計測用、差動プリアンプの製作

はてブ数 2012/04/25電子::その他

オシロスコープで電源ノイズを測ろうとすると、色々と問題があります。

  • オシロのフロアノイズのために5mVppぐらいまでしか測定できない。
  • DCDC回路等を測ろうとすると、パルス性の高周波ノイズ(同相ノイズ)が回りこむためまともに測定できない。

同相ノイズ対策として「差動プローブ」というものが市販されていますがオシロスコープが買えてしまうぐらい高いため困っていました。

もっと安価に、お手軽に測定するための差動プリアンプを製作しました。

設計方針

差動プローブと同じものをと考えると結局コストに跳ね返るので、ある程度割りきって作りました。

  • 入力インピーダンスは1KΩないしは10KΩにする。
  • カップリングコンデンサを置いてAC専用にする。
  • 電池駆動(単4×4本)にする。

この割り切りをすることで、コストを抑えたままSNR等の性能をある確保することができます。

  • 帯域幅は100MHz以上(下は20Hz以下)
  • ゲインは 40dB(100倍)

100MHzのsin発生器がないため確認はしていませんが、データシートを見ての設計上は確保したつもりです。

回路図と部品

diff-pre-amp.png


部品番号部品備考
U1LTC64051完全差動オペアンプ(900MHz,1600V/us)
U2LMH66291ローノイズ高速オペアンプ(800MHz, 690V/us)
R1-2,R7-R9高精度金属抵抗 1KΩ 0.5%5LGMFS25-102D
R3-R4高精度金属抵抗 10KΩ 0.5%2LGMFS25-103D
R5-R6高精度金属抵抗 100Ω 0.5%2LGMFS25-101D
C1,C2OS-CON SEPC 6.3V/1500uF26SEPC1500M
C11,C12無極性電解コンデンサ 22uF(10uF)2ECE-A1VN220U等
C21-C24PSチップフィルム 0.1uF4ECP-U1C104MA5
C31-C34PPSチップフィルム 0.01uF4ECH-U1C103GX5
C41-C44PPSチップフィルム 1nF(1000pF)4ECH-U1C102GX5
SW12回路電源スイッチ1100DP1T2B4M6QE等
J1ターミナルブロック3P(縦)1秋月のTB112-2
J2BNCコネクタ10731000131
  • R3,R4は0.1%高精度抵抗(MFP-25BRD52-10K)に変更するとCMRRが上昇します。

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2009/01/28(水)超低消費電力なメモ

超低消費電力アプリケーションのためのデバイス選択メモ。

MPU

MSP430F54xx

16bitマイコンながら、恐ろしいまでの低消費電力。今現在、この右に出るデバイスはない。180uA@1MHzで、その他徹底した低消費電力対策がされている。ADC, RTC, SPI等々内臓。内部にレギュレータを内蔵しているようで、供給電圧に関わらずコア電圧は1.8Vで動く模様。

1万円出せば標準デバッガ(JTAGツール)が購入でき、Cの統合開発環境(MSP-CCE430/Eclipsベース)が利用できる。コードサイズ16KBまで無償で利用できるため大抵は間に合ってしまう*1。オンラインでCソースレベルデバッグが可能で、これを知ってしまうとPICでちまちまアセンブラを書くのがあほらしくなってくる。命令コードはC言語に最適化されている。*2

ZigBeeや無線タグなどを強く意識した製品シリーズ。1命令サイクル=1クロック

*1 : 製品版を買っても7万円なので良心的

*2 : アセンブラで利用しても比較的素直な命令セットなのでそんなに不便ではない。

DCDC

LTC1878

降圧型高効率DCDCコンバータ。データシートによれば1mA以下でも80%程度の変換効率を持つ*3

コイル外付け。動作電流10uA。2.65~6Vで動作。

*3 : 一般に高効率DCDCコンバータと呼ばれるICは、1mA以下の低消費電流領域では効率が著しく低下する

電圧レギュレーター

TPS797xxTPS782xx

TIの超低消費電流(<1.2uA)レギュレータ。後者はTI自らMSP430用を謳っている。TPS797xxとTPS782xxを両方使い分けると、1.8V~3.3Vまで一通りの電圧がそろう。

最大入力電圧5.5V。

パワースイッチ

FPF1004-1006

Hiサイドパワースイッチ。MOS-FETとMOS-FETドライバを一体にした電源スイッチ。1.2~5.5Vで動作し、50~250mΩといった低いON抵抗、動作電流/シャットダウン電流共に1uA以下、ターンオン時間10us(0.1uF)といった驚異的なスペック。

スイッチデバイスは低消費電力アプリケーションでどうしても電力を食うもの(MicroSDカードとかDACとか)を動作させる必要があるとき、非使用時に電源を切断する目的で使用します。

