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Channel: ずるやすみねこのリサイズ研究
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コンプリメンタリカスコードプッシュプル3

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やっとコンプリメンタリカスコードプッシュプルの動作がわかった。
エミッタフォロワの先に610オームの負荷抵抗がつながってGNDにおちている。
カスコードされたトランジスタは、負荷抵抗としてhfe*610オームの抵抗負荷のカスコード回路となる。
このために、ハイゲインが得られ、ちょっとベース電流が流れただけで、がくんと出力はダウンする
プッシュプル構成になっているために、高抵抗の負荷抵抗で電流がほとんどながれなくても、
上下対称に動作するので、問題がおこらない。
シングルトランジスタだった場合、バイアスを供給するため、高抵抗にするわけにはいかないが
プッシュプル構成のためうまくいくのである。
よって上側のカスコードが電流をながさなくても、エミッタフォロワで高い負荷抵抗が得られ、下側のカスコードがハイゲインの電圧出力をだすのである。
よってフィードバックのループゲインは大きくなり、ミラー効果もない、高速アンプが実現できるのである。
お金ないけど、ブレッドボードでこの回路作ってみっかな。トランジスタ選んでOPAMP選んで、
オーディオ用だから、コンデンサは、パスコン用に積層セラミックと電解コン、あとはマイラでよさそうだ。
オシロも安いのかって、半田ごて買って、おもしろくなってきた。
電源も設計しなきゃいけないけど、リニアレギュレータで十分でしょう。トランス買って、ブリッジダイオード買って、オシロでリップルみて、コイルとコンデンサを追加で買いに秋葉原。
こりゃ、すごい回路だった。自分でびっくり。

ただ、動く定数が決まるまで時間かかりそうだ。電子回路は、趣味でやるには金がかかりすぎる。

http://www.google.com/patents/US5373249

ぜんぜん別物の回路だけど、特許あった(米国GOOGLEで検索より)

コンプリメンタリカスコードプッシュプル4

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結局、アキュフェーズの回路のように、最終出力を入力にもどす構成は、コンプリメンタリカスコードプッシュプル2の回路構成では、だめだということがわかり、このような回路にした。
しかし、アキュフェーズ社の技術者は、最終出力をもどす回路をつくることに成功しているので、また、ゆっくり回路構成を考えてみたいです。
今回のせた回路は、理想的な部品でのみ動く回路なので、実際に作る気はないです。
やはり、回路で発生するひずみや部品のばらつきを吸収するネガティブフィードバックが必須なのです。

コンプリメンタリカスコードプッシュプル5

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これは、初段を有限のゲインにしたのと、ツェナーを取り除いた回路。
初段を有限のゲインにしたので、CCP2で起こった電源電圧クリップの問題がない回路。
差動カスコードにしたので、広帯域。

コンプリメンタリカスコードプッシュプル6

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最終段からもどしてないので、多少歪むが、問題なさそうな回路。

コンプリメンタリカスコードプッシュプル7

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これは定数をきめれば動きそうな感じ。

コンプリメンタリカスコードプッシュプル8

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CCP2の回路は、ツイッターの過去ログを見ると、正弦波をいれて100Hz、1KHz,10KHzの正弦波をいれたとき動いてたんだよね。もう一度LTSPICEでシミュレーションしてみるか。
実際につくることを考えて、オペアンプの電源だけ±12VにしてLTSPICEしてみたら
オペアンプの出力が12Vでクリップしてたので、ハイゲインアンプをカスケードしてはいけないということにきづいた。CCP2は、電源±20Vのみで動かしてたので、大丈夫だった。
出力段のゲインが大きすぎると、オペアンプの出力振幅もおおきくなり、オペアンプの電源電圧を出力段の電源電圧より低くすると、電源電圧でクリップしてしまう。
オーディオ帯域の正弦波のように、ゆっくりした動きでは、フィードバックアンプは出力がリンギングするようなことはないので、すぐ追従するので、コンプリメンタリエミッタフォロワの片側だけが動いているので、問題が起こらなかったんだと思う。パルスだとたぶん、行き過ぎたときもどれない。エミッタフォロワの一方通行性である。

古典制御理論

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アナログ電子回路やるひとにとって、ぜんぜん古典じゃない現役の理論。

