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2014年10月15日水曜日

【部品】DBM Chip vintage, TA7310P

【年代物のDBM-IC:TA7310Pの試用】
【TA7310Pとは】
 TA7310Pは簡単な発振回路とRFアンプ、そして主役のダブル・バランス型ミキサを集積したICです。 かなり年代物のICですが、今でも比較的入手し易いようです。 時折オークションにも登場するようですから未だ市場在庫(引出し在庫?)が存在するのでしょう。 外観から見て新旧があって比較的遅くまで生産されていた様子がうかがえます。 本来とは別の新たな用途が生まれていたのかも知れません。

 本来の用途・目的はPLL型周波数シンセサイザのミキサ回路用です。 1970年代のはじめ米国でCBトランシーバが爆発的なブームになりました。その殆どは日本からの輸出品だったのです。 27MHz帯の車載用トランシーバで、出力4WのAM機(のちにSSBも)で多チャンネル型(23ch、のちに40ch)でした。 初期の輸出用CB機は僅か5チャンネルしかなくて各チャネル分の水晶発振子を並べた単純な形式でした。

 やがて長距離トラックドライバーの間で人気が沸騰し(米国では)ニーズに応え徐々に多チャンネル化して行きました。 しかし多チャンネル化すると水晶発振子が各チャネルあたり送受で2個ずつ必要なためコストが掛かります。 その結果、水晶発振子を減らす研究開発が精力的に進められました。その最終的な答えがPLL周波数シンセサイザでした。

 PLL周波数シンセサイザは古くからある技術ですが、専用ICができるまではあまり一般化しませんでした。 ECL-ICあるいはTTL-ICと言った汎用ロジックICを並べたのでは10個以上のICチップが必要です。しかも特殊なICが多くてコスト低減にはならなかったのです。
 しかしC-MOS ICでカバーできる回路部分を極力LSI化してやることでCBトランシーバのPLL化が進められました。 生産台数が膨大でしたから専用ICの開発も進んだのでしょう。

TA7310Pの使用例
 TA7310Pは当時のC-MOSでは扱えなかった20〜40MHzと言った高い周波数を2MHz以下の扱える周波数へと周波数変換する目的に使われました。

 トランジスタを使ったシンプルなミキサ回路ではスプリアスの除去が困難だったので二重平衡型ミキサを採用して回路の簡略化を図っているのが特徴でしょう。(左図は東芝の技術資料より引用。10.7MHz帯のフィルタを使うSSB機用のPLL回路です)

 本来はPLL回路用のTA7310Pですが、DBM+OSC+RF AmpというアナログなICですから受信機のミキサ回路やSSB/CW検波回路にも使うことができました。 あまり活用例は見ませんが、SSB送信のバラモジ回路にも使えます。

                   ☆

 CB無線機の輸出ブームも一瞬のバブルでした。バブルが崩壊したのはFCCによる規制強化の影響もありそうですが、実際には膨大な輸出によって市場が飽和してしまったからではないでしょうか。最盛期には猫も杓子もと言った感じで中小電気メーカーがこぞって輸出していたからです。 ブームは突然去って余剰部品が秋葉原へ流出するようになりました。 そのころ買い求めたTA7310Pや、頂き物が長いあいだ引出し在庫されて眠っています。 そろそろ試用して感触を掴んで在庫を消費したいものです。 例によってこのBlogは自分用の実験メモです。 以下、もしお暇なようならお付き合い下さい。 活用のアイディアなどお持ちでしたらコメントをどうぞ。

                    −・・・−

【評価する回路】
 TA7310Pのメインは二重平衡型ミキサ(以下、DBMと略)ですが、発振回路部分を使わないと使えない設計になっています。 発振回路とDBMの間が内部でC結合されているからです。 RFアンプ部分は完全に独立していますから別途検討するとして、主役のDBM(+発振回路)の活用を検討してみましょう。

 単純な周波数変換に使えるのは勿論ですが、シビアな性能が要求されるSSB送信機のバラモジ(バランスド・モジュレータ:平衡変調器)はどうでしょう? 旨く使えるなら用途も広がります。 内部回路の考察では、HF帯用にできているように見えますが低い周波数、例えば455kHzでも使えるなら面白いです。

 そのような考えから、455kHzのバラモジで検討してみました。 なお、発振回路はセラミック発振子(村田製作所の商品名;セラロック)を使ってみます。 外付け部品の定数を選んでやれば水晶発振子でなくても発振できます。 工夫すればVXO回路とかの応用も可能です。

