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2015年5月4日月曜日

【回路】FLT-U2 Sine wave Oscillator

FLT-U2と言うICを使った低ひずみ正弦波発振器
FLT-U2
またまた「部品が手に入らない!」シリーズ。(笑)

 FLT-U2と言うのはフィルタを作るためのICである。スイッチド・キャパシタンス・フィルタはまだ登場せず、OP-Ampを並べて組むにもアクティブ・フィルタはちょっと面倒だった時代に作られた。セラミック基板に作られたハイブリッドICで白いセラミックの蓋が被せてある。特定のユーザー向けではなくて一般市販部品であった。日経エレ誌やトラ技誌等でメーカーのPRを見掛けたがこのICはそれほど使われなかったように思う。

 フィルタ製作を容易にすることが目的のICだ。 しかし今どき次数の低いフィルタなど設計も製作も簡単にできる。 だからこのICは完全な遊休部品になっていた。 何かフィルタが欲しいときに無理して使ったとしてもさしてメリットはなさそうだ。 たくさん持っている訳でもないから積極的に消費を考える理由もない。そのまま遊休品でも良かったのだが・・・。

                    ☆

 ずいぶん長いこと部品箱に眠っていたものが整理中に発掘されたのでこの機会に試してみることにしよう・・・と言うことで、普通はご縁のない部品だろう。 今回も自家用情報を纏めた話しになりそうだ。 ただ、少し回路がわかるお方ならざっと回路図をご覧頂くと代替手段はいくらでもあることにすぐ気付くはず。 このFLT-U2を探すこともなく、まったく同じことは十分できるわけなのだ。そのあたりの情報もおまけしておいた。:-)

                    ☆

FLT-U2の内部は
 State variable Filter(状態変数型)と呼ばれるアクティブ・フィルタが手軽に構成できるよう便利に出来たハイブリッド構造のICである。 4つのOP-Ampのほかに、精度の良い1000pFのコンデンサが2つ、トリミングされている抵抗器が5つ内蔵されている。小さめのコンデンサ容量:1000pFで幅広い遮断周波数をカバーできるよう工夫された部品定数になっているのがこのICの特徴だ。もちろん1000PFでは足りないなら外付けで補える。 OP-Ampのうち1つは予備用であり、ノッチフィルタなどの応用に使えるようになっている。 各OP-Ampの電源は予備のOP-Ampを含めて内部で共通のピンに接続されている。 予備のOP-Ampを使わないとしても供給しないと駄目だ。

 既に過去のデバイスでありe-Bayでも丹念にウオッチすれば別だが普通は手に入らないだろう。 詳しく書いても仕方が無いが簡単な四則演算だけで低域濾波器(LPF)、高域濾波器(HPF)、帯域濾波器(BPF)の設計ができる。 遮断周波数やフィルタのQも簡単に求められる。 あとは計算値に基づいて外付けで抵抗器を数本選べば所望のフィルタの完成である。 ただしあまり高級なフィルタはこれ一つでは無理だ。 従って用途も限定的と言える。

可能なフィルタの特性
 言葉ではわかりにくいので、グラフで示しておく。

 このような3種のフィルタが得られるのであるが-20dB/ディケードもしくは-40dB/ディケードの傾斜なのでだいぶなだらかである。 要するに-6dB/octあるいは-12dB/octのなだらかなフィルタなのだ。 Qを大きく取ってやれば良さそうなものだが、そうなると通過帯域の端にピークが出来てあまり面白くない。従って今となってはHigh-Qなピークフィルタや、ごく狭いノッチフィルタに特化させた使い方くらいしか思い浮かばないのだ。

 この形式の類似フィルタは前にノートン・アンプ(←リンク)を扱った時にも登場している。設計が簡単なのは良いが、使うOP-Ampの数にしてはシンプルなフィルタしか作れないのが弱点と言ったところだろうか。 

