FC2ブログ

どよよん的コンデンサ容量の決め方

2020-02-23      
 納戸シャックの改装(じゃなくて片づけ)をほんの少しずつ進めていますが、部品の仕分けに寄り道して細かな定数表示を見たり、何より「こんなん、持ってたんや」的な発見で余計なこと(主に導通検査やHFE測定、簡単な動作確認など)を始めてしまったり・・・どんどん遅延しています。
 特に先週末は、見失っていた古いバックアップHDDの中に、消してしまったと思われた音楽データがセーブされているのを発見 以来、ユーミンが"荒井"だったころの楽曲やまだ”ディスコ”の頃の洋楽に聞き入ってしまって、何やら優しさに・・・じゃなくて懐かしさに包まれて、まぁ幸せな時間を過ごしています

 こんな駄文にお付き合いを頂いた上、さらに時々コメントまで頂いているbachさんより、直前の記事について「容量の決め方も解るとよいかも」というご要望を頂きました。なるほど、これはまとめておいた方が良いと思い、自分が今いま信じている()コンデンサ容量の決め方について、できるだけ証拠を示しながらご紹介することにします。

 注:例によってこの記事はどよよん無線技士の備忘録、屁のツッパリにもならないかも知れないんで、読んでガッカリしても自業自得と心得給え、アーメン。

 前回記事では個々のコンデンサに必要な耐圧を、LTspiceのシミュレーション値から拾ってきています。勿論、殆どのポイントはオームの法則で概算を計算できるような簡単なものですが、これを含めて考えてもLTspiceは優れモノで手間いらず・・・どうしても横着になってしまいます。今回もLTspiceを使いながら、どよよん氏はどんな風に容量を決定しているか晒していきましょう。

 まず、基となる低周波アンプの回路を。



 前回記事の初段に配置したオーソドックスな電流帰還増幅回路を抜き出してきました。C4とRL以外の抵抗、それにコンデンサの値は、それぞれ前回記事の回路定数を入れてあります。C4は特に意味はありませんが、RLは後段に控える増幅回路の入力インピーダンスをバイアス回路の抵抗2本の合成抵抗値としています。
 本当は、後段の入力インピーダンスとこの回路の付加抵抗であるR3は合わせておいた方がよろしいんですが、ま、既に記事に上がってしまっていますし大目に見て下され

 コンデンサC1,C2は段間の結合コンデンサですが、何れも”直列つなぎ”になっていることは自明ですね。では、この部分だけを抜き出してさらにシミュレートしてみましょう。



 一気にまとめちゃったグラフになっていますが、順に説明します。
 C1は低周波アンプの初っ端にあり、その前段にはヘッドホン出力やLINE出力の接続が想定されます。これらの出力インピーダンス(代表例として8Ωや600Ω)が「C1にとっての入力インピーダンス」(Zin)になります。

 逆にC1の出力側はエミッタ接地増幅器の入力インピーダンスになり、この程度の小さな電流で動くエミッタ接地回路は、バイアス抵抗R1,R2の合成抵抗値程度に収まります。合成抵抗値は「47KΩ∥10KΩ≒8.2KΩ」ですね。これが「C1にとっての出力インピーダンス」(Zout)になります。
 このように、小型の(Icが数mAまでの)エミッタ接地増幅回路の入力インピーダンスは数KΩになることが多いため、ひとまずC1にとっての出力インピーダンスを、代表例として3KΩに仮定してシミュレーションしました。

 今回のシミュレーションでは、コンデンサの容量として0.1μFと1μFを使っていますが、その差はご覧の通りです。0.1μF(破線)では1000Hz位から下の周波数は、低い方に向かってどんどん減衰していくのが判ります。いわゆるHPFですね。
 一方、1μF(実践)の方は、上の項から見て凡そ100Hz位までは減衰していません。つまり、低周波域をどの程度透過させるかによって、コンデンサ容量を選択することができます。
 今回の回路は、小さなスピーカーを鳴らすミニアンプの初段ですから、勿論100Hz以下の低い周波数まで欲張ってもいいんですが、小さなスピーカーに重低音をくべてもどうせ再生できませんし、逆に悪さ(スピーカーボックス自体が揺れるなど)をするんで、まぁ1μF程度でも大丈夫なんですが、ちょいと余裕を見て10μF・・・もう一声で22μFとしたわけです。

 続いてC2について。C2の入力インピーダンスは、低周波アンプの負荷抵抗R3そのものです。出力インピーダンスは、後続のトランジスタアンプのバイアス回路になるため数KΩとなります。従って、この場合にはグラフ上のZinが3KΩのもの・・・入出力インピーダンスが同程度のものが参考になりますね。ここでも0.1μFでは役不足ですから、ひとまず1μFと決めました。もう一声で10μFとしても良さそうです。

 さて、このシミュレーションでは、コンデンサの入力インピーダンスを8Ω,600Ω,3KΩと振っていますが、このときの挙動もお判りになるでしょう。簡単に丸めてしまえば、要はインピーダンス整合が取れている方が、周波数の低域への伸びが良くなるということです。

 少し話が変わりますが、音質を追求するオーディオアンプでは、これらの結合コンデンサによくフィルムコンデンサが選ばれます。音がピュアに伝わり歪みも少ない・・・というのが専らの評判ですが、フィルムコンデンサは大容量のものをそこそこ小型に作ることが難しいようで、フツ~に手に入る廉価なものでは精々数μF程度以下になります。
 こういった場合には、FETやオペアンプを使って入力インピーダンスを100KΩ程度まで持ち上げてやると、小さな容量のコンデンサでも大丈夫・・・というわけで、このグラフに入力インピーダンス8Ω、出力インピーダンスを100KΩとして、0.1μFのコンデンサによる周波数特性を1点鎖線で入れてあります。

