アルバイト先の事務所に持って行ったままだったテクトロのアナログオシロ475を自宅に持ち帰って来た。

シグナルジェネレータの出力を観測してみると結構の高い周波数まで観測できることがわかる。475は垂直バンド幅が200MHzなのでその当たりまでは安定してトリガーもかかる。300MHzぐらいまでは不安定だがトリガーがかかり波形も確認できる。それ以上は振幅だけがわかる程度。500MHzを超えるとさすがに振幅も怪しくなって来る。



Rohde and Schwarz SMLUのAM変調波形を観測するとちゃんと仕様通り60%変調になっている。前にデジタルオシロで見た時はもう少し浅いように見えたのはなんだろう。



正弦波もデジタルオシロで見るようなギザギザが無く綺麗である。

意外にもAM変調がかかった波形を綺麗にトリガー表示するのがディジタルオシロに比べて難しい。A-Triggerモードではかなり不安定で、B-Triggerモードだとうまく行く。何故かは不明。

先日ヤフオクでタケダ理研やAdvantestのスペアナ等に使われていて短寿命なことで知られるタクトスイッチの交換部品が売りに出ていたので希望落札価格で１セット入手。



先週届いていたが別件で忙しかったので手つかず。寸法や形状はカウンターに使われているのと一緒なので共通仕様らしい。メーカーはカウンターに使われていたものとは異なる。おそらくタケダ理研というか現Advantestの特注仕様なので一般売りはされていない。

一応一個だけ導通チェックしてみたらON時に数百Ωと問題なし。

よく使うボタンでダメなものだけを交換しよう。

同一のトランジスタを使って温度補償する以下の回路をシミュレーションしてみた。



出力波形は温度補償回路が無い時とほぼ同様。



問題の温度特性は、ほぼ平坦となった。



ちゃんと計算するやり方があるが、今回はカット＆トライでシミュレーション結果を見ながら調整。

後日ちゃんと計算してみよう。原理的にはこれでうまくいくはず。

今回トランジスタ１石で組んだPECL-TTLトランスレーター回路は常温では良好な性能を示すもののケース内で近くにある三端子レギュレーターの熱であぶられたり蓋を閉めて高温状態になると出力レベルに大きな狂いが生じてTTLのレベルを満たさなくなる。

これはトランジスタが温度が高くなる程コレクタ電流が流れ易くなる方にVbe特性が変化するという典型的な性質によるものである。なのでトランジスタの熱暴走というのは昔から知られているためその対策が必要となる場合が多い。

トランジスタの動作を温度の影響を受けずに安定させるためには温度補償回路を追加することになる。考え方としては温度が変化した場合にはそれによってトランジスタの電流が流れ易くなる傾向を打ち消すようにバイアス電圧を変化させる必要がある。

本来はVbeの変化を打ち消すようにベース電流を阻止すれば良いがこれは微少電流で入力信号にも比例しなければならず容易ではないので間接的にバイアス電圧をベース電流が流れない方向へシフトさせる方法が一般的。温度補償回路には温度変化に対して同じ性質を持つサーミスタ抵抗やトランジスタやダイオードが使われる。

温度変化によってベース電流がわずかづつ流れやすくなるとそれは増幅されてコレクタ電流の大きな変化として現れる。トランジスタの電流増幅率も温度によって上昇するのでちょっとややこしい。いずれにせよ信号入力の無いアイドル時のコレクタ電流のドリフトを打ち消すことが温度補償回路の役割ということになる。

以下はとりあえず今回実験したPECL-TTL変換回路。



動作をシミュレーションすると良好な結果が得られている。実際の動作も温度ドリフトが無ければ良好そのもの。



同じ回路を温度特性シミュレーションしてみるとアイドル時の出力レベルに驚愕の事実が。



下の緑の線がアイドル時の出力レベルで温度が上がると共にコレクタ電流が増加しアイドル時の出力電圧が上昇し波形全体が高電位にシフトしてしまうことを意味する。

なのでこの温度特性を打ち消すようにベースバイアス電圧を温度によって変化させる回路を追加すれば良いことになる。その場合、温度変化の傾きにあわせてベースバイアス電圧の温度変化の傾きを調整できるようにしておく必要がある。実際の温度係数がどれくらいになるかはトランジスタのばらつきによっても変わるので調整する必要がある。

