【回路】7MHz PLL Oscillator (1)

【7MHz帯のPLL発振器：その１】

【各種PLL用IC：Collection of PLL ICs】
 　これから何回かPLLをやろうと思います。何か必然性があって始めるわけじゃありません。　あえて言えばデバイス活用と設計法の纏めが目的と言ったところでしょうか。
　「何かにとっても役に立つ」などと言うつもりはありません。お暇でもあればお付き合い下さい。　このところ色々やっていて奥が深くてこれは面白いと思ったのでBlogにしました。先は急がないのでぼちぼちやります。　一応みなさんお好きなRF回路です。（笑）　まずはイントロ編から。

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　のっけから昔話になって恐縮ですが、初めて作った水晶発振器は6CB6と言う真空管を使った変形ピアース型だったように思います。  3.5MHzのFT-243型水晶を使い7MHzを得ていました。それで7MHzの送信機を作りました。

　しばらくは真空管を使った発振器の時代が続きましたが、やがてトランジスタを使うようになります。　特に受信系は半導体化したいと思いました。　ただ、当時のゲルマニウム・トランジスタは性能が悪くて苦労した記憶ばかり思い出されます。　そもそもウデも悪かったので苦労したのだと思いますが水晶発振子のアクティビティが低かったのも理由ではないかと思っているのです。hi

　 オーディオも好きでしたがやがて無線の方向へ傾倒したので以来ずっと発振回路や発振素子は興味の対象でした。　周波数が安定していて任意の周波数が得られる発振器も研究テーマの一つです。　自励発振器は周波数の自由度はあっても良好な周波数安定度を得るのは至難です。　さりとて水晶発振では自由は利かず・・・ではVXOはと言えば今ほど水晶発振子が良くなかったようで意外に難しいものでした。　可変範囲を欲張ったのもマズかったのでしょう。

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　PLL：Phase Locked Loop（位相同期ループ発振器）という発振回路を目にしたのは1970年代の初めです。 かなり難しい内容だったのでほとんど理解できなかったと思います。　自動制御の理論もまだ習ってはいませんでした。  それが何をやろうとしているかはおぼろげにわかっても、ではどうしたら実現できるのかと言う部分は謎でしかなかったのです。　モトローラ社が積極的に推進していた印象があって、同社の特殊なPLL用ICを使った回路は試したくても入手困難かつ高価なので手の出せない難物だった記憶があります。（写真はパーツボックスにあったPLL関係IC）

　自ら試すことができるようになったのは数年後に輸出用CBトランシーバにPLLの専用ICが使われるようになってからでした。　いまのDDS発振器のように小刻みな周波数を得ることはできませんが、それでもかなり自在に周波数の安定した発振ができるようになりとても嬉しかったものです。　その後、CBブームも去って信越電機商会（＊１）にジャンクのPLLユニットが登場します。　それを切っ掛けに興味を持った自作HAMも多かったようでした。　CQ誌に何度も活用記事が登場したのはご存知の通りです。　＊1：いまの秋月電子通商

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【7MHz帯のPLL発振器】
　発振器は無線通信には欠かせません。　これはアナログ式であろうとデジタル式であろうとも重要さは同じでしょう。　　すでにDDSや新世代のPLL式専用チップも登場しており、初めの写真のような従来型のPLL用ICは時代遅れでしょうか。　そろそろ懐かしい技術になりつつあるのかも知れません。

　ここでは7MHz帯のPLLを題材としてシンプルなPLL式発振器を試作してみます。　死蔵されつつあるPLL用ICの活用法を纏めておく機会にしたいと思います。　用途によっては従来型PLLの技術を頼った方がうまく行くこともあります。

　PLL発振器は周波数が可変できてしかも安定度の高い発振器です。　概略の仕様は：発振周波数範囲＝7〜8MHz、周波数ステップ＝10kHz・・・とします。　ただし、各10kHzステップの間は連続可変式として自在に設定できるようにしました。　従って7MHzから8MHz（＊２）の間を隙間なくカバーでき、水晶発振器なみの周波数安定度を持った発振器になります。　典型的な用途としては7MHz帯のCW送信機やAM送信機のVFOがあるほか受信機の局発回路なども考えられましょう。　＊２：正しくは、7.990MHzまでですが、スイッチを増やせば8.000MHz以上も可です。

