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差動増幅回路

引っ越して会社が近くなったので時々自転車通勤をしようと画策中。
実は2〜3日前、自転車で行ってみようと思ったのだが、長らく放置していたのでガタがきていてまともに走れなかったのだ。
仕方ない、通勤用に自転車買うか。
そんなに高くないの買うのでかっこいいの買っていいですか?まいわいふ。

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差動増幅回路はこんな感じのやつ。
 
オペアンプの入力段としても非常に有名。
"定本"で何となくわかったようなわからなかったようなもやもやした気持ちでずっといたので少しまじめに計算してみた。
ダイオード方程式使ってまじめに計算してやると、左側のトランジスタのコレクタ電流は
となる。これにエミッタ抵抗をかけると出力電圧になる。
ん?差動と言っても線形に増幅するわけじゃないのか。
ΔVi << Vtのときは
となるので線形だ。
オペアンプはバーチャルショートが成立してるのでこれを満たしてるかな。
こういうことはベース-エミッタ電圧を0.6Vとして云々といういい加減な計算ではわからなかったことだ。

ちょっとトランジスタブームなので何冊かamazonで古本を注文してしまった。
少しずつ読もう。
ジャジャガッチ | 電子工作 | 21:25 | comments(0) | trackbacks(0) |

エミッタ接地をダイオード方程式で解析する

今週もうちの息子は色々なことが出来るようになった。

おままごとセットに野菜とかおもちゃの包丁がついている。
野菜にはマジックテープがついていて包丁で切って遊べるようになっている。
これを切れるようになった。
さらに、ぬいぐるみにその野菜を食べさせているではないか!
しかももぐもぐ言ってる。
僕にも食べさせてくれる。
あと手をつないで一緒に歩けるようになった。

先週末は義兄家族が遊びに来てくれたのだが、子供たち(保育園児と小学生)がとてもよく息子の面倒を見てくれて助かった。だっこはきつそうだったけど。
うちの息子は彼らのあたまをよしよししてた。
よい週末でした。

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さて、エミッタ接地をダイオード方程式で解析してみる。
詳細は省略するが、上記回路では次の方程式が成立する。
が成立する。これがコレクタ電流を決定する方程式。
解析的に解くのは難しそうなのでみんな大好きニュートン法で計算してみた。
Re=1k , Vt=25.8499m , hFE=200 , Is=1e-14。
また、ベースには0.65Vのバイアスを加えている。横軸は入力電圧の交流部。
概ね線形だが入力が小さい側が少し歪んでいる。
非線形項(左辺第一項)と線形項(左辺第二項)の大きさを比べてみた。
コレクタ電流の小さい側で非線形項が支配的になっている。この効果が見えているのか。
線形項が支配的になると元の方程式より交流的なゲインが概ねRc/Reとなることがわかる。

また、温度変化の影響についてはVtの影響を調べればよい。全体にVtをかけてやれば温度依存性があるのは非線形項のみとなるため、線形項が支配的な領域では温度変化はそれほど影響しない。

線形項を大きくするためにはReを大きくすればよい。これによって歪み率や温度依存性が改善すると考えられる。
こういうのが負帰還っぽいよな、と思ったらやっぱり負帰還だったという話はまたそのうち。

ニュートン法のプログラムは続きから。
続きを読む >>
ジャジャガッチ | 電子工作 | 22:56 | comments(0) | trackbacks(0) |

トランジスタ面白い

雨雨雨。
雨が降った後は雑草が抜けやすい。
ずるずると根っこが抜けるので気持ちよくてついつい予定時間を越えて草抜きに熱中してしまう。

そういえば書き忘れてたけど梅雨前に芝植えました。
マットみたいなやつを買ってくると高いので、ネットでポットを買って二日かけて妻と頑張って植えました。
ただ土が固すぎてしんどかったので、小型耕運機の力を借りました(隣町のお店で借りた)。
600ポットくらい植えました。疲れた。
本当にこいつらは育つのだろうかとかなり心配しましたが、意外と頑張って成長してます。
少しずつポット間がつながりだしています。
雑草は頑張って抜くからお前も頑張って育てよ!芝!

