일요일, 9월 23, 2018
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National R-1016 AM 포켓 라디오 (5), 발진회로와 IF

글쓴이 : SOONDORI

“이 세상 온갖 학문들의 귀결점은 결국 ‘사람을 중심에 놓는 철학’이다. 그와 마찬가지로 모든 RF의 귀결점은 AM!”

취미생활 전자공작의 시작은 중학교 2학년 때. 희안한 세상을 처음 만나 두툼한 권총인두 잡고 ‘검갈빨오…’ 저항색상들을 외우고 ‘라디오와 모형’을 닳고 닳게 읽었던, 실로 오리무중 속 재미 충만했던 탐구의 시절이 있었다. 이후 수 십 년간, 전자회로와 전혀 무관한 삶의 시간들이 흘러갔는데…

까까머리 탐구 주제였던 AM.

“이 정도는 기본이지?” 까불다가 최근 사소한 건으로 상당히 머슥한 경험을 하게 되었다. 어설픈 이해의 관성을 반성하고 훗날의 참조를 위해 기록을 남긴다.

■ AM 발진회로

진작 표준 6석 AM 라디오에 대하여 “… OSC 코일 1차측이 455Khz를 만들고 수신 주파수(f)에 그 455Khz가 더해진 후 그것이 콜렉터에 연결된 1st IF Coil에 전달된다. 이후는 다단 중간주파수 증폭과 검파…”라고 썼다. 크게 잘못된 것은 아니지만 약간 오해 소지가 있는데…

CREATOR: gd-jpeg v1.0 (using IJG JPEG v80), quality = 98

우선, AM 포켓라디오 국부발진 회로에는 통상 하틀리발진기(Hartley Oscillator*)가 사용된다. 코일 중간에 Tap을 내고 코일 양단에 커패시터를 연결한 후 적절한 증폭소자를 개입시키면 -180도, +180도 위상을 오고 가는 균일한 싸인파 발진이 일어난다.

* 하틀리발진기는 수 십 Kha~ 수 Mhz에서 유효하고 100Mhz를 넘어가는 FM 발진은 Colpitt Oscillator가 유리하다. 100Mhz 초소출력 FM 발진기 제작에 있어서 2SC1815으로도 충분했다.

인터넷에서 구한, 만만해 보이는 콜렉터 동조형 하틀리 발진회로를 가지고 생각해보자면…

(출처 : http://www.learnabout-electronics.org/Oscillators/images/Hartley-01.gif)

1) 콜렉터에 연결된 L은 센터-탭에 의해 L1, L2로 분리되어 있고 센터-탭은 C2를 경유, 에미터에 연결되어 있다.

2) Common Emitter 회로의 속성에 의해 TR1 Base~GND 전압, Collector~GND 전압의 위상은 180도 차이가 난다.

3) 코일이 균일하게 한쪽 방향으로 감겨 있으니 전류-자기장의 작용이 단일하게 한쪽으로 진행된다고 하고 Center Tap이 GND에 연결되었다면 L1, L2 중 하나의 끝부분을 기준으로 그 반대편은 반대극성이 된다. 그리하여 센터-탭 기준, L1과 L2의 위상은 180도 다르다.

4) TR1 Base가 양의 위상일 때 Collector연결된 L2 위상이 음의 위상이면(또는 정반대라면), 그대로 되먹임된다면 양자는 상쇄될 것이다. 만일 베이스 입력에 상응하는 L1 끝부분 위상이 양의 위상이라면? 상쇄되지 않는다. 두 사례를 관념적으로 표현하면, 전자는 +1 + -1 = 0이고 후자는  +1 + -(-1) = 2이다. 후자 조건에 TR1 증폭 작용이 더해진다면 ‘동일 위상의 가산증폭’에 의해 회로는 한 순간에 포화상태가 될 것이다.

5) 한편으로 L1, L2, C3는 에너지를 저장하고 충/방전을 반복할 수 있는 LC TANK라는 공진회로를 구성한다. 이곳에 적당한 에너지가 공급되면 그 양태에 따라 감쇠공진, 포화공진 또는 (모종의 조건이 성립된다면)지속적으로 공진할 수 있다.

