2022年11月24日木曜日

Audio CW Filter & Power Amp.

オーディオCWフィルタとパワーアンプ

フィルタ付き低周波アンプを作る
「私だけの受信機設計」の第12回です。今回は低周波アンプ部を製作します。

 ここまでのテストでは暫定的にLM380Nを使った低周波アンプを使ってきました。 電圧利得で50倍だけ増幅するシンプルなパワーアンプでした。無歪パワーは250mW程度のものです。

 まずまず使い物になるのでそのまま低周波アンプとしても良かったのですが、通信型受信機にマッチしたアンプを作ることにしました。 3kHzのローパスフィルタと聴感の良いオーディオCWフィルタを組み合わせた低周波増幅部を作ります。

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 受信機の低周波アンプなんて必要なゲインがあれば「適当なもので良い」と思うかも知れません。 しかし意外に重要な部分だと思っています。 低周波増幅回路のひずみ特性や周波数特性が良くないと特有の音色を持ちます。ワッチしていて疲れる受信機になっているかも知れません。受信了解度にも影響があるでしょう。 プロの受信機を見ると思った以上に凝った回路になっていることがあって感心させられます。

 メーカー製のアマチュア機の場合コストの問題もあるのでシンプルに低周波アンプ用のICを使う例がほとんどです。 それでもマズマズですが比較的小さな音量で聞くことが多いシャックではクロスオーバー歪が気になることがあります。 特に大きめの音量が出せるような固定機ではその傾向にあります。パワーの大きなカーラジオ用ICを使っているのが原因でしょうか。
 合わせて無線機内蔵のスピーカーもチープなものがほとんどです。それで良い音は無理です。外付けスピーカを使いましょう。無線機のオプション品も良いですがミニコンポ用(リサイクルショップで購入)がオススメ。たった数百円〜で音質良好になります。

 ここでもパワーアンプ用のICを使っています。AB級アンプなのでちょっと心配したのですが、小出力でワッチしていてもまずまずでした。それで気になって来たらグレードアップしましょう。

 高周波部に比べて低周波アンプ部は受信機の本質的な部分ではないと思っていませんか。たしかに高周波部に比べて重要度や難易度がやや低いのはその通りです。 ここでは意外に凝った低周波増幅部を構成しています。 単純なオーディオアンプで十分と思っているのでしたら複雑過ぎると感じるかも知れません。しかしやさしいところで手を抜くとひどい目に合うことがあります。

アナログで作るオーディオCWフィルタ
 だいぶ前のBlogで扱った「音の良いCWフィルタ」を使います。 過去のBlog(←リンク)では同じ回路で様々な特性のフィルタが作れることに面白さを感じたことが出発点でした。シミュレーションを主体にした内容です。

 もちろん良い性能が得られるので製作して後悔はありません。 実際に自作受信機やCWフィルタの帯域外減衰特性が良くないFR-101受信機に内蔵させてとても良い結果が得られています。
 回路はOP-Ampを使った2次のアクティブ・フィルタを4段重ねて様々な特徴を持ったフィルタが作れるという設計になっています。

 通信型受信機のCW受信用としては図中の表で2段目の「トランジショナル・ガウシャン トゥ 6dB」と称する特性のフィルタがお奨めです。 -6dBより内側が過渡応答に優れるガウシャン特性で、その外側は遮断特性の良いバターワース型になったフィルタです。 名前の通り-6dBの所で特性が切り替わるという「良いとこ取り」のようなCWフィルタです。

 一覧表の赤で囲った部品定数を選びます。 この特性のフィルタはCWのような断続波において、CWトーンの立ち上がり部分でオーバーシュートせずスムースです。また信号が切れた後に余韻を引かないため300Hzといった狭帯域にもかかわらずこもった感じがせず信号も粘らず自然な音色が得られます。

 図の部品定数表は実際に製作するためのものです。コンデンサや抵抗器は少なくとも1%精度の物を使う必要があります。その上で4つある各セクションをそれぞれ表中の周波数でピークになるよう同調させます。結構シビアな調整が必要なので周波数がHz単位までわかる低周波発振器あるいは周波数カウンタの併用を要します。

 E24系列で1%精度の抵抗器は入手容易なので問題はないとして0.039μFで誤差1%のコンデンサが厄介かも知れません。良質なフィルムコンデンサを余分に手に入れてLCRメータで選別する必要があるでしょう。10%や20%の誤差のまま使ったのでは所望の特性が得られないのです。 なお、「0.039μF」という数値に拘るのではなく8個がなるべく同じ容量値になるようにします。例えば8個を0.038μFに揃えても良い訳です。 もちろん容量差の分だけ僅かに中心周波数はズレますがフィルタの特性カーブは保たれます。

作るCWフィルタの周波数特性
 フィルタと言うとどんな周波数特性なのか気になります。中心周波数が700Hzで-3dBの帯域幅が300Hzの設計です。

 ここで選択したフィルタはグラフの緑色のカーブのようになるはずです。 これは誤差のない部品を使ってシミュレーションした結果です。 現実の部品には何がしかの誤差があるので厳密にこのようにはならないかも知れません。

 しかし、各段を構成する2次のアクティブ・フィルタはあまりQが高くなく、ゲインも低い設計なので大きく崩れることはないはずです。 配線・組立の後に表中に記された周波数でそれぞれピークが出るように各可変抵抗を調整すればシミュレーションと良く一致した特性が得られます。

 もし異なる特性のフィルタを作りたいのなら回路図の表に戻って作ればうまくゆきます。 しかしCWの受信には「トランジショナル・ガウシャン トゥ 6dB」特性のフィルタをお薦めしたいです。(注:やや特性が甘くなりますがベッセル特性も良い選択です)

