Юный техник, 2013 № 10

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Чувствительные АМ-детекторы

При конструировании детекторных и транзисторных радиоприемников радиолюбители постоянно сталкиваются с проблемой недостатка чувствительности обычных диодных или транзисторных амплитудных детекторов. Их коэффициент передачи быстро уменьшается при уровнях радиочастотного (РЧ) сигнала ниже 100 мВ. Это связано с характером нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) полупроводниковых переходов, на которых происходит детектирование: если при больших сигналах для диода, например, на ВАХ наблюдаем резкий излом, то при малых сигналах кривая получается плавной.

Возьмем обычный диодный детектор простейшего приемника. Пусть, для примера, при РЧ-сигнале 1 В продетектированное напряжение ЗЧ будет также 1 В — при таких сигналах детектор можно считать «линейным». Тогда при входном РЧ-сигнале 0,1 В напряжение ЗЧ будет только 0,01 В (10 мВ), а при РЧ-сигнале 0,01 В — всего 100 мкВ; в наушниках такой сигнал услышать трудно.

Значительно большей чувствительностью и большим динамическим диапазоном входных сигналов обладают активные детекторы, имеющие в своем составе усилительный элемент. Активным элементом обычно служит операционный усилитель (ОУ). К сожалению, их так и не стали применять в радиоприемниках, вероятно, из-за сложности, дороговизны и ограниченного частотного диапазона. К тому же ОУ требует двуполярного питания.

Типовая схема амплитудного детектора на ОУ показана на рисунке 1. Если вместо диода VD1 был бы включен резистор, то получился бы обычный инвертирующий усилитель на ОУ.

С диодом картина резко меняется: когда на вход поступает отрицательная полуволна РЧ-напряжения, на выходе появляется положительный потенциал, диод открывается и замыкает цепь отрицательной обратной связи, резко снижая коэффициент усиления. Для положительных полуволн входного РЧ-напряжения ничего подобного не происходит — диод остается закрытым, и эти полуволны, усиленные ОУ, появляются на выходе в отрицательной полярности (рис. 2).

РЧ-пульсации выходного напряжения сглаживаются RC-цепочкой R2, C1, и на выходе детектора остается только усредненный звуковой сигнал. Коэффициент передачи этого детектора можно еще увеличить почти вдвое, заменив резистор R2 вторым диодом, включенным в том же направлении, что и первый, то есть катодом к ОУ и анодом к выходу. Тогда на выходе получим огибающую ЗЧ, выделенную на рисунке 2 утолщенной линией.

Используя высокочастотные транзисторы и диоды, автору около 20 лет назад удалось разработать простой амплитудный детектор с высокой чувствительностью, работающий на таком же принципе и содержащий минимум деталей.

Схема детектора показана на рисунке 3. Он представляет собой обычный усилительный каскад, в котором в цепи смещения базы транзистора VT1 вместо резистора установлен кремниевый высокочастотный диод VD1. Цепочка R2, C2 фильтрует сигнал ЗЧ на выходе детектора от РЧ-пульсаций.

В отсутствие РЧ-сигнала напряжение на коллекторе транзистора автоматически устанавливается около 1…1,1 В, оно равно сумме напряжений открывания диода и перехода база — эмиттер транзистора. Ток транзистора определяется напряжением питания и сопротивлением резистора нагрузки R1, Iо = (Uп — 1)/R1. При номинале резистора, указанном на схеме, и напряжении питания 3 В ток составляет около 0,5 мА, но его можно сделать и значительно меньше, увеличив сопротивление R1.

Ток базы транзистора составляет не более нескольких микроампер, он протекает через диод в прямом направлении, устанавливая рабочую точку на пороге открывания — на участке с максимальной кривизной вольт-амперной характеристики, что и требуется для хорошего детектирования.

При поступлении на вход детектора AM-сигнала положительные полуволны, выделяющиеся на нагрузке R1, выпрямляются диодом и увеличивают потенциал базы, открывая транзистор. Емкость разделительного конденсатора С1 должна быть значительно больше емкости обычных разделительных конденсаторов радиочастотных каскадов, чтобы он не успевал разряжаться током базы за период колебаний. Коллекторный ток открывающегося транзистора возрастает, а его коллекторное напряжение уменьшается.

Осциллограмма коллекторного напряжения подобна показанной на рисунке 2, за исключением того, что правая картинка окажется сдвинутой вверх на 1 В и будет заполнена уже не полуволнами, а целыми периодами РЧ-колебаний.

Отфильтрованное цепочкой R2, C2 среднее напряжение, соответствующее закону модуляции, поступает на выход. Его максимальный размах составляет 0,5 В, далее наступает ограничение. Параметры детектора таковы: при входном сигнале 3 мВ с глубиной модуляции 80 % выходное напряжение ЗЧ составляет 180 мВ.

Искажения огибающей почти незаметны, к тому же они резко уменьшаются с понижением глубины модуляции. Входное сопротивление детектора невелико и составляет сотни ом, поэтому сигнал на него лучше подавать от эмиттерного (истокового) повторителя, но можно и от обычного апериодического каскада с резистором нагрузки не более 1.2 кОм. Выходное сопротивление детектора определяется суммарным сопротивлением резисторов R1 и R2, поэтому желательно, чтобы входное сопротивление УЗЧ подключенного к выходу детектора составляло не менее 20 кОм.

