글쓴이 : SOONDORI
FM 프론트엔드 동작에 관련되는 주요 변수를 잘 정리하고 있다. 일렉트로닉스 오스트레일리아 1989년 4월 호에서.
* 관련 글 : https://archive.org/details/EA1989/EA%201989-04%20April/page/n251/mode/2up?view=theater
Electronics Australia는 상당히 좋은 잡지이다.
상당히 좋은 잡지가 된 것은, a) 호주의 DIY 및 RF 기술 분야의 활동도가 대단히 높았기 때문에, b) 다루는 범위가 꽤 넓다. 아날로그 소자에서 RF, 튜너, 계측기, TTL, PC, 프로그램, 산업동향 등, c) 50 Years Anniversary라고 하니… 이 글 발행 시점인 1989년에서 50년을 더 거슬러 올라가면, 1930년대 말에 발행을 시작했다는 것.
그들의 체력과 그 체력을 받쳐주는 시장의 두꺼움이 대단하다.
(▲ 추정하건대 통신병과를 상정하였을 것인데… 공군이 병사 모집 광고를 싣다. 그런 정도의 비중이 있는 지면 매체였다는 뜻. 출처 : https://archive.org/details/electronics_australia-1984_04/page/n145/mode/2up?view=theater)
(▲ 해군도 광고를. 대한민국에서, 공군 등 군대의 통신병과 인력이 국가 산업발전에 크게 기여헀다. 선도적인 교육기관이나 다름없었으니까. 그런데 국내 전자잡지에 이런 것이 올라온 사례가 있었던가? 출처 : https://archive.org/details/EA1989/EA%201989-07%20July/page/n21/mode/2up?view=theater)
Advanced Receiver Front Ends
이번 달에는 통신 수신기 및 전용 단일 주파수 수신기와 같은 고급 슈퍼헤테로다인 수신기의 저잡음 ‘프런트 엔드’ 섹션의 몇 가지 실제 회로 세부 사항을 살펴보겠습니다.
대부분의 라디오 수신기는 이상적인 수신 조건에서 음악과 음성을 수신하기 위해 지역 방송국에 맞춰져 있을 가능성이 높지만, 오늘날에는 중요한 음성, 부호화 및 디지털 메시지 신호를 수신하는 기능을 하는 수신기가 점점 더 많아지고 있습니다.
아마도 두 사람이 CB(시민 대역) 무선 네트워크를 통해 비공식적인 대화를 나누는 것을 ‘오락’이라고 생각하실지도 모릅니다. 전파의 더 중요한 용도에는 지상 관제사와 멀리 떨어져 있거나 접근하는 항공기 간의 매우 중요한 메시지 처리가 포함됩니다. 또 다른 중요한 용도는 멀리 떨어진 라디오 방송국이나 매우 저전력 휴대용 계측 송신기에서 매우 약한 신호를 수신하는 것입니다. 이러한 경우 라디오 수신기는 대부분의 비이상적인 수신 조건에서 작동합니다.
안테나에 도착하는 신호는 대기 잡음, 수신기 내부 잡음, 형광등 및 전기 기기의 간섭 잡음, 인접 주파수의 원치 않는 강력한 무선 전송, 또는 원하는 방송국 근처에 실수로 나타나는 완전히 다른 주파수의 라디오 방송국에 의해 부분적으로 또는 대부분 가려질 수 있습니다. 정말 엉망진창입니다! 원하는 신호가 계속해서 약해졌다 약해졌다 할 수도 있습니다.
하지만 열성적인 독자 여러분, 절망하지 마세요. 이처럼 어려운 환경에서 무선 수신기를 사용하는 데 익숙하다면, 수신 상태가 좋지 않은 상황에서도 신호를 수신하도록 특별히 설계된 수신기를 구입하거나 제작하는 것도 가능합니다.
통신 수신기
이러한 고품질 수신기는 광범위한 주파수에서 수신하도록 제작될 경우 ‘통신 수신기’라고 합니다. 하지만 항공기와 지상 통신과 같은 용도로 사용할 경우, 소수의 특정 예약 주파수 중 하나로 스위치 튜닝이 가능한 ‘전용 수신기’라고 부를 수 있습니다.
