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2014年3月1日土曜日

【部品】LM359N Norton Amp.

LM359N型ノートン・アンプ
 136kHz帯送信機製作の途中でまた少し寄り道をする。 もちろん無関係ではない。 ヘテロダイン・ミキサ後のフィルタ通過で下がった信号レベルを取り戻す必要がある。 136kHzと言う周波数は低いようでも汎用OPアンプにはだいぶ高い。 汎用品より高周波特性の良いアンプが必要なので高速ノートン・アンプの使用を検討している。 これは多分に自身の部品事情を反映したお話なので他人にノートン・アンプを推奨する意図はまったく無い。またまた「レアな部品を使ってる!」等というご批判はご勘弁を。(笑)
 なお、近ごろアマ無線界では広帯域トランスを使ったノイズ・レス・フィードバック形式のRFアンプもノートン・アンプと呼ぶことが多い。むしろそちらの方がポピュラーかも知れぬ。電流で負帰還することに類似性もあるが、ここで扱うのは別ものだ。

ノートン・アンプの基本:まずはLM3900から
 ノートン・アンプとは何であろうか? Wikipediaでも参照してもらえば良いかもしれないが、「単電源動作で±入力を持った電流差動型アンプ」のことである。

 何のことか、ピンとこないとは思うが、要するに左図のようなエミッタ接地型アンプ(Q2)の出力をエミッタ・フォロワ(Q1)で取り出す形式のアンプが増幅器の基本だ。

 ディスクリートでも良くある形式なので特に目新しいものではない。 Q1のエミッタからQ2のベース(反転入力端子:In-)へ負帰還を掛けてやれば帰還型の増幅器になるが、もう一工夫して+入力端子(In+)を設け電流差動形式になるようにしたのがノートン・アンプである。初めて市販されたのがLM3900シリーズであった。なお、このシリーズにはLM2900N/LM3900Nのほか、モトローラ製の互換品、MC3301P/MC3401Pがある。いずれもピン接続を含め機能・性能は同等だが保証温度範囲や最大電源電圧など幾つかの規格に差があるので使用時には確認しておきたい。一時期は両社の互換品が他社からも登場したが今では殆ど姿を消している。

LM3900の等価回路
 長くなるので途中の設計経緯は省く。IC屋としては興味深いが一般人には退屈なはず。 ICとして実用形式に纏めたものが左図のような等価回路でナショナル・セミコンダクタ社(現在はTI 社に吸収合併)から登場した。(1972年頃か?)

 GNDへ向いたダイオードとその右のQ6と言うトランジスタが+入力端子を付ける為に追加した部品だ。 これによってIn(+)とIn(-)の電流差が増幅される形式になる。 詳しい仕組みや動作解析についてはメーカー(TI社)のサイトに詳細な資料がある。活用を試みるならナショセミ時代のアプリケーション・ノート:AN-72とAN-278は必読だ。 逆にほかにはもう目ぼしい資料も無くなっている。 要するに20世紀に置いて来たテクノロジーなのであろう。

 もちろん、今でも有用性が失われた訳ではない。しかし代わって扱い易い「電圧帰還型」のOPアンプが全盛になったので意味も薄れてきたと言うことだ。 低電圧でレール・トゥ・レール型のIn/OutをもったC-MOS OPアンプの登場で単電源動作に特化したICの必然性もだいぶ薄れたのだろう。 やや遅れて登場した片電源用OPアンプ:LM324Nも強力なライバルであった。

ピン接続図
 私が思うに、この妙なピン配置も馴染めなかった理由の1つだと思う。 4回路入りOPアンプの常識とは外れたピン配置になっている。

 TTLなど多くのICで半ば約束ごとのようになっていたコーナーの14番ピンが+Vccで、7番ピンがGNDになるように配置したのであろう。しかしあまり合理的ではなかったようだ。 Amp1の+入力端子がAmp2の側に出ているなど、4回路入りOPアンプの常識では考えられないピン配置なので注意を要する。
 但し、アプリケーションを良く吟味すると+入力端子を片端に寄せたのは深い意味があったこともうかがえる。応用面を含めて考えれば近くに並んでいる方が合理的なのだと言う判断だ。

 結局、このLM3900(MC3401P)と言うQuadアンプはOPアンプではなく、片電源で使う汎用のアンプ・ブロックなのである。 OPアンプと類似だろうという先入観で扱うと不自然さばかり感じることになる。 そのように使うモノでは無いのだ。

LM3900NとMC3401P
 今や開発メーカーのナショセミ社もTI社になったし、モトローラ社もONセミ社になっている。 LM3900は表面実装タイプのみ供給が続いているようだ。 MC3401Pは既にディスコンの模様である。 何個か手持ちがあったので撮影しておいた。

 なお、機能・性能はこの両者ともに同等だが、MC3401Pは最大電源電圧がやや低いので要注意だ。 LM3900Nが+32V、MC3401Pは+18Vが最大定格である。12Vで使っているなら互換できる。

