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2012年3月18日日曜日

【回路】SMD LC Filter

Low Pass Filter on DDS Module
 中国製のDDSモジュールにはローパス・フィルタが載っている。これは写真のローコスト版だけでなく、もう少しお値段な方でも同じだ。もちろんAD9850版だけでなくAD9851版でも同じ回路のものが載っている。

 しかし、このローパス・フィルタには問題が多い。一つに、AD9850/125MHzクロックにはカットオフ周波数(遮断周波数)が高過ぎるのである。 フィルタ形式は有極型の7次エリプティック(楕円関数型:連立チェビシェフ)なので優れたものだ。 しかしカットオフ周波数があまりに高過ぎるのでは意味がなくなってしまう。 回路定数によるフィルタ・シミュレーションによればカットオフ周波数は約70MHzになっていることがわかる。

 これはAD9851/180MHzクロックに合わせた設計なのである。 回路定数はアナログ・デバイセス社のAD9851アプリケーション・ノートに掲載されたそのままを流用したものだ。従って180MHzクロックのAD9851の評価には最適ではあっても125MHzクロックのAD9850には甚だ高過ぎるのである。 クロックを64MHzにするなら更に低いカットオフ周波数にしなくてはいけない。こうした切れの良いフィルタであってもカットオフ周波数はクロック周波数の約40%くらいに設計するのが安全だ。 単純なπ型2段くらいのフィルタ(当然無極の)で済ますなら、せいぜいクロック周波数の1/3以下が良い所である。

 結局、実験的に動作確認するにはそのままでも良いが実用にするならもっとカットオフ周波数の低いLPFにする必要がある。 写真に示した基板上のフィルタを換装するか外付けすることになる。とりあえずモジュール基板上のフィルタを換装することで考えてみたい。 それには面実装部品が必要だ。

Chip Inductors:面実装型コイル
 面実装型のコイルも探せばあるもので、秋葉原のジャンク屋にてある程度の種類が揃った。 あまり期待していなかったのだが意外に多くの種類を集めることができた。

 いずれも20個くらい付いた1連で100円くらいだ。 買う人が限られているのだろう。 お店の目立たない場所に置かれていることが多いようであった。従って探すのは少し厄介だった。 もちろん1μHとか100μHというようなキリの良い値なら随所で見かけた。 しかし任意のカットオフ周波数でローパス・フィルタを構成するにはそれだけでは無理がある。 後で説明する回路で使うにはまだ種類が足りないのであるが、あらかた集めることができた。 どうしても足りない値はRSコンポーネンツやDigi-Keyのような部品通販から買えば良いだろう。

 もちろん、フィルタに使うコイルはインダクタンスだけでなく設計カットオフ周波数に於けるQの値(=損失)も問題になる。しかし、まずは手に入る物で試してみよう。 どうしてもダメそうなら外付けフィルタでやると言う手もあるので。(笑)


Chip Capacitors:面実装型コンデンサ
 面実装用のチップ・コンデンサも必要だ。こちらの方を探すのは比較的容易である。 小容量のものは殆どがNP0タイプ(=CH特性)らしい。 但し1,000pF以上と言った,やや大きな容量は高誘電率系が多くなるのでフィルタのような目的には要注意だろう。

 写真はバラ売りのものとテープカット品である。 バラ売りは安価なので良いが単体には何も捺印されていない。従ってもしも他と混じると厄介なことになる。混合させないよう十分な注意が必要だ。

 この際、ピンセット型の容量測定器(または測定アダプタとか)が欲しくなった。 あとで絶縁物でできたピンセットを買ってきて測定アダプタを自作したい。自作の小容量計と組み合わせて使えば便利だろう。 すでに面実装での自作に移行しているお方は測定治具をお持ちのことだろう。 

Schematic of Low cost DDS Module and LPF Table
 図は安価なDDSモジュールの回路図だ。 「安価な」と言う意味は@約600円で10pinコネクタが2つ付いたタイプと言うことだ。 今さらながらこのDDSモジュールの回路図掲載はBlogでは初めてである。 共同購入されたお方には参考にお知らせしたので既に公開済みのような気になっていた。

 部品番号と端子名はその基板上のシルク印刷と合わせてある。 但し、同じ「安価な」モジュールでも端子名のシルク印刷が無いものもある。その分だけさらにコストダウンしているのだろうか??

