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2013年7月 4日 (木曜日)

Mini-Whip オペアンプを使ったバッファ

Mini-Whipは初段のFETはソースフォロワー、2段目はTRのエミッタフォロワーで構成されて、プロープで受信(?)した信号をハイインピーダンスで受けて50Ωまでインピーダンス変換して同軸で受信機まで接続する構成です。

中波放送のオバケ(2次歪み)を減らす策を考えていますが、FETとTRの両方に問題があってヤヤコシイのです。そこで片方を信頼性の高い回路に置き換えてみることにしました。
FETはブーツストラップ回路を応用したハイインピーダンス入力になっていますで、簡単には置換できそうもありません。

J310lt1810そこで2段目の2N5109のエミフォロ回路をオペアンプに置き換えてみました。他にも色々と方法はあると思うのですが、ハイ受け・ロー出し・同軸のドライブ力・・・・って考えたら僕の場合はオペアンプのボルテージフォロワーなんです(笑)。片電源でも10V程度あれば4V程度は綺麗にスイングしてくれるでしょう。

ということでモノは試し・・・と試してみました。LTspiceでシミュレーションする関係でオペアンプは手持ちのLT1810になっています。

最初は壊しても惜しくない手持ちの5532を使って実験しましたが、周波数特性は別として動作的には問題無いようですので、高速オペアンプを試して周波数特性を本家Mini-Whipと比較してみました。

AD8065Aは実験中不調でしたので参考にしてあります。
ブレットボードで組んで電源回りがいい加減でしたので発振したのかも。出力に50Ω抵抗も入れていませんし・・・。

Opampいつものように基準は本家pa0rdt Mini-Whipです。今回からアンテナとネットアナの結合はリンクコイル方式から静電結合方式に変更しました。

ガラスコップにアルミホイルを巻いてネットアナのOUTPUTの芯線のみアルミホイルに接続、Mini-Whipをガラスコップの中に入れて計測しています。
JH2KMK/田中さん、アドバイスありがとうございました。グラフのようにバッチリです。

オペアンプ勢の300kHz以下が落ちているのは、基板の切れ端を使ったプロープが細長いため、本家の幅広なプローブよりもガラスのコップに巻いたアルミホイルと距離があって静電結合度が低いためではないかと想像しています。

ご覧のようにSE5532もLT1810も中波帯あたりは本家Mini-Whipと遜色ありません。高速オペアンプのLT1810 AD8065Aとにも20MHz辺りから本家を超えていますが、オペアンプの特性としてはフラットですので、20MHz付近で本家Mini-Whipの感度が落ちていることを示しています。

LT1810はレールtoレールなので、電源電圧の中点でバイアスかければ片電源でも0~電源電圧まで綺麗にフルスイングしてくれます。
ということで、初段のJ-310の2次歪みだけをソコソコ正確に測れる準備ができました。

本家と自作オペアンプ版を屋外に設置した時のスペクトラムを貼っておきます。
Pa0rdt_2

Lt1810

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コメント

はじめまして。
アマチュア無線は何10年前に5年くらいQRVした程度ですが、電子工作が趣味です。最近も老眼で苦労しながらやってます。

初段もオペアンプを使ったらどうなるでしょうか?

投稿: Hiroshi | 2013年7月 4日 (木曜日) 13時05分

Hiroshiさん
こんばんわ。コメントありがとうございます。
初段も2段目もインピーダンス変換なら2回路入りオペアンド1個で・・・って考えますよね?
僕も考えました。

少しずつ近づけていきたいと思います。

投稿: JI1ANI/福井 | 2013年7月 4日 (木曜日) 22時34分

こんばんは。
FET入力オペアンプだったらインピーダンス変換も兼ねると思うので、1回路ですむかも知れませんね。
J-FETタイプがいいのか、CMOSタイプがいいのか?

投稿: Hiroshi | 2013年7月 4日 (木曜日) 23時21分

ヘッドホンアンプの経験からは、入力ピンを触って中波放送が聞こえるのはJ-FETタイプかなcoldsweats01
ユニティゲイン動作でGBWとスルーレートと入力インピーダンスが高く、低ノイズ低歪みでセットリングタイムが早いオペアンプが候補かなぁ。

投稿: JI1ANI/福井 | 2013年7月 4日 (木曜日) 23時31分

FETをオペアンプのフィードバックループに含める方法もありかも。

川崎の多摩川沿いのラジオ日本のアンテナから4~500mくらいの場所に勤務していたことがありますが、電話受話器からラジオ放送が聞こえてました(笑。
そのうち対策され聞こえなくなりましたが。

投稿: Hiroshi | 2013年7月 5日 (金曜日) 00時37分

Hiroshiさん
FETをフィードバックループに含めた回路の参考例とかありますでしょうか?

