2018音源とオーディオの電子工作(予定)ソフト屋がハードにはまっていく軌跡2018年5月31日木曜日MIX0401_TrialをFFTしてみました。MIX0401のテスト用にMIXしたものをWaveSpectraでFFTしてXSplitで録画/録音してみました。Levelを上げているので波形がはっきりと歪んでいます。オーディオ・インターフェイスへの入力が過大だったためだと思います。EDMとしてはこれはこれで(^q^;20kHzあたりに発振と思われるピークが強烈に出ているときがあります。Xsplitで録音しているので音としてはわからないと思いますがどうなんでしょう。その3カットオフ周波数を決める電流源I1を実際のデバイスにしてシミュレーションしました。具体的には抵抗1本で置き換えました。最初は自作の可変電流源を使おうと思っていたのですが、この電流源は吐き出し型です。可変電流源の回路図VCCからR4、T3、T4を通してJP5に電流を吐き出します。トランジスタ・ラダーの電流源は回路図の通り、吸い込み型である必要があります。可変電流源の回路図のJP5に電流値を決める抵抗を挿入して、R4のTR4のエミッタ側を出力とすれば、吸い込み型の電流源になりそうですが、テストがめんどくさいので、一旦抵抗1本を簡易的な定電流源として実験することにします。<追記:2018.06.05>R4のTR4のエミッタ側を出力としても吐き出し型にならないです。T3、T4をNPNに変更する必要があります。今まではトランジスタ・ラダー回路の電源電圧を±12Vでシミュレーションしていましたが、BSM02の電源は±9Vなので、今後は電源電圧を±9Vとします。コントロール電流を決めるRi=1kΩ、フィードバック量を決めるR14=10Ωに固定してシミュレーションしました。±9V電源Q1~Q10のベースに加える電圧は、±9V電源では±12V電源の2/3程度になります。±9V電源V1~V5は1V電位差があればいいのですが、V5は+1.5Vになるので問題が出るかもしれないので、V5が+2Vになるように値を調整したほうがいいかもしれません。±12V電源の場合はカットオフ周波数fc=3kHz付近、±9V電源の場合はfc=2kHz付近になりました。1kHz/1Vp-pのノコギリ波を入力して応答をシミュレーションしました。過渡解析でも、±12V電源の方が振動が多く出ています。カットオフ周波数をコントロールコントロール電流を決めるRiの値を1kΩ~100kΩにしてパラメータ解析しました。Rq=100Ωで固定。入力信号につられて、コントロール電流I(R15)が変化していますが、おおよそ10uA~1mA程度でI(R15)が変化しています。AC解析カットオフ周波数は200Hz(Rq=100kΩ/暗青の線)~20kHz(Rq=1kΩ/緑の線)で変化しています。過渡解析1kHz/1Vp-pのノコギリ波を入力して応答を見ました。Rqの値によって振幅が変化しています。Ri=1kΩ(緑の線)のときコントロール電流I(R15)が最大で、カットオフ周波数が最高になり、振幅が最大になります。Q値(レゾナンス)をコントロールQ値を決めるRqの値を1Ω~10kΩにしてパラメータ解析しました。シミュレーション回路図AC解析Rq=100Ω(赤の線)のときピークが最大になっています。Rq=1Ω(緑の線)、Rq=10Ω(青の線)の時はフィードバック量が多く、通過域で-6dB程度まで低下していて、位相も反転しています。過渡解析1kHz/1Vp-pのノコギリ波を入力して応答を見ました。Rq=10kΩ(マゼンタの線)の時、フィードバック量最小で振動は現れてません。Rq=1Ω(緑の線)の時、フィードバック量最大で振動が多く現れています。デバイスを実際のものに置き換えたので、次回はブレッドボードで実験したいと思います。その2前回抽象化してシミュレーションした回路を実際のデバイスに置き換えてしてシミュレーションしました。source)をOPAMPの差動アンプに変更しました。カットオフ周波数をコントロールする電流源はcurrentコンポーネントのままです。カットオフ周波数をコントロールシミュレーション回路図NPNトランジスタは2SC1815にしました。R2+R3+R4+R5+R6+R7=1.19kΩで、電源電圧VCC=12VなのでV1~V5の各ポイントの電位はおおよそ抵抗値÷100となり計算しやすいと思います。信号源V1はGNDから+2V浮かせる必要がありますが、C7でACカップリングしてV5(約+2V)でバイアスをかけています。Q1、Q2のエミッタがトランジスタ・ラダーの出力で、MiniMoogやAnalog2.0では後段にディスクリートの差動増幅回路を使っていますが、簡単にするためにOPAMPの差動アンプをつかっています。