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2015年6月17日水曜日

【回路】Diode Balanced Modulator

【回路:ダイオードを使ったバランスド・モジュレータ】
 【ダイオードを使ったバラモジ
 ゲルマニウム・ダイオード:1N34Aを4つ使ったリングモジュレータである。 真空管の時代から愛用されて来たバラモジ回路だ。 十分研究し尽くされていて性能は安定しており、IC-DBM全盛の時代にあっても有用な回路である。 これを避けて通る訳には行かない。もちろん過去に実験済みであるがBlogで改めて採り上げることにした。

 ここで使うダイオードはゲルマニウムのポイント・コンタクト型(←リンク)に限らない。ショットキー・バリア・ダイオード(SBD)あるいは高速スイッチング用Siダイオードでも良い。 ゲルマニウムが有利なのは注入キャリヤのレベルが小さめで良いことくらいだ。但し内部抵抗の小さい他のダイオードの方が信号損失は少なくなる。

 HAM用の無線機では、八重洲無線は1S1007(JRC製)をTRIO/Kenwoodは1N60(東芝)を好んで使っていた。 1S1007はゲルマニウム・ダイオードであるが、ゴールド・ボンド型と言うものだ。 ポイント・コンタクト型の1N60を使うよりも幾分損失は少ないようだが大差はないのでどちらでも同じようなものだと思って良い。(もちろん混ぜて使うのはNGだが)
 ここでは1N34A(日立)を使っている。無理に同じものを探す必要はなくて1N60や1K60でも良い。海外製では1N270が代表的Ge-Diだ。 あるいは1SS86や1SS97のようなRF用ショットキー・ダイオードでもまったく同じように使える。(注:電源整流用のショットキー・ダイオードは接合容量が過大で高周波には不適当)

 以下、オーソドックスな回路も扱う意味でテストしている。 一般的過ぎる回路には興味をそそられないかもしれない。 確かにその通りであって、特別なことは何も書いていないから妙なご期待をされているようなお方は早々にお帰りがお勧めだ。 わかりきったことに貴重な時間を浪費する意味はないだろう。さあさ、帰った帰った。

                     ☆

SSBジェネレータの形に纏める
 ダイオード・バラモジを扱っただけでは面白くもないので、SSBジェネレータの形でテストしている。 キャリヤ発振器との繋ぎ方や、マイク・アンプから信号の加え方のような「回路の扱い」の部分も明確にしておく方が後々の活用で意味があるだろう。

 前回のFETを使ったSSBジェネレータ(←リンク)を改造して使っている。 同じく7.8MHzのクリスタル・フィルタを使うので、キャリヤ発振回路は基本的に同じものを使う。 但しダイオード・バラモジの特性に合わせて小変更している。 キャリヤ・レベルは小さめで良いが、インピーダンスが低いのでそれに合うよう部分的に変更している。

 マイク・アンプも逆相出力は必要なく単純なアンプで済むから簡略化した。 そのため、FETを使った前例よりも部品数は少なく済んでいる。空白面積が増えたのが写真からもわかるだろう。

 【7.8MHz SSBジェネレータ:全回路
 バラモジ(Balanced Modulator)の部分と、マイク・アンプを大幅に変更している。 キャリヤ発振回路は概ね同じだが出力部分を小変更した。

 キャリヤ発振回路はUSB発生用に7797.5kHz、LSB発生用に7802.5kHzを発生する。 USB/LSBの周波数切換えはトランジスタ・スイッチで行なっている。回路の詳細は前回の記事(←リンク)を参照してもらいたい。 ここで変更したのは2SK544Eを使ったバッファ・アンプ部分である。インピーダンスの低いダイオード・バラモジに対応するため、出力部の7.8MHzトランス:T1を作り替えている。Q4:2SK544Eのドレインもトランスの中点タップに接続している。バラモジへは約2Vrmsを与えている。 なお、2SK544を2カ所で使っているが、これらは2SK241あるいは2SK439でも良い。代替は2SK544E=2SK241Y=2SK439E、2SK544F=2SK241GR=2SK439FでOK。2SK439は足の並び方が逆順なので十分な注意を。上記の回路では2SK192Aでの代替はできない。 そのほか2SC372Yは2SC1815Yで代替できる。

