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만들면서 배우는 PLL
PLL 원리와 7㎒대 100채널 PLL VFO 실험

HL1INF   

 

 우리가 사용하는 대부분의 무선기기의 주파수 생성은 PLL주파수신디사이저 방식을 사용하고 있다. 물론 근래에 만들어지는 HF(단파)트랜시버의 VFO에 대하여는 이 PLL방식이 아닌 DDS라고 하는 직접 디지털방식을 사용하는데 이 방법은 사용주파수의 한계가 낮아 VFO 등에만 사용되어지고 있다. PLL주파수신디사이저가 사용되어지기 시작한지 70여 년이 지났지만 현재 아마추어무선사 들이 PLL을 이용한 기기를 자작하는 것은 그리 흔하지 않았다. 이것은 기본적 원리에 대한 기술서가 많지 않으며 몇몇 번역서가 있긴 하지만 초보자가 쉽게 이해하는데는 어려움이 있는 것 같다. 이번 기회에 관심 있는 분이라면 PLL주파수신디사이저를 직접 접할 수 있는 기회로 생각된다. 가능하면 수식 등을 피하고 PLL(위상동기루프)을 이해하는데 중점을 두었으며 실험을 통하여 PLL주파수 신디사이저를 쉽게 완성할 수 있도록 하였다.

 PLL의 역사를 보면 1932년 라디오에 응용되기 시작하면서 사용되었으며, 처음 사용되었던 PLL은 회로가 복잡하고 고가여서 널리 보급되지 못하였으며, 이 PLL을 본격적으로 사용된 것은 1943년 TV의 동기회로에 응용되기 시작하면서이다. 지금도 TV에서는 이 PLL이 중요한 역할을 하고 있으며 주파수를 선택하는 튜너 외에 TV의 색동기 회로에는 이 PLL방식을 사용하지 않는다면 고가의 TV이던지 아니면 카메라가 바뀔 때마다 출렁거리는 화면의 TV를 보고 있었는지도 모른다.

 특히 근래에는 LSI기술등 IC의 집적화기술이 발전되면서 여러 가지 값이 싼 PLL관련 부품들이 많이 생산되고있으며 통신분야에서는 없어서는 안될 중요한 회로로서 감초처럼 쓰이고있다. 그러나 대부분 PLL관련 IC가 특정제품에 맞도록 설계된 전용 PLL IC가 많이 생산되고 있고 범용 PLL IC는 점점 생산을 하지 않고 있는 추세에 있어 앞으로 프로그램을 사용하지 않는 PLL자작은 어려워 질 것으로 보인다.

 PLL의 응용범위로는 FM, AM검파, TV의 APC회로, 스테레오방송에 사용되는 MPX, 비디오 검파, FSK변복조, 전원주파수변환, 주파수신디사이저, 모터속도 조절기 등 그 사용 범위는 방대하며 회로방식도 다양하다.

 이 PLL을 주파수신디사이저(frequency synthesizer ; 주파수합성)로 사용하게된 것은 1970년대 초 미국에서 CB트랜시버에 23채널용 PLL신디사이저를 채용하면서 이고, 채널마다 크리스털을 사용하지 않고 수10, 수100 채널화가 쉽게 가능하게 되었다. 당시의 고급 CB트랜시버는 크리스털을 사용한 1, 2채널용이 있었으며, 이 PLL사용은 획기적인 채널선택 방법이 되었다.

 먼저 기본적 PLL기본원리에 대하여 알아본다. PLL은 기본적으로 전압제어발진기(VCO ; votage controlled oscillator), 위상비교기(PC ; phase comparator), 저역루프필터(LPF ; low pass filter)로 구성되어있으며 피드백 루프의 구조로서, 일종의 자동제어회로이다.

