【回路】455kHz PLL Oscillator

【455kHzのPLL発振器：BFOまたはキャリヤ発生用に】

 【455kHzのフィルタ発掘】
　選択度とAGC特性のよろしくない既成の受信機の改造でもしようかと思って先ずはフィルタから・・・と探し始めました。

　発掘されたのは良さそうなクリスタルフィルタです。どちらも新品ではありませんがSSB用とCW用がありました。　AM用はセラミック・フィルタがあるのでひと通り揃いそうです。　IFアンプはなにで行こうかと考え始めたのですが、その前にSSBやCWの復調に必要なBFOが心配になりました。　453.5kHzや456.5kHzと言った水晶発振子の持ち合わせはないと思ったからです。
　探したら456.5kHz(LSB用）は見つかったのですが、やはりUSB用やCW用はありませんでした。　今どきですからDDS発振器で行けば簡単に解決なのですが、探していてずいぶん昔に455kHz帯の発振器を検討したことを思い出しました。

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　今となってはあまり有用とは言えないかもしれませんが、「実験基板」の保管場所から発掘した455kHzのBFO基板を評価しました。　この発振器はもともと455kHzのSSB用あるいはCW用のフィルタを活用するためだった筈です。　古いものでしたが思っていたより好成績だったのでBlogネタにしたようなわけです。　PLL回路を使ったものですがスペクトラムは十分綺麗ですし、マイコン+DDSで行くよりも消費電流が少ないのはメリットだと感じます。

　SSB用のフィルタは手元にあるけれど、BFOやキャリヤ発振器に困っているようでしたら少しは参考になるかも知れません。そんな程度の話です。  DDSモジュールに付き物の制御用マイコンはいらないのでプログラムの開発環境がなくても作れます。　この辺にメリットを感じる人もあるかも知れませんね。　とは言え、相変わらず自家用の備忘Blogですから大した中身はありません。悪しからず。　工夫で解決しようという精神は昔もいまも健在です。（笑）

参考：製作した当時のマイコン開発環境はいまのようにお手軽ではなく、DDSもまだ一般化しない時代だったのでPLLは合理的な実現手段の一つだった筈です。

 【455kHzのPLL-BFO全景】
 　ICB-93Sと言うサンハヤトのユニバーサル基板に作ってあります。サイズは72mm×95mmです。

この基板だけで453.5kHz及び456.5kHzのほか、CW用として455kHz±800HzのCW用（2種類）の発振出力が得られます。　各周波数は1回路4接点のスイッチで簡単に切り替えます。　50Ωの負荷に10dBm（=10mW、約2Vpp)得られるのでダイオードDBMにも適当でしょう。　ごく普通の水晶発振子を周波数の基準にしていますが、発生周波数が455kHzと低いため周波数安定度はまずまずです。一般的な水晶発振器と同じような性能です。　電源は標準12Vを与えます。 基板内部に8Vの三端子レギュレータがあるので10〜15Vの範囲なら大丈夫。約20mA消費します。

　この発振器の基本はPLL式です。　PLL発振器の設計方法は過去のBlog（←第1回へリンク）に詳しく書きました。　この基板は1992年に作ったものです。　何ぶんにも作った時期が古いので幾らか考え方に異なる所もありますが、その基本は違いません。　後ほど評価結果がありますが十分な性能でした。　いま見ると少し改善したいところもあるのですが、そのままそっくり製作しても使い物になります。

 【455kHz PLL-BFO 回路図】
　回路の説明です。　基準周波数の発生には2MHzの水晶発振子（HC-49/U)を使っています。発振はFET（電界効果トランジスタ）で2SK241GRを使いましたが、ここ(Q3)は2SK192AGRでも良いです。　2000.1980kHzを発振させたあと、リファレンス・デバイダのTC9122P(U2)で666分周して比較周波数：3.00330033・・・kHzを得ます。　なお、CW用のときは665または667分周します。