加速度センサー

ADXL330

180uA@1.8Vのセンサー。Wiiでも使われている加速度センサー。アナログ出力。ADXL345というデジタル接続のより低消費電力のセンサーもありますが、また入手できません。


1.8V駆動じゃないと消費電流が増えるので注意。


メモ

これらをごにょごにょって組み合わせると、個人レベルでも驚異的な低消費電力アプリケーションが作れます。


もっといいデバイスがあったら教えてください。

2009/01/08(木)テクトロのアナログオシロ

テクトロの400MHz帯域のアナログオシロを使うようになったのですが、2mVレンジ(1:10プローブならば20mV)で表示すると結構なノイズが……。

2466B-01.jpg

入力切替でGNDにしてあります。きっとコンデンサの経年劣化と勝手に思い込み分解。

2466B-02.jpg
2466B-02-2.jpg

中央部左にあるプリアンプ電源の電解コンデンサを変えてみました。*1

2466B-03.jpg

……変わらなかった(爆)

そもそも、400MHzも帯域があるから高周波ノイズの回りこみが激しいのと、プリアンプユニット(分解しましたが封印済でした)の作られた年代からして(1990年とからしい)、この帯域ではこれぐらいのノイズレベルが限界なんでしょうか? <help me

以前使っていた日立のアナログ・デジタル混在オシロ(100MHz帯域。デジタルはおまけ程度)ではこんなことはなかったのですが。そういえば、入力ユニットからプリアンプへの回路に普通のカーボン抵抗が使われているのが気になると言えば気になる。*2

*1 : 入力ユニットではなく、プリアンプ段での問題であることは、プリアンプ入力をGNDに落としてもノイズが乗ることから確認。

*2 : 修理の跡? 抵抗の熱雑音から言って金皮じゃなくていいのかなあ…

後日談

2466B-04.jpg

20MHzの帯域制限をかけたら普通に表示されたのでした。でも20MHzじゃなあ……。

2008/06/04(水)最近読んでる面白いブログと近況

電子工作、エレクトロニクスの寄り道

抵抗の雑音特性を計ろうとしている方のブログです。

抵抗には低周波(1/√HZに比例する)で発生するフリッカ雑音というものがあり、抵抗体の材質によって異なります。抵抗による音の差はこの辺と関係しているのではないかと思ってますが、それを探求されています。

雑音考察の記事が非常に面白いです。古い記事に、詳しいお話が載っていてとても勉強になります。

Beginer Of Eternity (司の奮戦記)

オペアンプを調べていたら見つけました。ひたらすオペアンプの音質評価をされています。技術者のようで、信憑性がありそうです。評価回路図が載っていないのがちょっと残念ですけど、自分よりも耳がいいらしく色々と参考になります。

評価回路図を掲載してくださいました。感謝。

近況(最近考えてること)

ずっと気になっているのは、抵抗やオペアンプによる音質の違いの正体。

どうやらフリッカ雑音ではないかと思い始めています。ただし、フリッカ雑音が直接的に影響している(直接フリッカ雑音により音質が劣化している)とは考えてません。人間の耳は超鈍感ですので、そのレベルの雑音があっても分かりません。

フリッカ雑音は(一定電圧をかける等)定常状態に対して定義されています。しかしながら、この雑音の要因となるものは「信号の変動(電流変動)」に対してそれに比例した何らかのノイズを出すのではないかと思います。入力対してノイズを出すため信号を元歪めてしまう。

以上は仮説です。フリッカ雑音を直接測定するのも面白いとは思いますが、過渡応答特性を直接測定すれば差が出そうだなと考えています。そのためには測定系(再生装置と録音装置)が極力歪まないことが大前提になるので、測定出来ない今は耳で確認するしかないという。

聞き比べとか

DAC(U55SX, Prodigy192VE)もあれから色々いじってて、再生能力が上がり続けています。そのうち「これ以上差なんてわからん」というポイントに達するかと思ったのですが、まだのようです。

辛いのはオペアンプの聞き比べ。あの回路で比べる限り音質良すぎてよく分かりません(笑)。誰か耳のいい人、代わりに聞き比べてみませんか? むしろあのランク付けに否定的な見解が(あまり)出ないのが不思議です。オペアンプ音質比較キットとか出したら、みんな聞き比べてくれないかな(苦笑)*1

抵抗はNS-2Bで(値段はともかく)決着。直結状態という正解があるから、非常に評価しやすい。その点オペアンプは基準がないので評価が難しい、難しい。でも、LM6172で満足しててはダメそうなので、もうすこし探してみます。

*1 : 中点バランス抵抗嫌いだから006P×2かな