Hi-Dynamic-Range Mixer/Balanced Modulator
and
Low-Distortion Amplifier

 HPを運用していると、閲覧いただいた方とコミュニケーションができることがひとつの楽しみです。今回、K様より、ダイナミックレンジの大きな、ミクサー/DBMをご紹介いただきましたので、いろいろ遊ばせて戴いた結果を掲載いたします。この素子はSD8901というD-MOSのICで、アクティブ素子でありながら、動作はパッシブに近い、ちょっと変わった素子です。この素子は日本ではほとんど知られていません。私の記憶の中では、日本の雑誌に掲載された形跡は無いと思います。
 外観形状は下の写真のように、14ピンのSOPパッケージ(SD8901CY)と7ピンのCANタイプ(SD8901HD)です。


SD8901CY(左)とSD8901HD(右)

ミクサーとしての利用法

 データシートによると、LOCAL入力が17dBmの時に3次IP(入力)は38dBmを実現できるとしています。この値は高ダイナミックレンジのダイオードDBMがLOCALレベル30dBmで3次IP(入力)が35dBm程度と比較すると、大きなアドバンテージになるものと思われます。

 まず、最初に裸の特性を取るために、単純なバランスドミクサーとして組み上げてみました。回路図は以下のとおりです。データシートの回路図は、イメージ抑圧フィルタやローカルの平衡変換回路などがついていましたが、ここでは省略しています。

 この回路を見て驚くのは「電力供給」を行っていないことです。Gate(5,6)にはバイアス供給だけなので、「電力」は要りません。DC電流は流れないのです。QST1993年2月号によると、この素子のように、MOSFETをパッシブ使用するのが一番IMD特性がいいと謳われています。
 
 回路中、左がRF、右がLO、下がIF端子になっています。また、この素子は回路から予想されるように、「可逆的」です。すなわち、LO端子に局発信号をいれておけば、RF→IF、IF→RFのいずれの方向でもつかえます。これは、トランシーバの構成を考えると極めて便利で、送信と受信でバイラテラルミクサーを構成できる可能性が極めて高いのです!

基板は、下図に示すごとくいつものべたアースで、必要なところはカッターでランドを切っています。


 とりあえず、簡単にIMを測ってみました。入力周波数は15MHz帯の200kHz離れ、ローカルは25MHz帯で、10MHz近辺にダウンコンバートしました。LO:16dBm、入力が13dBm(SSGの出力が17dBmでHYBを通すとこれが最大)のとき、損失は-6dB、三次IMは下図のごとく、48dBでした。このまま、外挿すると13+48/2=37dBmが入力換算三次IPということになります。ローカルをもう少し増力し、素子を選別すれば、夢のIP=40dBmも可能かもしれません。

 周波数特性については、損失が1dB増加する点が150MHzでした。配線に気をつければ、規格のとおり200MHzまで行くと思います。SOPパッケージのほうがF特性はよさそうです。また、キャリアサプレッションは無調整で40dBは取れていました。これは相当にナイスなデバイスです。



<45MHzから455kHzへのコンバート> 【2004.3.23】

 ちょっと気になることがあったので最終形態である、IN:45MHz、LO:45.455MHz、OUT:455kHzでの特性をとって見ました。下図のように、入力が約1dBm、出力IMDは-72dB/-65dBだったので、-68dBと仮定して、入力IP3は35dBmとなりました。まあ、出力が455kHzのように低くなると、コアのF特性、ハンドリング電力の低下等の影響で、大きく特性が劣化するかと思いましたが、出力が9MHzの時とあまり変わらないようです。



SD8901の特性

IN:45MHz1dBm、45.02MHzの2波
LO:45.445MHz 20dBm

 実は、ミニサーキット社からもHigh-IPのDBMが出ているのですが、IFが500kHz近辺のものがあります。これを知っていたので、コアさえ何とかなれば、特性は大きく劣化しないだろうと思っていました。一応、#43以外に#75と#77をそろえてみたのですが、#43でもなんとかなりそうです。もっとも、ここでいくらがんばってもroofing filterのIP3が30dBm近辺なので、あまり意味無いと思われます。(ただしルーフィングフィルタの高IP化についても腹案があるので実験してみたいとは思いますが。)

 このSD8901は、結構広い周波数帯域で、IP3が33dBm以上取れる(max 38dBm)ので、いろいろな高性能アプリケーション事例が構成できそうです。また、荒業ですが、144MHzから45MHzなんてコンバートもできるはずなので、今後が楽しみです。

