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2014年10月15日水曜日

【部品】DBM Chip vintage, TA7310P

【年代物のDBM-IC:TA7310Pの試用】
【TA7310Pとは】
TA7310Pは簡単な発振回路とRFアンプ、そして主役のダブル・バランス型ミキサを集積したICである。 かなりの年代物なのだが、今でも比較的入手し易いように思う。 時折オークションにも登場するので未だかなりの市場在庫(引出し在庫?)が存在するのだろう。 新旧があって比較的遅くまで生産されていた様子がうかがえる。 本来とは別の新たな用途が生まれていたのかも知れない。

本来の用途・目的はPLL型周波数シンセサイザのミキサ回路用である。 1970年代のはじめ米国でCBトランシーバが爆発的なブームになった。その殆どは日本からの輸出品だったのである。 27MHz帯の出力4WのAM機(のちにSSBも)で車載用の多チャンネル型(23chなど)であった。 当初は各チャネル分の水晶発振子を並べた単純な形式であった。 しかし水晶発振子が各チャネルあたり送受で2個ずつ必要とあってはコスト高であり、水晶を減らす研究開発が精力的に進められた。その答えがPLL周波数シンセサイザであった。

PLL周波数シンセサイザは古くからある技術だが本格的な専用IC化が進むまでは一般化しなかった。 ECL-ICあるいはTTL-ICと言った汎用ロジックICを並べたのでは数10個を必要とした。それではまったくコスト低減にならなかった。
しかしC-MOSでカバーできる回路部分を極力LSI化してやることでCBトランシーバのPLL化が進められた。 生産台数が膨大であったゆえに専用ICの開発もできたのであろう。

TA7310Pの使用例
 TA7310Pは当時のC-MOSでは扱えなかった20〜40MHzと言った高い周波数を2MHz以下の扱える周波数へと周波数変換する目的に使われた。
 トランジスタを使ったシンプルなミキサ回路ではスプリアスの除去が困難であったため二重平衡型ミキサを採用して回路の簡略化を図っているのも特徴だ。(左図は東芝の技術資料より引用)

 本来はPLL回路用であったがDBM+OSC+RF AmpというアナログなICであるため、受信機のミキサ回路やSSB/CW検波回路にも使うことができた。 あまり活用例は見ないが、SSB送信のバラモジ回路にも使えたと思う。

CB機の輸出ブームも一瞬のバブルであった。 ブームも去り余剰部品が秋葉原へ流出するようになったころ買い求めたTA7310Pや頂き物が長いこと引出し在庫されている。 ここは 試用して感触を掴んで在庫を消費したいものだ。 例によってこのBlogは自分用の実験メモである。 以下、もしお暇なようならお付き合いを。 ご自身で使用計画でもあればコメントをどうぞ。

                    −・・・−

【評価する回路】
TA7310Pのメインは二重平衡型ミキサ(以下、DBMと略)であるが、発振回路部分を使わないと使えない設計になっている。 発振回路とDBMの間が内部でC結合されているのだ。 RFアンプ部分は独立しているので別途検討するとして、主役のDBM(+発振回路)の活用を検討してみよう。

単純な周波数変換に使えるのは勿論だが、シビアな性能が要求されるSSB送信機のバラモジ(バランスド・モジュレータ:平衡変調器)はどうだろう。 旨く使えるなら用途も広がる。 内部回路の考察では、HF帯用にできているように見えるが低い周波数、例えば455kHzでも使えるなら面白い。 そのような考えで、455kHzのバラモジで検討してみた。 なお、発振回路はセラミック発振子(村田製作所の商品名;セラロック)を使ってみた。 定数を選んでやれば水晶発振子でなくても発振できる。 工夫すればVXO回路とかもOKだ。

参考:村田製作所はセラロックの型番付与方法を変更している。旧CSB455Eは図のような長い型番になっている。この回路にはもちろん従来のCSB455Eも使える。

【試作風景】
例によってブレッドボードで試作だ。 周波数が低いこともあり特に問題は起こらなかったが、このブレッドボードは底面に金属板(正確に言えば片面プリント基板)が貼ってある。 銅箔面をアース電位にすることで高周波用の適性を高めてある。