低ひずみ発振器に使ってみる
 メーカーのアプリケーション・ノートの記述はあくまでもフィルタとしての使い方のみである。このICの目的からして当然だろう。発振器への応用など一切触れられてはいない。 しかし多くのフィルタ回路は少し回路を変更すれば発振器にすぐ変身できる。これはこのICに限ったことではない。

 左図はそのような考えから正弦波の発振回路に使ってみた例である。 FLT-U2はフィルタ用だから発振器に最適とは言えないところがある。外付け部品定数の選び方に工夫が必要だ。 さらに、できるだけ低ひずみな正弦波発振器を作りたいのでOP-Ampをもう一つ付け足すことにした。 わずかに歪が増えても良いのならFLT-U2の単独で発振回路を構成することもできる。

 内部の等価回路も含めて書いておいた。 IC内部の部品も含め全部を外付けパーツとし、同じ回路構成にすれば一般的なOP-Ampで作れるわけだ。FLT-U2がなくてもCRが数個増えるだけに過ぎない。 バイアス電流:Ibが小さいOP-Ampを使えばFLT-U2内部にあるr4とr5(それぞれ100kΩ)に相当する抵抗器は不要である。各In+端子は直接GNDに接続すれば良い。
 このように回路例では珍しいICを使っているが、代替手段があるから一般性があるわけだ。 実際、自分が次に作る時にはFLT-U2はもう無いのだから普通のOP-Ampを並べることになる。 OP-Ampを良く選んでやれば性能は同じかむしろ向上する可能性さえある。

 可変抵抗:VR101はひずみ率計やFFTアナライザがあれば入念に調整すべきだが、なければ中央の位置のままにしておけば良い。それでも十分低ひずみなはずだ。 オシロスコープで観測して、もし目で見て歪みがわかるようならR109(2kΩになっている)を1kΩに減じてみると良い。2SK246GRのバラツキで振幅制御が旨く掛からないことがあるのだ。 振幅制限さえきちんと掛かっていれば既にひずみ率は十分小さくなっている。 発振振幅はR110(2.2MΩ)で変えることができる。抵抗値を大きくすると発振振幅が小さくなる。但し10Vpp以下にしない方が良いと思う。5MΩで10Vppくらいだ。(この振幅調整の部分はこのような高抵抗を使わず済むよういずれ変更の予定・・・簡単にできるのだが)

試作状況
 外付け部品も少ないことから簡単に組み立てできる。

 使用したFLT-U2は非常に古い在庫品だったのでリード線の表面が錆びていた。 それで接触不安定が発生した。 最初それに気付かず経年劣化したのではないかと思った。

 帰還ループを切ってフィルタとして動作させ、ICの各ピンで信号の通り具合を見て追跡した。 その結果、信号が到達しない所があったので接触不良だとわかった。 どうやら保管状況が良くなかったようでリード線表面の酸化が進んだのだと思う。 足を磨いてやった後は順調であった。 幾つか部品定数を追い込んで概ね上記の回路図のような定数に落ち着いた。

FLT-U2の部分
 これを作ったメーカー:DATEL社は高性能なモジュール型A/D・D/Aコンバータなどを製造していた。以前は日本支社もあったが撤退したようである。 Date Codeは7832だから古さがわかる。(笑)

 比較的安価に高性能なモジュールを提供してくれる有難い会社だったが時代の波に飲み込まれ数回身売りされて転々とした。 日本では村田製作所がその事業の一部を継承しているらしい。 メーカーのサイトから過去の製品の情報は得られないようであった。 幸いネット上にデータ・シートがあったので助かった。 こうした機能が特化した電子部品は資料がなくてはまったくのお手上げである。

LF356H
 追加したOP-Ampである。 別段これに限る理由はないので、他のもので代替は可能だろう。 ただし、FLT-U2は±15V電源で使う前提だ。同じ耐電圧のOP-Ampを選ぶ方が良い。

 引出しから出て来たので使ってみたのだが、高速性は要求しないのでもっと消費電力の少ないOP-Ampに置き換えたいところだ。 LF356Hはいま見ても優秀なOP-Ampだと思うが±15Vで使うと発熱が多いのがちょっと気になる。まあ放熱器が必要な程でもないのだが・・・もちろん壊れはしない。

