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RF DESIGN SERIES 【シリーズ一覧へ】

数M〜数百MHzの高周波信号と上手につきあうために

高周波技術センスアップ101

広畑 敦 著
A5判 320ページ
定価3,240円(税込)
JAN9784789830416

2003年12月15日発行

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■第1章〜第5章(176K) 
■第6章〜第10章(160K) 

■ 正誤情報


 高周波回路は難しいと敬遠されていますが,実は交流回路という視点では低周波も高周波も同じです.正しい知識をもって接すれば,恐れることはありません.
 本書は,数M〜数百MHzの高周波信号を扱うためのコモン・センスから,整合/スイッチ/増幅/発振/実装のテクニックなど,実践に使える101個のテーマを集大成したものです.高周波回路の設計者を目指す人だけでなく,高周波センスを身に付けたいと考えているエンジニアに役立つ一冊です.


目次

第1章 高周波信号と上手に付き合う術 センスアップ!
 1 配線は短く!…30MHz以上では10cmが影響する
 2 厳密な計算よりチャートのほうが役に立つ
  高周波では部品の特性ばらつきがとても大きい
 3 虚数表現のインピーダンスに慣れる必要がある
 4 直列接続はインピーダンス,並列接続はアドミタンス
  直列接続時はインピーダンス表現が便利
  並列接続時はアドミタンス表現が便利
 5 常に「対」の存在を意識する
 6 使用する周波数に応じて適切な定数を選ぶ
  エミッタ共通増幅回路に見る定数の違い
  物理的な形状が重要なパラメータになる
  使用周波数で最良の特性を発揮する部品を選ぶ
  プリント・パターンも立派な高周波部品
 7 小さく作ることを常に意識する
  小型化,高密度化してできるだけ集中定数で設計する
 8 5倍10倍で大勢を決める
 9 基本テクニック…高低高/低高低のインピーダンスの組み合わせ
  フィルタに見る「上げて下げて」のテクニック
  パスコンも上げて下げてが基本
  ノイズ電流ループを切り離すデカップリングも上げて下げて
  電源とグラウンドに余計な高周波電流を流さないことが重要
 10 すべての回路を高周波の目で見よう
  ディジタル回路は基本からはずれる
  アナログ回路とディジタル回路を混載させるには

第2章 高周波信号の伝送技術 センスアップ!
 11信号源から効率良く電力を取り出すテクニック
  直流回路の場合
  高周波回路の場合
  整合時の信号源出力と負荷端の電圧は時としてとても高くなる
  信号出力レベルの表示方法に注意!
 12 周波数帯による整合方法の違い
  2M〜300MHzでは整合はあまり必要とされない
  300MHz以上では整合が必須
  低周波数でも整合が必要な場合がある
 13 高周波信号を伝える部品「伝送線路」の性質と扱い方
  伝送線路のいろいろ
  特性インピーダンスで終端した伝送線路のインピーダンスは周波数によらず一定
  信号源と負荷のインピーダンスは伝送線路の特性インピーダンスに合わせる
  伝送線路は特性インピーダンスが変化しないような構造にする
 14 伝送線路の選び方
  特性インピーダンスが規定された線路を使う
  コネクタにも特性インピーダンスがある
 15 回路の入出力は50Ωで設計すると便利
 16 負荷と不整合状態にある伝送線路には定在波がたつ
  不整合状態では線路上の電圧と電流の振幅が場所によって違う
  原因は進行波と反射波の合成による定在波の発生
 17 整合の度合いを表す二つの指標「定在波比」と「反射係数」
  簡易的な整合指標「定在波比」
  より正確な整合指標「反射係数」
 18 負荷端開放時と短絡時はエネルギが100%反射される
  負荷端が開放/短絡のときは電力がすべて反射される
  負荷開放のときの定在波のようす
  負荷短絡のときの定在波のようす
 19 電圧反射係数と定在波比を計算する方法
  定在波比と反射係数の関係式
  実際の高周波システムに見る定在波比と整合のようす
 20 直流回路でも反射係数を使った計算ができる
 21 信号源側の整合も考慮しよう!
  信号源側でも反射は起きる
  信号源と負荷が直結している場合の不整合が引き起こす現象
  信号源と伝送線路間は不整合状態でも定在波は起きない
 22 伝送線路に損失があるとみかけの整合度が良くなる
 23 アッテネータを挿入すると不整合が緩和される
  ゲインを犠牲にしてでも整合が必要な場合はアッテネータを入れる
  アッテネータの減衰量と定在波比の関係
 24 定在波が生じると電磁波が放射される
  定在波は電磁波を放出する
  10MHzクロックでは約18cmのパターンが影響する
  大きな電流ループほど電磁波を幅射しやすい
 25 従来のディジタル回路の設計法では全反射が起きて当然
  ディジタル信号は高周波信号と考えよう!
  長いプリント・パターンでも定在波が起きにくくなる方法
  低消費電力動作が必要なときはAC終端

