2016年2月27日土曜日

BJTトランジスタ, FET, 真空管アンプ動作設計法のレビュー

日本では、BJTトランジスタ、FET(電界効果トランジスタ)、真空管アンプの設計教育がうまくいっていなかったらしいことと、そうした教育文化を現在も継承していることがわかってきた。




この図は、USAF(Copyright 1961)教育ビデオからの引用である。遡ること実に55年前である。僕を含め、読んでいる人は殆ど生まれてもいない時代に、USAFでは負荷線(Loadline)を使用したトランジスタ小信号増幅の設計方法が上手にわかりやすく説明されているのがわかった。

経緯は不明であるが、結果的に日本ではこのトランジスタ増幅回路の負荷線を使用したアンプ設計教育がうまくいっていなかったようである。

ここでトランジスタは、コレクタ電流が飽和する領域で動作させ、負荷抵抗両端から、電圧出力を得ている。
ところが、どういうわけか、Vce=0V近辺のコレクタ電流Icの立ち上がり部分の領域が、”飽和領域”という用語が未だに使われているこの領域ではグラフが示す通り、コレクタ電流は、Vce増加に対して直線的に増加しておりコレクタ電流は飽和していない。この領域は、乗算器に似た特性で動作するらしいこともわかる。
(どうも到底、真空管にはかないそうにないようです。)

一方、アンプとして動作させる領域は、コレクタ電流の増加がVce増加に対して非常に小さくなる飽和動作をしているが、ここには、”活性領域”というような用語が現在も使われている。この領域が本来は”コレクタ電流の飽和領域”である

このコレクタ電流がほぼ飽和している領域では、いくらコレクタ電圧 Vce を増加させても、そのコレクタ電流はほとんど変化しないので、コレクタ変調をかけても、AM変調が浅くなり、うまく乗算器動作しなかったのは、当たり前の結果なのであるが、どういうわけか、現在でもそれが理解されていないことがわかってきた。

世界はその後、トランジスタ等価回路を使ったアンプ設計に入ったらしいが、結果的に日本では、その導入がうまくいかないまま、現在まで来ているらしい。




これは、USAF(Copyright 1963)の真空管アンプ動作説明のビデオからの引用である。
何を今更と思われるかもしれないが、日本では、この真空管動作がFETとよく似ていると書籍等に書かれて来ているが、実際は違うのがわかる。

この図では、リニアアンプとして動作させる領域は、グリッド電圧の直線立ち上がり部分であると書かれている。
すなわち真空管アンプは VCVS(Voltage Controlled Voltage Souce)電圧制御電圧源である。

これに対し、FET(電界効果トランジスタ)アンプでは、上図に対応させるとSaturarion point (プレート電流飽和点)以降の(ドレイン)電流飽和領域が、アンプ増幅に利用されている。
今更ながら大変困ったことであるが、FETアンプは、VCCS(Voltage Controlled Current Source)電圧制御電流源で、真空管アンプの動作とは本質的に異なる動作をしている。

残念ながら、日本では、真空管アンプ、BJTトランジスタアンプ、FETアンプ、いずれも設計教育が失敗したままの状態が続いているのがわかって来た。

おそらく、その記事を読んだ方も、まさかそんな馬鹿なことがあるはずない、と思うのではなかろうか・・・。
僕自身もこの教育失敗の経緯は全く知らないのですが、現状の結果はこうした状況のようですよ。
この状況を克服し、世界を目指したいと思います。


関連記事・資料
[1]小信号トランジスタアンプを負荷線で設計する失敗例に学ぶ
http://ji1nzl-official.blogspot.jp/2015/11/5v40db.html

[2]交流トランジスタ等価モデルによる小信号トランジスタアンプの設計
http://ji1nzl-official.blogspot.jp/2015/11/blog-post_21.html


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2016年2月23日火曜日

畳み込み積分の分かりやすい説明(Google検索から) とデジカメ等への応用

畳み込み積分の分かりやすい説明を見つけました。(Google検索から)

たたみこみ(合成積(Convolution))
(Google検索から)東北工業大学 情報通信工学科 (C)中川朋子さん






















このようなわかりやすい解説を見たのははじめてです。大変すばらしいと思います。
僕なりに解釈すると、
畳み込み積分とは、生まれてから今までの恨みつらみ感情の集積具合を、過去から現在まで起こった(辛い)事件その時の辛さを表す”事件重み関数”と、これまでの人生経験を経過時間と共に忘れる自分の”性格的忘却関数”として、それぞれ”事件重み関数”と”忘却関数の積”で、積算する”人生全体の人生観/感情を求める計算方法”と解釈しました。


デジタル信号処理にも、入力信号
x(n)=Σ(k=−∞〜∞)x(k)*δ(n-k)  {δ(k)はインパルス関数}
という畳込み積分にそっくりの式が出てきてその意味を悩んでいたので、一つの前進です。
(この式は、離散信号システム(Discrete-Time System))で、入力信号x[n]のインパルス応答を、畳み込み演算するもので、連続信号システム(Continuous-Time System)の畳み込み積分と対応する概念のようです。日本のデジタル信号処理の教本では、畳み込み積分やCT-Systemが未説明の状態、意味不明のまま、この式がいきなり現れるので全く意味がつかめないのですが、順序立てて分かりやすく説明されている講座があるのを知りました。
参考資料[1])