두 경우 모두 고성능 수신기를 제작하는 데 적용되는 구조 및 설계 원리는 매우 유사합니다. 원한다면 500달러에서 5,000달러 사이의 가격표가 붙은 통신 수신기를 구입할 수 있으며, 최고급 전문가용 모델은 그 이상일 수도 있습니다. 최신 반도체 집적 회로 덕분에 이전 모델에 비해 크기, 무게, 가격이 감소했으며, 최첨단 부품 덕분에 놀라운 결과를 얻을 수 있었습니다. 자, 이제 자세히 살펴보겠습니다!
우선, 고품질 통신용 무선 수신기의 바람직한 특성을 나열해 보겠습니다.
1. 수신기 내부 잡음이 낮음.
2. 수신기 이득이 높음.
3. 안정적인 튜닝 주파수.
4. 다이얼 또는 판독값의 정확한 주파수 교정.
5. 튜닝 및 주파수 표시의 미세한 증가.
6. 응용 분야에 충분히 좁은 대역폭, 수정 또는 기계식 IF 필터 사용 가능.
7. 스퓨리어스 수신 문제 없음.
8. 넓은 동적 범위(수신 신호 강도).
9. 낮은 혼변조 왜곡.
10. 강력하고 제어 가능한 자동 이득 제어.
위의 모든 조건을 충족하는 라디오 수신기는 훌륭한 기기이지만, 다음과 같은 몇 가지 추가적인 기능이 필요할 수 있습니다.
11. 교정된 신호 강도 측정기.
12. 모스 부호 수신 기능.
13. 단측파대 수신 기능.
14. FM(주파수 변조) 수신 가능.
15. 디지털 튜닝
16. 스캐닝 기능.
17. 크리스털 제어 신시사이저 튜닝.
18. 잡음 억제 회로.
정말 인상적인 목록이지만, 너무 과소평가할 필요는 없습니다. 각 항목은 간단하고 흥미로운 전자 실습의 일부입니다. 이러한 훌륭한 특성을 달성하기 위해 사용되는 회로 유형을 살펴보겠습니다.
낮은 수신기 잡음
모든 전자 증폭기는 어느 정도 잡음을 발생시키는데, 이를 ‘수신기 잡음’ 또는 내부 잡음이라고 하며, 안테나를 통해 유입되는 대기 잡음과 인위적인 간섭으로 이루어진 외부 잡음과 구분합니다. 측정 결과는 일반적으로 다음과 같습니다.
(a) 약 15MHz 미만의 주파수에서는 외부 전기 잡음이 수신기에서 발생하는 잡음을 초과합니다.
(b) 약 20MHz에서는 외부 잡음이 위치에 따라 일반적인 좋은 수신기의 내부 잡음과 거의 같을 수 있습니다.
(c) 25MHz 이상의 주파수에서 방송을 수신할 경우 일반적으로 외부 잡음은 수신기 잡음보다 적습니다.
(d) 약 150MHz 이상에서는 외부 잡음이 미미합니다. 거의 모든 잡음은 수신기에서 발생하는 잡음입니다.
수신기에서 발생하는 잡음을 어떻게 줄일 수 있을까요? HF, VHF 또는 저주파 UHF 범위의 모든 능동 전자 회로에서 회로에서 발생하는 잡음을 최소화하려면 최적의 트랜지스터, 이상적인 정지 동작 전류, 그리고 적절한 회로를 선택해야 합니다. 모든 반도체 접합은 잡음을 발생시키지만(이는 자연의 기본 법칙입니다), 잡음 발생이 가장 적은 트랜지스터를 신중하게 선택하는 것이 중요합니다.
저잡음 트랜지스터
약 50MHz 미만의 주파수 범위에서 사용되는 저잡음 트랜지스터로는 JFET 유형 MPF102와 2N4416, MOSFET 유형 40673, 그리고 여러 NPN 접합 트랜지스터가 있습니다. 이러한 트랜지스터의 예로는 2N4952, 2N3116, SE5051, 40478, 40242, 그리고 잡음 특성이 낮은 저가형 2N2222A 또는 Texas Instruments 유형 A5T2222가 있습니다.
