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アマチュア無線やバイク,釣りの話などを徒然なるままに書き散らすメモ程度のblogです.


by jq1ocr

カテゴリ:マイコン・電子工作( 365 )

これまでの SEPP 実験回路はこんな感じです.

SEPP実験(4):定本のバイアス回路を試す_d0106518_23263327.jpg
実験した SEPP 回路

とりあえずは動いていますが,一回暴走させているので,暴走させない工夫をしなければなりません.その一つが RE の挿入だったわけです.しかしこれは損失が大きくなるので,出来るだけ小さい値を使いたいところです.しかしそうなると暴走の危機が...というわけで,どうしたものかと思っていたところ,定本にこんなアイディアが載っていました.

SEPP実験(4):定本のバイアス回路を試す_d0106518_23264713.jpg
バイアス回路例

定電圧回路で

VB = VBE x ( R1 + R2 ) / R2

という関係があります.VBE に抵抗で決まる定数をかけた電圧が得られると言うことです.トランジスタの VBE は温度で変化し,熱くなると小さくなるため,余計に電流が流れるようになって熱暴走するというプロセスです.そこでこの定電圧回路のトランジスタを SEPP を構成するトランジスタにくっつけておくことで次のようなメカニズムで保護されるということになります.

(1)ファイナルが熱くなる
(2)それにくっつけてある定電圧回路のトランジスタが熱くなる
(3)そのトランジスタの VBE が減少する
(4)定電圧回路からの出力電圧 VB が減る
(5)熱暴走が防げる

ということですね.定本,すんばらしい!笑

では実際に動かして確かめましょう.といっても,この回路に直接電源をつないだら意味がないので,こんな風に上に抵抗をつけました.

SEPP実験(4):定本のバイアス回路を試す_d0106518_23272647.jpg

まず VCC に 5V を加えて,出力が 2.5V になるように VR を設定します.そのときの VR の値は約 1.2kΩでした.また電流は 8.2mA でした.

ここでトランジスタを指でつまんで(多少暖めて)みると,少しづつ出力電圧が下がっていきました.更にバーナーで軽くあぶってやると,2.3V とかまで下がりました.あまりあぶるとブレッドボードなどが溶けても困るので,そこでやめましたが,熱くなると出力電圧が確かに小さくなることが確認できました.

次いで電源電圧を 10V に上げてみたところ,出力電圧は 2.66V と変化率が小さいことが確認できました.なおそのときの電流は 23mA でした.上に付けた 300 Ωに増えた電圧を消費させて定電圧を保持しているわけです.

ともあれ,このように電源電圧が変化しても安定したバイアスを供給でき,さらに熱結合させておけば暴走も防げるという安心できる動作が確認できたので,次に SEPP するときはこの回路を使ってみようかと思います.

ただよく考えると,暴走させたのって,自分がバイアス調整をしくじった結果なので,この回路を入れたからと言って防げるわけじゃないんですよね.最適点を設定した後で,いろんな変化に引きずられて暴走するのを食い止めるって仕組みですから.

by jq1ocr | 2020-04-09 22:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)
表題が「見知らぬ,天井」じゃなくてすみません.まあ実験中なので,天井をそもそも知らないんですけどね.笑

さて前回暴走した初号機ですが,ささっと出来る範囲で改修.

SEPP実験(3):エミッタ抵抗を付加_d0106518_19382519.jpg

エミッタに抵抗を入れただけですけどね.なので回路はこうなりました.

SEPP実験(3):エミッタ抵抗を付加_d0106518_19382681.jpg

本当は小さい抵抗を入れたいのですが,手元にある最小のがなんと 15 Ωです.ゲイン落ちちゃうなぁ.まあ仮処置だからここは我慢.今度もっと小さい値を入手したら再挑戦します.

この回路にスピーカーをつながずに信号を入れると,こんな感じになります.

SEPP実験(3):エミッタ抵抗を付加_d0106518_19384439.jpg

で,スピーカーをつけるとこんな感じ.

