인터넷에는 수많은 AM 라디오 키트와 회로가 존재한다.
그러나 이미 만들어진 회로의 작동을 완벽하게 이해하는 것은 어렵다.
하드웨어는 항상 성능과 비용의 거래이므로 설계자는 적절한 수준에서 타협을 한다. 설계 과정에서 다른 회로를 차용하기도 하고 제한된 비용 내에서 좀 더 나은 성능을 위해, 또는 문제를 근본적으로 해결하는데 드는 비용을 절약하기 위해 트릭(속임수)을 동원하기도 한다. 최종적으로는 하드웨어 생산자에 의해 또다시 설계가 복제 및 변형되므로 이 모든 것들은 회로를 더욱 이해하기 어렵게 만든다. 완성된 회로에서 설계자의 의도를 역해석(리버스엔지니어링)하는 작업은 상당히 높은 수준의 기술과 경험, 시간이 필요한 작업이다. 결과적으로, 원저자가 회로의 세부사항에 대해 설명해주지 않는다면 도면을 통해 알 수 있는 것은 상당히 제한적일 수밖에 없다.
이 글에서는 적정기술(AT) 차원에서 라디오 회로 설계를 진행하고 시뮬레이션(LTSpice)을 통해 결과를 확인해 볼 것이다.
각 단계에서 가능한 상세한 설명(세부사항)과 LTSpice 파일이 제공되므로 따라 해 볼 수 있다.
LTSpice 는 무료이며 설계에 필요한 모든 것을 제공한다. 시뮬레이션을 통한 설계에는 부품과 비싼 계측기가 필요 없으며 컴퓨터만 있으면 된다.
※ 이 글과 이어지는 글에서 설명하는 것은 1 TR 고주파 증폭 AM 라디오(Reflex 방식이 아님) 이며 큰 설명이 필요 없는 AF 증폭은 간단히 하기 위해 LM386 오디오 IC 를 사용한다. 고주파 증폭단 부터 읽고 싶다면 아래 링크를 참고한다.
https://ds1orj.tistory.com/228
AM 라디오 설계, AM Radio Design using LTSpice (2)
이전 글(아래 링크)에서 TRF 수신기의 동조회로까지 다루었다.https://ds1orj.tistory.com/227 AM 라디오 설계, AM Radio Design using LTSpice (1)인터넷에는 수많은 AM 라디오 키트와 회로가 존재한다. 그러나 이
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● 전파로 전달되는 라디오 신호를 얼마나 "증폭" 시켜야 하는가?
대부분의 경우 필요한 RF 전력 크기는 dBm(1mW 에 대한 상대 전력 데시벨) 으로 표시하지만, 수신기의 경우는 전압으로 표시하는 경우가 많다. 수신기의 경우 안테나 입력 저항(임피던스, 50옴, 75옴, 300옴 등)이 존재하므로 이 저항(입력)에 걸리는 양단 전압 값이 감도 전압으로 표시되고 전력값 환산 시 기준이 된다.
일반적인 무전기(고성능 수신기라 생각해도 좋다)의 경우 HF 대역에서의 감도는 SSB 변조 수신에서 약 0.2uV 이하, AM 변조 수신에서 2uV 이하이다. 이 값은 작을수록 고감도이다.
왜 변조에 따라 감도가 다른가? 감도는 보통 "신호대 잡음비(S/N)" 라고 하고, 일반적 측정 기준은 잡음 대비 신호가 10dB(10배 전력차이, 10db S/N ) 일 때의 값이다. 일반적으로 대역폭이 줄어들면 "신호대 잡음비"가 개선되므로 변조방식에 따라 다른 감도를 보이게 된다. 측정 방식에 따라 왜곡율(Distortion Ratio)을 지정하는 SINAD 등의 다른 정의도 사용된다.