組むためにはOPAMPを3つ使ったインスツルメンテーション・アンプにした方がいいかもしれません。21.3(≒26.6dB)です。Q値を決めるフィードバックはC1でACカップリングした後、R14(Rq)とR1の分圧によってフィードバック量を調整しています。周波数コントロールをみるために、Rq=1kΩでフィードバック量を固定して、周波数をコントロールするI1(Ictrl)を10uA~1mAにしてパラメータ解析しました。AC解析Ictrl=10uAのとき(緑の線)、カットオフ周波数fc=200Hz付近、Ictrl=1mAのとき(マゼンタの線)20kHz付近でカットオフ周波数が変化しています。Rq=1kΩに固定していますが、カットオフ周波数が高くなるほどQが大きくなっています。位相をみると、Ictrl=1mAのとき位相が反転していて、出力波形があやしくなりそうです。V1~V5の電位V5が+2.0V(線が重なって見にくくなっています)、その上は+1.5Vずつ増加しています。Q9とQ10のベース電位V(vb9)、V(vb10)とも約+2Vのバイアスがかかっています。過渡解析1kHz/1Vp-pのノコギリ波を入力して応答を見ました。Ictrlの値によって出力振幅が変化し、Ictrl=1mAのとき(マゼンタの線)発振波形があらわれています(^q^/シンセの出音で言うとこのあたりから「ギョーン」とか「ギョギョギョギョ」といった感じになってくると思います。Q値(レゾナンス)をコントロールシミュレーション回路図こんどはIctrl=500uAに固定して、フィードバック量(Q値)を決めるRqを10Ω~10kΩでパラメーター解析しました。AC解析カットオフ周波数fc=10kHz~15kHz付近でQ値が変化しています。Rqが小さいほどフィードバック量が多くなります。Rq=1kΩのとき(赤色の線)もっとも鋭くなっていて、Rq=100Ωのとき(青色の線)、Rq=10Ωのとき(緑色の線)はピークが小さくなって振幅も小さくなり位相も反転しています。過渡解析1kHz/1Vp-pのノコギリ波を入力して応答を見ました。Rq=10kΩのとき(シアンの線)はフィードバック量が最小で振動があらわれていません。Rq=1kΩのとき(赤色の線)よりRqの値が小さくなると出力に派手に振動があらわれています。←緑の線がフィードバック量最大。過渡解析(フィードバック)下側のペインのV(vb12)はQ12のベース電位でRq=10Ωのとき(緑色の線)が一番フィードバック量が多く、出力と同様に振動があらわれています。以前から作ってみたかったラダーフィルターの実験です。Filter(og3)」です。トランジスタではなくダイオードを使ったダイオード・ラダーもありますが、Analog2.0で使われているトランジスタ・ラダー回路をもとに実験してみたいと思います。いずれにせよ、ディスクリート回路で規模が大きいので一歩一歩やっていきたいと思います。Filters」に載っている回路をシミュレーションしました。Control(電流制御)の4次LPFです。実際の回路では各部の電圧は抵抗による分圧で作りますが、シミュレーションでは直流電圧源に置き換えています。source)のE1で置き換えています。出力をC1とR1でACカップリングしてQ11、Q12の差動入力ペアのQ12のベース側にフィードバックしていて、このフィードバック量によってQ値が変化します。電流源I1の値(Ictrl)によるカットオフ周波数の変化を見るために、E1の増幅率は3に固定しています。←Q値は一定になります。ラダー・フィルターのカットオフ周波数は電流源I1の電流値Ictrlで決まるので、Ictrlを10uA~500uAにしてパラメーター解析しました。AC解析カットオフ周波数(-3dBのポイントorピーク)は、Ictrlが10u(緑色の線)が60Hz付近~500uA(グレーの線)が10kHz付近で変化しています。フィードバック量は同じですが、カットオフ周波数が高いほどQ値が上がっています。これは帰還に入れているACカップリング用のC1の影響です。Filters」の回路図のようにACカップリングの影響を少なくするためにCq=1Fとして(実際にはほぼあり得ない値ですが(^q^;)シミュレーションすると下図のようになります。<追記:2018.06.03>Cqの値を「1ファラド」にするつもりで、「1F」と書いてシミュレーションしましたが、Spiceでは1Fは「1フェムト」と解釈されるようです。Cqの値に単位をつけず「1」にしてAC解析すると下図のようになりました。「1フェムト」だと低周波数だとほぼ絶縁でフィードバックがかかっていないことになります。Spiceでは「1メガ」のつもりで「1M」と書くと「1ミリ」と解釈されるので「1Meg」と書かなければならないのは有名ですが、ファラド/フェムトは盲点でした。