SEPP実験(3):エミッタ抵抗を付加_d0106518_19385307.jpg

ピーがうるさいです.若干歪んでいますね.音はそんなに変な感じではないですけども.どのくらい歪んでいるかとかも分かると面白そうですね.

ちなみにスピーカを付けない場合の周波数特性はこちら.

SEPP実験(3):エミッタ抵抗を付加_d0106518_19390310.jpg

遮断周波数は 6MHz くらいでしょうかね.利得はエミッタフォロワなので,0dB くらいが望ましいのですが,実際は -2.5 dB となっているので,結構な損失ですね.RE を小さくしたら改善するかな?

by jq1ocr | 2020-04-08 21:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)
とりあえずはこんな回路を考えてみます.

SEPP実験(2):基本回路で実験_d0106518_19370731.jpg
SEPP 実験回路初号機

入力0のときは出力が VCC の半分になるようにします.今回はプチ実験なので電源は 5V で,中点は 2.5V ですね.コレクタに 50mA くらい流すと考えて,バイアス抵抗には 5mA くらい流せばいいでしょうか.VBE を 0.7V とすれば,RB1 に 1.8V かかればよいので,5mA 流すなら 360 Ω となります.ここは手持ちの関係で 330 Ω を使います.RB3 も対称なので同じ抵抗値です.RB2 は 0.7 x 2 = 1.4V から 280 Ωくらいになりますけども,ある程度調整が出来るように半固定抵抗とします.

RL をつけず,入力も加えずに Q1 , Q2 の間が 2.5V になるように調整しようとしたところ,バランスを崩したのかオシロが真っ白に(初号機,発振!笑).あららと思いながらもいじっていると,香ばしい薫りが....

SEPP実験(2):基本回路で実験_d0106518_19370713.jpg
暴走!

まさか,暴走? アンビリカルケーブル切断!しかし実は全ては想定内.そりゃ,コレクタエミッタに何もないんですからね.というわけで...

SEPP実験(2):基本回路で実験_d0106518_19370709.jpeg
この次もサービス,サービスゥっ


by jq1ocr | 2020-04-07 22:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)
BJT の基本トポロジー3部作は終わっちゃいましたけど,やっぱねぇ,トランジスタ実験したらスピーカーつなぎたいですよね.だったら SEPP とかやってみたいわけです.コンプリメンタリなトランジスタを一組使ってプッシュプル.ほら,ハムだったらあこがれキーワードじゃないですか,プッシュプルって.笑

準備としてはとりあえず hFE の揃ったのを使うのはホビー的にはお約束.うちには 2SC2120Y と 2SA950Y がありましたので,これでいってみたいと思います.両方ともクラス Y なんで,hFE は 160〜320 です.そういえば昔,父がアンプを作るときに FET を IDSS でソーティングしていたのを思い出しました.私はそこまでこだわってもいないですが,結局同じようなことしてるのは血でしょうか.笑

測る道具は DCA75 を使います.でもわざわざクリップに付けるのは面倒です.なので,こんな風にしてみました.

SEPP実験(1):まずは準備体操でソーティング_d0106518_19355564.jpg

ブレッドボードに挿す方が楽ですからね.まずは 2SC2120 です.

SEPP実験(1):まずは準備体操でソーティング_d0106518_19360617.jpg

hFE は 242 から 261 でした.一応決められた範囲には入っていますし,同じロットだからなのかばらつきもそれほどはなくて面白くないですね.

では次は 2SA950 です.

SEPP実験(1):まずは準備体操でソーティング_d0106518_19361406.jpg

あらら,318 から 352 ですって.全然かぶってないし,そもそも Y クラスから逸脱してるのも?いや,試験条件が違いすぎますね.データシートは 100mA で測ってるし.DCA75 は 5mA ですから.

