금요일, 5월 25, 2018
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튜너 이야기 #1 – 주파수 동조

글쓴이 : SOONDORI(블로그 글 복사)

스스로 생각컨데 약간의 전자지식, IT지식을 가지고는 튜너라는 오묘한 장치를 완벽하게 이해하기는 어렵다고 본다. 아무래도 어려운 RF(Radio Frequency)를 다루는 전문분야이기 때문에… 궁금해서 찾아보면 맘에 드는 글이 없다. 흔히 오디오에 관련된 사이트나 Googling 결과물 정도인데 이쪽은 너무 부족하다. 반면, 무선통신공학 전문서적은 너무 많은 것을 담고 있다. 내 입맛에 맞는 그런 정보는 없을까? 내 입맛은 ‘튜너 작동을 이해하고 평가할 수 있으며 간단한 고장과 튠업은 스스로 하는 수준’의 것이다. 오기가 생겨서… 앞으로 알고 있는 것은 그대로 적고 또 모르는 것은 하나씩 학습하면서 정리하기로 한다. (표제부 사진출처 : http://radio.gort.dk/images/1720.jpg)

1. 튜너동조

중학교 시절 광석라디오가 생각난다. 동그란 플라스틱 관에 코일을 여러번 감고 하얀색 부품(이것은 바리콘. 그때는 무엇인지도 잘 몰랐다)을 붙인 후 게르마늄 다이오드 하나 연결하였더니 이어폰에서 소리가 났다. “우리 집에 제일 높은 곳, 조그만 다락방…” 그 노래가 지금도 잊혀지지 않는다. 가장 기본적인 라디오가 완성된 순간이었는데… 코일과 가변용량콘덴서장치를 연결한 것으로 특정한 어떤 방송국 채널이 선택(동조)된 것이다. ‘동조’는 둘이 함께 맥동가고 호흡한다는 의미로서 발신자 즉 방송국에서 특정 맥동에너지(전파)에 음을 실어 보내면 동일하게 맥동하는 수신기에 정확하게 그 방송국의 에너지가 최대치로 받아들인다는 것으로 이해하면 쉽다.

L & C 결합에 의한 동조점 선택이라… 여기서 L은 코일이고 C는 캐패시터(Capacitor)이다. L을 물리적으로 변화시켰던 장치도 있었다. 기억해보면 수 십 년 전, 버스에서 쓴 것으로 추정되는 카-라디오에서 보았던 바로서, 작은 보빈코일(원형관, Bobin Coil)이 있고 그 안에 페라이트코어가 들어갔다 나왔다 하면서 선국이 이루어지는 경우. 혹은 내가 모르는 구형 빈티지 라디오의 프리세트기능에 이런 방법이 적용되어 있을 것이다. 이때 회로내부에는 고정된 값의 커패시터가 있었을 것이다.

1
F(동조주파수) = ——————
2 x Pi x 루트(L x C)

* F를 바꾸기 위해 L이 고정이라면 C를 변화시키고 C가 고정이면 L을 변화시키면 된다.

보통의 경우 C를 변화시킨다. 아나로그 튜너의 경우는 Varicon(바리콘, Variable Condenser)이라는 부품을 이용하는데 이 녀석은 틈이 작은 격판들이 일렬로 배열되어 있고 그 격판이 겹쳐지는 정도(각도)에 따라 정전용량(L & C 중 C의 값)이 달라지는 원리를 이용한다. 격판들 사이의 공간에는 절연체 필름(구형 휴대용라디오)이나 일종의 절연체에 해당하는 공기(빈티지 튜너들)가 있다. 그러므로 모르긴 몰라도 습한 날과 건조한 날의 Q(정전용량)값이 미묘하게 변화할 것이며 그 변화는 튜너 내부회로에서 자동으로 보정될 것이다. 습한 날 전파수신도가 달라진다는 경험칙이 있는 만큼 전파발신과 수신 그리고 동조성능은 밀접한 관계가 있다. 중간에 공기라는 매질이 있기 때문이라고 이해. 이 공기를 전파공학에서는 ‘자유공간’이라는 단어로 표현한다. 정교한 동조점 설정을 위해 여러 개의 단위격판들을 사용하고 각각을 Gang이라 표현하는데 Gang의 개수가 많을 수록 동조 정교도 그리고 동조점의 회로적 보완수준이 높다. 그래서 4갱, 5갱, 심지어 9갱을 쓴 튜너도 있는데 사람들은 그 숫자가 많을 수록 고가의 아나로그튜너로 평가한다.

경박단소화를 지향하는 기술의 발전에 따라 디지털튜너의 경우 바리캡(VariCAP)이라는 부품을 많이 사용한다. 녀석은 일종의 다이오드인데 역방향 바이어스에서 공핍층의 변화에 따라 접합용량의 변화가 생기는 원리를 이용한다. 공기에 노출된 것이 아니므로 인가전압만 정밀 제어할 수 있다면 정확한 용량을 설정할 수 있다. 논리적으로 그러하다는 것이고 단일 변수에, 완벽한 선형성을 갖는 소자는 이 세상에 없으니 적정한 보정은 필수. 흔히 디지털튜너 안쪽의 프론트-앤드(격벽으로 분리되어 있는 모듈형 장치) 안쪽에 작은 좁쌀만한 것이 박혀있는데 그 녀석이 바리캡이다. 튜너 Up/Down 키를 누르면 점검점(TP, Test Point)의 측정전압이 3~16V, 7V~25V 뭐 이런 식으로 변화한다. 그것은 간접적으로 바리캡의 용량이 변하고 있음을 의미하고 이때 디스플레이-패널에는 주파수가 증가하거나 감소하고 있을 것.