50MHz에서 300MHz 사이의 주파수 범위에서 사용되는 저잡음 트랜지스터로는 접합 트랜지스터 2N6604, MRF914, MRF961, MRF962, MRF965, 2N4934, 2N4935, 2N5179, 2N2857, 또는 Siliconix FET 유형 U310 또는 U300 등이 있습니다. 위의 제품 중 일부는 1.0GHz까지 잘 작동합니다.
최대 500MHz 주파수에서 잡음을 낮추려면 Motorola BFR91(1.9dB의 매우 낮은 잡음 지수) 또는 2N6603, MRF904, MRF905를 사용합니다.
최대 1.0GHz 주파수에서 잡음을 더욱 낮추려면 Motorola에서 제조하는 갈륨비소 듀얼 게이트 N채널 공핍 모드 FET인 MRF966 및 MRF967(잡음 지수 1.2dB)을 사용합니다. 동일한 주파수 범위에서는 NPN 접합 트랜지스터인 MRF571 및 MRF572를 사용합니다.
이러한 각 소자는 트랜지스터 잡음이 가장 낮은 전압 및 전류에서 작동해야 합니다. 대부분의 트랜지스터는 잡음 평탄역(noise plateau) 값까지 낮은 전류를 흘릴 때 잡음이 덜 발생합니다. 그러나 전류가 ‘임계 전류’ 값 아래로 감소하면 잡음이 훨씬 더 커지고 이득도 떨어지는 경우가 많습니다. 이 임계 전류 값은 트랜지스터, 부하 임피던스 및 주파수에 따라 2.0 마이크로암페어와 1.0 밀리암페어 사이입니다.
신호 대 잡음비
수신기의 모든 단에서 동일한 잡음이 발생한다면 (실제로는 그렇지 않지만), 첫 번째 단에서 발생하는 잡음만 중요한 요소가 됩니다. 잡음 레벨은 신호 레벨과 비교하여 판단되기 때문입니다. 중요한 것은 신호 대 잡음비입니다.
회로가 두 단으로 구성되어 있고 각각 동일한 잡음 마이크로볼트(μV)를 생성한다면, 첫 번째 단의 출력에서 신호와 잡음은 두 번째 단의 잡음 레벨보다 더 높은 레벨로 증폭됩니다. 따라서 첫 번째 단의 신호 대 잡음비는 전체 회로의 신호 대 잡음비를 결정합니다. 두 개 이상의 단으로 구성된 회로에도 동일하게 적용되므로, 잡음이 낮은 첫 번째 단이 필수적입니다!
RF 증폭기
일반적으로 믹서 단은 증폭기 단보다 잡음이 더 크기 때문에, 수신기에서 가장 높은 신호대잡음비를 얻으려면 믹서 앞에 우수한 저잡음 RF 증폭기를 추가해야 합니다. 자동 이득 제어(AGC, 자동 볼륨 제어 또는 AVC라고도 함)를 증폭기에 적용하면 정지 동작 전류를 변경하여 이득을 변경합니다. 따라서 RF 증폭기 트랜지스터가 최저 잡음을 위한 최적 전류로 작동하도록 하려면 이 단에 AVC를 적용해서는 안 됩니다.
그림 1(a)와 같은 공통 게이트 튜닝 RF 증폭기는 드레인에서 게이트로의 용량성 음궤환(밀러 효과)으로 인한 이득 감소 문제를 해결하기 위해 자주 사용됩니다. 이는 특히 고주파에서 중요합니다. 또는 그림 1(b)와 같은 공통 소스 튜닝 RF 증폭기를 저주파에서 사용할 수 있습니다.
