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2017年12月18日月曜日

【回路】High Level Diode-DBM,Part 1

ハイレベル・ダイオードDBM:第1回
 【Diode DBM
 高性能IFアンプの次はミキサー回路というわけでもないのですが、久しぶりにダイオードDBMがテーマです。 写真はRFトランスを2つ、ダイオードを4本使ったDBMです。

 4ダイオードのDBMなんて、なんの変哲もないように見えるのですが、大きな信号が扱えて、IMD歪みが小さく高IIP3が期待できるそうです。 また、出力側の終端条件が緩いので負荷の自由度が高いともいわれています。 一度は実験してみたいと思っていました。

 ダイオードを使ったDBMといえば市販品も多く、今では定番化しています。 ゲインの無いパッシブな回路なので比較的大きな信号まで歪みなく扱えるのですが、昨今は無線機のミキサー回路といえばFETを使ったスイッチングタイプが全盛になっています。おなじようにパッシブな回路ですがダイオードDBMでは達成できない高IIP3が実現できるからでしょう。 しかし、入力トランスの構造を変えた(工夫した)このDBMは従来型のDiode DBMより高性能だというレポートがあります。 普通の受信機用ミキサならIIP3>20dBmくらいあればまずまず優秀といえますが、実力はどんなものでしょうか。

 どの程度の性能が得られるのか、まずは試作のポイントなどをまとめておきたいと思います。実用例も見ておきましょう。 詳しい評価は年明けに行なうつもりです。 大晦日もせまってきました。 暮れは忘年会を楽しむとか、年賀状書き、大掃除など年越しの行事に励むことにしましょう。(笑)

試作回路
 左図のような試作回路でテストします。 この回路の特徴は信号入力側のトランス(T1)が、ペントファイラ巻きになっていることにあります。 「ペントファイラ」とは5つの巻線が並列に巻かれたことをいいます。

 参照したオリジナルの回路図には明確なことが書かれていないため部品や構造の詳細はわかりません。しかし、平衡度を保つためには各巻線が均一で良くバランスしてコアに巻かれていなくてはなりません。それでペントファイラ巻きにするわけです。 各巻線の結合度を上げるためには透磁率:μの大きなコアを使います。コアの形状もトロイダル型よりもメガネ型がベターです。 試作に使ったコア材についてはのちほど説明があります。

 回路をよく見ると標準的なDiode DBMの入力側トランスの巻線を2つに分けただけともいえます。 従って動作も同じように考えられますから解析は容易です。 そう見ると従来型とさした違いはないのかも知れませんが、まあやってみることにしましょう。 巻線が増えたので、くれぐれもその位相関係を取り違えないようにします。 あたり前ですが接続を間違えたら正常に動作してくれません。

 ダイオードは、逆耐電圧が高いRF用のショットキ・バリヤ・ダイオード(SBD):1SS97(2)を4本使います。このDBMでは大きめの局発を与える可能性があるため逆耐電圧が高いものを選びました。SBDによっては逆耐電圧が数Vしかないものがあります。また、順方向の抵抗値(ON抵抗)が低く逆方向の抵抗値が高いほど良いはずなのでGe-Diは不適当です。 HF帯で使うのなら高速スイッチング用のダイオードでも良くて、必ずしもSBDでなくても良いのかもしれません。このあたりもあとから比較してみましょう。 局発入力端子の抵抗器:R1、R2は180Ωから実験を始めます。

 出力側のトランス(T2)はトリファイラ巻きのトランスです。これはごく一般的な構造なので改めて説明の必要はないでしょう。自作も容易ですが、ここでは手持ちの既製品を使います。

 このDiode DBMは、信号の入力と出力端子は互換性があります。どちら側から信号を加えてもうまく働きます。しかし局発の端子はそれ専用です。 また、局発の端子を決めてしまうと、低周波から入力可能なポートはなくなります。そのため平衡変調器:バランスド・モジュレータ(バラモジ)には適さないことになります。高周波信号のミキサー回路専用になります。

 実際の使用例としては、米軍用の野戦用ポータブル・トランシーバPRC-74Bの送・受信ミキサ回路があります。以下、RT-794 / PRC-74Bについて触れておきます。

 【RT-794/PRC-74Bとは
 2〜17.999MHzをカバーするSSB/CWトランシーバです。 周波数は1kHzステップの水晶式シンセサイザになっていてTCXO内蔵で校正を行なった後の周波数精度は1.5ppm以内(-30℃〜+50℃において)です。

