中間周波増幅・検波回路


FM IF回路

  【2004.2.7】

 まずはFM用のIF回路を作ってみます。FM用のIF-ICはモトローラのMC33**シリーズが有名で、これはミクサー等も内臓されていて集積度が高いので、アマチュア用のFM機器には好適でしょう。今回のトランシーバー構成では2nd Mixerまでは、SSB/AM系統と共通ですので、FMとして必要なのは455kHzの第2IF以降です。そうなるとMC33**はちょっともったいない使い方になります。ここではもう15年くらい前に、当時はなんとかスペアナを作りたくて各種のログアンプを集めていたときに、当時近所だったOMに無理を言って譲っていただいた、SA/NE604という石を使って見ます。これもシリーズ化されていたようで、ミクサーも入ったSA626というICをオークションで入手したこともあります。

 SA604は下の写真に見えるように1.2?mmピッチの16ピンSOPなので、実装はエクステンション基板の上に組もうかと思いましたが、ものはためしと、いつもの生基板カッター法できざんでみました。意外と慣れると簡単にいくもので、先のPLLの実験時には、28ピン(2.5?mmピッチ)も楽々カッティングできました。エクステンション基板は引き回しが長くなるので、安定動作を期待するなら、このカッティング法も悪くないと勝手に悦に入ってます。




生基板カッティング法によるIF-ICの実装例


 回路は次回以降掲載します。検波回路はLC位相器によるクワドラチャで、ログアンプやミュート回路を内臓した使いやすいICです。写真に見える大きな黒い塊はEタイプの455kHzのセラミックフィルタです。データが無いので何素子か不明ですが、これはリミターとIFアンプの中間に入っています。

 早速ログ特性(下)をとって見ました。AD8307のように直線性はきれいではないのですが、90dB程度のレンジが利用できそうです。実は、このログアンプ出力はミューティングの比較電圧だけではもったいないので、Sメータに使おうと思っています。AGC電圧を利用したSメータは、リニアリティに難があることが多いので、SSB/AM時も、このログアンプを生かしておいて、この電圧でSメーター表示をさせることを画策してみます。こうすると、90dBものレンジが利用できて、入力絶対値で表示できるかもしれません。




ログアンプ特性
MC33**よりダイナミックレンジが広く使いやすい

 SSGでFM変調(3kHz(p-p)/2 dev)をかけて、「目SINAD」で感度をざっくりとみると-108dBmくらいでした。トップの利得を勘案すると、メインの2nd IFフィルタの後に、ちょっとしたアンプを入れれば事足りそうです。最終的な感度は-120dBmくらいを考えています。


<周辺回路実装> 
【2004.2.13

 さて、SA604の単体動作がOKになったところで、周辺回路を付加してIF回路を完成させます。暫定回路図を以下に示します。まずはSメータ回路ですが、これは簡単です。上記グラフから分かるように、0Vから立ち上がってくるので、OPAのバッファ出力をブリッジにほおり込んで終りです。残留雑音によるDCレベルをキャンセルすることで、-110dBmから-10dBmまでの約100dBの入力範囲を1mAフルスケールのメーター全面に展開できます。 次はミューティング回路ですが、これもログ出力とDC電圧と比較してコンパレータで音声パスをON/OFFするだけです。ICが-80dBのミューティング量を保証してくれます。それ以外はAF音声(ミューティング回路通過)とFSKデータ出力(LPFのカットオフFが高い)にバッファを付けて終りです。

 このように、非常に簡単にFM-IF回路ができます。RSGBハンドブックを見ていたら、Fig.5.58にSA/NE604が出ていました。ということは、海外の販売店でなら、このICは入手が可能と考えていいと思います。

 さて、SA604はログ特性がなんとか使えるレベルなので、実は自作スペアナにも利用したのですが、よく考えると、SSB受信時のスペクトラムスコープを形成できるかも知れないなどと、欲が出てきました。最終的には、ケースインできる容量がどのくらいあるのか、まったく予想がつかないので、なんともいえませんが、余裕があったら、実装してみようと思います。