Balanced Modulator としての利用法

 To be continued. ですが、お遊びで作ったAS-DBMの特性が意外といいので、これを使うかまだ決めていません。

Low-Distortin NFB Post Amplifier

 このようなミクサーを生かすには、フィルター前にポストアンプをつけるのが一般的です。ただし、このポストアンプのIMDは一般にミクサーより大きなものが要求され、小信号素子で構成するのは容易ではありません。、今回、QST1993年2月号に掲載されていた、MRF586なるTrを二本使ったプッシュプルアンプを日本式にモデファイしてみたので、紹介いたします。三次IP(入力)は結果的に36dBmと、ミクサーと同等(ちょっと少ない、残念!)になってしまいましたが、これ以上はPAでも持ってこないと駄目でしょうという領域にまで到達できましたので、これで、一応良しとします。

 回路図は以下のとおりです。元回路とは、Trと結合トランスの使い方が異なっています。また、電源電圧もちょっとアップしています。




2SC1426PP Noiseless Feedback Amp.
Icは一本あたり40mA程度なので放熱器は不要。プリント版にはんだでじか付けしている。




実験の様子

 この回路は大げさですが、特性は良好です。利得は抑え目にして9dBです。これは、NFBトランスの巻線比を変えれば13dBくらいまで増加できますが、今回の目的ではミクサーのロスを補えればいいのでこの程度で十分です。さて、F特性は-1dB点が55MHzでした。帯域内振幅特性はさすがNFBアンプで、全くフラットです!飽和出力は25dBm以上です。これはおおげさですがトップアンプにも十分使えると思います。(まだNFは確認してませんが多分、大丈夫)

 さて、お約束のIMDですが、下図に示すとおり、入力が10dBmで三次IMD比が-50dB、また入力が0dBm時三次IMD比が-70dBと相当に低ひずみです。これをグラフにとって3次IP(入力)を求めると+36dBmとなって、この手の回路で、あちこちのWEB(米国)で見られるような特性が得られました。(この手の事例って「うそ」じゃなかったのですね!)




入力10dBm時IMD積(-50dBです!)
周波数は30MHz帯の100kHz離れ


 さてさて、まだまだいろいろ測らなくてはならないのですが、まず、この素子を知ってもらおうと、とりあえずアップします。これを使ってHF-50MHz TRXを組み上げるのが楽しみです。その他、情報に関しても、整理して公開していこうと思います。

NFB AMP

 ミクサーのポストアンプに、ノイズレスフィードバックアンプを使いましたが、これのノイズ特性が良好だったので、もう一台作ってみました。トップアンプにしようと思っています。コイルの巻き線比をちょっといじって(実は、この巻き線比は、利得と負荷インピーダンスに密接に影響しているので、軽軽にはいじれません!またガテンのおでましです)、ちょっと利得をアップさせてみました。コレクタ側を5tから6〜7tに変えています。実験の結果、7tだとIMDが若干悪くなるので6tにしました。


Trは放熱器をつけて、その放熱器をアースに接するようにしています。
右の放熱器は+10Vと-5Vのレギュレータ

 最初は試行錯誤しようと思って、大きな放熱器を2SC1426に装着しましたが、たしかに0.15A以上流すとIMDが良くなる領域もありましたが、いかんせん、熱くてたまりません。15V×0.15Aで2.25Wの電力消費です!Pcを考えると危険な領域です。ここは40mA近辺で使いましたので、放熱器は結果的には不要なようで、直接グランドにはんだで止めてしまったほうが、動作が安定します。この放熱器をグランドに接地しないと、どうも歪みが増えてしまいますので注意が必要です。
 結果的に利得は10.5dB、入力換算IPは31dBmで、利得を上げるとIP3は下がってきます。今回はトップアンプ用に利得重視で行きます。また、NFは良くわかりませんが、8バンドTRXのアンテナ端子にシリーズにして、50MHzバンドで感度が2dBくらい良くなりますので、まったく問題ないと思います。
 最後に蛇足になるかもしれませんが、注意事項をひとつ。回路図のL1,L2に一般的には100μHくらいのチョークコイルを使うようにQSTには指示がありましたが、これを安易なTr用の小さなインダクターで代用するとひどい目に合います。IMDなんて測ろうなんて気が起きないほど歪みが増えます。最初、茶色の円筒型をした100μHを使っており、このときは歪みが落ちなくてえらい目にあいました。低レベルでは問題にならないとは思いますが、IP3が30だ40だと議論するときは、本当は、RFCや、下手をするとコンデンサ(セラコンは歪みやすい)にまでも注意がいるのかも知れません。多分、Tr用RFCを負荷に使っても同じような結果になると思われますので、注意が必要です。