<그림 1> PLL의 기본 블럭도

 

전압제어발진기(VCO)는 가장 중요한 부분으로 이 VCO의 발진주파수를 안정화시키는 것이 PLL의 목적이나 다름이 없으며, 이 VCO는 전압에 의하여 발진주파수가 바뀌도록 되어있으며 뒤에 자세한 구조를 설명한다. 위의 <그림 1>을 보면 VCO의 발진주파수 fvco와 fref를 위상비교기(PC)가 비교하게 되는데 이 PC에서 비교하여 나온 차만큼의 파형(이 파형은 PC의 종류에 따라 다름)을 출력하게 된다. 이 파형을 저역루프필터(LPF)에서 DC성분에 가깝게 평활하여 VCO에 인가시킨다. 이때 블럭도와 같이 LPF와 VCO사이에 증폭기를 넣는 경우도 있는데 이는 루프게인을 향상시키기 위하여 추가하기도 하며, 이것은 VCO의 제어전압의 비가 적을 경우에 사용된다. VCO는 이 전압에 의하여 발진주파수가 변하게되며, 다시 VCO의 발진출력 fvco와 PC의 기준주파수 fref의 발진주파수와 위상을 비교하고, 여기에서 나온 오차전압이 PC의 출력에 발생된다. 이 오차전압은 LPF, AMP를 통하여 VCO의 제어전압이 되고 VCO의 발진주파수를 입력신호의 주파수와의 차를 감소시키고 위상이 같을 때  까지 루프는 계속 반복된다. PC에서 이 두개의 주파수의 위상이 같아질 때 비로소 PLL이 락(locked)되었다고 한다. 이 락이 1회로 끝나는 것은 아니고 PC는 계속하여 두개의 주파수를 비교하여 온도 등 여러 원인으로 변화하는 VCO를 일정한 주파수가 되도록 반복하여 PLL락을 유지시킨다. 이 락을 유지하기 위하여서는 PC와 LPF에서 만들어진 전압이 VCO의 제어 전압의 범위에 있어야 하며 매우 중요한 내용이다. 이 VCO가 발진할 수 있는 범위를 로크레인지라 하고 최악조건에서도 PLL락이 풀리지 않을 주파수 범위를 캡처 레인지라고 한다.

 다음은 우리가 실제로 사용하게 될 PLL주파수 신디사이저의 응용의 원리를 알아보기로 한다.

 

<그림 2>의 PLL주파수 신디사이저 블록다이어그램을 보면 PLL에 프로그래머블 카운터만 추가되었을 뿐 나머지는 같다. 이 프로그래머블 카운터는 1/N 카운터이다. 다시 말해서 VCO의 출력 주파수를 원하는 수만큼 나누어주는 카운터이다.

 이 PLL주파수 신디사이저에 사용하는 VCO는 앞에서도 언급했듯이 전압에 의하여 발진주파수가 바꿀 수 있는 전압제어발기로서 용도에 따라 X-tal 발진기 등을 사용하기도 하지만 가변용량다이오드를 포함한 LC회로를 사용하는 클랩발진기가 대부분사용 되어지고 있으며, 이 회로를 많이 사용되는 이유로는 발진 주파수의 안정성과 조정이 비교적 쉬운데 있다. 이 VCO의 주파수는 콘트롤 전압범위에서 사용 주파수가 얻어 져야하며 이 주파수 범위가 앞서 언급한 로크레인지이다. 물론 실제 사용 가능한 주파수는 이 범위보다 약간 적은 범위로 캡쳐레인지가 되며 우리가 사용할 주파수는 이 범위 안에 있어야 하며 그렇지 않을 때는 C나 L값을 변경하여 이 범위 안에 들어오도록 하여야 PLL이 LOCK이 되게 된다. 이 LOCK이 됨으로서 비로소 원하는 안정된 주파수를 얻게 되는 것이다.

 PLL주파수 신디사이저가 LOCK이 되었을 때 출력주파수(fo)는 프로그래머블카운터의 값(N)과 기준 주파수(fr)의 곱이 된다.

