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2016年5月7日土曜日

【回路】Review on Radio chip TCA440

【回路:ラジオ用IC TCA440のレビューと活用】
TCA440とは
 TCA440はAMラジオ用のICです。 もうずいぶん前になりましたがWebサイトで扱ったことがありました。 基本的な動作を確認しHAM用の通信機への応用について検討すると言う話しでした。 再び扱うことにしたのは、CW受信機への活用を探るためです。 少し前に過渡応答性の優れた「良い音のCWフィルタ」が作れたので、実際に受信機に使ってその性能を検証すことが目的です。

 TCA440は欧州系のICです。 カーラジオなどを目的に開発されたようです。 オリジナルはSiemens社(独)の開発でしょう。 開発当時ラジオ用のICは日系半導体メーカーの独壇場だったようで欧州製はあまりポピュラーにはならなかったようです。 そのため自社での生産は早々に諦めてしまい製造権を東欧の半導体メーカーに譲渡したようでした。 いまでも東欧諸国あるいは旧ソ連製らしいセカンドソースが入手できます。 しかし東欧でも既に生産は継続していない筈です。手に入るのは市場在庫品のみかも知れません。勿論それでラジオ作りに困ることもないのです。

参考:写真の下側のTCA440は東ドイツ時代のものです。 VBE RFT・・・Volkseigener  Betrieb Rundfunk-und Fernmelde-Technik:放送と通信の技術人民公社・・・で製造されました。左下の丸いロゴはRFTのものです。半導体コンビナートは旧東独のフランクフルト(オーデル)に存在したようです。 なお上のTESLA社は旧チェコ・スロバキアのメーカーでした。どちらも東欧製と言うことになります。 製造時期は良くわかりませんが、冷戦終結後も暫くは共産主義時代のまま生産継続されたようです。TESLAのものは1990年製かも知れません。

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 TCA440は基本的にAMラジオ専用のICです。 AMとは言っても中波AMラジオ放送専用と言う意味ではなく、長波帯から30MHzあたりまでの短波帯をカバーするAMラジオが作れます。 似たような機能のICは日本メーカーにもたくさん存在するので目新しくもないのですが、実は大きな特徴があるため注目しました。 これについてはあとで説明します。 TCA440の仕様や回路構成を見るとラジオ用ICとしては高性能な設計になっているのもFBです。

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 以下は活用に当たって検討を進めるための自家用資料です。製作対象はHAMバンド専用のCW(無線電信)用に特化した受信機です。 普通のラジオを作るのでしたらTCA440ではなく他のIC・・・例えばLA1600TA2003PあるいはTA7613APなどを使う方が断然有利でしょう。TCA440は入手性が良くないのも欠点です。特にお奨めするようなICではありません。 せっかく読み進んでいただき恐縮ですが、この先は「普通のラジオ」作りには役立ちませんからここでお帰りをお奨めします。あるいは「短波ラジオ」の製作がご希望なのでしたらこちら(←リンク)などいかがでしょう?


TCA440・内部ブロックと標準回路・1
  日系AMラジオ用ICの多くは復調感度の向上と歪特性を改善するためにアクティブ検波回路を内蔵しています。 そのためAMラジオを作るには最適ですが、HAMが必要とするSSBやCWの復調には向いていないのです。 しかも多くの場合AGC回路もIC内部で直結されているためSSBやCWに適 した特性のAGC(自動利得調整)も実現困難です。 とりわけ検波回路直前のIF出力が取出せないのは最大の欠点です。外付けのSSB/CWの検波回路が旨く付けられませんでした。

 その結果SSB/CW復調のためにIFアンプの頭の部分からBFOを注入する方法にならざるを得ません。 その方法も弱めのBFO注入で済むCWならまあまあなのですが、SSBの復調に向くようにBFOを強く注入すれば問題が起こります。BFOによってAGCが深く掛かって感度が抑圧されてしまい、これは致命的な欠点だったのです。 まあ、最初からSSB/CWは考慮されていないのですから仕方ありませんが。