＃ 写真は試作した7MHz帯のPLL発振器。　試作はブレッドボードが手軽ですが実用品はコンパクトに製作して良くシールドする必要があります。

　他の周波数帯への変更も難しくありません。　ほぼ同じ回路図のままでHF帯の各HAMバンド対応の発振器になります。　ただし、各バンドごと最適化のため回路定数の変更は必要です。　さらに50MHz帯用には電源電圧のアップを要しますがHF帯とほぼ同じように製作できます。　144MHz帯用はHF帯に周波数変換する方式が適当でしょう。  いずれにしても回路定数を最適化するには少しだけ計算が必要です。　しかしその計算は高度なものではありません。　四則演算（加減乗除）ができれば誰にでもできます。　筆算では位取りを間違いやすいので算盤や電卓を使ってください。（笑）

　今回（Part 1）は手始めとして事前に設計の済んでいる7MHz帯のPLL式発振器を試作し、出力信号を観測するところまでを扱います。どんなものが作れるのかまずは実際にやってみましょう。　PLL回路を構成する各回路要素の検討と詳しい設計の話しは続編で予定します。　いくらか時代遅れに感じるかも知れませんが、有用性がなくなった訳ではありません。　RF回路の基礎技術の一つとして良く研究しておけばいつか役立つこともあるでしょう。　せっかくここまでお読みいただいたのでしたら、この先もお付き合いください。　PLLに秘伝など必要ありません。誰でも面白いようにロックするPLLが作れます。（笑）

【MC145163P・・高機能なPLL用IC】
　MC145163PというICはPLL用のLSIとしてかなり後発でした。　PLL化されたCBトランシーバの輸出が盛んだった当時には存在しませんでした。　しかし後発なので機能は充実しており性能も優秀です。

　ここではなるべく簡略にPLL回路を試すことを目標にしています。  高機能なMC145163Pを使って部品数を減らしました。　28ピンの大きなICですが、外付けで必要なものは電圧制御発振器：VCOくらいです。　すっきりしたPLL回路が実現できます。　活用可能な周波数範囲を決める内蔵の「プログラマブル・カウンタ」の上限周波数もVdd=5Vのとき25MHz（標準）と高くなっています。　それ以上の周波数ではプリスケーラを使う必要も出てきますが、必要最小限の分周数で済むためループゲインを消費しないと言ったメリットがあります。　これ一つで色々試せるので便利なPLL用LSIだと思います。

　残念ながらMC145163Pはディスコン（Discontinued：廃止品）です。　まだなんとか手に入るようなので幾つか持っていると自作無線機の幅が広がるでしょう。  以前は比較的高価なICでしたが時代遅れになったからでしょうか？　いくらか値崩れ気味のようです。

＃ 写真は基準発振の10.24MHzをVXO化する以前のものです。MC145163Pに内蔵の発振回路で水晶発振させています。後ほど外付け回路でVXO化してMC145163Pに与えるよう変更しました。

# まずはMC145163Pで始めますが、後ほどほかのPLL用ICを使った検討もしておきましょう。（Part 3あたり？）

 【MC145163Pの機能】
　MC145163Pの内部回路ブロック図です。

　基準となる水晶発振器とそれを分周して比較周波数を得るための「リファレンス・カウンタ」が内蔵されています。　リファレンス・カウンタの分周比は1/512、1/1024、1/2048、1/4096から選べます。

　発振回路のバイアス用帰還抵抗は内蔵ですが負荷容量（２個）は外付けです。　その負荷容量を可変することにより周波数合わせを行ないます。　外部の発振器から基準周波数を与えることもできます。　一例ですが、10.24MHzの水晶発振子を使い1/1024の分周を選ぶと比較周波数は10kHzとなり、10kHz刻みに発振するPLL式の発振器が作れます。

　VCOからの信号を分周する「プログラマブル・カウンタ」は4桁のBCDコードで設定します。分周数はN=3〜9999が設定できます。　無線での用途の場合、あまり小さなNに設定するケースはまれだと思われますが、それでも数1000チャネルの周波数切り替えができる発振器が作れます。　PLL式発振器の出力周波数は比較周波数×分周数です。　いま、比較周波数が10kHzとすれば、分周数：N=700なら発振周波数は700×10=7,000kHz (=7MHz)となります。