Коэффициент передачи детектора и его выходное напряжение ЗЧ можно повысить вдвое, установив еще один диод, как показано на рисунке 4. Резистор нагрузки детектора R2 присоединен к проводу питания, обеспечивая небольшой начальный ток через дополнительный диод VD2, чтобы вывести его на участок с максимальной кривизной характеристики. Этот диод выпрямляет отрицательные полуволны коллекторного напряжения, и потенциал верхней по схеме обкладки фильтрующего конденсатора С2 повторяет их огибающую.

Заметим, что емкость сглаживающего конденсатора С2 здесь меньше, поскольку возросло сопротивление нагрузки. Иначе произошел бы завал верхних звуковых частот продетектированного напряжения ЗЧ. Соответственно, и входное сопротивление УЗЧ для этого детектора должно быть больше, не менее 100.200 кОм.

Этот детектор вносит несколько большие нелинейные искажения, но развивает то же напряжение ЗЧ (180 мВ) при входном сигнале 1,5 мВ, а начинает детектировать при входных сигналах в сотни микровольт. Для сравнения была измерена чувствительность апериодического УРЧ (на том же транзисторе с тем же сопротивлением нагрузки 3,9 кОм), нагруженного на диодный детектор по схеме удвоения напряжения, — она оказалась втрое хуже, хотя схема получается сложнее и содержит больше элементов.

Постоянную составляющую продетектированного сигнала можно использовать в системе автоматической регулировки усиления (АРУ), учитывая, что в детекторе по схеме рисунка 3 она изменяется по мере увеличения уровня сигнала от 1,1 до 0,55 В, а в детекторе по схеме на рисунке 4 — от 1,65 до 0,55 В. Это позволяет управлять смещением кремниевых транзисторов УРЧ или УПЧ непосредственно с выхода детектора.

При отсутствии сигнала смещение максимально, а при наличии сигнала уменьшается, снижая усиление каскадов. Дополнительная польза такого решения в том, что напряжение смещения будет мало зависеть от напряжения питания, поскольку детектор выступит в роли его стабилизатора.

Максимальная частота сигнала для обоих детекторов составляет около 3 МГц, поэтому их можно использовать в длинно- и средневолновых приемниках прямого усиления и в супергетеродинах со стандартным значением ПЧ 450–470 кГц.

А если объединить этот детектор с истоковым повторителем на полевом транзисторе, работающим непосредственно от магнитной антенны, должен получиться довольно чувствительный приемник без усилителей напряжения РЧ.

Дальнейшее усовершенствование описанного детектора недавно предложил радиолюбитель Владимир Роганов из Москвы.

С использованием новой схемы был изготовлен «детекторный» приемник, который на ферритовый стержень с обычным контуром и катушкой связи в несколько витков в условиях сильной экранировки сигнала железобетонным зданием принимал ДВ- и СВ-станции, почти как карманный супергетеродин.

Усовершенствованная схема АМ-детектора показана на рисунке 5. Был добавлен еще каскад, собранный по схеме с разделенной нагрузкой на транзисторе VT2. Для РЧ-сигнала он служит эмиттерным повторителем. НЧ-сигнал усиливается в коллекторной цепи и выделяется на высоком сопротивлении нагрузки R3.

Объяснение столь высокой чувствительности, по-видимому, следующее: в отличие от однотранзисторного варианта на диод подается сигнал с низкоомного выхода эмиттерного повторителя. С него же петля следящей обратной связи (через конденсатор С2) разгружает первый транзистор, что приводит к очень высокому усилению по напряжению. Без этого конденсатора чувствительность снижается раз в 20. На усиление первого транзистора мало влияет емкость его коллекторного перехода, поскольку входное сопротивление детектора невелико.

Линейность детектирования достаточно хорошая. Зависимость выходного напряжения (в мВ) от входного (в мкВ) по результатам компьютерного моделирования приведена на графике, изображенном на рисунке 6.

В этом АМ-детекторе можно использовать различные кремниевые маломощные ВЧ-транзисторы, но желательно с высоким коэффициентом передачи тока. При моделировании он полагался равным 800. Рекомендуемое напряжение питания 9…12 В. При напряжении ниже 4,5 В усиление, правда, падает, но до 4,5…6 В более-менее держится.

Далее Владимир Роганов пишет, что ему удалось выявить еще три положительных свойства обновленной схемы:

1) Возможно подключение эффективной АРУ. Интересно, что это честный детектор: несмотря на то, что вольтодобавка идет через емкость конденсатора С2, детектор выделяет и постоянную составляющую детектируемого сигнала.

2) Наводки ВЧ в оригинальной схеме (с коллектора единственного транзистора) теперь гасятся непосредственно емкостной нагрузкой второго (у оригинальной схемы коллектор лучше бы экранировать).

3) О верхней граничной частоте. С диодом с малой емкостью (КД514) у меня получается, что детектор должен работать чуть ли не до УКВ-диапазона. Видимо, низкое сопротивление эмиттерного повторителя нейтрализует паразитную емкость диода (при моделировании оригинальной схемы с диодом КД503 ее чувствительность начинает снижаться уже на нескольких мегагерцах).

В. ПОЛЯКОВ, профессор