2SK246GR
 発振波形が歪まないように振幅を自動制御しなくてはならない。 それに使う電圧制御可変抵抗素子としてはJ-FETの2SK246GRを使ってみた。 2SK30ATM-GRでも良いのだが幾らかでも新しい品種でと言うことで・・・。こうしたデバイスもいずれ面実装品を使うことになるのだろう。IdssランクはYやBLでも良いが、部品定数の変更を要する場合がある。

 ひずみ特性に影響があって、J-FETにも幾つか候補はあるが2SK30と2SK246ならまずまずの性能が得られるので悪くない選択だと思う。 手持ちがなければ2SK192AやJ310なんかでも取りあえず使えるので試してみたら良い。多少悪化したとしてもオシロスコープで見てわかる程のひずみ率にはならない。 MOS-FETの2SK241とか2N7000(要回路変更)などは使えなくもないのだが、こうしたデリケートな低周波回路にはやめておいた方が良い。なるべくJ-FETを使うべきだ。一時の間に合わせならともかく、良い性能を目指すなら適材適所で行くべきだ。

きれいな正弦波
 オシロスコープで見ても「とても奇麗なサインウエーブ」としかわかるまい。純正正弦波の教科書的な波形と言ったところだろうか。(笑) 発振振幅はある程度任意に加減できるが、アンプノイズとの関係から大きめの方が良いようである。あまり絞ってしまうと残留ノイズとの関係でひずみ率が悪く出るようになる。

 ここでは22Vppで発振させているが、±15Vと言う電源電圧から考えてこの程度が最大と思った方が良さそうだ。

 周波数安定度は外付けの抵抗器:R102とR103、さらにはFLT-U2に内蔵の1000pF(2個)に依存する。 FLT-U2の内部コンデンサは良い物が使ってあると思う。 外付け抵抗器はせめて金属皮膜型の1%誤差で温度係数が小さいものを使いたい。 なお発振周波数をもっと低い方・・例えば100Hz等に変更するなら内蔵の1000pFを補うだけでなく、振幅制御ループの時定数を決めているC101とC102の値も再検討せねばならない。 発振の上限周波数は内蔵するOP-Ampのスルーレートで決まってくる。FLT-U2では可聴域が限度だ。

波形ひずみ測定
 回路図に書いてある計算式よりも2〜3Hz低く発振した。部品の誤差とストレー容量に原因がある。 R102と R103を微調整すればちょうど1kHzの合わせることが出来る。どちらか一方の抵抗だけで加減しても大丈夫な範囲と思う。 もちろんR102とR103は同じ値になるよう調整した方がより良い。 サイン波とコサイン波を同時に取り出したいときはR102とR103をよくマッチさせた方が良い。もちろん内部のコンデンサのマッチも必要なのだが・・・。

 ひずみ率は0.0012%くらいなので、測定している環境など考えるとそろそろ限界に近いことろだ。 特別に「低ひずみでローノイズ」とは言えぬフィルタ専用のIC:FLT-U2を使った割にはかなり好結果が得られたと思う。回路がコンパクトに纏まっているのは有利なのだろう。 データシートによれば中身のOP-Ampの種類はわからないがアナログ回路用に吟味したものを使っているようだ。使っているのはノイズが10nV/√Hz以下、GB積は3MHzの高性能OP-Ampだそうである。今ならこの程度はごく平凡なものと言えるが1970年代にどんな種類のOP-Aampを内蔵したのだろうか? (開発年代や種々のパラメータから私の推測ではRC4558またはその選別品ではないかと・・・)

 FLT-U2と類似の回路は個別OP-Ampと精度の良いCRを集めればそのまま製作可能だ。 いまはローノイズで低ひずみをセールスポイントにする非常に性能の良いAudio用と称するOP-Ampが登場している。LME49720NAやLM4562NAなどこのような用途にはうってつけだ。ちょっと下がってNJM4580やLM833あたりでも十分かもしれない。1000pFのコンデンサはQが高く温度特性も良好なスチコンかディップド・マイカを使おう。もちろん実測して2つを良くマッチングさせる。

