寄生振動

寄生振動は、電子デバイスやデジタルデバイスにおける望ましくない電子振動（出力電圧や電流の周期的変動）である。これは、増幅デバイスのフィードバックによって引き起こされることが多い。この問題は、 RF、^[1] オーディオ、その他の電子増幅器^[2]やデジタル信号処理^[3]で顕著に発生する。これは、制御理論が取り組む基本的な問題の1つである。^[4]^[5]^[6]

寄生発振はいくつかの理由で望ましくない。発振は他の回路に結合されたり、電波として放射されて他のデバイスに電磁干渉(EMI)を引き起こす可能性がある。オーディオシステムでは、寄生発振がスピーカーやイヤホンで不快な音として聞こえることがある。発振は電力を浪費し、望ましくない加熱を引き起こす可能性がある。たとえば、寄生発振を起こしたオーディオパワーアンプは、接続されたスピーカーを損傷するほどの電力を生成する可能性がある。発振している回路は直線的に増幅しないため、ステージを通過する目的の信号が歪む。デジタル回路では、寄生発振は特定のロジック遷移でのみ発生し、後続のステージで不規則な動作を引き起こす可能性がある。たとえば、カウンターステージで多くのスプリアスパルスが発生し、不規則にカウントされる可能性がある。

原因

増幅段の寄生振動は、出力エネルギーの一部が正しい位相と振幅で入力に結合され、ある周波数で正のフィードバックを提供するときに発生します。結合は、入出力間の浮遊容量または相互インダクタンスによって、入力配線と出力配線の間で直接発生することがあります。一部のソリッドステートデバイスまたは真空電子デバイスには、フィードバックパスを提供するのに十分な内部容量があります。グランドは入力と出力の両方に共通であるため、グランド接続のインピーダンスを流れる出力電流によって、信号が入力に結合されることもあります。

同様に、電源のインピーダンスによって入力と出力が結合し、発振を引き起こす可能性があります。共通の電源が複数の増幅段で使用される場合、出力段の電流の変化に応じて電源電圧が変化することがあります。電源電圧の変化は、入力段で正のフィードバックとして現れます。例としては、トランジスタラジオが挙げられます。このラジオは、新しい電池では問題なく動作しますが、電池が古くなるとキーキーと音を立てたり、「モーターボート」のような音を立てたりします。

オーディオシステムでは、マイクをスピーカーの近くに配置した場合、寄生振動が発生する可能性があります。これは、アンプの出力からスピーカー、そして音波を経て、マイクを経由してアンプの入力に戻る正のフィードバックによって発生します。オーディオフィードバックを参照してください。

条件

フィードバック制御理論は、サーボ制御システムにおける寄生振動の問題に対処するために開発されました。寄生振動とは、エンジンの速度制御など、システムが本来の機能を発揮せずに振動してしまうことです。バルクハウゼンの安定性基準は、振動に必要な条件を示します。フィードバックループの周りのループゲイン(アンプゲインに偶発的なフィードバックパスの伝達関数を乗じたものに等しい) は 1 に等しくなければならず、ループの周りの位相シフトは0 または 360° (2π ラジアン)の倍数でなければなりません。

実際には、フィードバックは周波数範囲（たとえば、アンプの動作範囲）にわたって発生する可能性があり、さまざまな周波数でアンプの位相が異なる場合があります。フィードバックが正で、振幅条件も満たされる周波数が 1 つある場合、システムはその周波数で振動します。

これらの条件は、ナイキスト線図を使用して数学的に表現できます。制御ループ理論で使用される別の方法は、ゲインと位相対周波数のボード線図を使用します。ボード線図を使用して、設計エンジニアは、位相がゼロ (正のフィードバック) でループゲインが 1 以上という、振動の両方の条件が満たされる周波数があるかどうかを確認します。

寄生振動が発生した場合、設計者は制御ループエンジニアリングのさまざまなツールを使用して状況を修正し、問題のある周波数でゲインを減らしたり位相を変更したりできます。

緩和

寄生発振を防ぐために、いくつかの対策が講じられています。増幅回路は、入力配線と出力配線が隣接しないようにレイアウトされ、容量性または誘導性結合を防止します。回路の敏感な部分には金属シールドを配置します。電源接続にバイパスコンデンサを配置して、AC信号に低インピーダンスパスを提供し、電源を介した段間結合を防止します。プリント回路基板を使用する場合は、高電力段と低電力段を分離し、グランドリターントレースを配置して、グランドトレースの共有部分に大電流が流れないようにします。場合によっては、別のフィードバック中和ネットワークを導入して、増幅デバイスの通過帯域内で負のフィードバックを排除するように計算および調整することによってのみ問題を解決できることがあります。典型的な例は、同調無線周波数受信機で使用されるニュートロダイン回路です。

参照

2009年6月ワシントンメトロ列車衝突事故、信号回路の寄生振動が原因の致命的な列車事故^[7]

参考文献

^ Whitaker, Jerry C. (2005). エレクトロニクスハンドブック. CRC Press. p. 404. ISBN 978-0-8493-1889-4。
^ ウェーバー、ジェラルド (1994)。流行のビンテージギターアンプのデスクトップリファレンス。ハル・レナード。p. 220。ISBN 978-0-9641060-0-0。
^ Wanhammar, Lars (1999). DSP 集積回路. Academic Press. p. 188. ISBN 978-0-12-734530-7。
^ Richard R Spencer & Ghausi MS (2003). 電子回路設計入門。アッパーサドルリバー、ニュージャージー州: Prentice Hall/Pearson Education。pp. 661。ISBN 0-201-36183-3。http : //worldcat.org/isbn/0-201-36183-3。
^ 荒木正之, PID 制御, http://www.eolss.net/ebooks/Sample%20Chapters/C18/E6-43-03-03.pdf
^ P. Horowitz & W. Hill The Art of Electronics Cambridge University Press (1980) 第 3 章、オペアンプに関する部分。
^ 国家運輸安全委員会 (2010年7月27日)。フォートトッテン駅付近でワシントン首都圏交通局メトロレール列車2本が衝突(PDF)。国家運輸安全委員会。p. xi 。 2020年11月19日閲覧。

[1] Whitaker, Jerry C. (2005). エレクトロニクスハンドブック. CRC Press. p. 404. ISBN 978-0-8493-1889-4。

[2] ウェーバー、ジェラルド (1994)。流行のビンテージギターアンプのデスクトップリファレンス。ハル・レナード。p. 220。ISBN 978-0-9641060-0-0。

[3] Wanhammar, Lars (1999). DSP 集積回路. Academic Press. p. 188. ISBN 978-0-12-734530-7。

[4] Richard R Spencer & Ghausi MS (2003). 電子回路設計入門。アッパーサドルリバー、ニュージャージー州: Prentice Hall/Pearson Education。pp. 661。ISBN 0-201-36183-3。http : //worldcat.org/isbn/0-201-36183-3。

[5] 荒木正之, PID 制御, http://www.eolss.net/ebooks/Sample%20Chapters/C18/E6-43-03-03.pdf

[6] P. Horowitz & W. Hill The Art of Electronics Cambridge University Press (1980) 第 3 章、オペアンプに関する部分。

[7] 国家運輸安全委員会 (2010年7月27日)。フォートトッテン駅付近でワシントン首都圏交通局メトロレール列車2本が衝突(PDF)。国家運輸安全委員会。p. xi 。 2020年11月19日閲覧。