投稿: 福井 | 2013年7月 5日 (金曜日) 12時06分

昔、回路集かなんかで見たような気がするのですが、勘違いかもです。
ネットで検索してみたのですが、オペアンプ入力の前に差動Trを追加した回路はあったのですが、帰還はかかっていませんでした。
原理的には帰還をかけることは可能じゃないかと思うのですが、うまくやらないと発振しそうですね。

投稿: HIroshi | 2013年7月 5日 (金曜日) 13時20分

冷静に考えてみると帰還は難しそうです。、ソースフォロアを通すことによる位相遅れで位相余裕がなくなり発振しそうですね。

ソースフォロアの歪改善としては、
ソース抵抗を大きくする(直線性の良い領域で使う?)。
電源電圧を上げてダイナミックレンジを稼ぐ。
などが思いつきました。例によってあまり根拠のない思いつきです^^;

投稿: HIroshi | 2013年7月 5日 (金曜日) 19時52分

確か?
すいません外野でブツブツ申し訳有りません。
FETのソースフォロだと歪率0.1%程度(-60dB「電圧比」)位かなー
今電流が9mA程度だと思われるので680Ωの変わりに定電流回路(iDss9mA以上のFETにソース抵抗入れて調整するか)定電流ダイオード入れれば歪率10dB以上改善すると
おもわれます。

以前ノイズ確保の為にFETの差動回路の後にOPAMPを組み合わせた事有りますが(FETー入力に出力もどす)仕上がりゲイン40dBとかNF量が少ない状態でした。

投稿: アンドロメダ | 2013年7月 6日 (土曜日) 00時31分

Hiroshiさん
もし回路見つけたら教えてくださいね。記事にしましたが1チップ(1回路)でできちゃいました。

アンドロメダさん
手元のCRDを試してみましたが、2次歪みが改善せず??と思ってDDSの高調波を調べた次第です。
結局数値データは取れませんでしたがCRDにすると改善しているような気がしました。
新しいオペアンプをバッファにして、DDSには水晶ラダーフィルター入れて2次歪みを改善しようと思っていたら、ひょんなことから1チップでできてしまいました。

投稿: JI1ANI/福井 | 2013年7月 6日 (土曜日) 01時33分

フォトダイオード用アンプの記事ですが、回路がのってます。
http://www.adm.co.jp/download/mtb_16.pdf

投稿: Hiroshi | 2013年7月 6日 (土曜日) 12時11分

Mini-Whip面白そうですね。一応液晶表示がおかしくなったIC736(押入れの奥にしまってます)で受信は可能なので、そのうち気が向いたら押入れから引っ張り出して、Mini-Whip製作にチャレンジするかも。

投稿: Hiroshi | 2013年7月 6日 (土曜日) 18時54分

Hiroshiさん
極小アンテナではありますが、それなりに使えると思いますので、ぜひぜひ。

投稿: JI1ANI/福井 | 2013年7月 6日 (土曜日) 22時46分

Mini-Whip、ブレッドボードに組んでみました。手持ちの関係で、FETは2SK421、Trは2SC1815。

中波はダメです。一応聞けるレベル。ニッポン放送は強いです。AFNはダメ。ノイズがS9~+40dB。

当方は神奈川(江ノ島の北西約5km)のマンション8階ですが、周りはマンションに囲まれており、近くにはショッピングモールもあり、それらのノイズを盛大に拾っているようです。もちろん自宅の機器も相当ノイズを出していると思われます。

中波に関しては、AVアンプについていたAMアンテナのほうが、感度が悪いものの、ノイズはあまり拾わないので、受信状態は良好です。AFNも受信できています。

まだ短波はあまり聞いてませんが、ラジオ日経は3波とも受信できました。
まだアマチュア無線は耳にしていません。

投稿: HIroshi | 2013年7月10日 (水曜日) 10時41分

Hiroshiさん
そんなにノイズ拾いますか? こちらはそれ程でもないのですけどねぇ・・・。電柱からは10mも離れていないのですが・・・。
やはり場所を選ぶのでしょうかね。
残念。