というわけで,hFE を揃えるのは失敗ですが,合っているのを見つけるにはたくさん買ってこないといけないし,プチ実験でそこまでやっても意味ないからやりません.測った中で一番近い 261 の 2SC2120 と 318 の 2SA950 をペアで使うことにしましょう.

by jq1ocr | 2020-04-06 22:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)
FET には J-FET と MOS-FET があり,MOS-FET にはディプリーションモード(デプレッションと書く場合もある)と,エンハンスメントモードがあります.これらはゲート電圧とドレイン電流の関係による分類です.N-Channel の場合は以下のようになります.

ディプリーションモード FET を動かしてみる_d0106518_20543843.jpg
モードによる動作の違い

J-FET ではゲート電位をソース基準でマイナスにバイアスして使用し,バイアスが0のときにはドレインに最大電流 IDSS が流れます.要するに ID が0になるまでゲートをマイナスに引っ張った電位と,0電位の間で使います.また現在使用されている MOSFET の多くはエンハンスメントモードで,0バイアスで ID は最小(ノーマリーオフ),そこからバイアスを上げていくと ID が増えていく動き方をします.NPN BJT に類似しているので使いやすいモードです.ディプリーションモードは最初に MOSFET が出来たときからあるモードらしいですが,現在はかなり用途が限られるのか,あまり多くの品種は出回っていません.ゼロバイアスでも ID が0にならないし,0にするためにはマイナスにバイアスしないといけないことになります.

なお書籍によっては J-FET の動作モードを「ディプリーション」として,上の図のディプリーションを「ディプリーション+エンハンスメント」と呼ぶこともあるようですが,ここでは上の図の通り,私が学校で習った呼び方をします.

さて,これまでにエンハンスメントモードの MOS と,J-FET の実験をしてきましたが,ディプリーションモードの MOSFET はあまり種類がなくて,手元にもなかったので最後になってしまいました.しかし今回秋月でリードタイプのディプリーションモードMOSFET を見つけたので,入手してきました.

ディプリーションモード FET を動かしてみる_d0106518_20543896.jpg
LND150 by Microchip

ディプリーションモードの特徴は交流信号を使う場合でもゼロバイアスで動作できると言うことです.エンハンスメントモードや普通のトランジスタでは波形をそのまま増幅したいならバイアスをかける必要がありましたが,ディプリーションモードで動作する FET はその必要がないわけです.ですから,こんな感じにシンプルに接続しました.

ディプリーションモード FET を動かしてみる_d0106518_20543936.jpg
ディプリーションモードFET実験回路

電源電圧はいつもの 5V,IDSS が分かれば,RL も決めやすいのですが,データシートには 1.0 〜 3.0mA とあったので,間を取って 2mA と仮定し,RL は 1kΩにしました.ゼロバイアスで 2V 下がって,動作点は 3V くらいにしようという目論見です.

実際に動かしてみたところ,こう出てきました.
ディプリーションモード FET を動かしてみる_d0106518_20545818.jpg
出力波形例

3.5V ですね.電源は 5V といっていますが,実際は 5.2V くらいだったりするので,ID は 1.7mA くらいのようです.RL は 1.5kΩくらいがちょうどよかったかも知れませんね.でもとりあえず 1kΩのまま実験してみると,こんな結果になりました.
ディプリーションモード FET を動かしてみる_d0106518_20550629.jpg
RL = 1kΩ時の周波数特性

利得は 8.5 dB くらいで,遮断周波数は 2.2MHz くらいですかね.ここで RL を 1.5kΩに入れ替えてみます.すると...
ディプリーションモード FET を動かしてみる_d0106518_20551498.jpg
RL = 1.5 kΩ時の周波数特性

利得は 11.8 dB くらいで,遮断周波数はあまり変わらず 2 MHz くらいでした.利得の差は概ね抵抗の比にあっています.RL を大きくすれば利得はあがりますが,そうすると上も下も厳しくなるので,直線性を持つ範囲を広くするにはこのくらいがちょうどいいかなと思いました.