  図の様にTCA440はIF出力が引き出されており、ダイオード検波回路が外付けになっています。AGC回路の入り口も外に引き出されているのが特徴です。 そのためSSBやCW用受信機への活用に向いているのでした。 SSB/CW用の復調回路が簡単に付けられます。 またAGCも検波回路系とは独立に設計できるため通信機向きのAGC構成が容易です。 このような特徴を持ったAM系のラジオ用ICは殆ど見掛けないのです。TCA440はHAM用受信機の製作には好都合なのでした。

 この回路例はRF部に独立したAGCを掛ける方式になっています。 AMラジオ放送は非常に強力なため放送局近傍ではミキサーの飽和を避ける意味からRF-AGCが効果的です。しかしHAM用受信機には必ずしも適当ではありません。 中波のカーラジオ向きの回路でしょう。

TCA440・標準回路・2
 上記の回路と基本的には同じですが、RFアンプのAGCもIFアンプの系統から掛ける設計になっています。 HAM用の短波受信機ではこのような構成の方が向いているように思います。 もちろんフィルタでの信号遅延の問題はあるのですが・・・。

 この回路のAGC特性は非常に優れており以前の実測評価によれば、入力信号が100dB(10万倍)変化しても、IFアンプ出力の変化は僅か7.6dB(2.4倍)に過ぎません。  これは素晴らしいAGC特性と言えるでしょう。 AGC電圧の配分など上手に設計し時定数の設定を適切に行なえば非常に快適なSSB/CW受信機になります。 SSB/CWの受信を主に考えていますから、こちらの回路構成を基本に設計を進めたいと思います。
 
 【TCA440・等価回路
 内部等価回路を示します。 内部は差動増幅器を基本とした回路構成になっています。 バイアス回路ほかIFアンプなど主要部分の電源電圧は内蔵の3.5V電源で安定化されています。

 IFアンプは差動4段構成になっています。 段数が多いのはゲインを稼ぐのが目的と言うよりもAGCの効きを良くするためでしょう。 しかし一般のAMラジオ用のICよりもゲインは高目なので後続回路のゲインを加減しないとノイジーな受信機になってしまう恐れがあります。 特に、SSB/CW検波にゲインがあるものを使う時はIFアンプの出力をかなり絞るなどの対策が欠かせません。むしろ復調ゲインのないリング検波が適当かもしれません。

 IFアンプの周波数特性はあまり良くないようです。 普通は455kHzで使うので問題にはなりませんが規格では上限2MHzとなっています。  これから製作する例では、3.58MHzを考えているので多少心配があります。 但し2MHzを過ぎたら一気にゲインが低下するLPFのような周波数特性とも思えませんので十分期待できると思っています。等価回路を見ても意図的に周波数特性を落としている様子はありません。 但しIFアンプ最終段の差動増幅器がfTの低いラテラルPNPトランジスタによる構成なのでその周波数特性が現れそうです。 少々ゲインが低下する可能性はありますが、もし不足しても補うのは容易です。

追記:IFアンプの周波数特性は考えているだけではわからないので応急にテスト回路を作ってみました。その結果、簡易な測定ですが2MHzあたりから徐々にゲイン低下し、3.58MHzでは-6dBくらいになりました。さらに6MHzでは-10dBくらいになりました。概ね予想通りの結果ですが、-6dBなら補助のIFアンプは必要ないでしょう。

 TCA440の内蔵局発回路はコレクタ同調形式のベース帰還型自励発振器です。 HAM用の短波受信機としては周波数安定度の不足が予想されるため局発は外部から与える方がより良いでしょう。 水晶発振も可能な回路ですから第2局発固定型のダブルスーパにも向いています。

 【TCA440・RF部の解析
 RFアンプのAGC回路は面白い構成になっていたので詳しく検討してみました。 ミキサー回路はMC1496Pと同じようなギルバートセル型DBMになっています。 また、局発信号を平衡型で加えているなどあまり見ない回路形式なので興味を引かれました。

 いちばんの検討目的はミキサー出力に設けるIFTの設計にあります。 使用する予定のCWフィルタは入出力インピーダンスがかなり低いため、旨くマッチングトランスを製作しないと信号ロスがたいへん大きくなってしまいます。