이런 기본설정 하에…

1) Power On → L1, L2를 경유 Collector 전류가 흐르면서 LC TANK가 작동한다.

2) L1쪽 진동은 R1을 경유, TR1 베이스로 전달되고 적당히 증폭된다. 이때  베이스 입력 위상은 위 4항의 논리에 의거하여 ‘콜렉터 위상의 역(易)위상’ 즉, ‘베이스 위상의 동(同)위상’으로, 그것이 음이든 양이든 직전상태 신호를 가필하는 것이어야만 한다. 이렇듯 ‘포화를 염두에 둔 가필(더하기)’이 아니라면 신호는 상쇄, 소멸된다.

(출처 : http://diodetech.blogspot.com/2013/07/lc-oscillator.html)

3) 콜렉터~C4 연결점(발진회로 최종출력점)에서 L2의 위상과 같은 즉, L1의 반대위상이자 베이스의 반대 위상인 콜렉터 위상이 시현된다.

4) 극소 용량 C2는 발 빠른 충/방전 동작에 의해 고주파의 연결경로를 형성한다. 커패시터는 DC의 흐름은 막지만 움직이는 신호 특히, 고주파 신호에 관해서는 대략 선이 연결된 것과 같다. 한 도면에서 DC Flow와 고주파 AC Flow가 다르니… 후자 조건에서라면 LC Tank의 센터탭은 에미터저항 R3에 직결되어 있는 셈이다.

5) 발진 주파수는 다음 공식에 따른다. (상호인덕턴스, 기타 회로들의 부유용량에 의한 영향은 무시)

6) R3 에미터 저항은 포화공진을 대비한 바이어스 자동 조정과 적당한 온도보상(저항온도계수, 온도↑ = 저항값↑)을 담당한다. 예를 들어 LC Tank 발진 진폭(Amplitude)이 커지면 C2를 통한 R3~GND 전압이 커지고 그에 상응하여 R1을 경유하는 트랜지스터 바이어스 전류가 감소하며 종국에는 적절한 타협점에서 균일한 진폭의 발진이 유지된다. 심심해서 R3를 제거한다면? 바이어스 자동조절기능 부재에 의한 발진불량에, 라디오는 동작하지 않을 것이다.

* 더 자세한 설명 : http://www.learnabout-electronics.org/Oscillators/osc21.php

앞서 언급된 Feed Back Loop 내 동 위상(In Phase) 충족조건 때문에 “AM OSC Coil에는 극성이 있다”는 세간의 표현이 생겼던 것이겠고… ‘머슥했던 경험’사례에서 그 점을 놓쳤다. 까까머리 중학생이 어설프게 이해를 했는데 그것이 검증없이 수 십 년 지속되었더라는 사례.

이상으로,

“… OSC 코일 1차측이 455Khz를 만들고 수신 주파수(f)에 455Khz가 더해진 후…”라는 문구는, 현실에서는 455Khz가 따로 생성되고 그 다음 더해지는 것이 아니라 아예 최종 값으로, 그것도 곧바로 생성된다로 수정해야겠다. 관념적 표현과 현실의 동작 사이에 약간의 뉘앙스 차이가 있음이다.

■ 실제 회로의 해석과 IF

이상을 실물회로에 준하는 아래 표준회로(에미터동조 발진회로)에 적용해보면…

Power-On 직후 LC Tank는 콜렉터 전류에 의한 OSC 2차측 유도(또는 C2)로 부터 최초 동작 에너지를 공급받고 공진하기 시작한다. 그 다음 아래쪽 코일 신호가 GND, R2를 거쳐 ‘동위상’ 조건으로 트랜지스터 베이스에 전달되고 트랜지스터 콜렉터에 연결된 2차 코일(*)로 그리고 다시 LC Tank로 순환된다. C2, R3에 의한 자동 바이어스 조정과 포화공진 억제는 앞서 정리된 바와 같다.

* 1차의 권선 회수가 2차쪽보다 크다.

