hobbylab.jp 部品オペアンプ

CWのディコーダを作成するため、オーディオ信号からMCUのA/Dへ入力するためのバンドパスフィルターアンプを製作してみる。
CWの受信音の周波数帯域は 600Hz〜800Hz付近のため、設計では700Hzとする。
バンドパスフィルターの方式は多重帰還型BPF（バンドパスフィルタ）を使用します。
多重帰還型BPF（バンドパスフィルタ）はオペアンプを用いたアクティブフィルタの一種であり、特定の周波数帯域だけを通過させ、それ以外の周波数を遮断する回路です。
英語では MFB（Multiple Feedback）と呼ばれ、非常によく使われる代表的な方式です。
メリット

部品数が少なく、簡単に作れる：オペアンプ1個に対して、抵抗3個、コンデンサ2個の最小限の構成（2次フィルタの場合）で設計できます。
直流（DC）カットが容易：回路の構造上、入力側にコンデンサが入るため、前段の直流成分を遮断して次のステージへ縦続接続（カスケード接続）しやすいメリットがあります。
高域特性が安定している：サレンキー型BPFと比較して、オペアンプの性能限界（高周波でのインピーダンス上昇など）による高周波域での漏れ（特性悪化）が少ないとされています。

デメリット

高いQ値（鋭さ）を設定しにくい：Q値（フィルタの選択度・シャープさ）を高くしすぎると、素子のバラつきに非常に敏感になり、回路の動作が不安定になります。
一般的にQ値は10〜20程度、高くても100未満の実用範囲で使用されます。
反転増幅が基本：オペアンプの反転入力（マイナス端子）に信号を入力する構成のため、通過帯域での出力信号の位相が反転します。

他のバンドパスとの比較

回路に求める「鋭さ（Q値）」や「音質・ノイズ性能（S/N比）」によって、他の方式と使い分けられます。

フィルタ方式	構成の難易度（部品数）	選択度（Q値）の限界	主な特徴・用途
多重帰還型	低い（極小）	〜100程度（実用は20以下）	簡単に作れる。一般的なセンサ信号処理や音声処理に最適。
サレンキー型	低い	〜数十程度	非反転増幅が可能。高域で信号が漏れやすい弱点がある
バイカッド型	高い (オペアンプ3〜4個)	数百まで可能	ゲインや周波数を独立して精密調整できるが、高周波には不向き。
状態変数型 / フリーゲ型	高い (オペアンプ複数)	数百まで可能	非常に安定して鋭い特性を作れるが、回路が複雑。

1.2 入出力仕様

今回の回路の入力電圧は P-Pで 600 (mV)
Si4735 で SSB 7MHz の CW 信号をオーディオ出力で測定した結果

MCUの電源電圧は3V
3 / 0.6 = 5
アンプのゲインは最大　5倍あれば良い事になる。
2〜10倍のゲイン調整ができるものを作成する。

1.3 回路図

回路図の左側のオペアンプは増幅用で、右が多重帰還型のバンドパスフィルターです。

今回の電源電圧は3.1(V)、またMCUのA/Dに接続するためオペアンプはTVL9062を使用します。
TLV9062（TVL9062は入力ミスとみられます）は、テキサス・インスツルメンツ（Texas Instruments）社製の低電圧・高性能デュアルオペアンプです。
広い帯域幅と低消費電力を両立しており、コスト重視の電子回路設計で非常に広く採用されています。
主な技術仕様と用途は以下の通りです。

チャンネル数: 2（デュアル回路構成）
帯域幅: 10 MHz（単利得帯域幅）
動作電圧: 1.8V 〜 5.5V の低電圧駆動に対応
入出力特性: Rail-to-Rail入力/出力 (RRIO) に対応し、ダイナミックレンジを最大限に活用可能
静止電流: 1チャンネルあたり標準 538 µA と低消費電力（バッテリー駆動機器に最適）
入力オフセット電圧: 標準 ±0.3 mV と非常に低歪み
ノイズ特性: 10 nV/√Hz（ブロードバンドノイズ）
安定性: ゲイン1（ユニティゲイン）で安定動作し、RFI（無線周波数干渉）およびEMI（電磁波干渉）除去フィルターを内蔵

