ハム三昧: PWM変調器

7MHzバンドで使えるPWM変調方式のAM送信機を作る事にしました。　CQ誌に掲載されたオール半導体によるPWM変調方式のAM送信機の記事を見て、作ってみたくなったのがきっかけです。

WEB上にあるOM諸氏の記事や解説を頼りに、構成を決め、机上検討していましたが、いよいよ部品集めの段階になり、ぼちぼち、部品が集まってきましたので、まずは変調回路から試作する事にしました。

マイクの入力感度は-50dBmくらいですので、最大ゲイン60dBくらいのオーディオアンプの初段にDual-GateのFETを使い、G2の電圧をコントロールしてリミッターアンプ機能を付けています。また、3KHzをカットオフ周波数としたOP-AMPによる3次LPFも実装しました。　これらのアンプの動作テストも行い、リミッターがちゃんと動作する事は確認済みです。　ただし、リミッターのアタックタイムやリカバリタイムは実際にマイクに向かってしゃべってみないと良く判らないので、送信機が完成した時点で再調整します。　Dual-Gate　FETの最大VDDは6Vなので、8VのLDOの出力をダイオードとLEDで無理やり5Vに電圧シフトして使っています。　これらのテストの為、作成したPICマイコンによる正弦波発生器は重宝しております。

このマイクアンプの出力は、TPA2006というTIのPWMオーディオパワーアンプに入力し、スピーカー出力用の+側端子からPWM波を取り出し、これをフォトカプラー経由でMOS-FETの終段をドライブします。

PWM変調に使うTPA2006は秋月で2.5ピッチの変換基板付で300円で売られているものですが、入力端子にシリーズに付いている抵抗とコンデンサは変更してあります。　　左の波形は、このアンプのPWM出力をLPFを通した時の1KHzの波形です。　５Vの電源で4Vppの無歪出力が得られています。出力を上げていくと4.5Vppくらいからクリップしますので、リミッターアンプがクリップ寸前で飽和するようにVR2により調整します。

このパワーアンプの出力はVR4を経由して、高速フォトカプラーに入力されます。　この入力抵抗が5KΩの半固定抵抗になっているのは、内部のLEDとフォトTRのバラツキで、PWMのデュティが変わってしまうので、これを調整する為のものです。　最終的に7MHzのE級アンプに接続して、無変調状態で、E級アンプに供給されるDC電圧がファイナル用電源電圧の1/2になるように調整します。

左の表は、最終段のMOS-FETの品種を変えて、測定した出力電力です。

FETのドレインに13.2Vを加え、ソースとGND間に2.2Ωを負荷として接続し、無変調状態で、この負荷抵抗の両端電圧と電流を計測したものです。　オシロスコープでモニターし、いずれも250KHzのデュティ50%の矩形波である事は確認しています。

結果は、秋月で1個40円で売っていたサンケンのFKI10531が一番良い結果を示しました。このFETはON抵抗は小さいのですが、入力容量が1500pFくらいありますので、7MHzのキャリア増幅には向かないかも知れません。　変調段は250KHzでのスイッチングですので、変調段のFETはサンケン製に決定します。

左の表は、PWM終段のFET出力からE級アンプまでの途中に挿入されるLPFの計算結果です。　LPFは3段バターワースでカットオフ周波数を9KHz,入出力インピーダンスを1.8Ωとして設定してあります。　この計算はWEB上で計算方法を公開しているRFDNのサイトで計算しました。 URLは以下です。

http://gate.ruru.ne.jp/rfdn/Tools/BlpfForm.asp#p1

3dBカットオフ周波数と250KHzの減衰量を指定しますが、3段のLPFにしたいので減衰量は80dBとしました。次にLPF　パイ入力型でインピーダンスを1.8Ωにしてやると、この表のような結果が得られます。　後日検討するE級アンプのインピーダンスをシュミレーションしましたら、1.8Ωくらいで出力10Wが得られるようですので、LPFのインピーダンスも1.8Ωで計算しました。

トロイダルコアにコイルを巻いて必要なインダクタンスを確保しますが、手持ちのトロイダルコアに1mmのPPシートによるギャップを2か所設けて、重畳される直流電流で磁気飽和しないように配慮した上で、1.5mmのPEW線を27ターン巻き約64uHを確保しました。　コアは北川工業のGTFC-41-27-16という品番です。　