アキュの回路

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本質的に必要な部品がついてるのがアキュの回路である。図面段階でほぼ回路は固まっていたと思われる。
なんのためについてるのかわからない部品は1箇所だけあるが、ほかは意味が理解できる。
そのわからない部品はカスコードプッシュプルにみえる回路のダイオードである。
これがあるために、カスコードプッシュプルになってない気がするのだが。
アキュの技術者のすごさを実感できる回路である。
NFB回路というブラックボックスは、恐らく、高周波までゲインがフラットなので、わざと高域のゲインをおとす回路、または、高域の位相調整用の回路がはいっていると思われる。
アキュのお客さんになって中あけてみればわかるけど、高くて買えないので適当に想像しています。
結構アキュも発振には苦労しているのが見受けられ、最終出力のフォロワのベースやゲートにダンピング抵抗がはいってる。
なんて、理論だけのおじさんには、開発者の苦労はわからない。

とりあえず、今までにあげた回路にDCカットのコンデンサつけるかな、アキュみたいにDCフィードバックにするつもりはないので。アキュの特許侵害になりそうだし。

アキュの回路2

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アキュの回路をじっと眺めて考えていたのだが、回路の意味がわかったかもしれない。
これから書くことは正しくないかもしれないので、正否の判断は読者にまかせる。
このアキュのカスコード出力段のダイオードの意味を解説する。
カスコードのエミッタ接地のエミッタからベース接地のベースにつながってるダイオードである。
トランジスタを0.6V以下の微小電圧で駆動している動作だということがわかった。
ダイオードの順方向降下電圧が0.6~0.7Vだという常識で考えると理解できない。
しかし、ダイオードまたは、トランジスタのB-E間の電圧は微小電流の場合0.6V以下になるということだ。
ベース接地に直流電位を与えると、この不思議なダイオードのおかげで、エミッタ接地のエミッタは
通常の0.6V差になる。エミッタ接地のベースが、エミッタと同電位のときエミッタ接地のトランジスタはカットオフしまったく電流が流れない。ここで完全B級動作をさせることができる。
エミッタ接地のベースにきている電圧が微小変位すると、PN接合ダイオードの指数関数特性
によってチョビットベース電流が流れ、VBEは0.6V以下の微小電圧になる。するとコレクタ電流がわずかに流れ、これはベース接地のエミッタ、ベース間にも流れ、やはりわずかな電圧のVBEが発生する。このエミッタ接地のVCEとベース接地のVBEの和が外付けダイオードの0.6Vと一致するように、2つのトランジスタを電流が流れ、その電流は次段の回路のゲートをチャージし最終出力電圧が大きく変化する。フィードバック回路はつぶさにその電圧を検知し、電圧を反対方向にしようとする。という動作らしい。カスコード回路には電流がほとんど流れていないで動作しているのである。トランジスタのカットオフ点で動作するので完全B級である。

トランジスタを知り尽くしたアキュだからできる回路である。
回路図でこの部分をブラックボックスにしなかったのも、回路の動作はまずよまれることはナイトイうアキュの自信の表れだと思います。

さらにわせてもらえば、次段にMOSFETを使った場合、MOSFETでは、入力インピーダンスが∞なので(微小容量のコンデンサ)微小な電流のチャージですぐ電圧が大きく変化する。しかしトランジスタでうけると、入力インピーダンスがMOSFETほど高くないのでアキュはダーリントンエミッタフォロワでうけて、入力インピーダンスを高くしているのである。

回路動作の説明に自信がないと書いたが、たぶんこの説明で間違いないはず。
ダーリントンエミッタフォロワを使うほど入力インピーダンスを高くしなくてはいけないのは
この回路が微小電流で動いているという証拠だからである。

したがって、入力段の複雑な回路は高精度リニアに入力信号を微小ゲイン(またはゲインなし)で増幅する線形アンプであればよく、アキュのカタログの言葉の通り微小信号もリニアに増幅する回路ということになる。アキュおそるべし。