      출력주파수(fo) = 임의진(N) × 기준 주파수(fr)

 여기서 기준 주파수(fr)는 PLL주파수 신디사이저의 출력주파수 안정도를 결정하며 대부분 X-tal방식을 사용하며 안정도를 높이기 위하여 온도보상용 X-tal발진기(TCXO)를 사용하기도 한다.

<그림 2> PLL주파수 신디사이저의 기본 블럭도

 예를들어 기준 주파수(fr)가 10kHz이고 프로그래머블카운터의 값(N)이 14450이 라면 10,000×14450=144,500,000 로 출력주파수는 144.500MHz 가 된다. 물론 이때 VCO는 144MHz대의 발진 범위를 가져야 할 것이고 프로그래머블카운터도 144MHz대를 14450로 분주할 수 있는 것이라야 할 것이다. 이렇게 VCO의 발진 주파수를 바로 프로그래머블카운터로 분주하여 위상비교기(PC)로 비교하는 방식을 직접 방식 PLL주파수 신디사이저라고 한다. 위 예의 프로그래머블카운터는 144MHz대를 14450로 직접 분주하였는데 이렇게 높은 주파수를 직접 분주할 수 있는 프로그래머블카운터는 흔치 않으며 주로 VCO발진 주파수를 국부 발진기를 만들어 혼합하여 낮은 주파수로 바꾸어 프로그래머블카운터로 분주하여 사용하는 경우가 많이 있다. 이 방식을 주파수 믹싱방식 PLL주파수 신디사이저라고 하며 주로 UV트랜시버에서 많이 볼 수 있었으나 최근 만들어지는 UV트랜시버에서는 원칩화 되어있고 다음에 설명하고있는 프리스케일러방식 PLL주파수 신디사이저가 많이 이용되고 있다. 이 프리스케일러방식 PLL주파수 신디사이저는 수십MHz정도까지만 분주할 수 없는 프로그래머블카운터앞에 프리스케일러를 두어 한번 분주한 후 프로그래머블카운터를 사용하는 방식을 말한다.

 여기서 직접 사용할 방식은 직접 방식 PLL주파수 신디사이저를 사용하며 위상비교기, 기준 발진회로와 프로그래머블카운터가 하나의 IC안에 들어있는 MC145163P를 사용하였으며 여기에 내장된 프로그래머블카운터는 전원전압 5V에서 30MHz정도까지 사용이 가능하며 전원전압을 8V정도 올리면 80MHz정도까지도 직접 사용이 가능한 PLL IC이다.

 이 IC를 이용하여 144∼146MHz대 PLL VFO를 구성해 본다면 140MHz(46.666MHz×3)를 발진하는 발진기와 VCO의 출력주파수를 혼합할 수 있는 회로가 필요하며, 기준주파수를 10kHz로 하고 프로그래머블카운터를 400∼599사이를 사용하게되면 10kHz 스텝의 144.00∼144.59MHz가 얻어지게 된다. 아래 블록다이어그램을 참고하시기 바란다.

 
VHF대 PLL주파수 신디사이저 블록다이어그램

 

PLL 7㎒대 100채널 PLL VFO 실험 

  지금부터는 이번에 만들어볼 7MHz대 PLL주파수 신디사이저에의 구성에 대해서 알아보며, 이하 PLL주파수 신디사이저를 PLL이라고 표현한다. 사용된 반도체는 PLL IC MC145163P 1개, 트랜지스터 KSC3199 3개, 가변용량다이오드 1개, 정전압 IC 78L05 1개와 약간의 C,R로 매우 간단하게 구성되어 있으며 VCO의 발진주파수만 6980kHz∼7120kHz 범위 안에 들어오도록 하고 부품 극성들만 틀리지 않도록 한다면 틀림없이 완성 될 것이다. 물론 여기서는 초보자를 위한 트랜지스터 보는 법, 저항 읽는 방법 등은 생략하였으며 주로 LC텡크 회로를 이용한다든지 X-tal발진기를 다루어보신 분이라면 어려움이 없을 것으로 생각된다. 이번 제작할 PLL은 가변폭을 7000kHz∼7100kHz, 스텝을 1kHz하여 100채널을 사용할 수 있으며 X-tal을 사용하여 같은 채널을 얻을려면 100개의 X-tal이 필요했을 것이다.