그림 1(c)와 같이 튜닝되지 않은 RF 증폭기를 사용하는 경우도 있는데, 이 증폭기는 약 150MHz 미만의 RF 주파수에서 약 6.3배 또는 16dB의 전압 이득을 나타냅니다. 이 회로의 안정성은 두 개의 DC 결합 RF 부궤환 소스에 의해 보장되는데, 하나는 출력 변압기의 태핑에서 베이스로 전달되는 것입니다. 다른 하나는 바이패스되지 않은 10Ω 이미터 저항 양단의 전압 강하로 인해 생성된 이미터의 신호 전압에 의해 발생합니다. 그러나 튜닝되지 않은 RF 증폭기 단을 사용하는 데에는 단점이 있는데, 이에 대해서는 나중에 설명하겠습니다.
저잡음 믹서
수신기에 조용한 RF 증폭기 단을 설치하더라도, 잘못 설계된 믹서의 잡음은 상당할 수 있습니다. 믹서 회로의 선택은 고품질 수신기 설계에 있어 가장 중요한 요소일 것입니다. 믹서는 최소한의 잡음만 발생하도록 설계되어야 하지만, 다른 성능 특성도 갖춰야 합니다.
모든 믹서는 본질적으로 비선형 단이기 때문에, 제대로 설계되지 않으면 매우 가까운 주파수에서 수신된 두 신호 사이에 혼변조 왜곡(Intermodulation Distortion)이 발생할 수 있습니다.
그림 2(a)에 나타난 믹서 회로는 게이트에 동조된 RF 입력과 소스에 국부 발진기 입력을 갖는 2N4416 FET를 사용합니다. 믹서는 국부 발진기에서 발생하는 매우 큰 신호, 즉 ±5V 진폭의 RF 사인파를 구동함으로써 필요한 비선형 동작 모드로 구동됩니다.
게이트의 RF 신호는 수 마이크로볼트에 불과할 수 있습니다. 실제로 믹서에 매우 큰 RF 신호가 필요한 것은 아닙니다. 그렇지 않으면 교차 변조 또는 혼변조 왜곡이 발생합니다. ‘강력 믹서’라는 용어는 혼변조 왜곡(IMD) 없이 큰 RF 신호 입력을 처리할 수 있는 믹서 회로를 나타냅니다.
바이폴라 접합 트랜지스터는 고품질 믹서 회로에는 적합하지 않습니다. 2N4416(그림 2a)과 같은 JFET, 또는 GaAs N채널 듀얼 게이트 FET인 MRF966, MRF967, 또는 실리콘 N채널 공핍 모드 MOSFET인 3N140이나 최신형인 40673이 사용됩니다.
혼변조 결함이 최소인 믹서 회로나 RF 주파수가 매우 높은 경우에는 트랜지스터 대신 다이오드를 사용할 수 있습니다. 이 경우 누설 전류가 낮은 고주파 ‘핫 캐리어’ 또는 쇼트키 배리어 다이오드가 가장 적합합니다. 이 다이오드는 일반적인 PN 접합 다이오드와 달리 소수 캐리어 흐름이 없고, 전하 저장이 없으므로 역회복 시간이 없습니다. 또한 에너지 갭이 작아 순방향 전압 강하가 낮습니다. ‘배리어’는 금속으로 만들어지며, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 또는 백금 중 선호하는 재료입니다.
상업용 핫 캐리어 다이오드로는 Fairchild FH1100, 1N5390 또는 Hewlett Packard HP2800 및 HP2811 유형이 있습니다. 대안으로, 일반적인 1N914 유형, 더 빠른 1N917 유형 또는 매우 빠른 Texas Instruments TID778 유형과 같은 고속 실리콘 다이오드 세트를 사용할 수 있습니다.
“왜 다이오드를 사용해야 하나요?”라고 질문하실 수도 있습니다. 타당한 질문입니다! 믹서의 주요 기능은 작은 RF 신호 입력과 큰 국부 발진기 신호를 ‘믹싱’하거나 곱하는 것이라는 점을 기억한다면, 믹서 내부의 RF 이득(장점은 있지만)은 필수적인 것은 아닙니다.