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ここのところトランジスタについて勉強している。
一応、有名な"定本"を一通り読んだので簡単な設計は出来ていたのだが、もう一歩進むために色々勉強した。
やっぱりきちんと理解しようと思うとダイオード方程式が必要だ。
これがないと温度特性や歪み率やらの議論が出来ない。

んで、色々わかってきた。
そもそもトランジスタ1石の増幅回路とオペアンプを使った増幅回路は何が違うのかよく理解出来ていなかったことに気が付いた。
ぐぐってみるとオペアンプは負帰還で使うから特性いいんだよ、って書いてる人が結構いる。
でも例えばエミッタ接地増幅回路も負帰還だと書いてあったりする。
実際、エミッタ接地をダイオード方程式で解析してやってブロック図を描いてみると確かに負帰還になっている。
じゃあオペアンプとの違いは負帰還じゃないじゃん・・・。
でもどうやら裸利得がオペアンプの方が高いためにより理想に近い負帰還が実現出来るっぽい。
一応計算で確かめた。

じゃあ石を増やして裸利得上げて負帰還かければいいんじゃね?ってなる。
そのひとつの解答がオペアンプか。
差動入力にしないで裸利得を上げて負帰還かけることも考えてみるか。

そのうち勉強した内容を少し紹介する予定です。
ジャジャガッチ | 電子工作 | 00:10 | comments(0) | trackbacks(0) |

光センサつきルームランプの改良案

ここのところ暑いので息子は妻に外で水浴びさせてもらってるらしい。
楽しそう。
僕も是非参加したい。

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さて、前回の復習。
tr2のベースにある程度電流を流さなければLEDが暗いが、この電流量はR+Rbに反比例する。
つまりR+Rbを小さくしたい。でもR+Rbを小さくすれば放電の時定数が小さくなってぼや〜っと消灯しなくなる。
さてどうしようということだった。

こういうときに便利なボルテージフォロア。
たぶん次のような感じにすればRを大きくしても大丈夫。
でも出来ればトランジスタで組みたいよね、ということでエミッタフォロワを入れてみよう。
これでもいける。
ただ、LEDに流れる電流はtr2のベースに接続されている抵抗(上図では30kΩ)で制限される。
このためこれはあまり大きく出来ない。
上図の場合、放電の時定数は大体、C×R//(Rb+hfe×10k//30k)となるため、10k//30kのところを小さくするとR//Rbをある程度大きくしないと放電の時定数が不足してしまう。
次のようにトランジスタをもう一段増やした方がパラメータ調整が楽かも。
 
で、まあごちゃごちゃとトランジスタ増やしてみたんだけど、FET使えばもっとシンプルに出来る気がするんだよね。
まあそのうち考えよう。
 
ジャジャガッチ | 電子工作 | 22:01 | comments(0) | trackbacks(0) |

以前設計した光センサつきルームランプの問題点について(2)

息子の成長がとどまるところを知らない。
昨日は自分でスプーンを持って口に運ぶことに成功した。
とうもろこしにも上手にかじりついて食べることが出来た。
あと「まんま」の発音が日に日に上手に。

昨日は久々に晴れたので親子3人で庭に出て草むしり。
息子は砂が食べたくて仕方がないらしく、親の様子をうかがいながらこっそり砂を口へ。
腹痛くなるぞ。

うちの野菜畑は好調。
トマトが元気すぎてジャングル状態になってしまったので妻によってかなり伐採された。
ししとうおいしい。
最近うちで出てくる野菜、外で買ったものなのかうちで出来たものなのかもう僕はよくわかっていない。
何が育てられているのかも把握できていない。
きゅうりは青臭くてイマイチだった。

あと、妻にばらされた安全運転大会。
大雨 and 普段と違う車という悪条件はあったものの、まさか脱輪すると思わなかった。
結構ショック。
25点という点数を見てから普段より一層安全運転に気を付けるようになりました。
そういう意味では出てよかった。

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それでは時定数を維持したままコンデンサの容量を小さくする方法を考えよう。
まず、Spiceシミュレータで動作を確認しておこう。
Rcdsは明るいとき5kΩ、暗いとき1MΩ程度とする。
つまり明るいときはRcdsに約0V、暗いとき約5Vがかかることになる。
Rcdsの代わりにパルス電源を接続する。
LEDにはmax 20mA程度が流れ、10秒程度かけて消灯することが確認できる。
2年前にはRを大きくしてCを小さくすることを試してみたのだった。でも暗くなってしまった。
まずは何故暗くなるかを少し調べてみる。