左の画像は、トロイダルコアに巻かれたコイルに0.0056uFのマイラーコンデンサをシリーズに接続し、自作のアンテナアナライザーで共振周波数をチェックしているところです。　　

L1の63.7uHと0.0056uFの共振周波数の計算値は約266KHzですが、実測値は263KHzでしたので、ほぼOKと思われます。

トロイダルコアはFT-140#61が一般的に入手しやすいのですが、たちまち手持ちがありませんでしたので、かなり特殊な北川工業のコアを使いました。　また、今回はLW帯で使用可能なアンテナアナライザーで測定しましたが、コンデンサを0.0056ではなく100PFにしてやると計算上は約2MHzの共振周波数となります。　しかし、一般的な1.8MHz以上で使用可能なアナライザーでは、コイルの浮遊容量などの影響で正しい共振周波数を見つける事は出来ませんでした。

2016年1月10日　追記

LPFの定数が決まり、変調段だけのテストしたら、波形が大きく歪みます。原因を調査したところ、フォトカプラーの選定ミスという事が判明しました。TLP552クラスを選定しないとPWMのスイッチングスピードに追いついていかないようです。　TLP552を手配している間に予備検討したところ、スィッチング周波数250KHzは高すぎるかも知れないという不安がありました。　

TLP552が入手できましたので、各段における歪状態を確認する事にしました。

波形は左側がPWMオーディオアンプのスピーカー出力端の波形で上下がクリップした状態で、このレベルから1dB下げた状態が真ん中の波形です。　右側が終段FETのソースとGND間に4.4Ωのダミー抵抗を接続し、その両端にLPFを接続した時の波形です。ひずみやクリップは有りません。　この状態でレベルを1dBアップすると、この出力も上下がクリップ始めます。

スイッチング周波数が高すぎるのでは心配しましたが、波形を見る限り問題はなさそうです。

RFユニットのE級アンプがなんとか使える状態になりましたので、インピーダンスを再設定して、LPFを再設計することにします。

E級アンプのインピーダンスは実測で7.2Ωとなりましたので、3dBカットオフ周波数を10KHzとして、再計算した結果は左の表のようになりました。　L1の値がかなり大きくなりましたので、コイルは作り直しです。　インダクタンスが大きくなりましたのでコアに挟んだギャップスペーサーは全て廃止し、ワイヤーも1mmのUEWに変えました。

さあ、出来たと、RFユニットと結合して変調の度合いを見る事にしました。ところが、1KHzのプラス側半分がつぶれた波形で、流れる電流も単体のときの約2倍。　まったく使い物にならないひどい変調です。　単体のときのモニターではきれいな正弦波が得られていたのにと焦りました。　原因はLPFのC1の存在でした。C1はFETのソースとRFのGNDの間に接続され、ここで250KHzのキャリアがフィルターへ行かずバイパスされていました。　変調回路のフィルターはパイ型は使えないということです。　C1の2.2uFのコンデンサを廃止し、その他のLCはそのままで、インダクターインプット型にするときれいな正弦波で変調がかかりました。

上の波形が7MHzのキャリアに1KHzの変調をかけた状態です。　電源電圧は9VでRF出力は約1.5Wです。　残念ながら、この状態が約82%の最高変調度で、これより少しオーディオゲインを上げると1KHzの波形が上下でクリップ始めます。　原因は大体推測は出来ます。　FETの飽和電圧と思われます。　波形を見ていると、過大入力が有っても、このオーディオ信号のクリップの為、7MHzのキャリアがゼロになる事は有りません。　これは、過変調によるスプラッタ増大を防止する効果があるかも知れません。

デュアルゲートFETを使用したリミッターアンプを付けていましたが、このFETアンプのリップルリジェクション能力がほとんどなく、変調音に電源のリップルや、送信したRF信号が電源ラインに乗り、ノイズとして聞こえます。　よって、このFETによるリミッターアンプは廃止する事にしました。　とりあえずリミッター無しで進行し、その内にリミッターICでも追加する事にします。

修正した配線図　AMTX_9.pdfをダウンロード