左のオレンジ色の角形部品が455kHzのセラミック発振子(セラロック)である。 簡略実験のため、周波数調整用のトリマコンデンサ(C3)は固定コンデンサで代用している。 実際に作る際にはSSBフィルタに合わせたキャリアポイントの調整が必要なのでトリマ・コンデンサを使う。 455kHzの水晶発振子と違って455kHzのセラロックの周波数調整範囲は広いので容易に加減できる。
バラモジの出力に付けたコイルはトランジスタ・ラジオ用のIFTである。 ここでは白いコアの段間用を使ったが455kHz用なら何でも良いだろう。 DBM側はインピーダンスが低めなのでタップ付きが望ましい。

【DSB信号】
低周波入力端子J1-J2(AF Input)に約1kHzの正弦波を与えて測定している。1kHzは570mV(pp)を与えた。 出力は約3Vppで、まずまずなDSB波形と思う。

キャリヤ・バランス調整(VR1)は必須である。 無調整ではキャリヤ・サプレッション(搬送波抑圧比)は30dBもとれないくらいだ。 ミキサ回路なら良いのかもしれないが、バラモジには不十分だ。 かならずバランス調整を設ける必要がある。 ややクリチカルなのでR2(10kΩ)はもっと大きくした方が調整し易い。22kか33kΩが適当なところか。

【DSB信号:飽和】
過大入力で飽和してしまった状態。 こうなるずっと手前からIMDは悪化している。 もっと低い出力範囲で使うべきだ。 上図のように3Vppくらいまでが適当かと思われる。

なお、ここで3Vppと言うのは、使っているIFTのインピーダンスや巻き数比も関係するから普遍的な数字ではない。 部品が違えば値も異なってくる。 実際にオシロやスペアナで観測しながら最大信号レベルを見極めて使いたい。

内部回路から見て 455kHzではどうなのかと思っていた。 しかし思ったよりも良さそうなのは収穫であった。 この程度ならシビアでない用途には十分使える。

                    −・・・−


【内部等価回路】
なぜ内部等価回路を参照するのかと言えば、使う上で少々気になる部分があるからだ。 左側で発振部と中央のDBM部分の間をC1と言うコンデンサが繋いでいるのがわかるだろう。

このコンデンサはおそらく数pFしかない。大きく見積もっても10pFほどだろう。 従って、低い周波数で使うには小さすぎるのである。 流石に数10kHzと言ったキャリヤ周波数で使おうとは思わないが、せめて下は455kHzあたりまで使いたいものだ。 そのような意図で上記のテストをしている。 このC1の部分で455kHzの減衰が起こっている筈だが、DBMの動作に支障はない程度のようなので旨く使えることがわかった。 数個交換してみたが同じようなのでバラツキがあっても旨く使えるだろうと思う。 周波数の高い方は50MHzあたりまでが無難なところと言った感じか。


【セラミック発振子のトランジスタ発振回路】
セラミック発振子を使った発振回路と言えば、C-MOSインバータを使うものがほとんどだ。 しかしトランジスタでも発振回路は作れる筈だ。

TA7310Pを使うにあたってもう一つ検討しておきたいと思ったのは455kHzのセラミック発振子(セラロック)で発振するかと言うことだ。 セラミック発振子メーカの資料で左図のような発振回路を見つけた。さっそくTA7310Pの発振回路部分に適用してみた。 これは非常に旨く発振してくれて周波数調整も十分可能なので455kHzの標準用法にしておきたい。なお、この回路は簡易な受信機に付加するBFOにも良い。LC発振のBFOよりも周波数はずっと安定だ。少なくとも10倍は良いはず。(水晶発振にはかなわないが)

【発振波形】
水晶発振を含めて、こうした回路の発振波形はあまり奇麗なものではない。写真はPin3のモニタ端子を観測したものだ。4Vpp以上の発振振幅がある。

正帰還量を加減すれば正弦波に近付けることもできるが、今度は発振スタートしにくくなってくる。 従ってこの種の無調整発振回路では確実な発振起動を優先し発振波形の歪みはある程度やむを得ないと考えるべきだろう。

ただし波形歪みとIC内部のC1の容量小さい言うことは考慮すべきである。 C1のリアクタンスは周波数の上昇とともに小さくなり、ロスも減ってくる。 従って455kHzあたりで使うとミキサ部にはその高調波がかなり加わると考えるべきだ。 これはスプリアスの原因になるのでDBMから出て行かぬようきちんとしたフィルタを設けねばなるまい。

