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Channel: アナログ回路のおもちゃ箱
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Diode SPICE parameters

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LEDのノイズ解析をSimulatorで出来ないものかと考え

LEDのスパイス・モデルを探したところ
RohmでChip LEDのスパイス・モデルがありました。
しかし、必要なKF値はありませんでした。
IKFは別物。
LEDのノイズは実測してからスパイス・モデルに反映させるしか無さそうです。
以下はWEBでの資料を元に自分用に作りました。参考迄....

20150612_223815

閑話休題

LEDのノイズ解析でWEBを徘徊していたら

Qucs(Quite Universal Circuit Simulator)

というマルチOSで走るOpen Source Simulatorを知りました。

http://qucs.sourceforge.net/

ちょこっと例題をシミュレーションしてみました。

GUIがナイスなスパイスですがとても奥が深いです。

Help Menuには例題に関しての詳細がありました。

20150612_165250

LEDを基準電圧に使うというお題目が深みに入っているが納得する結果はまだ得られていない。

MultiSim,TINA TI,LT Spice,SIMetrix,MacSpice & Qucs.

Spice Modelの追加はSIMetrixが信じられないくらい簡単!

*

知りたい事一杯、知らない事一杯。

しばしシミュレータから離れて半田コテを使おうと思う?


LEDのKF値

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Rohm SML-D12U8W ChipLED のspice modelには記載されていないKF値をモデルに追加して試してみました。

KF値は上から順番に1e-3,1e-6,defaultです。

20150613_094258

試験回路

20150613_095008

設定画面

最後の行に追加しました。

いつでもデフォルトに戻せるので便利です。

20150613_095531

抵抗Rのノイズ電圧=√(4 kTR⊿f)

What is nV/√Hz Noise?

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データシートに良く出てくる電圧スペクトラム密度nV/√Hzの由来を調べてみました。

Eq1~3の式はまだ理解できていませんがE=V/√Hzが導き出されています。

出典はDesign Newsです。

注:small v=√

*

20150616_223317

FFTでTridentのNoise測定

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Twisted Pear AudioのTridentはBuffaloに特化したShunt Regulatorですが

興味があって購入してから随分と時間が経ちました。

仕様はIout:max.100mA,Vin max.:6.5V,Vout 3.3V+/-1%(25℃)。
ManualはComming Soon状態で詳細は不明です。
CCSは標準の状態で74mAでした。外付け抵抗で100mAに設定可能だそうです。
Tridentのシンメトリカルな基板は美しい!
アナログ回路の美しさは性能に比例すると思う。
さてと
Low NoiseのLDOはTPS7A4700,ADM7151との比較をしてみます。
デモ・ボードの出力電圧を3.3Vに設定し3種類のノイズ比較です。

1ldo_3pcs

入力電源は実験用電源とバッテリ駆動で行い、その違いも観測してみます。

ロー・ノイズなデバイス達に敬意を表して

50Hzの誘導や外乱を排除する為にシールドボックスにいれます。

負荷電流は10mAで
負荷抵抗の出力に60dbのLow Noise Ampを介してのFFT表示です。

2test_jig

測定結果です。

Tridentのバッテリ駆動時は100Hz以下のノイズがLDOより優れていました!

しかし
実験用電源(Tektronix CPS250)を接続するとCPS250のノイズに比例している結果でした。(RED)。

LDOは2種類ともに実験用電源でもバッテリ駆動でもほぼ同じでした。

今回の測定では入出力にコンデンサーは追加していません。

バッテリ駆動時に50Hzとその高調波を低減させる為にバッテリ・ボックスの
位置、角度を調整しました。

縦軸のレベルは60db Ampを介していますので-100dbラインは-160dbになります。

-160dbは10Vを基準とすると100nVに相当します。

バッテリ・ボックスはシールドしていますが微弱な磁界検出器状態でした。

3ldo_noise_fft_2

3種類ともに素のままの状態でしたが
それぞれにチューン・ナップの余地はありそうです。

Trident V3.0 Step Responceの測定

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Trident V3.0,TPS7A4700とADM7151のステップ・レスポンスを観察してみました。