 バラモジはオーソドックスな、所謂「コリンズ型」と称するものである。 他の形式を試したこともあるが、この回路が性能的に最も安定していて確実だと思う。 キャリヤのバランス・ポイントが明確にわかり、バランス調整も容易である。 振幅と位相の両方を調整できるので良好なキャリヤ・サプレッションが得られる。 なるべくシンメトリーに部品を並べて作るのは常識だが、少々アンバランスなレイアウトでもそれなりにバランスしてくれる。調整範囲が広いのだ。 ダイオードに1N34Aを使ったのは手持ちの関係なので、1N60でも1K60でも何でも良い。今どきゲルマニウム・ダイオードの時代でもないから、RF用のショットキー・ダイオードでも良かろう。 ゲルマDiの場合、テスタで順方向抵抗と逆方向抵抗を実測して揃えてやると気休め以上の効果がある。 但しそれほどシビアではないのでダイオードの選別は程々でも十分だ。測ることで不良品のリジェクトに意味があるくらいだ。 部品レイアウトや調整の方がむしろ影響度は大きい。

 マイク・アンプはOPアンプを使っている。現在ではオーディオ・プリアンプ用のIC(例えばTA7063P)よりも入手は容易だ。性能も十分だからOPアンプの採用がお奨めだ。 ここではNECの通信工業用:μPC151Cを使っている。 但しμPC151Cの中身は一般的な「741型」と等価なのでそれで代替すれば良い。 今さら741タイプなんて古典的だと思うならもっと近代的なOPアンプを使っても良い。ごく一般的なOPアンプならたいてい使えると思って良いだろう。 なお、今回の回路ではハイ・インピーダンス型ダイナミック・マイクロフォンに適するように回路設計してある。ロー・インピーダンス型のマイクロフォンを使いたいなら前回Blogの参照を。 #まあ、ミスマッチにはなるがそのままでも十分使えるのであんまり神経質にならなくても良いのかも。

 ポストアンプとフィルタ部分は前回Blogとまったく同じである。

 見直してみて、マイク・アンプ部分もバラモジ部分も昔懐かし「熊本シティ・スタンダード」SSBジェネレータのようになってしまった。意識した訳でもないのだが、まあオーソドックスとはそう言うものなんだろう。熊本C-STDは地方で入手容易なパーツを主体に実現していたものだ。RF用パーツが乏しくなってきた現状はそれと似た状況になって来た。結局作り易さを追求すると行き着く先は同じようになってしまう。もちろん秋月の10Kボビンなど望めないからトロイダル・コアにコイル巻きで現代風にアレンジしている。(笑)

 IFアンプに検波回路と低周波アンプを追加して要所をダイオード・スイッチで切り替えてやれば熊本C-STD同様の送受ユニットにもなり得るので、あとは各自で自由研究されたい。w

 全電流は約23mA(@Vcc=12V)となり、FETをバラモジに使ったものよりも幾分少なくなった。これはパッシブなデバイスのバラモジなのとOPアンプが1回路で済んでいるからだ。 SSBジェネレータ出力は約400mVppが得られている。これは歪みに対して多少マージンを見た値である。後続のミキサーには適当な大きさだろう。

 【バラモジとマイク・アンプ部分
 ブレッドボードにダイオード・リング形式のバラモジは載せにくかった。 未だ最適レイアウトではないと思っている。(笑) 実用品の製作時にはプリント基板上にハンダ付けで作ることになる。従って此処での多少のまずさは支障ないので妥協してしまった。 それでもキャリヤ・バランスは奇麗にとれているのでまずまずであろう。

 バラモジ部分に使ったバイファイラ巻きのトランス:T2はコモンモード・チョークとして製作された既製部品である。 フェライトコアにバイファイラ巻きになっており巻き線のバランスが良く周波数特性も十分だったので使っている。 自作するなら例によってコアにはフェライトビーズ:FB-801-#43を使い、φ=0.2mmのポリウレタン電線を2本良くよじったものを6回巻きすれば良い。まったく同じように使える。なお、T2を省いてT3のみでバラモジ回路を作ることも可能だ。 キャリヤの注入レベルなど多少検討を要するかもしれないが概ね同じような性能が得られる筈だ。

