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2010年4月18日日曜日

【部品】MEMS Silicon Microphone

【Silicon Microphone:シリコン・マイクロフォン】
 シリコン・マイクとは何であろうか? これは半導体素子と同じように、シリコンの薄板(ウエファ)の上に微細加工で作ったマイクロフォンである。

 市販されているものは、写真のような形状をしている。 小さな穴が音響を取り込む部分である。 内部にはシリコンで作ったマイクエレメントとその出力を増幅するアンプが集積されている。

 マイクロフォンの形式としては「コンデンサ・マイク」である。コンデンサ・マイクは空気または真空を挟んだ2枚の薄板で構成されている。その電極板の間に直流電圧を与え電荷:Qを保持させておく。 音圧を与えると電極板の間隔が微小変化し、これはとりもなおさず電極間の静電容量:C(コンデンサの値)の変化を意味する。
 電極間の電圧:Vは、V=Q/Cであるから、Qは一定であってCが変化すれば電圧Vも変化することになる。 その微小電圧変化:ΔVがまさしく音声信号そのものである。 原理はいたってシンプルだ。(極板間で構成されるコンデンサCには高抵抗Rを通して電圧Vを加えてあるため、瞬時的な電荷Qの移動はなく一定と考える。逆に考えれば極板コンデンサと高抵抗Rの値で電気的な低域カットオフ周波数fLが決まってくる)

【Knowles SP0103N】
 これは、ノウルズ社のSP0103Nと言うシリコン・マイクロフォンの内部ブロック図である。

 左のマイクエレメントがシリコンのMEMS技術で作られたシリコン・マイク本体である。 電源端子に与えられたDC電圧からチャージポンプ式に高い電圧を作りマイクの電極板間に加えている。高い電圧とは言っても約11Vらしい。

 一般的なコンデンサマイクでは数10Vから100Vくらいの高い電圧を印加している。 シリコン・マイクがたったの11Vで済むのは対向する電極板の間隔がごく狭いからであろう。同時にアンプを直近に置くことでマイク出力が小さくても直ちに増幅すればS/Nの劣化を防げる。

 アンプはC-MOSアナログICだそうだ。極小マイクエレメントの静電容量は小さいのでアンプの入力インピーダンスは高いものが求められる。従ってMOS-FETのゲートで受けているのではないだろうか。 マイクで拾った音声信号はアンプで増幅され大きくなっている。また出力インピーダンスも低くなっているので誘導ハム(Hum)にも強い。扱いの感触は従来のエレクトレット・マイクと同じで良さそうだ。

 ずいぶん前からMEMS(メムス)技術(所謂マイクロマシン技術)を使うと、微小なマイクロフォンが作れるのではないかと思っていた。 これはシリコンの異方性エッチングと言う技術を使い非常に薄い膜(=ダイヤフラム)を作れるからだ。しかも半導体回路技術を使いアンプを含めた周辺回路も取り込むことができる。(現状は完全ワンチップ型ではなく、マイク部と増幅部は別個になった2チップ構成とのこと)
 音波の波長に比べ極小なダイヤフラム(振動板)を作ることよって、振動板の共振を可聴域外に追いやることができるだろう。そうすればクセのない良い音のマイクロフォンが実現できる筈だと思っていた。 しかし半導体技術を使うのでは莫大な設備コストが掛かるからよほどの量産が出来なければ実現性は乏しいと思ったものである。

 今になって登場したのは携帯電話に代表される移動体通信機器の過激なコストダウンと薄型化の要求による。今や電話機だけでなくパソコンほか何にでもマイクロフォンが内蔵されている。
 従来のエレクトレット・マイクは構造上熱に弱いことから他の電子部品と一緒にハンダ付け(表面実装)出来なかった。 しかし後から別に付けていたのでは製造行程が増えてコストは不利になる。 また従来のエレクトレット・マイクを薄くするには限界があった。
 そのような市場のニーズから一気に開発が進んだようだ。 もちろんモバイル機器は膨大な数量だから量産効果も十分期待でき価格も急落する。