아무튼… 발진코일 코어(L1, L2 상호인덕턴스의 변화를 초래하는 인자)와 폴리바리콘 발진부 용량과 트리머 용량 등에 의해 결정된 전기적 파동은 콜렉터에 연결된 OSC 2차측에서 출발하여 직렬 접속된 IFT를 경유, 455Khz로 필터링된 후 다음 회로영역으로 “넘어간다”.

“넘어간다”의 실제 내용은 다음과 같다.

1) 동조주파수(F_tuned)에 대한 발진주파수(F_osc)를 정하는 방법은 두 가지가 있다. 하나는 F_osc = F_tuned + F_if(상측 발진, Up Conversion), 다른 하나는 F_osc = F_tuned – F_if(하측 발진, Down Conversion). 현실에서는 빼기방식의 바리콘 가변비율(*)이 극단적으로 커지는 문제가 있어 더하기 방식 즉, 상측발진을 사용한다.

* 예를 들어 (1600Khz + 455Khz)÷(540Khz + 455Khz)의 비율과 (1600Khz – 455Khz)÷(540Khz – 455Khz)의 비율을 계산해보면… 전자는 2.06:1, 후자는 13.47:1이다. 후자와 같이 가변폭 넓은 OSC를 쓰는 것은 비효율적이고 그런 바리콘 만들기도 어렵다.

2) 한편, 믹서회로 출력 포인트나 다름없는 OSC 코일 2차측 주파수는 F_osc ± F_tuned(*)인 주파수들을 모두 포함하고 있다. 상측발진으로 처리했다 하면 F_osc = F_tuned + F_if인데 식을 바꾸면 F_if = F_osc – F_tuned가 된다.

여기서… 왜 번거롭게 455Khz를 더했다가 빼는가? 주파수들을 어떻게 더하고 뺀다는 것인가? 그런 것들은 중심주파수와 푸리에변환, Sideband 개념, 이미지 주파수 배제 등을 가지고 설명하면 되는데… 다음 편에서 정리.

* 관련 글 : National R-1016 AM 포켓 라디오 (6), IF FILTER

* 좌측 신호를 퓨리에 변환기에 걸면 우측과 같은 파형이 나온다. 좌측의 X축은 시간이고 Y축은 진폭인데 우측은 X축이 주파수, Y축이 진폭이다. 균일한 주파수일지라도 소자들의 비선형 특성 때문에 생기는 고조파(Harmonic)들이 기준주파수에 더해질 수 밖에 없으므로 1) 높낮이가 가장 큰 주된 주파수와 2) 기타 여러 주파수들(잡음)이 F_center를 기준으로 대칭성을 갖고 표현된다. 이것은 스펙트럼 애널라이저의 제시 내용이기도 하고 주파수를 함수식으로 표현할 때의 일반적인 현상이다.  

[ 관련 글 ]
오디오의 주파수와 푸리에 변환 (1)
오디오의 주파수와 푸리에 변환 (2)

3) OSC 코일 2차측에 직결된 1st IF는 455Khz 필터로서 차(差) 주파수 즉, F_osc – F_tuned인 주파수만 통과시킨다. 그 주파수 안에는 당연히 음성신호가 담겨 있다.

4) 한편, LC 탱크의 임피던스가 최소인 지점 즉, 공진점에서 전류흐름이 가장 원활하다. 이것은 에미터 저항을 줄여서 컬렉터 전류를 키우는 효과에… 결과적으로 공진점에서 가장 큰 진폭의 발진신호가 만들어진다. (R3, L1/L2비율도 진폭의 영향변수) 이 공진점을 조정하는 방법은 a. 코어를 배치하고 인덕턴스(L)를 가변하거나 b. 트리머 등을 통해 C값을 가변하거나. AM 라디오에는 두 가지 모두가 적용되어 있다.

아무튼 실제 상황에서…

Check Point #1 관측 주파수는 다이얼 최저주파수 + 455Khz와 최고주파수 + 455Khz 사이에서 가변된다. 여기서 최고/최저주파수는 모두 동조주파수. 이 동조주파수에 발진주파수가 연동되는 것을 트레킹(Tracking)이라 하는데 말 그대로 주종의 관계처럼 늘 따라간다는 뜻으로서 동조다이얼을 돌리면 동조주파수가 달라지고 그에 종속된 발진주파수가 981.5Khz ~ 2060.5Khz 가변된다. Check Point #2 관측 주파수는 455Khz. 각 단위 파형에서 심한 높낮이 변화가 보이는데 그것이 곧 AM Modulation량이자 듣고자 하는 음성신호의 변화폭이다.