OP-Amp.で作ると
 どんな感じになるのか実際の製作例を示します。 写真は昔作った自作受信機における製作例です。

 コンパクトに製作する目的でコンデンサには積層セラコンを使っています。温度補償系のセラコンならマズマズですがフィルム・コンデンサの方が優れます。 できたらマイラ・フィルムのような低周波に向いたコンデンサを使いたいところです。

 この写真の製作例では部品を高精度に選ぶことで無調整にしています。そのために部品集めが大変でしたから回路図のように調整式にした方が作りやすいです。

 OP-Amp.は4回路入りのTL074CNを使って小型化しています。 他のOP-Amp.でも良いのですがこうしたフィルタ回路にはオーディオ特性(正確に言えばAC特性)の良いOP-Amp.が向いています。 周波数は1kHz以下ですから大抵のものが使えます。
 汎用品のLM324NやLM358N系はお手軽なので好きなOP-Amp.ですがこの用途にはやめた方が良いです。出力段がC級アンプなのでどうも音が良くありません。 オーディオ用と称するOP-Amp.はFBですがHAMの用途にはちょっと勿体無いかも知れません。お手軽なOP-Amp.としては4558系などが良いのではないでしょうか。あとはお好みです。

以上、周波数は700Hz固定で良い、やっぱり純アナログが一番だ。・・・と言うのでしたらOP-Amp.を使ったCWフィルタが最適です。 部品の選別が必要なので少し作るのは面倒臭いですが、使用感は良好ですからお薦めできます。

参考:フィルタ部のコンデンサ(C1〜C8)のすべてを0.039μF±1%から0.047μF±1%に変更すると約600Hzのフィルタになります。また、0.039μFから減らして0.033μF±1%にすれば約800Hzのフィルタにできます。なお各調整周波数は変更した容量比の逆数分だけ変えます。例えば0.039μF→0.047μなら容量比は47/39≒1.205ですから、各調整周波数は1/1.205を掛けたものになります。(≒0.83倍) この件、あやふやな部分とかもし良くわからなければ聞いてください。わかる範囲でお答えします。

 上図の回路はCWフィルタ部分だけです。低周波のパワーアンプ部分などは、このあと説明のある回路と同じで大丈夫です。後述の回路図のCWフィルタ部分を上図の回路に置き換えてやれば全く同じように製作できます。 電源電圧も9Vで支障ありません。

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オーディオCWフィルタ・もう一つの方法
 写真はブレッド・ボードに作ったオーディオCWフィルタと低周波アンプ部です。 SSB用に3kHzのローパス・フィルタも含んでいます。

 CWフィルタの部分は始めに紹介したフィルタとまったく同じ特性を持っています。すなわち「トランジショナル・ガウシャン トゥ 6dB」と称する特性のフィルタです。 従って後ほど特性の測定例が出てきますが実測でもシミュレーションそのままです。

 ただしCWフィルタの部分にOP-Amp.は使っておらず「スイッチド・キャパシタ・フィルタ」(以下略してSCF)と言うやや特殊なフィルタ専用のICを使って作りました。 SCF-ICはナショナル・セミコンダクタ社(現TI社)のMF10CCNを使いました。写真の上の方に2つある20ピンの大きめのICです。 MF10CCN一つで2次のフィルタが2回路作れます。従って2個使うことで2次のフィルタを4セクション使う最初の説明のような「トランジショナル・ガウシャン トゥ 6dB」がそっくり同じように作れる訳です。

 基板手前左には2回路入りのOP-Amp:TL072CPを使ったプリアンプとローパスフィルタ(LPF)があります。LPFのカットオフ周波数は3kHzで遮断特性は12dB/octです。あまり急峻とは言えませんがもともとI-Fフィルタで帯域制限されていますから、この程度で十分効果的です。 それと、その可能性はほとんど無いのですがSCFのクロック周波数とビートになる周波数で信号通過が起こるのを防ぐ意味があります。(ビートが起こるのは数10kHz〜100kHzと言う可聴域外の周波数なのでそもそも受信機の低周波アンプでは問題にならないのですが・・・)なお、SCFのクロックの話は後ほど出てきます。

 右下に見える低周波パワー・アンプ部にはNJM386BDを使いました。 これはナショセミ社のLM386Nと同等のものです。 テスト受信に使っていたLM380Nよりも低い電源電圧向きなので使うことにしました。 オーソドックスすぎますがまずまずの性能です。8Ωのスピーカで最大300mWくらいしか出ませんがシャックに置く受信機には適当なパワーです。 電源電圧を9Vに統一していますので「386」のパワーアンプは無難な選択です。

スイッチド・キャパシタ・フィルタで作る
 低周波プリアンプ、3kHz-LPF、CWフィルタ、低周波パワーアンプ部の回路図を示します。このユニットへの入力信号はBFO&プロダクト検波ユニット(←この特集第4回へリンク)の出力です。

 回路図の上の方の抵抗器がたくさん使ってある部分がCWフィルタです。所定のフィルタ特性を得るためには計算通りの抵抗値が必要です。 キリの良い抵抗値にならないのでE24系列の抵抗器(←リンク)を2本直列で必要な抵抗値を得ている箇所があります。そのため抵抗器の本数が多くなっています。 面倒だからと言って近い値の標準抵抗値に丸めてしまうと所定の特性が得られません。(参考:抵抗器の誤差を±1%とすれば一部に抵抗器の本数を減らして簡略化できる箇所があります)