第3章 インピーダンス変換技術 センスアップ!
 26 インピーダンス変換の役割
  どんなときインピーダンス変換が必要?
  低周波回路におけるインピーダンス変換の例
 27 抵抗によるインピーダンス変換
  損失は生じるがばらつきが小さい
  増幅回路とフィルタのインピーダンス整合の例
  T形またはπ形のアッテネータによる変換
 28 トランスや同調回路によるインピーダンス変換
  トランスは低い周波数帯での広帯域インピーダンス変換向き
  トランスを使った同調回路は高域の単一周波数でのインピーダンス変換に有効
  並列共振回路の同調時の周波数選択特性
 29 LCによるインピーダンス変換
  逆L形のLC回路
 30 伝送線路によるインピーダンス変換
  伝送線路のインピーダンス変化を利用する
  マイクロ波帯で使えるλ/4インピーダンス変換器「Qマッチ整合回路」
  小型携帯機器には大きすぎて使いにくい
 31 コンデンサでインピーダンス変換するテクニック
  コスト高のコイルではなく安価で特性の良いコンデンサを利用する
  ノートン変換の例
 32 各種インピーダンス変換回路の周波数特性

第4章 スミス・チャート活用術 センスアップ!
 33 高周波でのインピーダンスは反射係数に変換して考える
  反射係数で表すと有利なこと
   …半径1の円グラフにすべてのインピーダンスをプロットできる
 34 高周波で複雑に変化するインピーダンスはスミス・チャートで捕らえる
  スミス・チャートとは
  スミス・チャートの一種「アドミタンス・チャート」
  直列と並列の複合回路は「イミタンス・チャート」が使いやすい
 35 チャートを活用しよう!
  どんなときにチャートを使うか?
  まず,負荷のインピーダンスをプロットする
  インピーダンスの逆数であるアドミタンスを求める
  反射係数が一目でわかる
  定在波比が一目でわかる
  負荷点における電圧と電流がわかる
 36 第2の高周波部品「伝送線路」もチャートで捕らえる
  線路上のインピーダンスは定SWR円上を動く
  チャートを使って伝送線路上の電圧分布を求める
  伝送線路を使うと良質のリアクタンス素子を作れる
 37 部品を追加するときのインピーダンス変化を捕らえる
  部品追加によるチャート上の四つの軌跡を覚えよう
 38 複数のリアクタンス素子を組み合わせると
  インピーダンスはとても複雑に変化する
 39 インピーダンスの異なるものどうしを整合させるテクニック
  整合しているインピーダンスは共役の関係にある
  整合させるにはチャートの共役点に移動させる
 40 二つのLC回路でどんな負荷も整合できる
 41 チャート周辺部を使う整合回路は実用的ではない
  チャートでわかる整合回路のクリティカル度
  実用的な整合回路は3素子以上で構成する
 42 反射係数を測定するテクニック
  スペクトラム・アナライザによる測定
  ネットワーク・アナライザによる測定