신호대 잡음비가 10dB 면 어떤 소리일까 궁금하다면 아래 동영상을 참고한다.(참고로 아래는 SNR 이 아닌 SINAD 측정이다.) 동영상에 등장하는 "띠이~" 하는 소리가 시험용 신호인데, 이 신호는 보통 1KHz 정현파 오디오를 사용한다.
오디오 분석기에서는 좌측에 붉은 FND 로 주파수를 표시하고, 우측은 SINAD 를 표시한다(추정). SINAD 가 상승하면 잡음(왜곡)이 사라지는 것을 알 수 있고 낮아지면 잡음이 증가한다. 굳이 문자상으로 표시한다면 약간의 거슬리는 잡음이 깔려 있지만 "원래 신호" 를 알아 듣는데는 문제가 없는 수준이다.
거의 모든 무전기는 50옴 입력 저항이므로 전압이 주어지면 옴의 법칙을 이용하여 전력으로 계산될 수 있다.
0.2uV 는 약 -120dBm (-130dBm 부근이 일반적인 수신기의 내부 잡음 한계이므로 대부분 이보다 +10dB 높은 수준이다.)
2uV 는 약 -100dBm 이다. 0.2uV 와 2uV 는 10배 차이지만 전압비이므로, 전력비인 제곱으로 환산하면 100배, 즉 20dB 차이가 나게 된다. 전압과 전력 데시벨 변환 수식은 아래를 참고한다.
※ 이 계산을 위한 카시오 공학용 계산기용 프로그램을 올려두었다.
https://ds1orj.tistory.com/234
데시벨 dB uV 변환 공식, dB uV conversion, 공학용 계산기, CASIO, 9860, 9750
글쓴이(DS1ORJ) 가 만든 dB uV 상호 변환을 제공하는 카시오 베이직 프로그램이다. 9860 시리즈를 비롯한 상,하위 모델 중 프로그래밍 기능이 있는 카시오 계산기에는 모두 사용 가능할 것이다.
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전압의 제곱을 저항(임피던스)으로 나누면 옴의 법칙으로 전력(W)이 계산된다. 이 값을 Log(데시벨)로 변환하는 수식이다. 단, 여기서 dBm 은 1mW 기준 이므로 로그 환산 전에 전력을 1000 으로 나누어야 한다.
소리를 들으려면 스피커(또는 이어폰)를 울려야 하는데, 이 경우 오디오 출력은 수mW 에서 수백mW 이상 필요하게 된다.
AM 2uV 신호일 때, 즉 -100dBm 신호를 +100dB 증폭하면 0dBm(1mW) 에 도달한다. 다시 20dB 더 증폭하면 +20dBm(100mW) 가 된다. 이 RF 신호를 AF 로 변환하면(무손실 가정) 100mW(0.1W) 로 스피커를 울릴 수 있게 된다.
실제로는 수신된 RF 신호를 그대로 120dB 이상 증폭하는 것은 거의 불가능하므로 중간 주파수(IF) 및 AF 로 변환하여 증폭률을 채우게 된다. 이미 알고 있겠지만, 이런 방식을 슈퍼헤테로다인 방식 수신기라고 한다.
결과적으로 안테나로 들어온 신호를 120 데시벨을 가량 증폭하면 일반적인 수신기 수준의 감도가 된다. (아래 참고)
https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_receiver_design
Radio receiver design - Wikipedia
From Wikipedia, the free encyclopedia Radio receiver design includes the electronic design of different components of a radio receiver which processes the radio frequency signal from an antenna in order to produce usable information such as audio. The comp
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이렇게 RF 신호를 증폭하는 데에는 여러 가지 부품(TR 부터 IC 까지)을 사용할 수 있으며, 일반적으로 수신신호(중간주파수가 아닌)를 증폭하는 목적으로 사용되는 기능단위를 프리앰프(Pre Amplifier) 또는 LNA(Low Noise Amplifier, 저잡음증폭기) 라고 한다.