 たくさん抵抗器を使うので複雑であまりメリットはなさそうに思うかも知れません。その代わり0.039μFと言ったコンデンサは不要なのでたくさん買って選別する手間はありません。これは一つ目のメリットです。E24系列で1%精度の抵抗器は普通に売っていますから選別など不要です。

 ご存知のようにSCFを使ったフィルタにはそれ以上の非常に大きなメリットがあります。 SCF-ICにはクロック信号を与えなくてはなりませんが、そのクロックの周波数を可変してやるとフィルタの周波数を任意に変えることができるのです。 OP-Amp.で作った純粋なアナログ式フィルタではもし700Hzで作ると後からフィルタの周波数を変えることはかなり厄介です。8つもあるコンデンサを切り替えるのは大変でしょう。 しかしSCFを使うとクロック周波数を変えてやればフィルタの中心周波数を自由自在にできると言うメリットがあります。回路図の例では200Hz以下から8kHzあたりまで変えられます。(CW用なのでそんなに変えられる必要はないのですが・笑)

 ここではフィルタの中心周波数は700Hzで、-3dBの通過帯域幅は300Hzで設計しています。 その時のクロック周波数は100倍の70kHzを与える設計です。これが設計の出発点です。 しかし後からクロック周波数を変えてやれば700Hz以外のフィルタにもできのです。 即ち40kHzのクロック信号を与えれば400Hzの、あるいは100kHzなら1kHzの所にピークが来るCWフィルタになります。 このように中心周波数可変型のCWフィルタが容易に作れるためSCF-IC:MF10CCNを使いました。
 これで「トランジショナル・ガウシャン トゥ 6dB」と言う優れた特性のままで中心周波数を自由に可変できるCWフィルタを作ると言う長年の課題に答えが出せました。(前々から可能なことはわかっていたのですが面倒に感じて手をつけなかっただけなのですが・笑)

 クロック発振器にはタイマーICのNE555Pを使いました。可変抵抗器:VR一つで発振周波数が幅広く変えられる矩形波発振器です。 このNE555PとMF10CCNは電源電圧:+9Vの他にその半分の電圧(+4.5V)が必要です。
 その+4.5Vの生成にシャント・レギュレータ:TL431Cを使いました。 また、既に書いたように低周波パワー・アンプはNJM386BDです。 この低周波ユニットは+9Vの単電源で動作し無信号時に約34mA流れます。音量のピークでは140mAくらいでした。(8Ωのスピーカ負荷で)

フィルタの中身はどうなっているか?
 フィルタの設計を詳しく扱うとBlog一回では終わらないので、かいつまんだ話をしたいと思います。 それに大半のお方にとっては退屈で眠くなるような内容でしょう。以下深みにハマらぬ程度でやめておきます。もちろん数式も登場しません。

 まず、仕様を決めるのがスタートになります。CWフィルタですから、中心周波数は800Hz付近に選びます。また、帯域幅ですが無闇に狭いと使いにくいだけなので200〜300Hz幅が現実的です。それでもアナログ式ダイヤルの受信機(トランシーバ)では同調がクリチカルになるのでやや広めが望ましいと思っています。既にI-Fアンプの所に数100Hz幅のCWフィルタが装着済みなら300Hzくらいでも十分ですし、SSBフィルタしか持たない受信機でも不満はないでしょう。

 セクションの数が多いほど急峻になりますが回路はそれだけ複雑になります。過去に6セクションのタイプを製作しましたが過剰だと感じました。従って2次フィルタの4セクションで十分です。 このようにしてフィルタの概要が決まりますが、CWはバースト波なので過渡応答性を考慮してフィルタ形式を決めます。私の場合は「トランジショナル・ガウシャン トゥ 6dB」を選ぶことにします。これはベッセル特性でも構いません。過渡応答をそれほど重視しなければ他の形式でも良いです。あとは目的次第です。

 その上で、フィルタ形式とセクション数:n=4に従ったポールロケーションと言うものを求めます。これはフィルタ関係のデータブックなどから得ることができます。フィルタ設計のソフトウエアを使っても構いません。 データは一般に正規化されているためスケーリングの計算を行ないます。その計算を経て4つある2次フィルタの各セクションについてそれぞれ(1)中心周波数、(2)フィルタのQ、(3)ゲインが導かれます。

 OP-Amp.を使うアナログ形式で作る場合、適切な形式の2次のバンドパスフィルタ回路を選択し、(1)〜(3)の特性が得られるようにコンデンサ:Cや抵抗器:Rの値を決めて行くことになります。回路例では「多重帰還型」という形式の2次のBPF回路を採用しています。 4つのセクションについて計算が済めば設計完了です。アナログ形式では都合の良いコンデンサの値を事前に決めておく必要があるでしょう。最初の例ではそれが0.039μFだった訳です。計算は面倒くさいですが決して難しいものではありません。

 SCFの場合もまったく同じ手順ですが、MF10CCNの設計資料を参照して4つある各セクションについて(1)〜(3)を満たすように設計します。回路例は「モード3」と言う動作モードで設計しています。 それでMF10CCNに外付けすべき抵抗の値が求められます。 その際、計算の基準とする抵抗値を一つ決める必要があって私の設計では20kΩに選びました。これは例えば5kΩや10kΩに選んでも良いはずです。もちろん基準の抵抗値を変更しても同じ特性が得られます。クロック周波数は100倍あるいは50倍で選択します。(どちらかを選択してピン接続を決める)これはSCF-IC:MF10CCNの仕様によります。製作例では100倍を選択しています。
 設計された4つのセクションの周波数特性は図のようになっていて、図に見るように2次のセクション4段の合計で最終的に目的のフィルタ特性になります。この特性はOP-Amp.を使ったアナログ形式でもSCFを使った形式でもまったく同じです。

