실험09 - 진폭변조회로

I. 이론

1. 진폭변조

ㅇ 변조(modulation): 반송파(carrier) 신호를 변화시켜서 전송하고자 하는 신호를 이용하여 반송파(정현파) 신호의 패러미터(진폭, 주파수, 위상)을 변화

- 진폭변조(AM): 전송하고자 하는 신호에 비례하여 반송파(carrier) 신호의 진폭(크기)를 변화

- 주파수변조(FM): 전송하고자 하는 신호에 비례하여 반송파(carrier) 신호의 주파수를 변화

- 위상변조(PM): 전송하고자 하는 신호에 비례하여 반송파(carrier) 신호의 위상을 변화

2. 진폭변조

: 반송파(carrier wave)

: 변조(modulating) 신호

: 진폭(amplitude) 변조된(modulated) 신호

변조도(modulation index):

carrier amplitude = (A+B)/2

message amplitude = (A-B)/2

modulation index = (A-B)/(A+B)

AM신호의 주파수 스펙트럼

A=1, M/2=10^-12.19/10= 0.06, M=0.12, depth of modulation = 12%

DSB-AM(double sideband amplitude modulated): carrier spectrum + LSB(lower sideband) + USB(upper sideband). full wave 신호라고도 함. 수신기를 쉽게 구현할 수 있다. 중파(0.5-1.5MHz) 라디오 방송에 사용

DSB-SC:

1) 평형변조기(balanced modulator)를 사용하여 변조.

2) 복조가 어려우므로 널리 사용되지는 않는다.

3) 사용 예: 아날로그 TV 방송에서 색정보 전송. FM 방송과 TV 방송에서 스테레오 음성 송출

SSB-SC(single sideband suppressed carrier) = SSSC: no carrier spectrum + LSB or USB.

1) 반송파는 신호정보를 담고 있지 않으며 두 측대파 중 어느 한쪽 측대파만 있어도 정보전송 가능.

2) AM 원신호는 상측대파, 하측대파, 반송파로 구성된 다중신호이다. 50MHz 이하의 주파수에서는 이들이 이온층과 대기권 상층부에 의해 약간 다르게 영향을 받아서 직접파와 반사파가 간섭을 일으킨다(selective fading). SSB의 경우 selective fading의 영향이 없다.

3) PEP(peak envelope power): 변조신호의 진폭이 가장 클 경우의 SSB 신호의 전력.

PEP는 AM 송신기 최종 증폭단의 DC supply voltage와 peak current로부터 구할 수 있다.

4) 평균전력: 음성신호의 경우 PEP는 음성 원신호가 가장 클 때 발생. 보통 평균전력은 PEP의 1/4-1/3 수준

5) 측대파 1개 사용. 수신기가 복잡하고 고가. 송신기 출력을 크게 줄일 수 있음. 선박-해변(ship-to-shore) 통신 등 점대점 통신에 사용. 이 경우 통신 장치마다 송신기와 수신기 1개가 사용됨. 이 경우 송신기 출력을 줄이는 것이 경제적. 또한 변조신호가 없을 경우(음성통화 중 쉬는 부분), 송신출력 0이므로 총체적으로 훨씬 효율적.

6) 기타 응용분야: 양방향(two-way) 무전기(radio), 군용통신, 아마추어무선(radio amateurs, hams)

Pilot signal: SC-AM 신호의 복조를 용이하기 위해 저출력 반송파(pilot signal)를 같이 전송함.

VSB(vestigial sideband):

1) TV신호: 총 6MHz 대역폭 사용(FCC 규정)

영상신호: 원신호 대역폭 4.2MHz, 진폭변조. 반송파 전송. 하측대파의 일부만 전송하는 VSB 변조 사용

음성신호: FM 변조

HDTV(digital TV): multilevel digitally modulated VSB

반송파 전력:

측대파(sideband)에 실려 있는 전력:

총전력:

총전력 대 반송파 전력비율:

순시 최대전압:

순시 최대전력:

M의 최대값 1 → 측대파에 실려 있는 전력 최대 1/6 → 측대파에 신호에 대한 모든 정보가 있음. → 전체 전력의 16.7%만 있어도 정보가 전달됨.