 さて、我々が気になるのはお値段と音質であろう。お値段の方はだいぶ安くなってる。例によって秋月電子通商で小売りしている。2個入りで300円と400円のものがある。(2010年4月現在)
 初期不良が多いと聞くが、まあ2個のうち1個は使えるだろうと言う販売形態なのだろうか? 或は表面実装品を手付けで試している例も多いから過熱で劣化させているのかも知れない。
 肝心の音質だが無線用には十分なようだ。いま市販されているものはHi-Fiには今一歩らしいが、実際に確かめるべきだろう。 NHK技研が試作した同種のシリコン・マイクはとても良いので将来はナマ録(?)の分野でも大いに期待出来るかも知れない。

# このあと使ってみるのでその実体を報告したいと思っている。

参考:シリコンマイクSP0103NについてCQ出版社発行の月刊紙「トランジスタ技術誌」2015年1月号の付録冊子:トラ技Jr誌18号pp30〜35に評価レポートが掲載されました。 なお、トラ技Jr誌を纏めたCD-ROM版(No.1〜No.22)(←リンク)が発売されています。 SP0103Pの評価レポートはCD-ROM内のPDF版No.18号pp28〜33に収録されています。 トラ技Jr(紙版)のバックナンバーが入手困難な場合はCD-ROM版をご覧下さい。(2016.05.12追記)

(おわり)

2010年4月10日土曜日

【部品】MRF255 Power Amp.

MRF255 RF Power MOS-FET
 秋月電子通商をウオッチしていると様々な『出物』が登場して楽しませてくれる。高価で手が出なかったものが驚くような価格で突如登場することもあり、自作ファン・電子マニアなら常に目が離せないだろう。

 しかしRF用パワーデバイスの登場は滅多にないように思う。 昨今の移動体通信はどんどん高い周波数へ移行してるので、モバイル端末機器用の小電力RF Deviceなら結構登場していた。 しかし、このようにハイパワーで尚かつHF帯で使うようなパワー・デバイスの登場は過去の記憶にない。HAM向きのパワー・デバイスは秋月が信越電機商会と言っていたウン10年前、店頭にV/UHF用ツイン・ビーム管が並んで以来の出来事なのかも知れない。(笑)

 誰もが使えるような易しいデバイスとは言えないと思う。半導体ハイパワーアンプに相応のスキルをお持ちのお方向きだろう。過去に2SC2290や2SC2879等で100WクラスのRFアンプを作った経験がおありなら注目して良いFETだ。
 MRF255のドレイン耐圧は36Vと低いのでSSBやCWでも電源電圧Vddはせいぜい15Vまでが良い。もちろんそのままドレインにAM変調を掛けるなど無謀なことは考えない方が良い。(Vdd<9Vなら可だが)最大ドレイン電流は22Aで最大ドレイン損失も175Wあって、かなりハイパワーなRFデバイスだ。

テスト回路
 メーカーのデータシートにあった、54MHzのAB級SSB用直線増幅器である。 FETはBJTとは違い、明確な遮断周波数fTはないが、ゲートソース間の入力容量:Cissやドレインソース間の出力容量:Cossの大きさで使い易い(設計を実現し易い)上限周波数が決まってくる。
 このMRF255は144MHz帯には難しいように思うので50MHz帯までと考えれば合理的だろう。 但し、シングルバンドに特化し電極間容量を十分考慮した設計をすれば144MHzの可能性もあるかも知れない。当然ゲインは下がるし、もちろん「広帯域アンプ」の設計では旨くないだろう。

