CMOS-Gate で水晶発振のはなし

CMOS-Gate で水晶発振とは

CMOS-Gate ICでの水晶発振は最近ポピュラーですが、使うICの種類でうまく動かなかったりします。それはいわゆるCMOSインバーターの内部構成がちょっと違うからです。数MHzまでの低い周波数でしたら、4000シリーズの 4069や74HCU04などが簡単です。これは下の図のように CMOSの1段で構成されているので、入出力を帰還抵抗で繋いでリニア領域で動作しやすいためです。

　応用する回路としては、右図のように1MΩ程度で帰還してリニア領域に動作点をセットし、水晶を同様に帰還素子として接続します。周波数が低くて水晶のドライブレベルが大きすぎる場合など、出力側のシリーズ抵抗をつけます。

　詳しい動作原理はコルピッツはCMOS発振回路のはなしで詳しく解説していますので、ご覧ください。コンデンサーの容量などは水晶発振子の負荷容量のはなしを参照ください。

　また20MHzを超える高い周波数を発振させる場合は、オーバートーンの水晶を使いますが、そのままではどうしても基本波で発振しやすくなりますので、入力か出力に並列同調回路を設けてオーバートーン周波数でのゲインを上げることにより発振しやすくします。
　同じ4000シリーズでも 4049 は内部回路がちょっと違います。以下に内部回路を示しますが、3段構成のため発振しにくい傾向があり、通常の 74HC04なども同様ですので使うには注意が必要です。
　私が実験した範囲では TC74HC04でも上記オーバートン回路は動作しました。帰還抵抗を 470kΩと小さめにした点が効いたのか、コイルの同調を高い周波数にすると5倍オーバートーンの 45MHzでの発振も確認しました。
定本 発振回路の設計と応用―CR発振からディジタル・シンセまでを実験で解析に記載されているCMOSゲートをリニア領域で使った場合の周波数特性を見ると、4069UBの場合 ゲイン0dB周波数が12Vで9MHzに対して、74HCU04は60MHzまで伸びているようで、オーバートンの発振に向いているのかも知れません。

OPアンプの出力範囲のはなし

OPアンプの出力範囲とは

OPアンプは昔は±15Vで使うのがポピュラーで、正負の電源を用意するのがあたりまえだったけれども、マイコンとのインターフェイスなどで+5V単一電源や+12V単一電源などで使う場合が増えてきました。
　みんなOPアンプだからピンコンパチだし...と思って使ってみると、出力が0Vまで出なくでLowに認識されなかったり、5V電源で 3V しか出力電圧が出ないこともあります。
ハード的には

通常のOPアンプのOP07などを例にとって内部回路を見てみます。

出力は通常のNPNとPNPトランジスタのプッシュプルタイプで、エミッターフォロワーの回路です。この回路では+側の最大出力を考えると、エミッター電圧よりVbe分高くしなければならないので、たとえ電源電圧いっぱいにベース電圧を加えても、エミッターにはVbe(約0.6V)程度低くなってしまいます。同様にGND側の最小電圧を考えても、ベースを0Vにしてもエミッターは +Vbeになってしまいます。
このように通常のプッシュプル回路では最低でも Vbe分、ドライブ回路を考えると通常は 1.5V〜2V程度 Vccや GNDから出力出来ない範囲が生じます。
　入力側の特性を考えてもエミッター接地のアンプなので、Vbe以下の電圧には反応できませんから、単電源で使う場合は0Vの入力ができません。

上図は単電源対応のLM358です。入力がPNPトランジスタなので、GND付近のレベルまで入力出来ます。出力もGND方向に定電流が追加していますので、出力電圧は0V付近まで出すことが出来ます。しかしながら電流源なので、大きな電流をGNDに引き込むと電圧は上昇してしまい、大電流出力には不向きです。このOPアンプも正方向の出力は電源電圧より1.5V程度低くなってしまいます。
しかしながら、0Vからのアナログ電圧をCPUとON/OFF制御でインターフェイスする5V単電源で大変便利なOPアンプです。

次の図はAD8591というレールツーレール出力のOPアンプです。
出力段はFETを使っていますので、抵抗値は数10mΩと小さく電圧降下も少ないのでほぼ電源電圧いっぱい使うことが出来ます。またソースがVcc,GNDに繋がっていますので、正の電圧を出力するにはゲート電圧は電源電圧より低くでき、GNDへの引き込むにはゲートにかける電圧はある程度の正の電圧でよいため、電源範囲をめいっぱい駆動することが出来ます。入力も0Vをかけた場合でも入力FETのゲート電圧は直線変化する領域ですので0Vから電源いっぱいまで入力することが出来ます。
ソフト的には