　VCO(Q1)は2SK241GRを使ったハートレー型発振回路です。バリキャップ（可変容量ダイオード）は製作当時適当な手持ちがなかったらしく、05AZ33Yと言う33Vのツェナー・ダイオードで代用しています。　実験ノートのメモによると逆バイアス電圧が1Vのとき22pF、7Vのとき13pFの端子間容量とあります。　10pF程度の容量変化があれば455kHz付近で数kHzを可変するには十分ですから使ったものと思います。　今でしたら20pF程度の変化量が得られるバリキャップは容易に手に入ります。それを使うべきでしょう。それくらいの容量変化が得られれば4個使いではなく2個をつきあわせて使えば十分です。

　VCOの出力(Q2)には2SK241GRを使ったバッファアンプを置き、約10dBmの出力を得ています。　2SK241GRは2SK544Fや2SK439F（ピン配置注意）で代替できます。　VCO部分(Q1)は2SK192AGRやBF256Bで代替できますが、バッファアンプ(Q2)はなるべく2SK241GR等が良いです。

　VCOの出力はプログラマブル・デバイダのTC9122P(U3)で151あるいは152分周され位相比較器へ送られます。

　位相比較器はMC14046B（CD4046Bでも同じ）を使っています。比較周波数が約3kHzと低いため、スタンダードC-MOSの位相比較器で十分です。　もちろん74HC4046も使えますが高速C-MOSを使っても性能アップするわけではありません。もし74HC4046を使うなら最大電源電圧が低いので電源を7Vに下げる必要があります。　3kHzステップなので10kHzのPLLよりも設計は難しくなります。　ループ・フィルタはパッシブ型で、デザインが古いのでインピーダンスは高めの設計です。しかし後ほど示すようにスペクトラムを観測した限り支障は感じられませんでした。
　なお、リファレンスのフィードスルー（漏れ）が気になったらしく3段のリファレンス・フィルタが追加してあります。　いまでしたらC-MOS OP-Ampを使ってバッファ機能を持ったリファレンス・フィルタを構成するでしょう。　スペクトラムを観測していて性能が不十分なようなら改造しようと思っていたのですが、支障なかったためそのままにしました。　ただしVCOの調整は多少クリチカルなようです。

　電源は+8Vの3端子レギュレータで安定化しています。　周波数切り替えのためにプログラマブル・デバイダとリファレンス・デバイダの両方の分周数を切り替えます。　簡単なスイッチで済ませるためにダイオードを使ったマトリクス回路が組んであります。　この部分がハード的な「プログラム」の一種と言えないくもありませんね。hi

　回路はわりあい簡単ですので、部品が揃えば短時間で作れます。　ちょっと面倒なのはコイル巻きかも知れません。　コイルについて詳しくはVCOの写真のところにあります。

 【2MHz・基準発振回路】
　2.000MHzちょうどを発振させてしまうと、必要とする453.5kHzや456.5kzの誤差が大きくなりすぎるため、少しオフセットさせます。　具体的には約189Hzほど高く合わせます。　これを666分周して3.00330033・・・kHzを得ます。

　ごく普通の2MHzの水晶発振子は+189Hzくらいの周波数なら簡単に合わせられます。　特注などせず、ごく一般的な市販品の2MHz水晶発振子が使えます。　わざわざ水晶発振子を特注するくらいなら455kHz帯の水晶を頼めば良いわけですからね。既製品で間に合わせるのがミソです。（笑）

　昨今はTC9122Pがやや値上がり気味なので経済性が悪くなっていますが、水晶発振子を4つ特注するよりも安上がりでしょう。　納期を待つ必要もありません。　TC9122Pではなく標準的なHC-MOSのカウンタで構成することもできます。　ICの数は増えますがその方が経済的でしょう。(例えば74HC161を2+3=5個使う）