 最大定格が示すように低電圧大電流のデバイスである。電源電圧の低さを大電流でカバーする無理をしたデバイスだからリニヤリティはあまり宜しくないのである。 このテスト回路における3rd-IMDは標準で-30dB(ワーストケースでは-25dB)とあって歪み特性はあまり芳しくない。(今どきなので有利な数字が出るEIA式ではなく、厳しい方のMIL式のIMD評価であろう) 高電圧で使うPower MOS-FETは良好なIMD特性も期待できるが、ここまで低電圧大電流ではバイポーラ・トランジスタとあまり違わぬ性能に甘んじることになる。 但し、7次9次11次・・・と言った高次IMDが優れている可能性もあるので、ここは大いに期待したいと思う。

 100Wクラスで、しかも広帯域アンプではPush-Pull回路が有利だ。ただし偶数次高調波は少なくなるが、IMDはIn-Out間の直線性によるから殆ど改善されないと思った方が良い。NFBは安定動作には寄与するが、歪みに対する劇的な効果など期待しない方が良い。要はデバイス本来のリニヤリティが良くないと何をしてもそれなりにしかならない。
 厳しくなった電波法の新しい無線設備規則「帯域外領域に於けるスプリアス特性*1」を十分満たすだけの性能が得られない「時代遅れ」のデバイスになったのがこの時期に大量放出された理由なのかも・・・?。

*1:帯域外領域におけるスプリアス発射強度の許容値(5Wを越えるもの):『50mW以下であり、かつ、基本周波数の平均電力より40dB低い値』:第7条関係・無線設備規則別表第三号39による。(アマチュア局の無線設備基準に関わるもの)
・・・・TTT注記:この赤字部分はかなり厳しい数字だと思う。MRF255で実現するのは無理のある数字だ。もはや無線機メーカーが堂々と使う訳には行くまい。(だからバッタもんになったんだろうが・・・)

参考:アマチュア局無線設備のスプリアスに関連する拙Blog内のリンク=>こちら

MRF255 Push-Pull Power Amp.
 MRF255のパワーアンプにうってつけの部品が出て来た。 大きなヒートシンクとメガネ型になったRFトランス、そしてプリント基板である。頂き物だったと思うがずっと日の目を見なかった。(VY SRY)

 大きなヒートシンクなので、SSBやCWの間欠オンエアなら自然空冷でも何とかなるだろう。しかし安全を考えれば温度検知型の空冷ファンを付けた方が良いはずだ。

 出力100Wのリニヤアンプを作るには飽和出力が2倍の200W程度になるように設計する。その上で100Wまでの範囲で使うことにする。もちろんメーカー製トランシーバも同様の設計である。 飽和出力が100Wの設計で100Wいっぱい出したのでは、歪み特性(IMD特性)が使用に堪えないほど酷いものになってしまうからだ。

 必要なパワーの2倍くらいの飽和出力で設計し、概半分を超えぬようALCで抑制して実用にしている訳だ。そうしたメーカー機ではドレイン側の負荷インピーダンスは200Wの設計ではあっても、電源容量やヒートシンクの物理的なサイズは当然100W用なのでALCの抑制を外して100W以上を出そうなどと思ってはいけない。(スプラッタが甚だしいばかりか過負荷に対するマージンも不足し壊れやすくなる)

 MRF255は本来ならSSB用のリニヤアンプとして考えるのだろう。もちろんCW用にしても良いので十分な放熱をすればシングルで70〜90W、Push-Pullでは150〜200Wが期待できるだろう。 CWやFMはシングル・キャリヤなのでC級増幅でも良いわけでIMDはぜんぜん問題にならないからこのような使い方も可能だ。むしろ飽和領域あたりまでOver Driveして使うのが常識でさえある。そうすることで終段効率も随分良くなって行く。

 なおFull Powerでは非常に大きな電流が流れる。特に「広帯域アンプ」としてマルチバンド用に設計すると40〜50%のドレイン効率になるので、Vdd=12.0Vでは20A以上になることも多い。200Wならその倍近いだろう。電源スイッチの電流容量には十分注意し、さらに極太のケーブルで配線すると言った当たり前に思える配慮も「低電圧ハイパワー」なアンプ作りのノウハウの一つだ。さもないと入力信号のピークでドレイン電圧が降下してしまいパワーが伸びない『ノンリニヤ・アンプ』になる。(笑)(12V電源のメーカー機の終段回路は電源スイッチさえ通っていない)

