7MHz QRP CWトランシーバー V3

この記事で作っているモノはまだケースに入れていないので作成中の状態となります
ですがバラックのまま動作可能ですから最終作業はのんびり進めようと思います。

【こんな感じで全体の構成を考えてみました。】
SI5351aをVFOに使う（以前に秋月電子で買ったモジュール）
マイコンはArduino pro mini（5V/16MHz仕様）
受信は高一中二のシングルスーパー
1stミキサーにダイオードDBM（ND487C1-3R）
RF・IFアンプには3SK294を使う
検波にはSA612AD
フィルターには6素子で帯域700Hz程度のラダーフィルター
送信出力は0.7から1W程度を目指す
電源電圧は3.7Vリポの2Sを想定しているので7.4Vで設計してみる

特別な事はしていませんが過去の経験で気になっていたところは改良に取り組みたいと考えています
今回は初めて使うデバイスとして3SK294・2SC4116・SA612A・PchMOSFET・2N7002KがありどれもSMDです
全体の半分くらいを表面実装部品で作ることになります。
回路全体は可能な限り手抜き（シンプルを目指す）をしながらツボは抑えていきたいです。

1stミキサーにはダイオード式のDBMとしてみます、先にお伝えしておきますがミキサーの性能を向上させるためではありません、たまたまSi5351aの出力が大きいのと矩形波出力なのでダイオードDBMにはちょうどいいように思っただけです
RFアンプは受信時の不要輻射を抑えるために特に素人が作るダイオードDBMの時は必須としておいた方が良いと思います。

受信全体の構成としては高一中二です
検波には何度も回路を書き換えては悩んだ末にSA612Aとしました
検波段に使うのでAGCで可能な限り十分に管理されたレベル範囲内での信号（IF出力）をSA612Aに渡せれば美味しく頂けるのではないかと打算的に考えた結果です
SA612Aの入力は50mVppを超えないようにしたいと思っています、それとSA612Aを使うと独立したBFOの発振回路を用意しなくていいことも最終的な決め手になりました。

RFとIFアンプには3SK294を使います、初めてなので癖とか特徴は知らないのでデータシートを頼りに動作点を想定しています、今までは3SK74を使ってきましたがこれはデプレッション寄りのエンハンスメントのようなFETですが3SK294は完全にエンハンスメントなので設計しやすいように思います
具体的には利得と利得制御がソースに対してプラス側だけで良いので楽です、もちろんG1とG2の両方をうまく使う必要はあります
パッケージが小さなSMDですが性能はいいような気がしたので採用しました、それに低価格なのも嬉しいです。
RFアンプはあまり利得は要らないのですが結果的には利得過剰と思われるのでソースに抵抗を入れています（バイパスコンデンサは入れません）、必要以上に利得が高すぎたときはソース抵抗で調整しようと思います。

IFアンプは2段とも同調回路を使わずRFCの負荷で済ませています、22μH（AL0307-220K）を使いましたがもしかすると10μHの方がベストかもしれません。

ラダー型フィルタは6素子にしました、画像のとおりの特性ですが周波数の低い側が高い側よりも傾斜が緩いためBFOの周波数は低い側にセットします、

UM1型の12.8MHzクリスタルは普通に使うと2KHz程度しか動かせないのでSA612Aでの発振回路には10μHのマイクロインダクタを入れてVXO風にすることで目的の周波数に設定できるようにしました。
気休め程度ですがSA612Aの出力側に簡易なπ型LPFを入れています
回路図の定数（47mHと0.68μFのπ型）で約800Hzあたりから減衰をしますが簡易なものですから減衰特性は緩やかですが無いよりはマシ程度に考えています。
このπ型LPFのインピーダンスは入出力が230Ωくらいなのですが、そこは無視していますが実測してみたところ特に問題は無いようです。