 中間周波(キャリヤ周波数)は1,750kHzでSSBはUSBモードのみです。AF発振器を内蔵しその発振器をキーイングするA2J(J2A)モードでCWの運用も可能ですが、補助的なものかも知れません。 出力は15W(PEP)です。 1960年代なかばの設計らしいのですが、全半導体式でほぼすべての回路がシリコン・トランジスタ化されています。(その当時の日本ではゲルマニウム・トランジスタが全盛期でした) 電源電圧は標準+12Vで、10.5〜17Vが仕様範囲です。 アンテナチューナを内蔵していてホイップアンテナのほか様々なアンテナで運用できます。製造はヒューズ社です。

 おもに野戦用のポータブルなトランシーバーで、写真では底部に乾電池ボックスが装着されています。比較的ハイパワーなので乾電池では寿命が短く「銀電池」を使うのが標準のようです。 スピーカ出力はなくヘッドフォンで受信します。 装備としてマイクと太ももに装着する形式の電鍵が付属します。 以前、このBlogでは非常用のRigとして扱ったことがありました。1993年10月末ころFair Radio Sales Co.より入手したものです。軍用無線機の研究目的には面白いのですが、HAM局のオンエアには使いにくいと思います。


受信部・ブロック図
 PRC-74Bの受信部を見てみましょう。受信部はIF周波数が1750kHzのシングルスーパになっています。

 RFアンプの後の周波数変換はダイオードDBMです。(ここが問題のDBMです) その局発は1kHz、10kHz、100kHz、1MHzステップで発振する水晶発振器の出力をミキシングすることで1kHzおきの周波数を得る水晶発振式の周波数シンセサイザです。たくさんの水晶発振子を使った贅沢な方式です。

 ダイオードDBMにつづき1段のバッファアンプを通ったあと、USB用のクリスタルフィルタに入ります。 IFアンプは2段でRFアンプとともに手動でゲイン調整できるようになっています。 SSB/CW検波回路はトランジスタ1石のプロダクト検波です。 検波後は簡単な低周波アンプになっておりヘッドフォンを鳴らします。

 特徴的なことはAGC回路が無いことです。 その代わりたった一つのツマミで広範囲に渡ってスムースにゲイン調整ができます。 低周波アンプのゲインは固定ですが、RFアンプとIFアンプのゲインを連続的に変えることで適切な受信音量に加減できるようになっています。SSBトランシーバはこのような方法が合理的だという考えなのでしょう。  これは、このトランシーバの使用想定から、電離層反射波を使う遠距離通信はあまり考えておらず、地表波による近距離交信が主だからでしょう。 交信相手との距離とともに信号強度が下がるのをゲイン調整で加減しつつ使うようになっているのでしょう。一対一の交信を想定しているようです。

 ゲイン調整はRFアンプ及びIFアンプの両方にいわゆる「フォワードAGC用トランジスタ」を使って行ないます。2N3339と言うMIL規格のNPNトランジスタです。 フルゲインから最低感度まで、Logリニヤ的にゲイン調整できるため非常にスムースです。
 シャックでの受信テストではAGCがないと不都合があるため低周波駆動式のAGC回路を付加して実験していました。 1kHzステップのチャネル式ですからHAMバンドのワッチには向きませんがDX局もけっこう良く聞こえます。 フォワードAGC特有と言うか・・・なかなかスムースなAGC特性が得られました。

 7MHz帯の大きなアンテナを繋いでも特に混変調なども感じず良く聞こえました。ミキサー回路の性能が活きているのでしょう。 近接して多数の電波が飛び交う環境で使われる可能性もありますから多信号特性を考慮した設計なのでしょう。

RFアンプとミキサー回路
 RFモジュールの回路を詳しく見ましょう。 入力信号は2段の入力同調回路で選択されたあと高周波増幅されます。 この高周波増幅回路は先の説明のようにマニュアルでゲイン調整できます。 RFアンプの後にもう1段の同調回路が入ります。

 RFアンプのあとが問題のダイオードDBMです。 このDBM回路はメーカーであるヒューズ社の部品番号が書いてありユニット部品化されています。おそらく市販された部品ではありません。 詳細は良くわからないと言った方が良いのですが、例えばLA8AK(Jan-Martin Ning. 故人)の記事にあるLA7MI (Stein Trop)のレポートによれば高性能が得られたとあります。HAM関係の書籍で見掛けた記憶もあったのですが発見できませんでした。良く見掛けるDi-DBM回路との違いが気になるところです。

 PRC-74BはNATO軍向けに技術供与されたらしく、ネット情報によれば英Redifon社のGR-345Bと言う型番で生産されたようです。 回路は基本的に同じですので、ここではオリジナルであるPRC-74Bの回路図を参照しました。