今回初めてディプリーションモードの MOSFET を動かしてみて,使う前は高周波回路に使えるかと思っていたのですが,それ以外の方が向いているようで,アプリケーションノートを見ると,へ〜というような用途があって面白いなと思いました.

by jq1ocr | 2020-04-05 21:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)
これまでの BJT プチ実験では,三つの接続形態 (topology) であるエミッタ接地,ベース接地,コレクタ接地(エミッタフォロワ)と実験してきましたが,実はこれらの形態は全て下の回路で動くのでした.

トランジスタ接続形態のまとめ_d0106518_19423713.jpg
3-in-1 実験回路例

もちろん利得を調整したり,動作を安定させるためにコンデンサをいれたりすることはありますが,入れなくても原理には一緒で実験は可能です.それに RA は適切なバイアスがかけられれば省略できます.また他にも接続形態によっては不要な抵抗はありますが,ここでは一つの回路で三つの実験を安定的にするというのを主眼に置くこととして,あえて簡略化はしないでおきます.

使い方としては信号を,①に入れて,②から出すのがエミッタ接地,②に入れて,③から出すのがベース接地,①に入れて②から出すのがエミッタ接地です.そして無信号時のバイアス動作の考え方はどの接続でも一緒です.電源が 5V なら,以下のような抵抗値で実験できると思います.(特にバイアスを決めているだけの RA : RB は比率が合っていればなんでも大丈夫なはず.大きくすると無駄はなくなるけど,あまり電流を小さくすると,ベースに吸い込まれた電流で比が変わるのがよろしくない.)

RA : 16.5 kΩ(33kの2パラ)
RB : 33 kΩ
RC : 2 kΩ
RE : 1 kΩ

増幅器で良く用いられるエミッタ接地では,①から信号を入れます.信号が大きくなる(電位が上がる)とき,ベースから流入する電流が増え,それに連携してコレクタに引き込まれる電流が大きくなります.するとコレクタ抵抗 RC の電圧降下が大きくなって,③の電位は下がります.逆に信号が小さく(電位が下がってマイナスに)なると,ベースから入る電流が減り,それに比例して RC が減りますから,③の電位はあがります.このように入力信号の増減と逆に出力が増減するので,位相が反転して出力されるわけです.これが標準的な回路です.

ベース接地では②から信号が入りますが,その信号が大きくなると,エミッタの電位があがります.ベースの電位はこれに連蔵して(エミッタより 0.7 V 高くなって)いるので,ベースにはいる電流が減ります.するとコレクタ電流が減るので,RC による電圧降下がへり,コレクタの電位は上がります.信号が減ると,エミッタ電位が下がり,ベースに入る電流が大きくなり,コレクタ電流も増え,RC による電圧降下が大きくなり,コレクタの電位は下がります.というわけで,入出力の位相は同相となります.周波数特性がよいらしいのですが,今のところの実験ではまだ違いが分かっていません.

コレクタ接地はエミッタ接地と同じく①から信号が入りますが,取り出し口が違っていて②になります.入力信号が増えると,ベースからの流入電流が増え,それに伴いコレクタ電流が増えますので,エミッタ電流も増えます.するとエミッタの電位が上がり,出力信号は大きくなります.逆に入力が小さくなる(マイナスになる)と,ベースからの流入電流がへり,コレクタとエミッタの電流が減りますから,出力の電位が落ちます.このように入出力の位相は同相となります.あと,ベースの電位とエミッタの電位は 0.7 V の差しかないため,ほぼ同じ電位と考えれば,入出力信号の電位はほぼ同じと言うことになります.出力は入力に追従して(follow)同じ電位になるということで,エミッタフォロワと呼ばれています.増幅と言うよりはバッファーですね.無線の試験で言うところの緩衝増幅器でしょうか.

なお接続方法の名称にある「接地」というのは GND につながっている印象を持ちますが,トランジスタの三つの端子のうち,入出力で共通に使っている端子と考えた方が分かりやすいです.なので名称としては「エミッタ共通」みたいなほうが直接的だったかも知れませんね.現に英語ではエミッタ接地は common emitter といいます.エミッタ接地では①のベースに入れて,③のコレクタから出しますね.すると残ったエミッタは入出力で共通に使っていますから,エミッタ接地と言います.ベース接地は②から入れて③に出るので,①のベースは共通です.

by jq1ocr | 2020-04-04 21:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)
ちなみに前回の周波数特性はこんな感じでした.