 マイク・アンプに対して、バラモジの入力インピーダンスは低すぎるので過負荷にならぬよう直列抵抗で対応している。 バラモジが必要とするオーディオ信号のレベルは数100mVppで十分だから直列抵抗による対策で支障ない。 直列抵抗はOPアンプが直接容量性負荷にならないようにする意味もある。 マイク・アンプの入力部分でRFの回り込み対策を行なっている。 

 キャリヤ・バランスは可変抵抗器:VR2とトリマ・コンデンサ:C24を交互に調整して漏れが最少になるように追い込む。 VR2は単独のVRでは調整がクリチカルなので、100ΩのVRを使い両端に470Ωを入れると言った回路形式にした方が良いようだ。 部品に問題がなくレイアウトが悪くなければ、VRのほぼ中央で奇麗にバランスが取れる。

 【7.8MHzトランスの巻き方
 このSSBジェネレータでは7.8MHzのトランスを2つ使っている。 FCZコイル:10S9(9MHz用)などを使っても良いのだが、Qの高いコイルが作れるのと、2次側リンクコイルの巻き数を自在にできることからトロイダルコアに巻いている。安価に高性能で最適なコイルが得られる。

 写真はキャリヤ発振回路の出力部分にあるT1の製作例である。 最初に15回+15回の同調側(1次側)を巻く。 写真ように15回巻きの部分から中点タップを引き出しておく。 2次側はT1の製作例では4回巻きである。 ポストアンプの入力部にあるT3も1次側は同じように15+15回巻くが、2次側は8回巻きにする。 トロイダルコア:T-25は外径6.35mmの小さなサイズなので最初は巻きにくいかもしれないがちょっと慣れれば簡単だ。 巻き線は余り太いと巻きにくいのでφ0.2mm程度(AWG32相当)が適当だ。作業性を考えてポリウレタン電線(記号:UEW)を使うのは常識だろう。 外付けのコンデンサ:68pFとmax50pFのトリマコンデンサで7.8MHzに同調させる。 だいたい7.5〜10MHzあたりまで可変できる。参考リンク→トロイダルコアでFCZコイルを代替

 【ブレッドボード対応
 ブレッドボードで試作するために小さな基板に載せておく。 写真の4×4=16穴の小基板は秋月電子通商で売っているものを使った。 細ピン・ピンヘッダをカットしたものを足ピンにしている。

 トロイダル・コアに巻いたコイルは磁束漏れが少ないので隣接したコイルと結合しにくいためシールドケースは不要である。 コイル同士を密着でもさせない限りまず問題にはならない。

 ブレッドボードでの製作ではFCZコイルのような10Kボビンは扱いにくい。この例のように小基板に実装しておけばトロイダル・コアに巻いたコイルも便利だ。 大きなコアに巻くと巨大化するので、小さなT-25くらいのサイズが良いと思う。 送信機のようなパワーを取り出すアンプ回路を除けばこのような小型コアで十分である。

 【バラモジの出力波形
 2kHzのシングルトーンで変調している。 2kHz変調波はバラモジの手前、RFチョーク:L2の部分で470mVppである。 写真のバラモジ出力はDSB信号であり、4kHz離れた2トーン信号の状態である。 このようなエンベロープが2kHzの正弦波と相似の波形が観測される。

 バラモジ入口部分のインピーダンスは約400Ωでありかなり低めである。(測定は置換法による) VR2(1kΩ)の値やキャリヤ信号の注入レベルによって変化するが、数100Ωと言った低めのインピーダンスであることに注意を要する。 出力インピーダンスの高いマイク・アンプ回路では歪みなくドライブできていない場合がある。 ここではOPアンプの負荷ドライブ能力の関係から直列抵抗:R7(1kΩ)を入れて対処している。 以前の実験でバラモジを強力にドライブできるようLM386で作ったマイクアンプを使ってみたことがあった。 モトが悪かったのか交換によって延びのある変調が掛かるようになった覚えがある。  この回路例のような方法でも特に支障はない。オーディオ帯全般で概ねフラットなインピーダンス特性だからだ。