 これから使うのはLM3900やMC3401ではないが、元祖ノートン・アンプと言うことで扱った。 これらも勿体ないので将来何かの機会に使ってみたい気もする。 ただ、特に何か良いことがあるわけでもないのでおそらく使うこともなさそうだ。

 ノートン・アンプには特徴を活かした面白い各種の応用があった。だから少し古い回路集にはノートン・アンプの応用例もかなり見うけられる。それらは他のOPアンプでは代替が効かないケースが殆どなので要注意だ。再設計は面倒なことが多いからそのまま作る方が良い。今でもLM3900Nの入手は難しくない。なお、LM3900NでLM2900N、MC3301P、MC3401Pの代替ができると考えて良い。

参考:続きとしてLM3900Nのような普通のノートン・アンプをアクティブ・フィルタに活用する話しを別のBlogで追加した。→こちら(リンク)

                ☆ ☆ ☆

ノートンアンプの高速化
 LM3900は車載機器などの単電源回路の汎用アンプとして作られたICだ。従ってあまり高速ではない用途が主目的だったはずだ。周波数特性はせいぜいオーディオ帯域止まりである。

 それに対し、大幅に高周波特性を改善したノートン・アンプがナショセミ社によって作られた。LM359Nがそれである。 出力電圧範囲を多少犠牲にして周波数特性が甚だ悪いラテラルPNPトランジスタを使わぬ設計に変更している。 さらに、ミラー効果を低減し周波数特性を良くする為にエミッタ接地のゲインステージはカスコードアンプ形式になっている。

 LM359Nが本来どんな目的の為に作られたのはか良くわからない。もはやカーエレクトロニクス用ではなかろう。 単電源動作のビデオアンプには便利なのでそれが主目的だったのかもしれない。 入・出力段の動作電流をユーザーが自由に設定できるなど、汎用性を持たせ幅広い用途を目指したようだ。

LM359Nの等価回路
 左図は全回路だ。 比較的簡単なものである。LM359Nはアンプ2回路入りでバイアス回路は2つのアンプで共通である。

 片方のアンプだけを使うときは8〜14番ピンに割り当てられたAmp-Bの方を使うと節電できそうだ。 たぶん4番ピンのGND-AをオープンにしておけばAmp-Aの電流を節約できる。 特に高周波まで周波数特性を伸ばす目的で回路電流を多く流した際には有用なテクニックであろう。

LM359Nのピン・アサイン
 自身の参照用が目的なので、利用する為の情報としてピン配置を載せておく。 14ピンなので少々場所を食うが今風に小型化したいときは面実装型を選択するのだろう。LM359は今でも供給されているらしい。

 メーカーは180度ひねって挿入しても壊れないピン配置になっていると言っている。 確かにNCピン(無接続ピン)が+電源になるだけなのでデバイスを壊す危険は少ないだろう。 ピンが余ったのでそうした配慮をしておいたのだと思う。


LM359Nの外観
 特に変わったところもない普通の14ピンICだ。

 わざわざ購入したのではなく長期在庫品としてパーツボックスに眠っていた。 部品は死蔵ではなく活用することが目標なので引張り出してきた。

 以前のテストではなかなか良い性能が得られていた印象がある。 動作も安定していたので136kHz帯送信機のような中途半端に周波数が高めの用途にはうってつけだろう。

LM359Nを使ったビデオアンプ
 デジタルTVの時代になってアナログ形式のビデオ信号を扱う機器も珍しくなったのではないだろうか? いずれ「ビデオアンプ」という言葉も死語になってしまう気がする。

 音楽などの音声信号に比べて、映像信号(ビデオ信号)は格段に周波数帯域が広かったのでそうした信号が扱えるアンプをビデオアンプと呼んでいた。

 左図はそうしたアンプの回路例だ。ビデオ信号系なので特性インピーダンスが75Ωの同軸ケーブルをドライブする前提になっている。 ゲインは10倍(20dB)で-3dB帯域幅は下2.5Hz/上25MHzである。 ディスクリート部品でも製作可能なアンプだが、IC化することで性能の均質化がはかれる。 ビデオアンプとしてではなく汎用の広帯域アンプとして使うのも良いと思う。

nVbeバイアス
 ビデオアンプは差動形式のアンプである必要は無いので、片入力だけでも良い。 そのような場合は+入力端子を構成していたダイオードとトランジスタからなるミラー回路を使用しない動作が可能だ。

 出力端子の直流的な動作点を決めるのが図のRbと言う抵抗器だ。 トランジスタのVbeをn倍した所にバイアスするのでnVbeバイアスと呼ぶのであろう。 Vbeは温度変化するから直流的な動作点は温度変化してしまう。 しかし出力をフルスイングしていなければ少々の変化は支障無いだろう。 そのような想定に基づいた回路が左図である。式の解釈についてはLM359Nのデータシート:SNOSBT4(Rev.C)を参照。(www.ti.com)

nVbeバイアスのメリット
 必要のない電流源をOFFして使うので、電流性ノイズが少なくなる。 約6nV/√Hzと言う値は広帯域アンプとしては悪くない数字である。 ローノイズを謳うアンプでも似たような数字なのでnVbeバイアス形式で使うメリットは大きいと思う。

