2011年9月アーカイブ

先日、妻に誘われて「工場ナイトツアー」に行ってきました。
横浜みなとみらいのぷかり桟橋を出て、京浜工業地帯の夜の工場を船で巡るツアーです。
何が嬉しいのかと言うと、夜の工場がライトアップされていて意外と綺麗なので最近静かなブームになっている（妻談）との事です。
コースはぷかり桟橋から大黒ふ頭の左側を抜けて、京浜運河を羽田方面に向って進み、左側に並ぶJFEスチールや昭和電工、出光興産などの工場内のプラントを船上から間近で見て、ぷかり桟橋に戻ってくるコースです。所要時間は約2時間、フリードリンク1本付。

19時出発なので、遅れないように早めにぷかり桟橋へ行くと、知らなかったのですがここからは色んなクルージングツアーが出ていて、派手な衣装のカップルやコンパニオン（？）などでごった返していました。時間になったところで、係りのおじさん（船頭さん？）から集合の声がかかり、ツアーの概略と注意事項を聞いて船へと向いました・・・この船、タグボートでは・・・少なくとも観光用の船の周りにタイヤは並んではいません。タグボートに乗り込みフリードリンクもらい、屋根の無い最後尾に座ると、いよいよ出発です。みなとみらいの観覧車を後に、暗い工場地帯に向ってタグボートは結構な速さで進んでいきます。

遠くにみなとみらいの灯りが見えてきました。ほんの2時間足らずのツアーでしたが、暗い海の中で港の明かりが見えるのは、ホッとするものです。灯りがともり、便利な生活を当たり前の様に過ごしていると、その裏で陰となって自分のやるべき事をしっかりとしている人達がいる事を忘れがちです。この「お陰様」への感謝を決して忘れては成らないと改めて強く感じた夜でした。

 
今回は電源に入れるフィルタについて紹介したいと思います。

電源になぜフィルタなどと面倒なものを入れるかと言うと、電源が理想的ではないからです。シミュレーションで使う電圧源や電流源はこの世の中にはありません。実際の電源は電圧や電流だけではなく出力インピーダンスも有限で周波数に依ってその値も変わります。また、色々な雑音が混じっています。

特にほんのわずかな電圧や電流を増幅するアンプにとって、電源に混じっている雑音は信号との区別がつかなくなり、致命的になります。
また、ややこしいのは雑音を出すのは電源だけではなく、自分自身でもあると言う事です。つまり、出力インピーダンスが有限の電圧源は、負荷に流れる電流が増えると電圧降下が発生して、これが負荷にとっては雑音になります。デジタル回路で扱うデータに応じてヒゲのようなスイッチングノイズが出るのは、負荷電流が変わっていることが発端になっているのです。
そんなわけで、電源入れるフィルタは電源が出す雑音だけではなく、自分自身が出す雑音も取り除くことも目的なのです。

では実際に電源フィルタを作ってみたいと思います。
まずは回路の負荷を1KΩと想定します。3.3V電源であれば3.3mAが流れている事になります。デジアナ混在のSoCなどに使われているBGRなどの基準電源と思ってください。
次に電源からの雑音をカット(除去)する周波数を１MHzと決めます。

図 1

フィルタの方はLCの2次のLPFとします。共振周波数fcは次式で表されるので、

共振周波数fcを10MHzとしたときのフィルタ定数Lf1,Cf1の組み合わせを計算してみます。なお、インダクタLf1は(1)式から次の様に計算できます。

図 2

組み合わせに依って、ピーキングが発生しています。ピーキングの有無や量は、負荷のR0＝1KΩに対して、共振する周波数のインピーダンス

が大きいか小さいか、また負荷に対して並列に接続されているのか直列になっているのかにも依ります。
この辺りは後で詳しく説明することとして、フィルタの値を仮に決めたいと思います。
コンデンサは200pFより少し小さい方が良さそうなので150pFにします。これを使って計算で求めたインダクタは170uHなのですが、部品としては系列のある180uHとします。

図 3

この回路の周波数特性と電源の起動応答を見てみると次の様になります。

図 4

図 5

これで周波数特性も過渡応答も確認できたので、これで完了！と行きたいのですがまだ負荷電流変動が残っています。
前の回路図の負荷変動用電流源I3に下記のようなランダムな負荷電流を加えてみます。