 現在では入力信号をA/D変換し数値演算によってまったく同じ様な特性を得ると言うDSPにるデジタル・フィルタ形式がトレンドになりつつあります。 しかしアナログ式やSCFによる方法は演算処理に要する信号の遅延がほぼ無いという特徴があってDSPより優れる部分もあると思っています。

 多分、これだけの説明ではチンプンカンプンかもしれません。説明力不足で申し訳ないですが私もまだまだ研究中です。 もうちょっと深く理解するには初歩的でも良いのでフィルタの理論を知っていると良いでしょう。フィルタに関する専門書は私にはどれも難しいと感じられますが興味があれば研究されてください。 HAMの自作にとってフィルタは切り離せないものですしある程度思うような設計ができると自作の世界も広がります。もちろんデジタル・フィルタであってもフィルタ理論の根本は同じです。若いお方でもフィルタ回路について詳しく知ることは将来無駄にはなりません。

SCF-ICのMF10CCNが主役
 ICの写真を見せても仕方がないのですが、中華通販などで購入される場合は参考に見ておいてください。

 MF10には面実装型もありました。残念ながらDIPタイプだけでなく面実装型もディスコンになったようです。おそらくだんだんニーズが減ってきたからでしょう。 デジタルなように見えてもアナログなICですし設計の自由度があり過ぎるため、あまり素人向きとは言えないように感じていました。
 それに単純なピーク型の単峰特性のフィルタや簡単なLPFくらいならOP-Amp.と数個のCRで作れますからね。 MF10CCNを上手に活用するとたいへん面白いフィルタが作れるのですが、それが実感できるためにはフィルタの理論を知らねばなりません。結局、美味しくても調理が難しい素材はシェフから敬遠されてしまうのでしょう。(笑)

 MF10CCNは歴史のあるICですからまだまだ流通在庫が残っているようです。やや価格上昇気味かもしれませんが何とか手に入るでしょう。 もともとあまり安いICではなかったので一つ500円くらいなら買って損はないと思われます。 もし可変周波型の「音の良いCWフィルタ」に興味があるなら有るうちに手に入れておくのも良いかも知れません。 いつか作りたいと思ったとき手遅れにならないように・・・。(もちろん、購入の際はご自身の判断と責任でお願いします)

 そのまま差替え可能な互換品ではありませんがMAXIM社(現・ADI社)のMAX7490がほぼ同等の機能を持っています。 ほかにもリニアテクノロジー社(現・ADI社)のLTC1067(-50)も同じようなチップです。 いずれも部分的な設計変更で同じように使えます。 どちらかと言えば電源電圧範囲の広いLTC1067の方が有利かも知れません。どちらも生産中です。 部品商社から少量の購入が可能で単価は$10-くらいです。

脇役デバイスにも重要な役目あり
 低周波アンプのユニットですから低周波パワーアンプのIC「386」が主役なのかも知れません。(笑)

 NE555PはSCF-ICに必要なクロックの発生に使います。 各社から同等品が出ていますのでどれでも良いでしょう。最近はC-MOSタイプもポピュラーになりました。C-MOSタイプの"555"も同じように使えます。

 MF10CCNはプラス5Vとマイナス5Vの2電源で使うのが標準ですが、+10Vだけの単電源でも使えます。その代わり+5Vの中点電圧が必要になります。 また+9Vの単電源でも支障なく使えますが電源電圧の中点電位である+4.5Vの電源が必要になります。その+4.5Vは可変電圧型シャントレギュレータ:TL431Cで作っています。 +4.5Vの消費電流は12mAくらいですからブースタ・トランジスタは必要ありません。この12mAのうち大半はNE555Pが消費しています。

 いずれのICもポピュラーで安価なものです。通販でも容易に入手できるので困ることはないでしょう。

SCFで作ったCWフィルタ・拡大
 MF10CCNの周りを拡大しています。

 1セクションあたり抵抗器が4本・・・実際には複数で抵抗値を合成していますので7本くらいあります。そのためブレッドボードでの試作では配線の取り回しが難しくてどうもスッキリしません。 基板化する場合は抵抗器の下へ配線を通すなど工夫すれば配置しやすいと思います。 MF10CCNのピン配置も配線を考慮してうまく考えられていると感じます。

 回路のインピーダンスは低めですし低周波ですから配線は少々長くなっても大丈夫です。 電源端子など要所に0.1μFくらいのバイパスコンデンサを入れておけば安定した動作が期待できます。

 原理的にはフィルタ部の全段をDC的に直結可能なのですが、いくらかオフセット電圧が発生します。オフセット電圧が累積するとダイナミックレンジが縮小するので途中をコンデンサでDC的に切ってやります。
 あまり小容量のコンデンサで切ると周波数特性に影響が出ますから1μFのフィルムコンデンサで切りました。コンデンサの両端でDC的な電位差はほとんど生じないためかえって電解コンデンサは不適当です。 もし電解コンデンサを使いたいならBP型(バイポーラ型、無極性型:ノンポーラ型とも言う)を使います。 特に難しいところはないので容易に作れると思います。もちろん配線間違えは致命的ですけれど。hi

 MF10CCNはC-MOS構造のICです。このCWフィルタの製作では空きピンは発生しませんが、ユニットの片側のみ使うと言った場合には使わない側の空きピン処理が必要です。使い方のすべては書き切れませんので詳しくはメーカーの資料を参照します。 もちろん自身で新たに回路設計しないのでしたら何も悩まず上述の回路図通り作ればOKです。