参考:村田製作所はセラロックの型番付与方法を変更しています。旧CSB455Eは図のような長い型番になっています。この回路にはもちろん従来のCSB455Eも使えます。

【試作風景】
 例によってブレッドボードで試作です。 周波数が低いこともあり特に問題は起こりませんでしたが、このブレッドボードは底面に金属板(正確に言えば片面プリント基板)が貼ってあります。 銅箔面をアース電位にすることで高周波用の適性を高めています。

 左のオレンジ色の角形部品が455kHzのセラミック発振子(セラロック)です。 簡略実験のため、周波数調整用のトリマコンデンサ(C3)は固定コンデンサで代用します。 実際に作る際にはSSBフィルタに合わせたキャリアポイントの調整が必要なのでトリマ・コンデンサを使います。 455kHzの水晶発振子と違って455kHzのセラロックは周波数調整範囲が広いので容易に調整できます。
 バラモジの出力に付けたコイルはトランジスタ・ラジオ用のIFTです。 ここでは白いコアの段間用を使いましたが455kHz用なら何でも良いでしょう。 DBM側はインピーダンスが低めなのでタップ付きIFTが望ましいです。

【DSB信号】
 低周波入力端子J1-J2(AF Input)に約1kHzの正弦波を与えて測定しています。1kHzは570mV(pp)を与えました。 出力は約3Vppで、まずまずなDSB波形と思います。

 キャリヤ・バランス調整(VR1)は必須です。 無調整ではキャリヤ・サプレッション(搬送波抑圧比)は30dBもとれないくらいでした。 ミキサ回路なら大丈夫かもしれませんが、バラモジには不十分です。 かならずバランス調整を設ける必要があります。 ややクリチカルなのでR2(10kΩ)はもっと大きくした方が調整が容易でしょう。22kか33kΩが適当なところでしょうか。

【DSB信号:飽和】
 過大入力で飽和してしまった状態です。 こうなるずっと手前からIMDは悪化しています。 もっと低い出力範囲で使うべきです。 上図のように3Vppくらいまでが適当かと思います。

 なお、ここで3Vppと言うのは、使っているIFTのインピーダンスや巻き数比も関係しますから普遍的な数字ではありません。 部品が違えば値も異なってきます。 実際にはオシロやスペアナで観測しながら最大信号レベルを見極めて使います。

 内部回路から見て 455kHzではどうなのかと思っていました。 思ったよりも良さそうなのは収穫でした。 この程度ならシビアでない用途には十分使えそうです。

                    −・・・−


【内部等価回路】
 なぜ内部等価回路を参照するのかと言えば、使う上で少々気になる部分があるからです。 左側で発振部と中央のDBM部分の間をC1と言うコンデンサが繋いでいるのがわかるでしょう。

 このコンデンサはおそらく数pFしかありません。大きく見積もっても10pFほどでしょう。 従って、低い周波数で使うには小さすぎるのです。 流石に数10kHzと言ったキャリヤ周波数で使おうとは思いませんが、せめて下は455kHzあたりまで使いたいものです。 そのような意図で上記のテストをしました。 このC1の部分で455kHzの減衰が起こっている筈ですが、DBMの動作に支障はない程度のようなので旨く使えることがわかりました。 数個交換してみましたが同じようなのでバラツキがあっても大丈夫だと思います。 周波数の高い方は50MHzあたりまでが無難なところと言った感じでしょうか。


【セラミック発振子のトランジスタ発振回路】
 セラミック発振子を使った発振回路と言えば、C-MOSインバータ回路を使うものがほとんどです。 しかしトランジスタでも発振回路は作れます。

 TA7310Pを使うにあたってもう一つ検討しておきたいと思ったのは455kHzのセラミック発振子(セラロック)で発振できるかと言うことでした。

 セラミック発振子メーカの資料で左図のような発振回路を見つけました。さっそくTA7310Pの発振回路部分に適用してみました。 これは非常に旨く発振してくれて周波数調整も十分可能なので455kHzの標準用法にしておきたいと思います。

 この発振回路は簡易な受信機に付加するBFOにも向いています。 LC発振のBFOよりも周波数はずっと安定で、少なくとも10倍は良いはずです。(水晶発振にはかないませんが)