出力電流は常時10mA流してパルス入力で40mAをステップ通電しました。
スコープは3機種とも同じスケールですので直感的に比較できます。
Tridentは治具で発振しましたので100uFを出力に追加しました。
TPS7A4700とADM7151はデモ・ボードのままです。
*
Shunt Regulatorのステップ・レスポンスは初めて観察しました。
Shunt Regulatorなので抵抗のレスポンスです。
Shunt Regulatorが好まれるのはこのような応答のせいかも知れません。
*
ステップ波形の立ち上がり、立ち下がり時間を変えての挙動に興味がわいてきました。
*
入力電圧:5V
パルス入力周波数:10KHz
上部:治具の電流検出用抵抗0.1Ωのモニター波形
下部:レギュレータの出力波形

20150620_141314

20150620_141410

20150620_141341

測定風景です。

治具はJim Williams著「Linear Tecnology Application Note 104」

を参考に以前製作したものです。

Load Transient Response Testing for Voltage Regulators

DC Biasはオリジナルでは外部から供給していますが
本機では基準電圧を内蔵させて10回転のポットで可変出来るようにしてあり

単体では電子負荷として使用できますので便利かと思います。

20150620_141141

Noise Measurements : ADM7151 vs Trident V3.0

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キャパシタを追加してADM7151 DEMOボードとTrident Shunt Regulatorとのノイズを比較してみました。

Tridentには出力に100uF/6.3VのOS Conを追加しました。
Tridentの基準電圧は緑チップLEDです。LPF Capを追加してみましたがノイズに劇的な?変化は見受けられませんでした。
多分にCCS部とオペアンプのノイズが支配的になっていると考えられます。

20150623_193402_2

ADM7151はキャパシタを増やす程、1/f領域を改善できるようなので
写真のように追加してみました。
入力のキャパシタは過渡応答を評価する時のもので今回のノイズ測定には影響しません(バッテリ−駆動)

Adm7151

上記条件でのFFT結果です。
FFT Analyzerの入力には例によって60dbのアンプをかましてありますので
-100dbラインは-160dbになります。
両方ともにナイスなスペクトラムです。

Fft

上記条件でRMS値とp-p値も観測してみました。
すべて同一レンジです。
左が60dbアンプ入力終端ノイズです。
中央がADM7151でスコープでのp-p値はプリアンプのノイズに埋もれてしまうくらい小さいです。
Tridentは比較すると若干多めのノイズとなりました。
スコープの縦軸は5uV/div.
UA-1Sの周波数特性:20Hz〜150KHz
60db Ampの周波数特性:10Hz〜100KHz
写真では見えませんがUA-1Sのレンジは-50db(3mV)レンジです。
60dbアンプを通してありますので読みは3uV Full Scaleになります。

20150623_184008_2

負荷電流は10mAで測定しました。
Let's Enjoy

昨日はLTspiceのセミナーへ。

お土産はポストイットでした。
過渡応答のシミュレーション方法を知りたかったのでとても勉強になりました。
20150623_155206_2
講師は渋谷道雄さんという方で「LTspiceで学ぶ電子回路」の著者でした。
帰りに書泉グランデの秋葉原店によったら[最後の一冊が先ほど売れました]!
CQ出版社コーナーでの立ち読みに夢中で、無為に時間を費やした結果でした。
順序がちがうだろう、と自問しながら帰ってきました。
閑話休題
MACでのLTSpiceは64bitで動作しているので解析が早いとの事。
WINは32bit,マルチスレッド対応。
今回の目的であった
過渡応答のパルスの立ち上がり、立ち下がり時間の設定は100nSが標準との事でした。
データシートの実測環境においてはどうか質問したところ
上記数値が業界標準との事でした。....これが知りたかった!
しかし、すこし疑問が残るので
これについてはおりをみて各メーカに問い合わせしたいと思う。

Variable tr&tf:Step Responce

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LDOのStep Responceを測定する際にパルスの立上り、立下り時間がキーになります。