 一応、5-6kHz(p-p)/2までの変調波に対して目で見える歪みが観測できなかったので、-35dBはクリアしてると思います。雑音抑圧レベルは-58dB(5kHzの周波数偏移に対して)だったので、性能的には問題ないでしょう。入力レベルに応じて歪みの増加する領域も無いようです。いずれにしても、単体特性は問題になるようなところが無かったので、RXとして組み上げた後で、チューニングしながら総合特性を見ることにします。


補追:SA604no14pinとセラフィル455Eの間に1.5kΩのRをシリーズに挿入要

回路図(FM-IF回路)




実装の様子 (5cm*4cm)
けっこう小さくまとまりました。

SSB/AM用IF回路


   【204.3.16】

 さて、本命のSSB/AM回路のIF系統です。まずはパスバンドチューニング回路と各種帯域切り替え回路から作っていきます。構成は下記に示すような感じになります。このPBT回路の先頭には、主帯域制限のIFフィルタ4種類切り替え回路に続くMC1350アンプが入ります。このPBT回路のIFフィルタの帯域幅は@2.4kHz、A9kHz、B20kHzが選択できるように考えてみました。ここの役割はPBTに加えて、MC1350×2では補えない利得を稼ぐことにあります。いかに455kHzといえど、120dB以上の利得をかせぐと、動作が不安定になるため、異なる周波数(9MHz帯)に変換し、利得補正を試みます。なんせ、トップにほとんど利得が期待できないので、必然的にこのような利得配分にならざるを得ません。

 フィルタは@で0-2.4kHzまでのPBTとして、CWとSSBに対応します。AはAM用で少し帯域を広く取っています。また、SSBでもこの帯域は選択できます。Bはなにか広い帯域の信号の伝送実験をするとき用に残します。もちろん、広いAM/SSB用としても使えます。いずれにしても、最初の帯域制限ではないため、気楽な作りでいけると思います。



PBT回路のブロックダイアグラム
けっこう大掛かりな回路になってしまった

 さて、配線の様子を下図に示します。うなぎの寝床のように細長くなりましたが、この形が一番安定度が高くなります。ブロック図でも分かるように、フィルタの入力側と出力側は十分にアイソレートする必要があります。電源系統も、できればトランスは別巻き線からの供給が望ましいでしょう。100dB近いアイソレーションを確保するには、これだけでなく、リレーの配線もチョークコイルを入れて十分にデカップルする必要があります。VXOはこれから、PLL-FM-MODの発振子と一緒に特注しますが、+-5kHzも動けば十分なので、無調整回路で作るVXOで十分のはずです。真ん中より左の空き地に作りこむつもりです。測定には安物のSMAコネクターを使っています。SMAケーブルを壊してしまうかもしれませんが、それは超高周波でのこと。1GHzくらいまでなら、いままで相当使い込んでいますが、問題が起きた経験がありません。




大掛かりなPBT回路の実際


 以下にパスバンドチューニング回路の入出力特性を挙げておきます。2.4kHzの場合と9kHzの場合です。2.4kHzの場合は、若干回り込みによる位相回転があるのか、リップルは0.5-1dBほどできてしまいました。ただ、今後、このリップルは除去するようにしたいのですが、かなり同調回路も通過しているので、上記ブロック図を通った特性としては、もうこれ以上平坦化できないかもしれません。トップのMFの特性を生かすためには、9MHz帯はLC-BPFを選んで、続く455kHzのCFには9kHzか20kHzを選べば、MFの特性を損なうことは無いでしょう。  (続く)



BW:2.4kHzの9MHzSSB用フィルタとBW:20kHzの455kHzFM用フィルタを選んだ場合
(上記ブロックダイアグラムの入出力特性)




9MHzLC-BPFと455kHzのBW:9kHzフィルタを選んだ場合
(上記ブロックダイアグラムの入出力特性)

<MC1350 IFAMP (1) > 【2004.3.28】

 続いて、IFアンプに進みます。PBT回路をMC1350のアンプでサンドイッチにします。まずは、1350の特性を取ってみることにしました。



いつもの空中配線IFブロック
MC1350はソケットに実装

 今回はIF系の利得が大きいので、動作が不安定になるようだったら、いつでもシールドできるように、トップは小型の基板に組んでみました。このときとAGC電流対電圧利得特性を以下に示します。