バラモジの後がSSB用の 狭帯域フィルタならたいてい支障ないのでフィルタ式のSSBジェネレータなら神経質にならずとも良い。 しかしPSN式の場合はそうは行かないので十分注意したい。 TA7310Pはもっと高い周波数(数MHz以上)で使う方が有利なのである。

                    ☆

TA7310Pはバラモジにはやや使いにくいので敬遠され気味かも知れない。 姉妹品のTA7320Pの方が使い易いのは確かだ。 しかし実際に確認しておけばどの程度までカバーできるか判断も可能になる。 これからの活用も有利になるわけだ。 意外に広範囲まで使えそうな感触が得られたのは収穫である。 昨今は使い易い DBM-ICも限られてきた。手持ちのTA7310Pも自作に動員したいものだ。

                   ☆ ☆

TA7310Pを使って感じたのはやはり数世代も前のDBMと言うことだ。 電源電圧は標準の7V以上は確実に掛けたい。できたら規格いっぱいの10Vが良い。低い電源電圧には向かないのだ。 また消費電流が大きいのも欠点と言える。この部分だけで30mAも消費するのはあまり頂けない。言わば電池の機械には向いていないICだ。
持っているなら死蔵ではなく活用すべきだが、あえて探して(買って)使うほどの価値は無さそうだ。 これからDBM-ICを買うのならNXPセミコンダクタ(旧フィリップス社)のSA612Aあたりをお薦めしたいと思う。もちろん現行品だ。 de JA9TTT/1

(おわり)

2014年10月5日日曜日

【Antenna】 Preparation of typhoon

【アンテナの台風準備】
北関東を強力な台風が直撃することは滅多にないが、今回の台風はだいぶ強力そうだ。しかも6日の朝には関東平野をかすめそうな進路予測なのでアンテナの荒天準備を行なった。

本当は地面まで全部降ろしてしまうのが一番なのだが、屋根と干渉するのでこの程度まで降ろすだけでやむを得ない。アンテナエレベータをこの位置でパークできるようストッパーを取り付けてある。

以前の台風のときの様子では20m近くと10m以下ではずいぶん風当たりは違うようだった。 それなりの効果は期待できるので、『備えあれば憂いなし』と言うことで降ろしておいた。

台風はこれから九州に近づく位置にあるが、今朝は前線が刺激されて雨が降り始めており、合羽を着ての作業になった。早めに始めたのでまだ小雨なので助かった。昼現在、かなりの雨脚になっている。あとは無事に過ぎてくれるのを祈るのみ。 de JA9TTT/1

                  ☆ ☆ ☆

【復帰】
 2014年10月6日、台風18号は九州の南で北東に進路を変えて本州沿いに進むようになった。午前8時過ぎに浜松市に上陸した。955hPaで風速も35m/s以上と強力である。

 その後は65km/hにスピードアップし足早に神奈川〜茨城を通り再び太平洋に抜けた。雨はかなり降ったが、北関東は進行左側に入ったので思ったよりも風は強くならなかった。 昼過ぎには晴れ間が覗くようになり、徐々に吹き返しの風も弱まった。

 夕方になりアンテナも復帰することができた。 再架設中にワイヤーアンテナの接続部分が緩んでしまった。ハンダ付けで補強する必要が生じたが、ごく短時間の地上作業だけで済んだ。 de JA9TTT/1(追記:2014.10.06)

(おわり)

2014年10月1日水曜日

【部品】p-ch MOS-FET

【p-chのMOS-FETを使う】
最近のパワーデバイスはMOS型が圧倒的になってきて、バイポーラのパワートランジスタは廃品種ばかりになった。 スイッチング用にはMOSの方が向くので何ら支障ないが、増幅素子としては困るケースも見られる。 特に、Audio系の石(BJT)はその傾向が強く、かつて銘石と言われたようなパワトラにはプレミアムが付くご時世だ。あまり型番に囚われずに現行品の採用で行く方が好ましいのだが。