入力プリアンプと3kHzのLPF
 この低周波ユニット全体で約32dB(40倍くらい)のゲインになるようプリアンプを置いています。プリアンプのゲインは2倍弱で入力インピーダンスは47kΩです。このBlogで製作したSSB/CW検波ユニットを繋ぐ場合は入力部の可変抵抗:VR3はなくても良いでしょう。(音量調整はVR4:10kΩ・Aカーブの方で行ないます)

 OP-Amp.:TL072CPの片側でフラットに約2倍増幅したあと、もう半分で3kHzのローパスフィルタ(LPF)を構成します。そのあとCWの時はMF10CCNのバンドパスフィルタへ行きます。 SSBの時はそのままNJM386Bの低周波パワーアンプへ行くようにします。

 LPFは-3dBの周波数が3kHzで、その上の周波数で-12dB/octの傾斜を持つシンプルなものです。なお、-12dB/octと言う意味は周波数が2倍(オクターブ)になると12dB減衰する特性のことです。 3kHzのLPF回路はなるべく精度の良い部品を使うべきですが神経質になるほどではありません。回路図のコンデンサ:C10はC9のちょうど半分なので、C10と同じ容量のコンデンサを2個使って直列にすれば目的の容量になります。あるいはC9 = 0.01μF、C10 = 0.0047μFでも十分かも知れません。 いくらか遮断特性は変わりますが支障はないはずです。 カップリング・コンデンサ:C6は1μFのフィルム・コンデンサを使いました。BP型の電解コンデンサでも良いです。

SCFクロックGENと低周波パワーアンプ
 SCFのMF10CCNには矩形波のクロック信号が必要です。

 フィルタ中心周波数の100倍の周波数のクロック信号を与えます。 クロックの振幅はGND〜+4.5Vの矩形波です。ピン接続を変えれば波高値が0〜+9Vの矩形波も使えます。詳しいことはMF10CCNのデータシートを参照します。

 クロック信号の発生にはタイマーICのNE555Pを使って矩形波発振器を作りました。 周波数の可変範囲が広くて、Duty比がほぼ50%の矩形波が得られる回路になっています。 配線が済んだらNE555PのPin7にて出力波形をオシロスコープで観測し、まずはじめにVR1を調整してHighとLowの割合が半々になるようDuty比を調整します。波高値が0〜+4.5Vであることも確認しておきます。発振周波数調整用のVR2:100kΩは受信機のパネルに取り付けて目盛りを記入しておくと便利です。周波数の可変範囲は広すぎるくらいになっていますのでコンデンサ:C3(470pF)を変えたり、抵抗器R22(1kΩ)を大きくするなど実用的な発振周波数範囲に狭めておくのも良いでしょう。

 話が前後しますが、TL431Cを使った+4.5V電源の電圧を確認しておきます。+4.3〜4.7Vくらいなら良いでしょう。それを大きく外れているならまずは配線を確認します。その上で抵抗器:R18とR19の値を確認します。

 LM386N(=NJM386BD)を使った低周波パワーアンプはアプリケーション・マニュアル通りのオーソドックスな回路になっています。ゲインは20倍で使います。
 LM386Nはゲイン200倍で使うこともできますが発振しやすくなります。ここではその必要もなかったので20倍にしていますが動作はずっと安定していて発振などのトラブルは起こりにくいようです。 LM386Nはできるだけ20倍のゲインで使うのがコツのようです。このAFアンプユニットでもプリアンプにゲインを持たせることで「386」のゲインは20倍で使いました。

SCFにはクロックが要る
 NE555Pの発振周波数を確認しています。Pin7の所で測定しました。これがMF10CCNに与えるクロックの周波数になります。

 これから中心周波数が700Hzの時のフィルタ特性を観測したいと思います。 クロックは100倍の周波数が必要ですから周波数調整用のVR2で70kHzになるようにしておきます。(±1%くらいで十分です)

 フィルタの中心周波数が400Hzなら40kHzに、中心周波数が1kHzなら100kHzに調整して測定します。 NE555Pを使った矩形波発振器の周波数安定度はあまり良いとは言えませんが神経質にならなくても大丈夫です。 1kHz変わってもフィルタの中心周波数は10Hz変わるだけです。もしその程度の変動があっても使っていてわかりません。それに安定動が悪いとは言ってもそんなに変動はしませんし。(C3:470pFの温度係数が大きいと周波数変動が大きくなります。スチコンあるいはマイカコン、またセラコンならCH特性品を使うと間違いありません)

 どうしても気になるのでしたら水晶発振器を基準にして分周するとか高精度が得られる方法でクロック発振器を作ります。しかし実用上その必要はまったく感じられない筈です。従ってNE555Pの発振器で十分です。

クロック70kHzで700Hzのフィルタ
 写真は中心周波数が700Hzの実測フィルタ特性です。 黄色のトレースが振幅特性で緑色が位相特性です。

 回路シミュレーションで計算した特性とよく一致した周波数特性が得られています。 なお、14dBほどゲインがありますが、これはVNA(低周波まで観測可能なもの)の出力を50Ωで終端しなかったことと、TL072CPによるプリアンプのゲインが加わっているためです。

 山形のさえない周波数特性に感じるかもしれませんが使ってみますとCWフィルタとして良い感触です。 音色はまろやかで心地良いものです。 無信号時のノイズも不自然さがなく耳に付きません。 あえて欠点を挙げるとすればどんなCW局もそれなりに美しく感じてしまうことでしょうか。これこそが「フィルタ」の効果なのかも知れません。 まあ、このあたりは私見ですのでご自身で確かめて頂く必要があります。(笑)