 このRFモジュールには局発の最終段アンプがあり、スプリアスを低減する目的から増幅周波数は受信同調と連動するようになっています。 また、件のミキサーは送信時にはIFユニットから来る1,750kHzを搬送周波数とするUSB信号を送信周波数に変換するためにも使われます。 信号の流れは双方向と言うことになります。 送信時にもRFアンプは使われ増幅後は送信パワーアンプユニットへと送られます。このRFアンプは送信時にはALCが掛かるようになっています。

 PRC-74Bですが、かなり少ないデバイス数で実用的な性能を得ています。 周波数シンセサイザ部を除けばゴテゴテしていないのは私好みといえます。HAMがSSBトランシーバを自作する際にもたいへん参考になる回路構成です。 今の時代ですからシンセサイザ部をDDSで簡潔にし、HAMバンドにしぼってカバーするように設計すれば面白いRigになりそうです。もちろんIFやRFアンプには2SC1855のような専用トランジスタを使ってフォワードAGCを掛けましょう。

 【トランス:T1のコア材
 ペントファイラ巻きのトランスを作るにはメガネ型コアが欠かせません。
 ここではBLN-43-2402(米Amidon社の型番)というメガネコアを使いました。 メガネコアを使う人は珍しいらしく米国からの通販を除けば入手できるところは限られます。 幸い、BLN-43-2402が秋葉原の斉藤電気商会(ラジデパ3F)で入手できました。

 しばらく前に購入したもので店頭には#43材とだけ書いてあったように思います。 実測寸法からBLN-43-2402で間違いなさそうですが、フェライトの材質を確認するために巻線してからインダクタンスを測定しました。 3回巻きで18μHくらいでしたので計算よりもやや大きめですが#43材(または同等品)と思って大丈夫そうでした。

 メガネコアはこうしたトランスには最適ですからパーツボックスにいくつか忍ばせておくと役立つことがあるでしょう。 コアの仕様を簡単にメモしておきました。


DBMに使うトランス
 ペントファイラ巻きのトランスといいましたが、実際にはテトラファイラ巻きの2次側+単独巻きの1次巻線の構造で作りました。

 平衡度が重要なのは2次側にある4つの巻線です。 広帯域特性は求めないため1次側を別巻きにしても支障はないという判断です。 実際に5本もの巻線をよじって巻くと間違いやすいのでこのような形式のほうがいくらか容易です。もしダメな場合は巻き直す必要があるかも知れません。 写真の物はインダクタンスから考えて3.5MHz帯あたりまでが良くて1.8MHz帯には4〜5回巻きに増やす必要があります。

 今後、評価の際に平衡度は局発のサプレッションとなって現れるでしょう。好結果を期待したいと思います。 例によってブレッドボードでテストしますので小型基板に実装しておきました。このようにしておくと取扱いが容易です。 このトランスは位相関係が極めて重要ですので絶対に間違いが生じないように十分確認しながら配線します。組み上がってからの再確認はかなり厄介です。(間違いを見つけて修正するのはほぼ絶望的なので巻き直した方が手っ取り早い)

 出力側のトランス:T2はごく普通のトリファイラ巻きのトランスです。 自作品でも良いのですがここには既製品を使うことにしました。

 ミキサー回路として455kHzといった低い周波数への周波数変換も考えています。 アウトプットの周波数が低くなればトランスは大きなインダクタンスが必要です。 たくさん巻かなくてはならないので自作は厄介です。 たまたま十分なインダクタンスを持った既製品があったので使ってみます。 使用する周波数に応じたものを巻けば良いのですからHF帯に周波数変換するなら作りやすくなります。 このような既製品がなくても実験できます。

 なお、このミニサーキット社のトランス:TT1-6に使ってあるコア材は何でしょうね? 透磁率:μ(ミュー)の大きなコア材を使っているはずです。 コア材によっては信号レベルが大きくなるとトランス自身でIMDが発生するかも知れません。 様子を見ながら必要に応じて交換しながら確認したいと思っています。

                   ☆

 何だか予告編のようになってしまいました。 回路検討とトランスを巻いただけで年内はおしまいです。 取りあえずDBMとして動作していることまでは確認しました。 このあとは周辺回路や測定機器の準備が幾つか必要なので評価は年明けにしましょう。 うまく行ったら良いのですが、お正月にでもじっくり取り組んでみたいですね。 2017年も終わります。良いお年をお迎えください。 ではまた。 de JA9TTT/1

(つづく)

10 件のコメント:

JK1LSE さんのコメント...

