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2015年5月18日月曜日

【回路】Transistor Balanced Modulator, Part-1

回路:トランジスタを使ったバランスド・モジュレータ】

 【トランジスタでバラモジを】
 SSB送受信機でおなじみのバラモジ(Balanced Modulator:平衡変調器)と言えば、ICを使った物が人気だ。 古くはMC1496Gがあり、その後はSN76514NやSN16913P、国産ではTA7310PやTA7320Pがあった。そしてSA612まで様々なものがある。 しかし、その殆どが生産中止品になってしまった。

 では、IC-DBMを使う以外に方法はないのだろうか? もちろん、Quad-Diodeを使ったリング・モジュレータも良く知られているが、どうも人気がないように思う。入出力端子の終端インピーダンスが決まっていて、キャリヤ信号にパワーが必要といった「使いにくそう」な印象が敬遠の理由かもしれない。(実際はそうでもないのだが・・・)

 IC-DBMが品薄ならダイオードDBM(←別のBlogにリンク)をお薦めしたいところだが、トランジスタやFETを使ったアクティブ・タイプのバラモジがあるのを忘れてはなるまい。 ここでは、ちょっと珍しくなったトランジスタ式のバラモジを再評価してみた。 トランジスタ式は入出力インピーダンスに自由度があり、ゲインもあることからキャリヤ入力も変調信号も小さくて良い。これはIC-DBMの使い易さに通じるものだ。だからもっと着目しても良いと思うのだが・・・。

                    ☆

 このBlog、オンエア用の話題作りが目的ではない。口ばっかしで自作は一切しない人なんてお呼びじゃない。そう言う目的のお方は早々にお帰り願いたいものだ。逆に電子回路を作って遊んでみたい人はこの先も是非お付き合いを。(笑) 

【トランジスタ式バラモジのテスト回路】
 簡単に作れて性能が良く、しかも特殊部品を使わない回路を考えてみた。  バラモジで最も重要なのはキャリヤ・バランスにある。デュアル・トランジスタを使うことで平衡度を確保する作戦だ。

 ここでは往年の銘トランジスタ:2SC1583(三菱)を使ってみた。hFEランクはFである。 この差動回路になった上段のトランジスタに変調信号・・・即ち音声信号を加える。 下段のキャリヤ入力側トランジスタにはこれまた往年の銘トランジスタ:2SC372Y(東芝)を使っている。但し、沢山あったから使ったまでで2SC1815Y(東芝)でもOKだ。もちろん2SC945(NEC)や2N3904(Fairchildほか)なんかでも良い。

 IC-DBMと違ってバイアス回路が要るので外付け抵抗器が多い。それでもMC1496Gを使うと思えば同じか、やや少ないくらいだ。意外に簡単な回路で済むことがわかる。

 この回路はシングル・バランスド・モジュレータ(SBM)である。 DBM(ダブル・バランスド・モジュレータ)と何が違うのかと言えば、キャリヤ(搬送波)はバランスして出力に現れないが、音声信号(変調信号)の方はバランスしないところだ。Q1aとQ1bのコレクタ側に増幅されて出てくる。 しかし、それで支障はないのである。アウトプット・トランス:T1は高周波用であって低周波は通さない。従って低周波の音声信号は出力端子には現れてこないのだ。 この例のように9MHzのキャリヤ信号と低周波の音声信号のように周波数が離れていればDBMではなくても支障なくSSB送信機に使える訳だ。目的如何ではあるが、DBMではなくてSBMで十分なことが多い。

 【DSB出力】
 テストは9MHzで行なっている。 ブレッドボード製作では少々辛くなってくる周波数だ。 それでもこの程度のDSBは十分得られている。 40dB弱と言ったところか。キャリヤ・サプレッションもまずまずと言った感じなのはおわかりだろう。 GNDの配線が合理的にできる専用プリント基板や、ユニバーサル基板で製作すればキャリヤ・サプレッションは一段と良くなる。ベタGNDの基板上に作るのも良い。

 トランジスタのベース変調を基本とするため、幾らか変調のリニヤリティが悪い感じもするが、実際のところIC-DBMとさした違いは無いようだ。 キャリヤ入力も変調信号も100mVpp少々与えてやれば良いのでとても使いやすい。 例えば、マイクにECMでも使えば1石マイクアンプで十分変調が掛かる。 キャリヤの方も同じで簡単な水晶発振回路で十分だ。バッファ・アンプを付ける必要もないと思う。 トランジスタを使ったSBMをきちんと作ったことは無かったが、これは意外にイケル感じだ。

