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Channel: アナログ回路のおもちゃ箱
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DC Block Filter for AD797 60db Amp

April 15, 2018, 2:56 am
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AD797 60db Amplifierで

例えば電源のノイズを測定したいときにはDC Block Filterが必要になります。

AD797 60db Ampの入力抵抗は１００KΩが接続されています。
この状態で単純にCカップルしただけでは１００KΩ の熱雑音がおおいに影響します。
電源のインピーダンスは１Ω以下と思われますので１０００倍の１KΩを入力抵抗に使用します。
とはいっても基板の抵抗はそのままでシミレーションの回路をケースに入れて組みます。
基板の１００KΩとDC Block回路の1KΩが並列接続という事です。
シミレーション回路でのBlock Capacitorは10u,100u,300uです。
1Hzは確保したいと思いますのでその時は３０0uF以上が必要です。
実際はR１にスイッチを並列に接続します。
測定前まではスイッチでAD797の入力を短絡しておきます。
入力を被測定電源等に接続してから充分にC１が充電されるまでおおよそ１０秒以上待ちます。
そのごおもむろにスイッチを解放にして測定開始です。
Block Capacitorはリーク電流の少ないフイルム系が最適ですが
１０uFを３０個揃えるとかなり高価になります。
当方は湿式のタンタルコンデンサ３３uFを１０個並列接続して
逆極性接続に注意して使っています。
AD797 60db Ampは性能優先で入力に保護回路はないので注意が必要ですが
上の約束事を守ればAD797を壊す事は無いと思います。あくまでも自己責任で.......

20180415_164721

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Low Impedance Analyzer(Low Inductance Version)

August 20, 2017, 3:16 am
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先に実験したLow Impedance Analyzer for Analog Discoveryにおいて

入力短絡時の残留インダクタンスによる100KHz以上の右肩上がりを改善しました。
下図のようになり大変に満足が得られる結果になりました。
使用した40db Instrumentation AmpのF特が10MHzで-7db落ちていますので
5MHzあたりまでが正確なグラフ値になります。
10mΩのシャント抵抗は測定時に最短に出来なかったので
リードインダクタンスの影響でより右肩上がりになっています。
デカード毎の確認用なのでこれでも問題無いでしょう。

12

回路図です。
電流センス抵抗は100Ωで
入力電圧を1Vとすると10mA流れます。
電圧検出の増幅度は40db（100倍）です。
ネットワーク・アナライザはCh.1/Ch.2の結果をプロットします。
100Ω/100で1になりボーデ・プロットの結果は0db=１Ωとなります。
今回の治具の肝は中央部分の配線が全てです。
以下に実験した詳細を記します。