MC1350のAGC電流と利得特性(R=30kΩ)

 これを見ると、90dB以上のダイナミックレンジがあることが分かります。

 さて、負荷の同調回路のQによっては、IF帯域が狭くなるために、共振回路にRを抱かせてQダンプして周波数選択性を弱めます。MC1350とFCZ450の間に入っているVRでこの加減を調整します。以下にその特性変化を示します。



パスバンド特性

負荷R=50kΩ(上)/25kΩ(下)
CF:455kHz span:500kHz

 負荷R=25kΩでは利得が、何も負荷の無いときに比べて-5dBくらいで、-3dB帯域は+/-20kHzくらいになります。このへんは最後に調整することにします。ちなみにR=50kΩでは-3dB帯域は+/-5kHz程度です。ということで以下にIF系統のブロックダイアグラムを示します。



IF AMPのブロック図

 MC1350は最大出力電圧があまり大きくないために、AGC電圧が十分に取り出せません。MC1350の出力ホットエンドにAGC検出用Diを付けると、信号がひずみやすいので、AGC AMPとしてK241のアンプを付けて、メインの信号系に負荷にならないようにしました。




PBTの出力に続けた、MC1350AMPとAGCDET回路 上はAGC電圧変換回路

(シールド板は最終的には周囲を囲うことを考えている)

 いろいろチューニング中なので、回路図は安定度が確保できた時点でアップします。


<MC1350 IF AMP (2)>  【2004.4.4】

 さて、全体を結線して、総合特性を見て見ます。状況は下図のような感じです。実際のケースイン時の実装はまた別の形になります。



実験の様子(ケースイン時はレイアウト変更予定)

 回路図は以下のようになります。いろいろ実験したのですが、FCZ450のQダンプRは25kΩくらい、またAGC系のRは1.5kΩ(トータルで3.5kΩくらい)にしています。最初、AGC系統のRは20〜30kΩを使っていましたが、十分に電流が流せず、高い入力レベルでAM変調波が歪みました。そこで、十分な利得コントロールを利かせるように、このような低抵抗にしました。VRの2つは、AGC制御感度調整と、制御電圧オフセット調整です。この2つのVRで、出力レベル最大値と、AGC制御特性を変化させられます。



                       IF回路図 (MC1350の間にPBT回路が挿入される)


 このときの入力対出力特性を以下に示します。これは、AGC電圧生成回路のVRによって特性が変化します。オフセット電圧が大きければ大きいほど、早く、また、出力レベルが小さい領域で飽和します。このへんは、好みに応じてセットすればいいと思います。このセッティングでは、入力にリニアに反応するのは、感度点から10dB程度の範囲です。もしかすると、このセッティングでは無入力時の復調雑音レベルが相対的に大きいと感じるかもしれません。このあたりは、総合調整時に考えます(どうにでもなりますので)。




入力対出力特性図 (MC1350-PBT-MC1350)

 下図は感度測定結果です。総合結線後のIF出力の雑音とキャリアの様子(低入力時)です。BW=2.2kHz時C/Nが25dBで、雑音測定帯域(RBW)が100Hzですから、13.4dBダウンの11.6dBが2.2kHz帯域換算のC/Nです。このときの入力レベルは0.27μVrmsなので、C/N=10dBの入力レベルは0.20μVrmsということになります。トップに利得がほとんど無いので、これくらいのIF感度が要るのではと思っていますが、実際はくみ上げて調整することになります。

 BWが9kHzの場合は同じ入力レベルでC/Nとして4.2dBくらいになっています。2.2kHzに比較すると理論的なC/Nは5.6dBですので、1.4dBくらい誤差があるようです。(この程度はあまり気にしませんが)

BW=2.2kHzの時の感度点付近C/N
RBW:100Hz SPAN:
5kHz
BW=9kHzの時の感度点付近C/N
RBW:1kHz SPAN:
20kHz