部屋が明るいとき、tr1はoffなので大体次のような等価回路になる。
部屋が暗いときはtr1のコレクタ-エミッタ間に大きな電流が流れて電圧効果によってR上部はほぼ0Vとなる。
つまり大体次のような等価回路になる。
部屋が暗いときの回路についてCにかかる電圧を計算してみる。次の方程式を解けばよい。
tr2はon状態としてベース-エミッタ間に0.6Vがかかっているものとした。
これを解くと、
となる。R//RbはRとRbの並列合成抵抗。
V(0)は部屋が明るいときの電圧に一致するから、
今設計している回路ではRc<<Rが成立するから、大体
となる。
シミュレーションとどの程度合っているか確認してみよう。
おお!思ったよりも一致している!
i1(t)〜V(t)/Rbなのでtr2のベース電流は大体R+Rbに反比例する。
つまりi1を大きくするためにはR+Rbを小さくする必要がある。
しかし放電の時定数はR//Rbなのでこの要請と両立しない。
いくらパラメータをいじくってもだめなわけだ。

次回は回路を少し変更することとしよう。
ジャジャガッチ | 電子工作 | 22:50 | comments(0) | trackbacks(0) |

以前設計した光センサつきルームランプの問題点について

1ヶ月前に10歩くらい歩けるようになったと書いたうちの息子、今はすたすた歩いとります。
あのブログ書いた日から指数関数的に歩数が伸びていき、あっという間に歩行メインに。
急ぐときはいまだにハイハイだけど。

遊び方もだんだん高度に。
この前はベビーサークルと壁の間に大量に破かれた新聞紙が詰め込まれとりました。
ストロー and 取っ手つきのボトルを使えば自分で水も飲めるようになりました。

よく寝てよく食べて健康優良児です。
そろそろ外を一緒に歩けるかな。

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作りたいのは、部屋を暗くするとLEDが点灯し、10秒くらいで少しずつ消えていくようなもの。
2年ほど前に思いつくままにでっちあげたのは次のような回路。
明るいときはCDSセルの抵抗が小さく、左側のトランジスタにベース電圧が0Vになり、off。
するとコレクタ電圧は5Vになり、10kと500uFのRC回路が充電される。
暗くなるとCDSセルの抵抗が大きくなり、左側のトランジスタがonになる。
するとコレクタ電圧が1kの抵抗の電圧降下によって0Vになり、Cに蓄えられていた電荷が放電される。
右側のトランジスタも放電が進むにつれてベース電圧が下がっていき、やがてoffになる。
こういう感じ。

でも二つ難点があった。
500uFという大容量のコンデンサは値段が高いし、物理的にも結構大きい。それになんかスマートでない。
部屋が明るいとLEDがつきっぱなし。

,砲弔い討RC回路を10kΩ→300kΩ、500uF→10uFとしてみたがLEDが暗くなってしまったのだった。
さて、どうしようか、というところで止まっていた。

今日、原因と対策を少し考えてみた。
,慮彊は10kと33kの抵抗とCが放電の時定数を決めるので抵抗を出来るだけ大きくしたいが、右トランジスタのベース電流をこのふたつの抵抗が決めるため、あまり大きく出来ないというジレンマが原因だということがわかった。
これはトランジスタが電流制御素子であるというところから来ていると思われるので、FETを使えば解決するかもしれない。
ただ、FETについてはあまり詳しくないので、とりあえずボルテージフォロアを使うことにする。
シミュレーション上はうまく動いている。

△砲弔い討話韻縫好ぅ奪舛鯑れればいいだけだ。
アナログスイッチicを入れてもいいけど今回はトランジスタを使うことにする。

次回詳しい解析結果を載せる予定。
あ、今日はちゃんと英語勉強しました。
ジャジャガッチ | 電子工作 | 22:23 | comments(0) | trackbacks(0) |

LEDについて理解を深める

この前雑貨屋で素敵なスプーン&フォークを発見して購入した。
妻の分と2セット。↓

ス、スパナがヨーグルトに!