사용하는 부품 목록과 부품배치도를 참조하여 동작 설명을 보기로 한다.

MC145163P

 이 PLL주파수신디사이저 IC는 4자리 병렬BCD입력 프로그래머블 카운터와 내부기준발진기, 4가지의 분주 기준카운터, 위상비교기 등을 하나의 칩에 내장하고 있으며, 오래 전부터 많은 아마추어 기기 등에 사용 되어온 IC이지만 근래에는 마이크로 컴퓨터로 직렬 제어하는 PLL IC가 많이 사용되고 있어 거의 사용되지 않고 있으나 최근까지 생산은 하고 있는 것 같다.

 데이터 시트에 나와있는 특징으로는 저 소비전력, 동작 전원전압범위 3V∼9V, 수정발진회로 내장, 기준카운터 4가지 분주비 선택가능, N카운터 분주비 3∼9999, 카운터 입력에 자기 바이어스형 증폭기 내장, 테이터 입력 핀에 풀다운 저항 내장, 2종류의 위상비교기 출력, 로크 검지출력, 동작 온도범위 -40℃∼85℃로 되어 있어 자작 및 시험용으로는 적합한 IC로 생각된다. 내부구조는 아래 계통도를 참고하기 바란다.

 이 MC145163P는 일본 모토롤라에서 생산한 것으로 데이터시트는 Acrobat file 형식으로 되어있으며 http://www.foxtr.com/pdf/MC145163P.pdf에서 다운로드 또는 볼 수 있으며 Adobe Acrobat Reader가 있어야 한다.

 
L1, TR

 VCO발진코일로 NR10 트로이덜 코어에 0.2mm 에나멜선 23회를 감는다. 이 코일과 C7에 의하여 발진주파수가 결정되며 아래 설명하겠지만 R1을 연결하지 않고 사진과 같이 10㏀ 가변저항을 부착하고 출력주파수를 측정하여 6.9㎒∼7.11㎒ 범위에 있어야 하며, 이보다 출력주파수가 높을 경우에는 코일을 몇 회 더 감던지 C7에 수10㎊정도를 추가하여 사용주파수 범위가 되도록 한 후 가변저항을 제거하고 R1 4.7㏀을 삽입하면 원하는 주파수를 얻을 수 있을 것이다.

 여기서 사용되는 TR은 일반적으로 흔히 사용되어지고 있는 KEC(한국전자)에서 만들어지는 KTC3199를 사용하였다. 이TR은 유사한 특성이면 대치품을 사용하여도 무방하나 주변 부품의 정수를 바꾸어야 할 경우도 있을 수 있다.

 

회로

 사용된 부품의 개수는 50여개 정도로 비교적 간단한 편이다. 처음 PLL을 접하는 사람이 반드시 완성할 수 있도록 구성해 보았으며 아래와 같이 VCO조정이 되고 부품의 극성만 바뀌지 않는다면 100채널의 7MHz대 PLL 주파수신디사이저가 완성 될 것이다. IC의 핀 보는 방법, TR과 콘덴서의 극성 정도만 구분할 수 있는 분이라면 문제가 없을 것으로 생각된다.

 부품의 경우 PLL IC를 제외하고는 대부분 시장에서 쉽게 구입할 수 있으며 이 PLL IC는 우편등을 통하여 구입할 수 있으며 여러 사람이 공동으로 구매하는 방법도 좋으리라고 생각된다. 기타부품에 대하여는 크게 구입에 문제가 없을 것으로 생각된다.  