参考:製作したらセラロックを付ける前に、エミッタとGND間の電圧を測ってみます。電源電圧:Vccの半分くらいになっていればOKですが、大きく外れているようなら抵抗器:R1の値を変えて調整します。現状のR1=47kΩでは、Vccが12Vなら小さすぎると思います。

【発振波形】
 水晶発振を含めて、こうした回路の発振波形はあまり奇麗なものではありません。写真はPin3の発振モニタ端子を観測したものです。4Vpp以上の発振振幅があります。

 正帰還量を加減すれば奇麗な正弦波に近付けることもできますが、今度は発振スタートしにくくなってきます。 従ってこの種の無調整発振回路では確実な発振起動を優先し発振波形の歪みはある程度やむを得ないと考えるべきでしょう。

 ただし波形歪みとIC内部のC1の容量小さい言うことは考慮すべきです。 C1のリアクタンスは周波数の上昇とともに小さくなり、ロスも減ってきます。 従って455kHzあたりで使うとミキサ部にはその高調波がかなり加わると考えるべきです。 これはスプリアスの原因になるのでDBMから出て行かないようにきちんとしたフィルタを設けねばなりません。

 バラモジの後がSSB用の 狭帯域フィルタならたいてい支障ないのでフィルタ式のSSBジェネレータなら神経質にならずとも良いでしょう。 しかしPSN式の場合はそうは行かないので十分注意を要します。 TA7310Pはもっと高い周波数(数MHz以上)で使う方が有利なのです。

                    ☆

 TA7310Pはバラモジにはやや使いにくいので敬遠され気味かも知れません。 姉妹品のTA7320Pの方が使い易いのは確かです。 しかし実際に確認しておけばどの程度までカバーできるか判断も可能になります。 これからの活用も有利になるわけです。 意外に広範囲に使えそうな感触が得られたのは収穫でした。 昨今は使い易い DBM-ICも限られてきました。手持ちのTA7310Pも自作に活用したいものです。

                   ☆ ☆

 TA7310Pを試して感じたのはやはり数世代も前のDBMだと言うことです。 電源電圧は標準の7V以上は確実に掛けたいと思います。できたら規格いっぱいの10Vが良いでしょう。低い電源電圧には向きません。 また消費電流が大きいのも欠点と言えます。この部分だけで30mAも消費するのはあまり頂けません。どちらかと言えば電池電源の機械には向かないICです。
 持っているなら死蔵ではなく活用すべきですが、あえて探して(買って)使うほどの価値は無さそうです。 残念ながら DBM-ICはその大半が姿を消しました。ですから今ではDiode-DBM(←リンク)が一番のお薦めです。既製品も入手容易です。 de JA9TTT/1

(おわり)

改:2017.05.11

2014年10月5日日曜日

【Antenna】 Preparation of typhoon

【アンテナの台風準備】
北関東を強力な台風が直撃することは滅多にありませんが、今回の台風はだいぶ強力そうです。しかも6日の朝には関東平野をかすめそうな進路予測なのでアンテナの荒天準備をしました。

 地面まで全部降ろせれば一番ですが、屋根と干渉するのでこの程度まで降ろすだけでやむを得ません。アンテナエレベータをこの位置でパークできるようストッパーが設けてあります。

 以前の台風のときの様子では20m近くと10m以下ではずいぶん風当たりが違いました。 それなりの効果が期待できるので『備えあれば憂いなし』ですから降ろしておきます。

 台風はこれから九州に近づく位置にあります。まだ遠いのですが今朝は前線が刺激されて雨が降り始めていて、合羽を着ての作業になりました。早めに始めたので小雨で助かりました。昼現在、かなりの雨脚になっています。あとは無事に過ぎてくれるのを祈るのみです。 de JA9TTT/1

                  ☆ ☆ ☆

【復帰】
 2014年10月6日、台風18号は九州の南で北東に進路を変えて本州沿いに進むようになりました。午前8時過ぎに浜松市に上陸しました。955hPaで風速も35m/s以上と強力です。

 その後は65km/hにスピードアップし足早に神奈川〜茨城を通り再び太平洋に抜けました。雨はかなり降りましたが、北関東は進行左側に入ったので思ったより風は強くならなりませんでした。 昼過ぎには晴れ間が覗いて、徐々に吹き返しも弱まりました。

 夕方になってアンテナも復帰できました。 再架設中にワイヤーアンテナの接続部分が緩んでしまいました。ハンダ付けで補強する必要が生じましたが短時間の地上作業だけで済みました。 de JA9TTT/1(追記:2014.10.06)

