まさはる's Weblog

　前回、ICの制御等をI²Cですることが出来たので、早速、本命のICのデータシートをマジマジとみて見たところ、I²Cという言葉が全く出てこない...。よく見るとDATAとCLOCKの隣にLATCHっていう端子が出ているし...これ、もしかしてI²Cでないのでは...(-_-;

　...色々と調べた結果、SPIだと分かりました。まぁ、どっちも出来る事に越したことはないし...という事で、今度はSPIを使う事になりました。

SSOP32変換基板とMUSES72320

　このMUSES72320は電子ボリュームICで、表面実装用の0.65mmピッチ（SSOP32）です。これまではんだ付けした最小ピッチは0.95mmだったので、うまく出来るかなと思っていましたが、フラックスとDタイプのコテ先を使うとそんなに難しくなくはんだ付け出来ました。

MUSES72320 電子ボリューム（1/2）の回路図（PDFはこちら）


MUSES72320 電子ボリューム（2/2）の回路図（PDFはこちら）

　1枚目の回路図はMUSES72320のアナログ回路とオペアンプの電源回路で、2枚目の、Arduino Nano EveryはUSBからの給電、MUSES72320のデジタル回路はNano Everyからの給電になっています。なお、全くコメントや計算式が書かれていないのは、MUSES72320のデータシートに載っている回路そのままだからですｗ。

　プログラムは、ライブラリのSPIを使っていますが、その他は前回と同様に自力です。ちなみに、作ってから分かったのですが、GitHubにMUSES72320のArduino用のライブラリがあるので、そちらを使う方が手軽で確実だと思います。私のプログラムはチップアドレスが0000で固定だったりと手抜き満載ですが、ソースはこちらです。

MUSES72320 電子ボリューム

　最初は、MUSES72320は0dBから-111.5dBまでボリューム値を変更できるからと、アナログで読んだ0〜1023の値を全体に割り振っていたのですが、動作させてみるとボリュームを12時の位置以上に上げないと出力が現れません。何でかなと思って販売されているボリュームキットを調べてみると-60dB止まりにしている物がいくつかあったので、この電子ボリュームも最低は-60dB、その下はMuteにしています。

0dB時の回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


-6dB時の回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


-30dB時の回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


Mute時の回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）

　上から3枚目の-30dB時のボリューム位置は12時の状態で、オシロスコープだとほんの少し盛り上がっているのが分かります。後は、実際に音を聞いてみて調整する必要がありそうです。

　ちなみに、この回路は実際のボリュームで分圧された電圧をアナログで読み取って、電子ボリュームの値に単純に変換している関係で、境目あたりで値がふらつきます。プログラムでは、ふらついて頻繁にボリューム値を変更しないよう細工をしています。

0.65mmピッチのはんだ付け状況

　綺麗にはできませんでしたが、ちゃんと動作するので良しとしておきます。

　つい最近Arduino Uno R3を購入したばかりなのに、また購入してしまいました。

Arduino Nano Every

　ICの制御等をI²Cでやる分には、Uno R3で十分なのですが、ブレッドボードに直接挿した方がまとまりが良さそうだったので...。なお、購入に当たっては、初めから付いているピンヘッダーは太いのではないかと思ったので、ピンヘッダーがはんだ付けされていない方を購入して、細ピンヘッダーで使っています。

温湿度計の回路図（PDFはこちら）

　なんと素っ気ない、秋月電子通商で売られているモジュールを線で繋げただけの回路図です。I²Cで通信する温湿度センサーとLCDは、どちらも3.3Vなので通信経路に双方向ロジックレベル変換器を入れてあります。

　プログラムは、ライブラリのWireを使っていますが、使いたいICにライブラリがあるとは限らないので、温湿度センサーとLCDはライブラリを使わずに処理しています。プログラムのソースはこちら。

温湿度計

　プログラムで結構苦労しましたが、なんとか出来ました。最初、温湿度センサーは値を取得できたのですが、LCDがうんともすんとも...秋月電子通商の説明書によるとLCDのアドレスは0x7Cとなっているのですが、どうやら0x3Eのようで、変更したら表示されるようになりました。

　初めてI²Cを使ってみましたが、2本の信号線を並列に繋げば複数のモジュールが機能するので、かなり便利なインターフェースです。これで本命のICの制御ができるかも...。