 さぁ、残るはC3。実はここが非常に重要です。

 C3の役割は、交流成分の増幅を助けるために、エミッタ抵抗の200Ω分のところにコンデンサを入れて交流はこのルートで接地し、直流はさらに1KΩの抵抗を経て接地するようになっています。これによって交流の増幅率は直流のものを上回り、そこそこの増幅率を維持することができます。
 エミッタの200Ωとコンデンサによってグランドに落とす部分をHPFに見立て、擬似的にシミュレートしてみました。





 傾向はよく現れていますね。高域から100Hzまでフラットな周波数特性を実現できそうなのが47μF以上であり、あとは回路実現時に許されるコンデンサの大きさで考えればいいということでしょう。

 C3については、念には念を入れてもう一つシミュレートしました。



 これは、この低周波アンプの周波数特性についてC3の値だけを振ってみたグラフです。やはり、47μF以上でないと100Hz程度までのフラットな特性にはなりません。

 さらにもう一つ・・・低周波アンプでは、交流利得をもっと稼ぐためにエミッタ直下にコンデンサを接続して接地することが結構あります。即ち、上の回路ではR4を0ΩにしてR5を1.2KΩにする感じ・・・これが点線で示した特性です。この場合、100μFでも低域の利得が下がっていることが判りますね。低域を100Hz程度まで引っ張るためには、330μF以上の容量のものが必要になります。結構大きな容量になりますね。簡易なマイクアンプなどでは注意が必要かも

 つらつらとまとめてきましたが、これはあくまで低周波アンプ、かつIcが数mA程度の場合の話です。高周波アンプやIcが数十mAになるアンプでは様子が変わってきますよ。以上、どよよん的低周波アンプのコンデンサ容量の決め方でした。
関連記事

コメントの投稿

非公開コメント

Cの値

詳細なシミュレーション結果、大変参考になります。有難うございます。
結合コンデンサ、バイパスコンデンサそ、れぞれの容量の持つ意味も良くわかりました。
所で私の中途半端な知識なのですが、f = 1/(2πCR) とか言う式が有ったように思います。
これって、もしかすると f と R を決めてやれば C が求まるようなことでしょうか?
ただ、R をどのようにして決めるのかが難しいような。その辺りが整理出来れば、計算で
C の容量も決定できそうな感じがしますが、如何でしょうか?

恐らくそれですね・・・

bachさん、こんにちは。コメアリです。

仰る通り、多分この数式に落ち着くと思いますが、同じくRが上手く定まらない気がしています。この辺り、自分は勉強不足で・・・(^^;

逆に、LTspice登場のお陰で凡そのアタリが付けられるようになったんで、割と自信を持って記事が書けるようになったんですよね。

でも、確かに計算で求められるとカッチョイイですよね?じっくり考えてみたいと思います。

No title

コンデンサの容量の決め方。無い知恵を絞って、あれやこれやと本を開いてみたり、Webで調べたり。これは、思いのほか難しそうですね。結合コンデンサの場合には、信号源インピーダンスとバイアス用抵抗を考慮すればよい感じですが。エミッタのバイパスコンデンサの容量の決め方は難しそうですね。昔々に勉強した時に、確か hfe が関係していたような記憶の片鱗があります。春に向かってお勉強が続きそうです。(笑)

HFEをどう求めるか…

bachさん、こんにちは。

漸く、3/1の記事でコンデンサの値決めについて決着させました。入力と出力のインピーダンスを合算した抵抗値とコンデンサ容量で、例のf=1/(2πCR)の公式で計算できますね。まさか、入出力インピーダンスの合算とは…。

残るはフィードバック…これは、資料をチラホラ見かけますが、導き方をズバッと書いてあるものがなかなかありません。少し息の長い宿題にしたいと思います。

HFEに絡む部分は、ある程度理解しているつもりですが、特に高周波の特性をどのように知るかに掛かっていると。何やら治具でもこしらえたいところです。

エミッタのバイパスコンデンサ

こんにちは。改めて、この記事の最後の二つのグラフを眺めていて気が付いたのですが。
Zin DUT Zoutのグラフは、単純なCRハイパスフィルタの回路と同じことを示していますね。次のグラフは、アンプ回路のシミュレーション結果だと思われます。そこで、次の点に注目しました。
・CRハイパスフィルタ(A)とアンプ回路のシミュレーション結果(B)のカットオフ周波数に違いがある。
         (B) (A)
200Ω-10u  90Hz 80Hz
200Ω-47u 30Hz 17Hz
200Ω-100u 23Hz 8Hz

アンプ回路のシミュレーション結果の方がカットオフ周波数が高いようです。
さて、この相違はどこにあるのでしょうか。何だか難しそうですね。Hi


Calendar
06 | 2020/07 | 08
Sun Mon Tue Wed Thu Fri Sat
- - - 1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11
12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
26 27 28 29 30 31 -
New !
Category
Comments
Monthly Archives
Track Backs
Counter
Sunspot Now !

 


Survey Results

 

Profile

どよよん無線技士

Author :どよよん無線技士
こおるさいん:JM1DPL

アパマンというハンデにさらにQRPまで課し、失敗連続のヘッポコリグや周辺機器の製作・・・趣味というより「荒行」か!?

メールは「JARL経由」でお願いします。

Links
Follow me !
RSS Links
QR Code
QR