フィルターの設計に関する質問

http://fx.104ban.com/up/src/up7230.jpg

TI社のFilterProを使って上記のようなカットオフ周波数300kHzでpoleが6のフィルター設計を行い、
その周波数応答を見てみたのですが、
なぜか200kHzあたりでゲインが増大するという現象が見られています。
それ以外は特に問題ないのですが、これはなぜなのでしょうか？
周波数特性グラフでは300kHzほどで群遅延は増大していますが、
ゲインはずっと平坦になっています。
それなのにゲインが増大する理由が分かりません。
一応、全ての素子が間違っていないかチェックしてみたのですが、
間違いはありませんでした。
この理由について教えて頂けますでしょうか？

No.1 ベストアンサー 回答者： kuro804 回答日時： 2009/10/17 00:53

”シミュレーションでは平坦で問題がないのに、実際に組立実装した場合にはゲンイが平坦ではなくピークが生じている”ということと理解して推定すれば、理論値は問題なく、実装上の問題であると考えられますので

一番に考えられることは、出力側の信号が入力側に正帰還して、見かけ上ゲンイが上昇してるのでしょう。この症状がさらに大きいと回路全体が発振状態に入ります。ではその原因は
原因その１
　信号的にグランドである部所が出力信号で揺すられている。つまりバイパスコンデンサ等による処理が不適当な場合。
多くの場合実装経験が少ない場合に生じます。オペアンプの電源端子のバイパスコンデンサの容量不足。一例として電源端子すべてに470uFと0.1uFを並列でバイパスコンデンサとして使用する
原因その２
　微少浮遊容量による正帰還で、回路図にあらわれない実装上の問題で生じる入出力間の部品の物理的接近での静電容量的な結合によるもの。
同様に部品間、配線間の絶縁抵抗の低下による結合。
部品間の距離、配置で入出力間を離す。シュミレーションでこれらの浮遊容量、抵抗を加味して部品の最適値を求める。
原因その３
　設計値と実際の使用部品の誤差による偏差をシミュレーションしていないために生じる設計ミス
以上、記述ミス、勘違いがあるかもしれませんが　がんばって下さい。

No.6 回答者： ricardo_ 回答日時： 2009/10/18 02:11

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http://fx.104ban.com/up/src/up7230.jpg​をクリックすると関係ない画像が現れる。
　いたずらしているのか？

No.5 回答者： inara1 回答日時： 2009/10/17 15:08

間違いがありました。

　　・この回路は反転増幅形式なのでオペアンプの入力容量の影響をほとんど受けません（回路シミュレータでも確認しました）。
　　・6次のチェビシェフLPF（リップル0.1dB)の3段目のカットオフ周波数は、全体のカットオフ周波数の1.06273倍でした（手元の書籍の読み間違い）。

３段目の反転入力（-）と出力間の帰還経路に入っているコンデンサ（3pF）の値は正しいでしょうか。ここが数pF違うと特性がかなり変わります。オペアンプにLM7171を使い、この容量を変えたときの全体の特性（TINA-TIによるシミュレーション）を添付します。

No.4 回答者： inara1 回答日時： 2009/10/17 11:46

LM7171ならGB積は220MHzなので十分ですので、オペアンプの入力端子容量が原因だと思います。

設計値のカットオフ周波数未満でピークが出るのは、Q値の一番大きな３段目のカットオフ周波数（全体のカットオフ周波数より低い周波数）がずれているのが原因です。そのズレの原因の１つがオペアンプのGB積が小さいことですが、もう１つ、オペアンプの入力端子容量による誤差があります。ANo.3で帰還コンデンサの値が小さいことに触れましたが、これが小さいと、オペアンプの入力容量の影響を受けて、その段のカットオフ周波数が設計値からずれてしまいます。データシートには入力容量は出ていませんが、回路シミュレータにLM7171がありますので調べてみます。

６次のチェビシェフLPF（リップル0.1dB）の３段目のカットオフ周波数は、全体のカットオフ周波数の0.941倍で、Q値は4.63でなければ所望の特性になりません。3段目のコンデンサC1(3pF)の容量を変えてみると、カットオフ周波数はかなり変わることが分かりました。このフィルタはコンデンサの値が全体に小さいのでオペアンプの入力容量の影響を受けやすいようです。入力容量の影響を受けにくいように、コンデンサの値を大きくしても同じ特性が得られるかちょっと試してみます。

No.3 回答者： inara1 回答日時： 2009/10/17 06:19

ANo.2さんのコメント通り、オペアンプのGB積が小さいとカットオフの300kHz未満で利得のピークが出ます。

Tina-TIというTI社の無料回路シミュレータを使い、GB積の異なるオペアンプで比較してみると、添付図のように、GB積が小さいほど利得ピークが大きくなっています。位相の変化と群遅延のピーク位置も、ピーク周波数に連動して動きます。GB積が50MHz以上のオペアンプを使ったほうがいいでしょう。

過去の質問[1]の回答4にTana-TIのダウンロード法が出ていますのでシミュレーションしてみてはいかがでしょうか。また、同じ回答者（私）ですが、周波数特性のグラフの描き方も過去の質問[2]で紹介されています。

なお、容量の小さなコンデンサ(3pF)が使われていますが、この値が変わったときに特性が大きく変化しないかシミュレーションで見ておいたほうがいいと思います。回路パターンの引き回しの良否や、手を近づけたりしたとき、1pF程度の浮遊容量の変化がありえますので。

[1]　Tana-TIのダウンロード法、使い方マニュアル（回答４）　http://sanwa.okwave.jp/qa4582417.html
[2]　Tina-TIでのAC解析（周波数特性）・過渡解析・パラメトリック解析の方法（回答2、3）　http://sanwa.okwave.jp/qa4565195.html

この回答へのお礼

皆さんありがとうございます。


オペアンプには３つとも
http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM7171.pdf
を使用しています。
Unity gainが200MHzになっているのですが、これのせいなのでしょうか？
確かにIC2まではほとんどピークは出ておらずIC3でピークが出ることを確認していますので、これのせいなのでしょうか？

Tina-Tiを使えば、GB積がいくつ以下のオペアンプを使用した設計とかも可能になるのでしょうか？

お礼日時：2009/10/17 10:58

No.2 回答者： A_Einstein 回答日時： 2009/10/17 02:13

大半は先の回答者が話しているのでもう一つ。

ｐｏｌｅ６ともなると実際に使用したｏｐアンプのＧＢＷ（ＧＢＰ）がFilter Proで計算したときに要求している値より低い。