 コイルの設計ではそのあたりの検討を十分行なったつもりです。 資料によればミキサーの負荷インピーダンスは7kΩあたりを想定しているようです。 同調回路からタップを引き出すとかフィルタ側のインピーダンスと旨くマッチングする巻き数比を検討しました。

CWフィルタとマッチングコイル
 このところBlogでは10Kボビンにコイル巻きばかりしている印象があります。(笑)  写真は3.58MHzのCWフィルタとそのマッチング用IFTです。 フィルタのマッチング用のほかIFアンプの出力部に使うIFTも一緒に巻きました。 下に敷いてある455kHzの回路例のように既存のコイルが使えるとTCA440の活用も簡便なのですが、そんな都合の良いコイルはありません。

 RF回路にコイルは付き物ですからやむを得ないのですが、やはりコイルの製作は厄介です。 特に十分な評価手段がない状態で自作するのでは不安も多いでしょう。 「近ごろのHAMはコイルの一つも巻けないで云々」と言われますが、既製品のコイルが重宝されるのはやむを得ないことです。 この先の製作でも既成のコイルが旨く使えるなら良いのですがそうそう都合よくは行かないようでした。

 結局、必要なインピーダンス・マッチングができロスも少なくなるようなIFTを作る必要に迫られ自ら巻くことになってしまいました。 使うのは少し先になりますが旨く使えれば良いのだが・・・と案じているところです。 10Kコイルは3.58MHzあたりで使うと性能が悪いのもちょっと気になりました。 まあ何とかなる範囲でしょう。

                   ☆ ☆ ☆

 年月が過ぎ去るのは早いものです。 振り返って見たらTCA440を入手したのは2004年でした。さっそく使い方を検討したのもその頃でした。あれから10年以上も過ぎ去ってしまったのですね。 いろいろ構想もあって様々に寄り道を重ねるうちのあっという間の12年でした。(まったく笑えない)

 この12年間の変化と言えばDSPラジオの台頭があげられるでしょう。 お陰で家庭用ラジオの製作はかなり容易になりました。しかしHAM用受信機に活用できないのでは興味の対象にはなりません。 その一方で従来型のアナログなラジオICは品種の淘汰が一段と進んだようです。 ただし海外通販の発達や中華系ショップの登場でセカンドソースの入手性が向上したのは幸いでした。

 結局のところラジオ用ICを活用してHAM用受信機を作るための部品環境に大きな変化はなかったように思います。 TCA440の陳腐化は幾らか進んだかもしれませんが、12年前の状況と大きな違いはないのです。

 ラジオ用ICではありませんが安価なDDSモジュールの登場は特筆すべきでしょう。この先の受信機製作でもVFO部はDDSの採用が前提です。 もうLC発振器やVXO回路で受信機の局発を作る時代ではないのです。それらの手段では周波数安定度も読み取り精度も近代的な要求を満たすのは容易でありません。 AC電源で使うのが前提なら消費電流が多いDDSの採用もあまり問題ではありませんから。

 TCA440を活用する機会に恵まれなかったのは様々に検討を行なうと結局ワンチップICで可能なことには限界があると感じるからでした。 集積度の高い専用ICには自由度がないのです。 ただ、それは多分に性能の高望みであって上手にICを料理すれば最高級とまでは言えないまでも、十分美味しいモノが作れるはずです。 コンパクトで流石にICを使った製作だと感じられるでしょう。 CWフィルタの評価を第1目的と考え、それなりの受信機が可能ならTCA440は適材適所ではないだろうか? そう思いつつコイル巻きをしていたのでした。 またまた予告編のようになってしまいましたが、次回は幾らか進捗するでしょう。ではまた。 de JA9TTT/1

つづく)←受信機の試作編にリンクします。nm 

12 件のコメント:

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、こんばんは
GWも明日で終わりですね。

TCA440ですか、昔のBlogを思いしますね、Hi

メールを見てみますと僕がTCA440を入手したのは2008年でした。
当時から受信機に向いているという話だったのですが、ちょっとした受信機には
LA1600などの方が簡単だったので結局そのままパーツボックスに眠ってます^^;

受信機の試作篇楽しみに待っております^^

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE / JP3AEL 高橋さん、こんばんは。 先ほど都内から帰宅したところです。w