NFB AMP-2

 昔、秋葉のジャンク屋さんで2SC1251なるUHFパワートランジスタと思しき代物を買ったらしいのですが、全く記憶の彼方に行ってしまっていました。この前、ジャンク箱を整理していると、2SC1251だけでなく、2SC1043なんてのも出てきました。いつ購入したのか、あるいはOMさんから戴いたか記憶が全く不明ですが、規格表を見ていると、なんと、これはパワートランジスタではあるけど、NFBアンプに最適なのでは?と思えてきました。C1426と同系統の特性だからです。C1251なんて、Pc:7W、fT:2200MHz、NF:3.5dBと、小信号増幅には全くもったいないスペックです。当時、PAとしてはあまりPcが大きくなかったので、パワーアンプを組むこともないなと放り出しておいたようです。

 今回、一連の実験でノイズレスフィードバックアンプに目覚めたので、早速追試をしてみました。回路はC1426の片チャネル分です。電源は-5Vと+15Vを供給して電流は60mA程度流しています。コイルは5回:3回:1回で利得は9dBです。

       

   右から1251/1593/1043              C1251の様子 下にアルミ放熱器をつけている。

 さすがにPCがC1426の2倍も有るだけに、大変強力です。下に示すように入力10dBm(シングルトーン)時、3次IMDは-50dBなので、推定入力換算IP3は35dBm、出力側は44dBmということになります。このようなパワートランジスタを使うと、一個で十分な低IMDのアンプが組めます。このアンプはミクサーのポストアンプにするか、第一IFフィルタ後の利得補正アンプに使おうと思っています。いろいろ実験を続けましたが、このNFBアンプが一番使いやすそうです。但し、放熱器が要るのでちょっと実装は厄介になります。




15MHz帯の200kHz離れです。

NFB AMP-3  

 
   <2004.8.26>

  いやー、8月に入ってからはいろいろな行事が重なり、すっかり無線工作から遠ざかっていました。旅行、汗かき行事、その他もろもろ(さぼり)で約一ヶ月のQRTです。そういえば、去年も夏は何もアップしてなかったので、夏は「お休み」が定着したようです。

 突然ですが、NFBアンプを追加で作ってみました。低ゲインでも高IP3が欲しかったので、巻き線比を1対1対2の利得=約6dBで作りました。




2SCC1251 NFB AMP

 実測値は本当に6dBでした。入力が-3dBmで出力のIM3の様子は-83.9dBなので、入力IP3は39dBm(出力は45dBm)となりました。当たり前ですが、ゲインを下げると入力IP3は上昇しますが、出力IP3は45dBm程度が限界のような感じでした。このアンプの用途はそのうちアップしたいと思います。




2SC1251 NFB AMPのIM 


NFB AMP-4

 
 【2005.10.16】

 最近、DSP処理の記事をつらつらと眺めていたら、ちょっと面白い記事に出会いました。QEX 2003/5月号の「A High-Performance Digital Tranceiver Design」の3ページ目の回路です。



 なんでも、High-IPのフロントエンドを作るときに、リニアなアンプが要るけど、従来のベース接地のNFBアンプは後段にフィルタのようなリターンロス特性の悪い(帯域外か?)デバイスをつなげると特性劣化が激しいので、それを改善するのだとか。この図を見ると、エミッタからベースに帰還をかけたエミッタ接地で、コレクタから出力を取ったアンプをプッシュプルで使っているようです。

 これは、しめた!ルーフィングフィルタの前置アンプに使えるわい・・・・と回路を良く見ると、なんか変です。これでは、コレクタ電流が流れません。また、トランスの記述も滅茶苦茶です。これを修正せずにほおっておけたら、たいしたものですが、面倒なので、修正記述を探すより、えいやと推測してみました。

 ということで、作ってみたのが下の写真です。



 調子が良かったらPPにしようと、取り合えず、片CHだけ作って様子を見ます。トランスの巻き数は、無茶苦茶な記述からそれらしく推定して巻いてあります。TRはいつもの時代遅れの2SC1426です。もうそろそろ、この石を卒業して最新のモールドタイプの5000番台の石に移行したいのですが、結構な在庫があるので、もったいなくて使っています。

