简单半导体管收音机的检波器

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从收音机天线进来的高频调幅信号,它的幅度变化虽然和音频调制信号的形状一致,但必须将它的任一半边削去,剩下的半边波形的平均电压或电流中才有音频信号(见图1)。进行这种过程称为“检波”。

图1
图1 🔍原图 (442×464)

凡具有单方向导电的器件都可用作检波,如矿石、二极电子管和半导体二极管等。在半导体收音机中普遍采用点接触式锗二极管作检波。用二极管检波可以承受较大的输入电压,检波时产生的信号失真小,但信号要受到衰减。在一些简单的收音机中也有采用半导体三极管的基极和发射极作二极管检波的,检波后得到的音频信号还可用这个三极管放大,但不能承受较大的输入电压,失真较大。

半导体二极管的检波特性

一般用电压电流特性,简称伏—安特性来表示检波管的工作性能,它表示当正、反方向的不同数值的电压加到检波管上时,通过检波管的电流的变化。图2就是这样的伏—安特性曲线。可以看出,例如同样加1伏电压,当正方向加到检波管上时可以得到很大的正向电流,但反方向加到检波管上时则反向电流很小。如上所述的检波工作就是以检波管的这种检波特性为基础的。

图2
图2 🔍原图 (534×442)

我们可以用伏—安特性曲线来分析对高频调幅信号进行检波的情况。图3上以实线和虚线分别画出两种伏—安特性曲线(图中的a、b) 。借用负向电流轴做时间轴,将输入高频调幅电压画在这个轴上,通过图解方法就可以方便地画出检波管输出的电流的波形:例如,外加电压最大值为m点,根据曲线a和b,可以找出对应的m′点和m"点;同样方法可以得到与其它外加电压值对应的各点,最后画出两种输出电流波形。比较一下这两种波形便可知道:正向电流愈大、反向电流愈小以及曲线愈直(如特性a),检波效率高,失真小。反之,如特性b,则检波效率低,失真大。因为检波输出的音频信号是正向平均电流和反向平均电流之差,正向大,反向小,才能使有效的输出大。当曲线很弯曲时,输出的音频信号上半周和下半周大小不一样,就产生很大失真。见图4。

图3
图3 🔍原图 (835×641)
图4
图4 🔍原图 (648×646)

正向伏—安特性曲线中,从0逐渐升高的开始一小段内总是有些弯曲的,因此小信号输入的检波失真总是较大,要避免较严重的失真,输入电压一般应大于100~200毫伏,而当输入电压大于0.5~1伏以上时才开始直线性检波,失真很小。但后者的条件往往只在超外差式收音机中才能达到。管子较少的简易机中,检波以前常只有一级高放,甚至没有,输入信号是不大的,所以检波失真较大。

二极管的交流内阻随输入电压的大小而变,小信号时有几千至几十千欧以上,大信号时(0.5~1伏以上)约保持在几十至几百欧。因此,要使检波效率高,必须输入电压高。同时也要求负载电阻比检波管内阻大得多,这样才能使检波输出电压极大部分降落在负载上,很少消耗在内阻中。在电子管超外差式收音机中,检波器的输入电压常在1伏以上,检波负载电阻有500千欧左右,因此,检波效率很高,可达95%左右。(例如,载波电源输入1伏,调幅度为30%时,理想的音频输出应为0.3伏,此时效率为100%,)而在半导体管收音机中,检波器的输入电压较小,并由于半导体管的输入阻抗很低,检波器的负载只有几百欧到几千欧,检波效率常在50%以下。在简易半导体管机中,由于检波器总处在输入信号小的不利条件下,检波效率还要低到30%以下。

二极管检波器的输入阻抗随负载大小和输入电压的大小而定,在1伏以上的大信号输入时,检波器的输入阻抗约为直流负载的一半,当输入信号逐渐减小时,因二极管的内阻逐渐增大,故输入阻抗也逐渐增大,超外差半导体管机中,检波器的直流负载常在5千欧左右,在简易机中,检波器的负载情况较复杂,且因输入信号较小,二极管内阻较大,故检波器的输入阻抗并不全由负载而定,计算基极线圈时大致可设定为1~3千欧。

常见的二极管有点触式和面结式二类,点触式的极间电容小,工作电流小,可用作高频电路的检波,面结式的极间电容大,工作电流大,只能用于低频整流。国产点触式检波管的型号和主要性能(可参看“无线电”1964年第7期的介绍),在选购时最好挑选正向电阻小于500欧,以及正反向电阻相差1千倍以上的。