それらを変化させた時の挙動を観測する為の治具を作りたいと考えました。
MOS FETの入力に可変抵抗器を接続しゲート容量を充電する時間をコントロールします。
MOS FETのゲート容量は数千pFありますので高速充電の為のドライバが必要になります。
シミュレーション結果です。
ボリュームが最小時で負荷電流1Aの出力レスポンスです。
タイムベースは100nS/div.です。
tr、tfともに100nS以下になっています。

20150625_123204

ボリュームが最大時で負荷電流1Aの出力レスポンスです。
タイムベースは10uS/div.です。
PNP側の引きが弱いのでシンメトリカルになりません。
ボリュームで調整する事になりますが不便は無いと考えます。

20150625_123345

ZXT690BK、ZXT790AKは自作レギュレータを製作する目的でストックしてありました。
このトランジスターはVsatが非常に小さいです。(ZXT690BK:77mΩ,ZXT790AK:83mΩ)
MOS FETはアキ扱いの中からON抵抗が小さいもの(1.8mΩ)を選択しました。
3種類のスパイス・モデルをDLしてのシミレーションでした。
LTspiceの講習を受けたのですが...この手はMultiSimの方が直感的でよいです。

*******

トランジスタのベース抵抗を個別にして最適化してみました。

ボリューム最小時のTurn ON delay,Turn OFF delayとPNPのスピードも改善されました。
tfは100nSのDelayで60nS
trは73nS のDelayで60nS
ボリューム最小値ではシンメトリカルな応答になりました。
20150625_161109_3
PNP Transistorのベース電流値がきになったので
確認の為にPNP Transistorのベース電流とコレクタ電流を観測してみました。
ベース電流のピークは約50mA,コレクタ−電流のピークは約300mAでした。
ZXT790AK Absolute Max : Ib=500mA Ic=3000mA
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MOS FET Switching:Trace Inductance

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MOS FETをスイッチング素子として使用した場合の配線インダクタンスの影響をシミレーションしてみました。

回路図においてS1,S2,S3をOFFさせてインダクタンスを挿入しました。

20150626_152151

結果は下図のようになりMOS FETのDrain配線の影響が確認できました。
駆動回路のグランドとMOS FETのSourceも最短距離にする必要があります。

基礎の復習:VL=L*di/dt(インダクターの両端に発生する電圧)

20150626_152122

上記グラフの右軸(for Red line)は-2VがGNDになり1V/div.です。

TPS7A4700 評価ボードのStep Responce

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レギュレータのステップ・レスポンスにおいてパルスのtr,tfを変化させた時の
出力レスポンスを観測してみました。

駆動回路は前回シミュレートした回路を組上げました。
周期は100mSでパルス幅は120uSです。
スコープのスケールは全て同一でHorizontal:20uS/div.
Upper:Vertical:1mV/div. 電流波形:Vertical:2mV/div.  
Lower:Vertical:5V/div.
TPS7A4700 評価ボードの出力は内蔵のセラミック・キャップのみです。
負荷電流は約8mAを常時流しておいて約50mAをスイッチしています。
*
治具が異なると収集波形も異なっていました。
これについて追試してみようと思います。
今回は応答波形がステップ入力パルスのtr,tf でどのように出力されるかという事に的をおきます。
tr,tfが約100nS時の応答波形20150703_170013
tr,tfが約5uS時の応答波形
100nSから5uSまで可変していくと出力振幅は遅延しなら徐々に小さくなっていき下図のようになりました。

20150703_202225

tr,tfが約100nS時の電流波形

(MOSFETスイッチのソースに100mΩのシャント抵抗器を追加しその電圧をモニター)

20150703_165949

tr,tfが約5uS時の電流波形

20150703_165928

TPS7A4700 評価ボードの出力にLow ESR 1500uF/6Vを接続
手持ちの色々なキャパシタを試してみましたが固体アルミ電解が良い結果でした。

20150703_202306

20150703_202249

雑感

LDOにもよると思いますが

もう少し大きな差がでると予想していましたので意外な結果でした。

20150703_170700

参考資料:TI

1.AN-1733 Load Transient Testing Simplified

2.High-Speed Load / Line Transient Jigs and App Report for Testing Fast Response POL Regulators