このようにOPアンプの種類を必要な出力電圧範囲や入力電圧範囲で選択することが必要です。しかしながらレールツーレール入出力OPアンプだからどんな用途・回路でも大丈夫と思ってチェックを怠ると、レールツーレールOPアンプの落とし穴にはまってしまいますよ。

LPFでデバイダーのはなし

LPFでデバイダーとは

前回の伝送ラインのはなしに続いて、今回は伝送ラインで本来作るウィルキンソン分配器をインダクターとコンデンサーで作ってみるはなしです。
ウィルキンソンデバイダーは右図のように数GHzの信号をパターンで1/4λ、インピーダンス 70.7Ωのラインで２つに分配して、バランスをとるための100Ωの抵抗で出力間を繋いだものです。
しかしながら、数百MHz程度の低い周波数では1/4λの長さが数10cmになってとてもプリントパターンでは作れません。その場合、普通はコアを使ったトランスなどで作るのですが、スポット的な周波数だったら、もっと簡単にできるのではないかと思うのです。
ハード的には

前回は、1/4λ伝送ラインをLPFで作れることを書きましたので、今回のウィルキンソン分配器ではどのような回路になるかというと、下図のようになります。

特性を見るために片方は50Ωで終端して、もう一方の出力の特性を見ることにします。入力側の 7pFはまとめて 14pFでも良いかもしれませんが、判りやすいようにしました。コイルやコンデンサーの数値は切りの良い 7PFと 36nHにしました。この回路の特性をシュミレーションしてみます。

出力は約 3dB落ちで、周波数 315MHzで S11が-30dB以上とれていますが、結構狭い幅だということがわかります。出力特性も400MHzぐらいまでは良いですが、その上はやはり LPF らしく、落ちています。
ソフト的には

簡単なLPFの回路を繋げただけで分配器が出来るので、アイソレーションなどあまり問題にしないならば、抵抗で分配するよりも効率よく出来るのがわかります。
この回路を応用すれば1/4λを4個使った90度ハイブリッドも作ることが出来ます。
下記の参考文献にその作成法が載っていますので、興味のある方はどうぞ。

高周波回路の設計と製作―簡単な回路の制作から始める (直感でマスター!電子回路設計シリーズ)

伝送ラインのはなし

伝送ラインとは

高周波の信号をパターンで伝送する時の配線パターンですが、今回は周波数が低くて分布定数回路では出来ないときはどうするのか考えてみます。
ハード的には
右図の一番上が伝送ラインで、高周波では 50Ωだったり、分配機では70Ωぐらいのものを1/4λのパターンで作って利用しますが、低い周波数ではどう考えたらよいでしょう。
　まず1/4λですが、TV用の 500MHzでは15cmほどになってしまうので大きくて作れません。本来伝送線路や同軸ケーブルは中心導体の直列のインダクタンス（と抵抗）と中心導体とGNDとの並列のコンデンサーの連続した回路で置き換えられます。長さによってそれらの合成したインダクタンスやコンデンサーは変わってしまいますが、ある周波数範囲で、決まった長さ（波長）でしたら、右図のように１個のコイルと２個のコンデンサーか、２個のコイルと１個のコンデンサーに置き換えることが出来ます。
仮に周波数 315MHz インピーダンス Zo= 50Ω のときには
L＝50/( 2 x 3.14 x 315 x 10^6) = 25.3nH
C= 1/( 2 x 3.14 x 315 x 10^6 x 50) = 10PF
となり、見た感じはLPFそのままですが 315MHzでは伝送ラインそのものの動作を行います。
ソフト的には
これだけだったらただのLPFですが、これは 1/4λの伝送ラインだと考えると応用が出来ます。ウイルキンソン分配器はどう作るかというと、２つの 1/4λのパターンを入力側は繋げて、両方の出力端にまたがって100Ωの抵抗をつけます。(50Ωラインのとき）これを上記のインダクターとコンデンサーで作るにはどうしたら良いでしょう？
ウィルキンソン分配器では２つの 1/4λのパターンは70.7Ωのインピーダンスで作りますので、315MHzだったら上記の計算で、L=35.7nH ,C=7.1PF となります。
「それで作った分配器はどういう特性になるか」というお話はシミュレーターでやってみるつもりですが、下記参考文献に詳しく載っています。

高周波回路の設計と製作―簡単な回路の制作から始める (直感でマスター!電子回路設計シリーズ)