 パワーが大きすぎるFETなので中電力には使いにくいが、シングルで使ってQRP-CW機に付加するPo=10〜30W程度のブースタにも良さそうだ。その場合はアイドリングも控え目にすれば物々しいヒートシンクは必要なくて手帳サイズでも大丈夫だ。Low Bandでは1〜2Wのドライブで十分なパワーが出る。 一般に狭帯域設計の方がゲインがあって効率も良いが、周波数特性の平坦化と安定動作を優先しNFBを掛けた広帯域アンプにしてみるのも良い。

 MRF255はSSBで奇麗な波を目指すにはいま一つかも知れないがCW/FM/FSKにはまったく支障ない。HF帯をFullにカバーするFBなブースタが作れる。電子デバイスは使い方しだいで活きてくるものだ。あまりたくさん在庫すると消費に困りそうだがパーツボックスに数個入れておきたい。パッケージは熱伝導に優れた窒化アルミニウムである。酸化ベリリウム(ベリリア)よりやや熱伝導性は劣るようだが、有毒物ではないので安心だ。

# この種のデバイスとしては異例のお値段なのでハラハラせず実験できるのは有難い。ドレイン耐圧が2倍くらいあったらもっと良かったのだが・・・。



参考:MR255の使用例】(2010.10.10追記)
 左図は、ICOMのIC-706 MK-1トランシーバの終段部分である。ドライバ段もFETになっているが、これはVHF帯までカバーする都合であろう。HF帯用ならBJTでも良い。

 ドライバ段がPush-Pullではなくて済むのはドライバのMRF5015と終段のMRF255がハイゲインだからであろう。MRF255のBIAS電圧はダイオードで簡単に温度補償している。(注:このダイードは単なる回路保護用かもしれない。MRF255が破壊した時に意味を持つ)また、軽いNFBを掛けて周波数特性の平坦化をはかっている。 IC706は車載用なので電源電圧は13.8Vで設計しているはず。 見る機会が有ればドライバ・トランスや出力トランスの大きさなどを参照すると良い。

 理由は不明だが、IC706 MK-2ではファイナルが変更され2SC2694のPush-Pullになっている。さらにMK-2Gでは再びPower-MOSに戻っているがSRFJ7044と言う別のPower-MOS FETに変更されたほか、さらにもう一段のドライバ・アンプが追加されている。MK-1の回路ではHF帯各バンドで均等なパワーが得られなかったのかも知れない。設計時に想定したより、デバイス(MRF255)のバラツキが大きかったのではないだろうか。それさえ解決すればBJTよりPower-MOS FETの方が優れるので再び戻ったのだろう?(いえいえ、あくまでも想像でのお話し。真相はわりませんけど・・・)

 IC706が登場した時代のスプリアス基準は上記とは異なっていた。旧基準で作られたリグも2023年まで継続して使用できることになっていたと思う。(ずいぶん先のことだが、その先も使うには自作品の扱いで保証認定による方法だろうか?)

(おわり)

追記:MRF255は2012年11月ころ売り切れになったようだ。思えば2年半もの長きに渡って継続販売されたのだから、相当量の数があったのだろう。それも全てさばけたのである。 予想ではすぐになくなるのではないかと思っていたので意外と言う気もする。しかし冷静に考えると微妙に高価でしかも用途は限定的だから手を出さなかった自作HAMも多かったに違いない。自身も購入しながら未だに本格的活用に達していない。せっかくリキを入れて作っても性能がいま一つなのでは製作意欲も減退気味と言うものだ。それでも多くの自作HAMにとって縁遠かったRF用Power-MOSの扱い方の周知には役立っただろうと思う。秋月電子通商のお陰だ。 もう無くなってしまったものは仕方がない。買いそびれた人は無理に入手しようとせず、ずっと性能の良い別のFETを活用した方が良い。(2013.01.06)

2010年4月4日日曜日

【部品】XR2206CP Function Gen.