この図はAN-1799からの引用ですがとても理解の助けになります。

20150703_195702

昨日はCadlusXの講習会へ。

お土産はLED調光基板、抵抗とLEDは付属無し!
この基板のネットリストからパターン設計するという内容だった。
Cadlusはユーザー・インターフェースが進歩していた。手動のベタの扱いがとても簡単、これは素晴らしい。
異種面付けは有償版のみだがP板.comで無償で面付けしてくれる。納期+1日。

20150703_192330

Op Amp Noise Plot

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Low Noise Op Ampを選択するにあたってノイズの視覚化を試みました。

斜めの線は抵抗の熱雑音です。
温度は25℃の他に-55℃と125℃をパラメータにし
抵抗は10,100,1K,10K,100K,1Mおよび10MΩをパラメータに
エクセルの散布図でLog-Logのグラフにしました。
散布図でないとLog-Logとして表示できないようです。
キャプチャーした図を下絵にしてイラストレータ上でプロットしました。
横軸のSource Resistanceはデータ・シートから1KHz時の
入力雑音電圧(en)と電流(in)を読み取りRs=en/inとしています。
縦軸はen値です。
OPAによって1KHzの仕様が無い時はデータシート上の(xxxKHz)で示してあります。
*
低雑音OPAを使う上で抵抗の熱雑音とのトレード・オフ点が見えてくると思います。
1KΩの熱雑音は25℃で約4nV/√Hzです。
右の固まりがFET入力OPAです。
摂氏とケルビン温度計はWikiから拝借しました。
参考にした資料はAnalog DevicesのApplication Note AN-940です。
興味を持たれた方はぜひAN-940を読んで下さい。
Let's Enjoy!

20150706_173824

下絵をpdfで欲しい方は

「op_amp_noise_plot.pdf」をダウンロード

してお気に入りのOPAをプロットして遊んでみて下さい!

nA=10e-9

pA=10e-12

fA=10e-15

20150706_181928_2

0.1Hz to 10Hz Noise Filter

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1/f Noise領域を測定したいと考えました。

TIのPrecision Designsに下図のようなDUTのOPAを1000倍増幅してから
0.1Hz to 10HzのBPFを通してOPAのノイズをスコープで観測するという意図の回路がありました。20150707_170731
BPFの回路はTI社に感謝しながらコピーしてDUTの部分を10倍のLow Noise Ampに変更してTotal Gain 60dbの測定治具にすればいいと考えました。
TIのPrecision Designsは懇切丁寧なドキュメントを公開しています。
*
初段に使用するOPAを選ぶ為にTINAでシミュレーションしたところ
NE5534Aが良い結果でした。
部品が揃ったら組み立ててみたいと思います。20150707_165807
今迄は下記の測定器でLDO等のノイズを観測していました。
10Hz以下の帯域を補う治具が出来そうです。
日本オーディオ:UA-1Sの周波数特性:20Hz〜150KHz
Jim Willams:60db Ampの周波数特性:10Hz〜100KHz

観測されたV-noise p-pはガウシアン分布(正規分布)

これの意味する事が少しづつながらわかってきた。

20150707_185506

20150707_183229

美しい!.....from WiKi

20150707_201525

0.1Hz to 10Hz Noise Filter 測定編

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DigiKeyからチップ抵抗が着弾。

全て薄膜抵抗をチョイス。注文時に部品No.を入力しておくと2個のチップ抵抗でも
タグをつけてくれるので大変に助かります。

20150709_204924

「0.1Hz to 10Hz Noise Filter」 組立完了。

7500pF(NP0)を注文し忘れて手持ちの4700pFと3300pFをパラって8000pF。

Gainは60dbにする予定を変更してGain=40db。

入出力のコネクターはLEMOコネクター。

赤基板はオリジナルのユニバーサル基板で裏面はベタアース仕様。

20150709_204854

早速に「0.1Hz to 10Hz Noise Filter」で3種類のレギュレータを測定。

横軸は20Sec/div.でFull Span 200秒です。

縦軸は50uV/div.でFull Span 400uVです。

20150709_210610

20150709_210626

20150709_210640

0.1Hz to 10Hz Noise Filter 測定編2

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先日の「0.1Hz to 10Hz Noise Filter 測定編」のデータは回路に不具合がありましたので改めて測定しました。