このLPFを出たらTA7368Pへ繋がります、SA612Aの出力レベルを考えると、たぶんAF用のプリアンプは不要だろうと考えました。
従来と少し違うのは送信時のミュートのかけ方です、MOSFETで信号ラインそのものをON・OFFしています、そのタイミングはマイコンで設定することにしました。

送信部は2ステージです、Si5351aの出力は送信時は受信時とは別のポートclk1から出力します、直接送信周波数を出力するから回路が簡易になりました、この信号は複同調回路で十分にフィルターしてからドライブの2SC1815GRで増幅します。
今回は同調回路経由で終段と接続します、これは高調波を少しでも抑えることができればいいなと思っての事です。
終段には三菱のパワーMOSFETのRD01MUS2を使います、SOT89のSMDですが基板に直接面実装するから放熱は基板で行います。
ゲートバイアスの有無でON・OFFが制御できるためドレイン電圧はかけたまま使います
ドレイン側は9対4の簡易なトランスを経てLPFへ繋がります、LPFは7次で設計していますコイルにはQRPなのでT25-2を使いました。

送受切替の電源切換回路には通過ロスを最小限にしたかったのでPchMOSFETを使ってみました、Dualパッケージのものを使っています、殆どの回路は6Vで動かしていますが実際には5Vの三端子レギュレータに下駄をかませてるので5.6Vが実際の回路電圧となります。
この低い電圧は3SK294の動作には5から6Vもあればいいのでそれに合わせただけの話しです
AFアンプのTA7368Pと送信終段のFETはそれよりも少し高めの電圧が欲しいので8V程度を想定していますが、何気に3.7Vのリポバッテリーの使用を思いつき標準電源電圧は7.4Vとして考えてみました（実際に動作する電圧は6Vから9Vの範囲で使えます）。

ここまでの内容を盛り込んだ全体の回路図です

回路図をPDFでご覧になる方はこちらをクリックしてください。

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注文していた基板が届いたので表面実装部品から取付けていきました、ため息が出てしまったのは3SK294です、2SC4116と同様に小さいのはいいとしても3SK294はリードが細くて短いため最も取付けにくくて気を使いました。これを取り付けた後のチップ部品は簡単に感じるほどでした。
全体的に部品数が少ないので思ったより簡単に全ての部品を取り付け終えることができました。
ラダー型フィルタの特性を測っておきたかったので、ここは前後の部品を取り付ける前にラダー型フィルタ単独にとどめて計測しました、このラダー型フィルタは「なんちゃってチェビシェフ」ですが正しい計算はせずに適当に手持ちのコンデンサに合わせて定数を決定しています、ですが単純なラダー型よりもスカート特性が良かったので深追いすることはせず安易に決め打ちしました。

受信部のほとんどは表面実装部品（コイル類は除く）で構成し基板の裏側に取付けています、
送信部は終段のMOSFETを除いて他は通常のリード型の部品で構成しました
Arduino pro miniとSi5351aのモジュールはソケットを使って取り外しができるようにしました

組立の途中でテストしておきたいもう一つは電源の切換用回路です、
今回は電源の通過ロスを最小にすることと動作電流を最小限にするためにPchMOSFETが2つ入ったDualパッケージの表面実装部品（SMD）を使っています、そのため必然的に周辺部品も全てチップにしました、これが期待した動作をしてくれれば今後も活用していきたい回路です。
電源入力を7.4Vを規定値としているので低損失型三端子レギュレーター（LM2950-5.0）を経由して6Vにしますが実測では1N4148で嵩上げしてみましたが5.57Vしかありません、PchMOSFETを通過した電圧は期待通り殆どロスることなく出力されているので電源切換回路は思惑通り成功と言えます。

仮設で実働できる状態にし最終調整を行いました

とりあえず発振周波数を合わせておきましょう
PLLのAとBは発振周波数が約3倍違うので送受でズレ幅も違うはずです
測定器で測ってみると送信時の7MHzを直接発生するPLL_Bは120Hzのズレで、受信時に19.8MHzを発生させるPLL_Aは340Hzのズレがありましたから
送受で別々の補正値を使うようにしました。