　ほかに重要な機能として位相比較器が内蔵されています。　残念ながらループフィルタ用のアンプは付いていません。　従ってアクティブタイプのループフィルタを構成したい時には外付けになります。　あまり使われないのかもしれませんが、同社のMC4044タイプのような形式の位相比較器+ループフィルタを構成することもできるようです。　 この部分には ロック外れを検知する機能があり万一の誤動作の時に発振を停止させることができます。

　左図には簡単な機能説明などを記入してあります。　この資料だけで完全な設計ができる訳ではありませんが下記の回路を試すには十分でしょう。　ネットの検索で詳しいデータシート（和文）が入手できるので、MC145163Pを手に入れたなら機会を見てダウンロードしておくと役立ちます。

【7MHz用PLL発振器・回路図】
　さっそく製作実例です。　最初に決めておいた仕様が実現できるような回路になっています。（2018.08.22：Ver.1.0.1に改版・現在の最新版です）

　電圧制御発振器：VCO回路はトランジスタやFETを使って構成することもできますが、モトローラ社の専用ICである：MC1648Pを使いました。VCO専用のICを使うことで製作の再現性は向上します。　ただしMC1648Pは入手しにくいかも知れません。　同種の改良版のICがONセミ社で販売されています。  （参考：MC1648Pの代替方法についてはPart 3（←リンク）で詳しく扱っています）

　周波数の可変にはバリキャップ：FC-52M（富士通）を使います。　FC-52Mは廃止品なので入手難ですから秋月電子通商で売られている1SV228（秋月で5個150円）などで代替します。　代替すると少し設計が変わりますが、とりあえずそのまま試しても良いでしょう。うまく周波数ロックするはずです。　1SV228は2素子複合型ですが、片側のみ単独で使います。他方は遊ばせておきます。

　VCO出力に使ってあるTT1-6（MCL:mini circuits lab.社製）というRFトランスはあまり安い部品ではありません。ここでは試作を手っ取り早く行なうために使いました。　フェライトビーズ：FB-801-#43にφ0.16mmのポリウレタン電線を6回トリファイラ巻きしたものでそっくり代替できます。　2SK544Fは2SK241GRもしくは2SK439F（ピン配置は要注意）で代替できます。この回路には2SK19、2SK192A、BF256BやJ310は適していません。

　最初は10.24MHzの基準発振にMC145163Pに内蔵の発振回路を使いました。　しかし、この部分を可変周波型水晶発振器：VXO化するのは少し難しいようです。（できない訳ではありません）　そこで動作が確実で実績のある外付けのVXO回路を使うことにしました。　この基準発振器の周波数を変えることによって10kHzステップの間を自在に可変するわけです。　2SC2668YでVXO発振させ2SK544FでバッファしてからMC145163Pに与えます。

　このVXO回路は周波数安定度が重要です。しかし周波数の可変範囲はわずか15kHzほど（10.24MHzに対して約0.14%)と狭いためたいへん良好です。　無理にたくさん周波数を引っ張ったVXOとは違い普通の水晶発振器と同等の周波数安定度が得られます。　従って最終的に得られる7MHz帯のPLL発振出力も安定度の高いものになっています。　 発振回路の2SC2668Yは2SC1923Yなど高周波小信号用のトランジスタで代替できます。

参考：10.24MHzの水晶発振子はaitendoなどで購入できます。同店で売られている水晶発振子(HC-49/US)はアクティビティにバラツキがあるのでうまく発振できない時は幾つか交換してみます。

　MC145163Pの位相比較器から出力されるのはパルス波形です。これを平滑化してVCO回路のバリキャップに加えます。　この平滑回路は「ループフィルタ」と呼ばれるものです。　回路としては簡単なローパスフィルタそのものです。　PLL回路の設計は最終的にはループフィルタの設計に帰結するとも言えるほど重要なものです。　ここでは設計済みですのでこのまま作れば支障なく動作してくれます。　ループフィルタは低インピーダンス型の設計になっています。

　ループフィルタとバリキャップとの間には2段のバッファアンプを入れてあります。　このようにするとVCOとの干渉が断てるので有利ですがアンプ自身にもわずかながらノイズがあるためC/Nの点では幾らか不利になります。　しかしそれに勝るメリットがありますから入れておくことにします。