 【失敗は成功のもと】
・・・とは良く言ったものである。これは失敗作の方だ。何が違うのかと言えば、アウトプット・トランスが同調形式になっている。 その部分のみ上記回路図とは違っている。

 同調トランスを使うと(1)高調波の抑制などスプリアス特性が良くなる、(2)インピーダンスが高めになるので大きめの出力が取り出せる、などのメリットがある。 だから昔の回路例を見ると同調トランス形式になっているものが多い。 しかし、この形式で試作して思ったような成果が得られなかった人は多いのではないかと思う。 要するにキャリヤ・バランスがどうもうまく取れないのである。 キャリヤ漏れが多くてはバラモジ失格なので「使えない回路」と思ってしまうだろう。

 【アウトプット・トランスが肝】
 トランジスタの左右。即ちQ1aとQ1bのバランスが確保できるようにデュアル・トランジスタを使うくらいなので、アウトプット・トランスのバランスも重要なのである。

 実は、この部分が最も難しいのだ。 写真は東光の13Kと言うボビンに巻いたものである。 13Kは10Kと良く似た構造だが、外側の壷型コアがないのと巻き溝が大きくできているのが特徴だ。1次側と2次側の巻き線が緩く結合するトランスも作ることができる。 複同調型IFT向きと言った感じのコイル形式だ。 ずいぶん前に秋月電子通商(信越電機時代かも)で売られていたTV用のIFTジャンクと思われるものを改造して製作した。

 一つは2本をよじった線でバイファイラ巻きで作った。 もう一方は13Kコイルの構造を旨く使い、中点タップが維持されるよう巻き溝を交互に使う形式である。 これが良好な性能だったなら製作方法を詳しく説明するところなのだが・・・。

 平衡度についてよほど周到に考え、なおかつそれが実現できるような巻き方を実現しないと思ったような結果が得られないのである。 もちろん、そうしたトランスが作れない訳ではない。しかしけして易しくないのである。イイカゲンは通用しないから万人向きのコイル作りとは言えないのだ。 失敗作ではあったが、この部分が性能を決めることが良くわかったのは収穫であった。良く考察すれば「失敗は成功のもと」になる。(笑)

【フェライトビーズにトリファイラ巻きが良い】
 同調形式のアウトプット・トランスに未練も残るところだが、ここはあっさり写真の形式で行くことにした。 フェライトコア(フェライト・ビーズ)にトリファイラ巻きで製作する。既に多くの実績がある方法だ。

 この形式で作ったトランスの平衡度はかなり良好だ。製作のポイントは(1)透磁率:μの大きなコア材を使うこと、(2)巻き数はそこそこ多めにする、(3)巻き線は3本を良くよじったものを使う、(4)引出し線の長さも揃える・・・と言ったところだ。

 なお、透磁率:μの小さなTシリーズのトロイダルコアで、同調形式で行く方法もあり得るが、上の13Kを使った例と同じ問題に遭遇する可能性もあって得策とは言えないと思う。ここは平衡度のみを追求する方が製作は容易になる。(1)〜(4)を実現する方が良い選択と言える。 上の写真のDSB信号はこのトランスを使った例である。 このフェライトビーズは容易に手に入るから13Kコイルに巻くよりも普遍性がある。見ての通り巻き方も難しくなく、コストが安いのも有難い。 ここではわかり易いように3色を使ったが、単色の巻き線でも間違えないように結線すれは大丈夫だ。

 昔の設計でこうしたコアを使ったトランスの使用例が少ないのは、巻くためのコア材の入手が一般化していなかったからである。 μ(ミュー)の大きなトロイダルコアが手軽に入手できていたなら非同調形式のアウトプット・トランスも積極的に採用されていた筈だ。 今ではフェライトビーズ:FB-801-#43が通販で全国どこからでも手に入るようになっている。FTシリーズのトロイダルコアに巻いても良いのだが、フェライトビーズで代用すればお値段も数10円とお手軽だ。

 【デュアル・トランジスタでなくても】
 そうは言っても、デュアル・トランジスタなんか持っていないよと言われそうだ。 もちろんトランジスタの平衡度も大切だからデュアル・トランジスタを使うに越したことはない。 三菱電機の2SC1583は安くて良い石だったのだが既に生産中止品である。 オーディオ・アンプでの需要もあったのですっかり枯渇していている。