クロック40kHzで400Hzのフィルタ
 クロックを40kHzに調整して400Hzの特性を観測しています。

 たぶん400HzでCWを聞くお方は少ないと思いますがあえて低い周波数で試しています。 もちろん500Hzとか600Hzも自在に可能ですから完成したらぜひ試してください。

 700Hzと言った固定した周波数に縛られず好みに調整できるのは大きなメリットです。 また近接した周波数で混信が出てきたらフィルタの周波数を加減すると言った方法で逃れることもできるわけです。

クロック100kHzで1kHzのフィルタ
 周波数特性観測の最後はクロックを100kHzにして中心周波数1kHzの状態で測定します。

 中心周波数が700Hzのとき-3dBの通過帯域幅は300Hzになります。 クロック周波数を変えて中心を変えると帯域幅が変化します。ただし中心周波数に対する帯域幅の割合は変化しません。
 従って中心周波数が1kHzのとき帯域幅は1000/700の割合だけ広くなります。計算すると-3dBの帯域幅は430Hzくらいになります。 中心周波数が400Hzなら逆に狭くなって-3dBの帯域幅は170Hzくらいです。

 通過帯域幅が変化しては困るように思うかも知れません。しかし測定器で観測のように横軸対数で見たとき特性変化がなければ人間の感覚上でも違和感はないようです。 実際に中心周波数を変えると帯域幅は変化するのですが何らの問題も感じませんでした。扱い易さにも変化はありせん。 それに設計周波数の700Hzから大幅に変化させて使うものではないでしょう。実用上の支障は何もないわけです。

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7MHzのCWをワッチしてみました
(再生するとが出ます)

 7MHzのCWバンドを下の周波数から上に向かって受信して行きます。初めの写真にあるような構成でDDS-VFOを使いました。オーディオCWフィルタは約700Hzの設定です。 ワッチしたとき7MHzのコンディションはあまり良くなかったようです。全般にSメータの振れも良くありません。 それでも各局の信号が次々に浮かび上がってくるのが感じられたでしょうか? あいも変わらず7041kHzにFT-8でオンエアの局が群がってますね。hi Sメータの動きなどを観察しながら擬似ワッチをお試しください。 ダイヤルが7050kHzあたりまでアップしたら下の方へ戻って来ます。

                   ☆

 これで低周波アンプユニットの特集はおしまいです。 オーディオCWフィルタの製作がメインになってしまいました。 もしオーディオ帯のCWフィルタに興味がなければ作る必要はありません。スイッチの部分を直結してしまえばOKです。 LM386Nの部分に20倍よりも大きめのゲインを持たせればTL072CPのプリアンプとLPFも省略可能でしょう。各自のニーズと好みに応じて変更すれば良いわけです。

 約1年続けた「私だけの受信機設計」はこれで最終回になります。長いあいだお付き合いいただきありがとうございました。

 HAMが通信に使う受信機と言ってもたいへん幅広いものが使われています。わずか数石・数球のシンプルなものから非常に高級なものまで、さらに最近はSDR式も一般化しました。 アナログな通信型受信機について1年に渡って続けましたが限られた興味の範囲をごくかいつまんだだけのようにも思います。各編から何か少しでも自作受信機のヒントを発見して頂けたなら幸いです。 もっとも、はなから作る意志なんかサラサラなくて単に暇つぶし程度の読み物だったのかも知れません。そのお役には立ちましたでしょうか? hi hi

 検討・製作してきた各ユニットは信号のレベルとインピーダンスが考慮してあるので、そのまま接続して行けば支障なく動作するようになっています。 電源もすべて+9Vだけで済むようにしてあります。(除VFO部分) 電源部の製作は省きましたが+9V/1Aの3端子レギュレータを使った簡単なものを作れば十分でしょう。 +12Vの電源から+9Vに落としても良いでしょう。
 同調回路はどれも電子同調式になっていますので受信機のパネルレイアウトには自由度があります。 VFO部もDDS式で作ればこの部分もレイアウトは自在にできます。 AM/FMチューナ活用のプリミクスVFOもお薦めです。 単独の受信機として製作するだけでなく送信部と組み合わせてトランシーバに発展させるのも面白いでしょう。10MHz以下のHAMバンド用ならシングルスーパのままでも良いでしょう。

 あえて追加すべきようなテーマがなければこれで「私だけの受信機設計」は完了にしたいと思います。 まもなく師走です。楽しいクリスマスと新年をお迎えください。 de JA9TTT/1

(おわり)nm

私だけの受信機設計・バックナンバー】(リンク集)

第1回:(初回)BFO/ビート発振器の回路を検討する→ここ
第2回:BFO/ビート発振器の実際と製作・評価→ここ
第3回:プロダクト検波器の最適デバイスと回路を研究する→ここ
第4回:プロダクト検波器の実際と製作・評価→ここ
第5回:I-F Amp.中間周波増幅器のデバイスと回路の検討→ここ
第6回:エミッタ負帰還型AGCで高性能I-F Amp.を作る→ここ
第7回:I-F Amp.増強とPIN-Di詳細/(含)簡易フロントエンド・I-Fフィルタ→ここ
第8回:DDS-IC・AD9833で周波数安定で便利な局発用発振器を作る→ここ
第9回:高性能フロントエンドで活きる最適デバイスとその活用の実際→ここ
第10回:フロントエンド・Bus-SWとハイレベルDiミキサを比較する→ここ
第11回:古いAM/FMチューナが高性能なプリミクスVFOに大変身→ここ
第12回:音色が良いAF-CWフィルタと低周波アンプを作る(最終回)→いまここ

