토요일, 12월 14, 2019
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튜너 이야기 #7 – AGC와 AFC

글쓴이 : SOONDORI

두 가지는 중구난방 RF 세상을 상대로 수신 안정성 확보와 발열 등 동작 중 불안정성을 제거해야 하는 구형 아날로그 튜너들에서 널리 채용되는 제어 방법론. 산업현장 제어시스템의 기본인 피드백 제어 즉, 목표값을 설정하고 현실값과 목표값의 차(Error)를 실시간으로 연속 보정하는 교정 프로세스와 다를 것이 없다.

* 관련 글 : 디지털 튜너의 서보-락, 쿼츠-락 그리고 PLL

■ AGC; Automatic Gain Control

미리 정의된 처리신호의 강도(목표값)와 RF 신호의 강도(현실값)를 실시간 비교하고 조정해야 할 변량(Error)를 검출한 다음 내부 증폭기 이득(Gain)을 조절하여 오류(Error)를 최소화한다. 전압이든 뭐든… 이 방법은 거의 모든 전자제품들에 적용되고 있는 기본 프로세스. AGC 적용된 튜너에서 1) 균일한 강도의 RF신호만 수용 즉, 강하지도 약하지도 않은 신호들만 취급토록 함으로써, 2) 검파, 스테레오 등 신호처리의 안정성을 도모한다. 특히 전파특성 상 유입 강도가 오락가락하는 AM 영역, 늘 동작환경 급격하게 변하는 포터블 기기와 자동차용 튜너 IC에서는 매우 긴요한 기능이다.

(출처 : https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2015/aug/log-amps-meet-rf-power-measurement-signal-scaling-needs)

다음은 평범한 수준의 Pioneer TX-520 회로 예시.

FM 영역 AGC는… 들어나 있는 독립회로는 없다. 이유는? Q4 버퍼앰프, F2 세라믹 필터로 충분히 정제된 10.7Mhz 신호가 IF IC에 전달되고 IC 내부 ‘IF AMP’ 안에 모든 게 다 들어 있으므로. 위쪽 블럭도의 Limiter(*)와 리미터 동작점 신호를 가져와 전단 증폭기를 통제하는 AGC는 모던한 IC 시대에 독립회로 구성관점의 가치가 떨어진 기능요소.

* 소자의 Bias 대 출력 비선형성에 기대에 큰 입력을 작게, 작은 입력을 크게 만든다. 목표는 수용할 수 있는 균일한 진폭(AMplitude). 리미터가 없으면 검파기가 수용하기 어려운 Peak 신호가 유입되고 잡음이 들린다거나… 흔히 Capture Ratio라는 평가지수가 나빠진다.

(출처 및 글 : http://www.rfcafe.com/references/radio-news/fm-receivers-alignment-aug-sept-1940-national-radio-news.htm)

Capture Ratio는 동일 캐리어 주파수를 갖는 두 개 이상 신호가 유입될 때 진폭이 큰(=신호가 강한)것을 우선적으로 취하는 능력을 말하는데 두 신호의 진폭을 리미터로 일괄해서 줄이면 진폭이 큰 신호에 비해 진폭이 작은 신호는 상대적으로 무시할 수 있는 만큼, 더 큰 비율로 작아지는 원리를 이용한다. 그러나 아무리 해도 만능은 아님.

AM 영역은… 가정용 튜너라 할 지라도 AM 전파의 속성 때문에, 루프 안테나의 방향에 따라 모든 게 달라지기 때문에 반드시 AGC가 필요하다. 아래와 같이 설계에 적절히 반영되어 있다.

■ AFC; Automatic Frequency Control

주파수 즉, 튜너 동조상태(현재값)를 정확하게 목표값(선국된 주파수)에 일치되도록 하는 피드백 제어계.

매우 급격하게 변화하는 RF 주파수를 곧바로 따라가며 제어하는 것이 매우 어렵기 때문에 1) ‘검파 후 신호’에서 Error 즉, IF 주파수 유동분에 해당하는 변량을 검출하고, 2) 그것을 여하한 주파수 변수로 RF 수용부에 되돌리되, 3) 취급 간편한 ‘전압’을 매개체로 쓴다. 처리의 핵심은 무엇으로 유동 변량을 식별하고 그것을 어떻게 전압으로 치환할 것인가라는 방법.

다음은 어떤 구형 진공관 튜너에 사용된 AFC 회로 예시.

(출처 : http://secure.tutorsglobe.com/CMSImages/1260_Automatic%20Frequency%20Control.jpg)

기본로직은 검파기의 ‘검파 후 신호’에서 전압형 에러 검출 → 전압변화에 종속된 제어주파수 생성 → OSC 주파수 컨트롤 → 프론트엔드 동작점  변경 → 검파기 에러 검출… 그리고 무한 반복이다.