(おわり)

2014年10月1日水曜日

【部品】p-ch MOS-FET

【p-chのMOS-FETを使う】
最近のパワーデバイスはMOS型が圧倒的になってきました。既にバイポーラ・パワートランジスタは廃品種ばかりです。 スイッチングにはMOSの方が向くので困りませんが、増幅素子には困ることがあります。 特に、Audio系の石(BJT)はその傾向が強くて、かつて銘石と言われたようなパワトラにはプレミアムが付くほどです。あまり型番に囚われずに現行品で行く方が好ましいのですが・・・。

 無線の用途でも使える品種は限られてきましたが、幸いRF用のPower-MOSが登場して支障なくなっています。 しかし昔の回路図のまま置き換える訳にも行かないので悩ましい所です。 無条件にMOS化で対処できる訳でもないですし・・・。

 バイポーラ・トランジスタにしろMOS-FETにしろ、HF帯(〜50MHz)なら特にRF用と書いてなくても使える物がたくさんあります。本来の目的を超えて活用できるデバイスがあります。

 表題から外れてしまいましたが、p-ch MOS-FETの話を進めましょう。  型番で言うと2SJxxxと言うFETです。 バイポーラ・トランジスタで言うところの2SAや2SBと言ったPNP相当のMOS-FETです。 だから何だと言われそうですが、要するにp-chなんて無線家には馴染みは薄いし、PNPトランジスタ同様にあまり好まれません。 ただ、そう言う石でも使い道はあって他人が使っていないデバイスでオンエアしたいなら悪くないかも知れません。

p-ch MOSはハイサイド・スイッチの用途があるので思ったよりも多品種が登場しています。 ただし増幅を目的にしたものは見かけません。数A〜数10A以上と言った大電流スイッチ用が殆どですが1〜3Aのものもあります。 小電流のスイッチ用にRFパワーアンプに適したものがあって、試してみる価値があります。 もちろん普通はn-chのFET、即ち2SKxxxが好まれるので、以下は物好きな実験です。

 写真は2SJ178(NEC)で使う当てもなく纏め買いしました。 ハイサイド・スイッチが目的です。 図のようにハイサイド・スイッチは、電源の+側のライン(要するにGND側ではない方)をON/OFFする形式のスイッチです。HAMではトランシーバの受信系と送信系の電源ラインを切り替える目的に使われます。 PNP-Trでも可能ですがp-ch FETの方が電圧降下が少ない利点があります。
 概略の規格は:Vds=-30V、Vgs=±20V、Id=-1A、Pch=750mW、gm=400m℧、Ciss=210pF、Coss=130pF、そしてCrss=3pFです。 小さいけれど結構パワフルです。それに帰還容量:Crssが小さくてRFに向きそうに見えます。(残念ならが2SJ178はディスコンです)

テストしてみる
 簡単な回路でQRP送信機のファイナルのテストをしましょう。 Cissが200pFほどあるので、入力は容量性です。 本式に使うなら整合しますが、実験なので50Ωで直接ドライブします。

 負荷側(出力側)はRFCのみで整合回路は設けません。 電源電圧:Vcc=12Vですから出力電力:Po=1W程度と考えて負荷抵抗:RL=約50Ωでマッチングします。

  放熱はしていないので、規格のId(max)=1Aも流したら過熱で壊れます。せいぜい200mA位が良い所です。入力2Wと考えても170mA程度でしょうか。まずは7MHzでやってみました。

Biasを与えてAB級で使う
 エンハンスメント・モードのFETはゲートに順方向のDCバイアスを掛けて使います。 約-2V程度のDCバイアスを掛けました。B級もしくはAB級で動作させる訳です。 十分なドライブが確保できるならゼロバイアスのC級で使い、オーバードライブしてやるとドレイン効率はアップします。

 FET個々にばらつくので、B級もしくはAB級になるバイアスは何ボルトと言う表現は不適当です。 正しくは、Idを測定しながら調整します。 具体的には下の回路図のVR1を調整して無信号時にId=-10mAにます。

「バイアス電圧を調整する」と書くと、で は何Vなのか具体的に教えてくれと言う質問が来そうですが、それには答えられません。 質問者が使ったFETが全く同じでないかぎり、所定のドレイン電流が流れるバイアス電圧は異なります。電圧を聞いてそれに合わせても駄目なのです。