　ずいぶんと前にシングルボードコンピュータのRaspberry Piが発売されてから、名前も内容も似ている色々なボードが発売されているのは知っていましたが、小さくなったパソコンなので特に興味はありませんでした。
　最近になって、電子部品を調べていてICの制御等をI²Cでやっているのがほとんどだという事に気づいたため、使えるようになればいいなという事で、流行っているワンボードマイコンのArduino Uno R3を購入してみました。

Arduino Uno R3

　で、なんでR4が出ているのに値段の高いR3にしたのかというと、あらかじめ購入したO'Reilly Japanの「Arduinoをはじめよう 第4版」を読み進めると、どうやらI/Oピンの電圧と電流がモデルによって違うっぽい...。
　最初はコネクタがUSB-Cで安価なArduino Uno R4 Minimaにしようと思っていたのですが、データシートを見るとI/Oピンで使える電流は8mAと記されており、本によるとうまく動作しなかったらトランジスタで駆動しましょうとか書いてあるので、20mAまで使えるDIPのICが載ったUno R3にしました。

入力電圧でLEDの明るさをコントロール

　アナログ入力ピンは10bitのADCが利用できるので、入力した0〜5Vを0〜1023の値で取得して、デジタル出力ピンから5Vで0〜255（8bit）段階のPWM出力をLEDに入力してみました。
　手持ちの部品でできるのはこの程度なのですが、試しにPWM出力をオシロスコープで見てみたところ、0-5Vの矩形波が出てきました。

PWM出力（回路図のA点）

ボリュームを回すとデューティ比が変わります。周波数は490Hzでそれほど高くないようです。

　とりあえず、I²Cで通信するモジュールを持っていないので、何か適当な物でも入手してから色々試してみたいと思っています。

　今年の1月に1冊目の教科書「CQ出版社 定本 トランジスタ回路の設計」が終わったので、しばらく息抜きに別の回路を組んでいましたが、続編の「CQ出版社 定本 続トランジスタ回路の設計」の実習をしないとFETが使えるようにならないので、第4章までやってみました。

（第2〜3章のソース接地増幅回路）

ソース接地増幅回路

　ブレッドボードの左側は前回の状態変数型正弦波発生回路で、ソース接地増幅回路は右側の部分です。

ソース接地増幅回路の回路図（PDFはこちら）

　これまで、JFETは正弦波発生回路で使っており、その時は見よう見まねで作っているので気にしたことはありませんでしたが、実際に計算してみると、V_GSの範囲が広くてどの値になるか分からんとか、ゲートよりソースの方が電圧が高いなどが分かりました。

回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


回路図のV_G点とV_S点（CH1（黄色）はV_G点、CH2（水色）はV_S点）

　上の絵は入力と出力です。エミッタ接地増幅回路と同様に位相が反転しています。また、電圧利得は設計値が3倍に対して2.5倍になっています。
　下の絵はゲート電圧とソース電圧で、ソース電圧の方が高くなっています。

（第4章のソース・フォロワ回路）

ソース・フォロワ回路

　最初の写真とほとんど変わりませんが、抵抗の値等が変わっています。

ソース・フォロワ回路の回路図（PDFはこちら）

　今回は計算値と実測値が結構ずれています。V_GSを中間値の-0.8Vで計算しているのですが、実際は-1.16Vだったのがずれた原因かもしれません。

回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）

　出力の振幅がちょっと小さくなっていますが、気にしないことにしておきます。ちなみに、本来1倍のところ0.7倍ぐらいになっているので、測り方に問題があったのかもしれません。

　前回は、以前から使っているウィーン・ブリッジ正弦波発生回路でアンプのテストしていたのですが、正弦波発生回路について詳しく解説がされているElliott Sound Productsというオーストラリアのサイトを見つけたので、その中の状態変数型フィルタを使った回路を参考に、正弦波発生回路を作ってみました。
　ちなみに、Elliott Sound Productsはとても大きなサイトなので、上の検索欄に「state variable oscillator」と入れて検索すると該当ページが出てきます。

いきなり発振しました（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）

　回路図はこの後出てきますが、いきなり発振しました。しかも振幅が8V_PPと大きく、下がクリップしています。振幅を小さくすればクリップも解消すると思うので、振幅を決めていそうな抵抗器の値を変えてみると、振幅が小さくなりクリップも解消しました。