諸々最低限の調整を終えてバラックのまま電池で動かして遊んでいるところです

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先ずは受信部から始めました

3SK294の動作点を最初に決定する必要があります、AGC回路のRV1とRV2を最小にして始めます、IFアンプQ3のドレイン側の電圧が4.6VになるようにRV2を回していきます、ここへの電源電圧は5.57VなのでR10（100Ω）のドレイン側が4.6Vになれば10mAに設定したことになります。
とりあえずこれで最大利得で受信回路は動作していることになるので、次にSSGを用意するのが面倒なのでとりあえず代用としてtinySA ULTRAをSGモードにして開始しました。
SGから50μVに相当する-73dBm（テンキーで希望するLEVELに設定できない、理由は不明）を入れるとAGCで制御された状態でクリアーな音が聞こえてきました
次にSGから-107dBm（AGCが効かないよう1μV程度にする）の弱い信号を入れてRFアンプの2個のコイルを最大音で聞こえるように調整します。
この状態でRV1を回していくとAGCの検波ダイオードにバイアスがかかります、そうするとAGC電圧が下がっていきますから1μVで受信している音が小さくなり始める直前で止めます、受信部の調整はこれでOKです。

諸々データを取っておきたいので、ここから先はちゃんとSSG（HPの8648C）を持ち出して測定してみました。
細かく確認したところ耳測定器（S/Nを正式に測っていません、セットノイズが劇的に少ないので無意味に感じたからです）での感度は0.1μV（50Ω負荷端）のようです、さらに信号を弱くしても聞こえますが実用範囲外でしょう。
SSGからの信号を上げて50mV（S9+60dB相当）にしてもIF出力はAGCが効いていい感じに制御が効いていて驚きました、当然スピーカーから出てくる音量はS7からS9+60dBの範囲でも安定した状態で聞こえます。S7あたりからSSGの出力を下げていくと徐々に信号の弱さを音で感じるようになります
ついでにS1からS9+60dBの範囲で発生するAGCの電圧をメモしておきArduinoのADC設定に利用します。
これにより1μVを少し過ぎたあたりからSメーターが動き出します
SメーターはOLEDに表示させていますから計測データを基にその範囲でメーターが振れるように設定しているので機械式のメーターよりは対応しやすくて楽です。

IFアンプの出力は100pFで取出し、更に抵抗で分圧しSA612Aに入れています、これはSA612Aは大信号には使えないのでこうすることで高周波部分の回路と検波回路の動作点を両立できるようにした結果です。

ラダー型フィルタの切れが良かったので高域のノイズを抑える目的でもあるAFのLPFはスピーカーからの音を聴いて定数を変更しました、0.68μFと47mHの組合せでfcを800Hzにしていたのですが0.47μFに変更し1KHzにしました。
これは個人的な聴感上のものなので狭帯域が嫌いなワシとしては高域を抑え込んだ圧迫感の有る音がちょっと嫌かなって思ったからです。

余談ですが
SA612Aの利得を計算してみたら4.4倍あったので約13dBということになります。
ネットの噂よりも利得が低い理由は発振出力が低いのが原因と考えられます、7番ピンつまりエミッタの部分で測ると0.4Vppくらいしかないため希望していた発振出力よりもかなり低い値です、ただ難しいなと思うのはオシロのプローブの影響も多大にあり正しい電圧は定かではありません。
12.8MHzを発振させていますがネットでの利用例は4MHzあたりが多く参考になりません、変換利得が低いことからもう少し強く発振させるようにできたらいいのかもしれません。
この発振出力の測定方法も検討課題ではありますがもう一つ困ったのはオシロや周波数カウンターなどを繋ぐと発振周波数が変化するため予定しているBFO周波数に調整するのが難しい事です、そのため本機はマイコンでプログラムしていて周波数は補正値を適用して合わせているのでSSGからの信号を受信してスピーカーからの音と、スマホから800Hzのトーンを鳴らせてゼロビートになるようBFOの調整をしました。これでBFOの発振周波数は12.796140MHzになっているはずです。
「作業机の近くにはパソコンが無いためスマホを利用しただけの話しです。」
SP出力をオシロで測って800Hzにするのも有りです、もしかするとこれが本来のやり方かも知れません。