学校の数学では機械的な計算方法そのものしか教えてくれないので、応用しようとすると未だに困ることが多いです。

参考資料:
[1] Signals and Systems 6.003 Fall, 2011 : Convolution (Lesson 8) , Prof. Dennis Freeman (Recommended) /US
[2] Exploration of the Convolution Accumulation Applet (Copyright by Prof MIT OCW (Recommended) /US
      https://www.youtube.com/watch?v=JbuG6u2ko_0&feature=youtu.be

追記:
2016/2/25
時間関数式x1(t),x2(t)と、これらをラプラス変換した関数 X1(s), X2(s)に対し、
x1(t),x2(t)の畳み込み積分式にラプラス変換を施すと、X1(s)X2(s)(積) となることが分かりました。
Laplace{∫x1(τ)x2(t-τ)dτ}=X1(s)X2(s) (τ : -∞〜∞ )
この物理的意味は現在調査中。
(畳み込み積分(Convolution)の計算は、時間領域:t[s]で、遅れ時間τ[s]を伴う畳み込み積分というめんどうくさい計算が、ラプラス変換領域(s=δ+jω, exp(st)=exp(δt)*exp(jωt))なるs領域では、時間の関数x1(t),x2(t)の畳み込み積分が、x1(t),x2(t)をそれぞれラプラス変換したX1(s),X2(s)について、X1(s)X2(s)の単なる掛け算になる、という意味。)

2016/3/4
畳み込み積分は、DT system(Discrete Time System)の信号処理でどうしても必要な演算で、今後も重要な技術のようです。
CCD顕微鏡の光学補正、デジタル宇宙望遠鏡、地上大型望遠鏡の大気ゆらぎ補正信号処理にこの畳み込み積分のデジタル信号処理が使われているそうです。詳細は必要により調査願います。
(ハッブル宇宙望遠鏡のサイトで何かわかるかもしれません。)

2016/3/7
畳み込み演算は、既に画像処理で広く使われており、デジカメにも使われていることがわかりました。
カメラの画像処理は、CPU Power または GPU をうまく使うわないと、低速のものでは性能が出せないかもしれません。以下、応用3例の資料。

デジタルカメラはレンズ、撮像部、画像処理エンジンを主要部品 ... 1.1 デジタルカメラの構成. 光学ビュー. ファインダー. 画像処理. エンジン. 液晶. モニタ. メモリカード. 撮像素子. カラーフィルタ .... 線形空間フィルタは入力画像とフィルタ係数の畳み込みである。


デジカメ、ビデオカメラも途中までは同類。 ・メカトロは「自動で認識、判断」必須。 ←人間に遠く及ばない. カメラ. 画像処理. 認識判断 .... C10 カメラと画像処理の基礎. 基礎からのメカトロニクスセミナー. 近傍画素の処理:たたみ込みフィルタ. ○ たたみ込み演算.


犬. 猫. 不動産. 情報世界対象. 数値. 文字. 図形. グラフ. 木構造. 関係・相互作用. 計算・処理. 変化のモデル化. シミュレーション. 予測 ... 出力. ≠入力. との畳み込み. による歪み. 画像の場合… 逆フィルタ. 理想的な画像. 劣化画像. ピンボケ. = 2次元ガウス関数 ...


国内研究機関で使われているデジタル顕微鏡に、単焦点方式で、焦点距離をずらすとピントがボケる現象が出ているものがあり、光学補正処理が3D画像として処理できていないものがありました。

2016/9/24
参考資料[2] 畳み込み演算の計算方法例の説明追記 入力関数=cos(x)+1, 重み関数 =exp(-at)
[2] MIT OCW
"Exploration of the Convolution Accumulation Applet" (Copyright by MIT OCW /US)

2016/7/31 

畳み込み積分の演算は、送信機のSSB変調回路/機能で、ベースバンド信号の直交関数信号を得る目的に応用できることが分かりました。(ヒルベルト変換と呼ばれる演算と等値)


SDR方式: 理解困難、わかりにくいヒルベルト変換説明

http://ji1nzl-official.blogspot.jp/2016/06/sdr.html

2017/9/10 畳み込み積分(時刻t領域)は、ラプラス変換領域(s領域)で簡単な掛け算になることを追記

※特記事項
インターネットの制御理論の入門サイトで、「s領域を"複素数領域"」と、誤った説明をしていることがわかりました。
s=δ+jωで、変数sは複素数ですが、s領域は複素領域とは定義されず、”ラプラス変換関数領域 exp(st)=exp(δt)*exp(jωt)” で定義しないと、話がおかしくなっています。
s平面では、横軸をδ(利得), 縦軸をjω(複素周波数)にとって、伝達関数W(s)の極や周波数、利得を、ナイキスト線図で描くのがわかりました。その制御理論の入門サイトは、ネット検索で最上位にリストされてくるので要注意です。信じると、多くの時間を無駄にします。
制御理論の教科書を買うのが安全です。

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2016年2月7日日曜日

高速方向切替式 2素子 八木アンテナ

アンテナの受信・送信方向を、瞬時に切り替える2エレ八木アンテナの概念図です。


Quick heading 2 elements Yagi Antenna

中央に垂直の1/2λ波長のダイポールアンテナを置き、導波器または輻射器の中央にスイッチを配置します。

スイッチは機械式リレーまたは半導体式リレーを用い、いずれか一個のスイッチをリモートでONすることで、輻射パターン方向を単一方向にします。

大型モータでアンテナ本体を回転せずに、瞬時に方向を切り替えられることを特徴とします。