振幅を2V_PPにしたところ（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）

　後に出てくる回路図のVR3は、元々は30kΩの固定抵抗器だったのですが、どうやら5kΩ辺りから発振し始めて、値を大きくすると振幅が大きくなるため、10kΩの半固定抵抗器に変更しています。

状態変数型正弦波発生回路

　オペアンプはNJM4580DDを使いました。高性能ではないかもしれませんが、何にでも使えるオペアンプなので、とても重宝しています。

状態変数型正弦波発生回路の回路図（PDFはこちら）

　この回路図の中で、発振周波数を決めているCとRは、CがC4とC7で、RがVR1+R8とVR2+R9です。また、振幅の大きさを決めているのはVR3です。

　その後、この正弦波発生回路はとても安定しているので、10kHzと100Hzも出せるのか、Cの値を変更してみました。

Cを1000pFに変更（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


Cを0.1uFに変更（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はC点）

　半固定抵抗器には触らずにコンデンサだけ入れ替えてみました。オシロスコープの画面の上は10kHz、下は101Hzになっています。周波数と振幅にズレがあるので可変抵抗器で調整する必要がありますが、回路を工夫すれば100Hz、1kHz、10kHzの正弦波発生回路が作れそうです。
　発振周波数の切り替えは、コンデンサの切り替えとVR1〜VR3の調整ができるようにすればいいので作るのは難しくないのですが、回路がごちゃごちゃになるのでスマートに切り替えられるよう、よく考えてからにしたいと思います。

　前回の最後に、「とりあえずNJM4580DDで音を出してみて」と言ってしまった事もあって、音が出せるように色々と追加してみました。

正弦波発生回路

　最近、波形発生器キットMK-200Dの出力が何故か+側に寄ってしまったので、以前から使っている正弦波発生回路を新たに作り直しました。電源が電池なのでノイズは無く、きれいな正弦波が得られます。

トランスリニアバイアスアンプ

　アンプの方は、もう片チャンネルの追加と、スピーカーに繋げることから位相補償回路を追加し、電源回路は新たに作り直しました。

トランスリニアバイアスアンプ（1/2）の回路図（PDFはこちら）


トランスリニアバイアスアンプ（2/2）の回路図（PDFはこちら）

　作り直した電源回路は、いつもの簡単なレールスプリッタ回路の後ろに、プッシュプルのエミッタフォロワをパラレル接続にしてみました。これまで作ってきた電源回路はヒートシンクがかなり熱くなるので、何かいい方法はないかと思っていましたが、この回路のヒートシンクはあまり熱くならないので良さそうな感じです。

　アンプ本体の方は、ボリュームと位相補償回路を追加しています。また、バイアス電流を底上げするR33とR34は10Ωから20Ωに変更して、最終段のバイアス電流を少し落としています。

正弦波発生回路のD点とE点（CH1（黄色）はD点、CH2（水色）はE点）

　正弦波発生回路で2V_PPにした信号をアンプに入力しています。

回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


回路図のA点とC点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はC点）

　4Ωのダミーロードを繋げており、C点で8V_PPが出ているので2Wの出力になっています。ちなみに、この状態におけるヒートシンクは、3つの全てがかなり暖かくなっていますが、熱いってほどではありません。

左と右のC点（CH1（黄色）は左のC点、CH2（水色）は右のC点）

　今回でブレッドボードを使ったアンプの製作は3つ目なのですが、いつも右チャンネルの振幅が小さい...。左に電源回路、次に左チャンネル、その次に右チャンネルと作っていて、電源ラインを単に横に繋げているせいかも知れません。

　ま、細かいことは抜きにして、テスト用のスピーカーに繋げて問題ないことを確認した後、うちのスピーカーに繋げて音を出してみました。

トランスリニアバイアスアンプから音出し中（オペアンプはNJM4580DDからNL8802ANに変更）

　最初はこもっていてスッキリしない音だったのですが、しばらくして温まってきたのか普通に良い音になりました。オペアンプをNJM4580DDからNL8802ANに変更して聴いていたのですが、その後MUSES02Dに交換してみると安定感のある音に。その後、最近購入したNJM5532DDに交換してみると同じ様な感じで全く遜色ありません。安価なオペアンプですが私にはこれで十分なようです。