‘강한’ 다이오드 믹서
그림 2(b)에 나타난 ‘이중 평형 다이오드 링 믹서’는 무이득 회로에서 HP2800 또는 1N914 정합 다이오드 4개를 사용하며, 이 회로는 IMD가 과도해지기 전에 강한 RF 입력 신호를 수용할 수 있다는 점에서 ‘강한’ 특성을 지닙니다.
안타깝게도 다이오드 믹서는 그림 2(a)에 나타난 FET 믹서보다 잡음이 더 심할 수 있는데, 이는 이득이 없기 때문입니다. (이중 평형 믹서는 다이오드 4개 대신 MOSFET 2개를 사용하여 구성할 수도 있습니다.) 다이오드 믹서의 성공은 입력 및 출력 임피던스 정합과 정합 다이오드 세트 선택에 달려 있으며, HP2800 ‘핫 캐리어’ 다이오드가 선호됩니다.
1N914와 같은 실리콘 다이오드를 더 저렴한 대체품으로 사용할 경우, 약 100개를 구입할 수 있습니다(매우 저렴하며 나머지는 결국 사용될 것입니다). 그런 다음 측정을 통해 전압/전류 특성이 가장 유사한 4개를 선택합니다. 더 나은 테스트에는 RF 특성 매칭이 포함되지만, 이는 주택 건설업자에게는 더 어려운 작업입니다. 합리적인 가격으로 HP2800 네 대를 구입할 수 있다면 그렇게 하는 것이 좋습니다!
다이오드 믹서는 회로에 이득이 없고 삽입 손실만 있으므로 큰 국부 발진기 주입 전압이 필요합니다. UHF 주파수에서 사용하기 위해서는 다이오드 믹서가 선호되며, 종종 HP5082 또는 HP2717 유형의 핫 캐리어 다이오드를 사용합니다. 이러한 다이오드를 기가헤르츠 대역의 주파수에서 믹서로 사용할 경우, VHF 이하 주파수에서 사용하는 코일과 변압기를 특수 ‘스트립’ 회로 부품으로 대체합니다.
IC 믹서
믹서로 사용하도록 설계된 집적 회로는 시중에 판매되고 있으며, 이를 사용한 회로는 그림 3(a)에, CA3028A 집적 회로의 내부는 그림 3(b)에 나와 있습니다. 이 회로는 곱셈기 역할을 하며, 입력 RF 신호 f1과 국부 발진기 신호 f2에 작용하여 필요한 중간 주파수(f1-f2)를 생성합니다.
곱셈은 핀 2의 국부 발진기 신호가 하단 테일 트랜지스터의 베이스 전류를 변화시켜 긴 테일 쌍(상단)의 두 트랜지스터 모두의 이미터 전류를 변화시킴으로써 수행됩니다. 이는 베이스(핀 5)의 RF 신호 입력에서 핀 6과 8 사이에 연결된 동조 RF 출력 변압기를 통해 생성된 출력 신호까지 측정된 롱테일 쌍의 이득을 변화시킵니다. 따라서 출력은 핀 2와 5의 신호의 곱입니다.
이 시리즈 4부(EA, 1988년 10월호 134-139쪽, 註 착각하신 듯? 해당 페이지에 기사 없음. 추후 업데이트)의 후기에서 사용된 간단한 삼각법은 두 개의 순환 신호의 곱이 서로 다른 주파수의 네 신호를 생성하는 방식을 보여주었으며, 그 중 하나는 필요한 주파수(f1-f2)입니다. 집적 저항은 고품질 이산 고정 저항보다 잡음이 더 많기 때문에 일부 집적 회로 믹서는 비슷한 이산 부품 믹서 회로보다 더 많은 잡음을 생성합니다.
국부 발진기
간단한 슈퍼헤테로다인 수신기에서 국부 발진기(LO – 가변 주파수 발진기 또는 VFO라고도 함)는 주파수 f2의 사인파 RF 발진기로, 믹서에 신호를 공급합니다. 믹서에서 국부 발진기 신호는 수신되는 방송국에서 들어오는 RF 신호(주파수 f1)와 진동합니다. 이 두 신호의 주파수 차이(f2-fl)가 고정 중간 주파수(IF)입니다.