SSB/AM検波回路


  【2004.4.13】

 さて、そろそろ検波回路に進むことにします。いろいろ考えたのですが、極めてオーソドックスな回路にしようと思っています。最初はSD8901で回路を組むことを考えましたが、このステージは多信号入力時のIMを考慮する必要はまったくないので、わざわざ、そんなにIP3の高い素子を使う必要も無さそうです。また、ここで高いBFOレベルを要求されると、IFに漏れこんで、AGCに悪さをするとか、また、方形波でドライブが要求されるような素子だと、受信帯域にまで、BFO信号がばら撒かれることになり、ビートの嵐にならないとも限りません。アップコンバージョンの第一、第二ミクサーなら、このような心配はありませんが、455kHzのDEMに用いるのは自殺行為のような気がしています。ということで、ブロックは下図のようなものを想定しています。実際は、各小ブロックの特性を取り、その下の外観のような状況になっています。



検波/SSB変調器ブロックダイアグラム



外  観
(右のシールド部はBFO用のクリスタル発振器を収容)

 このブロックは、送信のSSB変調回路とAM同期検波回路、SSBプロダクト検波回路を切り替えて使うように考えました。また、AM系は定石であるDiやTrを用いた飽絡線検波回路も比較として実装しています。AMモード時は好みでこれらを切り替えて使うように考えています。

 さて、単なるプロダクト検波は置いておくとして、ちょっとAM検波回路について実験してみました。実は腕が無いせいかもしれませんが、低歪みのAM検波回路というのは、意外と難しいのです。変調も難しかったですが、復調も同様です。SSBのプロダクト検波のほうが、はるかに楽です。

 一番ポピュラーなのが、Geダイオードを用いた飽絡線検波です。また、倍電圧の整流回路もあります。文献を調べると、Trを用いた低歪みな飽絡線検波回路もあるようです。それらのサンプル回路を以下に示します。



                               AM検波回路3種


 上記の回路に対して、復調歪みを取得してみたのが、以下の図です。入力は-10dBm、5dBmの場合です。これからわかるように、倍電圧整流型のAM検波器は出力レベルは大きいのですが、あまり特性がよろしくないようです。一方、TRを用いたものは、出典の記述にもあるとおり、ある入力レベル以上になると、かなり低歪みになるようです。これは、実験してみて大変貴重な経験でした。何気なく、AGC検波回路に使っていた倍電圧整流回路は、以前からどーも歪っぽくて、AM検波には使いたくないなーーーと思っていましたから。 



AM検波回路(シングルダイオード)




AM検波回路(倍電圧整流)




AM検波回路(TR)
(入力が5dBmでは歪み成分は-10dBmの場合と交差して、
第二高調波は-54dBほどが得られる)


 これをみると、どうしてもあるレベルまで入力信号を引き上げて、Trの検波回路を使ってみたくなります。

 さて、AM復調では同期検波も遊んでみたい候補のひとつです。これは、AM波のなかから、キャリアを抽出して、それと、入力信号と乗積して、その出力をLPFに通すとAM復調信号が得られます。算数の三角関数の定理を引っ張り出して計算してみてもちゃんとそのように答えが出ます。ここで、キャリア抽出の方法にはいろいろ種類がありますが、一番原始的な「ロックインオッシレータ」を使う方法をとってみました。以前、50MHzの3−mode機を作ったときはPLLで、また真空管高1中2では位相器を用いた回路を使いましたが、今回、また別の方法でやってみます。

 原典はHJ 1989年11/12月号 P83の回路ですがちょっとオリジナルから変えています。この回路の引き込み発振の特性を以下に示します。引き込み信号レベルを上げれば、ロックインレンジは広くなりますが、DDS-PLLを用いる予定なので、あまり局発ドリフトによる周波数スリップは考えなくていいと思います。この図から、ロックインオッシレータも十分な周波数引き込み発振ができることがわかりました。



ロックインレンジ特性
(AM変調度は50%)


<Lock-in OSCの動作> 【2004.4.24】

 先週から今週にかけて、いろんな行事が目白押しで、ほとんど無線工作は手付かずでした。(車関係で大忙しでした。)ということでAM同期検波用の同期引き込み発振をちょっといじった程度なので、その様子で「お茶濁し」・・・です。


455kHzIFT B-typeの同調コンデンサが省略してあります。 

同期引き込み発振器の回路(HJ1989 11/12号P83 図13をモデファイ)