NJM5532DDで音出し中

　前回、トランスリニアバイアス回路のアンプを試作してちゃんと動作したので、色々と実験してみました。

回路図のA点とC点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はC点）

　入力している正弦波の信号がやたらと+側に寄っていますが、信号発生器の出力のカップリングコンデンサを交換しても変わらなかったので、当分はこのままでいきます。

C9を抜いてみました

　測定点は1つ目のグラフと同じで、発振防止用と思われるC9とC10のC9を動作中に抜いてみました。イマジナリショートで入力側にも発振しているのが現れています。1uFが適正な値かどうかは分かりませんが、あの位置にコンデンサは必要なようです。

交換するオペアンプの候補

　以前、負帰還を出力段の後ろから掛けて発振したので、発振しなさそうなNJM4580DDを使っていますが、もっと性能の良さそうなオペアンプに交換してみました。
　上はJFET入力で左から、NL8902AN、MUSES8920AE、MUSES01D、下はバイポーラ入力で左から、NL8802AN、MUSES8820D、MUSES02D、OPA1612AIDです。

MUSES01Dに交換した場合

　日本勢はどれも問題ないようです。

OPA1612AIDに交換した場合

　ちょっとC点（水色）のてっぺんの線が太くなっているような感じですが、入力側には現れていないので、私の測り方が悪かったのかもしれません。
　これならどれでも良さそうなので、とりあえずNJM4580DDで音を出してみて、色々と取り換えてみるのが面白そうです。

　前回、1冊目の教科書の「CQ出版社 定本 トランジスタ回路の設計」が終わったので、2冊目にいく前に横道に逸れてみました。

トランスリニアバイアス回路

　この回路は、AB級アンプを作っていた時から気になっていたもので、出力段のトランジスタがオフにならないというものです。
　相変わらずトランジスタを変なやり方で実装していますが、このヒートシンクはM3穴のピッチが両端以外は合っていないこと、中央2つのトランジスタは上下に2つ重ねていること、配線の自由がきいて回路がコンパクトになることから、あんな風にしています。

トランスリニアバイアス回路の回路図（PDFはこちら）

　この回路のトランスリニアバイアス回路（Q2,Q3,Q5〜Q8あたり）は、トランジスタ技術で公開されている黒田徹氏設計のゼロディストーション・パワーアンプ・キットの回路図を参考にしています。

　Q1とQ4は定電流回路のトランジスタですが、20mA程度ならもっと小さいトランジスタでも良さそうです。あと、C15のカップリングコンデンサは元々無かったのですが、正常に動作しなかったため、だいぶ悩んだ末に追加しています。

回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


回路図のA点とC点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はC点）

　上のグラフで、A点の入力信号の振幅が+側にズレているため、B点も上にズレており、C点はカップリングコンデンサの下流のため振幅は中央になっています。

　さて、ここからが今回のメインです。以前、AB級アンプを作っていた時に、最終段のコレクタ電流を測っており、その時はスパッと0Aでトランジスタがオフになっている様でした。で、今回はというと、

Q5のIc


Q8のIc

0Aから最低値が浮いています。+側は56mA、-側は45mAぐらいになっており、トランジスタはオフになっていない様です。また、ネットで見るシミュレーションの結果と同様に、0Aに近づくにつれて丸まって最低値になっています。

　ほほう、何となくちゃんと出来たような感じです。ちなみに、最終段に入っているR12とR13ですが、無くしてしまうと0Aにかなり近づきます。あの抵抗器は、バイアス電流を底上げするために入れてあるようです。

アンプ部分

　今回初めて、負帰還を出力段の後ろから掛けて発振せずに上手くいきました。あまり高性能なオペアンプだと発振しそうなのでNJM4580DDを使っていますが、オペアンプを換えたりして、しばらくはこの回路で色々と試してみたいと思います。

続きを読む... "トランスリニアバイアス回路をブレッドボードで作ってみました"