※ 감도에 대해 지나친 환상을 가질 필요는 없다. 활발하게 이용되는 HF 영역의 로우밴드에서는 공간잡음이 압도적이므로 아무리 감도가 좋더라도 차이를 거의 느끼지 못한다. 중파나 단파에서 수신이 잘 안되는 것은 수신기의 감도가 부족해서 그런 것이 아니라 주변 노이즈가 너무 강해서 원래 신호가 파묻히기 때문이다. 상세한 설명은 아래 글을 읽어본다.
https://ds1orj.tistory.com/138
S 미터의 비밀
사실 비밀이랄 것도 없습니다만, 규칙, 이해, 개념으로 하면 교과서 스러워서 자극적인 제목을 달아봤습니다. S 미터 자체는 별도의 인터넷 자료를 참고하기 바라며 여기서는 S 수치의 직관적 이
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● RF 신호를 어떻게 선택할 것인가?
우리가 사용하는 무전기의 경우에는 초단(프런트엔드)에 BPF (밴드패스 필터, 간혹 LPF 와 HPF 로 조합하기도 한다)를 설치하여 운용 밴드를 선택한다. 해당 밴드의 모든 신호는 정해진 IF(중간 주파수)로 변환되고 증폭된다. 이러한 방식을 슈퍼헤테로다인 이라고 한다. 최종적으로 수신할 신호는 고정된 주파수(IF)에 설치된 날카로운 크리스털 또는 세라믹 필터를 통해 선택된다. 보통 이 필터는 채널 간격에 맞게 선택된다.(SSB 의 경우 2.8KHz 내외, AM 의 경우 9KHz 내외이다.) 디지털신호처리(DSP) 기술이 없었던 때에는 이 필터가 성능을 좌우하는 핵심이었지만, DSP 성능의 발전으로 하드웨어적 필터에 전적으로 의존하는 것은 옛날 얘기가 되었다.
슈퍼헤테로다인 이외의 라디오는 대부분 초단의 LC 병렬 공진회로(동조회로)를 통해 수신할 주파수를 선별한다. 중간 주파수(IF) 변환이 없는 이 방식을 Tuned Radio Frequency, TRF 수신기 라고 한다. TRF 수신기는 초기 형태의 라디오이며 광석(게르마늄) 라디오도 이 범주에 속한다. 속칭 "스트레이트 방식" 이라고도 한다.
https://en.wikipedia.org/wiki/Tuned_radio_frequency_receiver
Tuned radio frequency receiver - Wikipedia
From Wikipedia, the free encyclopedia This 1920s TRF radio manufactured by Signal is constructed on a breadboard Tuning a TRF receiver, like this 5 tube Neutrodyne set from 1924 with two stages of RF amplification, was a complicated process. The three tune
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TRF 에서는 LC 공진(동조, Tune)회로에서 수신할 주파수를 직접 선택하게 되므로 공진회로의 Q 가 선택도를 좌우하게 된다. RF 손실이 매우 낮은 코일과 Q 가 높은 에어 바리콘(유전 손실이 낮다) 등을 사용하여 Q 를 어느 정도 올릴 수는 있지만 태생적으로 한계가 있다.
TRF 수신기의 구조를 블록 단위로 나누어 본다면 동조회로, 고주파 증폭, 복조(검파), 저주파 증폭으로 나누어 생각해 볼 수 있다. 수신할 주파수를 선택하는 동조회로부터 아래 설명한다.