この領域は時間軸を長くしても最大ピークを観測する事は確率的に困難です。

しかしながら

時間軸をスコープの最大レンジでフル・スパン500秒のデータを収集してみました。

トリガリングして表示するまで結構な時間がかかります。

これらの波形に再現性はありませんが
0.1Hz to 10Hz Noiseはこんな案配に発生しているのだという雰囲気を味わっていただけれと思います。

フィルタ・ゲインは40db(100倍)なので縦軸は50uV/div.です。

ADM7150の場合:ピーク・カーソルの読みが27.325mV=273.25uVp-p

ADM7150評価ボード

Adm7150_3

TPS7A4700評価ボード

Tps4700_4_

Trident v3.0製品

Trident_3_

0.1Hz to 10Hz Filter(Jim Williams)

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Linear TechnologyのAN124

775 Nanovolt Noise Measurement for A Low Noise Voltage Reference

このノートの製作はかなりスキルが要求されテフロン・キャップの入手が最大の難関です。

Root-Sum-Square Correctionという0.1Hz to 10Hz Filterの回路があります。

LTspiceの勉強がてら特性をみてみました。

Rss

トップ部の拡大

Rss_2



0.1Hz to 10Hz Noise Filter (Histgram)

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ADM7150評価基板のヒストグラム(500秒)です。
スコープでトレンドを観測しても労する割には得られる情報は少ないですが
ヒストグラムにすると1/fの中味が見える気がします。

20150713_134006

トレンド・チャートは省略して1時間のヒストグラムを観測してみました。
観測時間が長いほど綺麗なガウシャン分布になりました。
TPSとADMは美しい裾野を描いています。

20150714_203603

20150714_205517

20150714_205611

LTspice

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LTspiceのセミナー参加は2度目です。

今回は東京エレクトロンデバイス社主催でした。
場所は横浜ベイクォーターのそばにある横浜イーストスクエアで
横浜駅から徒歩5分はこの暑い時には助かりました。
僕にとっては目から鱗の内容で、これで解説本もより理解できるようになりました。
お土産はロゴ入り4色マーカーペンでした。

Img_1870

PISO to SIPO Shift Registor

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並列入力直列出力のシフトレジスターでデータを送り
直列入力並列出力のシフトレジスターでデータを復元させます。

MultiSimのビジュアル表示は愉しいです。

20150724_201444

下図は64ビット分をシミュレーションした結果を表しています。

これはLogicWorks4というシミュレータソフトです。

20150724_181732

回路の詳細です。

クロックから64ビット分のシフト/ロードパルスをカウンターで生成します。

クロックで64ビットを送り終えるとシフト/ロードパルスはローレベルになります。

このエッジの反転信号でラッチさせて1サイクル終了です。

8ビットの倍数で任意にI/O拡張ができます。

8ビットの倍数でシフト/ロードパルスを作ってあげれば良い。

TTLの品番を失念し記憶を取り戻すのにちょいと時間を要しましたが

シンプルな回路構成になったと思います。

Hex Keyboardで値をかえるとHEX Displayに結果が反映されています。

20150724_181545

FINESSE VOLTAGE REGULATOR NOISE!