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前回ファンクションジェネレータとか作りたいって書いたけど、今年はちょっと他のことで忙しくなりそうなので無理かも。
でも何もしないのもつまらないので出来る範囲で何かします。

以前少し取り組んだLEDをぼやっと光らせる計画、ちょっと半端な感じだったので少し進める。
まずLEDの基本的なところから始める。

次のような電流-電圧特性を持つLEDを例にとる。
ダイオードは
I(V) = I0{exp(Vf/α) - 1}
という特性を持つ。この例ではI0=1nA、α = 200mVとした。

電流は電圧に対して指数的な振る舞いをするため、LEDに直接電源をつないで電圧制御することは難しい。
少し電圧が揺らいだだけでも電流が大きく変化してしまうからだ。

ではどうするかというと、LEDに抵抗を直列に接続すればよい。
このとき
Vcc = IR + Vf(I) = IR + αln(I/I0 + 1)
となる。第二項は対数なのでIがある程度大きい領域では第一項が支配的になり、電流をオームの法則で決定出来ることになる。
第一項が支配的な領域では
I = V / R
となるためRをある程度大きくしておけば傾きが小さくなり電圧の揺らぎに対して電流の変化を小さく抑えることが出来る。
上図のように抵抗を大きくすると傾きが緩やかになる。
ただし、抵抗を大きくすれば同じ電流量を得るためにより大きな電圧をかける必要がある。
にゃるほど。
 
ジャジャガッチ | 電子工作 | 22:33 | comments(0) | trackbacks(0) |

Chumoyアンプ完成

既に完成していたChumoyアンプだが、写真をまだアップしてなかったのでアップする。
タカチのケースに収めました。LED用の抵抗が大きすぎて光が弱く、正面から見ないと電源が入っているかわかりづらいのが難点。まあ、あんまり光が強すぎてもうっとうしいのでよしとしよう。
内部はこんな感じ。
結構それっぽく出来たと思う。
ダークソウル2で活躍中。
ジャジャガッチ | 電子工作 | 20:23 | comments(0) | trackbacks(0) |

Chumoyアンプ80パーセント完成

Chumoyアンプの製作がほぼ完了した。ケース加工もほぼ終わり。
今週中には完成するだろう。
見てのとおりwikiの回路丸パクリ。
ケースに収めない状態で試聴してみた。
PCのヘッドホン出力と聴き比べてみた。
イエモンの「太陽が燃えている」を聴いてみたがよくわからない。妻には高音部はChumoyの方がよい音に聴こえるらしい。
次にクラシック系を聴いてみようと、USBにCDドライブを接続したところ、ヘッドホン出力にはかなりのノイズが乗ってしまった。USBの影響を受けている?
海上自衛隊音楽隊の祈り〜未来への歌声収録「夢やぶれて」で比較。それを除いてもChumoyの方が上品な音に聴こえるとは妻の談。
僕にはノイズ以外の違いがわからない。

ケースに収めてからポータブルオーディオプレイヤー等でも聴き比べしたい。作ったからには多少は違いがわからないと面白くない。
ジャジャガッチ | 電子工作 | 21:00 | comments(0) | trackbacks(0) |

OPA134をLTSpiceで使う

今日は髪を切りに行ってきた。
僕が行っている美容院はおひとりで経営されている美容院で、しばしば僕と妻の二人分の時間を予約して一緒に切ってもらう。
僕は美容院があまり好きではないが、気楽に行けるいい美容院だ。
いい美容院をみつけたものだ。

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ChumoyアンプをLTSpiceでシミュレーションしてやろうと思って昨夜から試行錯誤。
OPA134のSpiceモデルは公開されており、適当に調べながら何とか動くところまで持っていったのだが動作がおかしい。
周波数特性がデータシートのものと大きく異なる。
設定を失敗したのかな?と思って色々いじっていたが埒が明かないので、試しに基本的には同じ特性であると思われるOPA2134のSpiceモデルを使ってみた。
⇒うまくいったっぽい。データシートと同じような特性が得られた。
そのうち詳細をHPに公開する予定。
 
ジャジャガッチ | 電子工作 | 21:28 | comments(0) | trackbacks(0) |
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