2Stage BJT Amplifier 를이용한 FM 송신기의설계및제작 (Design of FM Transmitter using 2 Stage BJT Amplifier) - 통신시스템설계 - 천성용 Dept. of Electronic Engineering, Yeungnam University, KOREA whiteyongi@yu.ac.kr 1. Abstract 통신시스템설계과목의프로젝트로 2Stage BJT Amplifier를이용한송신기를만들게되었다. 이송신기의목표주파수는 100MHz이었지만, 주어진인덕터의 0.14uH 값으로는불가능하다고판단했기때문에 50MHz를목표로만들게되었다. Pspice에서회로를구성하고, 3V의전압을입력하여시뮬레이션한결과약 50MHz근처에서약 600mV의 Magnitude를가지는파형을관측할수있었고, PCB로회로를제작하여 Spectrum analyzer를통하여확인한결과약 56MHz에서 Carrier를확인할수있었다. 2. Introduction 통신은여러가지방법으로가능하다. 매질로분류를하면고체, 기체, 액체를통해신호전달이가능하며, 파동을이용해서도가능하다. 그중에서전파 (electromagnetic wave) 를이용한 전파통신 에대해서소개하고자한다. 국내전파법에서무선전파통신은 주파수 3000GHz이하의전파를이용하여모든종류의기호, 문자, 신호, 영상, 음향또는정보를송신, 발사또는수신하는것 으로정의하고있다. 전파에서의주파수와파장사이의관계는식 1과같다. 식 1. 여기서 c는광속도이다. 전파통신의장점은대규모통신의경우유선통신에비해설치비가비교적저렴하고설치에따른제약을적게받는다. 하지만단점은도청가능성이있고, 전파대역을배타적으로사용해야하며, 초기설치비가비싸다. 전파를이용한통신시스템을한마디로기술하면 모듈레이터와디모듈레이터 이다. 줄여서모뎀이라고도한다. 파 (wave) 에신호를얹는방법중에가장편하고좋으며복구하기쉬운방법이모듈레이션 / 디 모듈레이션하는방법이다. 그림 1. FM 송신기의블록다이어그램그림 1과같이 Signal Source의정보를전송하기위해, 기본적인송신기블록중에서반드시있어야하는것은발진기와안테나이다. 송신기는발진기와안테나만있는간단한회로부터대단히복잡한회로까지다양한방법으로회로를구성할수있다. 그중에서가격, 성능등을여러가지를고려하여선정해야한다. 발진기의종류는그림 2와같이다양한종류가있다. 그림 2. 발진기의종류우리는송신기를구현하기위해서여러종류의발진기중에서 BJT를이용한 2Stage BJT Amplifier 발진기를선택하게되었다. 이발진기는기초적인아날로그부품을이용하여간단하게회로를만들수있다는장점이있다. 3. System Overview LC 공진을위해서선택한인덕터는강림전자의 5LBF 모델을사용하였고, Spec은표 1과같다.
