試作7号 GaNを使ってみたが失敗2020年03月20日 17時52分16秒

試作6号がうまくいった勢いに乗って、GaN(GS66502B)を使ったらどうなるか試してみた。

なにしろ回路が単純なので組み立てるのはそれほど難しくない。大昔に熱中したプラモデルを思い出す。
回路は以下のようになった。シミュレーションによれば、直流ではうまく動作するはず。
次に基板の様子。まずは上から。
次に裏面。GaNが小さくて見にくいため矢印で示した。変換基板などは使わずに直付けである。
と、ここまでは順調だった。
ところが、電源を入れてみると、バイアス部分は流れるのだが、GaNのD-S間に電流が流れない。??全く理由がわからないまま一晩おいて再度挑戦。

水晶発振子をつけない状態でオシロスコープで観察しながら、下側GaNのG(ゲート)電圧を徐々に上げ行く。そうするとある点でいきなり電流が流れ始めた。ところがオシロスコープを見ると異常発振しているではないか。いろいろ手を尽くしてみたが動作が安定せず、思うようにコントロールできない。結局、GaNでは発振器を構成するのは難しいとの結論になった。

今回使ったGaNはパワーアンプの終段にも使えるほど大電流を流せるタイプなので、用途が違いすぎたのかもしれない。将来、小信号用のGaN素子ができたら再挑戦したいものである。

ところで試作8号はあるのか?ただいま構想中で、もう少し具体化したら発表するかもしれない。

試作6号の信号をスペアナで観測する2020年03月20日 14時39分15秒

スペアナを扱うのは初めてなので、いきなり測定というわけにはいかない。少なくとも動作原理を知っていないと、測定を誤ることにもなるし、最悪場合はスペアナを壊すこともあり得る。

昔なら測定器メーカーが開催するセミナーに出たり、先輩から手取り足取り教えてもらったりしたのだろう。今は何でもネットで勉強できる。ただ、細かな勘所は場数を踏まないとわからないのはどこの世界も同じ。
扱いに少し慣れてきたところで測定結果を載せることにする。
その前に300MHzのキャリブレーション信号の様子から。
次に同じ条件で測定した試作6号の信号。
これから何がわかるか。
信号のピークから裾野にあるノイズレベルまでの差はいずれも60dBと読める。違う信号なのにおなじ数値なのは、このスペアナの位相雑音がもっている限界値ということなのだろう。これでは正確な位相雑音はわからない。

しかしこのことはある程度予想していたことなので驚かない。本来の目的であったスプリアスや側帯波の有無を確認するには十分な性能なので、これはこれで満足している.

写真には載せていないが、2次、3次とn次高調波が理論通りに観測された。結果は次のとおり。
キャリア +10dBm
2次高調波 -25dBm
3次高調波 -34dBm

ちなみに水晶発振子の基本周波数に相当する15MHz帯にはもちろんのこと、ほかに気になるような信号は見えなかった。

スペクトラムアナライザ2020年03月20日 13時49分54秒

HPのスペクトラムアナライザを格安で入手した。格安の理由は、ご推察の通り故障品だから。スイッチを入れても画面にはノイズは出ても信号が出力されない。

HP/Agilentはユーザーズマニュアルはもとより、詳細なサービスマニュアルや調整マニュアルを公開していて、こんな場合に非常に助かる。おまけにYoutubeにはスペアナの修理方法がアップされていて、資料には事欠かない。

画面に表示されるエラーコードから故障箇所はYIGとほぼ特定できた。ただしこの製品はとうの昔にディスコンになっているので正規の部品は手に入らない。たとえ手に入ったとしてもかなり高額であろう。幸いにしてeBayには中古のYIGが出品されていて(もちろん動作品)、これを送ってもらうことにした。
写真は故障しているYIG。

YIGの交換はそれほど難しくない。ただGHz帯の高周波を扱うので、同軸パイプに触れるときは慎重になる。交換が終わり、祈るようにしてスイッチを入れる。信号が見えたときはホッと胸をなで下ろした。これで「安物買いの○○失い」にならずに済んだ。

昔、仕事の上でHPの測定器に触れる機会があり、あのとき以来HPには特別な憧れがあった。外装ケースを外し、中の構造を見たときは目をみはった。メーカーの技術力は筐体の構造を見ただけでもうかがい知ることができた。
発売当時は新車が買えるような値段だったのもうなずける。

余談であるがスペアナでネット検索していたら、中東で戦争あってそれが終わり米軍が撤収するとき、大量の測定器類を放置するのだとか。それを現地の人たちが拾い集め、業者が買い取り巡り巡ってオークションに出回るのらしい。そのようなものは中を開けてみると、大抵非常に細かい砂が出てくるのだそうだ。

今回のYIGはイスラエルから送ってもらった。取りはずすときに乱暴に扱ったのか表面に少々傷があったが、外見を見る限りホコリはほとんどなかった。

試作6号(オーブン付き)をケースに組み込む2020年03月17日 22時19分44秒

水晶発振子が2個ともなるとオーブンが大型になり、何も工夫をしないと熱が無駄に逃げてしまう。そこで、ケースに組み込むことにした。これによって、熱的にも外部からの誘導や振動を遮蔽する意味でも理想状態に近づく。

ケースはハモンドのアルミ箱の1590Bが大きさとしてまさにぴったりで、値段も手頃。内部に銅箔シールを貼ると、それらしい格好になった。
これに発振器本体とオーブンを組み入れる。ケース内部には、妻が持っていた手芸用のポリエステル布をもらい、これを断熱材として隙間に詰め込んだ。
この状態でオーブンを加熱すると、熱平衡に達するまでには数時間を要する。ケースに触れるとほんのりと暖かくなっている。ケース自体も断熱材で覆ったほうがよいようだ。とりあえず今の状態で様子を見ていく。

毎度のことだが、ただいまエージングの途中で、日々音が変わっていく。落ち着いてくると音に力が漲り、前へ前へと出てくる。試作5号では、低音が団子になるときがあってスピーカーボックスの調整が必要なのかなと思っていたら、試作6号では不満なところがほぼ解消した。

こうして発振器をいじっているうちに、アンプへの興味がだいぶ薄らいできたことに気がついた。あまりにもシステム全体に対する発振器の影響が大きいので、アンプをいじって「変わった」とか「良くなった」と言っていたことが、実に小さなことだったと思えてならない。これは果たして良いことなのか、自分でも困惑している。

試作6号 出力波形(オーブンなし)2020年03月10日 13時26分19秒

出力を観測する。手持ちの関係で終端抵抗は47Ωである。
試作5号に比べると出力が大きくなっている。今回も美しい正弦波とはならず。やや歪んでいる。