참고로 뛰어난 수신성능과 호방한 음색의 Fisher 250TX는 Tune-O-Matic이라는 기능으로 유명한데 이 녀석의 프리셋기능에 이 바리캡이 사용되었다. 일반적인 아나로그 튜너임에도 한 쪽에 작은 작은 버튼들을 배치하고 버튼을 돌리면 저항값이 변하고 그에 따라 전압이 변하며 마지막으로 바리캡의 용량이 바뀌는 아이디어를 구현하여 원-터치로 선국할 수 있도록 만들었다. 당시로서는 혁신적인 기능이었을 듯. 단, 고장난 것이 많으니 이 녀석 중고구입할 때는 잘 살펴봐야 한다.

(▼▲ 학습의 계기이자, 대상이자 조작물이 될 Technics 튜너의 Front End와 회로
회로상 Dual Date MOS-FET 포함 TP1~TP2까지의 회로가 격납공간 안에 구성되어 있다.)

(▲ 전체 회로 상 VarCAP이 총 4개 들어가 있음. 그러므로 아나로그 튜너 기준 4련(4 Gangs)에 상당하는 회로)

위 회로에서 ANT 입력단에서 TP2(Q2 바로 직전)까지가 프론트-엔드 격납공간 안에 들어 있는데 다음과 같은 순서로 수신신호가 처리된다.
1) 코일(L1)을 이용해서 75오움, 300오움 안테나 임피던스를 매칭, L1의 4번, 5번 단자에 실제로 입력된 전파에너지가 전달된다. T형 실내 안테나용 300오움, 동축케이블 75오움을 선택할 필요가 없다면 L1도 필요없을 것이다.

2) 15pF C1, CT1(커패시터Trimmer) 그리고 두 개의 VariCAP(D1, D2) 및 오른쪽의 C3, CT2, 코일, L2 등으로 구성된 회로를 축약하면 아래 그림의 (a)항목에 해당하는 간단 회로가 구성된다. 요지는 L은 고정값으로 정해져 있고 D1과 D2의 전압을 변경하면 주파수가 선택된다는 것. 참고로 실제로는 제조시 L값을 미세조정하기 위해 따로 방법을 마련해 놓았다. 코일의 권선간격을 살짝 조정하거나 또는 별도 케이스 안에 코일과 페라이트코어를 넣어 두고 코어를 살살 돌린다.

3) 그 다음 저잡음 3SK74 MOS-FET에 의해 1차 증폭하고 중간주파수(10.7Mhz)로 변환하여 그 다음 단계(Q2 이후)로 넘긴다. 여기서 중간주파수 설정을 위해 D3로 구성되는 별도 내부공진회로(=원리는 동조회로에 준함)가 부가되어 있는데 TP2를 오실로스코프를 찍어보면 수신주파수 ± 중간주파수에 해당하는 특정한 주파수 파형이 관측될 것이다. 중간주파수를 두는 이유는 고주파 증폭이 어렵고 문제가 많기 때문에 그것을 안정적인 수준으로 끌어내린 후 증폭 등 처리를 하기 위함이다. 이 방법을 슈퍼헤테로다인(Super-Heterodyne) 방식이라고 하고 1918년 Edwin Armstrong이라는 분이 발명한 것이라고 한다. FM 슈퍼헤테로다인 그러니까 요즘 사용하는 FM 튜너의 처리방식 그리고 중간주파수 변환은 다음 편에 정리하자! (중/고교 때 학습했던 것을 재정리하는 차원이라… 손가락 간질간질 너무 재미있네)

아나로그든 디지털이든 이 동조 후 변조 및 증폭단계까지는 프론트앤드(Front-End)라는 것에서 일괄 처리하고 시각적으로 분리되어 있으며 대부분 금속제 케이스로 밀봉되거나 격납 보호되어 있다. 금속판은 전파의 유입을 막는 일종의 차폐체(Shield)로서 외부에서 유입될 수 있는 잡음원을 근본적으로 막는 효과가 있다. 오디오메이커들은 이것만 별도로 생산하는 업체의 제품을 사용하기도 하며 모듈화 대량 양산의 경우는 그게 편하다. 반대로 그게 아니라면 자가설계, 제조한 경우이고 그 만큼 정성을 기울였을 가능성도 높다.

한편, 여러가지 이유로 튜너의 수신이득을 강제로 높히기 위해 LNA(Low Noise Amplifier)라는 장치/회로를 RF 입력단 ~ 안테나 사이에 배치하는 경우도 있다. Front End에서 처리할 수 없을 만큼 전파가 약한 경우 전치증폭을 한다는 것. 이 방법의 문제점은 선택 주파수 이외의, 다른 주파수들과 잡음이 함께 증폭된다는 것. 그래서 Front End 이후의 회로가 정교하게 선국을 할 수 없는 튜너라면 득보다 실이 많아지기도 한다.

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