無線の用途でも使える品種は限られてきたが、幸いにしてRF用のPower-MOSも登場しているので支障はなくなっている。 しかし昔の回路図のままを置き換える訳にも行かないのは悩ましい所だ。 無条件にMOS化で対処できる訳でもないし・・・。
バイポーラ・トランジスタにしろMOS-FETにしろ、HF帯(〜50MHz)なら特にRF用と書いてなくても使える物は多い。本来の目的を超えて活用できるデバイスがたくさん存在している。

表題から外れてしまったが、p-ch MOS-FETの話を進めよう。  型番で言うと2SJxxxと言うタイプのFETのことだ。 バイポーラ・トランジスタで言うところの2SAや2SBと言ったPNP相当のMOS-FETだ。 だから何だと言われそうだが、要するにp-chなんて無線家には馴染みもないし、PNPトランジスタと同様であまり好まれないのが普通だ。 ただ、そう言う石でも使えるものはある訳で、他のHAMが使っていないようなデバイスでオンエアしたいなら悪くない選択かも知れない。

p-ch MOSはハイサイド・スイッチとしての用途があるため思っていたよりも多品種が登場している。ただし増幅を目的にしたモノは殆ど見かけない。 多くは数A〜数10A以上と言った大電流スイッチ用だが比較的小さな1〜3Aのものもある。 そうした小電流のスイッチ用にはRFのパワーアンプに適した特性を持つものがあって、試してみる価値がある。 もちろん普通はn-chのFET、即ち2SKxxxを好む人が多いので、以下は物好きな実験であろう。

写真は2SJ178(NEC)で、すぐに使う当てもなく纏め買いしたものだ。 もちろんハイサイド・スイッチに使おうと考えたはずだ。 図のようにハイサイド・スイッチと言うのは例えば電源の+側のライン(要するにGND側ではない方)をON/OFFするような形式のスイッチを言う。例えばトランシーバの受信系と送信系のB+ラインを切り替える等の用途に使うものだ。なおPNP-Trでも可能だがp-ch FETを使うと電圧降下が少なくて済む利点がある。
概略の規格は:Vds=-30V、Vgs=±20V、Id=-1A、Pch=750mW、gm=400m℧、Ciss=210pF、Coss=130pF、そしてCrss=3pFである。 小さいけれど結構パワフルだ。それに帰還容量:Crssが小さいからRFに向きそうに見える。(残念なことに2SJ178はディスコンの模様)

テストしてみる
なるべく簡単な回路でQRP送信機のファイナル・アンプに使えるかテストしてみよう。 Cissが200pFほどあるので、入力は容量性である。 本式に使うなら整合して使うと良いが、実験なので50Ωで直接ドライブする。

負荷側(出力側)の方はRFCのみで整合回路は設けない。 電源電圧:Vcc=12Vなので出力電力:Po=1W程度と考えて負荷抵抗:RL=約50Ωでマッチングする。

  なんら放熱をしていないので規格のId(max)=1Aではあっても、そんなに流したら過熱で壊れる。せいぜい200mA位が良い所だ。入力2Wと考えても170mA程度となる。まずは7MHzでやってみることにする。

Biasを与えてAB級で使う
バイポーラ・トランジスタと違い、エンハンスメント・モードのFETはゲートに順方向のDCバイアスを掛けないとドライブが掛かりにくい。 約-2V程度のDCバイアスを掛けて使うことになる。B級もしくはAB級で動作させる訳だ。 十分なドライブが確保できるならゼロバイアスのC級で使い、かなりオーバードライブしてやるとドレイン効率はアップする。

FET個々にばらつくから、B級もしくはAB級になるバイアスは何ボルトと言う表現は適切でない。 正しくは、Idを測定しながらVgsを調整することになる。 具体的には下の回路図で言う所の、VR1を調整して無信号時にId=-10mAになるよう合わせる。

「バイアス電圧を調整する」と書くと、で は何Vなのか具体的に教えてくれと言う質問がくるだろうが、それにはお答えができないのだ。 質問者が使ったFETの特性が全く同じでないかぎり、所定のドレイン電流が流れるバイアス電圧は個々に違う。 だから電圧を聞き出してそれに合わせても駄目なのである。

最初はVR1をVgs=0の所にセットしておく。ドレイン電流:Idを観測しながらそろそろ回して行き、Id=-10mA内外のところに合わせれば良い。(まあ、-5〜-15mAくらいの適当で良い) その時のVgsは-2ボルト前後でしょう・・と言う訳だ。 これはp-chのFETに限らず、n-chでも同じことなのでMOS-FET(エンハンスメント型に限るが)をB級なりAB級で使ううえでの常識のようなもの。 