　ここではICL7621DCPAというIntersil社（現：Renesas Electronics社）のDual C-MOS OP-Amp.を使いました。　手持ちがあったので使いましたが、ICL7621はだいぶ旧式だと思います。　5Vの単電源で使用できレール・トゥ・レール入出力特性を持った2回路入りOP-Amp.ならたいていの物が使えます。　もし新たに購入するのでしたらLMC6482AIN（秋月で＠180円）が推奨品です。

 【7MHz PLLのスペクトラム・１】
　各部の説明の前にこの発振器で得られた信号のスペクトラムを観測しておきます。　まずは、信号の上下5kHzずつ、全体で10kHzの範囲で観測してみます。　信号の付近をかなり拡大して見た状態です。

　よくできた水晶発振器と比べると、一見してPLL式の発振器であることがわかります。　十分シャープなスペクトラムが得られてはいますが、どうしても裾野を引く特性になります。　この例では+1kHz離れたところで-67dBですからなかなか良好です。　これはC/N値でいうと-78dBc/Hzくらいですが、キャリヤから1kHzのポイントであることに注目してください。10kHz離れるとさらに20dBくらい下がります。

　実際この信号をCWモードの受信機で聞いてみても綺麗なシングルトーンとして聞こえます。　ダメなPLLだとスペアナで見るまでもなく、受信機で聞いただけであたかもブザーのような濁った音色になるので簡単にわかります。

　位相比較器のデッドゾーンからできるだけ逃れるためループフィルタおよび周りの回路を低インピーダンスに設計しています。　裾野の部分も滑らかに落ちていますのでループフィルタ部分の設計に問題のないことがわかります。

 【7MHz PLLのスペクトラム・２】
　信号の上下50kHzずつ、全体で100kHzの幅で観測しています。　測定系のノイズフロアはこの状態で信号のピークから見て-80dBくらいです。　特にスプリアスも見られずたいへん綺麗です。

　ループフィルタの設計が良くないとリファレンスの漏れが発生します。リファレンス・フィードスルーという現象です。　このPLLではリファレンスは10kHzですから、そのような場合には主信号の上下に10kHzおきのスプリアスが見られるようになります。　まったく見られませんのでうまくいっている証拠です。　漏れ出るリファレンス成分を減衰させるようなフィルタが追加してあるのも効果的なのでしょう。

 【7MHz PLLのスペクトラム・3】
　さらに拡大して信号の上下500kHz、全体では1MHzの幅で観測してみました。　このくらいの周波数スパンで観測すると出来の良くないDDS発振器などではそろそろスプリアスが引っ掛かるようになります。

　このPLLの場合、信号のごく近傍はともかくこの範囲に発生するスプリアスの要因はないためとても綺麗でした。　DDS発振器のスプリアスを嫌ってPLLと組み合わせて信号をクリーニングすると言った回路手法も高級な機器では見られます。こうした特性を狙ってのことなのでしょう。　そのような意味で従来型のPLLも捨てがたいものがあると思います。目的によっては非常に有効な回路です。

 【7MHz PLLのスプリアス】
　VCOに使ったMC1648Pの出力は基本的に矩形波です。　ただし、発振振幅を制御するAGCの効き方を調整すると正弦波に近づけることができます。ベストポイントは個々に調整が必要で、上記回路図のR11：4.3kΩで加減します。　この例では少し発振振幅を欲張ったためか２〜5次の高調波が多めに見えています。

　VCOの後は広帯域な増幅器で、まだ何のフィルタも入れていないので高調波が多いのはやむを得ません。　CW送信機に使う場合、何段かC級増幅したあと良く切れるローパスフィルタを入れます。  その部分で十分に除去できるのでこの段階では少々高調波があっても支障はありません。　受信機の局発に使う場合はスプリアスを十分落とす方が良いのでπ型２段くらいのLPFを付加しておきます。

　10.24MHzの漏れがいくらか見えますが、VCOの後の広帯域アンプ（2SK544F)への直接飛び込みのようでした。測定プローブへの結合もあるようです。　実用する際にはリファレンスの部分を独立させてシールドしておくと良さそうです。　そうすれば漏れはほとんど感じられなくなります。