 しかし諦める必要はない。同じ型番のトランジスタで、hFEランクが同じものを2つ使えば十分キャリヤ・バランスがとれる。デュアル・トランジスタでなくても良い。 どちらかと言えば、アウトプット・トランスの平衡度の方が支配的なのである。 この写真のように同じ銘柄の石を2個使えば十分良い性能のバラモジが作れることがわかった。 もちろん写真のようなレトロな石ではなく高周波用の2SC1923や汎用品の2SC1815ほか、シリコンの小信号用なら大抵のものが使えると思って良い。(実はゲルトラでも作れる)

 万全を期したいなら、hFEを実測して選別し、良くマッチしたものを2つ見つけたら良いだろう。 まあそこまでしなくても写真のようにYなりGRなり、hFEランクを合わせてやれば実用上支障は無さそうだ。
 昨今はリード線付きのトランジスタは廃番ばかりになっている。リード付きデュアル・トランジスタの入手は難しいかもしれない。しかし表面実装用トランジスタには良さそうなデュアル・トランジスタがある。 直接専用基板に搭載するのが理想だが、455kHzはもちろん9MHzあたりのHF帯でも変換基板で十分行ける。選別の手間を省き、デュアル・トランジスタでやりたいなら試してみると良いだろう。調べたらROHM社のトランジスタに安くて良いものがあるようだった。

参考:デュアル・トランジスタ(2つの特性が良くマッチした2個入りトランジスタ)を使うのは温度の変化など環境の変化で個々の特性に違いが現れないようにするのが目的だ。従ってバラモジには有利だ。しかし実際に個別のトランジスタで組んでも十分使えるのも事実である。それが現実的な手法と言える。もちろん精神衛生重視や、理屈重視ならデュアル型を使うべきだ。

【オマケ】
 東芝のハカマ付きトランジスタを見ると「萌える」お方が多いそうなので、オマケ写真を付けておく。(笑)

 この形式のトランジスタは「Eパック」と言う組み立て方法で作られている。(製造工程の呼び方は各社で異なる) シルクハット型キャップを治具に裏返して並べ、キャップの穴にリード線の先にトランジスタチップが付いたものとエポキシ樹脂を挿入して固めるのである。今のTO-92型パッケージとはまったく違った組み立て方法で作られていた。シリコンのチップに機械的なストレスを与えにくい良い組み立て方法に思えるが、量産性では劣っていたために廃止されたのである。

 自作も長いので、こんな旧型トランジスタがまだたくさん在庫されているので積極的に使うことにしている。そうしないととても消費しきれない。カタチは旧式でも性能は十分なので困ることもない。もちろん、旧式をわざわざ探すまでもなく現行品トランジスタで代替して支障はない。安くて性能が良いトランジスタがたくさん登場している。

                   ☆

 バイポーラ・トランジスタを使ったバラモジ(SBM)はなかなか良さそうだ。 ありふれたトランジスタ3つで作れるのが良い。 かなめになるアウトプット・トランスも安価なフェライトビーズの活用で誰でも容易に製作可能だ。 IC-DBMのような使い易さが実現できるのでもっと採用したい回路だ。 昔々、同調トランス形で製作して旨く行かなかった人にもリベンジのチャンスだろう。 いずれSSBジェネレータの形に纏めようと思っている。

 生産中止になった部品を必死に求める人がおられるようだ。機器の交換修理用ならやむを得ないが、新規製作ならもう少し柔軟に考えては如何だろうか? ダイオードDBMも使い方しだいで扱い易くもなる。 あるいはここで紹介したような、トランジスタを使ったSBMでも十分な性能が得られることがわかる。ポイントをわかって製作すれば失敗することもないだろう。 姿を消したような部品を探し求めるよりも、回路の機能を理解して同じように使えるもので工夫したら良い。同じ機能実現の為の手段は無数にあると思うべきだ。de JA9TTT/1

つづく)←FETを使うSBMで作ったSSBジェネレータへリンク

10 件のコメント:

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、おはようございます。

トランジスタのバラモジ回路は教科書的にはともかく、実際の製作記事ではほとんど見かけたことがありません。

高級HF機のフロントエンドではクワッドFETミキサーなどを見かけますが。

デュアルトランジスタというのが存在することも知りませんでした。^^;


初めて使ったモールドタイプのTrが袴付きの2SC372でした。
袴無しの372もあるようですが、やはり372は袴付きですね。
僕は袴Tr萌えではないですが。Hi

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、おはようございます。

早速のコメント有り難うございます。
> 製作記事ではほとんど見かけたことがありません。
私もそう思います。 真空管式の次がDi-バラモジで、その後はIC-DBMの時代になったように思います。