무선 수신기가 해당 주파수 범위에 맞춰 조정되는 것처럼, 국부 발진기 또한 해당 주파수 범위에 맞춰 조정됩니다. 중간 주파수가 455kHz로 선택되면, 국부 발진기 주파수는 수신되는 방송국 주파수보다 항상 455kHz 높거나 455kHz 낮게 조정됩니다.
방송 수신기에서는 방송 대역 주파수가 낮기 때문에 ‘높음’ 옵션이 일반적입니다. 그러나 발진기 주파수 안정성을 개선하기 위해 고주파 수신기에서는 로컬 발진기 주파수가 수신된 RF 입력 주파수보다 ‘낮은’ 것이 일반적입니다.
하틀리 발진기, The Hartley oscillator
국부 발진기 회로는 기본적으로 RF 증폭기 트랜지스터의 양의 피드백 루프에 배치된 가변 동조 회로입니다. 그림 4(a)는 동조된 코일 또는 인덕턴스(L1+L2)(실제로는 동조된 자동 변압기)를 통해 하틀리의 양의 피드백 원리를 단순화한 형태이며, 이미터는 인덕턴스의 탭을 통해 신호 경로에 연결됩니다. 양의 피드백은 다른 동조 회로와 마찬가지로 C1/L1+L2의 양 끝단이 A에서 B로 180° 위상 변화를 갖기 때문에 발생합니다.
A와 B는 각각 컬렉터와 베이스 사이에 연결되어 있으므로, 모든 트랜지스터의 베이스에서 컬렉터까지의 180° 지연에 (A-B) 180° 위상 변화가 더해지면 베이스-컬렉터-베이스 순환 경로에서 360°(즉, 한 사이클)가 발생합니다. 따라서 베이스의 모든 신호는 증폭되어 베이스에 ‘동위상’으로 반환되어 스스로를 강화합니다.
이러한 양의 피드백은 회로가 튜닝되는 주파수 f2에서만 발생할 수 있습니다. 해당 주파수는 다음과 같습니다.
f2 = 1/2Pi ≥ (L1+L2)C
따라서 회로는 해당 주파수에서 발진, 즉 RF 에너지를 방출합니다. 그림 4(b)의 실제 하틀리 회로는 RF 임피던스가 거의 0이면서 양의 레일에서 베이스까지의 DC 경로를 차단하기 위해 바이어스 회로와 결합 커패시터 C2를 포함해야 합니다.
각 양의 신호 피크에서 C3는 바이어스 전압을 발생시키고, 이 전압은 ‘누설’ 저항 R1을 통해 지속적으로 누설되어 트랜지스터의 평형 바이어스를 형성합니다. 시작 바이어스를 제공하기 위해 저항 RS가 필요할 수 있습니다.
일부 하틀리 구성에서는 튜닝 커패시터의 어느 쪽도 접지되지 않아 절연된 커패시터 본체와 샤프트가 필요하며, 이는 실질적인 단점입니다. 실제 하틀리 발진기는 MOSFET, JFET, 접합 트랜지스터 또는 충분한 속도의 집적 회로를 사용할 수 있습니다.
콜피츠 발진기, Colpitts oscillator
기본적인 콜피츠 발진기(그림 4(c))는 동일한 양의 피드백을 통해 단일 주파수에서만 발진을 유지한다는 원리로 작동하지만, 이 경우 이미터는 Cl과 C²로 형성된 용량성 분배기를 통해 신호 경로에 결합됩니다.
그림 4(d)는 하나의 실제 콜피츠 회로를 보여주며, 동일한 회로 설명과 주석이 하틀리 회로와 콜피츠 회로 모두에 적용됩니다.
가변 커패시터를 사용하여 콜피츠를 조정하려면, 한 세트의 이동 블레이드와 두 세트의 절연된 고정 블레이드로 구성된 분리형 고정자 가변 커패시터가 필요합니다. 또는 인덕턴스 내에서 페라이트 슬러그의 위치를 변경하여, 즉 L 값을 변경하여 하틀리 또는 콜피츠 발진기를 조정할 수 있습니다.