おはようございます。しばれますね。
またまた、凄いRigが出てきました。私はお目にかかったことのないものですhihi
DBMはトランスの巻線接続さえ間違わなければ、確実に動きますよね。中には、やけにロスが多いなぁ、で済んでしまう方がいるかも、ですが。
私はアバゴの2チップ入りのSMTタイプのダイオードを2個でDBMを作りました。小さく作ることができてよかったです。最近は秋月でも置いてあったと思います。ダイオードによって、取扱できる電力最大値が決まるでしたっけ。後編を楽しみにしています。

有江/exJA6DPR さんのコメント...


加藤さん、おはようございます、

T1で使用されているコアは Fair-Rite社の2843002402でしょうか、私が常用しているコアで#43材で寸法も同じですね。小型で安く使いやすいです。

この続きがどこに向かっていくのか楽しみにしています。

TTT/hiro さんのコメント...

JK1LSE 本田さん、おはようございます。 今朝も寒かったですねえ・・・。

早速のコメント有り難うございます。
> 凄いRigが出てきました。
大したRigでもありませんが、比較的手が出し易いSSBトランシーバだったので購入した記憶があります。 アマチュア機とは違った面白さがありますね。リレーを多用して送受を切り替えています。回路は意外にシンプルです。

> やけにロスが多いなぁ、で済んでしまう方が・・・
結線を間違えるとそうなりますね。(笑) せいぜい6〜8dBのロスで済むはずなのに20dBも・・・というのはたいてい配線ミスでしょう。hi hi

> アバゴの2チップ入りのSMTタイプのダイオードを・・・
HSMS-2822と言うSBDですね。非常に周波数特性が良いのでDBMには最適でしょう。 購入しようと思いつつ、まだ買ってません。(笑) 市販品のDi-DBMも同じような面実装型で作られているようですね。できるだけ小さなコアと組み合わせると周波数特性が伸びるようです。

> 取扱できる電力最大値が決まるでしたっけ。
耐圧と最大電流値で決まると思います。 インピーダンス次第なので単純ではありませんが、普通はあまり気にせず使っていますね。 ON抵抗が小さいものはロスが少ないので有利なのですが、そう言う物って耐圧が低い傾向があるように思います。

後編は少々お時間を頂くかも知れませんがどうぞ宜しく。

TTT/hiro さんのコメント...

exJA6DPR 有江さん、おはようございます。 晴天ですが寒いですねえ・・。

いつもコメント有り難うございます。
> Fair-Rite社の2843002402でしょうか・・・
Amidonの型番はBLN-43-2402ですがFair-Riteの型番はお書きのようですね。 そもそもAmidon社(商社)のフェライトコアはFair-Rite社製ですから同じものでしょう。

> 小型で安く使いやすいです。
電力を扱う回路には小さすぎますが、受信回路ならたいてい間に合います。有効活用したいですね。フェライトビーズで作るよりも巻線間の結合が密になるので有利です。

> この続きがどこに向かっていくのか・・・
取りあえずIN/OUTの特性を測定したら興味の範囲は終了になります。実用にするか否かはまた別ですので。(爆)

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

TTT加藤さん、おはようございます。
今日は良い天気ですが寒いです、全国的に冷え込んでいるようですね。

今回はDiDBMのさわりですね^^
個人的には局発のレベルを確保できれば使いやすいのでTDKの小型DBMを愛用しています。

メガネコアはいくつかパーツボックスに入ってますが、材質不明な物が多いのと広帯域PAアンプに使うような大きな物とTVの300Ω変換に使われていた様なサイズが多く、規格が解っていてDBMに使えそうなのはFDKのK14コアの物ばかりでした。
それもちょっと小さすぎて3tx5はかなり細い線を使わないと厳しそうです、Hi

次回の一般的なDBMとの比較を楽しみにしています。

今年もあと2週間ですね、良い年をお迎えください。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、おはようございます。 北関東は風もなく晴天ですけど、かなり寒いですよ。

いつもコメント有り難うございます。
> 今回はDiDBMのさわりですね^^
ちょっとお題に困ったので、途中の経過を簡単にBlogにしました。(笑)

> TDKの小型DBMを愛用しています。
たしか、何個か頂きましたね。 TDK製というのが珍しいと言うか記憶に残っています。勿体ないので今度活用させていただきます。

> TVの300Ω変換に使われていた様なサイズが・・・
TV用のバランは適度なサイズですがμが小さいのでHF帯にはロスが大きくてうまくなかったです。hi hi FDKのK14コアはFH帯でも良さそうですね。小さいと巻線が細くない巻けませんが、MCL社のDBMは0.1mm以下の細い線が巻いてあるので頑張れば作れるのかも??