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diyAudioのReducing noise in voltage regulatorsというフォーラムで

FINESSE VOLTAGE REGULATOR NOISE!というホワイトペーパーがある事を知りました。
面白そうなのでLTSpiceで挙動を観測してみました。
この回路はノイズを反転増幅させてグランドにシャントするような動作をするようです。

20150728_172400

オリジナル回路定数での結果です。
上から順にOUTPUT、LM317OUT、LM317REFです。
LM317REFはマーカーとして入れてあります。

20150728_170217

8.2Ωを間違えて8.1Ωとしてしまいましたがさして変化はありませんでした。

20150728_170352

C2を大きくすると低域も改善できると考え1000uFにした結果です。

フリッカー領域まで改善されました。

20150728_171914

回路定数をいじってみました。

R7を15Ωから10Ω,R3を1KΩから470Ωに変更しています。

C2は1000uFです。

R6の値はシミレーションしていてクリチカルな事がわかりましたので
.step paramという覚えたて!のコマンドを使って変化させてみました。

6Ωから9Ωまで0.1Ωステップで変化させます。

20150728_171142

RUNさせるとOUTPUT描画は上から下へそして上へと変化しました。

ディップ点の抵抗値は7.4Ωでした。

オリジナルの定数では14db程の改善でしたが

200〜20KHz領域では60dbの改善結果です、ホント!?

20150728_171131

最終結果です。

参考:10Vを基準にした時のdb換算

-80db:1mV

-100db:100uV

-120dB:10uV

-140db:1uV

-160db:100nV

20150728_170817

20150728_170405

この回路のノイズは定数をトリミングした結果、非常に少なくなりました。
しかし
出力電流はせいぜい10〜20mAです。ノイズ検出抵抗器のR7による制限です。
負荷電流を流した状態でLT317の電圧を希望値に合わせ込むと良いと思います。
用途としては
負荷電流があまり変化しない回路向きと考えます。
後日回路を組んでシミュレーション結果とノイズを比べてみます。
WenzelのホワイトペーパーにはR7を小さくする手法も記されています。
興味のある方はご一読下さい。
R7の影響で予想通りの波形です。
出力に1000uFを接続して負荷電流を10mAから20mAに変化させています。

20150728_191648

*
7.4Ω付近をより細かくチューンナップする為に7.3Ωから7.5Ωを0.01Ωステップでスキャンしました。
さらに改善されたディップ点の抵抗値は7.39Ωでした。

20150728_193851

訂正:
LM317のADJ端子を回路図ではREFと記してありますがADJと置き換えて下さい。

FINESSE VOLTAGE REGULATOR NOISE! 回路組立測定

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回路を組み上げての実測風景です。
電源はラボ用のAC電源ではグランドから誘導がのる為にバッテリ−駆動で同軸ケーブル給電としました。
10Hz~100KHz 60dbのLow Noise Ampを接続します。

20150806_192658

回路構成はLT1763 -3.3VにClean-up回路を接続し出力電圧は3.3Vです。
抵抗値等はオリジナル回路(15V)から3.3V用に変更しています。
10Ωが挿入されていてもLT1763はセンス端子がありますので出力端に
センスを接続すると3.3Vが得られます。
出力電流は20mAなので10Ωでのドロップ電圧は200mVになります。
実測ではLT1763の出力は3.42V、最終出力電圧は3.22Vでした。
R3をトリミングした結果、ノイズ・リダクションは-28.7dbと優秀です。
注:この波形は1:1のプロ−ブでの1mVレンジでも測定できません。
*
スコープの電圧軸は同一スケールで20uV/div.です。
赤字はスコープの読みをアンプのゲインで割った値を上書きしました。

20150806_191849

参考迄にデーターシートからLT1763−5のノイズ波形です。
今回のBYPは1uFを使用しています。
LT1763のノイズはカタログ値で20uVrms(10Hz~100KHz)です。
実測では15uVrms(10Hz~100KHz)で
最終出力では0.6uVrms(10Hz~100KHz)でした!20150806_200017
0.1Hz〜10Hz 40db BPFを介してのヒストグラムです。

20150806_191816

R3はボリュームを追加してトリミングしました。

RMSメータでノイズが低くなるように調整します。

ブロードですがディップ点はありました。

20150806_192619

ノイズのクリーン・ナップは良い結果が得られました。
また静的な電圧はセンス回路が働いて10Ωのドロップ電圧は補正されています。
しかし出力インピーダンスが10Ωありますので必然的に過渡応答特性は良くありません。
消費電流があまり変化しない例えば発振回路等に適していると思います。
*2N4401は秋月扱い。
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