 非同調なトランスを使った形式なので、バラモジの出力にはスイッチングによって発生する高調波等が見られる。写真のような波形として観測された。 高調波など不要波はポストアンプのLC同調回路:T3であらかた除去されるほか、クリスタル・フィルタで濾波されるので外には出てこない。 もちろん、リニヤリティの良くない増幅回路に多信号を加えたら旨くないので,ポストアンプはできるだけリニアな動作範囲で使うことが肝心だ。

シングルトーン
 上記のDSBをポスト・アンプで増幅し、クリスタル・フィルタを通ったあとの信号である。 反対側のサイドバンド・・・この例ではLSB側が除去されたシングルトーンとして観測される。

 ここでキャリヤ漏れや逆サイドの漏れが大きいと、このような奇麗な帯状の波形として観測されない。 帯の幅が凸凹した波形になるのでバラモジ〜フィルタまでの善し悪しはオシロで見ただけでも良くわかる。 マイク端子に加えている低周波発振器の周波数を変えても、写真のように奇麗な帯状の波形が観測されれば良好なSSB波が得られている。

スペクトラム観測
 上記のシングルトーンをスペクトラム分析してみた。 低周波信号:2kHzの高調波が見られるが、キャリヤ漏れや逆サイドの漏れはたいへん小さい。

 キャリヤ・サプレッションは68dBなので、そのまま送信機にしても十分な数字である。 ブレッドボードの試作ではあっても、振幅と位相を入念に調整してバランスできたため、良い値が得られている。 実際に基板等に製作してもこの程度は容易に得られる。 逆サイドの漏れ(=-71dB)は主にフィルタの帯域外減衰特性によるものである。 フィルタ単体で測定した値がそのまま現れている。

 この程度の漏れであれば、ハイパワー局のスーパーローカルでもなければ、まずわからない。 -70dBと言う数字は、極端かもしれないが、もしも10kWでオンエアしたとして逆サイドのパワーはたったの1mWである。 同様にキャリヤの漏れの-68dBの方も1.6mWに過ぎないので少し離れた局なら何も感じられないであろう。 流石にフィルタ・タイプのSSBジェネレータである。安直に作ってもなかなか良い性能が得られる。

 そうなると、スペクトラムに見える2kHzの2次高調波(=4kHz)が気になって仕方が無いかもしれない。 これも歪み率で言えばわずかに0.22%である。 ダイオード・バラモジと言う非線形なスイッチング回路でSSB(DSB)を得ている関係で高調波の発生はある程度やむを得ない。 IC-DBMでも大同小異だから気にするまでもあるまい。 マイクアンプが悪くてもっと高調波が出ているRigもあるくらいだ。自局の帯域内に落ちる信号であって、IMDによるスプラッタではないから程々に拘れば十分だろう。 実際に受信機を通して耳で聞いた感じも良く澄んだ奇麗なトーンだった。

                  ☆

 オーソドックスな回路は面白くないかもしれない。 しかし、オーソドックスと呼ばれるだけの理由がある。作り易くて良い性能が得られるからこそ「定番」の地位にあるのだ。 ダイオードを使ったリング変調器はSSBの黎明期からあった。それ以来様々な機器に使われて来ただけの訳がある。

 ICを使ったDBMの方がモダンで良さそうに感じるかもしれないが、ギルバートセル型DBMは電源電圧を上下の差動回路で分け合う構造から、ダイナミックレンジの点では不利である。 少しでも過大な入力を加えると酷い歪みを見ることになる。 ダイオード・バラモジも過大入力で飽和することに違いはないが、IC-DBMのように電源電圧で制限される訳ではないから歪み方はずっと緩やかである。 そのような利点があるので今でも使われているのであろう。

 この回路例に見るように各入出力ポートを明確に終端しなくても大丈夫である。50Ωと言ったインピーダンスに固定化されている訳ではない。思ったよりも使い易い回路だ。 バラモジ回路そのものはかなり前に実験済みだったが、改めて製作して確実性の高さを再確認している。 回路の見直しで重要なポイントの存在もわかって意義深かった。 珍しいだけの妙な回路を試す以前に「スタンダード」から始めてみたらどうだろうか。きっと良い結果が得られる。

