DBM/SBMのIMについて


 以前から、DBMをいじっていて、高出力タイプと通常タイプの差が気になっていました。また、最近ではSD8901やNFBアンプのIMを取得していたので、これらを同じ条件下で特性を取ってみたくなりました。

 まず、測定系ですが、下記に示すように、SSGを3台用いています。2台のMG645Bは出力のAGCアンプのアイソレーションが良好なのか、通常のHBをつないだだけで、70dB近くのIM3特性が得られます。これで実験をすることにします。



IM3の測定系

 ところで、以前にNFBアンプを組んでいるときにIM3成分を測っていて、気になることがありました。下の図のようにある領域ではIM成分の傾きが1:3を超えて、1:4-5くらいになってしまうところがあるということです。これは素子によっても領域が異なり、なんとも気持ちの悪いものです。ただし、IM比が50dB以上取れている領域ではほとんど1:3になっているようです。そこで、今回は、IM比が50dB取れている入力レベルに25dBアップした点を入力IP3(dBm)とすることにします。1:1の基本波成分と1:3のIM成分の交点がIM3ですから、このような簡便法が図から理解できると思います。



IMと基本波の関係図

 さて、使ったDBMは以下のとおりです。SD8901CY/HD、ミニサーキットSRA-1、SRA-1H,R&KのM1です。このうち、ミニサーキットのSRA-1は標準のLoが7dBmタイプ、SRA-1Hが高出力のLo=17dBmのものです。また、M1も通常タイプです。



SD8901CYです。
(何とか特性が出て欲しい)




  左:SRA-1    右:SRA-1H

 上記の測定系で測ったポイントはDBM出力のIM比が-50dBになる入力レベルです。DUTなしの測定系単独のIMは70dB程度取れているので、なんとか-50dBのIM比は測定することができます。下図は-50dBのIMレベルの測定例です。




IN:15MHz帯の100kHz離れの2波
Lo=25.7MHz、IF=10.7MHzで測定

 下表が測定結果です。とはいっても予想されたとおりの結果でした。相変わらずSD8901HDはダントツの特性で、他の追随を許しません。DBMのうち、高出力タイプ(リングダイオードを2組持っているタイプです)はLoを20dBmとすると、かなりの特性が得られますが、それでもカタログどおりの25dBm近辺です。通常タイプとの差は7-8dBになるようです。一方、通常タイプに20dBmもローカルを「食わす」とかえって特性が劣化します。SD8901CYはLoを20dBm程度にすると、高出力DBMと同等になりますが、トランスが3個も外付けで要るるので、これなら、高出力DBMを使ったほうがよさそうです。なお、利得はそれぞれ-7dB程度で大きく外れるものはありませんでした。

    Lo=10dBm Lo=20dBm
    -50dB入力 入力IP3 -50dB入力 入力IP3
R&K M1 -7dBm 18dBm -- --
SRA-1 -8dBm 17dBm -- --
SRA-1H -1dBm 24dBm 1dBm 26dBm
SD8901CY -6dBm 19dBm -1dBm 24dBm
SD8901HD -- -- 11dBm 36dBm

 
 さて、SD8901CYの特性向上を画策して、IF側にdiplexerを入れてみました。DBMの利用例としては、あまりポピュラーではないのですが、昔から、DBMを扱った「ものの本」には必ずといっていいほど解説があります。IFサイドはIF周波数に対しては50オーム(Iフィルタのインピーダンス)に整合し、それ以外のローカルやイメージ周波数でもインピーダンスが50オームになっていないとIM特性が劣化すると説かれています。一般には3dBパッドでの整合でお茶を濁しているようですが、今回、QSTの1993年2月号に載っていた回路で遊んでみました。

 下記の回路は直列共振と並列共振をうまく利用した回路で、IF帯域に生じるIF信号、イメージ、ローカルの漏れのすべてに対してインピーダンスマッチングが取れます。並列共振でIF周波数では50オーム(R3/R4)を分離して、直列共振で信号をスルーにします。その他の周波数では並列共振回路がスルーになってDBM出力、IFフィルタの入力のいずれも50オームに整合できるようになっているようです。




