НЕОБЫЧНЫЙ AM ДЕТЕКТОР
Д. ТУРЧИНСКИЙ, г. Москва
В [1] было опубликовано описание двух миниатюрных радиоприемников. Приемники имели одинаковую радиочастотную (РЧ) часть и отличались только усилителями 34. Опытные радиолюбители наверняка заметили отсутствие в конструкции обычного диодного детектора, и некоторые из тех, кто решил ее повторить, "исправили ошибку" и получили нормально работающий приемник. Менее опытные просто повторили конструкцию и также получили хорошо работающие приемники.
Детекторы без диодов хорошо известны еще со времен ламповой техники - это сеточные и анодные детекторы. В сеточном детекторе диод все же неявно присутствует - им служит промежуток сетка-катод радиолампы. Выпрямленное им напряжение звуковой частоты оказывается приложенным к той же сетке лампы и усиливается ею, поэтому коэффициент передачи сеточного детектора выше, чем диодного. В анодном детекторе рабочая точка лампы устанавливалась вблизи нижнего сгиба анодно-сеточной характеристики, в области с большой нелинейностью. Усиление лампы в этой точке меньше, поэтому, а также из-за других недостатков, анодные детекторы применялись редко.
Эти технические решения впоследствии частично перешли и в транзисторную технику - появились детекторы, выполненные на транзисторах. Чтобы разобраться в их работе, обратимся к основам теории детектирования. Как и все основы, они достаточно просты. Начальные сведения об амплитудной модуляции (AM) можно прочесть в [2].
Упрощенная схема диодного детектора показана на рис. 1,а. AM сигнал от источника G1 подведен к диоду VD1. При больших амплитудах сигнала детектор действует как выпрямитель. Продетектированный сигнал ЗЧ выделяется на нагрузке R1. Конденсатор С1 служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Вольт-амперную характеристику (ВАХ) диода при больших сигналах обычно аппроксимируют ломаной линией, показанной на рис. 1,б.
Рис. 1
Внизу графика показана осциллограмма напряжения AM сигнала, подведенного к диоду, а справа - осциллограмма тока через диод. Видно, что диод пропускает только положительные полуволны сигнала, и их среднее значение соответствует колебаниям звуковой частоты (ЗЧ). При достаточно больших значениях R1C1 напряжение на нагрузке соответствует огибающей импульсов тока.
Пиковые детекторы весьма эффективны, обеспечивая на выходе напряжение, почти равное амплитуде входного РЧ напряжения. То же происходит и в выпрямителях - радиолюбители это знают. Поэтому в ламповых радиоприемниках в основном применялись именно пиковые AM детекторы, а впоследствии они "перешли" и в транзисторную технику. Из-за прямой пропорциональности выходного напряжения амплитуде входного их нередко называли "линейными" детекторами. В итоге про квадратичные детекторы давно и благополучно забыли, оставив их для простейших детекторных приемников.
Вместе с тем пиковые детекторы имеют и серьезный недостаток, хорошо работая лишь при больших амплитудах РЧ сигнала. Для полупроводниковых диодов характерно наличие некоторого "порогового" напряжения, ниже которого через диод течет очень малый ток, следовательно, сам диод остается практически закрытым. Его значение определяется свойствами полупроводникового материала и составляет около 0,15В для германия, около 0,5 В для кремния и несколько меньше для диодов Шотки (переход металл-полупроводник). Вполне понятно, что если входное напряжение детектора будет меньше порогового, диод останется закрытым и приемник с таким детектором окажется неспособным принимать слабые радиосигналы. По этой причине в детекторах стараются использовать только германиевые диоды. В некоторых конструкциях проблему решают путем подачи на диод начального напряжения смещения, но в этом случае усложняется схема и возникают свои проблемы, поэтому такое решение применяется редко.
Ситуация меняется, если ВАХ уже нельзя представить ломаной линией (рис. 1,в). Это - гладкая кривая зависимости тока через диод i от напряжения на диоде и. Как и любую математическую функцию, ее можно разложить в ряд и ограничиться только двумя членами, поскольку вклад высших членов ряда при небольших напряжениях на диоде пренебрежимо мал. Для детектирования существенна кривизна характеристики (второй член разложения в ряд). Именно благодаря ей и происходит детектирование. Это хорошо видно на осциллограммах рис. 1 ,в.