 バイポーラ・トランジスタ(BJT)、FET、そしてダイオードを使ったバラモジと続けて3種類を扱った。 では、どれが一番のお奨めなのかと問われれば、総合的に見てダイオード・バラモジが良いのではないだろうか。 それではつまらないお方はBJTなりFETなりで試されたら良かろう。 いずれにしてもIC-DBMに劣るものではない。 要するに品薄のIC-DBMを頼ることなく十分な性能を持ったSSB送信機は作れるのだ。 de JA9TTT/1

注意:同じように作ってみたが、「旨く動かない」等のご相談には対応できないのでそのおつもりで。 同じように作ったと言いつつ、ご自身の判断で色々代替し、その挙げ句ぜんぜん同じじゃない・・・など、良くあって凡人の私ではとても面倒を見切れない。 ましてメールでの対応は困難だ。 もしご近所なら拝見させて頂いてご一緒に悩みたいと思う。お気軽にご持参を。

(おわり)

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

Di-DBMは少し高めの局発レベルが必要ですがあまり変な動作しないので使いやすいです。
さらに手抜きでTDKなどのDBMを使ってます。Hi

しかしBBで作ってもこれだけの性能がでるんですね。

>RF用パーツが乏しくなってきた現状はそれと似た状況になって来た。
ネット通販があるのでかなり助かってますが、ネットがなければ昔よりパーツ入手困難な時代かもしれませんね^^;

>もしご近所なら拝見させて
ご近所に引っ越したいです(爆)

JK1LSE/本田 さんのコメント...

こんにちは。
昨晩はすごい土砂降りの雨でした。同じ時間、埼スタは全然降ってなかったようで、同じ埼玉でも違いますね。

ダイオードのリング変調器はシンプルでいいですね。
大昔にMC1496のSSBジェネレータを作ったことがありますが、当時は測定器も持っていなかったので、音が聞こえたことを確認したところで終わってしまいました。(まだジャンク箱の片隅にあったはずですが)
確かその時のマイクアンプも741だった様な気がします。このMC1496は周辺部品が多かったのプリント基板を起こしましたが、結構ゴチャゴチャでした。

真空管とダイオードリング変調器の組み合わせは、ダイオード側のインピーダンスが低いの難しいですよね。その点、半導体との相性は良さそうですね。私もこの記事を参考にして作ってみたくなりました。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、こんばんは。 梅雨らしいお天気になってきましたね。

早速のコメント有り難うございます。
> あまり変な動作しないので使いやすいです。
まずまず無難に動作してくれるので安心感がありますね。

> 手抜きでTDKなどのDBMを使ってます。Hi
ミキサーなどの用途では既存のDBMの使用はFBだと思います。 外付け足してバラモジにも良いですね。

> しかしBBで作ってもこれだけの性能がでるんですね。
455kHzなら楽勝ですけど、7.8MHzなのでちょっと心配でした。案外マトモな性能がでましたね。hi

> ネットがなければ昔よりパーツ入手困難な時代・・・
家電品の製造工場が海外に行ってしまったのでジャンクも出なくなってしまいました。 当然余剰部品も発生しないので秋葉原にも出で来なくなりましたね。廃棄物処理法の影響もあるでしょう。 いまは自作にも工夫が必要な時代ですね。

> ご近所に引っ越したいです(爆)
海外から来るお客サンもあるくらいなので、大阪ならご近所ですよ。(笑)いつでもお出掛け下さい。

JH8SST/7 さんのコメント...

JA9TTT 加藤OM,
いつも勉強させていただいております。30年以上前に発表された熊本シティースタンダードの送信回路を彷彿とする回路図には、「定番」という言葉がまさにピッタリと思いました。

1N60×4のリングバラモジにμA741マイクアンプの組み合わせは自分のSSB送信機に多用しています。再現性も良く、安心して使えるSSB発生回路と思います。

TTT/hiro さんのコメント...