20170820_170823

再考して再度組上げたLow Inductance Versionです。

Analog Discoveryでの測定には自作したBNC基板を使用しました。

SMAコネクタを使用しなければいけない周波数帯では無いのですが

BNCよりスペースが節約できるという事だけの理由です。

回路図の中央の肝と言った部分は下図のRefference Planeになります。

AWGからの信号はCurrent Buffer Ampで電流を検出したあとにReffernce Planeに

検出用同軸ケーブルとともにロー・インダクタンスになるよう充分な面積を確保して半田付けしています。

最短で配置した理由はAWGのリターンが電圧検出用増幅器とコモンモードが生じないように配慮した結果です。

グランド・プレーンも分離しました。

何度も組み直しているので銅箔は汚れてしまいました。

2low_impedance_analyzer_rev11

入力短絡の実験風景と実測値です。

初めはDigilent社の BNC基板を使用して測定していました。

途中でDigilent社の BNC基板はCh.1とCh.2のグランドとAWGのグランドが接続されている事を思い出しました。

以前創っておいたBNC基板は差動増幅仕様になっていましたので試したところ

大変に良い結果が得られました。

回路内でのコモン・モードを最終的に低減できたと考えています。

入力の短絡は単純にリード線でショートしただけでは誘導を受けます。

リード線がループ・アンテナになります。

測定結果の100uVは入力換算で1uVです！

3rev11_short

ここまで読んで頂いて2本の同軸はどのようになっているか疑問に思われたのではないでしょうか。

同軸ケーブルはRG316/Uを選択しました。理由は絶縁体がテフロンで熱に強い事と

シールド網組が密な事です。

もし入手可能であればもっと細い同軸の方がシールドからはみ出させる芯線を接続したときにループが小さくなるので良いと考えます。

しかし何度も半田付けを繰り返すので単線は避けると良いと思います。

2本の同軸は下図のように処理しました。

シールドからはみ出させた2mmの先端はループが最少になるように半田付けします。

同軸が細い程良い理由はここにあります。

細い同軸程芯線を接続した時のループを小さく出来るからです。

4low_inductance_coaxal_fixture

ここまで残留インダクタンスを小さくしてもAnalog Discoveryは10MHzまでしか測定できませんので

測定できるMLCCは1uF以下です......この項はこれにて終了します。

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DC Blocking Filter for AD797 60db Amp

April 16, 2018, 6:59 pm
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AD797 60db Amplifierで

例えば電源のノイズを測定したいときにはDC Blocking Filterが必要になります。

AD797 60db Ampの入力抵抗は１００KΩが接続されています。
この状態で単純にCカップルしただけでは１００KΩ の熱雑音がおおいに影響します。
電源のインピーダンスは１Ω以下と思われますので１０００倍の１KΩを入力抵抗としました。
とはいっても基板の抵抗はそのままでシミレーションの回路をケースに入れて組みます。
基板の１００KΩとDC Block回路の1KΩが並列接続されることになります。
そして測定時には電源の低インピーダンスでシャントされることになります。
シミレーション回路でのBlock Capacitorは10u,100u,300uです。
1Hzは確保したいと思いますのでその時は３０0uF以上が必要ということがわかります。
*
実際はR１にスイッチを並列接続します。
測定前まではスイッチでAD797の入力を短絡しておきます。
入力を被測定電源等に接続してから充分にC１が充電されるまでおおよそ１０秒以上待ちます。
そのごおもむろにスイッチを解放にして測定開始です。
Block Capacitorはリーク電流の少ないフイルム系が最適ですが
１０uFを３０個揃えるとかなり高価になります。
当方はストックの湿式のタンタルコンデンサ４７uFを７個並列接続して
極性切替スイッチで逆極性接続に注意して使っています。
AD797 60db Ampは性能優先で入力に保護回路はないので注意が必要です。
上の約束事を守ればAD797を壊す事は無いと思いますがあくまでも自己責任で.......
電解コンデンサは漏洩電流が大きいので使用しないほうが良いと思います。
カーブは左から300u,100u,10uです。

20180415_164721

１KΩの雑音電圧密度は4.07nV√Hzです。

カップリング・キャパシタの容量でのHPF出力雑音のシミレーション。

３００uFと１KΩはよい組み合わせだと思います。

20180415_194036_2

参考回路

ポリスイッチは使用していません。

20180417_085137

ハーメチック・タンタルコンデンサ  47uFx7=329uF

フイルム・キャパシタ　１uF  合計３３０uF

20160416_001308

一台作っておくと便利に使えると思います。

20160419_120205

このようにして使用しています。

20180417_091808

おわり

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AD797 ４並列　プリアンプ

April 17, 2018, 7:03 am
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AD797 60db Amplifierのノイズは実測で０．９６nV/√Hzでした。

これにAD797を４並列でG=5のプリ・アンプを接続してみました。
ノイズは１/（√並列数）になりますので1/√４=1/2になるはずです。
実測で０．４６９nV/√HzでAD797が一個の約１/2になりました。
**********************測定*****************************
１００KHzLPFを介した５０００倍アンプの出力は７１０uVrmsでした。
７２０uV➗５０００＝144nV(入力換算）
144nV➗√100KHz＝０.45nV/√Hz　（１Hz)
LPF係数1.03x０.45nV/√Hz　=0.469nV/√Hz