조금 더 정리하자면… 위 ‘DC Takeoff’ 포인트의 전압은 정상상태에서 즉, 완벽한 동조상태에서 DC 0.0V이어야 한다. 그것이 다르다 함은 비율검파기가 제대로 작동하지 않는다는 뜻. 변량은 곧 Error이며 그것은 앞쪽 RF영역 주파수가 흔들리고 있다는 단서.

DC Takeoff점의 ±DC 변량을 R1, R2, C3, C4, RFC로 구성된 필터로 평균화된 DC로 만들고 C2로 표현된 VariCAP에 인가하면 VariCAP과 R3, C5가 구성하는 AFC 발진기의 생성 주파수가 달라진다. 여기서, 제어변수는 ‘Fx(검출 후 필터링된 DC 전압에 따르는 VariCAP 용량(=C 성분), L 및 R 공진) = 제어 컨트롤 주파수’로 정의되고 ‘제어 컨트롤 주파수’는 C1을 거쳐 OSC 발진 주파수를 직접 통제한다. 직접 통제? OSC 발진 주파수가 달라지면 RF ± OSC = IF 관계식의 IF가 달라지고 일정 범위 내 튜너 프론트엔드 동작점 달라지고… 그 작용이 곧 AFC이다.

여기서, ‘프론트엔드 동작점’은 다음 그래프의 OSC 포인팅 점과 같다.

OSC의 상태에 따라 튜너 동조점이 달라지므로 AFC 회로가 잘못되면 어느 선까지는 방송을 들을 수 있겠지만 당연히 최적 수신은 아닐 것이다. 들어나지 않게 속으로 오락가락하다가 수용 범위를 완전히 벗어나면 선국 Off 상태가 된다. 그 상태에서는 Mute가 걸려 잠잠하든지, Mute 없어서 치~치` 잡음이 들리든지… 참고로 Non-AFC 회로라면 온도 변화에 따른 드리프트 현상 즉, 심각한 동조점 유동에도 휘말릴 수도 있겠다.

다음은 Rotel RT-830AL 아날로그 튜너. 그런데… OSC 영역에 대하여 위 구형 튜너의 APC 회로와 같은 통제 경로, 통제 수단이 없다. Why?

이유는… 1) 우선, 디지털 제어방식에서 AFC보다 훨씬 더 정교한 Closed Loop 고정밀 PLL 회로를 사용하고 (IC의 AFC 기능은 사실상 무시된다), 2) RT-830AL처럼 PLL기능 없는 아날로그 제어방식에서조차 약간의 IF 유동(*)은 고성능 세라믹 필터와 IC들을 써서 충분히 감당할 수 있기 때문에, 3) 부품들의 품질이 진공관, 트랜지스터 운운의 그 시절보다 더 좋아졌기 때문에.

* RF 유동 그리고 종속된 IF 유동은 튜너 안에서 늘 일어나는 현상. 예를 들어 사용자가 93.10Mhz를 선택했을 때 92.95Mhz, 93.15Mhz에서도 별 탈 없이 수신되는 즉, Out of Window가 아닌 조건.

다음은 IF IC에서 이격된 OSC 영역을 원격제어하는 사례로 예시하는 인켈 TD-910 회로.

사용된 검파 IC, HA12412 #7핀의 ±DC AFC 출력라인은 Q103 MOSFET(Source로 추정)에 연결되어 있다. 전압의 변화, C-V 정전용량 곡선, OP.AMP의 발진구성에 의해 AFC 출력에 비례하는 방형파가 생성되면 두 번째 OP.AMP를 주축으로 하는 적산회로에서 2차 가공되고 제어용 주파수(싸인파)가 되어 발진코일 L105에 전달된다. 그리고는 L105에서 ‘최초 OSC_Freq. ± AFC_Freq = 최종 OSC 주파수’ 관계식에 따르는 주파수가 C123 1p 커패시터를 거쳐 Mixer인 Q102 Base 핀에 전달된다. 결과는? RF_Freq. ± 수정된 OSC_Freq에 의한 동조점 변경 그리고 HA12412 검출 Error에 의한 폐루프 보상제어.

이쯤에서 셀프 질문을… 아날로그 튜너에 국한하여 독립회로를 꾸며 OSC를 원격제어하는 방법과 제어계 내지 IC IF 부근에서 즉자 해결하는 방법 중 어떤 것이 더 나을까?

단순함에 기대는 안정성과 관리 편의성을 충분히 확보할 수 있다면 무조건 후자. 개인적인 판단은 그렇다. 더하여, 노후 기기에서 독립형 AFC 회로가 알게 모르게 매우 민감한 발진부에 노이즈, 드리프트 등 악영향을 주고 있을지도 모르고 요즘에는 독립형 AFC 회로가 PLL 디지털 튜너, DSP 튜너들의 Chip 안쪽으로 멀리 사라진 것을 보면… (표제부 사진은 AFC 절환버튼 배치된 GE P991A 라디오. 출처 : https://www.ebay.com)

Good luck to my business

 

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