 図の右側にはローパス・フィルタの部品定数が書いてある。 囲みの70MHzはオリジナルのもので購入した時に搭載されているであろう部品の定数である。 ほかのカットオフ周波数についてはすべて私が計算したものだ。 なるべくE系列の部品で構成できるように計算値を丸めてある。次項に示すような特性シミュレーションにより丸めた数値でも支障の無いことは確認済みだ。

 なおこのモジュールの信号ラインは200Ωである。従ってLPFの設計インピーダンスもすべて200Ωで行なってある。 当然そのままの部品定数では50Ω系のフィルタにはならないのでご注意を。 これを50Ω用に変更するにはインピーダンス・スケーリングを行なう。 その計算値をもとに近似のE系列に丸めてから特性シミュレーションしておけば確実だ。

 幾つかのコイルはE系列を外れる値になっているが適当な近似値がないので自作で巻くことも想定してのことだ。 もし近似のE系列・既成値コイルで試みるなら再シミュレーションして確認すると良い。 意外に旨く行くことが多いので難しく考えないでやってみよう。

 あまり設計値を外れると厳密に言えば通過帯域のフラットネスが劣化しカットオフ周波数の肩特性に乱れが生じる。 当然特性インピーダンスも設計値から外れてくる。 しかしこのLPFは測定器に使うのではなくDDSモジュールの使用目的は通信機の局発などだろう。 十分実用になるので心配はいらない。 何でも理屈通りでないと気が済まないようでは実用品の完成は遠退くばかりだ。 実際のコイルやコンデンサには誤差や損失もあってそれも効いて来るので厳密に理想通りにはならないものだ。


LPF Cut-off Frequency
 グラフは回路シミュレーションの結果だ。 上に書いたように、理想部品は存在しない。 従って厳密にシミュレーションのようにはならないだろうが設計の妥当性を検証するには有効な手段である。 

 各カットオフ周波数で設計したフィルタの周波数特性は図の様になった。 チップコイルでは難しいが周波数特性の良いトロイダルコアに巻いてQを高く作り、損失の少ない良質なコンデンサを使えばかなりかなり一致するだろう。おもにHF帯のフィルタなので良い特性の物が自作できる。

 今ではTG付きスペアナやネットアナをお持ちのお方も多くなった。 せっかくの機会なので作ったフィルタを実測してみたくなるだろう。 しかしグラフのようにはならないかも知れない。 In/out間のストレー容量や配線のインダクタンスによるコモンモード結合などがあって-60dB以下の領域を測定するのは難しくなってくる。 測定技術や測定器の性能からも減衰域の測定は意外に易しくない。 したがって通過帯域外のノッチ特性(谷の部分)は旨く見えないかもしれないわけだ。 もちろんシミュレーション通りでなくても悲観する必要はない。 スプリアス成分が旨く除去できれば十分だ。

                 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆

 このテーマ、独立したBlogではなく他の内容と合わせて公開しようと思っていた。 しかし既に3月も半ばを過ぎている。 お彼岸の行事や、頼まれごとなどがあってこの先休日は埋まりつつある。3月のBlogが無いのも寂しいから独立したテーマに纏めておくことにした。 何か参考になれば幸いである。 de JA9TTT/1

(おわり)

8 件のコメント:

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

おはようございます。
クロックとIC以外は同じ物を使ってコストダウンしているのでしょうが、AD9850に70MHzのカットオフ周波数は高すぎるなあと思ってました。
あと使われているチップLの性能のためか特性もあまり良くなかった記憶があります。
小型化を考えなければフィルター無しのSINA出力にLPFを付けるのが楽そうですね。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE /3 高橋さん、こんにちは。 北関東はどんよりしたお天気で肌寒いです。

さっそくのコメント有難うございます。
> AD9850に70MHzのカットオフ周波数・・・
クロックは125MHzですから、せいぜい50MHzあたりまででしょうね。 無難なのは40MHz少々と言った所だろうと思っています。

> チップLの性能のためか特性もあまり良くなかった・・
そうでしたね。 その件もあって「問題のLPF」と言うことにしたのですが、書き漏らしてしまいました。 いずれにしても載せ換えるか外付が前提になりますね。

> フィルター無しのSINA出力にLPFを付けるのが楽そう・・・
外付けを前提にすれば良いコイルが使えますからフィルタとしての特性もずっと良くなりますね。

工夫して旨く活用したいと思っています。hi hi

jn3xby@岩永 さんのコメント...