제조사모델명 Inductance Q 강림전자 5LBF 0.14uH 30 4. Transmitter 우리가 Pspice 로설계한송신기는그림 3 과같다. 표 1. 인덕터의 Spec 이인덕터는표 1의그림처럼총 5PIN중 3PIN을사용하며, 1번 PIN과 2번 PIN 사이에 0.14uH, 그리고 2번 PIN과 3번 PIN 사이에 0.14uH를갖는다. 커패시터는일반적으로사용하는세라믹커패시터와, 전원부의노이즈를제거하기위한전해커패시터를사용하였는데, 사용된커패시터의 Spec은표 2와같다. 종류용량 10pF 0.1μF세라믹 20pF 100pF전해 100μF 그림 3. Pspice로설계한송신기회로도각각입력단, 발진단, 증폭단으로이루어져있으며, 입력단은마이크로부터신호를입력받는부분이고, 발진단은 BJT 트랜지스터와 LC 공진을이용한발진기, 증폭단은 BJT 트랜지스터를이용하여입력받은신호와 Carrier를증폭시키는증폭단이다. 이회로를시뮬레이션했을때, 그림 4, 5와같은결과를얻을수있었다. 표 2. 커패시터의 Spec 저항또한일반적으로사용하는탄소저항을사용하였으며, 사용한저항의 Spec은표 3과같다. 저항값 1kΩ 2.2kΩ 3kΩ표 3. 저항의 Spec 발진기와증폭단에서각각한개씩의 BJT 트랜지스터를사용하였으며, BJT 트랜지스터의 Spec은표 4 와같다. 모델명 2SC1923 그림 4. 시간영역에서출력그림 5. 주파수영역에서출력 약 50MHz에서 569mV의 Magnitude를가짐을볼수있다. 이회로를 FreePCB 프로그램을이용하여 PCB를디자인한결과는그림 6과같다. 표 4. BJT 트랜지스터의 Spec 음성신호를입력받기위해서 BSE사의마이크를사용하였고, 이마이크는내부저항을 2.2kΩ을가지며, 초소형크기의 SMD 타입마이크이다. 마이크의 Spec은표 5와같다. 모델명내부저항주파수 OB-27S44 2.2 kω 20 Hz ~22 khz 표 5. MIC 의 Spec 그림 6. FreePCB 로설계한 PCB Layout
단면만사용하도록설계하였고, 신호의흐름에맞게선을배치하도록노력하였다. 그림 7은위에서설계한 Layout을이용하여만든 PCB에부품을납땜한결과이다. 5. Experimental results 만들어진회로에 1.5V의건전지 2개를이용하여 3V 의전압을입력했을때그림 11 같이약 57MHz주파수에서 Carrier를 Spectrum analyzer를통하여확인할수있었다. 그리고마이크를통하여음성신호를입력했을때그림 12 같이음성신호를확인할수있었다. 그림 7. PCB로만든회로가로, 세로 5cm크기로제작하였으며, 이를기반으로하여아크릴판을사용하여박스를만들고, 안테나를설치하여그림 8과같이무전기모양으로흉내내보았다. 그림 11. Spectrum analyzer 를통한 주파수영역에서의결과 그림 8. 완성된송신기안테나는길이가조정이가능한라디오안테나를설치하였고, 스위치버튼과빨강색 LED를설치하여전원 On/Off시 LED를통해확인할수있게만들었다. 그리고전류를측정하기위해서그림 9의 Sourcemeter 기기를사용하였고, 송신기의파형을관찰하기위해서그림 10의 Spectrum analyzer를사용하였다. 그림 12. 시간영역에서의결과우리가만든송신기의전원부는앞에서설명했듯이 3V의전원을필요로하고, 이때소모되는전류는 7.615mA가소모되었다. 식 2를이용하면전력을계산할수있다. 식 2. 즉, 이송신기에서소모되는전력은 0.022W이다. 우리가만든송신기의 Spec을정리하면표 6과같다. 그림 9. Source meter 전원전력주파수 3V 22 mw 57 MHz 표 6. 송신기의 Spec 그림 10. Spectrum analyzer 6. Conclusion 우리는 2Stage BJT Amplifier 송신기를제작하고, 이송신기의성능을이보고서를통해서알린다. 2Stage BJT Amplifier 송신기는구하기쉬운부품들
을이용하여비교적간단한회로를구현할수있고, 커패시터와인덕터의공진을조절하면주파수또한가변시키기쉽다는장점이있다. 하지만우리는이송신기가다른송신기들과의어떠한성능차이를보이는지, 그리고이송신기의 Spec 을좀더강화할수있는방법에대해서고찰해보아야할것이다. 또한, 송신기뿐만아니라수신기를적용시켜무전기로사용할수있는방법에대해서고찰할필요가있을것이다. 7. Reference [1] Simon Haykin, Michael Moher, JOHN WILEY & SONS, "Introduction to Analog and Digital- Communications" [2] Simon Haykin, JOHN WILEY & SONS, "Communication Systems" [3] 최평, 복두출판사, PSpice 기초와활용 : Ver 10.5 [4] 조준익, 기한재, (PSpice를이용한 ) 회로시뮬레이션 : OrCAD PSpice 사용 [5] 백동철, 권영주, 김성환, 복두출판사, ( 파워포인트로설명하는 ) PSpice 회로설계노트