　お気付きのお方もあると思いますが、ごくわずかな周波数誤差は許容すると言う設計です。計算上、USB用/LSB用ともに約1.7Hzほど誤差を伴います。　しかし一般的な455kHz帯の水晶発振器でも数Hzの変動や誤差は普通に存在しますので性能は同等です。　実際に類似設計した455kHz帯のPLL-BFOを使った受信機ではなんらの支障も感じませんでした。　PLL式の場合、基準発振器を合わせれば全部の周波数が揃うので個々の周波数合わせの面倒がなくてむしろ便利なくらいです。

　完璧主義者ならTCXOとDDSでやるのが良いと思いますが恐らく実用の上で違いはわからないでしょう。　要するに電子回路は実用性能が得られれば十分なわけです。わずかの誤差を許容すれば水晶発振子の特注など不要になります。

【VCO回路】
　VCO（電圧制御発振器）はハートレー型のLC発振器です。　その同調コンデンサの一部にバリキャップを使い発振周波数を電気的に可変する形式です。　既述のようにバリキャップはツェナー・ダイオードで代用しています。

　発振コイル(L1)は東光の7PLAと言う低い周波数用のコイルボビンを使ったものです。　インダクタンスは500μHあります。　全部で112回巻きでタップはGND側から17回の位置から引き出します。巻線はφ0.05mmのポリウレタン電線です。

　同等のインダクタンスが得られれば良く、一例としてaitendoで売っている「IFTきっと」のような素材で作れます。　500μHを得るための巻き数は異なるのですが、タップ位置を同じ比率のところから取り出せば大丈夫です。　実測しておいた手元のデータによるとaitendoの「IFTきっと」の場合、φ0.08mmの巻線で127回くらい巻くと500μHが得られます。タップの引き出し位置はGND側から19回のところにします。

　VCO回路の出力部分にあるコイル(T1)は同じく東光の7PLAコイルボビンが使ってあり、同調側（FET側）が45回、出力リンクが8回巻いてあります。+10dBmを取り出すために低いインピーダンスに設計してあります。　　1500pFで455kHzに同調すれば良いので同調側のインダクタンスは約80μHです。同じくφ0.05mmのポリウレタン電線で巻いてあります。　ここにもaitendoの「IFTきっと」を利用するなら、同調側は53回、出力リンク側は9回で良いでしょう。こちらの巻線はφ0.08mmのポリウレタン電線を使います。

　発振部(Q1)は2SK192AGRやBF256Bでも大丈夫ですが、バッファ・アンプ部(Q2)は2SK241GRや2SK544Fが良いです。　負荷インピーダンスが低いので2SK192AGRやBF256Bであっても発振してしまう可能性は低いのですが、2SK241GRや2SK544Fなら安全です。　もちろん日立ファンのお方は2SK439Fでしょうね。2SK439は足ピンの配列が逆順なので注意します。

【基板の裏面】
　裏側など見ても詰まらないと思います。　大した回路ではないので配線も簡単です。　部品配置が合理的ならあまりジャンパー線も増えません。

リファレンス・フィルタの部分を後から追加したように思うので、多少余裕のない部品配置になっています。　基板にはまだ余白があるのでVCO部分はもう少し場所を確保しておきたいと感じました。

　なるべく小型の部品を使い、リード線が不必要に長くならぬようにハンダ付けします。  特にVCO部分の部品や配線がブラブラすると出力信号のスペクトラムにノイズが乗る可能性があります。　使ったコイルはコアが強く止まっているので振動で緩む可能性は低いと思います。もし可能ならパラフィンなどを塗布して緩み留めを行なうとベストでしょう。　製作後少し経ってから再調整の必要があるかも知れません。接着剤のようなもので完全に固めてしまうのはうまくありません。

【スペクトラムの観測・その１】
　一例として、LSB用の456.5kHzを10kHzスパンで観測している状況です。　このように細くシャープなスペクトラムが得られます。　以前のBlogのとき見た7MHz PLL発振器のスペクトラムよりも裾野はずっとシャープですが、これには理由があります。