                    ☆

 何時か使おうと思って集めた部品も様々な事情から忘れられてしまうことがある。 FLT-U2はフィルタ設計が簡単ではなかった時代には重宝だった。 今ではコンピュータ設計や回路シミュレータが一般化してフィルタ専用ICの価値は下がってしまった。 もう使うこともないだろうと思っていた部品であった。 たまたま低ひずみ発振器の回路が頭の隅にあったので活用を思いついたようなものだ。 回路をわかっている人の目で見たら発振器にできて当たり前なのだが・・・。

 それでもこのくらいの低ひずみともなれば、実際にやってみないとわからないところは多い。机上の検討だけで済むもんじゃない。ひずみの多い発振器にフィルタで対処など机上アイデアなのはやってみたらわかるから・・・。最初っから奇麗な発振をさせるのがベストだ。 まあ、こんなBlogなんかいくら眺めていたところで貴方に本当のことなどわかるはずもない。想像で語ってる他人の意見など何の役にも立たず。まずは画面を離れて自身の手を動かすことだ。

 状態変数型フィルタを使った発振回路は設計が簡単になるような部品定数が選ばれるのが普通だ。 FLT-U2を使おうとすると厄介な部分があって少し工夫が必要であった。フィルタとして使い易く工夫された部分が発振回路には少々不都合なのである。 幸いうまく解決できたので好結果が得られた。 これで概ね発振回路として確立できたと思っている。 FLT-U2も低ひずみ発振器用のICと考えれば新たなニーズも生まれてくる。もう何個かあったなら・・・などと思ってしまった。 ここは一つしかないからスポット周波数の発振器の製作になるのは仕方あるまい。de JA9TTT/1

☆関連があるBlogにリンク:
1・低ひずみ正弦波発振→ここ
2・ウイーン・ブリッジ発振回路→ここ

(おわり)

☆実験やBlog作成にあたり参照した情報:
(1)はじめてのトランジスタ回路設計、1999年5月1日初版、黒田徹、CQ出版社、ISBN4-7898-3280-5、¥2,500−、絶版だがCD-ROM版あり(¥1,903-)
(2)OPアンプ活用100の実践ノウハウ、1999年8月1日第2版、松井邦彦、CQ出版社、ISBN4-7898-3281-3、¥2,100-:絶版
(3)OPアンプによる実用回路設計、2007年2月1日第4版、馬場清太郎、CQ出版社、ISBN978-4-7898-3748-4、¥2,800-:販売中
(4)発振回路の完全マスター、昭和63年9月20日第1版、稲葉 保、日本放送出版協会、ISBN4-14-072035-2、¥1,900-:絶版
(5)FLT-U2 Micro-electoronic Universal Active Filter、DATEL社、仕様・取扱説明書

ほか、各社の半導体のデータブックなどを参照。 アナログ関係の良書が絶版ばかりなのは残念。

11 件のコメント:

本田/JK1LSE さんのコメント...

おはようございます。
連休だというのに、風邪を引いてしまいました。
またまた、難しそうなネタですね。
私も電子工作を始めた頃、AF発振器とミリバルが欲しかったですね

発振器はウィーンブリッジで作ったのですが、波形がクリップするか、発振停止になるか非常にクリティカルでした。

ずうっと後年、オペアンプとFETの振幅制限でうまく発振するようになったのですが、周波数を可変しようとすると、振幅が修練するまでに時間がかかってしまい発振器としては如何なものか的なものしかできませんでした。
結構、2連ボリュームも2抵抗間に偏差があって、これもうまくいかない原因だったと思います。
市販のオーディオ発振器(安いやつ)もうまく出来ているなぁと関心した次第です。

歪率0.01%ってことは、仮に2倍高調波しか無いとしたら-40dBってことですか(あってるかなぁ)。中々、スゴイ値ですね。

AF発振器は私にとっては永遠のテーマです。いずれまた、挑戦してみたいです。

本田/JK1LSE さんのコメント...