さっそくのコメント有り難うございます。
> 僕がTCA440を入手したのは2008年でした。
同じ頃に入手されたのかと思っていたのですが少し後だったのですね。 私が入手した時は希望者を募って纏めてオランダの業者から購入しました。 数個ずつ皆さんで山分けしました。 実際に使った人はごく少数でしたね。(ちょっと残念)

> LA1600などの方が簡単だったので・・・
TCA440でも普通にAMラジオを作るのでしたら割合簡単だと思います。 SSBとか CWを快適に受信しようとするとそれなりの外付けが必要になって必然的に複雑化しますね。hi hi

> パーツボックスに眠ってます^^;
眠らせるのでしたら足が錆びないようにアルミフォイルに包み、ビニル袋に密閉して保管されて下さい。10年くらいは大丈夫でしょう。でもお宝部品に変身する可能性はないと思いますよ。(笑)

> 試作篇楽しみに待っております^^
そう言って頂けると嬉しいんですが、アクセスの割にコメントが無いのは興味がないのかなあ?・・・と思うので、続きはごく簡単に済ませてオシマイにしそうです。(爆)

jn3xby@岩永 さんのコメント...

TTT/加藤さん、おはようございます。
昨日はありがとうございました。
稀に見る(というか、当局参加始めて以来の大盛況)人数でしたね!

昨日、秋葉原に行く電車の中でBLOGの更新に気づきました。
今回は、TCA440ということで、しかも先日製作された音の良い設計をされたXTALフィルターも兼ねた試作のようで、完成が楽しみです。
当局もこのICを使っTRXを作っていたのがいつだったか確認したところ2005年でした。

http://blog.toshnet.com/article/122144.html

加藤さんに色々ご指導いただきながら作った記憶があります。
IF段の周波数特性はあまり気にせず作ったのですが(実用上問題は無かった)、今回測定ただいたことで、大体様子がわかりました。
当局は4.43MH(PALのサブキャリア?)のXTALを使ったIFですが、測定結果からすると、IF段での減衰は8dB程度と言ったところでしょうか?! 全体のゲインからすると影響は殆ど無かったと言う結果で安心しました。
むしろ、第二MIXにNE602を使用していますのでここのゲインがあり過ぎかもしれません。
AGCの動作範囲が広いICでSメーターをつけると非常に小気味よい振れ方をしていて、気に入ったRX用ICの一つです。
もう一回作ってみたいな!と思っているICの一つでもあります。

と言うことで、また参考にさせていただきたいので是非完成版を発表いただきたいと思っています。
宜しくお願いいたします。

TTT/hiro さんのコメント...

JN3XBY/1 岩永さん、こんにちは。 昨日はFBなアイボール有り難うございました。 PIXIE-2での超近距離QSOができましたね。hi

コメントどうも有り難うございます。
> 稀に見る人数でしたね!
私も初めての経験でした。 参加者は多いだろうと想像はしていたのですがそれ以上でした。hi hi

> 確認したところ2005年でした。
さっそくご活用されたのでしたね。 なかなかFBなトランシーバになったと言うご感想だったと思います。

> 大体様子がわかりました。
仕様書では上限が2MHzとなっており、気になったので調べて見たのです。 IFゲインは2MHzの前くらいからだらだら下がって行きますが5〜6MHzあたりまでなら十分使えそうだと思いました。 軽くアンプで補えばもう少し上も大丈夫でしょう。 岩永さんのRigが4.43MHzで大丈夫だったのが確認できました。 様子がわかって活用の範囲が広がったと思っています。

> ここのゲインがあり過ぎかもしれません。
AGCの掛け方と、IF出力の取出し方で変わりますが、NE602はゲインが高いので少し絞り気味の方がS/Nが良くなりそうですね。こちらTA7310Pでテスト中ですが、現状では少々絞り過ぎなので対策予定です。 消費電流が大きいのが欠点ですがNE602同様キャリヤ発振回路が内蔵されているのでCW復調には手軽でFBです。hi

> Sメーターをつけると非常に小気味よい振れ方・・・
振れの中心あたりでは入力のLogに対して比例して振れる特性ですので聞いた感じと良く合うSメータだと思います。

> 是非完成版を発表いただきたいと・・・
フィルタの評価がメインになってしまったので、AGCはあまり工夫もナシで試作しています。 取りあえず結果が出て来たら少しずつ完成度を上げて行きたいと思っています。 完成版(?)までには時間が掛かりそうですが宜しくお願いします。hi

JR1QJO/矢部 さんのコメント...

