2SK125 spice model パラメータの評価テスト

2SK125は、SONY社のFETで、RF小信号増幅用、高周波ミキサー用途として性能に定評があり、人気がありました。現在でも入手できるようです。

しかし、古めのデバイスはspiceが使われていない時代のもので、spice modelの入手に困難が伴います。

海外サイトから、2SK125の実測データと思しきモデルを見つけ、spice model データの信頼性を確かめるため、その特性を見てみました。

図1. 2SK125のDC特性

図1.に電源電圧 V2=12V 固定とし、負荷抵抗 VarRL = 100〜10kΩ に変化させたときの、ドレイン電圧 V(out), 負荷電流 I(R1)を見たものです。

2SK125の特徴は、スレッショルド電圧が Vth = −3.8V より低い、大変低い負電圧のところにあります。

他のJFETのVthは、もっと高めのVthでマイナス電圧領域にあるので、2SK125はちょっと変わっているようです。

この結果からは、ゲート電圧のバイアス電圧は、相対的に絶対値の大きなマイナス電圧で動かす必要がありそうです。

（このためマイナス電源を用意するか、または、図中の抵抗VarRLをソース端子側へ移動し、ゲート電圧Vgsをソース端子から見た相対ゲート電圧Vgsをマイナス電圧

 Vgs=−Ids*VarRL (<0 p="">

とする方法が考えられます。）[**1]

Vds-Vgsグラフの傾きの大きさ（δVds/δVgs）が利得の大きさを示し、かなりゆるいカーブで、Vgsの変化できる入力電圧範囲が広いので、確かに、大信号入力のダイナミックレンジの広いミキサに使える特性がありそうです。[1]

図2. 2SK125のAC特性

<0 p="">図2.は、ゲートバイアス電圧をマイナス3Vにした場合の負荷抵抗を変化させたたAC特性です。
この利得特性は、ゲートバイアス電圧設定で大きく変化します。

マイナスになるカーブは増幅せず減衰するので、その負荷抵抗ではアンプ動作できないので、プラスの利得になる負荷抵抗を選びます。

負荷抵抗に関係し、利得は最大20dB、利得はかなり落ちますが、周波数は50MHz程度までアンプとして使えそうです。

図3. 過渡解析結果

<0 p="">適正なマイナス電位のゲートバイアス電圧を与えて過渡解析すると、高周波信号電圧入力での増幅の様子が見られます。


以上の結果は、参考程度の信頼度としてご覧願います。


参考資料：
[1] MIT OCW 8.002 "MOS-FET amplifier, Large Signal Analysis"

[**1] 計算式の記述が失われました。改訂準備中です。2020/09/09 

<0 p="">お急ぎの方は、上記講座[1]を参考されてください。

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ダイポールアンテナを集中定数 等価回路で過渡現象解析/7MHz DPは21MHzでは使えません！！

7MHz用逆V型ダイポールアンテナを集中定数の等価回路として考え、過渡現象解析してみました。

7MHz用逆V型ダイポールアンテナを7MHzで使用する場合の過渡解析です。

私は、サイン波電圧電源 V1が、給電点と考えています。

　アンテナ中央の給電点で電流が最大になっていることが前回の検討でも判明しているので、その電流や電圧が時間的にどのように変動しているかを捉えてみたかったのです。

・・・7MHz用逆V型ダイポールアンテナを21MHzで使用する場合の過渡解析です。

今になって新たに発見したことは、21MHzで動作させると、このダイポールアンテナのコンデンサ成分は、3.6pFと非常に小さな値となり、インダクタンス成分と、高周波抵抗成分が合成インピーダンス成分の主流なものになる性質があるらしいことがわかって来ました。

3.6pFは、VHF以上では無視できない容量ですが、短波帯ではあまり影響の無いほど小さい値です。

謎：
アンテナにおける高周波抵抗成分が大きくなる現象は、定性的に何の意味を持つのかが新たな謎です。もちろん、デジタルテスタで図れる類いの性質のものではありません。

この抵抗成分は、現在でも私達が教え込まれた共振周波数 f=1/{2*π√(L*C)} [Hz]を離調させるほど大きな値です。

（実は、RLC過渡解析を微分方程式を解く計算過程で、正確には、共振周波数 f=1/{2*π√(L*C)} [Hz]とはならない、別の式が存在するとわかっていますが、このことはあまり良く知られていないようです。）

共振周波数 f=1/{2*π√(L*C)} [Hz]は、コイルの高周波抵抗成分が完全に0である時しか成立しないのですが、世の中では、未だに、共振周波数 f=1/{2*π√(L*C)} [Hz]の式しか教えられていない人が多いのではないでしょうか。

訂正：(2020/11/14 )

アンテナ共振周波数 f=1/{2*π√(L*C)} [Hz] は、アンテナ・インピーダンス中の抵抗成分R[Ω]により、共振周波数は変化しません。

しかし、入力される高周波信号に対する過渡現象として、直列RLC回路が　

f' =1/(2*π){1/√(L*C)-(R/2L)^2)} [Hz]  の正弦波振動波が現れ、入力される高周波信号とのビート現象が発生します。

この結果、受信機には濁った音のような不可解に感じる電波が受信される現象が起こります。

(無線機の実機で確認済の現象です。)

なお、「7MHz用1/2波長ダイポールアンテナは、3倍高調波関係にある21MHz でも使える」と僕は教わりましたが、21MHz ではSWRが上がり3.0を超え、送信用には使い物になりません。

上記解析のように、高周波抵抗成分Rが、約130Ωにもなるので、先輩方の教えは事実と異なるものでした。

9/6/2015

部品の大きさが、波長に対し大きい状態では、集中定数のインピーダンスとして解析ができなくなる。

(1)高い周波数 GHz などでは、部品が波長に対し大きくなってきて、部品の大きさを無視したインピーダンスでの解析はできない。

(2)低い周波数 MHz の場合、部品としてのアンテナは、波長に対し大きくなっており、アンテナの大きさを無視した集中インピーダンスとしての解析はできない。

従って、こうしたケースでは、進行波、反射波、一様ではない特性インピーダンスを扱える解析方法が必要で、これがSパラメータによる解析である。

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