【テスト回路】
何しろ単純なので書くまでもないような回路だ。 p-chのFETなのでプラス接地の方がスッキリするが 、他の回路と組み合わせ易いようにマイナス接地で書いておいた。 ドレイン側はRFCだけで、Cで切って50Ωを直接負荷する。 RFCは100μHくらいでも良いが、いずれにしてもDC抵抗が数Ω以下のものを使うこと。普通のテスタで測ればすぐにわかる。 出力電力:Po=(Vcc)^2/(2*RL)から約1W+である。VccはRFCのDC抵抗やFETのON抵抗があって降下するので実質的に10V程度と考える訳だ。 なお、実際にアンテナを繋ぐにはLPFが必須だ。

出力部分はバイファイラ(Fig.1)あるいはトリファイラ巻き(Fig.2)のトランスを置くことで、FETから見た負荷インピーダンスを下げてパワーアップすることができる。

   2SJ178は小さなパッケージのFETだ。 効率の良い動作をさせても、まったく放熱しないと厳しいのでパワーを欲張らない方が良い。 負荷インピーダンスを下げると同じ比率でゲインも下がるのでドライブしにくくなる。 十分なゲインが期待できる低い周波数を除き、図のままのPo=1W程度で考えるのが良さそうだ。 なお、入力側は50Ω直結ではドライブしにくいからFig.3のような昇圧トランスを置くと楽になる。 ドライブパワーはあまり要らないが、それなりのドライブ電圧は必要だ。

【7MHzで】
7MHzで負荷の両端電圧を読んでみた。 AB級のシングル動作なので整流したような波形になる。 当然高調波が含まれているので、2次高調波以上の除去に効果的なLPF(ローパスフィルタ)を設けねばならない。

電源電圧が12Vなので。写真の状態が概ね飽和状態である。 正しくは高調波を除去してから測定しなくてはならないが、おおよそ1W程度のパワーが出ている。

【3.5MHzで】
同じく、3.5MHzにて負荷の端子電圧を読んでいる。 これでだいたい飽和状態である。 7MHzと同じく約1Wのパワーだ。 LPFの付加は必須で、その通過後のパワーは0.8W程度だろうからQRPとしてはまずまずだと思う。 ドライブにゆとりがあるなら、2SJ178を4パラにし、インピーダンス比=1:4(バイファイラ巻き:Fig.1参照)のトランスを使うと2〜3Wは期待できるのでそのようなパワーアップ方法もある。上記回路図を参考に。 3.5MHzではゲインがアップして7MHzの約半分の電圧でドライブできる。 ゲインはだいたい-6dB/octの傾斜になる。


p-chではなく、オーソドックスにn-ch MOS FETで行くなら2N7000あたりが良いだろう。 もちろん電源極性は逆になるが類似の結果が得られる。 p-ch MOSはn-chより周波数特性は落ちるように思う。それでも小型の石ならHF帯の低い方で十分行けそうだった。ちょっと変わったデバイスでオンエアしたい向きにはお勧めできそう。(笑)

                    ☆

10月になろうと言うのに適当なBlogテーマがない。やむなく片付けていて目に入ったデバイスをネタにした。 実験するまでもない。特性表から見たら使えて当たり前じゃないか・・・と言う声も聞こえる。 しかしそう言う人に限って実際に試してはいないものだ。 特性表には現れない固有のクセがあったりするので実地検証は必須と言える。 試すどころか、昨今はコテも暖めず・・・ブレッドボードでさえも面倒で・・・BlogやWebネタの疑似体験で満足してしまう人の多いのは残念だ。それでご意見を頂いても・・・。

たぶん多くのBlogやWebに書いてある話は実験のすべてではない。むしろ都合の良い部分だけだったりするものだ。 情報の出し惜しみなのではなくて、感触のような細部まで伝えるのはなかなか難しいからだろう。 だから画面を眺めて納得したつもりでも、本当はてんでわかっちゃいない可能性だってある。自分の実験のごとく吹聴したら赤恥をかくかも知れないから注意せねば。(笑)

以上、暇つぶしになったようなら今月のBlogは目的達成だ。de JA9TTT/1

(おわり)