■ OSC 코일의 극성이란?

아래 그림의 왼쪽은 오리지널 JET사 OSC Coil의 배선 조건, 오른쪽은 홍인전자가 판매하는 (중국제)Coil의 배선 조건. 둘의 핀 위치들은 거울에 비친 것처럼 다르다.

홍인전자 코일을 JET사 코일인 양 그대로 삽입했을 때 발진이 일어나지 않았던 것은 LC Tank 위상, 트랜지스터 베이스 입력 위상, 콜렉터 출력 위상 등에 있어서 +, -가 요구조건과 달랐기 때문이다. 즉, 위상 가필이 아닌 상쇄의 반복이었던 것. 이에 더하여 L1, L2의 권선비 문제도 있었을 것이다. 저항값을 기준으로 하나는 다른 것보다 작다.

이쯤에서… 각 OSC들은 외관 엇비슷한 금속 CAN인데 서로 뭐가 다르다는 것일까?

제작방법 특히, 코일을 감는 방향에 차이가 있다. 예를 들어 JET쪽은 시계방향, 홍인전자쪽은 반시계방향으로 코일들을 감았는데 같은 PCB 패턴(핀)에서는 전류흐름과 형성된 자기장의 방향은 180도 달라질 것이다. 전류와 자기장의 방향 변화는 곧 위상변화에 직결되어 있다.

■ 참고 : 편이 교정과 검증

기대보다 작은 소리에 자세히 관찰을 해보니 대상 라디오에 +30Khz 내외의 IFT 중심주파수 편이가 있었다. IFT는 밴드패스필터(BPF; Band Pass Filter)이므로 Center Frequency가 원론에 맞게 설정되지 않으면 통과되는 시그널의 강도는 편이된 만큼 즉, Slope의 어떤 위치만큼 작아질 것이다. 그래서 곧 “이 고물 라디오는 수신감도가 엉망이네? 버려!”가 된다.

(오래된 진공관용 IFT의 특성 그래프. 구품은 물론 홍인전자 제품의 스펙 문서를 구한다는 것은 완전히 불가능한데 IFT가 예나 제나 달라질 것 없다 하면… 이 그래프를 기준으로는 +30Khz. 차이(-12dB)는 크게 유의미하겠다. 출처 : http://www.turneraudio.com.au/Kitchen-AM-Radio-2015.html)

재조정 후 결과는… 1) SSG 526.5Khz에서 526.5 + 455=981.5Khz 근접 충족, 2) 1605.5 + 455=2060.5Khz 근접 충족, 3) 검파다이오드 1차측 파형(주파수) 455Khz 근접조건을 충족하고 있다.

가. 발진회로 점검포인트 : 1605.5Khz 주입 + Dial 끝까지 돌림

(▲ BEFORE  2090-455=1635Khz-1605.5=+29.5Khz▼ AFTER)

나. 발진회로 점검포인트 : 526.5Khz 주입 + Dial 반대편 끝까지 돌림

(▲ BEFORE  : 1006-455=551Khz-526.5=+24.5Khz ▼ AFTER)

다. 검파 다이오드에서 관측(검파 前)

아래와 같다. 참고로 AM은 진폭(Amplitude) 변조이므로 첫 번째 사진에서처럼 상하방향으로 빠르게 요동치는 파형들(=이것이 순수 신호성분인 진폭의 변화)이 관측되어야 한다. 물론 기본 파형들(캐리어)의 주파수(=Carrier에 해당)는 455Khz 고정.

(▲ BEFORE  487.3-455.0=+32.3Khz, ▼ AFTER)

(두 번째 요동치는 파형이 없는 이 사진자료는 오실로스코프 일시정지 버튼을 누른 후 캡처한 것)

* 관련 글 : National R-1016 AM 포켓 라디오 (4), AGC 수정

 

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