は末尾まで気にしないといけない時代になりました。昔はそのままか A がつくのは DIP パッケージ、 F がつけばフラットパッケージぐらいで楽でしたが、最近はその僅かな末尾の差で実装できなかったりします。
日本はほぼ規格化されている?
かどうかわかりませんが、 Renasas などは 1.27mm ピッチを SOP と呼んで、この半分のピッチは TSSOP と呼んでいます。

Dw

このあたりは国際的にも同じようです。
SOP は Texas Instruments では NS パッケージがあり、本体の幅が約 5.3mm で端子の端まで 7.8mm という大きさです。
昔の ゲートIC のSOP ICパッケージはほとんどこの大きさだったのですが、海外製には例外があります。
それは TI では DW  パッケージと呼んでいますが、ピッチ 1.27mm は同じなのですが、本体幅が 7.5mmと広く、端子端まで 10mm もあります。かつて海外から ICを SOP サイズといって買ったらこの サイズが入荷し、試作だったので足を根元から縦に曲げて手半田でつけた悲しい思い出があります。
さらに 0.65mmピッチでも

Tssop

混戦しています。
右の図は TSSOP というパッケージで、ピッチは 0.65mm 本体サイズは 4.4mm 端子の端まで 6.4mm と結構標準的なサイズです。
 しかしながら、これと対抗するのは アナログデバイスのパッケージで、 RM-8 と呼ばれるパッケージです。
 なぜ困るかというと、このサイズは Hittite や Linear などRFで使っているアンプスイッチのMS8というサイズも同じ大きさなので、どうもこちらのほうがアナログ屋さんにとっては、普通のサイズのような気がしてしまうからです。
Rm8
右の図が RM-8 パッケージですが、本体の幅は 3mm と小さく、端子の端までは 4.9mm と上記 TSSOP よりも1.5mm も短いのが難点です。
ピッチは合っているのに足が届かないで、パターンランドがちょっと大きければぎりぎり半田付けができたりします。
この大きさは、デジタルICでは MSOP と呼ばれ、(マイクロのMかな?)使っていますし、さらにはDBパッケージと呼ぶ、同じ 0.65mmピッチでありながら、 本体サイズ 5.3mm 端子端まで 7.8mm と TSSOPにくらべ、1.4mmも大きいパッケージなのです。幸いこれは 20Pin以上のパッケージになるようですが、これだけ多くの種類を抱えていると、例えば秋月電子で売っているアナログデバイスの AD8616 についてそのパッケージ別の品番定義を見てみると、
いちばん小さい1個入りは AD8615AUJZ
2個入りのRM8サイズは    AD8616ARM
2個入りのR-8サイズは     AD8616AR
となっています。ここに ROHS 対応だと末尾に Z がつくなど、リール品は -REELがつくなど気が抜けませんね。
ソフト的には
かつてこの端子幅問題をクリアするために、パッド長を長めにした部品定義を行って量産に対応したりしましたが、半田量が増えて裏側でショートしやすいとか、結構大変でした。同じサイズのコンパチ品を確かめてから設計しないと、何かと後で迷惑かけそうですね。

2012年12月 8日 (土)

ノンポリのはなし

ノンポリとは

検索で「ノンポリ」と入れると、次のタイトルがヒットしました。
確かに、70年代私の学生時代に使ってました。
今は使わなくなったのかなぁ?
調べると今は「無党派」が近いようです。
学生の頃は学生運動に無関心な層、あるいはセクト?のグループに入っていない層のことだと思っていたのですが、ある意味
ノンポリ=ノン・ポリシー
みたいな、あの時代に「政治に関心がないのはおかしい」との非難みたいな意味で呼ばれていました。
Sakamoto
 あの「坂本龍一」さんも学生時代デモに参加したそうですので、今の「さよなら原発」の官邸前集会みたいな何か自分も動かなければ...という雰囲気が、あの時代には確かにありました。
 その頃の若者が今様々な分野で実績を重ね、退職する時期になっています。高度成長時代を夢見て、経験した我々と違って、今の若い人はなかなか将来に展望を持てないでいるようです。
 しかしながら、私達が希望として持ち続けている科学技術の発展の展望は、高効率の太陽電池や効率の高いインバーター、安価な家庭用蓄電池など、原発に替わる新しいエネルギー産業の発展の可能性です。
*はなしはそれますが、実は日産リーフを本気で買おうかとも思ったのは、前の「計画停電」のころです。今は30万ほどで、リーフの電池を使って家庭用電源に繋げる装置が買えるようです。エアコンまでは回せないにしても、通常のテレビ、照明等は十分まかなえるそうで、リーフの値段とスタイルがもうちょっと良かったら実現していたかも知れませんが、太陽光発電と組み合わせれば、電力会社に依存しない生活がもうすこしでやってきそうです。
 衆議院選挙が始まって、様々な議論がされていますが、マニュフェストが実現されなくて政治にがっかりしている人も多いかと思います。
 ちょっとこの際色々調べてみると、例えば「消費税」を造った内閣は1988年の竹下内閣、その時の運輸大臣が石原慎太郎、内閣官房長官が小沢一郎ですね。その後、5%に引き上げたのが、1997年の村山内閣で、これで社会党がなくなって、社民党になったのですね。インターネットの利点で色々過去のことも調べられますし、何をやってきたか改めて思い出すことが出来ます。ちょっと調べてみませんか?
 幸い最近は、ノン-ポリ な層は減っているみたいですし...

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