 回路図は上記のような感じです。発振回路のK192のソースに入っているSWとTCはLSB/USB切り替えです。TC未接続で456kHz近辺、TC接続で454kHz近辺になるように調整します。ゲート側に入れると、調整がクリティカルになるので、原典のとおり、ソース側に入れたほうがいいようです。2SK241のバッファの入力についているSWは同期/非同期の切り替えSWです。

 原典によれば、SSB用のフィルタを通った、1サイドバンド+キャリアに対して、非同期(発振器フリーラン)でゼロビートを取ってから、同期側にSWを倒すといずれかのサイドバンドのみを同期検波できるので、周波数選択性フェーディング等でひとつの側帯波がやられても、大丈夫なほうのサイドバンドを使って復調できるというのが「味噌」のようです。この様子を下図に示します。




SSBフィルタを通過したAM信号の同期検波


 実際、上記回路の出力をちょっとバッファリングしてやって、DBMのLoポートに入力して、RFには455KHzのAM信号を入力すると、IFにはUSB/LSBのいずれか選択したほうの復調出力が得られます。SSBフィルタで一方のサイドバンドが欠落したAM信号で復調が可能です(当たり前ですが)。

 ただし、この回路にはちょっとした欠点がありそうです。同期発振といっても発振出力に入力のAM信号のサイドバンドが「色濃く」残るのです。サイドバンドのレベルは-15dBくらいは抑圧できますが、これと、入力AM波と乗算すると、当然、歪みが発生します。50%変調で-25dB位でしょうか?これは、PLL等で狭帯域の同期発振をさせないと、絶対に取り除けないので、本質的な問題のような気がします。

 ということで、ここではこれ以上深追いは止めて、低歪みのAM復調は無限インピーダンス検波(TR)で行い、フェージングで片方のサイドバンドがやられたAM波を受けるときは同期検波と使い分けることにします。以下の写真は、TRの低歪み検波回路を追加したブロックです。これで、とりあえず進めることにします。




とりあえず完成した同期検波、エンベロープ検波、SSBプロダクト検波、SSB変調回路

入力についているフィルタは455kHz-Kタイプ(2.4kHz):試験用です


<同期引き込み発振器の疎結合化>  【2004.7.17】

 屋外は暑すぎて出歩く気にならず、エアコンをかけた無線室に引きこもっています。げっそりですが、それでもちょこっと回路ユニットを触ってみました。

 上記の同期引き込み発振器は、すでに書いたように、入力信号であるAM波にロックすると、引き込み発振器に入力信号波のAM変調成分が生成されてしまいます。したがって、同期検波しようとする入力信号と、AM変調された引き込み信号の乗積の低周波成分を取り出すわけですから、当然、復調出力は歪むわけです。

 そこで、どの程度、引き込み発振器にAM成分が残留するのか見てみました(下図参照)。上記の回路図の入力の200kΩを可変抵抗にしてロックできる最低の結合量にもっていったときの状態です。



疎に結合した場合の同期引き込み発振器のスペクトラム

残留変調成分:-30dB程度
CF:455kHz Span:20kHz
入力信号:456kHz 30% 1kHzのAM変調波

 この写真では-30dBくらいの側帯波抑圧になっていますが、入力のAM波は30%変調なら-16.5dBの側帯波を有するので、この回路の抑圧量は14dBくらいということになるのでしょうか?いろいろ結合量や入力レベルを変えていじっていみましたが、これ以上のポイントは見つけられませんでした。まあ、現実問題、音声の場合、無音区間がかなり多いので、AM変調度が30%くらいで評価しておけば良いような気がします。また、この程度の歪みであれば、聴感上はあまり問題にならないかもしれません。

 ただし、この最適点はかなりクリティカルで、実際には、結合量を変えながら歪みの少ないところを探すなんて、大変面倒な気がします。最近、この種の同期検波アダプターが話題にもならないのは、こういった面倒な調整(それも受信中)が嫌われているからだと思います。