(Cq=0.1uF)100Hz/1Vp-pのノコギリ波を入力しています。入力信号V(in)はV7によって+2VのバイアスがかかってQ11のベースに入力されています。出力V(out)はカットオフ周波数の変化によって振幅が減衰しています。Ictrl=10uAのとき(緑色の線)はカットオフ周波数fc=60Hz付近のため、出力振幅はほとんどありません。Ictrl=500uAのとき(グレーの線)はfc=10kHz付近なので振幅が大きくなります。同じ回路でE1の増幅率Aq(フィードバック量)を変化させてQ値の変化をシミュレーションしました。シンセのフィルタではQ値をレゾナンスと表記されている場合が多いようです。最初はよくわからなかったし、今でもインダクタのQ値との違いはよく分かっていません(^q^;AC解析カットオフ周波数付近でQ値が変化しています。Aq=4(青色の線)でピークが一番鋭くなっていて、それ以上(赤、シアンの線)ではかえってピークが小さくなっています。位相をみると赤色の線で位相が反転しています。このあたりであやしい波形が出てくると思います。過渡解析AC解析ではピークが変化しましたが、過渡解析でははっきりとわかりません。Filters」もちゃんと読んでいないし(伝達関数やボルツマン定数が出てくると途端に読む気がなくなる...)、細かいところはよくわかりません。こんな複雑な回路を考案した上に安定して動作させているとは驚愕です。上手くいくかどうかわかりませんが、習うより慣れろで引き続き実験したいと思います。シリコン、ショットキー、ツェナーの比較ダイオードは半導体の中でも最もプリミティブで、電流を一方向にしか流れなくするデバイスです。その原理を考え出すと夜も眠れなくなります(^q^;シリコンは順方向で0.6Vぐらいの電圧降下、ショットキーはシリコンより電圧降下が少なくてスイッチング速い、ツェナーは逆方向で使って品種によっていろいろな電圧を作り出せる。いうぐらいの認識でいます。「回路の素101」にダイオードを使ったリミッターがいくつか紹介されているので、LTSpiceでシミュレーションしつつ実験してみました。シリコン・ダイオードシリコン・ダイオードの整流作用と電圧降下を利用して、正負の振幅を制限する回路です。負側はGND、正側はVREF(+1V)のレールで振幅を制限します。入力は5Vp-pのサイン波で、シリコン・ダイオードの順方向の電圧降下によって、負側は-0.6V、正側は1.6V程度で振幅が制限されます。ダイオードは小信号ダイオードの1N4148を使いました。過渡解析ブレッドボード配線図+1VのVREFは100Ωのトリマで分圧して作りました。実測値VREF=1.028V。ch2:OUT1kHz/5Vp-pのサイン波(-2.5V~+2.5V)を入れて、シリコン・ダイオードのリミッターで+1.68V~-0.68Vで振幅が制限されています。ショットキー・ダイオードシリコン・ダイオードと同じ回路ですが、より0V~1Vに近い振幅で制限されます。実験は1S4を使いました。1S4はLTSpiceにモデルがないのでシミュレーションはショットキーの1N5817で代用しました。過渡解析シリコン・ダイオードよりGND~+1Vに近い振幅で制限されています。ブレッドボード配線図+1VのVREFは100Ωのトリマで分圧して作りました。実測値VREF=1.016V。ch2:OUT1kHz/5Vp-pのサイン波(-2.5V~+2.5V)を入力して、ショットキー・バリア・ダイオードのリミッターで+1.28V~-0.24Vで振幅が制限されています。流して0.25V~0.3Vの電圧降下といったところでしょうか。ツェナーツェナーダイオード1本で正負両方の振幅を制限する回路です。正側はツェナー降伏(とかなんとか)、負側はダイオードの順方向の電圧降下によるものです。モデルは(たぶん)トラ技の付録についてたSpiceモデルのEDZV3Bで、BvとVpkの値を1.8に変更して使いました。過渡解析-0.78V~+1.79V程度で振幅が制限されています。ch2:OUT1.8Vが定格のツェナーを使いました。出力は-0.76V~+1.48Vの振幅です。1.8Vのツェナーと言っても流す電流によって電圧は変わります。PANJITのGDZJシリーズのデーターシートを見ると5mA流した時の電圧を定格としているようです。ツェナー2個ツェナーダイオード2本で正負両方の振幅を制限する回路です。ch2:OUT実験すると-2.0V~+2.0Vの振幅で制限されています。メモ:ダイオードのリミッターと言ってもいろいろと効き方が違うもんだな~と思いました。(13)MIX0401_TrialをFFTしてみました。シリコン、ショットキー、ツェナーの比較ニッパーを新調しました。サンプリングレートを上げてみる。