 【MC1648Pを使ったVCO】
　VCOに使ったMC1648Pはもはや古典的なICです。　しかしLC発振回路の周波数をバリキャップで可変する形式のVCOが確実に作れるためなかなか重宝です。

　良いICなのですがあまり使われなかったように思います。　それほど使われなかった理由は２つあると思っています。　一つはコストです。　大して高機能でもないのにMC1648Pはだいぶ高価なICでした。　これを使わなくてもVCOは作れます。　そうなると使用量が増えないのでコストも下がらなかったものと思います。　もう一つは発振出力のC/Nが良くないと言われています。　すでに見てきたような発振スペクトラムが得られますから、必ずしも劣っているとは思いません。　しかしトランジスタやFETで「上手に」作ったVCOならもう少し良いC/Nが期待できるでしょう。

　MC1648Pは発振振幅を抑えることによりバリキャップでの自己整流が発生しないよう考えられています。それだけ使い易くできている訳です。　しかし発振振幅を抑えた副作用でLCタンク回路の蓄積エネルギーが小さくなってしまいC/Nの点で不利になったようです。

　幾らか欠点はありますが一定の性能が保証されたVCOが確実に作れるというメリットは大きいので使ってみました。　すでにディスコンのデバイスですが表面実装型の改良型が登場しています。　性能も向上しているのでプロフェッショナルな用途にはそちらを使うべきでしょう。

＃のちほど入手容易なパーツを使ってMC1648Pの代替回路を試みます。（Part 3にて)

 【ループフィルタとバッファ・アンプ】
　ループフィルタの部分は位相比較器(フェーズ・ディテクタ：Phase Detector : PDと略)と不可分の回路です。

　しかしここではPDはMC145163Pに内蔵されていますから独立した部品としては存在しません。　位相比較器：PDの特性もPLLの性能に大きく影響するのでとても重要です。

　幸いMC145163PのPDはなかなか優秀なようでした。　他のPDと比較しても何ら遜色のない・・むしろ優秀なくらいの性能です。　MC145163Pは後発のPLL用ICですから設計が新しくて内部のC-MOSが高速だからでしょう。

　ループフィルタは一種のローパスフィルタです。　あるいは平滑回路とも言えるものです。　位相比較器からの出力はパルス幅が２つの入力信号の位相差に比例したパルス波形として得られます。　それを平均化して得られた直流的な電位（電圧）を電圧制御発振器：VCO回路・・・具体的にはバリキャップ・・・に加えて周波数（位相）を制御します。

　可変容量ダイオード：Vari-Capを使ったVCO回路では自身の発振電圧がダイオードそのものにも加わっています。　バリキャップ（元もとは商品名でした）とは言っても、本質はシリコンダイオードそのものです。順方向電圧を超える発振電圧が端子間に加われば整流されて電流が流れます。　この電流がループフィルタの部分に流れ込むと制御電圧の変動をまねき、それを間欠的に補正するような動作が始まります。　この動作はPLLの信号純度を損なうため注意すべきす。

　ではどうすべきか？　この回路例のようにバリキャップとループフィルタの間にOP-Amp.を使ったバッファアンプを置くことで影響をなくすことができます。　こうしたバッファアンプは原理上は必要ないものですが、性能を改善する効果があります。　発振にMC1648Pを使いましたのでバッファアンプは必ずしも必要なさそうです。しかし実際には制御電圧が小さくなってくると影響が現れはじめます。　さらに別の形式のVCOを試すことも考えて付けておきました。

　電源電圧は+5Vだけですから、バッファアンプには片電源だけでも動作する形式のOP-Amp.を使います。　また電源電圧はわずか5Vと小さいので出力電圧が電源電圧の範囲いっぱいに振れる入出力が「レール・トゥ・レール型」のOP-Amp.を選びます。　条件に合うOP-Amp.は各種発売されていて選択に困るほどですができるだけローノイズな製品を選びたいものです。　容量性の負荷で発振しにくいOP-Amp.と言うのも条件です。　ICL7621DCPAはそう言う意味ではかなり旧式でしょう。しかし写真の程度のスペクトラムは得られますから実用上の支障はなさそうでした。　もちろん新しいタイプのC-MOS OP-Amp.ならなお良いでしょう。