アキュフェーズの社名の通り正確な位相。会社名に恥じない回路技術を持った会社である。

おそまつくん

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アキュフェーズの凄い回路を理解してしまうと、自分の考えた回路がおそまつくんにみえてくるのだが、魔法のダイオードをいれて、エミッタフォロワをダーリントンにして、入力段をオペアンプによるゲインをおさえた非反転増幅器にしてしまうと、動作原理がアキュと同じになってしまう。
そこで、おじさんはおじさんのやりかたで、回路を磨いていく。
今はLTSPICEがあるので、実際につくらなくても、ある程度いけるかどうかの判断はできる。
そこで自分の回路
の定数をきめて、シミュレーションはしてみるつもりである。

なぜなら、カスコードの高周波特性がよいところという本質は、同じだから、やってみる価値はあるのである。おじさんの回路がエミッタフォロワのあとからフィードバックかけられない理由は
エミッタフォロワの一方通行性で、パルス性の信号がきたときに逆方向に電流をながせないということである。これは、どうしようもないので、エミッタフォロワの前からフィードバックをかける
つもりである。
またCCP2の回路をもう1回シミュレーションして、パルスを入力してみるつもりである。
たぶん、エミッタフォロワ一方向性の問題が検出できるはずである。

コンプリメンタリカスコードプッシュプル9

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カスコードのエミッタ接地のエミッタの電位を固定して、完全B級動作にした回路。
結局アキュの回路と同じ原理になったけどのせます。
アキュの回路は、カスコードブートストラップ、うまい名前をつけたものです。
ダイオード2段にして、ダーリントンエミッタフォロワの充電というか、ベース電流を大きくした。
よって、ループゲインが大きくなると思う。
なお、検討を進めた結果、NPNとPNPのダーリントンエミッタフォロワの切り替わりが連続になるかという問題は、完全B級となったことにより、わずかな電流が、高インピーダンスの回路に流れこむ。
かつ、上のカスコードが動作するとき、下のカスコードが完全にカットオフするので、上のカスコードを流れる電流が下のカスコードにぬけちゃう心配がないので、ツェナーをいれたが、ツェナーをとっても動作しそうである。
しかし、行き過ぎたときもどれない問題はあるので、アキュの回路は、何で動くんだろう。
それがわからない。

コンプリメンタリカスコードプッシュプル10

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微小信号に応答するように改造しました。動くかどうかは定数を決めてシミュレーションしてみないとわかりません。入力段もハイゲインにするため、負荷抵抗を電流源にしました。来週あたり定数を決めて、動かせるかやってみたいと思います。電流源ペアは、カレントミラーを使うつもりです。

ポリシー

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答えがわかってる問題はつまらん。
答えがわからない問題にチャレンジするのが楽しい。
教科書には載ってない問題にチャレンジするのが楽しい。

つまり、ポリシーのひとつは、世の中にまだないものを作り出すことをめざすである。

ポリシーのもうひとつは、既にわかってる問題を再発明して、理解を深め、なにか新しい工夫はないか考えることをめざすである。

コンプリメンタリカスコードプッシュプル11

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LTSPICEでシミュレーションしながら、定数をきめていきました。

やっぱり、入力インピーダンスが高いMOSFETにダーリントンフォロワの初段を変えた。
また、LTSPICEのnpn pnpはCobなどが0pfのため、帯域が∞になるので
実デバイスで行った。

一応8オーム負荷で動く回路、10Hz、100Hz、1000Hz、10KHz、20KHzの正弦波で
電圧ゲイン20倍位相差0になりました。

抵抗値をE24系列に変更する作業を来週やってみたいと思います。

パスコンをつけて、カスコードのベース接地トランジスタのベースに10~100オーム程度のダンピング抵抗をいれれば、動くんじゃないかと思ってます。まずは、ダンピングなしでですな。
あとは、トランジスタを手に入るものに換えること、ヒートシンクの検討、抵抗のワッテージの計算くらいかな。パスコンは0.1μ、0.01μ、2.2μをパラでいいかな。

あと、直流分切ってやらないとスピーカーがこわれる。

あと100kオーム位の抵抗を入力端子にいれてGNDにおとしてやらないと、入力に何も接続しないとき、電源電圧にはりついちゃう。

あともうひとつ、トランジスタの耐圧間違えたので、トランジスタも交換します。

それにしても、エミッタフォロワの上と下がきれいにつながって、正弦波がでてくるので、エミッタフォロワ一方向性の問題は、解決である。
微小電流がながれると、ツェナやダイオードカスケードの回路は、高電位差を両端につくるようで
上下のエミッタフォロワがきれいにつながるようである。