第5章 高周波パラメータの操作術 センスアップ!
 43 トランジスタの高周波での動作はデバイス・パラメータで表現できる
  高周波トランジスタのデバイス・パラメータ
  高周波FETのデバイス・パラメータ
 44 デバイス・パラメータと高周波性能との関係を理解しよう!
  低域ではデバイス・パラメータのほとんどが無視できる
  帰還容量は周波数特性を悪化させる
  高域まで周波数特性を伸ばす方法
 45 ブラック・ボックス回路を扱える4端子パラメータ
  4端子パラメータは回路の動作を表現している
  回路パラメータの種類と使い分け
 46 直流から低周波まで使えるhパラメータ
  トランジスタのhパラメータを求める
  hパラメータで表すトランジスタの等価回路
  二つの電流増幅率hFEとhf
 47 VHF帯ではyパラメータが使いやすい
  yパラメータで表すトランジスタの等価回路
  yパラメータはコンダクタンスとサセプタンスで表現できる
  データシートに見るyパラメータ
  yパラメータの活用法
 48 VHF帯ではSパラメータよりyパラメータ
  yパラメータを使った電力ゲインの計算
  整合状態で得られる最大有能電力ゲイン
  安定に動作するゲインの求め方
 49 VHF帯以上ではSパラメータ
  Sパラメータとは
  Sパラメータの定義
  Sパラメータをスミス・チャートにプロットすると整合のしやすさがわかる
  データシートに見る実際のSパラメータ

第6章 スイッチ技術 センスアップ!
 50 高周波で使うダイオードのいろいろ
  同じものでも別の呼び名がある
 51 ダイオードの動作抵抗の周波数特性
  順方向電圧-電流特性から交流信号に対する動作抵抗を算出する
  実際のダイオードの高周波での交流動作抵抗
 52 ダイオードの応答速度と適材適所
  測定の方法と実験結果
  速いダイオードは整流回路や動的切り替えに適する
  遅いダイオードは信号の静的切り替えに適する
 53 高周波回路におけるダイオードの使い方
  直流バイアスを加えてダイオードを通過する信号をON/OFFする
  入力信号自身がダイオードをON/OFFスイッチングして動作する
 54 ダイオードを使って信号の経路を切り換えるテクニック
  スイッチの基本回路
  低速のダイオードほどひずみが小さく信号切り換えに適する
  速いダイオードは信号がひずみやすく信号切り換えには不向き
  信号切り換え用のスイッチに適するダイオードの要件
 55 OFF時のアイソレーション特性を改善するテクニック
  OFF時は逆バイアス電圧を加える
  端子間容量の小さいものほどOFF時のアイソレーション特性が良い
  さらにアイソレーションを改善する方法
 56 CMOSアナログ・スイッチは高周波信号のON/OFFが不得意
  アナログ・スイッチは抵抗と寄生容量が大きい

第7章 検波技術とミキシング技術 センスアップ!
 57 検波のあらまし
  検波とは…変調された信号から情報信号を取り出すこと
  検波の基本…ダイオードで整流しコンデンサで平滑する
  検波用のダイオードはショットキー・バリアが良い
 58 低ひずみで検波するテクニック
  AM変調回路の動作とひずみの発生
  ダイオードの順方向の非直線性がひずみを発生させる
  検波した信号のひずみを低減する方法
  直流の小電力を流してひずみを低減する
  重負荷時のひずみ対策
 59 検波回路の検波効率を上げるテクニック
  低い周波数では高抵抗にする
  負荷抵抗はダイオードの逆方向抵抗より小さくする
  検波回路が信号源に与える影響を減らす
 60 二つの信号から新しい周波数成分を生成するテクニック
  二つの信号源どうしを直接接続するだけではダメ
  高速にON/OFFするダイオードに信号を入力する
  高速にON/OFFするアナログ・スイッチに信号を入力する
 61 ミキシングによって生成される高周波信号のいろいろ
  正弦波が非線形素子を通過すると生じる高調波の性質
  非線形素子に二つの信号を加えると生じる高調波の性質
  スイッチングで合成すると生じる高調波の性質
 62 ミキシング回路の応用
  周波数変換回路
  変調回路
  検波回路
  位相比較回路
  逓倍回路
  非直線性を利用した簡易周波数変換回路
  入力信号が出力されない周波数変換回路
 63 乗算で生じる不要な信号は混信や妨害の原因になる
  目的以外の周波数成分は妨害信号となる
  AMラジオのビート音も乗算で生成された不要信号
  奇数次の相互変調成分は除去が難しい
  ミキシングによって発生する不要な信号を減らす方法