参考：このバッファアンプは、後に説明のある 「リファレンス・フィルタ」としての働きも持っています。　リファレンス・フィルタは比較周波数成分の漏れがVCOに及ぶのを軽減させるためのものです。

 【10.24MHz：VXO式リファレンス発振器】
　PLLを使えば周波数が水晶発振器なみに安定している発振出力が得られます。　しかし10kHzステップでは物足りません。

　例えば7MHz帯のCW送信機に使いたいと思っても7000kHzちょうどではオフバンドになるので使えません。　使える周波数は7010kHzと7020kHzの2波しかないのです。（注：2015年のバンド利用プランの改訂でCW局は一応7045kHzまで出られるようになったが、それでも4波である）

　では1kHzステップで設計したら解決だろうと言う声も聞こえてきます。　しかし実際にやってみますと1kHzステップで満足できる品位の信号を得るにはなかなか高度な技術を要します。　1kHzおきにロックさせるのは難しくありませんが、綺麗な信号を得るのは簡単ではないのです。　容易に製作可能なPLLはやはり10kHzステップくらいが無難なところでした。かなり頑張っても5kHzステップまでが間違いないところです。

　そこで、10kHzステップを埋められるよう10kHzの間を自在に可変できるようにします。  いくつか手法はありますが、いちばん簡単な手としてリファレンス（基準）信号を可変してやります。　「基準」を動かすなんて野蛮だと言われそうですが、10.240MHzをVXOすればそれに伴ってPLLで得られる信号の方も動いてくれます。

　7MHz帯で10kHz動けば良いので、10/7000=0.0014285・・・の割合だけ動かせばOKです。　これは10.240MHzにおいて約14.6kHzということになります。　なお、お気付きのように8MHzでは、10/8000=0.00125なので10.24MHzにて12.8kHzだけ動かせば10kHzの可変幅が得られます。　発振周波数が7MHzのときと8MHzとでは必要な可変量が変わってしまいますがこのような方法で行なう限りやむを得ません。　7MHzで設計しておき、使用する上では8MHzの時には可変できる周波数範囲が幾らか広くなることをわかっていれば支障ないと思います。

　7MHzのHAM Bandに限って言えばバンドの上下で200kHzの違いですから、可変幅の違いは300Hz以下に収まります。　さらにCWバンドに限れば差はもっと少ないのでダイヤル板に目盛を記入してしまっても支障はないくらいでしょう。　なお、7000kHzちょうどにセットしてVXOするとバンドの下の方へオフバンドしてしまいます。　必ず7010kHzの設定からVXOするようにします。それで7010kHzから下の方へ10kHzだけ・・・即ち7000kHzまで自在に可変できます。（MC145163PはN=701に設定します）

　VXO回路は発振に高周波用トランジスタ：2SC2668Yを使いました。　周波数可変範囲を少しでも広く取りたい時にはFETを使った方がやや有利なようです。　しかし、ここではVXOとは言っても0.14%ほどの可変範囲しか必要としません。　普通のトランジスタを使った回路でもまったく支障ありません。FETよりもgmが大きいので発振は容易です。　周波数安定度を見ましたが普通の水晶発振器・・・要するにVXO回路ではない発振回路と違いません。　この周波数安定度はPLLにもそのまま反映されますので7MHz帯の出力も十分安定した周波数が得られます。

　VXO回路といえばいわゆる「VXOコイル」が議論になります。　ここでは18μHのマイクロインダクタが適当でした。このインダクタンスは水晶発振子によって最適値が異なります。　20μH前後で可変できるようなインダクタを使うと製作後の調整が容易です。　既製品ではFCZコイルの07S1.9が使えそうです。　しかし約20μHの可変インダクタはコア入りのボビンに巻けば簡単に自作できます。 無理にFCZコイルを探すまでもないでしょう。

　 VXO回路に使うバリコンは最大容量が30〜50pFくらいの物が良いです。　エアーバリコンが好ましいのですがポリバリコンでも一応使えます。　調整はバリコンの可変範囲いっぱいで10kHzが可変できるようにすれば良い訳です。　必要以上に広く可変する意味はありませんが、狭すぎると発生できない周波数ができてしまいます。　VXOコイルとバリコンに並列のトリマコンデンサで可変範囲を加減します。　バリコンがほぼ抜けた位置で10.240MHzを発振し最大容量にしたときそこから15kHzほど周波数が下がるように合わせます。（7MHz帯で出力周波数をみて10kHzの可変幅になるようにしても同じです）

