アンプの方形波応答測定時の注意点

　　(06.10.28〜)

　方形波特性やオーバーシュート観測による位相調整をする場合、オーディオ雑誌などでは、どんな条件で測定されているかよくわからない場合が多いです。

　昔のように、被測定アンプの帯域が確実に発振器の帯域よりはるかに低い場合にはさほど問題になっていなかったが、被測定アンプの帯域があがってくると、きちんとした接続をしないと、きちんとした結果が出ないので、そのポイントを記述しました。

　特に最近では、金田氏も波形調整で位相補償量をある程度きめておられるようで、そういう場合に以下のことが参考になると思います。

★立ち上がり時間について

　まず、予備知識として、立ち上がり時間の定義を書く。

　図１は、方形波（またはステップ波）の立ち上がり時間trの定義を示す。

　立ち上がり時間とは、波形にオーバーシュートやリンギングがない場合（この立ち上がりの曲線をカーブという）振幅の10％〜90％までに要する時間を立ち上がり時間trと定義している。

図1

ガウシャン・カーブと立ち上がり時間tr

　一般的に、系の帯域幅BWとその系のtrには、

　BW×tr≒0.35　・・・（１）

　の関係がある。

　実際には、オーバーシュートやリンギングはどうしても出てくる。その場合でも、オーバーシュートのピークではなく波形が平坦になったところを振幅100％と考えて観測し、オーバーシュートが振幅の5％以下ならtrを用いても（１）式はおおよそ合う。これらについては文末のテクトロニクスのアプリケーションノートを参考にされたし。

★測定系の把握

図2

測定系図

　図２は測定系の性能を知るためのブロック図である。

　発振器の立ち上がり時間が既知の場合には、その立ち上がり時間troを用いて計算してもよい。

　測定する場合には、図２のような接続をして、オシロスコープで波形を観測することでtroを求めることが出来る。

　この接続において、パルスジェネレータとケーブル、オシロの入力のインピーダンスの整合を注意しなければならない。パルスジェネレータの出力インピーダンスが図２とは違ったインピーダンス（75Ω）であれば、それに合ったケーブル、終端行う。

　この系において、オシロスコープによる観測上の立ち上がり時間trvは、その帯域幅BWsとすると、

　BWs×trv≒0.35　・・・（１）’

　trv2=tro2+trs2　・・・（２）

　となり、観測結果からこの式を用いて、パルスジェネレータ（発振器）の立ち上がり時間troを求めることが出来る。

※この、発振器の出力を直接オシロスコープで見たときに、変なオーバーシュートや低域時定数などが存在しないことを見ておくとよい。

※この計算では、troにはケーブルやターミネータの立ち上がり時間も含まれるが、オーディオ帯域〜1ＭＨｚ程度では無視できる。

★実際の測定

図3

実際の測定

　図３は、実際にアンプの測定をするための接続図である。

　アンプの出力も本来はインピーダンスの整合を行う必要があるが、オーディオアンプでは

　1.実際の使い方ときわめて異なってしまう

　2.アンプ自体を50Ωや75Ωをドライブする能力を計算に入れて設計しなければならない

　から、「極力短いケーブルでオシロとつなぐ」ことが要求される。

　また、オシロの入力は1ＭΩだが、実際の経験から、通常のアンプの負荷100k〜数10kΩでは、1ＭΩの負荷と結果は大差がないので、このままでよいと思われる。

　アンプは無負荷で10：1のプローブを用いての測定も考えられ、この場合はオシロスコープとの接続ケーブルの影響を極力避けることが出来る。

※10：1のプローブは、入力容量が数pF以下、入力抵抗が10ＭΩと、通常のオーディオアンプではまったく無視できる負荷である。
　プローブを用いる場合、プローブ位相調整、およびプローブ自体の帯域がオシロより高いことを確認すること。もし、オシロの帯域とプローブの帯域とがコンパラブルである場合には、（２）式からプローブの帯域による立ち上がり時間trpを測定系に加算して考える必要がある。

※オシロスコープの帯域は、ちゃんとしたメーカーの製品であれば「帯域**ＭＨz」とあれば、その帯域幅前後にほぼ合わせてある。そうでないと、帯域から上記のような立ち上がり時間を規定できなくなるため。つまりオシロの帯域は最低保証帯域：**ＭＨz以上の帯域がありますよ、というわけでは無く、かなり厳密にあわせてあることに注意する。