DIPLEXER回路
R1は負荷(IFフィルタ)、R2はSSGの出力抵抗を表す。

 A点のF特性は以下のような直列共振回路そのものです。並列共振回路のホット側がDBM、IFフィルタから見て、ちゃんと接地に見えるのか知りたいのですが、シミュレータではかないませんでした。



DIPLEXERの特性

 これを作ってみました。下図のような簡単な回路です。トリマーで共振周波数が可変できます。

 さて、これを使って、IM3の特性の大幅改善が図れるか????と思いきや、下のとおりで、ほとんど裸の特性と変化はありません。Dupのせいではないとすると、SD8901CYの特性改善に残された手段は、ローカル入力を矩形波でドライブすることくらいしか無く、だんだんと選択肢が限られてきた感じがします・・・・・・・・・・・・。

   Lo=10dBm Lo=20dBm
   -50dB入力 入力IP3 -50dB入力 入力IP3
SD8901CY+DUP -5dBm 20dBm -1dBm 24dBm


【SD8901CY最後の悪あがき】 <2002.9.23>

 どうも、上記の結果では、SD8901CYをあきらめるのには納得がいきません。最後の悪あがきをやって見ます。方法はQSTの原典回路をそのまま複製することです。これでだめならあきらめもつきます。ということで、回路と実装の様子を以下に示します。

 しかし、結果はあまり芳しくありませんでした。IMD=-50dBを得る入力が-3dBmと、入力換算のIP3は22dBmで一般の高出力DBMとなんら変わりません。ということで、これ以上の深追いはやめることにします。

 ただし、この結果を見て、「我こそは」と思われる方はメール(top pageからどうぞ)をください。先着5名さまに限り、3個無償提供させていただきます。条件としては、入力IP3が33dBmを超える使い方を発見したら、JR1PWZまでご連絡いただくことですSD8901CYのテクニカルノートも差し上げます。発見できなければ、何も無しです!でも、遊んだ様子は教えてくださいね。もし、できたら御礼に追加で5個差し上げます。ふるってご応募ください。結果は本HPで報告いたします。



原典はQST 1993-2月   LO回路を矩形波でドライブする。




左:SD8901CY 右:74HC74のLo DRIVE





SD8901のIM=-50dB

SD8901CY特性向上

 
 <2002.9.27>

 HPの威力はたいしたものだと思います。上記のようにギブアップ寸前で、ここをご覧の皆様に「お助け」を求めたら、翌日には解決してしまいました。SD8901HDはサブストレートがCANに接続されていて、これはアースするようにQST1993FEBにあったので、これが先入観としてこびりついていたのが失敗でした。SD8901CYは各素子のサブストレートが分離されており、この処理が規格表からはあまり明確ではないようです。マイナス電圧を掛けるように見えますが、言い訳になりますが、8901HDでアースしていて良好な特性だったのが頭にこびりついていて、同じようにやっていました。こういった隘路に入り込んだときは一歩はなれた識者のアドバイスはきわめて貴重です。Yさまには重ねて御礼申し上げます。

 しかしgatenなoyajiはあまり規格表も読んでいなかったと反省しきりです。その点、やっぱり、「エンジニア」の方は私のような職人とちがって、冷静だなーーーと感心しています。

 では、とりあえずの特性を以下に示します。入力:11dBm×2、損失:-7dB でIM3=-50dBですので、IP3=36dBmということになります。サブストレートのピン2,4,6,9,11,13を連接してバイパス1000pFをかまして@開放A-5V程度のバイアスを印加のいずれの場合もIP3は変化ありませんでした。したがってどっちでもいいような気がしますが、開放してると外乱を受けるでしょうから、-5Vくらいを印加したほうがいいと思います。

 さて、このページも重たくなってきましたので、別のページを起こして、SD8901を骨までしゃぶるシリーズをはじめたいと思います。回路やデータはそちらで記載いたします。