【リファレンス発振器のスペクトラム】
　リファレンスのスペクトラムが綺麗でなければPLLの出力信号もそれなりになってしまいます。

　写真は10.24MHzのスペクトラムを10kHzのスパンで観測したものです。　ご覧のように非常に綺麗です。

　あまり言いたくないのですが上の方で見たPLLで得た7MHzの信号と比較してみてください。　おなじ10kHzスパンの観測と比較すれば一目瞭然でしょう。　水晶発振のこれはスペクトラムが細く裾野の部分もスッキリしています。　それだけ付随するノイズや揺らぎが少ないことを示しているわけです。  水晶発振ならこの程度の信号が普通に得られるのですから、やはり真に綺麗な信号が欲しければこれに勝るものはありません。

　なんだかPLL式発振器の限界が暴露されたような感じになってしまいました。　入念に作ったPLLでも得られる信号は水晶発振には幾らか劣ります。　しかし十分な実用性がありますのでそれほど悲観的になる必要はないと思います。　かつて全盛だったPLL式の発振器を使っていたトランシーバ・・・例えばTS-820やFT-901の局発だって同じようなものだった筈です。　いずれも当時の名機です。　お使いだったお方はそれで支障を感じたことも無かったでしょう。　ここで作ったPLLくらいの性能が得られていればオンエアしていて他局の迷惑にもなりません。　実際にモニタしてみても綺麗なトーンが実現できています。  理想どおりではなくとも電子回路は実用的な性能が得られれば良い訳です。　電波法で規定されている信号近傍のスプリアス基準にもまったく抵触しません。（高調波対策はオーバーオールで行ないます）

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　まずは7MHz帯のPLL式発振器を作ってみました。　これ自体で7MHz帯のCW送信機のエキサイタとして使えます。　２〜３ステージの増幅段を追加すれば実用的なパワーを持った送信機が完成できます。　終段に変調をかければAM送信機にもなりえます。　スタンバイの制御はMC1648Pの電源部で行ないます。　VXO部分は受信中も動作させたままにすれば良好な周波数安定度が維持できるでしょう。　発振周波数の切り替えは7MHz帯のCWバンドに限ればわずか3chですから簡単なスイッチで済みます。　VXO部分は10kHzをカバーすれば良いのでバリコンにツマミを直付したようなダイヤルでも十分行けます。なるべく180°近く展開し、大きめのつまみを付ければ操作しやすくなります。

　今となってはマイコンでDDS ICや新世代PLL ICを制御した方がスマートかもしれませんが、こうした方法でも実用的な発振器は作れます。周波数安定度も良好です。　実用的なものが作れるのですからこうした部品を眠らせておいたら勿体ないでしょう。　将来価値が出る可能性はありませんから今のうちに活用するのが良さそうです。　プログラムなんかいっさい書かなくても使えるところがいちばん有難いところかも知れませんね。（笑）

　評価手段の進歩で以前は不可能だったような解析が可能になったのも今頃になってPLL回路を始めた切っ掛けです。　昔は評価もそこそこでロックさえすれば良いと言った感じで使いました。  あまり酷いものは五感でわかったので実害は無かったと思っています。　しかしデバイスや回路を吟味して、もう少し定量的に突っ込んだ検討ができたら楽しいでしょう。

　PLL回路に使えるICの手持ちがあれば自作プロジェクトに動員するのも面白いでしょう。パーツボックスに眠らせておいては可哀想です。　PLL用のLSI：MC145163PやVCO用のIC：MC1648Pは既にポピュラーな存在ではないかもしれません。　そんな時は最初の写真にあるように他のPLL用ICでも類似の設計はできます。　次回以降でそのあたりも交えて話を進めたいと思っています。　ではまた。　de JA9TTT/1

関連情報：7MHz PLL Oscillator関連のリンク
（１）イントロ編：（Part 1：いま見ているここです）
（２）PLLの機能分析編：（Part 2：こちら←リンク）
（３）PLLに向いたVCOの研究編：（Part 3：こちら←リンク）
（４）ループフィルタの設計編（最終回）：（Part 4：こちら←リンク）

（つづく）←リンク nm