20180417_193004

LPF係数について

理想はレンガの壁のように直角なフィルタですがこれは実現不可能です。

LPF の次数によって肩特性が異なります。

次数が１は６db/octなので４次は２４db/octになります。

次数が１は20db/decなので４次は80db/decになります。

6db/oct=20db/dec

オクターブは周波数が２倍を示します。

ディケードは周波数が１０倍を示します。

肩特性の違いでノイズレベルに差異が生じることは

下記グラフからなんとなく判る気がしませんか。

20180417_130635

とりあえずの結論として
バタワース特性の場合は以下の係数(k)を乗じます。

次数　 　減衰傾度　 　k　　 　 減衰傾度

  １　     -6db/oct     1.57     -20db.dec

  2        -12db/oct    1.11     -40db/dec

  3        -18db/oct    1.05     -60db/dec

  4        -24db/oct    1.03     -80db/dec

*********************************************************

係数をもう少し詳しく理解するために当方の説明より

「The Art of Analog Circuit」の藤原さまのHPから引用させていただきました。

直感的により理解しやすいいグラフを示してくれています。

赤と青の面積が同じになる周波数と−３db周波数は異なります。

-----------------------------------------------------------------------------

20180417_205742

------------------------LPF係数のまとめ-------------------------------------
RMSメータで測定した値は測定フィルタの補正値を乗じます。
これは意外と知られていないと思いますのであえて引用を加えて説明しました。

************************************************************
次はAnalog Discoveryでスペクトラム観測です。
ダイキャスト・ケースには４個のAD797が実装されています。

20180417_182922

データ収集は１０Hz〜１００KHzの範囲で窓関数はRectanglarにしました。

20180417_182200

測定データはエクセルにエクポートして

RBW（１．２２Hz),Rectangular（補正値＝１/√０．８８）、G=5000の処理をしたグラフです。

１０Ωの熱雑音は0.398nV/√Hz（計算値）

AD797_Paraは０．４６９nV/√Hz（実測値）

上記の二乗和平方根は０．６１６nV/√Hz

***********センターライン：１e-9=1nV******************

赤色が入力短絡で０．６５nV/√Hz＠1KHz

青色は１０Ωの抵抗で０．９nV/√Hz＠1KHzと測定されました。

ホワイトノイズは理論値通り低減されていて１nVを切るカーブは美しいです。

それよりも1/f領域が劇的に改善されていることに驚きました。

５０Hzおよびその高調波を除去するためにはファラデー・シールドが必要です。

20180417_182222

AD797 ４_Parallel　 G=5 Pri Amplifier

20180417_215617

LT3042でのSuper Low Noise +/-５V電源　for AD797 4_parallel Pri Amprifier.

ツマミに埋め込んだ青色LEDは良い雰囲気でした。

20180417_215915

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ADA4898 20_paralles ( 40db Super Low Noise Pri Amplifier)

April 19, 2018, 6:01 am
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20180419_211738

ADA4898-2は２回路入りを１０個使用して２０パラのLTspiceです。

ゲインは４０db（１００倍）です。

20180419_212618

G=４０dbでの帯域は９１５KHz(-3db)でした。

20180419_213354

ノイズは２２nV/√Hz÷Gain(１００)＝２２０pV/√Hz@100KHzでした。

20180419_212731ご希望があれば基板化して頒布いたしますのでご連絡ください。

20180419_221558

G=20dbでの周波数特性は3.79MHz(-3db)でした。

20180419_215517

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Linear Technology AN159

April 19, 2018, 11:33 pm
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副題が「The Quest for Quiet」という