예: 반송파 전력 400W, 100% AM 변조 → 상측대파 100W, 하측대파 100W, 반송파 400W, 총 600W

ㅇ AM 변조 용도

- 양방향 라디오(무전기)

- VHF 항공 음성통신

- 아마추어 무선통신(citizens band radio)

- AM 라디오 방송(mediumwave AM radio broadcasting)

장파(long wave): 148.5-283.5kHz, 9kHz 채널간격. 유럽, 아프리카, 아시아 일부지역(ITU R1)

중파(medium wave): 520-1610kHz, 9/10kHz 채널간격, 중파확장대역 1610-1710kHz (ITU R2) 단파(short wave): 1.711-30.0MHz, 5kHz 채널간격

- 중파 라디오 방송

송신출력: 0.25-50kW

원신호 대역폭: 40Hz-10.2kHz (음악방송), 40Hz-5kHz (비음악방송)

수신기 신호대 잡음비: 50dB

ㅇ QAM(quadrature amplitude modulation)

- 디지털 변조방식: Wi-Fi, 광섬유 통신

- 16-QAM, 64-QAM, 265-QAM (Wi-Fi 5 = 802.11ac), 1024-QAM (Wi-Fi 6 = 802.11ax)

[라디오 전파형식의 분류]

1) 미연방통신위원회(FCC)

A3_a: 진폭변조, SSB, 10% 반송파

첫 대문자:

두 번째 숫자:

두 번째 숫자 다음 소문자 아래 첨자

2) ITU(국제전기통신연합)

A3F: 진폭변조, 아날로그 TV

J3E: SSB 음성

F2D: FSK 데이터

G7E: 위상변조, 음성, 다중신호

[AM 변조회로]

AM Transmitter

[AM 수신기]

전원: 9V PP3 전지

TDA1572 (Philips): AM 수신 IC. RF 증폭기, 혼합기, 중간주파 증폭기, AGC 회로, 신호세기 표시기 driver, 오디오 pre amp, VCO; 최대 RF 전압 500mV

TDA7052: 1W 오디오 증폭기. IC 형태의 브리지 증폭기. 8-ohm 스피커 구동.

C18: TDA1572로부터 나오는 복조된 신호를 TDA7052에 결합시킴

R10: 스피커의 볼륨 조정

R5, R9: 수신된 AM 신호세기 미터 세팅

C3: IC 내부의 오디오 pre amp용 bypass 커패시터

C12, C16: power supply의 잡음 bypass용

Q2: 신호세기 미터 드라이버

C16, C17: AGC settling .시간 축소

L1: 발진주파수 결정

R12: 수신주파수 튜닝을 위한 varicap 다이오드 D2에 인가되는 전압 조정

C4: IC 내부의 full-wave detector 회로와 관련

Pin 11: field strength indicator signal output. 로그 선형성 우수.

IF 주파수: 약 455kHz

CF1, CF2: IF 필터(세라믹). 대역폭 6kHz

M1: 전류계. 100mA FSD

K1: 8-ohm/2W loudspeaker

[AM 복조회로]

포락선 검파기의 시정수: . 너무 클 경우 변조 진폭의 변화를 따라가지 못함. 너무 작을 경우 복조된 신호에 리플이 많이 발생하고 출력이 감소. 반송파 주기보다 훨씬 길어야 하며 신호의 주기(최대 주파수 성분의 정현파 주기)보다 훨씬 작아야 함.

, (신호의 최대 주파수 성분)

다이오드: 비선형 소자이므로 복조시 신호 왜곡 발생.

R1: 다이오드의 순방향 저항보다 훨씬 커야지 AM 검파기의 효율이 높다. 다음 단계의 오디오 증폭기 입력과 임피던스가 정합되도록 적절한 값 사용.

다이오드 검파기의 출력:

1) 진폭을 변조하는 신호(원하는 신호)

2) 반송파 진폭의 제곱에 비례하는 DC 신호. 이는 C2에 의해 제거됨.

3) 반송파 주파수에서의 원하지 않는 리플과 이의 고조파(harmonics). R2와 C3로 구성된 저역통과 필터에 의해 제거됨.

예비과제

1) 위 회로에서 발생하는 AM 반송파의 주파수를 계산하라.

2) 다음과 같은 AM 신호의 변조도를 구하라.

[OP Amp 기본응용회로]

증폭기: 반전, 비반전, 가변이득, 차동, voltage follower(unity buffer amp), 가산증폭기, 계측증폭기, charge amp

발진기: Wien bridge oscillator, relaxation oscillator

필터: 고역통과, 저역통과, 대역통과, 대역저지 = notch

비교기

검출기: threshold detector, zero level detector

Schmitt trigger

적분기: inverting integrator

미분기: inverting differentiator

회로합성기: inductance gyrator, negative impedance converter, capacitance multiplier

정류기: precision rectifier

안정기: voltage regulator, current regulator

비선형 변환기: logarithmic, exponential

멀티바이브레이터: multivibrator, bistable multivibrator

AD 변환기

DA 변환기

전압고정기: voltage clamp

아날로그 컴퓨터

[간략 회로도]

반전 증폭기, wikipedia의 자료 요약

[관련 기술]

Current-feedback op amp

주파수 보상

Operational transconductance amp

Miller theorem applications

), 비교기, Schmitt trigger, 적분기, 미분기

필터

학습목표:

- AB급 전력증폭기 동작원리 학습

- 트랜지스터 증폭회로 해석능력 습득

실험 교재

실험회로

부품 명칭

vi: 입력 신호원(함수발생기 사용)