JK1LSE 本田さん、こんばんは。 このところ続けての雷雨なので避雷対策で頭が痛いです。(汗)

コメント有り難うございます。
> ダイオードのリング変調器はシンプルでいい・・・
シンプルですが性能も良いので廃れないのでしょうね。 自作にご活用ください。

> MC1496は周辺部品が多かった・・・
IC-DBMの良さもわかるんですが、MC1496では部品が多くなってしまうのが欠点ですね。

> 真空管とダイオードリング変調器の組み合わせ・・・
意外に使われています。 コリンズのSラインはもちろんですが、八重洲の100Bライン、400ラインなどダイオードを使ったバラモジが活躍していました。 温度が上昇するので半導体は不利なのですが十分な性能が得られていたと思います。
球のマイクアンプはカソードフォロワ出力になっていましたが、負荷が重いので苦しかったように思います。

> 参考にして作ってみたくなりました。
機会があればぜひお試しください。 うまく行くと思いますよ。

TTT/hiro さんのコメント...

JH8SST/7 八柳さん、こんばんは。

コメント有り難うございます。
> 「定番」という言葉がまさにピッタリと思いました。
あのSSBジェネレータはJA6BI田縁OMほか、熊本工作研究会の皆さんが色々試作された集大成だったのでしょうね。

> μA741マイクアンプの組み合わせは自分のSSB送信機に・・・
741の低周波アンプはオーディオには不十分な性能ですが、HAM用でしたら3kHz少々までしか扱わないので問題ない性能です。 出力の小さなマイクではS/Nが少し気になりますが、マイクトランスで昇圧してやれば大丈夫です。 古くさいICですが、まだまだ十分現役ですね。hi hi

> 安心して使えるSSB発生回路と思います。
ありふれた回路なので目新しさはありませんが、作って間違いない回路だと思います。安心して使えますね。

JH8SST/7 さんのコメント...

加藤OM
μA741はあまりにも古典過ぎて、SSBジェネレーターのAFアンプとしても選択すべき理由は確かにありませんね。私はJA6BI OMを偲んで使っておりますが。

現在であればJRCの4558、2114などFBなオペアンプを起用するとFBでしょうね。

TTT/hiro さんのコメント...

JH8SST/7 八柳さん、こんにちは。  自作を楽しんでおられるようでVY-FBです。

コメント有り難うございます。
> μA741はあまりにも古典過ぎて・・・
1968年に開発されたそうですから、47年も前の設計ですからね。(笑)
性能はHAMの無線機に使うのでしたら特に問題にはならないのですが・・・。 私もJA6BI田縁さんを偲んでまだ使いますよ。(在庫の消化です・笑)

> 4558、2114などFBなオペアンプを・・・
それが宜しいと思います。もっとも、それらも結構年数のたった製品ですね。アナログのICには長寿なものが多いです。なるべく定番のICを使って自作を楽しみたいと思っています。

JH8SST/7 さんのコメント...

加藤OM,

1968年ですか。オペアンプの「ナス管」版というべき古典デバイスですね~。私が敢えてμA741を起用するのは、JA6BI 田縁OMへのレクイエムですね・・・

4558はJA2KAI OMがHJに「メリゴ」方式PSN SSBジェネレーターを発表された際に起用されていましたから、既に十分古いですね。マイクアンプに使うには古くても十分な性能と思いますが。

当方、「手ぶら」に近い状態で、実にいいかげんな送信機を組み立てては交信して遊んでいます(笑)が、やはり王道はスペアナを駆使して製作物を正しく評価しながら自作をすると、もっと面白いだろうと思いつつ、スペアナは未だに高嶺の花です(泣)

TTT/hiro さんのコメント...

JH7SST/7 八柳さん、こんばんは。

コメント有り難うございます。
> オペアンプの「ナス管」版と・・・
モノリシック型のOP-Ampでは709と並ぶ古典的なデバイスになってしまいましたね。部品箱には301Aなどもあるので消費に努めないと・・。ww

4558だって数年違いですから十分古くなってしまいました。 私が愛用するTL-0XXシリーズのFET-OP-Ampだって30年モノですから。(笑)

> スペアナは未だに高嶺の花です(泣)
だいぶお手軽になってきましたが、導入される際はご自身のニーズに合ったものを見つけられて下さい。広帯域なものが必ずしも良い訳ではないと思います。 面白いと言うより、奥深い世界が覗けるようになると言う感じでしょうか。hi hi