 먼저 VCO부분을 보기로 한다. L1, C6, C7, D1으로 탱크회로를 구성하고 있다. D1은 가변용량다이오드(바리켑)로 DC전압이 역방향으로 인가되면 전압에 반비례하여 용량이 변하게되어 바리콘과 같은 역할을 하게된다. 처음 PCB에 부품을 끼울 때 R1은 끼우지 않는다. PCB의 이 부분에 임시로 사진과 같이 10㏀정도의 가변저항을 부착하여 최소·최대로 가변 하게 되면 전원 전압범위 즉 0∼5V가 가해지도록 PCB가 만들어져 있으며 최대전압에서 가장 낮은 주파수, 0V에서 가장 높은 주파수가 되며, 6.97MHz∼7.12MHz 정도의 범위 안에 들어야 PLL로크가 되며 그렇지 않으면 L1이나 C6또는 C7값을 바꾸어 이 범위 안에 들어가도록 하여야한다. 만약 이 VCO가 6.56MHz∼7.066MHz 범위에 있다고 한다면 7.066MHz 이상에서는 PLL로크가 풀리게 되어 사용이 불가능해 진다.

이 VCO발진주파수 범위만 희망하는 범위를 여유 있게 한다면 이 PLL주파수신디사이저는 어렵지 않게 완성 될 것이다.

위와 같이 VCO를 완성하게 된 후 임시로 부착했던 10㏀의 가변저항은 제거하고 R1과 다른 모든 부품을 끼운 후 전원을 넣는다. TP1에 주파수카운터를 연결한 후 DIP SW로 주파수를 바꾸어 본다. 범위내의 원하는 주파수를 얻어지는 것을 확인할 수 있을 것이다. DIP SW는 왼쪽부터 ㎒, 100㎑, 10㎑, 1㎑로 8,4,2,1 BCD코드로 되어있으며, ㎒자리를 7로 할 경우 0111로 하면 되는데 DIP SW를 올리는 것이 1, 내리는 것이 0이다. 이 PLL주파수신디사이저 회로에서 1㎑미만의 주파수를 얻으려면 기준 주파수 트리머 C3를 돌리면 얻을 수도 있으며 바리켑 등을 이용하여 가변 저항을 이용하게 할 수도 있다.

VCO의 조정은 다음과 같이한다.
:  반고정 저항(10Kohm 정도)을 붙여 VCO의 발진주파수 범위를 확인한 후 R1을 삽입한다 (위 사진 참조)
만약 발진 범위가 7.12~7.38이라면 C7  47pF에 병렬로 C를 추가 하던지 20~30pF정도의 트리머를 달아 쉽게 범위에 들어 오게 할 수 있다. 또한 발진을 6.72~6.98하고 있다면 C7  47pF을 줄이면 범위안에 오게 된다.

 

 

(완성된 PLL VFO)

       사용부품목록

IC1

MC145163P

1

 

C9, 20

330㎊

2

IC2

78L05

1

 

C10

10㎊

1

TR1

KTC3199GR

1

 

C12, 16

470㎊

2

TR2, TR3

KTC3199Y

2

 

C13, 15, 17

39㎊

3

X-tal

4.096㎒

1

 

C14

33㎊

1

L1

NR10에 23T

1

 

C18, 19

100㎌

2

L2, L3

12uH

2

 

R1, 5, 9, 13

4.7㏀

4

DIP SW1,2

KSD08H

2

 

R2, 12, 14, 16

1㏀

4

LED

2.5φ

1

 

R3

100㏀

1

D1

SVC251SPA

1

 

 

 

 

C1

27㎊

1

 

R4

10㏀

1

C2

12㎊

1

 

R6, 11, 15

220Ω

3

C3

30p Trimer

1

 

R7

150Ω

1

C4

3.3㎌

1

 