加藤さん、こんばんは。
先のFCZコイルのトロイダル化は2月だったんですね!早い物です。
当局も、VFO-120用で作成させていただき、特性を測ってみましたが、ご指摘の通り、当局のスペアナでは、ノッチ部分の測定はできません(ToT)
しかし、VFOとしては快調に動作していますので、多分OKと安心しています。
当局も、早く仕上げて600円DDSの実用例をアップしないといけないんですが!

TTT/hiro さんのコメント...

JN3XBY 岩永さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> FCZコイルのトロイダル化は2月だったんですね!
そうなんですよ。 CQ誌は3月号でしたが、発売は2月ですので。早いものでもう4月号も発売ですからね。(笑)

> ノッチ部分の測定はできません(ToT)
よほどノイズフロアの低い測定系でもないと見るのは難しいと思います。 どのくらいスプリアスを落としておけば良いかは用途次第でしょうね。 フィルタの特性は見なくても出てくるスプリアスを観測しておけば安心です。

> VFOとしては快調に動作しています・・・
TS-130のVFOでしたら周波数範囲は600kHz幅くらいでしょうか。 BPFを入れる方法も良さそうです。

> 600円DDSの実用例をアップしないと・・・
お互い頑張りましょう。(笑)

JE1UCI/冨川 さんのコメント...

加藤さん、こんにちは。

私の請求書を見ると1枚592円という事でした。問題は高い周波数になるとダラダラ下がるというクセがあります。
AITENDOのは大丈夫でした。
という事は、広帯域で使う時にはAITENDOの、モノバンドトランシーバのような場合は592円の、という使い分けもアリかと思っていました。
確かにチップごと交換してしまえば同じに使えるはずですね。

ちょっと気になるのが、ロット(というよりバージョンか?)による違いが大きそうなので、購入する都度結果が異なってしまいそうです。
次も・・と思ったのですが躊躇してしまいます。

ところで、592円の水晶発振器ですが、某所で測定しても良さそうに見えます。
でも気持ち悪いので、一度鑑定を御願いします。

TTT/hiro さんのコメント...

JE1UCI 冨川さん、こんばんは。

コメントありがとうございます。
> 私の請求書を見ると1枚592円という事でした。
安く買えたようで良かったですね。

> 高い周波数になるとダラダラ下がるというクセ・・・
aitendoのものでも同じような特性と言うお話も伺っています。 もちろん、いつ購入したかにもよるようですね。hi

> チップごと交換してしまえば同じに使えるはず・・・
そう言うことですね。 外付けのフィルタと言う手もありますね。 用途は限定されないでしょう。

> ロット・・による違いが大きそう・・
その可能性は高いですね。 フィルタに使っているLCがRFのフィルタ向きではない可能性があります。 特にLはLossの大きいものがあって出力が周波数とともにダラ下がりになる原因ではないでしょうか。 マトモなコイルに載せ換えると良さそうなのですが、私が秋葉原で手に入れたコイルも怪しいです。測ってから使う方が良さげですね。(笑)

> 気持ち悪いので、一度鑑定を御願いします。
了解です。 いつでもどうぞ。

JE1UCI/冨川 さんのコメント...

こんばんは

そういえばチップのコイルはE6系列なら大体揃っていたな・・と思ってダラダラ下がる592円の1台を交換してみました。
大きさが相当異なるのでまともには入らず、隣のコンデンサにハンダ付けしました。
結果は良好。AITENDOの基板のよりも良くなりました。そうか、どちらも良くなかったんだ・・と良く解りました。
10個で100円のコイルですので、30円で特性改善成功です。
70MHzのLPFをそのまま使いましたが、パターンの引き回しが問題に見えます。
AITENDOのもそうですが、デジタルICと間違えてるのでは・・と思ってしまいました。
ここはダラダラ下がりを防止し、その先に自作したAMPの後で40MHzのLPFを入れようという作戦で行こうかと・・

ところで、加藤さんHPにあるアドレスにメール下さい。
以前のアドレスにメールしましたが、エラーになってしまいました。

TTT/hiro さんのコメント...

JE1UCI 冨川さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> ダラダラ下がる592円の1台を交換してみました。
さっそく、やってみましたか。hi

> どちらも良くなかったんだ・・と良く解りました。
程度の差はあっても五十歩百歩のようですよ。hi hi

> パターンの引き回しが問題に見えます。
繋がっていればOKの配線パターンですね。(笑)

> AMPの後で40MHzのLPFを入れよう・・
最初から怪しいフィルタはPassしてしまうと言うのもアリだと思うのです・・・。(笑) 面実装LCの交換で改善ができなければ外付けもやむを得ませんね。

冨川さんにはダイレクトでメールを入れておきました。