一桁違ってましたね。
0.001%だから-50dBですか?

TTT/hiro さんのコメント...

JK1LSE 本田さん、おはようございます。 せっかくの連休に風邪で休養されておられるようで・・・。 どうぞお大事にされてください。

早速のコメントありがとうございます。
>AF発振器とミリバルが欲しかったですね。
わたしも何とか手に入れました。 無線とオーディオの両方となると必要な測定器が多くて大変でした。hi hi

> 波形がクリップするか、発振停止になるか・・・
振幅の自動調整を付けないと良い状態に保つのは難しいですよね。

> 2連ボリュームも2抵抗間に偏差があって・・・
VRで周波数連続可変をしようとするとこれが一番問題ですね。 メーカー製ではバリコンを使う物が多い理由の一つでしょう。 但し良いバリコンに限ると思いますが。中華製は駄目かも知れませんね。(笑)

> 0.001%だから-50dBですか?
この数字は基本波と高調波の電圧比ですから・・・20Log(0.0012/100)になって、-98.4dBです。一つの高調波しか存在しないと仮定しての計算ですけど。

実際には高調波の全ての合計(二乗和の平方根)とノイズも合わせて測定されているため、ノイズフロアの影響も非常に大きいのです。 正式に箱に入れたらスペクトラム解析も行ないたいと思います。 スペアナの測定ダイナミックレンジも問題になりそうです。hi hi

周波数連続可変は最適化しにくいので数波のスポット式で作る方が楽だと思います。 オーディオ用でしたら100Hz、1kHz、10kHzが良いと思いますが、HAM用の2トーン発振器でしたら1kHzと1.575kHzが標準のようです。

> いずれまた、挑戦してみたいです。
オシロスコープで歪んでいない事を確認する程度でも十分に低ひずみになっていますから製作は難しく無いと思います。ぜひ挑戦されて下さい。

本田/JK1LSE さんのコメント...

なるほど、そうですよね、電圧比だから20logですね。-90dbを超える世界だとFFTでも観測が難しくなってきますね。
それにしても、すごい世界です。

市販品はバリコンでした。トラッキングの問題だったんですね、これも納得です。

少し体調も良くなってきたので、後半で前半の分まで取り戻します。体調を見ながらですけど。

TTT/hiro さんのコメント...

JK1LSE 本田さん、続けてコメント有り難うございます。

> FFTでも観測が難しくなってきますね。
FFTアナライザも簡易なものでは自身のひずみが見えてしまうようですね。hi hi

> それにしても、すごい世界です。
オーディオアンプが半導体化され、凝った回路形式と深いNFBを掛けるようになり非常に低ひずみになりました。 そのようなアンプの評価用に必要になって測定器も進化したように思います。

> トラッキングの問題だったんですね・・・
もう一つ、可変抵抗器はブラシの部分の接触不安定が現れ易くて・・・要はガリになり易いのも理由です。 多回転のヘリポットを使うと良いのですがあれはインダクタンスがあるのであまり高い周波数は駄目ですので・・・。 結局バリコンが良いと言う結論でしょうか。hi hi

> 後半で前半の分まで取り戻します。
回復されて来たようで良かったですね。 無理をされない範囲で楽しまれて下さい。

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

こんにちは。
GWですが相変わらず仕事と部屋の片付けです^^;

低歪みAF OSCは電球を使ったウィーンブリッジしか作ったことありませんが、当時はひずみ率を測ることも出来ずオシロで波形を見ただけでした。Hi

RFもAFも純度の高い信号源はスポット周波数で良いので一つは欲しいですね。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、こんにちは。 巷はGWですが、お仕事とはお気の毒です。 お部屋の片付けも大仕事だろうと思います。 重量物の運搬で腰痛などなりませんように。

コメント有り難うございます。
> オシロで波形を見ただけでした。Hi
サイドトーン発振器などの用途ならそれで十分ですね。 音が出たらそれで十分と言う用途の方が多いですから。(笑)

> スポット周波数で良いので一つは欲しいですね。
HAM用には2トーン発振器が良いのですが、無線機のマイクアンプ系は低ひずみとは言えないのでほどほどの性能でも良いのかも知れません。

FBな測定器群をお持ちですからぜひ製作されて下さい。 測定器が活躍の機会を待っていますよ。

jn3xby@岩永 さんのコメント...