 すこし設計は面倒だがローノイズと言うメリットがあるので積極的に使いたい回路だ。 フルスイングさせなければ動作点変動は気にならないのでディメリットにはならない。

動作電流の設定
 入力回路と出力段の動作点を用途に応じて変えられるのがLM359Nのメリットの1つであるが、実際にはあえて設計しなくてはならない煩わしさがある。

 データーシートを見ると代表特性の殆どをIb=0.5mAで規定していることがわかる。それが標準的な動作なのであろう。 電源電圧が12Vなら20kΩの抵抗器1つでこの標準的な動作にできる。(左図)

 特別な性能・用途に特化したい時は個々に検討すべきだが、ここは取りあえず標準動作でも支障無いのでIb=0.5mAで使うことにした。 ピン1番と8番の間に抵抗器を入れれば良いのだが、レイアウト上はあまり芳しくないピン位置にある。 入出力段の電流を独立別個に設定する際には便利なようにピン配置されている。

実際のアンプ回路
 2つあるフィルタの通過ロスを補い、次段を十分にドライブできる信号レベルまで増幅する必要がある。実測からゲインは50倍程度欲しい。 またアンプの入力インピーダンスは前段にあるフィルタの特性に影響を及ぼすから600Ωに良く整合する回路がよい。

 左図はそのような意図で設計したものだ。 実際に製作して良い特性であった。136kHzの送信機に使える性能が得られている。

 2つ入ったうち未使用側のアンプは遊ばせている。上記に書いたようにAmp-Bの方を増幅に使い、Amp-Aは電流を消費しないよう休ませる設計の方が良かったかもしれない。 現状では無駄な回路電流が流れている。 取りあえずブレッドボード上のテスト回路なので、恒久化する際には変更しておきたい。

                 ☆ ☆ ☆

 ノートン型電流差動アンプは20世紀のテクノロジーかもしれない。 136kHzの増幅なら汎用トランジスタ数個で必要な性能が得られる。あえて使う意味は無いかもしれない。しかし性能が保証された回路が僅かの部品で作れる便利さがある。使ってみたら性能も良好であり、無理して使ったと言うよりも目的には適材だったようだ。
 いまでも十分通用する性能があるから特徴を活かした使い方ができたら面白い。 高周波性能が良くてノイズも少ないから貴重なICと言える。 あえて買ってまで使う理由は無いと思うが、もう少し見直しても良いデバイスだと思った。

 読返して自身の参照用なら設計手順や手法など気付いた所をもっと書いておけば良かったように思う。 おいおい改訂して追記することにしよう。 ナショセミの応用資料はとても良くできている。 わざわざ抜き書きする必要など無さそうだが毎回英文を読むのも面倒だ。 自身が使いそうなポイントを纏めておく意義はあるだろう。 まだ手持ちはあるのでまた使う機会もありそうだ。de JA9TTT/1

つづく・1)←136kHz送信機エキサイター部の纏め(最終回)へリンク

つづく・2)←「もっとノートン・アンプの検討を」へリンク

2 件のコメント:

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、こんにちは。
あっという間に3月になりました。
このまま暖かくなってくれるとうれしいのですが。^^

ノートンアンプは名前を知っているレベルの知識でした。
検索するとRFアンプへの応用が多く見られますね。

記事を読んでいて途中からなぜわざわざノートンアンプを使うのだろうと思ったのですが、最初に自信の部品事情を反映したと注意書きがありました(笑)

LM359Nにピンアサイン、5ピンのNCをV+に接続しておけばどちら向きでも動くのになぜNCにしたのでしょう^^

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/3 高橋さん、こんばんは。 3月ですねえ! 日が延びました。5時過ぎても外はまだ明るいです。

さっそくのコメント有難うございます。
>名前を知っているレベル・・・
LM3900が登場した頃は雑誌でも良く記事になっていましたが、その後はすっかりですね。今でもミュージックシンセサイザを作る人が使うようです。 LM359Nはビデオ帯域用ですから知る人も少ないでしょうね。

> なぜわざわざノートンアンプを・・・
少々高い周波数の増幅に、LM318では古典的だし、やや新しいLM6361とかAD817あたりと思っていました。最近のデバイスは電圧が低い物が多いので向かないし・・・。

探していたら出て来たのがLM359Nで、数もあったので使ってみました。性能もまずまずで外付けも少なく手持ち活用としては良い選択だったようです。

> 5ピンのNCをV+に接続しておけば・・・
アンプも上下で反対向きに作っておけばそうできそうですね。 でも、逆に付けたら間違って組立てたと思われそうでどうも旨くない感じです。hi hi