 ということで、このプロジェクトにおいても、AM受信は、すなおに歪みの少ないTRの検波回路(上記↑)で行くことにしたいと思います。

 話は変わりますが、AMって意外と難しいですね。いまさらのような感じがしますが、低歪みのAMは、変調するのも、復調するのも面倒だというのが良く分かりました。最近では、ST-○○型のトランスを用いた高電力変調も、あまり歪特性がよくない(某)雑誌記事をみて、がっかりしたことが思い出されます。。。。

IF FILTER & SW


  【2004.5.1】

 いい季節になりました。部屋にこもって無線工作なんて「やってらんねーよ」といった感じです。明日は新車初のロングドライブなので楽しみ!・・・・・・ ところで、今回もキワモノの連続です。工作で極端なことやると、楽しくて本当にストレス発散できます。(趣味で深刻になってはあほらしいだけですからね)

 ということで、フィルターブロックを正味2日ででっち上げました。第2IFフィルタは、455kHzのメカニカルフィルターを中心にくみ上げます。このメカフィルは八重洲の純正品でYF115S-02というやつです。コリンズの製品らしいです(本当なのかな???ラベルにはそう書いてあるけど)正価17000円ですが14500円で入手してあったものです。(まだあるのかな?)通過帯域はちょっと広く、2.65kHz以上あります。その他、3回路、合計4つのフィルタを切り替えられるようにしています。まずは、実装図を下のごとく示します。



フィルターブロック(4回路切り替え)



メカニカルフィルター(コリンズ製とある・・・)

 切り替えは同軸リレー(Omron G5Y-1:400円もする!)を使っています。アイソレーションは80dB程度取れるので十分でしょう。左端の入力の先には第2ミクサーのSD8901がつながります。左端の2つのリレーで、ノイズブランカーへの切り替え回路を形成します。それに続く3個のリレーでフィルター4回路の切り替えをします。右の3個のリレーも同様です。右端のリレーはTX/RX切り替えで、IFアンプと変調器からの信号を切り替えます。

 ここで使ったフィルターのスペックを載せておきます。SSB-2用はオークション、CFKシリーズは小沢で入手しました。

    SSB用-1 SSB用-2 AM用 FM用
型式 YF-115S-02 CFJ455K5 CFK455H CFK455E8
-6dB 2.65kHz以上 2.4kHz 6kHz以上 15kHz以上
-60dB 5.5kHz以下 4.5kHz 15kHz(-70dB)以下 記載なし
保証減衰量 不明 記載なし
スプリアスは-60dB
80dB 記載なし(多分80dB)
インピーダンス 不明 2000Ω 2000Ω 記載なし(多分2kΩ)

 マッチングは、フィルター前後にトロイダルトランスでステップアップ/ダウンをしています。FT37-43(MF用には2個重ね)に8本束ねて、8回巻いています。これの一組を一次巻き線とし、2次側はのこり、7本あるいは6本(フィルタによって調整)を○○ファイラ巻きにします。(○○は7とか6の場合、なんと言うのか知りません) まあ、いずれにしても、大略、マッチングできているようです。

 SSB用-1

 MF

SPAN:10kHzと50kHz
RBW:30Hz


すばらしく平坦です。スパン5kHzで見ると、+0.1/-0.3dBでした。抵抗でマッチングさせると、+/-0.1dBになりますが、50Ω終端でステップアップ/ダウンさせたにしては、十分な特性でしょう。

シェイプも惚れ惚れしてしまいます。帯域外減衰量も文句なし(TR4171で測ったら95dB以上はありました)。


 AM用


 CFK455H

SPAN:25KHz
RBW:100Hz


AM用にしては少し帯域が広い感じ。+/-3kHzのスペックにたいして両側で1kHz以上ゆとりがある。右肩のディップがちょっと気になるけど、まあ、十分な特性でしょう。


 FM用


 CFK455E8

SPAN:50KHz
RBW:100Hz


実測+/-10kHzくらいはありそうです。FM用としては十分な特性です。かなり切れが良さそうです。
 SSB用-2

 CFJ455K5


SPAN:10kHz
RBW:100Hz

CFJ455K5はどうも帯域外減衰特性が70dBくらいしか取れない。広い帯域で見ると、減衰量が減少していく。

コリンズMFのように平坦ではないが、まあまあ使える程度ではなかろうか。


(続く)