受信時のDiDBMへの局発レベルについて
SI5351aのドライブ電流は2mAに設定しましたがレベルを測ると少し足りなかったので4mAに変更しました、ちなみに6mAも試しましたが4mAとの違いは感じなかったので4mA設定にしました。
今回ダイオードミキサーにND487C1を使っています、他のダイオードの場合はND487C2やSBDを4本使って作る場合は6mAか8mAの方が良いと思います
ND487C2は手持ち在庫が少ないので勿体なくて使えませんでした、代わりに若松通商で今でも買えるND487C1を使ってみました。

秋月電子で買ったSi5351aのモジュールは3.3V仕様です、Arduino pro miniは5V/16MHzのを使いますからI/Oの電圧は5Vなので直結するのはマズいです
Arduino pro miniのRAW端子に7.4Vを供給すると内蔵レギュレーターを通してACC端子に5Vが出力されます
ACC端子からの5Vを利用して外付けの低損失三端子レギュレーターLM2950G-3.3と2N7002Kを使ってレベルコンバータを構成しています
この回路は以前に買ったAdafruitのを参考にしました。

マイコン周辺の回路です

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次に送信部の調整です

Si5351aのclk0は4mAに設定して受信へ、clk1は2mAに設定して送信へ、このclk1は最初は4mAで動かしてみたところ出力が大きくてドライブ段が歪んだため2mAに変更したがまだ大きすぎるのでC90（100PF）を抵抗に変更しました、抵抗R64（2.2kΩ）がそれです
それでも波形を見ると僅かに歪んでいるのでドライブ段Q10（2SC1815GR）のエミッタ抵抗R38を47Ωから68Ωへ変更してようやくいい感じになりました。
ドライブ段の電流は17.2mAから8.8mAになりました。
送信はマイコンのkey入力をLOWに落とせばいいようにしています、
オシロを終段Q11のゲート側にあるR35のところ（T7の4番ピン側）を測りT5・T6・T7を回して最大点にしておけばいいです
T7の4番ピンのところで最初は7Vppを超えていたのが、これでようやく5Vppまで落とせました、信号電圧が高いですがインピーダンスは知りません。

つづいて、いよいよ終段を稼働させて最終的なパワーを測ります、最初は全く何も出てこないがRV3のバイアスボリュームを回してゲート電圧を上げ行くと、徐々にパワーが上がり始め簡単に1W（7.4Vで240mA流れます）を超えることが確認できました、やはりPower MOSFETは簡単でいいね。

この時のゲート電圧は2.45Vでした
バイアス電圧は緑色の小型（3ミリ直径）LEDとスイッチングダイオードで2.6V弱を作っています、この電圧だと間違ってRV3を最大側にしてもFETが壊れないよにギリギリの電圧で設計しています。
現状はほとんど回し切った状態です、なんかダイオードを追加してもう少し高いゲートバイアスが試せるようにしたら最大出力がどれくらいになるのか興味はあります
それと動作状態によってはNFBをかけようと思って部品も実装できるようにしているのですが出力に余裕が無いのでNFBをかけていません
気になる高調波は2倍の14MHzが-63dBくらいあります。

最終的にはエレキーヤーでも繋いで送信時の波形を見てみないと判断できないのですがキークリック対策用としてドライブ段に小細工を組み込んでいます
前回のCW専用トランシーバーを作った時にバラックでテストして効果があった方法です
電源ラインにCR（C86とR41）を直列にして入れます、これの効果は立ち上がりを鈍らせてくれますが立下りも妙な形で鈍ります
適正な容量の組合せはケースに組み込む直前にでも計測しながら行う予定です。