SD8901CYのIM特性(条件は上に記載)
RF:18MHz帯 LO:22MHz(動作は11MHz) IF:7MHz帯

2SC1426PP Low Distortion SBM



     <2002.8.3>


 悪い移り気が出てきて、また趣向を変えて実験を始めました。HJ1994年11,12月の「受信機最適設計法とキーコンポーネント」(その筋では有名な記事です)に載っていたトランジスタシングルバランスドミクサーを試しています。最初にこの記事を見たときには、電源電圧といい、負荷抵抗の高さといい、にわかに「低歪」とは信じがたく、高をくくって実験する気にならなかったのを覚えています。いわく「IP3=33dBmなんて嘘だろ!」と。
 ところが、いろいろ実験していくうちに、そういえば、こんな回路もあったっけ、と思い出して軽いのりで作ってみたのが今回の結果です。



 回路は上記のとおりで、原回路と異なるのは、Vccを18V、IFの負荷抵抗を可変VRにして歪の最適点を選べるようにしたこと、L1に小型のRFCを使わず、FB801を使ったこと、RF入力のダブル巻き線をトリファイラコイルで代用したことです。VRは170Ωくらい(負荷が50Ω純抵抗の場合)で歪の最適点になりました。このときの特性として、損失:-7dB、IM3=-50dBを得る入力レベル:8dBm、従って、IP3=33dBm(奇しくも原典に一致)、LO:20dBmでした。周波数関係は上記のDBMの特性試験と同じです。おっと、動作電流は2本で80mA近辺です。

 出典の回路は負荷抵抗に1kΩ固定になっていますが、少なくともC1426で実験した限りでは、IF負荷が50Ωではこんな高い抵抗値ではろくにIP3は下がりません。原典には負荷インピーダンスの記述が無いので、わかりませんが、すぐ後にルーフィングフィルタ(MCF)の数キロΩ(トランスでタップダウンなら数百Ω?)で受けるなら、原回路のままでいいのかもしれません。でも、その場合、IPを測る方法がちょっと厄介なのと、私の場合、いずれにしてもIFは50Ωで受ける気なので、すなおに50Ω負荷で測定しました。




2SC1426PP MIXER

 さて、上記のDBMの実験からわかるとおり、SD8901HDには及びませんが、かなり低歪であることは間違いなさそうです。もう少しいろいろいじって、特性向上を画策してみます。

2SC1251PP Low Distortion SBM 


<2002.8.4>



 2SC1426である程度の特性が得られたら、次は、これをC1251に置き換えてみます。たっぷり電流を流して、さらに低歪を目指します。回路はC1426と同等で、VRは100Ω。また、エミッタ抵抗は20Ω*2本とし、VRを止めました。




C1251PP Mixer の外観
右の穴はポストアンプ用?
(困った!こんな大きなIP3のアンプが無い!)

 このような状態で得られた特性は以下のとおりです。とりあえずのレベルなので、各部のパラメータを詳細にチューニングしていけば、夢のIP3=40dBmも不可能ではないと考えられます。

項  目 参  考
-50dB入力 +14dBm   
IP3(入力側) +39dBm   
利得 -8dB (利得=-10dBならIP3=41dBm)
アイソレーション(RF-IF) 20dB (SBMにしては取れてるな?) 
アイソレーション(Lo-IF) 28dB   
動作電流/電圧 90mA/15V VR=15Ω付近
Loレベル 20dBm レベル増加を実験する必要あり
信号周波数 RF:15MHz Lo25.7MHz とりあえずIF=10.7MHzで測定
        




入力:14dBm(シングルトーン)×2の時の出力IM(=-50dB)

 受信機のフロントエンドとして考えた場合、これ以上のパフォーマンスの回路は必要無いと思いますが、SBMというところが気になっています。送信側にも使えるかどうかはフィルタリングにかかってくるでしょう。

 原回路を良く眺めていると、この回路は非常に面白い動作をしていることに気がつきました。それは、RF/IFの信号関係を見れば明らかで、一般のリングタイプのDBMのように構成素子でLo信号によってRF-IFパスをOn/Offするタイプ(すなわち、RF信号が構成素子を通過する)と異なり、このSBMはTrがLo信号によりOn/Offされるのですが、このTrにRF信号は通らないように見えます。コイルのコールドエンドをアースか開放に制御していると考えると、厳密には信号は素子を通過しますが、コールドエンドというのが「ミソ」のような気がします。(間違っていたらご指摘ください。これ以上は、回路の専門家ではないので良くわかりません。)