 最初はVR1をVgs=0の所にセットします。ドレイン電流:Idを観測しながらそろそろ回して行き、Id=-10mA内外に合わせます。(-5〜-15mAくらいの適当で良いです) その時のVgsは-2ボルトくらいでしょう・・と言う訳です。 これはp-chのFETに限らず、n-chでも同じなのでMOS-FET(エンハンスメント型に限るが)をB級なりAB級で使ううえでの常識です。 

【テスト回路】
 単純なので書くまでもない回路です。 p-chのFETなのでプラス接地の方がスッキリしますが 、他の回路と組み合わせ易いようにマイナス接地で書きました。 ドレイン側はRFCのみで、Cで切って50Ωを直接負荷します。 RFCは100μHくらいでも良いですが、DC抵抗が数Ω以下のものを使います。DC抵抗は普通のテスタで測ればすぐわかります。 出力電力:Po=(Vcc)^2/(2*RL)から約1W+αです。VccはRFCのDC抵抗やFETのON抵抗があって降下しますから実質的に10V程度と考えます。実際にアンテナを繋ぐにはLPFが必須です。

 出力部分にバイファイラ(Fig.1)あるいはトリファイラ巻き(Fig.2)のトランスを置くと、FETから見た負荷インピーダンスが下がってパワーアップできます。

   2SJ178は小さなパッケージのFETです。 効率良く使っても放熱しないと厳しいのでパワーを欲張らない方が良いでしょう。 負荷インピーダンスを下げると同じ比率でゲインも下がるのでドライブしにくくなります。 十分なゲインが期待できる低い周波数を除き、図のままのPo=1W程度が良さそうでした。 なお、入力側は50Ω直結ではドライブしにくいですからFig.3のような昇圧トランスを置くと楽になります。 ドライブパワーはあまり要りませんが、それなりのドライブ電圧は必要です。

【7MHzで】
 7MHzで負荷の両端電圧を読んでみました。 AB級のシングル動作なので整流したような波形になります。 当然高調波が含まれているので、2次高調波以上の除去に効果的なLPF(ローパスフィルタ)を設けます。

 電源電圧が12Vなので。写真の状態が概ね飽和状態です。 正しくは高調波を除去してから測定しなくてはなりませんが、おおよそ1W出ているでしょう。

【3.5MHzで】
 同じく、3.5MHzにて負荷の電圧を読んでいます。 これでだいたい飽和状態です。 7MHzと同じく約1Wです。 LPFの付加は必須で通過後のパワーは0.8WくらいですからQRPとしてはまずまずです。 ドライブにゆとりがあるなら、2SJ178を4パラにし、インピーダンス比=1:4(バイファイラ巻き:Fig.1参照)のトランスを使えば2〜3Wが期待できます。3.5MHzではゲインがアップして7MHzの約半分の電圧でドライブできました。 ゲインはだいたい-6dB/octの傾斜です。

 p-chではなくn-ch MOS FETなら2N7000あたりが良いでしょう。 もちろん電源極性は逆にしますが類似の結果が得られます。 p-ch MOSはn-ch MOSより周波数特性が落ちるようです。それでも小型の石ならHF帯の低い方で十分使えそうでした。ちょっと変わったデバイスでオンエアしたい向きにはお勧めできます。(笑)

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 10月になろうと言うのに適当なBlogテーマがありません。やむなく片付けていて目に入ったデバイスをネタにしました。 実験するまでもない。特性表から見たら使えて当たり前じゃないか・・・と言う声も聞こえます。 しかしそう言う人に限って実際は何もしないものです。 特性表には現れない固有のクセがあったりするので実地検証は大切です。 試すどころか、昨今はコテも暖めず・・・ブレッドボードでさえも面倒で・・・BlogやWebネタの疑似体験で満足してしまう人が多いのは残念です。

 たぶん多くのBlogやWebに書いてある話はすべてではありません。都合の良いところだけが書かれています。 情報の出し惜しみではなくて、感触のような細部を伝えるのは難しいからでしょう。 ですから画面を眺めて納得したつもりでも、本当のことはてんでわかっちゃいない可能性もあります。自分の実験のごとく吹聴したら赤恥をかくかも知れません。注意しなくては。(笑)

以上、暇つぶしになったようでしたら今月のBlogは目的達成です。de JA9TTT/1

(おわり)