第8章 増幅技術 センスアップ!
 64 専用ICを使えば増幅するのは簡単
  高周波広帯域用の増幅ICを使う
  実際の広帯域増幅ICの動作
  コラム 高周波のレベルは電力で扱う
 65 増幅器の雑音特性を評価するテクニック
  雑音量の見積もり方の基本
  増幅器の雑音量と感度の表現法
  コラム S/N3dBとは…信号電力と雑音電力が等しくなる入力信号レベル
 66 感度の高い高周波システムを設計するテクニック
  雑音指数の悪い回路の前に低雑音指数の増幅器を置く
  初段の増幅器は低雑音指数,高ゲインにする
  フィルタの位置がシステム全体の雑音指数に与える影響
  増幅回路のゲインは必要最小限にする
  システムに必要なトータル・ゲインの算出例
 67 広帯域増幅器によるS/N改善のテクニック
  スペクトラム・アナライザの雑音指数を測ってみる
  信号源の出力を高周波広帯域増幅回路で増幅するとS/Nが改善される
  高周波増幅器が扱える電力範囲を評価するテクニック
 68 直線性の良い増幅が可能な最大点「1dBコンプレッション・ポイント」
  高周波で一番問題になるひずみ「IMD」
  動作レベルの目安「インターセプト・ポイント」
 69 動作時のひずみと最大出力の計算法
  動作時のひずみの大きさはIP3を使って計算する
  最大許容ひずみから最大出力を計算する
 70 入出力レベルの広さを表す「ダイナミック・レンジ」
  ダイナミック・レンジとは…ひずみなしで動作する範囲
 71 自由度の高い高周波増幅回路はディスクリートで作る
  トランジスタの基本動作
  FETの基本動作
  トランジスタを使った増幅回路の三つの基本形
  入出力インピーダンスの違いに注目
  ベース共通回路とコレクタ共通回路はインピーダンス変換に利用できる
 72 高周波特性の良いベース共通回路
  高周波でよく使われる増幅回路
  ベース共通回路の入力インピーダンスは高周波まで低い
  アイソレーションも良い
  コレクタ電流を大きくするほど周波数特性が伸びる
  入力抵抗RE1は低めに設定する
  入力インピーダンスは広帯域にわたって一定
 73 高インピーダンスで受けて低インピーダンスで出力するコレクタ共通回路
  インピーダンス変換器やバッファに使える
  負荷と信号源インピーダンスが影響し合う
  発振しやすい
 74 コレクタから大きな出力を取り出す方法
  最大電力を引き出せる負荷インピーダンス
  負荷インピーダンスを決めるときに配慮すること
 75 トランスの周波数特性を伸ばす方法
  巻き線長を短くする
  適切な透磁率のコアを使ってリアクタンスを増やす
  コアの形状や巻き方を工夫する
  トランスの損失と周波数特性の測定
  周波数補償をする方法
 76 コレクタ共通回路のエミッタから電力を引き出す方法
  直流バイアス電流以上は出力できない

第9章 負帰還制御術 センスアップ!
 77 負帰還による入出力インピーダンスの制御
 78 50Ω入出力の広帯域増幅回路の設計
  広帯域で入出力インピーダンスが50Ω一定の回路を設計してみる
  エミッタに抵抗を接続すると入力インピーダンスが上がる
  電圧帰還で入出力インピーダンスを調整する
  50Ω入出力になるRE,RF,N
 79 負帰還による諸特性の改善のようす
  負帰還によるしゃ断周波数の改善
  負帰還による入出力インピーダンスの変化
 80 入力の整合抵抗は雑音指数を悪化させる
  整合を抵抗に負担させると雑音指数が悪化する
 81 実際の負帰還増幅回路に見る技術
  ICに見る負帰還技術
  ディスクリート増幅回路に見る負帰還技術