1.4 計算と特性測定

計算式　C = C3 = C4 ( C = 10 / fo (uF)が目安で決定 )
　

計算値及び測定値

設計時のQ		10			20			30
計算値	C3,C4(uF)	0.1			0.1			0.1
	R7 (kΩ)	20			47			68
	R8 (Ω)	120			56			33
	R9 (kΩ)	39			120			150
	Q	9.0			23.2			33.7
	fo (Hz)	738			614			716
	A	0.98			1.28			1.10
測定値	fo (Hz)	628	663	710	658	678	716	653	668	689
測定値	A(dB)	18.6	21.4	18.6	18.4	20.9	18.3	14.2	17.0	14.4

※計算値のA はバンドパスフィルター(回路のUBB)の増幅倍率
測定値の A はアンプを含めた信号比率(dB)です。

バンドパスフィルターの特性

目標 Q		10	20	30
中心	周波数	663	678	668
中心	利得	21.4	20.9	17.0
-3dB	利得	18.4	17.9	14.0
	低域周波数	625.5	654.0	651.9
	高域周波数	713.4	721.9	692.2
	帯域幅	87.9	67.9	40.3
測定による Q		7.54	9.99	16.58

目標Q=10のボード線図		Si4735で7MHz CW受信波形
		入出力は波形が重ならないようアンプの増幅を変更した。増幅率は約5倍

目標Q=20のボード線図		Si4735で7MHz CW受信波形　A部時間軸拡大
		Qが大きくなると切れが悪い(残像が長い)。 Q=10 14.2(ms)　Q=20 23.8(ms)　Q=30 33.4(ms)

目標Q=30のボード線図0		Si4735で7MHz CW受信波形　B部時間軸拡大

		入力信号に重なった他の信号に対するCW信号を測定した。　やはりQの高い方が、良い。入力 300/297 = 1.01　　Q=10 1370/540 = 2.54 Q=20 1500/475 = 3.16　　Q=30 1500/383 = 3.92

1.5 Qが高くなるとどうなる

Qが大きいとなぜ切れが悪くなるのかAIに聞いて見た。

1. 「Q値が大きい」とはどういう状態か？

Q値（Quality Factor）は、一言でいうと「エネルギーの蓄えやすさ（損失の少なさ）」を表す指標です。

(1)Q値が小さい（帯域が広い）：

内部の抵抗などでエネルギーがすぐに消費されるため、入力がなくなるとすぐに出力が止まります。

(2)Q値が大きい（帯域が狭い）：

回路が特定の周波数に強く「共振」します。コンデンサと抵抗の間でエネルギーが効率よく往復し、外に逃げにくいため、一度蓄えられたエネルギーがなかなか減りません。

2. 残像が長くなるメカニズム（時間領域での動き）

フィルタに入力信号が加わると、オペアンプ回路内のコンデンサにエネルギーが蓄えられます。ここで入力を急に「ゼロ」にした（信号を切った）瞬間を考えます。

(1)入力が断たれても、回路（コンデンサやオペアンプの帰還ループ）の中には直前まで共振していたエネルギーが残っています。 (2)Q値が大きい回路は、このエネルギーを消費（減衰）させる力が弱いため、自分自身の力でしばらく振動を続けます（これを自由振動やリンギングと呼びます）。 (3)この「自走している振動」が、出力に「残像（じわじわ減衰する波形）」として現れます。

3. 数学的な関係（周波数領域と時間領域のトレードオフ）

フィルタの世界には、「周波数の切れ味を鋭くすると、時間の切れ味が悪くなる」という絶対的なトレードオフがあります。

周波数軸：

Q値を大きくすると、特定の周波数だけを急峻（シャープ）に通過させることができます。

時間軸：

急峻にするということは、数式上「時間応答の減衰時定数（τ）」が長くなることを意味します。具体的には、応答が減衰する時間は Q / f0 (f0)は中心周波数）に比例します。

つまり、Q値を2倍にすれば、信号が消えるまでの残像の時間（時間的な引きずり）も2倍長くなります。

1. バンドパスフィルター

1.1 方式

1.2 入出力仕様

1.3 回路図

1.4 計算と特性測定

1.5 Qが高くなるとどうなる

2 テスト状況