　前回からの続きで、次は第10章の電源回路なので飛ばそうと思いましたが、負帰還をかけて電圧の調整をしているので、飛ばさずにやってみました。

（第10章の電源回路）

電源回路

　3つのトランジスタ、ツェナーダイオードの他、部品点数が少ないので簡単に作れます。

電源回路の回路図（PDFはこちら）

　出力電圧の設計値は+3V〜+15Vなのですが、最大で14.2Vまでしか出ていません。最初、出力電圧が15Vなので入力電圧を+2Vの17Vでやっていたのですが15Vが出なかったので、教科書どおりの19Vに変更してみましたが14V止まりになりました。何でかなと思いましたが、現在のところ電源には困っていないので、こういうものとしておきます。
　話変わって、今回初めてツェナーダイオードを使ってみました。定電圧ダイオードという名称がついているので、常に定電圧というイメージがあったのですが、VR1で出力電圧を変更するとデーターシートの範囲ぐらいは変わることが分かりました。

（第11章の差動増幅回路）

差動増幅回路

　上の写真の右側が差動増幅回路です。

差動増幅回路の回路図（PDFはこちら）

　オペアンプの等価回路図の最初に出てくる差動増幅回路は、ネットに載っている自作回路図でもよく見かけます。初段の2つのトランジスタは、特性の揃ったデュアルトランジスタとするのが良いのですが、最初なので敢えて個別のトランジスタで作ってみました。

回路図のA点とE点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はE点）


回路図のA点とF点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はF点）

　上の画面は、A点に100mV_PPの正弦波を入力して、B点は0Vとした時のE点とF点の波形です。電圧利得はどちらも約29倍になっており良いのですが、なんか波形の一方が丸まっているような...。試しにC点とD点をDCカップリングで見てみると、

回路図のC点とD点（CH1（黄色）はC点、CH2（水色）はD点）

　うわっ、海坊主の大群が来たような絵に...ｗ。振幅の中心電圧が合っていないので、上下にズレている上に、丸まっているのとそうでないのが交互になっているようです。
　まぁ、次の課題も差動増幅回路を使うので、ズレているとこんな感じだということにしておきます。

（第12章のオペアンプ）

オペアンプ（写真は非反転増幅回路）

　教科書としている「CQ出版社 定本 トランジスタ回路の設計」は2025年8月末に購入しているので、最後の第12章までたどり着くのに5ヶ月間ほどかかりました。その間、回路図を書いて、値を計算して、実際に作って、測ってみることを繰り返してきたので、だいぶ分かってきたような気がします。

オペアンプの回路図（PDFはこちら）

　上の回路図に設計値と実測値を載せてありますが、今回、珍しく合っていますｗ。教科書だとLEDの順方向電圧降下を1.6Vで計算していますが、手持ちのLEDを測ってみたところ1.8Vだったので、それで計算したことが合った要因ではないかと思います。
　これなら上手くいくだろうと思って早速オシロスコープで測定してみると、反転増幅回路が正常に動作しない...。だいぶ悩んだ末に入力インピーダンスが低過ぎるのではないかと気付いたので、最初の反転増幅回路はRf=10kΩ、Rs=2kΩで電圧利得を5倍にしていたのですが、手持ちの抵抗器で5倍になる組み合わせで抵抗値を大きくしていったところ、Rf=120kΩ、Rs=24kΩで何とか正常に動作するようになりました。

回路図のA点とB点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はB点）


回路図のA点とC点（CH1（黄色）はA点、CH2（水色）はC点）

　オペアンプの入力の+側と-側は、仮想短絡（イマジナリショート）と言われて電圧が同じになるようです。このため、反転増幅回路では入力の+側が接地されて0Vなので、C点では仮想短絡となるため電圧が発生していません。Rsの向こう側のA点では電圧があるので不思議です。

回路図のD点とE点（CH1（黄色）はD点、CH2（水色）はE点）


回路図のD点とF点（CH1（黄色）はD点、CH2（水色）はF点）

　非反転増幅回路では、仮想短絡のためD点と同じ信号がF点にも現れており、正常に動作しています。この後の性能試験は測定機材を持っていないため、本を読んで済ますことにして、ここで、この教科書での勉強はこれで終わりにしたいと思います。

　実は...この教科書を購入した時に「CQ出版社 定本 続トランジスタ回路の設計」という続編を併せて購入していて、まだ使ったことのないFETはそっちで解説されているようです...先は遠いｗ。