Measuring 2nV/√Hz Noise and 120dB Supply Rejection on Linear Regulators

THAT300を並列接続してノイズの低減化を図っています。

回路図のフロント部をLTspiceしてみました。

100Ωx4(=25Ω)でサミングされたゲインは100Ω/25Ωで4倍になり

前段のゲインは25倍なのでトータルで100倍(40db)になっています。

20180420_145555

20180420_142228

このノイズは電源電圧が+/-15の時です。

AN159の回路と同じ電源電圧を+/-4.5Vすると663pV/√Hzでした。

低域で波打っているのは出力の330uFで形成されるHPF(約10Hz)の影響です。

10Hzのピークを除けばゲインは100倍なので

入力換算で500pV/√Hzをかろうじて切っているということになります

20180420_145657

AN159での実測データを拝借しました。

周波数軸に注意して比較してください。

平坦部分は500pV/√Hzラインです。

20180420_150638


入力換算で500pV/√H以下の壁は厚いですね。

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BF862_12para ( 60db Low Noise Amplifier)

April 20, 2018, 10:15 pm
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Samuel Groner氏設計の

A low noise laboratory-grade measurement preampliferは現用で使用しています。

回路の理解を深める目的でシミレーションをしてみました。

オリジナルは８パラですが12パラでLTspiceしてみました。

定電流回路等オリジナル回路と異なります。

20180421_095514

.opでDCサーボが動作していることを確認した後に周波数特性をみてみました。
ゲイン６０dbで１Hzから１MHzまで伸びています。

20180421_094852

直流特性と交流特性が問題ないことを確認したのでノイズをみてみます。
ゲインが６０dbなので入力換算にすると
10Hz@1.9nV/√Hz
100Hz@654pV/√Hz
1KHz@356pV/√Hz
10KHz@307pV/√Hz
100KHz@301pV/√Hzという結果でした。

20180421_100543

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ブラウザ対応電子回路シミュレータ

April 24, 2018, 1:15 am
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インストール作業不要のブラウザで動作するシミュレータ２種。

１：ざわざわウエアズ

トップメニューはいたってシンプルです。

まずはアナログ電子回路シミュレータをクリックしてみてください。

OPA等のシンボルは右クリック（編集）で中身が表示されます。

Filter回路では実際に即したキャパシタを選択可能でとても親切です。

メニューの計算機がRUNボタンです。

20180424_162421

２：Paul Falstad’s Circuit Simulator Applet 

こちらはCircuitメニューにたくさんのサンプル回路が用意されていました。

部品にオン・マウスー右クリック(Edit)で定数を変更できます。

アニメーションは見ていて楽しいです。

20180424_162056

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Analog Equalizer for HD800

April 24, 2018, 7:12 am
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DIY-Audio-HeavenのKameleonから写真を引用します。

HD800のシールが貼られているサブ基板がエコライザーになります。
ヘッドフォンごとにエコライザーの定数が公開されていました。
そしてまたBefore Afterの周波数特性も公開されていました。

20180424_220147

カメレオンの目的はヘッドフォンの周波数特性を
聴感上好ましい周波数特性に補正してあげるということを目的としているらしいです。
しかしながら
人により好みが違うのでこれがベストかはわかりませんが
アナログで処理するアプローチに共鳴しました。
上の写真は

「kameleon_inline_filter.pdf」として公開されています。

またヘッドフォンごとのエコライザー定数はこちらで公開されています。
HD800の定数を拝借してLTspiceして見ました。
破線部が上の写真のサブ基板でHD800の補正値です。

20180424_222910

上の補正カーブを通してHD800を駆動すると下図の緑カーブのようになるらしい。

この補正カーブはHD800の僕の聴感上不満と思っていた領域と一致します。

この補正カーブでHD800を鳴らして見たくなりました。

*

20180424_211729

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Linkwitz CrossFeed Circuit

April 25, 2018, 6:37 am
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CrossFeedのオリジナル回路の出典元です。

************************Publications、Talks************************
正常な聴覚体験に対応しないチャンネル間の完全な分離を低減する
簡単な回路が記載されている。
この "スーパーステレオ"エフェクトは、最初は印象的でしたが
しばらくすると非常に疲れました。
******************************************************************
と開発者のLinkwitz氏は言っていますが
スピーカでの再生環境をヘッドフォンで少しでも近づけたいとの思いから
色々な定数でのXfeedが世に出ていると思います。
スピーカでは右スピーカの音は少しの時間遅れで左耳に到達しますが
ヘッドフォンでは完全に分離されていますのでそれを補おうという試みがXfeeedです。
20180425_213456