VN66AFD Low Distortion SBM


<2002.8.4>

 先の2SC1251SBMの回路を見ていて、この動作は単なるスイッチなので、TrよりはFETのほうが適しているのでは?と考えました。例のVN66AFDを使ったらもっとすばらしいことになりはしないかと「夢想」したのです。もともとスイッチング用の石ですし、ON抵抗も少ないはずとあたりをつけました。回路は以下のとおりです。




VN-66AFDを使ったSBMの回路

 えらくシンプルになってしまいましたが、gateのバランス用R、sourceの電流帰還用Rは不要のようです。特にsourceにRを入れると利得が最大-10dBを超えることができません。こんな回路でも特性は驚異的です。下記のごとく、入力が14dbmの時にIM3は-65dBです。これは入力換算IP3が46.5dBmにもなることを示しています。このときの損失は-7dB、アイソレーションはLo-IF間が30dB、RF-IF間22dB、動作電流/電圧は180mA/15V、Loは20dBmでした。いやはや、とんでもないミクサーができたものです。実際に使うかどうかはともかく、もう、これ以上の低歪化は必要なさそうです。  




VN-66AFDミクサーのIM3(-65dB)

 まだまだ、さわりの段階ですが、いろいろなパラメータを最適化すれば、もしかするとさらに特性向上が図れるかもしれません。時間があったらトライしてみることにします。



VN-66AFD*2MIXERの様子
リレーや関係ないパーツがついています。200mA近く流すので放熱器は必須です。


SD8901HD again


 【2006.8.11】


 7360の項でも書きましたが、JH2CLVさんにSD8901CYを提供したのに始まり、T様のご尽力の結果、SD8901HDを再入手することができました。HDタイプに関しては、静観していようと思ったのですが、CLVさんの製作スピードが驚異的で、結局、HDに関しても特性測定をしてみることになりました。結果については、やはり、こちらを参照するのがスジでしょうが、私のHPにも記録を残しておこうと思ったので、ここに追加しています。



JH2CLV製作のSD8901HDミクサー

 本来なら、箱の中身をUPするのは失礼にあたるのでしょうが、ご本家にもUPされているので、画像を小さくして掲載させていただきます。 さて、肝心の特性ですが、まずはIF出力が455kHzの場合です。




IF=455kHzの場合

INPUT=14MHz +/-20kHz 3dBm
GAIN=-5dB    IM3=-58dB 
IIP3=3+58/2=
32dBm

LO=14.455MHz 23dBm PIN4=open

 このようにちょっとIM特性が伸びていません。最初にCLVさんに送った8901CYに比べて3次のIMが劣化しています。ただ、8901CYの場合は、もしかすると、コアの特性等の要因で8901CYの発生する3次IMをキャンセルしている可能性があります。5次のIMのほうが大きく現れていることからも、このような推測も成り立つのではないでしょうか?ただし、これは推測であって確認できていません。コアや巻き線数をいろいろ替えて試しみる必要があるかもしれません。しかし、これでは収まらないので、IFをアップしてコアの影響を除いてみることにしました。




IF=3MHzの場合

INPUT=14MHz +/-20kHz 3dBm
GAIN=-5dB    IM3=(-74+(-76))/2=-75dB 
IIP3=3+75/2=
40.5dBm

LO=11MHz 25dBm  PIN4=open

 ここに見られるように、IIP3が40dBm近辺であることが解りました。ただ、測定系の精度もこれありで、1-2dBの誤差はあるのかもしれません。しかし、素子の持ってるポテンシャルはほぼ引き出せたのではないかと思っています。ここで注意しなければならないのは、LOレベルが極めてクリチカルで、ピンポイントを外すと、すっとIMが劣化します。昔、SD8901HDがのIIP3が36dBmしか取れてなかったのも、このあたりを見逃した可能性もあります。そこで、「私の」SD8901HDでモジュールを組んでみようとは思いますが、なんせ時間が取れないので、CLVさんのミクサーを測定でき、いい特性が得られたことで満足したいと思います。