恩師の笑顔

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大学時代の恩師の写真をみた。
穏やかな笑顔。
今の僕があるのは、この方のおかげ。
できの悪い学生だった僕に、背中でいろいろなことを教えてくれた。
研究室の理念が、まさに僕の方向性と同じ。

アキュの回路3

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アキュの回路だが、アキュのカタログを見ると入力段がカスコードブートストラップだと書いているが
入力段は差動カスコードの変種だと思う。変種と書いたのは、入力段内で微妙にフィードバックをかけて
リニアリティをあげてるように思われるからだ。
おじさんが、考えるには、コンデンサを定電流源で充電しのこぎり状波をつくるブートストラップ回路(CRTの垂直偏向回路に使われていた)に良く似ている動作をする出力段がカスコードブートストラップ回路だと思う。
回路を読めばそういう結論になる。
カスコードブートストラップで検索するとおじさんの考えと同じページもあるが、アキュのカタログのようにアキュの回路の入力段みたいな回路をカスコードブートストラップと呼んでるページもある。
おじさんと同意見のページもあったので、カスコードブートストラップは、カスコードプッシュプルにダイオードまたはツェナをかましたものであることはほぼ間違いないようである。
アキュも素人をだまして、自社の技術を自分だけわかってるようにしているようだ。
いろいろ調べてみると、LUXMANやYAMAHAのアンプもカスコードブートストラップを使っている。
アキュの専売特許ではなかったようだけど。

少しうれしい

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アキュのアンプ保守用の回路図がネットにあったのでみてみると、カスコードプッシュプルにダイオードかました出力段に、なんとおじさんと同じダイオード2個かました回路図があった。
おじさんの回路理解力が認められた感じがする。
しかもLEDのもある。LED使ってるとは。LEDはノイズが小さいらしい。おじさんのLED使ってみようかなと。

アキュフェーズの技術者が、おじさんのブログを読んだら、うちの回路の本質を理解してくれるひとがでてきたかと思っているであろう。

HDLシミュレーターをいれたので

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ModelSIM Starter Editionを入れたので、地デジ用リードソロモン復号器をつくります。
とりあえず、符号器からつくって、両方くっつけてデバッグします。アンプの定数決め終わってからです。
ピーターソン法とバーレカンプマッシー法とユークリッド法でつくります。
1年くらい楽しめるでしょう。ソースは10000行書ければ大丈夫でしょう

ひとこといわせてもらえば、高位合成でつくったら、まず実機では使い物にならないでしょう。

実機で動くのはバーレカンプマッシー法とユークリッド法でしょう。
ピーターソン法でも動かせるアイデアをおじさんはもっている。それは、中小企業で実戦経験をつんできたからこそ。レイテンシを遅らせれば、可能。高位合成なんかよりぜんぜんレイテンシがいいことはいいきれる。

手が覚えていた

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久々にmodel SIMを使った。手が覚えていた。verilogは、簡単だけどめんどくさいと思った。
回路とテストベンチを書いてつないで実行。動いた。
Verilog版、Hello Worldが終わったので、徐々に複雑な回路を書いていこう。
明日は、アンプの定数をE24系列に直す作業をやっていきます。

カスコードブーストラップであるが、コンプリメンタリカスコードブートストラッププッシュプルという名前にしたいと思います。アキュフェーズ社もあまりにも長いのでカスコードブートストラップにしたのだと思います。

E24系列に変えた

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抵抗をE24系列にして、トランジスタの耐圧を80Vにして、ダイオードもスイッチングタイプに変えた。特に問題なくLTSPICE上で動いた。
位相が180度遅れるところでぎりぎりゲイン0dB以下になっているので、インパルスをいれても発振が開始しなかった。
実際につくるとなると、トランジスタは、ヒートシンクがつけられるものになるので、パスコン以外にかなり余計な部品がつきそうである。

そうそう、入力インピーダンスは下がるけど、100kΩの抵抗を入力にいれてGNDにおとします。
これをいれないと、入力が開放のとき出力が0V付近にならないからです。
さらに保護回路として直列に10Ωくらいいれときます。
なんてやってると、どんどん部品が増えて性能がおちていくわけです。
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