千秋楽はコレクタ接地(2):周波数特性とエミッタ接地との比較_d0106518_19381409.jpg
コレクタ接地回路の周波数特性例

なんと遮断周波数は 9 MHz でした.AD2 で測れるのは 10 MHz までなので,これ以上伸びられると厳しいですね.笑

ところで標準的に使われるエミッタ接地の出力インピーダンスを測っていませんでした.回路構成(各部の抵抗)は同じままで,組み替えたもので実験してみましょう.138 mV 入力で 266 mV 出力となり,概ね2倍の利得は RC / RE から推定される通りです.更に負荷の抵抗値を小さくしていくと,入出力信号はこんな感じになりました..

千秋楽はコレクタ接地(2):周波数特性とエミッタ接地との比較_d0106518_19383118.jpg
出力が無負荷時の半分になったときの入出力信号例

大体このあたりが,出力が半分になったときです.そしてそのときの外部負荷抵抗は 2 kΩ でコレクタ抵抗と同じでした.よって最大電力を取り出すなら,コレクタ抵抗と同じ負荷にすれば良いということになりそうです.

by jq1ocr | 2020-04-03 21:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)
ここまできたら3トポロジーを全部やってみたいですよね.というわけで,エミッタ接地の出力をコレクタに移すだけでコレクタ接地を作ります.笑

千秋楽はコレクタ接地(1):組んでみた_d0106518_19300726.jpg
コレクタ接地実験回路例

値はそれぞれ

RA = 1.65k (3.3k パラ)
RB = 3.3k
RC = 2k
RE = 1k

にしてありますが,機能的には RC は必要がないので0にしても動くと思います.この回路はエミッタフォロワーとも呼ばれています.同相で電圧利得は1と教科書にはありますね.ではさっそく信号を入れてみましょう.

千秋楽はコレクタ接地(1):組んでみた_d0106518_19302363.jpg

上の水色がベースへの入力,下の黄色がコレクタからの出力です.中心の電位差はありますが,信号自体はほぼ変わらないですね.増幅してないんじゃ意味ない回路か?ということになりますが,この回路には大きな特徴があります.それは出力インピーダンスが低いと言うこと.負荷によらず一定の電圧を取り出せるわけですね.出力インピーダンスが高いと,抵抗値の小さな負荷(重い負荷といいます)につないだ場合,電圧が出力に出なくなってしまいます.

というわけで,無負荷ではコレクタ接地の面白さが分からないので,可変負荷をつないでみましょう,可変抵抗器です.

千秋楽はコレクタ接地(1):組んでみた_d0106518_19303269.jpg

VR = 5kΩ で,抵抗値を下げていってどうなるかを見ます.無信号時と比べてエミッタ電圧が半分になったときの VR は 247 Ωでした(コレクタ合成抵抗は200Ω).このときの推定コレクタ電流は 2.5 mA ですから,すでに VCE は枯渇していますね.しかし,その状態でも一応は使えそうな波形が得られいます.

千秋楽はコレクタ接地(1):組んでみた_d0106518_19304188.jpg

さらに落としていって,結局寸止めの 3 Ωまでいってこんな感じです.

千秋楽はコレクタ接地(1):組んでみた_d0106518_19305013.jpg

さすがにひずみはありますが,それでも出力は無負荷から少ししか小さくなっていません.これは次段の吸い込みが良い場合にはかなりなお助け回路ですね.

by jq1ocr | 2020-04-02 21:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)
ベース接地回路の定数そのままに,結線を少しいじってエミッタ接地にしました.