 得られた結果を以下に軽く記述しておきます。

項 目 数 値
利 得 8-9dB @10MHz
帯 域 95MHz (-3dB)
入力換算IP3 28dBm @10MHz 20kHzセパレレーション
電 源 18V 30mA


 ざっくりと、データを取得した限りでは、基本特性であまり納得が行きません。特に、本文中には、「実際にIP3は取得していないが、シミュレーションではIP3は44dBm以上になるよ」 と書いてあります。使っているMRF5811Lというのは、リニアリティは図抜けていいのでしょうか? だとしたら、TRを替えて実験してみる価値はあるかもしれません。もう少し、まじめな検討が必要かもしれません。(ただ、コレクタ回路を見ると、そんなにIM特性がよくなりそうな気がしない(=ガテンの直感)のですが)

<すこし、特性向上> 【2005.10.22】

 上記の配線図をにらんでいると、どうも475Ωの抵抗負荷がまともな動作になっていない元凶ではと思えてきました。そこで、この負荷をトランスで置き換えることにしてみました。何個か作ったのですが、コレクタから一次側3t×2(CT付)のFB801メガネトランス(=FB801を2個 瞬間接着剤で結合)で受けて、CTから+18Vを供給し、2次側は2tで50Ω系に結合してみました。余ったサイドはPP構成用で浮いてます。その結果、

項 目 数 値
利 得 8.6dB
帯 域 100MHz
入力換算IP3 35dBm @10MHz 20kHzセパレーション
電 源 18V 40mA

 原典を読むと、IP3は入力か出力か判別がつかないのですが、PPにすれば3dB以上は良好になろうし、もしうかしたら、出力IP3かもしれません。とすれば、今回の実験では、楽勝で45dBmは超えそうなのですが、良くわかりません。(もっとも、相手はシミュレーションしかしないと言ってるのですから) ちなみに出力を50Ωで終端したときのアンプ入力側のリターンロスは約12dB(@10MHz)でした。参考までに。これを見る限り、簡単に弄った範囲ではベース接地の回路に劣る要素は無いように思えます。


<期待(外れ)の放熱器付エミッタ接地NFBアンプ>  【2005.11.29】

 最近、仙波さんの自作ぷらーざ(BBS)でLPF切り替えのためのリレーの話をしたら、なんと、ある方から高価な同軸リレーでなくても、IMDが劣化しないものがあるよー とメールを戴きました。確認させていただきたい旨返信すると、手持ちのサンプルを送って下さいました。以前にもSD8901を無償でご紹介戴いたり、いろいろな場面で、このHPを見ていらっしゃる方のご厚意に甘えています。聞くところによると、巷には「読者」の横暴に耐えかねて閉鎖を余儀なくされたり、訪問するやいきなりびっくりすような追い返しの言葉を連ねるHPがあったりするらしいのですが、どうしても信じられません。このHPは開設以来、好き放題にしてるので、妨害が多いかもと思っていましたが、予想に反して全くその様なことがありません。(これは喜んでいいのか、相手にされて無いのか??良くわかりませんが、とりあえずはいいほうにとっておくことにしましょう)

 おっと話がそれました。NFBアンプの「お話」の追加です。どうも、上記の回路があまり信憑性がないような気がしていたので、ガテン親父の本領発揮で、いつものごとく、えーかげんに回路をでっち上げてしまいました。プロじゃないから、これで、火をふこうが、発振しようが全然恥ではないのですが、一応、特性が向上することを期待して、半田ごてを握っています。(往々にして、特性劣化に遭遇するけど、測る前はいつも「ルンルン」なのです。)ということで、ちょいと回路図を「したためてーいますうーーー。あなたにいー。」



 バイアス回路と入力回路はトランスの巻数を除いてオリジナルと同等です。(ダイオードでバイアスを安定化したりもしましたが、カダフィ大佐なしでした。) コレクタ回路はそれらしくトランス結合にして見ました。トランジスタも気合でPC=6W Ft=2.2GHzの大物を放熱フィンに搭載です。これで、どうだぁ!