10mF: 입력 커플링 커패시터(극성을 위 회로도와 반대로, DC 양전압이 커패시터의 +단자에 연결되게 함)

10k, 1k: 첫 번째 트랜지스터 바이어스 저항

2SC945: NPN 2극접합 트랜지스터, 3개

첫 번째 트랜지스터: AB급 트랜지스터 드라이버 증폭기

다이오드: 두 번째 트랜지스터쌍 바이어스용 다이오드

2k, 10W: 첫 번째 트랜지스터 출력단 동작점 및 교류신호 이득 결정

두 번째 트랜지스터쌍: AB급 트랜지스터 증폭기

0.01mF, 100mF: 출력 AC 신호 커플링 커패시터

스피커: 부하

Vcc: 전원 전압

I. 알아야 할 내용

- 실험회로의 DC 동작점 해석

- 실험회로의 AC 등가회로 및 전력 증폭도

- 실험회로의 출력 파형 및 최대 swing

II. 실험회로 동작원리

1) Driver 증폭기

첫 번째 트랜지스터는 뒷 단의 AB급 증폭기를 구동하기 위한 driver 증폭기로서 CE 증폭기이다.

실험 2에서 적용한 방법과 동일한 방법을 적용하여 driver 증폭기를 해석할 수 있다.

활성영역에서 동작한다고 가정하고 2SC945의 다음 규격을 사용하여 동작점을 구할 수 있다.

: 200

: 5kW

: 50kW

이 때 출력단의 다이오드와 2SC945의 베이스-이미터 전압강하를 0.65V로 가정하라

실험 2에서 적용한 방법과 동일한 방법을 사용하여 소신호 이득(전압, 전류, 전력 이득)을 구할 수 있다. (답: 전압이득 출력단 저항에 의해 결정됨. 약 2k/100, 전류이득 β)

2) AB급 증폭기

두 번째 트랜지스터 쌍의 동일하다고 가정하고 두 트랜지스터의 DC 동작점을 구할 수 있다.

위 트랜지스터는 driver 증폭기의 정현파 출력이 양의 반 주기일 때, 아래 트랜지스터는 음의 반 주기일 때만 동작한다.

두 다이오드는 항상 순방향으로만 동작한다.

양의 반주기일 때 AC 등가회로를 그리고 이로부터 전체 회로를 해석할 수 있다.

음의 반주기일 때 AC 등가회로를 그리고 이로부터 전체 회로를 해석할 수 있다. 소신호 이득은 전압이득 약 1, 전류이득 β이다.

이 때 스피커의 임피던스를 알아야 하며 주어진 동작 주파수에서 규격값이 없을 경우 실험에 의해 구한다.

3) 전체회로 해석

전체 회로의 전력이득을 구한다. 전체 회로의 DC 소비 전력을 구한다. 이로부터 입력신호 레벨이 주어질 경우 효율을 구할 수 있다.

자율 학습자료(Malvino Ch. 12)

3. 예비과제 및 퀴즈

우선 실험 시행 후 다음 주에 시행함.

4. 실험방법

(3) DC 동작점 측정:

- 신호를 인가하지 않을 상태에서 각 트랜지스터의 베이스, 이미터, 컬렉터에서의 전압, 2k 저항과 다이오드 사이의 점, 두 다이오드 사이의 점에서의 전압을 측정하라.

- Vcc와 Vcc를 통해서 회로로 흘러 들어가는 총전류를 측정하고 이로부터 DC 소모전력을 구하라.

(4) 교류 동작:

- 오실로스코프의 AC 커플링 기능을 이용하여 DC 신호와 AC 신호가 섞여 있을 때 AC 신호만을 측정할 수 있다.

- 위 실험 과정 (1)에서 솔(G) 의 경우 아래 실험을 수행하라.

- 각 트랜지스터의 베이스, 이미터, 컬렉터에서의 AC 전압, 2k 저항과 다이오드 사이의 점, 두 다이오드 사이의 점에서의 AC 전압을 측정하라.

- 10W 양단, 스피커 양단 전압을 측정하라.

- 스피커 전류를 측정하기 위해 1W 저항을 구하여 스피커와 직렬로 연결하고 1W 저항 양단의 전압을 측정한다. 스피커는 순수 저항부하가 아니므로 스피커 전압으로부터 스피커 전류를 구할 수 없을 수도 있다.

- 창의력을 발휘하여 위 전력증폭기의 AC 입력전력과 AC 출력전력을 측정하라. 추가적인 부품을 사용할 수도 있다.

- 실험 3과 실험 4로부터 회로의 동작원리를 파악하라.

- 실험3과 실험 4로부터 전력증폭기의 효율를 구하라.

6. 실험보고서

1) 실험과정에서 배운 내용을 기술하라.

2) 실험을 하면서 느낀 문제점 및 해결방안을 제시하라.

3) 실험결과 측정치와 이론치를 비교하라. 각 측정 항목을 이론치와 모두 비교해야 함.