● 동조회로
전술한 대로 수신할 주파수를 선택하는 LC 병렬 공진회로이다. 수신할 주파수에서 공진하므로 주파수 대역에 따라 적절한 값으로 선택하면 된다. LC 병렬공진회로의 주파수를 구하는 수식은 아래와 같이 간단하다.
https://en.wikipedia.org/wiki/LC_circuit
LC circuit - Wikipedia
From Wikipedia, the free encyclopedia Electrical "resonator" circuit, consisting of inductive and capacitive elements with no resistance An LC circuit, also called a resonant circuit, tank circuit, or tuned circuit, is an electric circuit consisting of an
en.wikipedia.org
LC 병렬회로의 공진은 실제로는 반-공진(Anti-Resonance) 이라고 하는 것이다. 공진 주파수에서 L 과 C 가 서로 반응하여 사라진(개방) 것처럼 보인다. 이 지점에서 임피던스는 이론상 무한대가 된다. LC 직렬공진의 경우에는 임피던스가 0 이 된다. RLC 공진에 대해 더 관심이 있는 경우 아래를 참고한다.(해당 사이트에는 직렬 공진도 설명된다.)
https://www.electronics-tutorials.ws/accircuits/parallel-resonance.html
Parallel Resonance and Parallel RLC Resonant Circuit
Electrical Tutorial about Parallel Resonance and the Parallel RLC Resonant Circuit with Resistance, Inductance and Capacitance connected together in Parallel
www.electronics-tutorials.ws
AM 중파대역 535~1605KHz 을 수신하기 위해서는 300uH 와 300pF 용량이 필요하다는 것을 계산을 통해 알 수 있다.
이것은 규칙으로 정해진 값은 아니며 L 을 늘리면 C 를 줄여도 되고, C 를 늘리면 L 을 줄여도 된다. 예컨대, 470uH 와 200pF 바리콘의 조합으로도 가능하다.
일반적인 가변 캐패시터는 최대 1:10 정도까지 가변 되므로 30~300pF 범위에서 가변 된다고 생각해 보면 낮은 쪽은 300uH 와 300pF 로 약 530KHz 에 공진하고, 300uH 와 30pF 로 공진하는 높은 쪽은 1677KHz 부근이므로 530~1677 범위를 커버하므로 MW 중파 방송범위 535~1605 를 들을 수 있다.
30~300pF 로 단파인 7MHz 을 수신하려면 300pF 에서 코일 값을 약 1.63uH 로 하고 7200KHz 를 수신할 수 있다. 캐패시터를 줄이면 30pF 에서는 22.7MHz 에 동조하게 되므로 7~21MHz 까지 상당히 넓은 수신 범위를 갖게 되므로 다루기 힘들게 된다. 이런 경우에는 30~300pF 보다 작은 범위의 바리콘이 필요하다. 간단히 하려면 바리콘과 직렬로 캐패시터를 삽입하면 용량 가변 범위를 줄일 수 있다. 캐패시터 직렬 계산이 귀찮으면 Electrodoc 같은 휴대폰 계산앱을 써도 된다.
상기와 같이 적당한 값의 코일과 캐패시터만으로 목적하는 밴드의 튜닝(선국)이 가능한 것이 TRF 의 장점이다.
경험이 없는 경우 300pF 가 얼마나 되는 캐패시터인지, 300uH 가 얼마나 되는 인덕터인지 알기가 어렵다.
아래 사진과 같은 경우(주먹보다 작은 크기) 보통 수십~수백pf 이다.
중파 수신을 위해 300~470uH 에 해당하는 인덕턴스를 가진 코일은 공심코일(Air coil)로 감으려면 휴대가 어려울 정도로 매우 큰 코일이 된다. 따라서 소형화를 위해 투자율이 높은 페라이트 막대(Ferrite Rod, Bar, Stick 등)에 코일을 감게 된다. (국내에서는 속칭 바 안테나 라고 한다) 이 안테나는 "루프 안테나" 의 범주에 속한다. (Loop Stick Antenna 라고도 한다)
실물은 아래와 같으며 중파(MW, 혹은 단파 SW)수신을 위해서 라디오 내부에 설치되어 있다.
막대 안테나는 소형으로 만들 수는 있지만 성능이 그다지 좋은 것은 아니다. 특히 Q 가 높지 않고 공간상에서 픽업할 수 있는 전파의 자기장(이 안테나는 Magnetic field 를 수신한다) 개구 면적도 좁다.