　VCOの可変範囲がずっと狭くなっており、VCOの感度が低くなるように作ってあるからです。さらにロックアップタイムもtL=500mSとかなり遅い応答にしています。頻繁に切り替える必要がないからですが、それでも0.5秒なら普通は支障ないです。　この辺りが3kHzステップのPLLであっても綺麗な出力が得られている理由です。
　そもそも周波数が低いのも有利なのでしょう。　このスペクトラムを見ると良くできた水晶発振器に遜色のない信号が得られていると思います。　写真のノイズフロアはスペアナの測定限界によるものです。

【スペクトラムの観測・その２】
　今度はUSB用の453.5kHzを発生させて、100kHzスパンで観測しています。　リファレンスのフィードスルー（漏れ）によるスペクトラムの汚れも見られず、非常に綺麗です。

　CW用のスペクトラムは示しませんが、USB/LSBと違いません。　 何れにしても、これならSSB/CWの復調用にもSSBの発生用にもまったく問題はないでしょう。　普通に水晶発振子で作ったBFOやキャリヤ発生回路と同等に使えます。DDS発振器と違って折り返しのスプリアスが存在しないのもFBでした。

　少々古くなってきた技術で作った発振器ではありますが目的の用途には十分な性能でした。　あえて作りかえることなく、このまま完成したユニットとして活用しましょう。 作ったことを忘れていましたが旨いものが見つかってよかったです。（笑）

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【CW用メカフィルも発掘】
　探していたら600Hz幅のCW用メカフィルも見つかりました。　こうしたフィルタの中心周波数は概ね455kHzになっています。　CW用のBFOは中心周波数から約800Hz離れた位置に置けば良いでしょう。

　このPLL-BFOではリファレンス・デバイダの分周数とプログラマブル・デバイダの分周数の両方を変えることでCWにちょうど良いBFO周波数を得ています。　実際には455kHz±820Hzくらいになっています。　フィルタそのものの通過帯域幅は500〜600Hzあるので600〜1kHz程度のビート音で聞くことができます。　CW用としてちょうど良いです。

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　455kHz帯でフィルタ・タイプのSSBジェネレータを作るには標準値として453.5kHzと456.5kHzの発振器が必要です。　無線機の自作が盛んだった頃なら既製の水晶発振子が売られていたのですが、いまでは特注するしかありません。

　ちょっと考えると、この2つの周波数はちょうど3kHz離れていますから3kHzステップのPLL発振器で作れそうに思えませんか？　ところが、どちらの周波数も3kHzの整数倍ではありません。　また1.5kHzの整数倍でもないのです。　従って単純な3kHzステップのPLLでは発生できないのが面倒なところです。　まあ、100HzステップのPLLなら巧く行くのですが、こんどはソレを作るのが難しいです。他にヘテロダイン式という手もありそうですが・・・。

　この例のように、多少の周波数誤差を許容すれば簡単な回路でうまく作れます。　興味が湧いてきたら電卓を片手に計算されてみてください。　当てずっぽうではなく、合理的な設計・計算法があるのですが冗長になるので省きました。たぶん必要とする人は稀でしょう。

　完璧主義者には向きませんが実用主義者には十分な発振器が実現できます。　455kHzのSSBフィルタ用だけでなく、他の周波数のSSBフィルタが対象であっても同様に可能なので応用してみるのも面白いと思います。　国際電気のアマチュア用SSBメカフィルのように中心周波数が個々に少しずつずれているようなケースでもちょっと工夫すれば実現可能です。
　Blogに僅かでも計算の話が登場するとそこで思考ストップしてしまうみたいですが何だか淋しいですね。たまには頭の体操と思って試しては如何。（笑）　ではまた。de JA9TTT/1

（終わり）nm+4