> クワッドFETミキサーなどを見かけますが。
スイッチ式の一種なので、また別の形式になりますね。 類似の形式がミキサーでは主流になった感じですね。

> 袴付きの2SC372でした。
私も2SC372だったと思います。 足ピンは金メッキされていたと記憶しますが、最初の頃のシリコンTrは高かったですから・・。(笑)

> 袴無しの372もあるようですが・・・
袴ナシの2SC372は、ユーザー対応で作ったものでしょう。 中身は2SC1815なので明らかに特性が違うのですが、型番が同じなら再検討しなくて済む・・・と言ったユーザーのニーズに応えたものと思います。hi hi

> 僕は袴Tr萌えではないですが。Hi
私もそうなんですが、何となく袴付きが好きです。ww

#たくさんあるので袴付きから暫く抜けられません。

JK1LSE/本田 さんのコメント...

こんにちは
TA7045M、CA3028、CA3053の中身版?ですね。私はいづれも手持ちは無いのですが、興味を引かれる回路です。仙波さんが実験されてましたね。私もやってみたい回路の一つです。

出力側がバイファイラー巻のトランスになっているところがミソということで納得です。実際にやってみないと中々気づかないところです。この辺も試してみたいです。
キャリアバランスもDCのみで取れるんですね。ダイオードバラモジュだとトリマーコンデンサーでごまかしてますよね。ダイオードだとDCでは調整の余地がないので強制的にバランスをとるイメージでしょうか。

私はTRXの製作を始めたところなのですが、今回はダイオードにしようと思ってます。アクティブMIXもゲインがあるところがいいですね。もう少し全体ができたら色々試してみようと思います。

とこで13Kコイル、私も信越で買いました。持っていたはずですが使わないうちに、どこかへ行ってしまいました。アルミ絞りのケースに惹かれるのわ私だけかも!?

TTT/hiro さんのコメント...

JK1LSE 本田さん、こんにちは。 昼を過ぎたら少し雲が出てきましたね。

コメント有り難うございます。
> 私もやってみたい回路の一つです。
是非お試しください。 旨く行くと思いますよ。

> ・・・になっているところがミソということで・・
はい、この部分がポイントでしょうね。 作り易いですので。

> DCのみで取れるんですね。
周波数が高くなると、分布容量のアンバランスなど効いてくるのでトリマコンデンサを入れる必要も出てくると思います。 やはり位相調整も必要になります。

> 色々試してみようと思います。
色々な回路がありますから、具合の良いものを探って下さい。 それぞれ他の回路との関係で向き不向きがあると思います。

> アルミ絞りのケースに惹かれる・・・
ちょっと大きいので使う機会が無いままになっておりました。 低い周波数には巻き溝が足りず、2次側との結合が疎なので実験的な要素が多くなってしまうために何となく使いにくいんです。(笑)

JG6DFK さんのコメント...

こんにちは。こんな時期から暑いと参りますね。

さて、回路図を書いたところまでで止まっている2バンドラジオのミキサがまさにこのタイプです。下側を自励発振回路にしてありますが、事前の実験では強力な信号に対しても引き込まれにくく、1石の自励ミキサよりかなりFBなようです。

次の仕事で周波数変換をやらないといけなくなりそうですが、アクティブミキサICは確かに選択肢が皆無になり悩ましいです。サイズや消費電力の関係でDi-DBMというわけにいかないケースもあり、この分野ではまだまだ個別素子による設計も検討せざるを得ません。

昔はUHF以上でアクティブミキサは使えない、と言われていましたが、現在ではHi-fTのSi-Ge Tr.もかなり一般的になりましたから、かなり高い周波数までいけるだろうと思います。その代わり、米粒よりうんと小さいデバイスしか入手できませんが…

アクティブミキサの出力回路は可能な限り同調型にした方がいいだろうと単純に考えていましたが、そうでもなさそうですね。もっとも、バラモジではなく単なる周波数変換ならあまりシビアに考えなくてもいいので、これまで注意を払ってこなかったのかもしれません。

それにしても旧東芝ロゴ入りの2SC372とは… 製造時期はHFEランクがペイントされなくなってすぐの頃でしょうか。

昔はハカマ萌えでしたが、今は強いて言えば選択肢の広いチップ部品萌えでしょうか(笑)。ヘッドルーペを使わないと見えなくなってきたのは悲しいですが… それはさておき、実装密度を上げやすいという点ではハカマ付きよりTO-92に軍配が上がりそうです。