加藤さん、こんばんは。
金沢(正確には隣の野々市)の孫の所に行っていました。
0.001%台の発振器ですか、ハイブリッドとはいえ、この小ささですごいですね!
昔、100Hz、1KHz、10KHzをSWで切り替える発振器がありましたが、3Uサイズのラックマウントだったと記憶しています。おそらく同じ回路構成ではなかったかと推測します。
精度の高い抵抗が使われていたのではとも!
最近ではデジタルでbit数を上げればそこそこのものが作れてしまうので、今となっては貴重なものではないかと思います。
DATELといえば、懐かしい感じもしますが、手に入れたことはなかったと思います。

TTT/hiro さんのコメント...

JN3XBY/1 岩永さん、こんばんは。 金沢からのお帰りは混雑していたようですね。お疲れさまでした。

コメント有り難うございます。
> この小ささですごいですね!
大した集積度でもないのですが、内部で配線されていますのでピン数が少ない分だけコンパクトに作れました。hi

> 3Uサイズのラックマウントだったと・・・
プロ用ですと、周波数や出力電圧の安定度も保証しなくてはならないのでそのくらいのサイズになるのも不思議ではないでしょうね。 OP-Ampも良い物がなければディスクリートで組みますから大型化しますね。

> デジタルでbit数を上げればそこそこのものが作れてしまう・・・
デジタル式の場合は高調波ひずみではなくて、ノイズの方が問題になるようですね。 でもサンプリング周波数を上げて、Bit数を増やせば原理的に非常に良い物が作れますね。 発振器の出力部分のアンプのひずみやノイズフロアがネックになりそうです。(笑)

> DATELといえば、懐かしい感じもします・・・
いまはモノリシックで高性能なA/DやD/Aが作れる時代ですからハイブリッドIC屋さんは大変でしょうね。軍事用とか特殊分野に特化するしかなさそうです。 同社の大きな箱形16bit D/Aコンバータを持っていますが使う機会も無さそうです。これも時代ですね。

JA9MCH_tanutanu さんのコメント...

加藤先輩 ご無沙汰しております。

 アイルランドのダブリンというとこにしばらく行ってました。北海道くらいの国で、経済規模は川崎市くらいかなぁ。ギネスビールの故郷です。とっても美味しかったんですけど、なぜかレストランでは、ワインを勧められるのが??夜のパブは、お客さんがギネスや持込楽器でどんちゃん騒ぎでした。

 無線のアンテナがある家を見かけたので、ネットや市内をさがしましたが、パーツ屋もハムショップも見つけることができませんでした。残念。レストランにディスプレーされていた古い縦型ラジオを見ただけでした。

 いつものように関係の無いコメンで申し訳ありません。

JA9MCH 和田

TTT/hiro さんのコメント...

JA9MCH 和田さん、おはようございます。 お元気そうで何よりです。

コメント有り難うございます。
> アイルランドのダブリンというとこに・・・
行ってみたい国の一つです。 お仕事で行かれたのでしょうね。お疲れさまでした。

> 夜のパブは、お客さんがギネスや持込楽器で・・・
楽しそ〜!!(笑)

> 古い縦型ラジオを見ただけでした。
英国に1週間ほど滞在したときに無線雑誌を書店で購入し、広告からお店を見つけようとしたのですが日本のようなハムショップとかパーツショップは見つかりませんでしたね。 オーディオ関係のお店ならありました。 あとはHAMクラブのガレージセールとか蚤の市に骨董品のようなものが出るらしいです。

関係ないコメントも歓迎しますよ。hi hi