Математический анализ показывает, что Продетектированный сигнал пропорционален кривизне характеристики и квадрату амплитуды входного сигнала. Отсюда и произошло название "квадратичный детектор". При достаточно малых амплитудах сигнала любой детектор становится квадратичным и его полезный продукт - постоянный без модуляции или изменяющийся со звуковыми частотами ток в нагрузке быстро убывает пропорционально квадрату амплитуды сигнала. Квадратичный детектор вносит некоторые искажения. Можно сосчитать, что коэффициент нелинейных искажений равен m/4. Он значителен лишь на пиках модуляции, достигая 25 % при m=1, а при среднем коэффициенте модуляции m=0,3 составляет около 2,3 %. Искажения состоят в обогащении звуковых колебаний второй гармоникой и на слух мало заметны.
Исторически квадратичный детектор явился основой самых первых детекторных радиоприемников. Современным радиолюбителям наверняка приходилось читать про энтузиастов, часами искавших иголкой на самодельном кристалле "чувствительную точку". Впоследствии начался промышленный выпуск полупроводниковых диодов, что позволило создавать стабильно работающие детекторы. Отметим, что полупроводниковые диоды начали выпускать задолго до появления транзисторов - биполярный транзистор был открыт в 1948 г. при проведении лабораторных исследований полупроводникового диода.
Анализируя квадратичный детектор, несложно заметить его главный недостаток - низкую эффективность преобразования, поскольку в нем амплитуда выходного сигнала намного меньше амплитуды входного.
Квадратичный детектор, схема которого приведена на рис. 2,а, способен надежно работать с сигналом в довольно значительном диапазоне уровней. Выше мы выяснили, что для детектора нужен элемент с большой кривизной ВАХ. А такой характеристикой обладает переход база-эмиттер транзистора, ведь по своей сути это обычный диод. Но транзистор не только детектирует сигнал, но и усиливает его.
Рис. 2
Таким образом, в соответствии с терминологией, принятой в радиотехнике, устройство можно назвать активным квадратичным детектором. При минимальном количестве деталей он сочетает достоинства квадратичного и линейного детекторов.
Несколько слов о выборе режима. Как известно, наибольшей нелинейностью обладает начальный участок входной характеристики транзистора, близкий к точке "порога", как показано на рис. 2, б, поэтому ток начального смещения перехода база-эмиттер транзистора должен быть значительно ниже, нежели в обычных усилительных каскадах. В то же время не стоит и увлекаться, устанавливая ток почти у самого "порога", поскольку в режиме микротоков стабильность работы и коэффициент усиления транзисторов снижаются.
Поскольку с момента публикации [1] прошло несколько лет, чтобы не утомлять читателей поиском описаний, приведем схему РЧ узла приемников (рис. 3).
Рис. 3
Как видно из рисунка, это самая обычная входная часть приемника прямого усиления с магнитной антенной WA1, катушка которой совместно с КПЕ С1 образуют единственный контур, настраиваемый на частоту принимаемого сигнала. Первый каскад на полевом транзисторе VT1 служит усилителем РЧ. Второй каскад, собранный на биполярном транзисторе VT2, и является детекторным. С его выхода снимается уже сигнал звуковой частоты, а радиочастотные токи замкнуты на общий провод конденсатором С3.
В заключение остается лишь дать ответ на вопрос, неявно вынесенный в название статьи - что же необычного в этом детекторе? По мнению автора, самое необычное то, что в течение весьма длительного времени детектор оставался незамеченным. Это довольно удивительно, поскольку все транзисторные усилительные каскады "по совместительству" являются такими детекторами, обладая некоторой нелинейностью. Обнаружить эффект детектирования можно и чисто случайно, например, прослушав радиопередачу мощной станции на усилитель воспроизведения магнитофона. Тем не менее сработал обычный психологический стереотип - не замечать того, чего быть не может.
ЛИТЕРАТУРА
1. Турчинский Д. Миниатюрный радиоприемник. - Радио,1999,№ 1,с.30,31.
2. Поляков В. Теория: понемногу обо всем. 4. Принципы радиопередачи и приема. -Радио, 1999, №8, с. 61, 62.
Радио 4/2002, c.54-55.