LTspiceして見ました。

RAのみ信号注入。

R9_C4のLPFを通過したのがRed Line

C3_R8のHPF通過したGreen Line

低域成分を積極的にクロス・トークさせているように見えます。

20180425_213913

A Memorial to the Grandfather of Headphone Enthusiasm

HeadWizeのPow Chu Moy氏の悲報を遅ればせながら知りました、合掌。

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LT4320+GS61008T（GaN)＿組立編

May 11, 2018, 5:42 pm
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ここの解析でGaNがLT4320基板で使えるかもしれないとのことから

BunpeiさんからLT4320基板にGaN Transistorを実装できないかと相談がありました。

＊
GaNはGS61008T-E01-MRを12個送っていただきました。
LT4320基板にGS61008Tを4個実装したのを２セット作ります。
4個は駄賃で頂戴しました（ありがとうございました）
GS61008Tは性能優先のユニークな形状をしていました。
左の写真は露出した放熱用ソース・パッドでここに電流は流してはいけないそうです。
右の写真でゲート端子は左右二箇所あるので配線時に融通が利きます。

20180512_080834

実装してみました。
ドレーンは基板に直付けしてソースは銅箔で配線しました。
GS61008Tのパッケージはロー・インダクタンスです。
銅箔は追加のインダクタンス成分を抑える目的です。
GS61008Tはゲート電圧に制限がありますのでツェナーダイオードで保護しています。
組み上げた後に500mA流した時のドロップ電圧は26mVでした。
Cool GaN_Transistor Bridgeの完成です。

20180512_082031

組み立て後にゲート電圧をチェックしようとしましたがスコープの不用意なプロービングで
LT3042を壊してしまいました。気をつけてください。
Analog Discoveryのオシロスコープを差動モードで測定すると良いと思いますが
試していません。
おわり
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LT4320+GS61008T(GaN)_LTspice(2)

May 15, 2018, 1:42 pm
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LT4320のアッパー・ゲートはフローテング・ドライブです。

出力キャパシタの容量と負荷電流でゲート波形が制御されているようです。

LTspiceでの備忘録として記しておきます。

入力電圧、出力キャパシタ、負荷抵抗は同一条件です。

出力キャパシタを10000uFにするとMOS FETとGaNは同じような結果になりました。

＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

LT4320＋MOS FET

20180516_050549

20180516_050624

LT4320+GaN

20180516_051024

20180516_051042

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Evans Hybrid Capacitor

May 16, 2018, 4:07 am
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 Bunpeiさんからの贈り物.......なんとも素敵なネーミングのキャパシタ

-------------------Evans Hybrid Capacitor--------------------------------------------

Villege Vangard のBill Evans 製ではありません。
軍用規格でキャタピラで踏んづけても？へこたれないキャパシタです。
写真はBunpeiさんのアドバイスに従って蓋を開けようと試みています。

20180516_151316

NTカッターの歯を楔にして打ち付け
数分の放置プレーで接着面は浮き上がってきました。

20180516_151333

内部は15900uFの Hybrid Capacitorが3個直列接続です。

20180516_151425エエポキシ部分はフライスで削りました。

途中の写真は

ここのところの4アイテム同時進行の作業で誤って消失してしまいました。

最終結果は15900uFを独立して使えるようにしてあります。

入出力コネクタの方向性はありません。

結線はケルビン・コネクションにしてあります。

20180516_193245

Evans Hybrid CapacitorのIZI 測定結果です。

上のカーブはオリジナルの3シリーズ接続で5300uFです。

中央のカーブは一個の特性で15900uFです。

下のカーブは3個を並列にして47700uFです。

数十kHz以上はインダクタンス成分の影響です。

とっても素直な特性で、素晴らしいと思いました。

この特性はパワフルな空気感溢れる重低音を奏でてくれると勝手に想像しています。

また濁り感のない低音域の再生によって高音域はより引き立つと思います。

20180516_145253


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LT4320+GS61008T(GaN)_LTspice(3)