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。

1年間にも及ぶ大作お疲れ様でした。

さすがに全部は追試できませんが、個々の回路を参考にさせて頂いています。
というか回路のことでググると結構な確率で加藤さんのサイトの記事が上位にヒットしてきます(笑

SFCはAYO丹羽OMが使っていたぐらいしか記憶に無いですが、息が長いICですね。

低周波アンプ、最近は3.3Vで動作させたいのでHT82V739を使うことが多いですが、あまり音は良くない感じがします(笑
6VからでしたらTA7368Pを多用しています。

もう来週は12月、今年もあと少しですね。
良い年末をお迎えください。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、おはようございます。 昨夜は夜更かししたのでちと眠いです。hi hi

さっそくのコメントどうも有難うございます。
> 1年間にも及ぶ大作お疲れ様でした。
月一回の更新で何とかおしまいまで来れたのでとりあえずホッとしているところです。ご覧いただき有難うございました。

> 個々の回路を参考にさせて頂いています。
何かお役に立てばFBだと思っています。 回路のつまみ食いでお楽しみください。hi hi

> 結構な確率で加藤さんのサイトの記事が上位にヒットしてきます(笑
そうですか! 特にSEO対策などは行なっていないのですが、他に同じようなテーマで回路を扱うところが少ないのかもしれません。 今どき既製品を買うかキット製作がトレンドでしょうから一から部品を集めて作ると言ったハナシは稀なのでしょうね。特にアマ無線では。

> 丹羽OMが使っていたぐらいしか記憶に無いですが、息が長いICですね。
最近はMAXIMから高性能なチップが多数登場しているようです。ちょっとしたコツさえ知ってれば使い方も簡単なのでなかなかFBだと思っています。 DSP処理ほど大掛かりでないのが良いです。

> 最近は3.3Vで動作させたいので・・・
単3電池2本で済むので3V電源は便利です。 パワーアンプも各種登場しているので便利ですが、どちらかと言うと低電圧での動作を重視なので音質は今ひとつかも知れませんね。

高橋さんも楽しいクリスマスと良い新年を!(ちょっと早いですが・笑)

セトロ/JE1HBB さんのコメント...

おはようございます。天気さえ良ければ昼間は暖かいですが、来週からはいよいよ冬の空気になるそうです。

 AFで完結、終わっちゃうのですね。とても参考になるシリーズでした。

 並行して(?)作っていた電池管スーパーにも以前のブログをパクったAFフィルターをつけてあります(クリスタルフィルターや世羅多は実未装備)。
今回のシリーズにもこのフィルターが採用されて何か安心してます。Hi.


 IFはIT4の3段にしてあるのですが、やはりゲイン不足は否めないですね。ビニール線Antでは中波も問題なく聞けるのはNHKとニッポン放送くらい。
 1T4は3本でやっと6BA6一本くらいのgmなので仕方ないのかなぁ、でもIF一段で作ってある記事も見たことがあるし……
 手巻きのアンテナコイルとかの結合度を変えてみるのかなぁ、めんどくさいなぁ。腕力でもう一段IF増幅増やしちゃうか などと楽しく悩んでます。

 この受信機(まだ完成はしてませんが)、同じ感じで進んだ加藤さんのブログがあったこともあり、いい学習材料になりました。今のところリング検波とSメーター、AFフィルターそれに安定化電源以外には半導体は使っていません(局発は外部からのPLLですけど)。暑い夏も涼しい作業でしたがそろそろ暖かい真空管が恋しくなる季節です。


 ともあれ、 少しのんびりされて次のテーマをお願いしますね。

TTT/hiro さんのコメント...

JE1HBB 瀬戸口さん、おはようございます。 今朝は綺麗な青空です。風もまだそれほど冷たくありませんね。 暖かいのは助かっています。

いつもコメント有難うございます。
> AFで完結、終わっちゃうのですね。
はい、長いあいだご覧いただき有難うございました。 多バンド化などテーマがない訳ではありませんが、クリスタル・コンバータの話は過去にやっているのでやめました。基本的にミキサの話題と等価ですからね。hi hi これで終了にします。

> このフィルターが採用されて何か安心してます。Hi.
AFフィルタに関する興味はずっと持っていますが、だいたい今回のようなフィルタに集約できると思っています。今回は懸案であった可変周波数型も実現できました。

> やはりゲイン不足は否めないですね。
軍用RXのR392/URRは26A6と言う6BA6似の26V管を使いIFは6段です。プレート電圧が低いのでgmが小さいからでしょう。流石に6段も増幅するとゲインは十分になりますが・・・。 IFアンプ1段でやるにはIFTをHigh-Lに作って共振インピーダンスを上げるのが常套手段ですが副作用もあるので、やはり段数を増やす方法が確実だと思っています。1T4の3段なら結構ゲインがありそうですが・・・?。

> そろそろ暖かい真空管が恋しくなる季節です。
真空管は秋〜冬のものですね。 もっとも電池管はちっとも熱くなりませんけど。hi hi

> 次のテーマをお願いしますね。
今のところ決まってませんがQRP送信機集(球・石とわず)をやるかジャンクな球でオーディオ・アンプなど・・・と思ってますが決まった訳ではありません。 もう何もやらないと言う選択肢が濃厚かな。 皆さんもうこんなBlogに飽きたでしょうからね。(笑)

あまり寒くならないうちにシャックのお掃除でも始めようと思っています。

Kenji Rikitake さんのコメント...