　上記（２）式と同様、この系のオシロスコープで観測されるtrvは

trv2=tro2+trs2+trd2　・・・（３）

　となる。さきほど求めたtroを利用することで、実際のアンプの立ち上がり時間trdを求めることが出来る。

※50Ω終端器：ＢＮＣなどで、オシロのメーカーのアクセサリー品として販売されているが、500ＭＨｚ以上まで特性が保証されていて価格が高い。
オーディオ用では、49.9Ω（Ｅ９６にある値）や75Ωで1/2Ｗなどを入手して最短で接続すればよい。

★発振器の立ち上がり時間の影響

　AD797のモデルを使い、様子をシミュレーションしてみる。

図4

シミュレーションした回路

　図４がシミュレーション回路図である。

　ゲインは11倍、20.8dBである。データシートのグラフ11からこのときのおおよその帯域を読み取ると、約2ＭＨzである。

　2MHzの帯域相当の立ち上がり時間を（１）式から求めると、

　tr(AD797_11)≒0.35/2×106

　　　　　　　≒175×10-9[s]

　また、次に示すシミュレーションでtro＝1psでアンプの出力の立ち上がり時間は≒95nsである。上記の計算と合わないのは、おそらくオーバーシュートが大きいので立ち上がり時間は短く出ているものと考えられる。

図5

図4のインパルス応答シミュレーション結果

　シミュレーションでは、入力する波形の立ち上がり時間troを1ps、0.05μs、0.1μs、0.2μs、0.5μs、1μｓと変化させてみる。

　その結果が図５であるが、これを見ると、troが1pと0.05μs、0.1μsでは若干時間的にシフトしているのみで波形は似ている。0.2μs以上になると、波形が大きく異なる。

troが0.5μs以上になると、リンギングの量がかなり少なく見える。

　つまり、アンプの方形波応答を見るのに、少なくとも

　tro<trd　・・・（４）

　であることが必要である。

　できたらtrdよりtroが一桁以上小さいと、経験上、よい。

※このシミュレーションで、発振器の出力インピーダンスやアンプの入力インピーダンスは規定せずダイレクトに直結している。

★実際の観測結果の表記

　実際に波形を観測した場合、以下の事を明記しないと、そのレポートの読者が同じ実験を再現できない。

1.発振器のメーカー・型名、おおまかな性能、出来たら方形波の立ち上がり時間
2.各測定機器のメーカー・型名、大まかな性能
3.接続図、負荷の条件
4.オシロの写真は、Time/div、Volt/div、プローブの使用の有無

他にも書くことはあるが、以上の事が特にオーディオ雑誌では抜けやすい。
「1kHzの方形波の応答です」で写真を載せられるだけでは、あまり意味がない。

※オシロの管面撮影例:あくまで撮影例、詳細なデータは伏せる。
　これは、上記の実際の観測結果の例ではない。

　あくまで、写真の例である。

　デジカメでもこういう綺麗な写真が撮れるのでチャレンジすべし。
　もっとも、最近はディジタルオシロも安くなったので、買ってしまえばこのようなテクは必要なくなるが。
　立ち上がり時間を読み取る参考に。
公表できるデータ（参考です）：

オシロ：IWATSU　SS-5321　帯域250ＭＨｚ
5V/div、2μs/div、10：1プローブSS-0014　帯域350ＭＨｚ使用
B掃引使用
　
波形の立ち上がりの測定、波形が10％から90％までの時間がはっきりと、約8μsだと読み取れる。

撮影テクニック
　スケール・イルミネーションと波形の輝度をだいたい合わせる
　管面の上にある保護アクリル板を取り外す（外せないものもある）
　部屋を暗くする、あるいは暗幕等を上からかぶる、ダンボールをかぶせるなど、周囲からの光を遮断する
　カメラは、きちんと三脚に固定する
　カメラのレンズの中央は管面の中央に持ってくる（上記写真は若干ずれている(^^;;）

☆まとめ

以上、まとめると、

1.アンプの入力は発振器（パルスジェネレータ）の出力インピーダンスで整合する。

2.発振器（パルスジェネレータ）、オシロスコープ自体の立ち上がり時間に注意する。特に発振器はアンプの立ち上がり時間より短い立ち上がり時間を持つものを用いる。

3.アンプの出力波形観測には注意する（短いケーブルを使う、10：1プローブを使う、など）

4.測定条件等をより明確に記載する。

※参考：オシロでの測定の参考に、テクトロニクスのサイト

http://www.tektronix.co.jp/Products/Measurement_Prod/Accessories/index.html