May 16, 2018, 4:52 am
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負荷電流によるLT4320アッパー・サイド・ゲート電圧の挙動。

20180516_142356

20180516_142940

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LT4320＋GS61008P（基板設計）

May 24, 2018, 3:25 pm
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GS61008Tは入手難との情報でGS61008Pで基板設計してみました。

外形寸法は33mmで四隅の取り付け穴はφ3です。

入出力も同じくφ3にしてあります。

GaNの放熱用Sourceは下図では丸穴ですが長穴にして半田面から半田を流し込みます。

DrainとSourceはレジストを外形より大きくしてあります。

GateおよびSSはR3およびZDのパターンを熱して半田付けします。

それぞれにビアを打って補強としました。

SSのパターンは浮いていますがGaN内部のSourceにケルルビン接続されています。

半田面の　C1~C4の実装は自由です。

基本性能優先で入出力保護用TVSが必要な時は外付けです。

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この日曜日に最終チェックをして発注する予定です。

ご意見ご要望があれば反映させますのでよろしくお願いします。

20180524_152317

20180524_152344

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LT4320＋GS61008P（回路図）

June 5, 2018, 4:21 am
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ZDの電圧はmax.7Vを超えないように6.2V＋/ー2.5％を採用予定。

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LT4320(MSOP)+GS61008P ＆ more

June 6, 2018, 7:54 am
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DD Package(DFN) は端子ピッチが0.5mmです。

MSE Package(MSOP)は0.65mmピッチなのでDIY Userに優しい。

ということで基板化してみました。

20180606_231655

オン抵抗 は15mΩですがGaNで使えそうな奴がもう一つあります、GS61004B。

20180606_231850

親亀子亀で端子台を装備したアダプター基板。

基板裏側にはTVSを実装できます。

上図とスケールが違いますが中にある4個の穴の寸法は同じです。

ビアがたくさんあるのは自然対流での放熱を促すためです。

副産物としてパターンのインピーダンスを下げられます。

通電確認用の　LEDも配置してみました。

20180606_232025

この時間か早朝ににならないとブログをアップできなくなりご不便をおかけしています。

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LT4320(DFN)+GS61008P　PCB

June 8, 2018, 5:22 am
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GaN Transistor :GS61008Pの入荷待ち。

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LT4320(MSOP)＋MOSFET PCB

June 8, 2018, 6:01 am
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　MOS_FETバージョン（（RJK0328DPB-01）は基板を新規作成。

PCBサイズはGaNバージョンと同じ大きさにしてみました。

20180608_211814

MOS FET(Red) vs GaN(Green)

MSOP vs DFN

20180608_211452

まだ通電試験をしていません。

GaNが入荷しましたら一緒に評価したいと考えています。

蛇足ながらアートワークのコーナーは全て曲線で処理しています。

ラグ板は5mmのスペーサで浮かして実装しています。

基板とスペーサの間には菊座ワッシャーを入れています。

最終的な配線は基板に直接半田付けが良いと考えます。

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LT4320＋GS61008P（完成）

June 13, 2018, 6:01 am
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トランスの10VタップをPCBに入力

PCBの出力はキャパシタを通した後に電子負荷に接続して1A の負荷電流としました。

製作した13枚の基板を下図のジグで検査し

リップル電圧および周波数が同じであることを確認しました。

上記条件での基板の発熱は皆無でした。

LT4320でGaNをドライブするということに　Bunpei氏は謙虚で情熱的でした。

この基板の著作権は　Bunpei氏に帰属し、当ブログで新規頒布は行わない予定です。

ご了承ください。

20180613_191316_2

この写真ではわかりませんがGaNの黒は漆喰のような艶で

レーザー刻印と違ってシルク印刷のロゴと品番は美しいです。

20180613_160915

GaNの放熱パッドは楕円スルーホールで.................

パターンのコーナーは全てR処理してあります。

RFI対策用のキャパシタを実装できるようにパッドを設けてあります。

20180613_161001

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