R8

22Ω

1

C5, 11

0.01㎌

2

 

R10

1.8㏀

1

C6

150㎊

1

 

R17

910Ω

1

C7

47㎊

1

 

R18

1.2㏀

1

C8

100㎊

1

 

PCB

PCB-PLL2C

1

 

 7MHz PLL주파수 신디사이저 전 회로도


   참고1 :   VCO 발진파형 ;  hfe가 낮은 TR을 사용해도 발진을 잘 합니다.
                      TR1은 KTC3199Y로 바꾸어 사용하고 위 부품정수 그대로 발진을 잘 하고 있습니다.
                      DC전압계로 B : 1.32V, C : 3.45V, E : 1.05V 로 바이어스 전압이 0.3V정도 입니다.
                     

 

발진 TR 베이스에서 약1.7V의 발진 파형을 볼 수 있습니다.
  (스코우프 플루브 바로 연결 AC input)

1div.이 50ns로 1주기가 3div보다 약간 적게 보이며, 140ns정도 즉 7MHz의 파형입니다.

   참고2 : 가변용량다이오드
             여기 사용된 바리켑은 저전압용(대개는 1~10V정도)으로 규격표상의 데이터를 보면 1V 일 때 23pF(38pF),
             5V 일 때 11pF로 되어 있습니다. 용량비가 15pF 전후의 유사한 어느 대체품을 쓰셔도 무방 합니다.

전원

 전원은 전체 5V로 동작되며 78L05를 사용하여 DC 8∼15V를 넣어주면 되며 전체 사용전류는 28mA 정도 소모된다.

 VCO는 TR1과 L1, C7, C6, D1으로 구성되어있으며 D1에 가해지는 전압에 의하여 발진주파수가 제어된다.

 

기준주파수

 기준주파수는 4.096㎒ 크리스탈을 사용하여 PLL IC내부에서 분주하여 1㎑를 사용하며,
이 기준주파수에 의하여 PLL 주파수 스텝이 정해진다.

 

주파수 설정방법

 주파수 설정은 가장 쉽게 구입할 수 있는 DIP스위치를 사용하였다. 이 DIP스위치로 4자리의 주파수를 설정하는데 2진수를 사용한다. ㎒자리 7을 설정하려면 0111(8421), 즉 스위치를 OFF. ON, ON, ON 하면 된다. 또 10㎑단위 5를 설정한다면 10㎑단위스위치 4개를 0101 OFF, ON, OFF, ON으로 하며 스위치를 위로 올리는 것이 ON이 된다.

8421 > 0111 > 0+4+2+1=7,     8421 > 0000> 0+0+0+0=0,   8421 > 0100 > 0+4+0+0=4,     8421 > 0011 > 0+0+2+1=3

 

 이 7MHz PLL주파수 신디사이저를 통하여 PLL주파수 신디사이저를 이해하고 다른 밴드의 PLL주파수 신디사이저를 구현하는데 도움이 되었으면 한다. PLL이 개발 된지 70여년이 지나 많은 디바이스들이 개발되어 사용되고 있으며 점점 자작하기에 쉬운 부품들이 사라지기 시작하고 있다. 이번 사용한 병렬 입력방식의 PLL IC도 몇 년 전까지 생산이 되어 아직은 입수가 가능하지만 머지않아 PLL주파수 신디사이저를 실험하려면 반드시 마이크로컴퓨터를 이용하여야 가능할 것으로 보인다. 이번에 사용된 PLL IC는 회로를 간단하게 하는데 목적을 두었기 때문에 다소 고가의 IC를 사용되었다. 이제 원리를 이해하였으니 다른 PLL IC로의 응용도 가능할 것으로 생각되며, 입수가 곤란한 부품은 공동 구매 등을 통하면 가능할 것으로 보인다.

 

※ KARL紙 (아마추어무선연맹 회지) 2002년 8월호의 내용으로 수정, 추가 실험하였음.