原理動作はうまくいったのでカウンターの上蓋を閉めた正規の状態でエージング動作していたところしばらくして表示をチェックしてみたら1GHzのカウント値が不安定になっていた。

蓋を閉めたので内部の温度が上昇し温度ドリフトが生じたと思われる。予想はしていたが実際に体験するとがっくりくる。

とりあえずトランジスタの動作点がもともとギリギリのところで調整してあるのでトランジスタのベースバイアス電圧調整用の可変抵抗器を微調整し再び安定してカウントすることを確認。

しかし温度が変わるたびに再調整というのはアマチュア的には我慢できても実用的ではない。なんらかの温度補償回路を加えないといけないことは確か。

カウンター内部のプリスケーラーの真下にはかなり発熱する３端子レギュレーター7805が鎮座しているというのも問題だ。蓋を閉めると更にトランジスタ周辺の温度が上昇する。

昨夜はうまく動作して、あとは温度補償型の基準周波数発振器でもつけようかとか上機嫌だったのにすっかり落胆してしまった。今朝の天候が良くなかったせいも加わっているけど。それどころではない。

今朝再度電源を入れてみたら1GHzをまったくカウントしない。バイアス電圧を再調整して復活。使えない。

温度ドリフトはトランジスタ１石回路の典型的な弱点であることは理解しているが、実際に体験してみるとかなりショックである。

まあこれを機会に温度補償回路に取り組むという課題が出来た。

ブレッドボード上のトランジスタ回路を新プリスケーラー基板の上に実装してみた。部品数があるので結構込み入って難しかった。ルーペで芋ハンダや天ぷらハンダ、ハンダブリッジが無いのを確認しテスターで電源ショートが無いのもチェックしてカウンターへ装着。



電源を入れてみた、信号が入力されていない状態やレベルが足らない状態では新しいプリスケーラーは出力にランダムノイズが出てくるためでたらめな周波数が表示される。これは致し方ない。

シグナルジェネレータの電源を入れるとブレッドボードでテストしたときの周波数が表示された。動いたよかった。基板に過密実装したことによって配線が短くなり少し高い周波数までカウントできるようになった。ちなみにケーブルを長いのをAdvantestのカウンターのほうにつないでみたらやはりある周波数でまったくカウントがされなくなる。なので波長とケーブル長の関係で定在波が生じるのだろう。



たまたま同じ値を表示した瞬間。Sabtronicsの基準周波数の安定度はAdvantestのより悪いので下二桁はぱらぱら変わる。Advantestの方は下一桁が変わる程度の安定度。

ちなみに感度の方は低い方の周波数ではAdvantestよりもSabtronicsの方が優れていた。-30dBmぐらいまでになるとAdvantestの方はほとんどカウントしなくなる。逆に高い方の周波数はAdvantestは優秀でシグナルジェネレータの出力できる最大周波数の1.1GHzまで問題無い。Sabtronicsの方はプリアンプが900MHzまでの仕様のものなのでそれ以上はやはりゲインが不足して安定した測定が困難になる。プリスケーラー自身は1.1GHzまでは確認してあるがこれも致し方ない。

とりあえず仕様上の10MHz〜1000MHzまではカバーできたので良しとしよう。

シグナルジェネレータとの間のケーブルを短いものに変えたら1GHzまでカウントできてしまった。今まで5mとかをつないでいたし。あとはプリスケーラー基板上にトランジスタ回路を載せればもっと回路条件は良くなるはず。この状態でブレッドボードとカウンターの間で100MHz超えるTTL信号が伝わっているというのはちょっと信じられないが本当である。

ブレッドボード上の2SA1145の回路はそのままにして隣にプリスケーラー基板を載せてつないでみた。結果的に983MHzまではカウントできた。その証拠写真。



プリアンプが無いのでシグナルジェネレータの出力をプリスケーラーに入れ、その出力をDCカットして2SA1145のベースに与えスイッチングさせ、その出力をオリジナルのプリスケーラーの出力の代わりにカウンターへ注入。