投稿: JI1ANI/福井 | 2013年7月11日 (木曜日) 22時27分

Hiroshiさん
ふと思い出したのですが、ミニホイップの電源は安定化された電源をお使いですよね?
一般的なスイッチング方式の小型ACアダプターだと盛大にノイズが出ると聞いています。ミニホイップにはトランス式の安定化電源か、乾電池、もしくはノイズ対策がしっかりされたスイッチング電源が必要のようです。
なんせ10kHz辺りから短波帯まで満遍なく受信するので、スイッチングノイズも良く受信してしまうようです。

投稿: JI1ANI/福井 | 2013年7月12日 (金曜日) 12時42分

JI1ANI/福井さん
ACトランス式の非安定化電源(9V300mA)を使って、同軸経由で給電しています。Mini-Whipには10.5Vがかかっています。
一応電池にも対応できるように配線はおこなってます。

200mくらい先にJRの線路が通っていますが、影響があるでしょうか?

投稿: Hiroshi | 2013年7月12日 (金曜日) 14時43分

200m先の線路はどうかな?経験がないためわかりません。
Mini-Whipは周囲のコンクリートなどと静電結合してノイズを拾うので、なくべく周囲の障害物から距離を取るようにするとノイズレベルが低くなるようです。

投稿: JI1ANI/福井 | 2013年7月15日 (月曜日) 13時28分

今はベランダから1mくらい突き出た状態です。これ以上は夜間に一時的に設置するのが無難かな。手持ちのポールが無いので実験は後日。

投稿: Hiroshi | 2013年7月15日 (月曜日) 14時49分

1m弱のポールが物置で見つかったので、つないで延長しました。今は1,7mくらい突き出しています。
早速受信。まずAM中波。お、AFNが受信できるようになりました。他の放送局も軒並み強くなっています。ノイズも若干減ったような気がします。
つぎに7MHz。こちらも信号が聞こえてきます。以前はノイズに埋もれていてよほど強い局でないと、まったく了解できなかったのが、結構な局が聞こえています。1m弱の延長ではっきり効果が実感できました。
なんとか許容できそうな出っ張りなんで、当面はこれでいってみます。

投稿: HIroshi | 2013年7月15日 (月曜日) 16時56分

Hiroshiさん
ベランダから2m弱突き出しのレポートありがとうございました。
やはり周囲の影響にとても敏感ですよね。
鉄筋コンクリートのベランダだと、ベランダは地面の窪みのような
感じになってしまうのだと思います。
私は屋上に設置していますが、高さ1m程度の手すりから塩ビパイプで
70cm程度更にあげて屋上面から1.7mですが、10cmあげるたびに
感度が良くなって、ノイズが減るような感じです。

投稿: JI1ANI/福井 | 2013年7月16日 (火曜日) 12時17分

そういえば昔OPampではないですが高速バッファICをヘッドホンアンプ用になんとかしようとしていたことを思い出しました.このICはゲインほぼ1ですが,インピーダンス変換には使えそうです.
Burr-Brown (現TI) BUF634
http://www.ti.com/product/buf634
http://www.ti.com/lit/ds/sbos030/sbos030.pdf

投稿: Kenji JJ1BDX | 2013年8月18日 (日曜日) 15時12分

BDXさん
こんにちは。高速バッファで最初に思いついたのがBUF634でした。その後色々と探していくうちにADA4817を見つけたました。
BUF634でもできると思います。僕は10MHz以上でゲインが欲しかったのでADA4817にしました。

投稿: JI1ANI/福井 | 2013年8月18日 (日曜日) 17時39分

はじめまして。先日日本で入手性の良い2SK241+2SC1815でMiniWhipアンテナを作ってみた者です。
ノイズが凄くって辟易。Hi-Zでプローブを受けると言う概念設計は各所で好成績を聞くので良しと思い、増幅をOpAMPで出来ないか?と検索した最初のヒットです。(汗)
(皆さん同じ事をお考えになるようで…)
当方NJM4580DD(GB積15MHzなのでHF↓なら…と狸を捕った気持ちでします笑)で行ってみようかと画策中であります。
何分測定器も持たぬ素人ゆえ、此方様の貴重なデータが頼り、参考にさせて頂きます。
何やらOpAMP2段にも成功なさった様子。そちらも拝見して4580版を作ってみます。

重ねて、貴重な実験データを閲覧出来る形にして頂いてありがとうございます。

投稿: 免許取得前 | 2016年3月22日 (火曜日) 07時55分

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