 いやはや気合の入りようは相当なものです。これで、IMDが悪かったら ここ数週間の実験時間は一体なんなのさ と息巻いています。で、特性表は以下のとおりです。

項 目 数 値
利 得 10dB
帯 域 110MHz
入力換算IP3 39dBm @10MHz 20kHzセパレーション
電 源 18V 45mA

 いぇーい。かなりの特性向上を達成!!!と言いたいたいところです。ここまでは気分よくことが運びました。今年も残すところ後一ヶ月、いろんな成果があったわい と悦にいるところです。PPなら、当然のごとく入力IP3>42dBmとなるでしょうから、かなりいけるぞ。QEX万歳!

 しかし、事実は小説よりも奇なり・・・。でして、悪いんですよ、何がって、あんた、「感度、いやNF」が!!! 50MHzでも21MHzでも、8-BAND TRXのトップにつなぐと、ゲインは上がるのですが、復調S/Nは4-5dB劣化します。これにはまったくがっくり。ベース接地のNFBアンプの場合は、2SK241のトップより、S/Nは数dB良好になるのに、接地法を換えただけで、この体たらくはいったい何でしょう? そういえば、エミッタ接地の抵抗帰還のNFBアンプも、NFが良くないと言われていて、事実そのとおりで、低レベル信号系にはまったく使う気がしなかった(というよりできなかった)のですが、トランス帰還でも、似たり寄ったりとは・・・・・ ええ、天は三物(IMD/NF/リターンロス特性)を与えずということだったのでしょうか????それとも、やっぱりガテン親父にはそう簡単には、クリスマスプレゼントはやらないってか???? 

(ショックで続かないかもしれない・・・・笑)

■番外編■  真空管GGアンプ <2002.10.19> 

 JIT氏のナスラジオを編集していて、私もまた真空管をいじりたくなりました。真空管ジャンクボックスをオープンすると、あるわあるわ、わんさか「まじめ」な真空管が出てきました。「まじめ」な真空管とは6BA6とか6CL6とか、汎用性の高いものを指します。じゃあ、不真面目というのは?あまり種類を持っているわけではないのですが、私の手持ちでは国産のレギュレータ管の6RA3なんてけっこう行けてる部類でしょう。Vp=100Vで100mA(Vg=-20V)も流れます。

 こんなの今ではなんの使い道もなく、まさか、OTLアンプを作る気もしなかったので、これで「受信用」GGアンプを組んでみました。下の写真がそれです。まともにくみ上げる気が無いので、バラックセットの実験です。AC100Vを直接ブリッジ整流して、125μF×2で電源を済ませました。見えてるセメントRはショートしてあります。GGの入力は1:4のステップアップ、出力は9:1のステップダウンです。いずれもFB801に4回巻いてます。




6RA3GGアンプのバラック基板
きれっぱしの基板に真空管ソケットをねじ止め半田付けしてある

 こんないい加減な回路でもとりあえず増幅します。利得:7dB(@14MHz)、-3dB帯域:2.5〜18MHz、入力12.5dBm×2に対してIM3は-65dBなので、推定入力IP3=45dBm(出力換算で52dBm)、 Vg:-18V、 IP:120mA、VP:140V(これでは定格オーバーなので、真似しないでください) NF:不明ですが、14MHzのRXのトップにつないで、若干感度が良くなる(気がする)ので、こんなに電流を流しているのに不思議です。また、ちょっとやばいですが、バイアスを0V近辺にすると300mA以上も流れて同条件でIM3が-72dBと、入力IP3が48.5dBm(出力換算で55.5dBm)になります。でもちょっと時間がたつと真空管が「チンチン」といってきます。用心用心!こんなことは絶対やってはいけません。

 しかし、15Wも食わせれば、こんなのは当然の結果なのでしょう。こんな遊びをエスカレートさせると、3CX800Aでも持って来い!なんてことになりますので、ほどほどにしたいと思います。でも、今回真空管らしからぬ低圧大電流を実験できて面白かったことは事実です。



【追  記】 2002.10.20
 やっぱり、GGアンプはゼロバイアスBクラスが一番なので、Vpを下げて再試験しました。6RA3も、ノーバイアスのときのVp-Ip特性はきわめて素直なので、ここを動作点にすべきです。実験用電源とバッテリをシリーズ接続して30+15+17+12=84Vをつくり供給しました。特性上は175mA流れて、プレート損失上はぎりぎりです。これ以上は電流を流すのは危険です。このとき、下記のように12dBm×2入力時、IM3が-67.5dBで、推定入力IP3は45.8dBm(同出力IP3=52.8dBm)となりました。