加藤さん、昨日の懇親会ありがとうございました。

私はTCA440は保有していませんが、似たようなラジオICのLA1135で実験をしています。短波ラジオ用なので30MHzまでカバーしますがIFが455KHzを前提としているのでゲイン低下を恐れてX-TALフィルターを使っていません。IFゲインの低下がそれほどでないとのレポートに勇気づけられてハイフレフィルターにチャレンジしようと思います。RF AGCやSメータ機能があり、IF段の出力があるのでTCA440同様SSB/CWに使えると踏んでいます。続編を楽しみにしています。

TTT/hiro さんのコメント...

JR1QJO 矢部さん、こんにちは。 いつも懇親会ではお世話になっております。 昨日も有り難うございました。 大盛況でしたね。(笑)

コメント有り難うございます。
> 似たようなラジオICのLA1135で実験をしています。
このICは私も持っていますよ。 高性能なAM/SWラジオが作れるFBなICですね。

> IFが455KHzを前提としているので・・・
そうなんですよ。 このICの場合は素直に455kHz付近で使うのが良いと思っています。 TCA440と似たICですが、高いIF周波数で使うのでしたら、IFアンプの周波数特性を調べてからの方が安心でしょう。

> IF段の出力があるのでTCA440同様SSB/CWに使えると・・・
外付け可能だと思います。 ただしLA1135のAM検波回路はアクティブ型なのでIFアンプの出力レベルが低いですからSSB/CW用の復調器を外付けするのでしたら補助アンプが必要そうですね。 このあたりが国産のAMラジオ用ICで残念なところなんです。ww

おなじ三洋のAMラジオ用ICでしたらLA1137が良さそうなのですが未だ試しておりません。どうもTCA440の方が使い易そうなんで。(笑)

JK1LSE/本田 さんのコメント...

昨日はどうもお疲れ様でした。久しぶりにお会いでき、また楽しいお話をありがとうございました。

TCA440は持っていないのですが、先日某所で短波ラジを聴いたこともあり、昔9R59Dで聴いたAM放送局の音を懐かしく思っています。(真空管は好きですが、真空管マニアではありません)
きっと今作れば、昔よりは少しはマシに作れるのではないかと思っています。
短波ラジオに広めのフィルターでいい音でラジオを聴いてみたいですね。

この記事の石だとプロダクト検波もうまくいきそうですね。是非、後編を期待しています。私もこのネタはいずれはチャレンジしてみたいと思ってます。結構温め過ぎですが・・・・

TTT/hiro さんのコメント...

JK1LSE 本田さん、こんにちは。 こちらこそ楽しいお話を有り難うございました。 薄型に製作されたトランシーバが凄いですね。

コメント有り難うございます。
> 昔9R59Dで聴いたAM放送局の音を懐かしく・・・
短波放送が聞こえる9R59Dのような短波ラジオには思い出がありますね。 子供の頃、いつかは良く聞こえる短波ラジオを手に入れたいと思ったものでした。それは実現できたのですが感動も薄れてしまいました。歳のせいでしょうね。でも自分で作ったラジオで聞こえれば今でも楽しいものです。(笑)

> (真空管は好きですが、真空管マニアではありません)
真空管機器の製作も楽しいのですが、通信機用の部品は入手難ですから新しく作るのは難しいです。だんだん古いリグの修理くらいしか楽しむ方法が無くなってきました。

> いい音でラジオを聴いてみたいですね。
短波放送は選択性フェーディングがあるので中波ラジオよりも歪みますが、それが何とも短波らしくて楽しいです。 ラジオ日経第2プロ(RN2)など音楽主体でBGMにもFBですが、同じプログラムをネットラジオで聞いてもあまり面白くありません。(笑)

> 私もこのネタはいずれはチャレンジしてみたいと思ってます。
上手に使うとコンパクトで高性能な受信部が作れると思います。本田さんお得意のコンパクトRigには最適かもしれませんね。 ぜひチャレンジされて下さい。

JA5NAF/北川謙二 さんのコメント...