그런 이유로 특히 감도나 선택도가 떨어지는 수신기(대표적으로 광석 라디오)를 사용하거나 약한 신호를 수신하려고 하는 경우에는 Q 가 높은 거대한 루프 안테나를 만드는 경우가 종종 있다.
이 안테나는 동조회로로 사용될 수도 있고, 근처의 AM 라디오의 루프 안테나와 결합시켜 높은 Q (선택도)를 제공하는 용도로 사용되기도 한다. 상기 사진처럼 만들지 않아도 충분한 크기의 플라스틱 원형통(원형 쓰레기통, 플라스틱 버킷 따위)이 있다면 직경을 측정해서 아래에 있는 공심코일 계산기로 코일의 턴 수를 계산할 수 있다.
https://ds1orj.tistory.com/185
공심 코일 에어 인덕터 계산기
주파수 (MHz) : MHz 필요한 인덕턴스 (L) : nH uH 코어 직경 (D) : mm 와이어 두께(권선직경) (d) : mm 감긴 폭 (W): inches mils mm 회전 수 (N): 필요한 와이어 길이: 미터(M) AC 저항 : 옴 품질계수 Q : Q 리액턴스 X:
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AM 중파 방송의 전성기에는 고출력 중파 방송국이 너무 많아서 혼신으로 인해 수신이 어려운 경우가 많았으므로 선택도를 올리는 이런 안테나가 해결책으로 사용 되기도 했다. 글쓴이(DS1ORJ)의 과거 경험상 AM 라디오의 막대 안테나와 루프 안테나의 중심축을 위치시키면 최고이지만 수평만 유지시켜도 놀라울 정도의 선택도 향상 효과를 본다. 기본 원리는 요즘 흔히 사용하는 "휴대폰 무선 충전" 방식과 같은 것이다.
● 동조회로 시뮬레이션
LC 병렬공진의 특징은 공진주파수에서 임피던스가 이론상 무한대가 되므로 공진주파수는 어떠한 저항도 받지 않지만 나머지 신호는 저임피던스의 영향을 받아 소멸된다. 아래 플롯은 안테나로부터 유입된 신호의 전력이득을 보여주는 것이다.
AC 분석에서 ANT 단자의 전압값을 측정 중이고, 수직측은 데시벨로 설정되었다. 공진주파수인 750KHz 부근에서 손실이 최소화되는 것을 볼 수 있다. R1 은 안테나의 입력저항을 묘사한다. R1 을 바꿔가면서 시뮬레이션해보면, R1 이 감소하면 Q 가 감소해서 선택성이 떨어지고 R1 이 증가하면 Q 도 증가하지만 너무 높아지면 공진주파수에서도 손실이 발생하는 것을 볼 수 있다. 보통 50옴의 저 임피던스 안테나를 생각하겠지만, 이 회로에는 저 임피던스 안테나를 연결하면 오히려 역효과이다. R1 의 10K 값은 대역폭이 AM 채널간격인 9KHz(-3dB) 가 되도록 적당히 타협한 값이다.
동조회로는 안테나만 연결하고 끝나는 것이 아니라, 이후에 증폭기가 연결되어야 한다. R2 는 연결될 증폭기의 입력저항을 묘사한다. 동조회로 측에서 볼 때는 증폭기의 입력이 부하저항이 된다. R2 가 연결되면 또다시 공진회로의 Q 가 떨어지고 선택도도 저하되는 것을 볼 수 있다. Q 를 유지하면서 증폭을 하려면 증폭기의 입력저항은 최대한 높은 값 이어야 유리하다는 것을 예상할 수 있다.