その昔FT-114-J(FT-114-75相当)を多用してLPF+BPFのパッシブCWオーディオフィルタを作りました。イマドキの無線機は高音のノイズがキツいので、900Hzの5次のバターワースLPFで切って、その後に340~540HzのBPFを付けたものです。パッシブなので原理的に発振することはなくて、便利に使っていました。
あとSCFは昔Idiom Pressのがあって、なかなかキレが良かったのを覚えています。

Kenji Rikitake, JJ1BDX

TTT/hiro さんのコメント...

JJ1BDX 力武さん、こんばんは。 今日も暖かなので外出にはFBなのですが、ずいぶん日没が早くなってますね。 まだ4時だと思って油断したらあっという間に暗くなってしまいました。

いつもコメント有難うございます。
> LPF+BPFのパッシブCWオーディオフィルタを作りました。
ミューの大きなコア材でスピーカ・ラインに入れるフィルタを製作されたようですね。効果的だと思いますし電源要らずなのはFBです。FT-114だとだいぶ大きくなったでしょう。hi

> イマドキの無線機は高音のノイズがキツい・・・
市販のリグは感度が悪いと言われないようにかなりゲイン過剰に設計してありますね。さらにスピーカも口径も小さいのでノイズの高域が強調されるのでしょう。 ヘッドフォンも高域が伸びるのでハイカットすると聞きやすくなりますね。

> SCFは昔Idiom Pressのがあって・・・
周波数可変型のフィルタを実現するのに向いています。既製品にもあったのですね。

後付けの低周波フィルタは本質的ではないと思っていますが、聴感上の改善効果があるので意味があると思っています。

JH6WOF さんのコメント...

加藤さま

「私だけの受信機設計」大変楽しく読ませていただきました。日常はback box化された送受信機を操作するのみになっているHam Lifeですが、アナログ回路の原点にまで立ち返った思考で構成された受信機設計、大変参考になりました。

OP-AMPによる低周波フィルターは、その昔バンドパス特性を持たせたマイクアンプやRTTY受信用のツインバンドフィルターをOP-AMPで作ったことを思い出させていただきました。今日ではDSP搭載の無線機使用のため、ほとんどこのような回路を自作することはありませんが、充実したHam Lifeを送るためには自作にこだわる必要があると改めて思った次第です。最近の自作と言えばアンテナとGNU RADIOによるDSP受信機のプログラム構成のみです。

また次の楽しい実験記事を楽しみにしております。
寒い時期を迎えますが良い年末年始をお迎えください。

JH6WOF/JO4FSM 宮原

TTT/hiro さんのコメント...

JH6WOF/JO4FSM 宮原さん、おはようございます。 今朝の北関東は素晴らしい晴天です。

いつもコメント有難うございます。
> 大変楽しく読ませていただきました。
ご感想どうも有難うございます。12回続けた甲斐がありました。 なるべく見えるような中身を心がけたつもりですがどうしてもブラックBOXな箇所ができてしまいますね。まだまだ工夫が足りないようです。hi

> 充実したHam Lifeを送るためには自作にこだわる必要がある・・・
そんな大層なことは考えていませんが、まあ、暇つぶしのようなもので頭の体操のようなものだと思ってボケ防止にやってます。手先を動かすのも良いことですね。(爆)

> GNU RADIOによるDSP受信機のプログラム構成のみです。
やはりSDRの方向へ進むのがトレンドでしょうね。 これからの方向だと思いますが、どんどん自分の力では及ばない領域ができてしまうのは残念ってい思います。 仕方がないのでしょうけれど・・・。

だんだん寒くなりますが、宮原さんもFBにご活躍を!

JS1XFN/KAZ さんのコメント...

おはようございます。
「私だけの受信機設計」シリーズ楽しく、また興味深く読まさせていただきました。
FR-101お持ちなのですね。私は興味をもった時は高額すぎて買えなくて、時間が経過してディスコンになり学生のときにバイトでFRG-7700を購入しましたが、最近はVCOの調子が悪くて、シールドBOXを開けてLの修理をしないといけないので、そのうちと放置のままです。CWの音色がすごく聞きやすいと感じました。CWはやっていないのですが、手もちの受信機で聞く音と違って聞きやすいです。これからも楽しいテーマをお待ちしています。

TTT/hiro さんのコメント...

JS1XFN 青木さん、こんにちは。 今朝はちょっと風が冷たいですが晴天が続いてますね。

いつもコメントいただき有難うございます。
> 興味深く読まさせていただきました。
ご感想どうも有難うございます。 製作されることを考えず純粋に読み物と割り切れば良かったのかもしれません。そうすればもっと面白いデバイスや回路で作ってもよかったのですが真似て作るのは困難になったでしょう。 その方向はやめたので平凡なデバイスや回路になった一面もあります。hi hi

> FR-101お持ちなのですね。
バラバラでボロボロのFR-101を頂いたので復活させるまでの話をサイトに書いたことがあります。 年数の経過で多少調整がずれてきたと思いますが、たぶん今でも動作すると思います。

> バイトでFRG-7700を購入しました・・・
FR-101よりずっと近代的なFRG-7700の方がFBでしょう。 PLLを使った機器はVCO部の経年変化があるので時々再調整が必要になりますね。 拙宅にも似たような状態のリグがあります。いずれ直さなくては・・・(面倒臭いです)hi hi

> 手もちの受信機で聞く音と違って聞きやすいです。
FRG-7700のIFフィルタは広いのでしょうね。 狭帯域のフィルタを通すとCWの波形が崩れるためお感じのようなことはよく起こります。 狭いフィルタほど良いと思うとかえって了解度が下がります。hi hi

> これからも楽しいテーマをお待ちしています。
どうも有難うございます。 また何か面白いと感じるテーマでも見つかったらやろうと思います。