加藤さん、こんばんは。
JA5NAF北川です。

以前に、JA9TTT's Radio Experimenter's siteでTCA440をご紹介いただき、私も海外から個人的に購入しました。
何台か受信機を作りましたが、IF増幅、AGC、Sメーターの機能だけを使ったものを↓にアップしていますので、ご覧ください。
AGCがよくかかるのと、Sメーターが素直に動くのが気に入っていました。

http://iyo.ojaru.jp/kem-cw-trx.html

再びTCA440を使って、受信機を製作されるとのことで楽しみにしています。
手持ちを確認したら9個残っていました。
足は錆びていないので、たぶん使えると思います。
日の目を見せてやりたいです。

TTT/hiro さんのコメント...

JA5NAF 北川さん、こんばんは。 ご無沙汰しておりました。

コメント有り難うございます。
> 私も海外から個人的に購入しました。
そう言えば、共同購入のほかに個別に入手されたお方もありましたね。

> 何台か受信機を作りました・・・
FBにご活用されたようで、何よりでした。 自作CWトランシーバにも旨く活用されていますね!

> AGCがよくかかるのと、Sメーターが素直に動く・・・
そのあたりも、HAM用RXに好都合なように思います。

> 日の目を見せてやりたいです。
北川さんのご活用方法でバッチリだと思いますので、また何か面白い製作を企画されて下さい。

今回はフィルタの評価が目的なのでTCA440は特に目新しい使い方はしていません。ww

ご参考:コメントの中にURLをお書きになるとBloggerはSPAM書き込みと判断する仕様のようです。 頂いたコメントがすぐに公開されなかったのはそのためです。 例えば先頭をttp:にするとか、一部文字を削るなど工夫して頂くと良いでしょう。 頂いたコメントがスパム扱いのフォルダに入っていたので探して救出いたしました。(笑)

JG6DFK さんのコメント...

おはようございます。この時期にこんな気温だと、この先どうなるのかと心配になってきます。

亀レスですが、頒布を受けておきながら死蔵している者の一人です。SRI. m(--;)m

その後、受信機自体は石/球のディスクリート、ダイレクトコンバージョン、アップコンバージョンのゼネカバと、いろいろ手は出してきているのですが、あまり一般的でなくなってしまったTCA440はついつい後回しになってしまいます。

直近はオーディオ関係に注力しており、RFはご無沙汰です。TCA440を棺桶に持ち込まないよう努力はしたいと思います。Hi.

目下開発継続中とのことで、FBな受信機となりますようにご健闘をお祈りしています。

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、おはようございます。 このところ良いお天気なのはFBですが気温が上がり過ぎますね。 熱中症に気をつけないと・・。

コメント有り難うございます。 2週間過ぎたのでコメントが自動公開されなくなってスミマセンでした。
> 死蔵している者の一人です。SRI. m(--;)m
いえいえ、あのとき試用しただけで具体的な情報を流さなかったのも死蔵を助長したのではないかと・・・反省です。ww

> TCA440はついつい後回しになってしまいます。
手に入るところも限られていますので、使う人は少ないですからね。ヨーロッパと東欧・ロシア以外では使用例はほとんど見ないようです。 後回しもやむを得ないかと・・・。

> TCA440を棺桶に持ち込まないよう・・・
フツーのラジオに使っても高性能だと思いますので、最後はAMラジオの製作にでもお使いください。 なかなか良いラジオが作れると思います。 もっとも、他のICの採用でも同様なものは作れますので特徴の無いものになってしまいますね。(笑)

> FBな受信機となりますように・・・
はい、有り難うございます。 ICだけで構成する受信機として試作中です。 局発などDDS化が前提ですので製作のハードルは高くなっていますが、CW専用機として十分な実用性能が得られそうです。

どの段階で公開するか思案中ですが、箱入り完成状態までには時間が掛かりそうなので途中経過を報告しようと思います。 またコメントでもお願いします。