시뮬레이션 상에서 R2 를 100K 까지 올리면 어느 정도의 Q 를 달성할 수 있는데 이렇게 높은 입력저항을 가진 BJT 증폭기를 만들기는 어려우므로, 증폭기의 입력 임피던스에 맞도록 임피던스를 변환해 주어야 한다. 이런 이유로 Loop Stick Antenna 를 사용하는 거의 모든 안테나에는 입력으로 연결되는 2차 권선이 감겨있는 것을 확인할 수 있다.
http://superheterodyne.altervista.org/AM/AFfilter.html
AF Filter
AF filter AF is just like the IF filter except it is variable between 540-1700 (540-1600), and the loop stick type is an antenna as well; thus it must be heavily amplified. The loop stick itself is really an exposed 2Mhz IF transformer; the only reason f
superheterodyne.altervista.org
최종적으로 아래와 비슷한 회로가 된다. 1차 동조회로와, 2차 코일은 1:100 의 인덕턴스비 이므로, 권선비는 그 제곱근인 1:10 이다. 임피던스비는 권선비의 제곱이므로 인덕턴스비와 같은 1:100 이다.
결과적으로 R2 는 100 옴이지만 동조회로 측에서 볼 때의 R2 저항은 100배인 10k 로 보이게 된다.
전력이득이 -6dB 로 떨어졌으므로 손실이 2배 발생한 것을 알 수 있는데, R1 에서 -3dB, R2 에서 -3dB 각각 손실이 발생한 것이다. R1 은 안테나의 내부저항을 묘사하므로 이 손실은 없는 것과 같다. R1=R2 이면 완벽하게 임피던스 매칭이 된 것이고 안테나로부터 뽑아낼 수 있는 모든 전력이 R2 로 전달된 것이다. R2 를 다른 값으로 하면 더 많은 전력을 전달할 수 있는 것처럼 보이겠지만 실제로는 그렇게 되지 않으며 이것이 임피던스 매칭이 필요한 이유이다.
LTSpice 의 K 지시어는 L1, L2 가 자기 결합(트랜스포머)되어 있다는 의미이며 결합률은 1.0 (100% 무손실)을 상정한다.
여기까지 동조회로에 대해 시뮬레이션 해보았는데 코일과 캐패시터 값을 바꾸고 원하는 주파수로 작동을 변경하여 시뮬레이션해보면 더 빨리 이해가 될 것이다. (3.5MHz, 7MHz 등)
가장 좋은 것은 실제 회로를 구성하고 계측기로 측정 해보는 것이지만, 취미나 실험을 위해 그 모든 것을 갖추는 것은 만만치 않은 것이다. 시뮬레이션은 부품을 미리 준비하지 않아도 되고, 계측기가 없어도 측정이 가능하다. 올바르게 이해하고 만들었다면 실제로도 잘 작동하므로 적극 활용하기 바란다.
Written by DS1ORJ.
다음 글은 동조회로를 통과한 신호를 어떻게 증폭할 것인가에 대해 설계하고 시뮬레이션 해본다.
아래를 클릭하면 이동한다.
https://ds1orj.tistory.com/228
AM 라디오 설계, AM Radio Design using LTSpice (2)
이전 글(아래 링크)에서 TRF 수신기의 동조회로까지 다루었다.https://ds1orj.tistory.com/227 AM 라디오 설계, AM Radio Design using LTSpice (1)인터넷에는 수많은 AM 라디오 키트와 회로가 존재한다. 그러나 이
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다른 형태의 수신기에도 관심이 있다면 아래 글들도 참고로 읽어본다.
https://ds1orj.tistory.com/214
재생 방식의 수신기(Reflex, Regen, Super Regen)
진공관(Tube)이 등장한지 얼마 안된 시대에는 진공관이 상당히 고가의 부품이었으므로 최소의 사용으로 최대의 성능을 내야 했다. 그래서 개발된 것이 Reflex(반사) 방식의 수신기이다. 1개의 증폭
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직접 변환 수신기, Direct Conversion, Zero IF, DSB, DCR
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