표준 IF IC의 내부

글쓴이 : SOONDORI

뭔가 잔뜩 들어 있고 시각적으로 복잡했던 트랜지스터식 아날로그 튜너는 IC 패키지 솔루션의 등장으로 내부 구성이 대단히 간명해지고 상당 부분 표준화되었다.

그 관점에서 보면 FM 3련/4련 상당 디지털 튜너의 속내라는 게 사실… 그게 그거? 나아가 IC 구성을 더 집약한 셈인 DSP 튜너에서는 설계자가 뚜껑 열어 볼 소비자를 염두에 두고 ‘공간 채움’을 고민해야 할 지경이 되었으니…

그 작은 IC 안에 무엇이 들어 있는지?

다음은 미국 RCA社/Harris社(=현재 Intersil) CA3189E IF IC. 마침 데이터시트 도면이 깨끗하고 보기 좋아서 가져왔다. 오디오 전성기에 Sanyo, Hitachi, JRC, Motorola, SGS-Thomson(현 STMicroelectronics), Philips 등이 만든 다양한 IF IC가 있지만, 기능적으로는 이 IC와 크게 다를 것 없음. “이것도 그게 그~거!”

(▲ 사용 전압 16V, 소모 전류 2mA 그러므로 소모 전력은 32mW. 건전지를 쓰는 휴대형 기기에서는 부담스러운 값이다)

이 IC는 수요자와 공급 전담자를 연결하는 비즈니스 매체이자 쉽고 빠른 표준화 설계, 성능 향상 그리고 궁극의 비용 절감을 담보하는 1식 패키지 솔루션의 구성품.

달리 Package일까? “단동조 검파코일 방식, 복동조 검파코일 빙식은 알아서 잘 선택하시고 저희 MPX IC 쓰시고 가급적 A사, B사 부품을 쓰세요”라고 친절하게 유도한다. PCB 패턴 레이아웃도 있고 일반에게 공개되지 않은 기술 문서까지 제공되면… 비유적 표현으로 배달된 음식, 포장지 풀고 꺼내 먹으면 되는 것.

일단 음식 꺼내 먹은 어떤 회사의 제작 부문은 Risk 부담이 큰 ‘설계 중심’에서 조금 덜한 ‘생산관리 중심’으로, 역무 중심축이 살짝 이동하고 이후는 단맛에 또 다른 패키지를 찾게 되고… 요즘 개발 방식은 더 그러함. 철마다 힘들 게 김장 하느니 그때그때 마트 김치를 사 먹는 게 더 나을 수 있다. 세상사라는 게 다 그렇고 그런 것 아닌지?

다시 본론으로 돌아가면,

CA3189E 안에는 총 100여 개의 트랜지스터와 10여 개 다이오드 그리고 여러 저항이 배치되어 있다. 이것을 독립 소자(Discrete)로 PCB에 구현하면 일반 튜너 내부 면적의 절반 이상을 덮을 정도가 될 듯.

블럭도를 영역별로 분할하여 관찰해보면…

■ IF Amplifier + Tuning Meter Drive 블록

트랜지스터 40여 개 + 다이오드 1개로 구성. IF 증폭 블럭은 프론트엔드가 세라믹 필터를 경유, 전달한 신호를 차동방식으로 다 단 증폭한다.

(▲ ‘Tuning Meter’? 시그널 미터 상당 기능이므로 다른 회사처럼 S Meter라고 적는 게 더 적절하지 않을까?)

단계별 증폭 회로의 신호 강도 증가는 전류/전압 증가로 표현될 것이고 그것을 따로 배치된 일렬종대 트랜지스터 회로가 감지하여 누적값을 T-Meter 구동 회로에 전달한다.

(▲ T-미터/S-미터 값을 D1으로 반파 정류하고 #13 뒤에 붙는 외부 드라이버 회로에 전달하면 그것이 아날로그 미터 또는 LED 어레이를 구동한다. 몇 푼 더 받자고 고의로 후단 회로의 감도 조정 가변저항을 돌려 Signal Full로 만들고 기기를 파는 자도 있다고 하니…)

■ 직교검파(Quadrature Detection) + Limiter + 오디오 출력 블록

트랜지스터 60여 개 + 다이오드 5개 + 제너 다이오드 3개로 구성. 표준 입력 신호의 위상과 아래 22uH에 의한 편이 위상을 비교하여 유효 음성 신호를 추출한다. AFC, Mute 등 부대 기능을 처리한다.

(▲ AFC에 대하여, IF 처리 내용을 PLL IC에 전달하여 전체 주파수 흔들림을 방지하거나 위와 같이 로컬에서 자체 처리하거나)

직교검파 신호 추출용으로서 아래 Q25, Q32는 단안정 멀티 바이브레이터 회로. 연관된 D2, D3는 Limiter. 실리콘일 경우 순방향 문턱전압(Threshold Voltage) 0.7V 기준으로 초과 분을 잘라낸다. 교차 배치되어 있으므로 수용 전압 범위는 -0.7~+0.7. (사뭇 혼란스러웠던 내용으로 트랜지스터로 구성된 회로도 있다)

* 관련 글 : 튜너 이야기 #4 – 직교검파

다음은 실제 쓸 수 있는 회로. 어떤 튜너의 IF 영역이 고장 났고 도저히 고칠 수 없다면 이런 회로를 써서 경로 우회, 대체할 수도 있다.

(출처 : http://www.seekic.com/uploadfile/ic-circuit/200972443444294.gif)

▲ 프론트엔드 → Q1으로 증폭하고 1차 CF 감쇄분을 Q2로 증폭하고 2차 CF 감쇄분을 CA3189 내장 IF 앰프가 증폭하고 높낮이가 균일한 내부 신호로 만든 다음에… 와중에 10.7Mhz 유효 신호 외 쓰레기 값이 제거된다)

마지막으로 IC 내부의 물리적인 모습은?

당연히 자료 없음. 비슷한 구현 등급으로 판단한 NE555 타이머 IC 사진 자료로 대체. N층, P층 반도체 레이어를 식각하고 연결하고… 다층 구조로 제조. 그래서 IC #4, #14핀(Frame, Substrate)을 아날로그 접지 처리하라고 표기되어 있다.

(▲ 진품 TI社 NE555. 매우 싼 IC도 중국제 가짜가 돌아다닌다고 한다. 단순하지만 아주 많이 쓰이는, n개 총량이 많은 IC라서 그럴까? 일정 수준의 설계/제조 능력을 갖춘 중국 기업일 것인데… 기가 찰 노릇이다. 출처 및 글 열람 : https://zeptobars.com/en/read/Ti-555-NE555-real-vs-face-china-chinese)

* 관련 글 : 표준 MPX IC의 내부

○ 검파 전 단계의 민감한 IF 신호에 AM 회로나 주변 노이즈가 영향을 주지 않도록 하는 대책이 필요하다. 아래는 노이즈 내성이 있는 IF 증폭 단의 차동 증폭(=Long-tailed Pairs) 연쇄 구조. 참고로 ‘차동(差動, Differential)’이라는 단어는 XLR 전송, 인티앰프 초단 구성, CAN 통신, RS-485/422 통신 등 정말 많은 곳에서 쓰이고 있다.