ベース接地ってどう?(2):周波数特性を比較する_d0106518_13400351.jpg
RL , RE に 1 mA ながして VB を 1.7 V にというところも一緒,バイアス点も変わりません.単に入り口を変えただけ.笑

すると,周波数特性はこんな感じになりました.

ベース接地ってどう?(2):周波数特性を比較する_d0106518_13402954.jpg

利得 6 dB で,カットオフ( -3 dB)は 1.5 MHz 程度でしょうか.ベース接地の時の利得は 34 dB 程度でしたし,これで比較するのが正しいか分からないので,エミッタにバイパスコンデンサ 10 uF をぶら下げてやったところ,こんな感じに.

ベース接地ってどう?(2):周波数特性を比較する_d0106518_13404168.jpg

下の方が下がってるのは,低域ではバイパスコンデンサのリアクタンスの所為かと思います.もちろん大容量に替えてみれば確定しますが,ないので割愛.平坦部の利得は 38 dB で,カットオフは先ほどとあまり変わらずといった感じ.結局今回の使い方では基本的にはベース接地と変わりない結果だったと考えられそうです.ちょっとさみしいな.テキストに載っている「周波数特性が良い」を実感できる実験が出来たらまたエントリします.

by jq1ocr | 2020-04-01 21:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)
今回はベース接地に挑戦してみたいと思います.教科書等では見たことがある回路ですが,自分で動かしたことはない回路なんですよね.周波数特性が良いとか聞きますし,発振回路に使われている例も見かけますが,ともかく自己設計では使ったことがないので,挑戦してみようと思った次第.

原理的にはこんな回路でしたよね.

ベース接地ってどう?(1):とりあえず動かしてみる_d0106518_00300840.jpg
ベース接地回路例

エミッタって出口っぽいイメージがあって,そこから入力するというところがわかりにくいなぁと思ってました.動作の考え方としては,入力が大きくなると,エミッタ電圧が上昇,するとベースからのバイアス電流が減り,コレクタ電流も減少,その結果,負荷抵抗での電圧降下が減って,出力電圧が大きくなる.という感じでしょう.なので,入出力は同相になると.

では早速設計しましょう.まず RE を 1 kΩ にして,そこに 1 mA 流すとします.すると,VE は 1 V になるので,VB はこれより 0.7 V 高い 1.7 V になるように RA , RB を決めます.電源は 5 V なので,3.3 V : 1.7 V に分ければいいのですが,半端なので 2:1 でよいでしょうか.誤差数パーセントですし.ここに電流は潤沢に流す必要はない(抵抗は大きい方が省エネ)ものの,試験なので手持ちの抵抗の関係で,RB を 3.3 kΩ,RA を 3.3 kΩ を2パラにした 1.65 kΩ とします.RL は 2.5 kΩ にしようかと思いましたが,手持ちの関係で 2 kΩ にしておきます.

組んで早速動かしてみましたが,どうにもノイズっぽいので,ベースにコンデンサを入れてみました.

ベース接地ってどう?(1):とりあえず動かしてみる_d0106518_00302392.jpg

すると入出力波形はこんな感じになりました.

ベース接地ってどう?(1):とりあえず動かしてみる_d0106518_00303969.jpg
ベース接地回路の入出力信号例

下の水色が入力信号,上の黄色が出力信号です.電圧利得はざっと 51 倍で 34 dB といったところです.かなり利得がありますね.

ちなみに周波数特性を取ってみたらこんな感じでした.

ベース接地ってどう?(1):とりあえず動かしてみる_d0106518_00305179.jpg
ベース接地回路の周波数特性例

遮断周波数は 1 MHz ちょいでした.あれ?そんなもんなんですか.FET の実験ではゲインはともかく周波数特性はもっと上まで伸びてましたから,なんか物足りない数字だなと感じました.でもそういえば,これと比較すべきエミッタ接地の実験は ADALM1000 を使っていたので,周波数特性はとっていなかったですね.一度実験して比較してみる必要がありそうです.

by jq1ocr | 2020-03-31 21:00 | マイコン・電子工作 | Comments(0)