> 一般的なDBMとの比較を楽しみにしています。
比較してどのくらいまで行くのかが興味の対象でしょうね。幾つか実験条件を考えてみたいです。

どうぞ良いお年を!

jn3xby@岩永 さんのコメント...

加藤さん、こんばんは。

このところ寒いですね!

IFアンプの次はミキサーですか! 高性能RXが楽しみです。

しかし、ペントファイラ巻きというのは知りませんでした。

1SS97は部品箱に入っていたと思います。数がなかったと思いますので特性は揃えられませんが。
BLN43のメガネコアもありますね! T2はないです(笑)

高橋さんに分けていただいたDBMも活用できていないのですが、またまた、遠回りの材料が増えそうです(爆)


TTT/hiro さんのコメント...

JA6IRK/1 岩永さん、こんばんは。 今夜も冷え込んできましたね。この冬は寒いです。

いつもコメント有り難うございます。
> 高性能RXが楽しみです。
高性能RXにはDi-DBMではない方が良さそうなのですが、興味のある回路なのでテストしてみたいと思っています。 でも、それほど期待できないかもしれませんね。w

> ペントファイラ巻きというのは知りませんでした。
トリファイラよりも多いものは厳密に言えば巻線はうまくバランスしないようです。 それを補う意味でμの高いコアを使いメガネ型のコアにして巻線間の十分な磁気結合を確保している・・・という感じですね。 いわゆる伝送線路型のトランスよりも普通のトランスに近いでしょう。

> 1SS97は部品箱に入っていたと思います。
手持ちがあったので使いましたがほかのSBDでも十分でしょう。 SBDはゲルマDiと違って特性合わせは要らなかったと思います。いつも無選別で使ってますが特に支障は感じませんね。

> 遠回りの材料が増えそうです(爆)
色々あって楽しみが増えるのは良いことだと思ってます。お楽しみになって下さい。(爆)

JR1QJO/矢部 さんのコメント...

加藤さん、忘れた頃の書き込みですみません。

PRC−74は設計時代を考えるとすごいトランシバーですね。この時代のコムゼネレータと吸引同期式のシンセサイザ回路は軍用機ならでの贅を尽くしたものですね。私はとても手が出せなかったので軍用無線機もどき?の八重洲のFT−70GCを入手して我慢しました。HI

JE1RYH/尾崎さん(SK)が70年代にアメリカ留学した時に持ち帰ったのがATLAS 180 ですが、これもダイオードDBMを使っていました。取説にシリコン・ダイオードと書いてあったので、スイッチング・ダイオードでミキサを構成していたと思います。回路が当時としてユニークだったので印象に残っています。送受信ミキサ、DBMとIFストリップが送受信共用でDBMの局発の切り替えで送受信切り替えていました。後に定番になるMC1350が送受信共用IF段に使われていました。このトランシバーはいつか現代の部品で再現したいと思っています。
このDBMが加藤さんのトランシバーに発展するのを楽しみにしています。

TTT/hiro さんのコメント...

JR1QJO 矢部さん、こんばんは。 今日は暖かめですが、こちらアンテナが心配になる強風になっています。

いつもコメント有り難うございます。 公開から2週間以上過ぎたので自動公開ではなくなっておりますが、気にせずコメントお願いします。
> 設計時代を考えるとすごいトランシバーですね。
同じころの国産機を見ますと終段とドライバ段は球ですし他のデバイスはゲルマ・トランジスタを多用しています。 周波数基準もTCXOではなくて単なる水晶発振子ですし・・・。 米国の半導体工業はかなり進んでいたのでしょう。 その後ニッポンも追いつく訳ですが。(笑)

> コムゼネレータと吸引同期式のシンセサイザ回路は・・・
この機械は単なる水晶発振の組み合わせで局発を作っています。局発回路内に3つミキサがあって力づくで1kHzおきの局発を作っています。 筐体内の半分くらいが水晶発振子と局発関連の回路なんですよ。PLLや引込み同期式よりも確実だと考えたんでしょうね。(笑)

> このトランシバーはいつか現代の部品で再現したいと思っています。
印象深いトランシーバだったのですね。 再現に必要な部品は既にお持ちかも知れませんが、何か欠けているものでもあればお問い合わせ下さい。手持ちがあれば供給したいですね。

> トランシバーに発展するのを楽しみにしています。
トランシーバを作るのは大変ですけど、じっくり検討してみたいと思います。(笑)