콜피츠 발진기의 주파수 f2는 다음과 같습니다.
f2 = 1/2Pi ≥ L·C1·C2/(C1+C2)
전자 결합 발진기, Electron coupled oscillator
이러한 모든 발진기 회로는 진공관(밸브) 시대에 유래되었지만, ‘전자 결합’이라는 이름 자체가 이 회로의 기원을 잘 보여줍니다. 그림 4(e)의 다중 소자 진공관 회로에서 유래한 이 발진기는 그리드와 캐소드 사이에 동조 회로를 형성했으며, RF 에너지의 양(+) 피크는 그리드 G1을 양(+)으로 구동했습니다. 따라서 G1은 유사 애노드처럼 작용했습니다.
RF 에너지는 전자 흐름에 의해서만 동조 회로에서 플레이트 회로로 결합되었습니다. 따라서 플레이트는 접지된 억제 그리드 G3와 바이패스 커패시터 C4에 의해 ‘RF 접지’된 스크린 그리드 G2에 의해 동조 회로로부터 전기적으로 차폐되었습니다. 플레이트 회로, 부유 커패시턴스, 출력 부하가 모두 차폐되고 민감한 동조 회로로부터 분리된 전자 결합 발진기는 주파수 안정성이 매우 뛰어나고 제어가 용이하여 널리 사용되었습니다.
이 아이디어를 현대식 고체 회로에 적용하는 데 있어, 안타깝게도 다중 소자 진공관에 직접적으로 대응하는 회로는 없습니다. 따라서 그림 4(f)에 나타난 트윈 게이트 N채널 공핍 모드 MOSFET 회로와 같은 가장 가까운 회로를 사용합니다. ‘전자빔’ 절연이 없기 때문에, 가장 낮은 임피던스 지점인 트랜지스터 소스와 튜닝된 인덕턴스 하단 근처의 25% 피드백 탭핑 지점에서 출력을 얻습니다.
RCA 타입 40673이 여기에 적합하며, 충분한 주파수 정격과 12,000 마이크로지멘스(12mA/V)의 높은 상호 컨덕턴스 값을 제공합니다. 잡음이 낮은 듀얼 게이트 MOSFET으로는 모토로라 GaAs 타입 MRF966 또는 MRF967이 있지만, 가격이 더 비쌀 수 있습니다.
주파수 안정성
국부 발진기의 주파수 안정성은 모든 슈퍼헤테로다인 수신기에서 매우 중요하며, 특히 프런트엔드 뒤에 위치한 중간 주파수 증폭기의 대역폭이 좁은 경우 더욱 그렇습니다. 이러한 이유로 통신 수신기에서는 국부 발진기 회로의 개념, 구조 및 설계에 세심한 주의를 기울입니다.
국부 발진기에서 우발적인 주파수 편이가 발생하는 원인은 네 가지가 있습니다.
1. 온도 변화.
2. 양의 레일 전압 변화.
3. LC 동조 회로 또는 연결 배선의 기계적 움직임 및/또는 가변 커패시터의 베어링 또는 장착 구조 불량.
4. 튜닝 노브에 손을 얹을 때 발생하는 ‘핸드 용량’. 총 튜닝 용량에 스트레이를 추가하는 것입니다.
발진기 트랜지스터의 온도 변화는 트랜지스터를 고온 부품으로부터 충분히 멀리 배치하고 자체 발열을 최소화하기 위해 트랜지스터를 저전류에서 중전류로 작동시킴으로써 최소화됩니다. 제너 다이오드 전압 안정화는 주전원 변동에도 불구하고 일정한 공급 전압을 유지하는 데 자주 사용됩니다.
튜닝 커패시터 또는 관련 배선의 미세한 기계적 움직임으로 인한 주파수 변화는 기계적으로 견고한 구조와 튜닝 커패시터에 부드럽고 마찰이 적은 베어링(때로는 트윈 볼 레이스)을 제공함으로써 방지됩니다. 고급 통신 수신기에서는 원치 않는 움직임을 방지하기 위해 견고한 주조 알루미늄 섀시 구조를 흔히 볼 수 있습니다.