二极管检波电路

二极管检波器根据它和低放级连接的方式不同,一般有下面几种电路。

图5为直接耦合式电路。这时二极管直接和三极管相连接,当L\(_{2}\)的高频信号上端为负下端为正时,二极管导电,高频半波脉冲电流自L2下端经电容C\(_{c}\),通过三极管的发射极和基极,以及D1回至L\(_{2}\)的上端。当L2的上端为正下端为负时,D\(_{1}\)不导电。流过三极管的只是单向脉冲电流。检波出来的音频信号,从集电极放大输出。电容器Cc既通过高频电流,也通过音频电流,故电容量应足够大,使对音频信号阻抗很小,以免音频信号在C\(_{c}\)上降压太大,减小输出。一般Cc用3~10微法,耐压3~6伏的电解电容器较为合适,正负极不能接错。R\(_{b}\)是三极管的偏流电阻。

图5
图5 🔍原图 (456×256)

二极管的极性必须按图上的方向连接,这时三极管偏流也流经二极管,在二极管上使有0.1~0.2伏的正向偏压,这在简易机小信号检波的状态下,可以减小二极管内阻,提高检波效率。但这正向偏压不能过大(例如不能超过0.5伏以上),否则二极管的正向电阻虽很小,但负向电阻也减小,使平均的检波电流即音频输出反而减小,参看图6。

图6
图6 🔍原图 (1163×401)

如果二极管接反,加上一个反向偏压,则对小信号就不能检波。且三极管的偏流也不正常。

这种直接耦合式检波电路的优点是增益较高,电路简单。缺点是检波信号的大小会影响三极管的偏流,使工作点不稳定。从图7可看出:当有信号时,在C\(_{c}\)上的直流充电电压是与偏流电压的方向相反的,使三极管的偏压被抵消了一部分,偏压减小,增益也减小。信号愈大,偏压就愈小,当信号很大时偏压的极性可能被反过来,使三极管不能正常工作。

图7
图7 🔍原图 (453×264)

图8是电容耦合式的电路,二极管经C\(_{c}\)耦合到三极管,R0是二极管的直流负载,它的大小对检波输出很有影响,R\(_{0}\)太小时,将有较多的检波电流被R0分流,使流入到三极管的电流减少:R\(_{0}\)太大时,当有信号将Cc充电后,如接着进入小信号,C\(_{c}\)来不及通过R0放完电,则对二极管加上一个比信号大的反向电压,使它不能正常检波,使偷出减小,且产生波形失真, R\(_{0}\)的大小与检波输出的关系见图9。约在5~20千欧较为合适,一般常用10千欧。耦合电容Cc的大小和一般低频放大器的耦合电容一样,只要保证低音频率通过时不致衰减过大就行,通常也用3~10微法的电解电容器,正负极性也不能接错,正极应接在直流电位高的一端。这时三极管的偏流虽不通过二极管,但二极管的方向也最好按图的方向连接,这样当有信号检波时,电容器C\(_{c}\)上充电电压的极性与三极管基极电压的极性是相同的,见图10a。如果二极管反接如图10b,则电容器上充电电压的极性与偏置电压的极性相反,会产生上述直耦式中谈过的缺点。

图8
图8 🔍原图 (511×259)
图9
图9 🔍原图 (801×595)
图10
图10 🔍原图 (342×380)

图11是变压器耦合的电路。这时二极管和三极管完全分离,所以二极管的极性可以任意连接,并且三极管的工作点不受检波器的影响。由于使用了变压器,对音频负载的阻抗匹配比较好,检波失真也比较小。想像中n\(_{1}\)对n2的圈数比愈大,即检波器的音频负载阻抗愈大,音频输出也愈大,但实际上线圈的内阻也相应增加。一般采用阻抗比为10~20KΩ∶1KΩ(或圈数比3~4.5∶1)较为合适。

图11
图11 🔍原图 (549×349)

C为高频旁路电容,它的容量应对高频阻抗很小,但对音频的阻抗必须很大,否则高音频率就会被衰减,一般在0.001~0.005微法。C\(_{c}\)是音频旁路电容,和以前讨论过的一样,用6~10微法即可。

上面三种电路中,直耦式因没有耦合电路的损耗,且加有正偏压,故效率高,输出大。(秋吟)