第10章 信号を選択するフィルタリング術 センスアップ!
 82 高周波システムにおけるフィルタの役割と要求される性能
  実際の高周波システムに見るフィルタの適材適所
  必要な帯域や減衰特性に合わせてフィルタの種類を選ぶ
  アンテナ入力のBPFに要求される特性
  ミキサ前段に挿入するBPFに必要な特性
  ミキサ後段に挿入するBPFに必要な特性
 83 フィルタの基本「同調回路」のふるまい
  並列共振回路の周波数特性の計算
  減衰特性と帯域幅を両方確保するには同調回路を重ねる
 84 高周波LCフィルタの作り方
  LCフィルタを設計するための基礎知識
  インダクタが少なくてすむ構成にする
 85 設計の簡単なLCバターワース・フィルタの特徴と作り方
  バターワース・フィルタを設計する
  しゃ断特性はあまり良くない
  2段接続すると位相変化が大きくなってしまう
 86 しゃ断特性の良いLCチェビシェフ・フィルタの作り方
  高調波除去に向いている
  設計するときのポイント
  希望のしゃ断特性とリプルから次数を決める
 87 阻止帯域の減推量を規定してしゃ断特性を設計できるエリピティック・フィルタ
  コンデンサの数が少し多いがしゃ断特性が良い
  LCエリピティック・フィルタの特性を詳しく見る
  設計のポイント
 88 LPFとHPFを組み合わせて作るBPF
 89 LPFをBPFに変換するテクニック
  LPFのしゃ断周波数を移動する
  LPFを元にBPFを設計してみよう
  インダクタの性能が周波数特性に大きく影響する

第11章 高周波正弦波を生成する技術 センスアップ!
 90 発振回路の動作原理と基本回路
  発振のしくみ
  並列共振回路を利用したLC発振回路のいろいろ
  高周波ではコルピッツ型が重宝される
  発振信号はバッファを介して取り出す
  位相雑音が少ない発振をさせるには共振回路のQを上げる
  発振周波数の安定度を上げるテクニック
  温度補償用コンデンサを使う
 91 安定度と純度の高い水晶発振回路の作り方
  LC発振回路の並列共振回路を水晶発振子に置き換える
  水晶発振子の発振周波数は組み合わせる増幅回路の寄生容量で変化する
  水晶発振回路は位相雑音がとても小さい
  発振周波数のジャンプとその対策
  温度特性が一番良いのはATカット
  水晶発振子に数百Ωを直列挿入しても発振が止まらないようにする
 92 周波数可変型発振器「VCO」の作り方のポイント
  周波数の安定な可変型発振器を作るには?
  可変容量ダイオードで発振周波数を変化させる
  可変容量ダイオードに加える直流電圧は高く,高周波信号の振幅は小さく
 93 安定な可変周波数発振器はPLLで実現する
  PLLは出力信号が基準信号と同じ周波数になるように働く
  基準周波数と同じ精度と安定度の発振出力が得られる
  PLLで制御されたVCO出力には比較周波数成分が漏れる
 94 位相雑音の小さい発振器を使う
  周波数変換後の信号には発振器の位相雑音が付加される
  雑音量はC/Nと帯域の積

第12章 実装技術 センスアップ!
 95 無意識に実装したパスコンが作る高周波電流ルートを断ち切れ
  高周波ではバイパス・コンデンサが共通インピーダンスになる
  バイパス・コンデンサは高周波電流が漏れ出る余計な経路を作る
  電源と個々の高周波回路は明示的に分離せよ
 96 高周波回路の性能を100%引き出す部品レイアウト
  しゃ断周波数10MHzのLPFでもプリント・パターンの影響が出る
  入出力の電流を分離してループ面積を小さくする
 97 信号用のプリント・パターンは整合を意識して描く
  特性インピーダンス50Ωで配線しよう!
  配線のインダクタンスの影響を軽減する方法
 98 高周波ではベタ・グラウンドが基本
  低周波では1点グラウンドが基本
  高周波では1点グラウンドはタブー
  高周波回路の基本はベタ・グラウンド
 99 同軸ケーブルのふるまいと使い方の基本
 100 集中定数回路と分布定数回路の接点の処理
 101 高周波信号をうまく導く
  基板や筐体間の高周波電流の行き来をなくす
  信号の流れに合わせて直線的に回路を配置する



「トランジスタ技術 2016年 2月号」 (税込定価850円)


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