사용자가 튜닝 노브에 손을 얹을 때 발생하는 주파수 편이는 제작자가 튜닝 커패시터의 금속 샤프트를 충분히 접지하고 접지된 금속 전면 패널을 사용하여 사용자의 손을 커패시터 플레이트로부터 분리함으로써 방지할 수 있습니다.
발진기 ‘풀링’, Oscillator ‘pulling’
주파수 ‘풀링’은 믹서와 국부 발진기 동조 회로 사이의 우발적인 교차 결합으로 인한 효과입니다. 이러한 교차 결합은 믹서 트랜지스터가 발진기에 부하를 걸 때 믹서 트랜지스터 내부에서 발생할 수 있습니다. 이 효과로 인해 믹서 동조 회로는 발진기의 주파수를 입력 RF 주파수 쪽으로 ‘끌어당길’ 수 있습니다.
해결책은 그림 5의 블록 다이어그램과 같이 RF 버퍼 증폭기를 삽입하여 발진기와 믹서를 전기적으로 분리하는 것입니다. 발진기는 트랜지스터 발열을 최소화하기 위해 낮은 레벨로 동작하여 주파수 안정성을 향상시킵니다. 다음 광대역 비동조 증폭기는 발진기 전압을 믹서에 필요한 레벨까지 높입니다. 결과적으로 발진기가 생성하는 안정적인 주파수에서 강력한 출력이 생성됩니다.
LO 주파수 선택
방송 수신기에서 국부 발진기 주파수는 (물론) 수신되는 RF 주파수와 455kHz 차이만 납니다. 그러나 고주파 수신기, 특히 동조 범위가 짧은 수신기에서는 국부 발진기 주파수가 수신되는 RF 주파수보다 낮고 매우 다른 경우가 많습니다.
예를 들어, 10.7MHz의 중간 주파수를 사용하는 14.0~14.3MHz 주파수 대역의 특수 목적 아마추어 무선 수신기에서 국부 발진기는 3.3~3.6MHz 사이에서 동조됩니다. 이렇게 훨씬 낮은 발진기 주파수는 국부 발진기 주파수 안정성을 높이는 데 기여합니다.
원칙적으로 발진기 회로는 어떤 주파수에서든 작동하도록 구성할 수 있지만, 적절한 능동 소자를 사용할 수 있다면 약 10MHz 이상의 주파수에서 발진하는 가변 주파수 국부 발진기를 구성하는 것은 현명하지 않습니다. 이 주파수 이상에서는 트랜지스터의 내부 정전용량과 스트레이가 필요한 회로 튜닝 정전용량 값과 비슷하므로, 회로 주파수는 온도 변화에 따라 크게 변동할 수 있습니다.
더 높은 주파수 수신의 경우, 저주파 발진기는 주파수 증폭 또는 헤테로다인 방식을 사용하여 버퍼링함으로써 고주파 LO 신호를 생성할 수 있습니다.
주파수 증폭은 단일 주파수 수신기에만 적합하며, 군용 무전기, 택시 양방향 시스템, 항공기 항법 수신기 등과 같은 서비스에 적용할 수 있습니다. 헤테로다인 방식은 그림 6의 블록 다이어그램에 나타나 있으며, 가변 주파수 및 범용 통신 수신기에 사용할 수 있습니다.
다음 섹션
믹서 다음에는 중간 주파수(IF) 증폭기가 있는데, 이 증폭기는 정주파 IF 신호를 증폭하여 수신기의 이득과 선택도의 대부분을 담당합니다. 그 다음에는 검출기 또는 복조기, 자동 이득 제어(AGC) 섹션, 마지막으로 오디오 증폭기와 전원 공급 장치가 있습니다.
많은 고급 통신 수신기에는 열악한 환경에서도 수신을 용이하게 하기 위해 추가적인 기능이 추가되어 있습니다. 이러한 모든 회로 섹션은 다음 섹션으로 미루겠습니다. 그때까지 안녕히 계세요.