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、こんにちは。 雨が降る前に所用で市役所へ行ってきました。 こちらでは少々ご無沙汰でしたね。hi

コメント有り難うございます。
> ミキサがまさにこのタイプです。
単純なベースあるいはエミッタ注入式の1石トランジスタミキサよりも性能はずいぶん良くなりますね。

> まだまだ個別素子による設計も・・・
最近のICは専用化してしまったので、ニッチな製品はディスクリートで作らないと実現できなくなってきましたね。 ICがないと設計できないようでは機器開発できないでしょう。(笑)

> かなり高い周波数までいけるだろうと・・
昔なら夢のような性能のデバイスが登場していますからGHz帯まで行けそうですね。

> バラモジではなく単なる周波数変換なら・・・
バラモジはキャリヤ漏れが一番の問題なので、それを最優先で考えないと使えない回路になってしまいます。

> ペイントされなくなってすぐの頃でしょうか。
良くわかりませんが、たぶんその頃だろうと思われます。 頭にhFEランクが書いてあるとわかり易くて良いです。

> ハカマ付きよりTO-92に軍配が上がりそうです。
確かに袴の部分が邪魔ですね。 平らな面で2個を熱結合させようとすると、袴を折って密着させる必要があります。(笑)

古いトランジスタは何かとトラブルが出易いのですが、東芝のこの形状のTrは劣化故障が少ないように感じています。

7M4EZB/山内 さんのコメント...

トランジスタを用いたSBM,大変参考になりました.ギルバートセルの回路と比較すると,DBM/SBMの違いがよくわかりますね.
トランスの巻き方についてですが,FCZのIFTもバイファイラにしていて,単に巻き数を合わせれば良いと言うものではないことを教えられました...
ところで,以前,aitendoのトランジスタはhFEを測ったほうが良いと教えていただいたので,簡単な測定回路を作ってチェックしてみましたが,なんとなく使えそうでした.若干hFEが低めな気もしましたが,後は実験してみます.

TTT/hiro さんのコメント...

7M4EZB 山内さん、おはようございます。

コメント有り難うございます。
> DBM/SBMの違いがよくわかりますね.
MC1496Gの等価回路を比較してもらうとSBMとDBMの違いがわかりますね。

> 単に巻き数を合わせれば良いと言うものではない・・
コイルの完全な中点タップと言うものを実現するのは難しいものです。 そのあたりがDBMやSBMの性能を左右しますね。

> 簡単な測定回路を作ってチェックしてみました・・
hFEのバラツキだけでも確認しておけば、ずっと安心できると思います。実測しておいたのはFBだと思いますよ。

> 後は実験してみます.
何か面白いものへ活用できたら良いですね。

jn3xby@岩永 さんのコメント...

加藤さん、こんばんは。
今日はちょっと早く帰ってきました。
面白い実験ですね! SBMでも十分SSB送信機ができそうですね!
肝が、出力トランスのバランスというところは当局的には新たな発見です。
ありがとうございます。
つくづく思うのは、トロイダルコアが出てきてから自作の失敗が少なったということです。
加藤さん的には、勘所を押さえればどんなコイルでもOKということでしょうが、当局的にはなかなか???です。
今回のSBMではバイファイラ巻きでバランスの精度が得られるということで失敗が減るということで、どこかで使ってみたいと思います。
勿論、TRは一般的に入手可能なものになりますが。

TTT/hiro さんのコメント...

JN3XBY/1 岩永さん、こんばんは。 こちら風が出てきました。 このあと雷雨になるかも・・・。

コメント有り難うございます。
> 肝が、出力トランスのバランスと・・・
昔からそう言われていたんですけど、球や石と言った増幅デバイスのバランスの方が支配的だと思ってました。hi hi

> 自作の失敗が少なったということです。
そう思いますねえ! コイル作りの再現性が良くなったのと、磁束が漏れないので他と結合しないのが理由でしょうね。

> 勘所を押さえればどんなコイルでもOK・・・
そうとも言えますが、イイカゲンが大好きな私には製作困難なものは敬遠です。もう一度入念に巻きなおす気力はナシです。hi hi

> どこかで使ってみたいと思います。
ほかにDi-DBMとポストアンプでも良い物ができますから、どれを使ったら一番なのか迷いますね。hi hi

> 勿論、TRは一般的に入手可能なものに・・・
このSBMはごくありふれたTrで作れるのが良いと思っています。

私の場合は手持ちのIC-DBMの消化にも努めないと・・・なんですが。(笑)