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今回の回路は部品数が少ないので組立も簡単でした
実は最も時間がかかったのはArduinoのスケッチです、Si5351a特有ではありませんがデータを受取って安定した信号を発生するまでにはタイムラグあります
そのため送受の切換時、特に受信から送信へ切り替わる際には安定しているであろう頃合いに送信回路をONにする必要があります
AFミュートはkeyダウンと同時にミュートをかけて、ミュート解除（受信に移行する際）にはポップアップ防止のため少し遅らせて切替えるようにしています。
これらのタイミング制御を諸々組み込んでいます、ソフト処理なのでここも設定調整は簡単にできます。
こんなことをしていたから思い描いた機能がうまく働くように手探りで1つずつ動作検証しながら進めました。
こういうところがCWでフルブレークイン動作の難しいところでもあります
こんなタイミング調整機能は、気にしなければ別にどうでもいい事なのかもしれませんが・・・。
悩んだついでにラスト周波数を記録する機能も付けました、次回の起動時は前回最後に表示していた周波数で起動します。

QRPなので自分からCQを出してQSOをすることなど考えてもいません、そのためRITは搭載していません、きっとこれからも追加しないと思います。
まだケースに入れる気にならないのでバラックのまま室内アンテナをつないで受信していますが
6素子のラダー型フィルタが意外にもよく切れるようでキャリアポイントの設定は思惑通り好結果となりました（なんちゃってチェビシェフが良かったのかも）
混変調特性はどうだか知りませんが、感度がとても良いことと余裕を感じるAGC特性のおかげでとても快適です

最後に毎回のように言いますがarduinoのスケッチは得意ではありません、どちらかというと分かりません
そのため、スケッチはここを参考にさせていただきました
　　　http://jh7ubc.web.fc2.com/arduino/Si5351A_MultiCH.html
　　　http://jh7ubc.web.fc2.com/arduino/Si5351A_VFO.html
SI5351aの制御に関して、このページが一番わかりやすかったのと合理性を感じたので気に入りました（JH7UBC局に感謝）
改造後の実際のスケッチはオリジナルからかけ離れてしまいましたがSi5351aに関するコードなどはそのまま利用させていただいております。

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感想

まだケースにも入れていないのに感想は早すぎるとは思いますが
続きをいつ書くか分からないのでとりあえず締めくくっておきます。

ラダー型フィルタは前作の4素子から6素子にしましたが全然違いますね、
6素子のラダー型フィルタは期待した以上に切れが良くてAFのLPFと合わせてとても良好な使い心地です、信号を受信しながらダイアルを回していくとスパッと切れる感じです。

微弱な信号からSメーターが動くようになっています、これはIC-7300と比較するとP.AMP1を入れている時と同等です。
ATTが欲しくなったらRFアンプのG1バイアスを小細工できるようにしているので利得を落とすことでATT代わりに対応可能です、これは様子を見て判断することにします。
因みにOLEDに表示しているSメーターはバーグラフとの位置合わせもまあまあやっているので表示は信頼できます。

マイコン制御によるMOSFETのAFミュートは遅延時間を設定できるので改善ポイントとして合格です。
AFのVRは10kΩのものを使っていますが5kΩの方が良いかもしれません。10kΩで不具合は有りませんがこれより大きいものは推奨できません。
※ミュート用MOSFETのソース側の負荷として働くためです。

ラスト周波数のメモリ機能は意外に便利です、過去に作ったものにも搭載しようと思います

あー　そういえば送信時のスプリアスの画像を取り忘れました、後日アップします
口だけでお伝えすると一番大きいスプリアスは第2高調波が基本波から-60dB以下で、それ以外は特にないような感じです。