'이중 역할'을 수행하는 헤드폰 리드

안테나는 일반적으로 Maxwell 방정식으로 정의된 자유 공간의 전자기 에너지와 컨덕터 또는 도파관에 한정된 RF 전압 및 전류 사이의 양방향 트랜스듀서로 시각화됩니다. 그러나 엔지니어는 관련 없는 다른 기능을 제공하기 위해 항상 단일 경로 또는 상호 연결을 획득하려고 노력하고 있습니다. 한 좋은 예로 비차폐 헤드폰 전선을 FM 안테나 역할도 수행하도록 이중 목적으로 사용하는 경우를 들 수 있습니다.

최초의 휴대용 AM/FM 휴대용 라디오는 두 개의 안테나를 사용했습니다. 하나는 더 낮은 주파수의 AM 대역(550kHz ~ 1600kHz)을 위한 페라이트 코어에 감긴 내부의 긴 전선이고, 다른 하나는 FM 대역(88MHz ~ 108MHz)을 위한 약 1m ~ 2m 길이의 '휩' 안테나입니다. 이러한 라디오가 더 작아지고 휴대가 훨씬 간편해짐에 따라 일부 벤더들은 사용자가 헤드폰이나 유선 이어버드를 대신 사용할 것이라고 가정하고 내부 확성기를 완전히 제거했습니다.

이를 통해, 라디오 내에서 헤드폰 잭 연결의 용도를 간단히 변경하여 FM 휩을 제거하는 간단한 기술도 가능하게 되었습니다. 그런 다음, 이 동일한 접근 방식은 FM 라디오 기능을 포함하는 MP3 플레이어로 확장되었습니다(그림 1). 이 기술은 FM 라디오가 포함되어 있는 여러 소형 전자 장치의 설계자들에 의해 여전히 사용되고 있습니다.

그림 1: SanDisk Clip Jam MP3 플레이어는 크기가 55mm × 35mm × 10mm(두께)에 불과하며 한 번 충전으로 20시간 동안 작동합니다. 통합 FM 라디오는 필수 헤드폰 리드를 안테나로 사용합니다. (이미지 출처: Lifewire)

기본적인 비차폐 헤드폰 케이블에는 세 개의 컨덕터가 포함되어 있습니다. 왼쪽 및 오른쪽 오디오 채널은 헤드폰 증폭기에 의해 왼쪽 및 오른쪽 오디오 컨덕터로 구동되는 반면 공통 오디오 컨덕터는 오디오 귀환 경로에 사용됩니다. 이 동일한 케이블이 FM 안테나로도 작동하며, 인덕터를 사용하여 접지에서 RF를 차단하는 동시에 오디오 신호가 접지 귀환을 가질 수 있도록 합니다. 그림 2에 표시된 회로는 Skyworks Solutions Si47xx AM/FM 수신기를 기반으로 합니다.

그림 2 : 헤드폰 전선이 FM 안테나로도 작동할 수 있도록 하는 기본 배열에는 몇 가지 추가 수동 부품만 필요합니다. (이미지 출처: Skyworks Solutions, Inc.)

소형 커패시터를 사용하면 안테나 RF가 수신기 프런트 엔드로 전달되는 동시에 안테나 입력에서 오디오를 차단할 수 있습니다. 페라이트 비드는 헤드폰 증폭기와 헤드폰 사이에 저임피던스 오디오 경로와 고임피던스 RF 경로를 제공합니다.

실제 회로는 보호 및 전압 방전을 위해 몇 가지 추가 부품이 필요하고 신호가 있어야 하는 위치로만 이동하도록 하기 위해 다소 더 복잡합니다. 그림 3의 설계는 필요한 안테나 신호 연결/분리 회로망과 함께 역할에 대해 구성된 Texas Instruments LM4910 헤드폰 전력 증폭기를 사용합니다.

그림 3: 이 LM4910 헤드폰 증폭기는 헤드폰 리드를 FM 안테나로 사용하기 위해 몇 가지 추가 수동 부품을 통해 배열됩니다. (이미지 출처: Skyworks Solutions, Inc.)

3전선 왼쪽/오른쪽 오디오 헤드폰 잭은 LM4910에서 증폭된 오디오 신호를 수신하고, 헤드폰 실드/접지에서 포착된 분리된 FM 신호는 100피코패럿(pF) 커패시터를 통해 수신기 프런트 엔드로 라우팅됩니다. 다이오드 D1, D2, D3은 정전기 방전(ESD)이 헤드폰 증폭기 및 수신기의 정격을 초과하는 경우 보호 기능을 제공합니다.

이 기술은 FM 대역 방송 신호(88MHz ~ 108MHz)로만 제한되지 않고 AM 라디오(550kHz ~ 1550kHz)에도 실행 가능해야 합니다. 이론적으로는 헤드폰 전선의 길이가 적절한 한 AM 대역에서 작동할 수 있습니다. FM 대역에서 작동하는 이유는 1m ~ 1.5m 길이의 헤드폰 케이블이 방송 대역 FM 신호 파장의 절반 정도여서 해당 대역에서 공명하고 효과적이기 때문입니다. AM 대역의 경우, 헤드폰 전선은 약 100m 길이가 필요할 수 있으며 이는 분명히 비실용적입니다.

결론

엔지니어는 항상 케이블과 같이 다양한 용도에 사용 가능한 리소스를 활용하려고 했습니다. 헤드폰 리드를 FM 안테나라는 또 다른 목적으로 사용하는 것은 완벽한 예입니다. 위에서 살펴본 바와 같이 적절하게 구성된 전력 증폭기, 라우팅을 위한 몇 가지 수동 부품, 보호를 위한 다이오드만 있으면 됩니다.

참고 자료

Skyworks Solutions, AN383, “Si47XX Antenna, Schematic, Layout, and Design Guidelines”