ブレッドボードの配線は高周波を全然意識しないめちゃくちゃな配線のため途中所々まったく正しくカウントできない周波数が現れる。たぶんカウンターとブレッドボードの間をつないでいる信号線が長いのが影響しているだろう。より対にすることでこの状態に持って来れたがそうしてないとまったくだめである。同軸ケーブルとかにすればもっと良くなるのかもしれない。たぶんSWRが悪いのだろう。

プリスケーラーの出力は入力さえちゃんとしていれば安定しているのでそれに準じてTTL変換結果も安定する。低い周波数ではプリスケーラー自身が不安定（ノイズやジッターが多くなる）になるので10MHz以下は実用的でない。

千石電商にもっと性能の良いPNPトランジスタが売っているのを発見し、さっそく買ってきた。

2SA562は型番からして古いものだが性能的には2SA950より上ということになっている。

2SA1145はちょっと丈の長いパッケージで元々は電流スイッチング用。小電力パワートランジスタとしても使える。

2SA950で動作していたブレッドボード上に2SA950を引っこ抜いてそれぞれ差し込んで動作を確認してみた。同じ回路でほぼ同様に動くが2SA562は2SA950とさほど違いを見いだせなかった。2SA1145は若干それらよりも性能が伸びている。100MHzまではフラットにスイッチングをしてくれる。

問題はPECL-TTL変換回路をシグナルジェネレータの安定して綺麗な入力信号で動作させた場合は良くても、実際のプリスケーラーのノイズの多い信号を与えた場合にどうかが心配だ。

いきなりプリスケーラー基板上にハンダ付けするのではなくまずブレッドボード上で両方をつなげて今と同様に出力をカウンターに食わせてやれば失敗のリスクは軽減できる。

あとでやってみよう。

それとヤフオクでAdvantest(タケダ理研）のスペアナやカウンターに使われている寿命の短いプッシュボタンスイッチの交換部品が売りに出ていたので早速入札。需用が有ると見て複数出品で今回は希望落札価格付きという良心的な配慮。さっそく１セット落札。１個おまけしてくれたらしい。今朝届いた。sabtronicsのカウンターの件が一段落する明日あたり手持ちのカウンターのスイッチを交換しよう。カウンターに使用されているのとは形状は同一だが細かな構造は違っていてメーカーも異なるようだ。

結局最初に考えていたPNPトランジスタを使ったPECL-TTLトランスレート回路を実験してみることにした。

低い周波数ではどれも良く機能する。しかしFt付近の高い周波数になるにつれて動きが鈍くなる。というのも当たり前でPNPトランジスタを使う場合には常時ほとんどOFF状態（電流が流れない状態）から入力信号のマイナス側の振れでONさせるというものだから。

トランジスタは或程度電流が流れて居る状態であれば電流増幅率は高いが流れていない状態では低くなってしまう。変化が遅い信号ならまだしも周期が数十nsとかの信号になると十分にONする前に入力信号は＋の方へ変化してしまう。

なので振幅もふるわなくなる。高周波でスイッチングするにはFtが高くなおかつ電流増幅率Hfeも或程度高いランクのものを使う必要がある。

手元にある2SA1015, 2SA950, 2SA933を試してみたところ2SA950だけが唯一100MHzまで実用レベルでスイッチングしてくれることがわかった。ブレッドボード上に回路を組んでシグナルジェネレータから100MHzまでの信号を入力しスイッチング動作をさせてその出力をsabtronicsのカウンターのプリスケーラーの出力の代わりに与えて10倍の周波数が表示されるのを確認し、どこまでいけるか試してみた。すると101MHzまではこんないい加減な結線でも動いてくれた。





あとはこれを同じ回路を自作プリスケーラー基板上に実装して試して見るだけだ。

2SA950はもともと以前万年カレンダー時計を製作する際にLEDドライブ用に購入したもので余分に買って余った１個だった。もっと性能の良いPNPトランジスタがあれば良いのだが秋月とかでは見あたらない。

100MHzまでスイッチングしてくれるとはなかなか優れものだった、最初は期待していなかった黒馬である。