包絡線検波器(ダイオード検波器)の理論解析3(実測編)

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実測結果(無負荷の1N60検波器)

では、これらの理論を踏まえた上で、実測した結果の一部を紹介します。ダイオードに1N60、ほぼ無負荷の状態では、理論値とよい一致を示しました。

測定回路は下図のとおりです。安価な測定器を使用しているため、それなりの誤差はあるものと思ってください。

ダイオード測定回路(1N60)

図6.1N60測定回路(無負荷)
ダイオードのV-I特性

図7.1N60検波器(無負荷時)の特性。

ここで、あらかじめ測定しておいた1N60の静特性は、表1の通りです。V-I特性の測定後、ダイオード+内部抵抗の回路モデルを仮定し、非線形最小2乗法によって求めました。

表1.使用した1N60の静特性
逆方向飽和電流 Is 等価熱電圧 VT 直列抵抗成分 rd 測定条件 Condition
1.04μA 29.9mV 145.2Ω 0.1 ≤ Id ≤ 330μA
1N60特性のシミュレーション

図8.1N60のダイオード特性。

測定する電流範囲や周囲温度によって、算出されるVT,Is,rdはコロコロ変化しますので、まぁ参考程度です。

Memo:なぜか静特性のVT=29.9mVを使うより、VT=26.4mVで誤差が最小とな った。誤差平均6.5%→1.4%。微小電流領域では見かけ上、VTが低下傾向だったので、その影響かもしれない。ただし、低電圧領域は測定器の都合上誤差が多いため、あまり信用できないという問題点があったり・・・

実測結果(負荷をかけた場合の1N60検波器)

出力側に抵抗Roを接続して検波器に負荷をかけると、当然ながら出力電圧Voは減少します。実験の結果、負荷が重いほど理論値との乖離が出てきました。

1N60負荷特性測定回路

図9.1N60負荷特性測定回路
1N60負荷特性

図10.1N60負荷特性

Ro=100kΩの場合

ほぼ、理論どおりの結果が得られました。

誤差も平均で1%程度と、測定器誤差を上回るため良好な結果といえるでしょう。

1N60負荷特性(100k)

Ro=10kΩの場合

小信号領域では、理論どおりですが、大信号領域になると測定値に低下傾向が見えました。

0.5V以上の入力振幅において、その低下率はおおむね10%です。

1N60負荷特性(10k)

Ro=1kΩの場合

さらに負荷を重くすると、大信号領域での低下率が大きくなりました。

0.5V以上の入力振幅において、その低下率は40%一定ですが、小信号では比較的よい一致を示します。

1N60負荷特性(1k)

実測結果のまとめと分析

この理論値以上の低下原因はまだ完全に解明できていません。

少なくとも、回路内のDC電流値とかなり強い相関があり、ほぼ完全に1次比例していることから、ダイオードの内部抵抗成分によるものが主だろうと推測しています。

1N60(1k)_誤差対DC電流値

一例として、1N60以外の内部抵抗が小さいダイオードで実験してみると、低下具合が緩和されます。

下図はrd=2.6Ωという、もの凄く低いrd実測値が出た2SA50による検波結果です。(2SA50はGeトランジスタですが、B-E間短絡によるダイオード接続で使用。1N60は点接触によるSchottky型デバイスですが、この場合はPN junction型デバイスとなる違いあり。)

2SA50負荷特性

超優秀な特性に見える2SA50では、1kΩの負荷でも20%程度の低下で済んでいます。低い直列抵抗、高い飽和電流、逆方向漏れ電流(オーム性)の少なさ、素晴らしい対数直線性…最近のSiショットキーバリアダイオードでもこんな凄い特性出ないし…。ただ、指で触れただけで特性が大きく変化する温度特性には驚きました。ま、50年ほど前のデバイスですしねぇ。

表2.2SA50ダイオード接続時の静特性
逆方向飽和電流 Is 等価熱電圧 VT 直列抵抗成分 rd 測定条件 Condition
0.821μA 25.4mV 2.63Ω 0.1 ≤ Id ≤ 1.5mA
2SA50静特性

まぁ、ゲルマ/鉱石ラジオとしては、ここまで低いRoを使用することは滅多に無いことですので、さほど心配は必要ないでしょう。強いて言えば、強電界地域でスピーカを駆動するような環境ならば、ダイオードの選択によって成否が分かれると思います。

この電圧降下の詳細は今後の探求課題ですが、大雑把には、1kΩまで負荷抵抗を下げると、大信号における入力インピーダンスが低くなるため、直列抵抗成分がRF入力電圧を下げてしまう影響が大きいようです。

Excelでのシミュレーションでは、1N60の内部抵抗rdが180Ω、2SA50では88Ωであると仮定すると、大信号の挙動が一致します。しかし、この領域での静特性では、せいぜい80Ω、3Ω程度なので、説明はまだ不十分そうです。

他にも、オシロスコープで観測すると、波形の頭がやや欠けているので、平均値AC測定器を使用している誤差もあるようですし、信号の大きさでVTやIsも変わる様子が伺えるので、この辺は今後、じっくりと追及していこうと考えています。

(付録)包絡線検波器の理論導出詳細