【EXAR XR2206CP Function Generator】
 エクサーのXR2206は古いICだったと思う。昔カタログで見て面白いICだと思ったことがあった。 しかしその頃は入手性が悪かったので「絵に描いた餅」の存在でしかなかったのだ。
 それが今頃になって秋月電子通商が扱うようになり一気にポピュラーな存在になった感じだ。 かなり高機能なICが@400円なのだから、お買い得だろうと思う。部品を自力で集める「完全自作」は面倒くさいと思うなら秋月kitもあり。専用基板付きなのでお手軽だ。(笑)

 ファンクション・ジェネレータの直訳は「関数発生器」だが、簡単に言えば一種の発振器である。三角波(さんかくは)、鋸歯状波(きょしじょうは)、矩形波(くけいは)など「正弦波(せいげんは)」以外の各種波形の信号も発生できるのでファンクション・ジェネレータと称している。
 この種のICとしては、Intersil社のICL8038があまりにも有名であったが既に生産中止である。ICL8038の機能と上位コンパチで広帯域のMAX-038(MAXIM社製)もあったが、こちらも生産中止のようだ。従って機能的に類似のXR2206の登場はファンクション・ジェネレータを自作したい人に嬉しいニュースだろう。アナログ式ミュージック・シンセサイザの構成要素(VCO信号源など)にも良さそうだ。

【XR2206CPの活用】
 アマチュア無線の用途で活用されるケースは稀かも知れない。まず思い付くのは単なる正弦波発振器の用途だろう。 CWのサイドトーン・オシレータに使ったら可哀想かも知れないが、専用の「正弦波発振回路」より起動特性が良いのでキーイングに向くかも知れない。
 可変抵抗器:VR一つで約2,000倍の周波数可変範囲がある。これは下限を10Hzに設計すれば上限は20kHzであるからオーディオ帯域を1バンドでカバーできる。他の発振器では数倍〜10倍程度が限度なので非常に可変範囲が広いのが特徴だ。
 左図ではC=0.05μFとすれば、10Hz〜20kHzくらいをカバーする。0.05μFは、0.1μFの2個直列で得るのが簡単だ。周波数可変用:2MΩのVRも秋葉原で見つけられる。VRになるべく大きなツマミを付けるのが操作性を良くするポイントだ。

 ほかにはオーディオ帯域の可変周波発振器を自作する程度であろうか。オーディオアンプの周波数特性やゲインの測定にあったら便利そうな発振器だ。ただし歪率測定用には向かない。データシートに正弦波が「低歪み」とあって期待してしまうが騙されてはいけない。 確かにファンクション・ジェネレータで得る正弦波としては良い方なのでウソとも言えないが、正弦波専門の発振回路と比べると低歪みとは言えない。
 従って近代的オーディオアンプの歪み測定用信号源にはまったく不十分だ。(100倍くらい悪い) 三角波を元にSine Shaper(=Sineコンバータ)に通す方式で超低歪みな正弦波を得るのは無理なのだ。 まあ無帰還管球アンプの測定くらいなら使えるかも知れないが。(笑)

 ICL8038には無かった機能で、面白いと思ったのは振幅変調器があることだ。 ラジオの調整に使うテストオシレータとか中波帯のワイヤレス・マイクが作れそうだ。 単独で発振させただけでは周波数安定度が悪いからVCO形式にしPLLでロックすれば良いだろう。しかし周波数上限が1MHzそこそこなのではあまり作り甲斐が無い感じもする。

 XR2206CPを核にして外付け回路を補い、本格的な「ファンクション・ジェネレータ」を作るのが一番だろうか? 低周波用スイープジェネレータやバースト波発生器などを作るには便利だろう。 そう思って数個パーツボックスに入れておいた。

# きっとパーツボックスの「肥やし」になるに違いない。(笑)

(おわり)