从二级管到集成电路

——二极管检波

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利用半导体二极管的单向导电特性,可以用它来进行整流,将交流电变成直流电。二极管的这一特性还可用来进行检波。整流和检波过程并没有实质上的差别,不同的仅是应用的场合和要求:整流一般是对低频率的市电来说的;而检波一般是对高频率的小信号来说的。进行整流时二极管总是工作在其特性曲线的线性区;而进行检波时二极管可以工作在其特性曲线的线性区或非线性区(弯曲部位)。整流的目的是为了取得直流成分,要求整流后将交流成分滤掉得越干净越好;而检波则要根据需要选取检波后得到的基波成分和直流成分。由于进行检波的交流信号频率很高,检波二极管的结构和要求也和整流二极管有所不同。

半导体二极管用来进行检波,还是五十年代锗、硅二极管问世以后的事,这是二极管最重要应用之一。

为什么要进行检波

我们知道,人类用来传递信息的方式很多,例如语言、音乐、图画和人物动作等等。这些传递信息的方式,传送的距离有限。例如:声音是靠空气分子的振动而在空间传播的,相距越远声音就越小,再远就听不见了;图画、人物的动作是靠光的反射和折射等作用而在空间传播的,远了也就看不清了。怎样才能使信息进行远距离传送呢?这一直是人类努力探索的课题。美国科学家贝尔在1876年发明了电话机,第一次用有线电话进行了较远距离的通话。那末如果不用导线能否把信息传送到远处去呢?这就要靠无线电波了。早在1867年,英国物理学家麦克斯韦就已发现无线电波就是一种电磁波,它以形成互相垂直的电场和磁场来进行传播,如图1,传播速度同光一样快,即每秒钟能跑30万公里。这一理论在二十多年后被德国物理学家赫兹用实验所证实。但真正将电磁波应用于无线电通信的,还是俄国科学家波波夫和意大利科学家马可尼。他们各自发明了几乎完全相同的无线电发报机(图2a)和收报机(图2b),开创了无线电通信的新纪元。自此以后,无线电通信迅速发展,不到百年后的今天,我们已有了无线电话、广播、电视和遥控遥测等多种多样的用无线电波传送信息的方式,把语言、音乐、图像等信息进行远距离传送。前面已经提到,这些信息本身是传不远的,但利用无线电波就可以将这些低频率的信息带到远处去。例如无线电广播,就需要将语言、音乐等声信号用话筒变成低频电信号,送到调制器与高频电振荡信号混合,使高频电振荡的幅度按低频电信号变化,而频率不变,仍保持高频电磁波的特性,然后通过天线发送出去(图3a)。这种将低频信号加到高频电磁波上去的过程叫调制,低频信号称为调制信号,经低频信号调制后的高频信号已带有低频信号的特征,叫做已调制信号。而未调制前的等幅高频振荡,实际上只作为运载工具带着低频信号以每秒30万公里的速度前进,又被叫做载波(图3b)。

图1
图1 🔍原图 (502×212)
图2
图2 🔍原图 (901×580)
图3
图3 🔍原图 (481×1368)

这样,我们从接收天线上收下来的都是已调波,它的频率很高,喇叭放不出来,耳朵更听不到(图3c),因为人耳能听到的声频范围约为20赫~16千赫。怎么办?必须将原来调制在高频已调波上的低频信号分出来,这就叫“检波”。它与调制过程恰好相反,因而也叫“解调”。收音机、电视机或其它无线电接收设备中都有“检波器”这一部分。

检波器的发展史

最早的检波器就是图2b收报机中用的粉末检波器。从发报机天线发射出的电磁波,被收报机天线A从空中收到,在天线线圈两端产生高频电压,感应到次级线圈产生高频电流,电流流经粉末检波器时,金属粉密集接触、电阻下降,因而使流经电磁铁M\(_{1}\)的电流增大,吸合接点K1,使电磁铁M、 M\(_{3}\)有电流通过。M2通电时吸合接点K\(_{2}\),在电报打印机的纸条上印下点划符号,其长度与检波器中高频电流作用的持续时间成正比;而M3通电时,K\(_{3}\)接点吸合,将散屑锤提起。当粉末检波器中没有高频电流流过时,此锤就落下,敲击粉末检波器,使管内所装的金属粉末受击松散开,恢复原来的高阻抗状态。这种粉末检波器的结构如图4,是1890年法国科学家布冉利设计的。

图4
图4 🔍原图 (403×303)

1906年开始有了矿石检波器,如图5a,将某些天然矿石(如辉铅矿、黄铜矿、黄铁矿、磁铁矿等)与金属针构成点接触,就做成了一种很简单的检波器。调整接触位置或针尖压力,可找到检波性能最好点。后来改进成为图5b样的固定式矿石检波器,使用时将两端夹入两个卡簧就可以了。还有一种图5c样的活动式矿石检波器,矿石固定在一个金属杯上,接触弹簧连在活动臂上,可以转动改变弹簧的位置和弹力来找寻检波性能最好点。矿石检波器就是现在的点接触式二极管的祖先。

图5
图5 🔍原图 (401×501)

用矿石检波器和高阻抗耳机按图6连接,接上天线、地线,就是一个简易矿石收音机,可收听到电台广播的声音。但由于天线上收到的无线电波很多,经检波后能听到的电台播音声也就很多。哪个电台近,或发射功率大,那个电台的声音就响,其余则混杂不清。如果要挑选某一个电台发射的电波,还需要在天线输入端接一个由电感L和电容C组成的选频回路,如图7a,就可以选出所要收听的电台了。LC并联回路所以能选择电台,是由于它具有图7b那样的频率特性:在回路谐振频率f0处,回路两端电压最大,偏离f0处就急剧衰减。因而在图7a中只要电容C是可变的(可变电容器)或电感L是可调的,就可以很方便地改变谐振频率,使回路谐振频率等于所选电台频率,这个电台的信号电压就最大,而其余电台信号都被衰减,不会再有电台混杂不清的现象了。图7a中并联在耳机两端的固定电容器是用来滤除检波后的高频载波的,使耳机内听到的声音更清晰些。

图6
图6 🔍原图 (324×348)
图7
图7 🔍原图 (883×344)

矿石收音机结构简单,又不需要电源,成本很低,因而一直流行了几十年,特别是在第一次世界大战期间,这种收音机曾风行一时,因为它使无线电爱好者能及时收听到关于战争的消息。

将真空二极管代替矿石检波器,图8,也可达到检波的目的,只不过电子管的灯丝需要一组电源供电,体积比较大。直到1906年,德福雷斯特发明了真空三极管,证实按图9所示方法接入三极管,不但能起检波作用,而且对音频还有放大作用,电子管的应用才逐渐广泛。后来陆续有真空四极管、五极管、复合管等问世,将电子管的应用推向全盛时代。第二次世界大战期间,电子管已被广泛应用于各种军事通信、雷达等设备中。

图8
图8 🔍原图 (442×391)
图9
图9 🔍原图 (437×328)

随着对硅、锗等半导体材料的研究,点接触型硅、锗二极管的出现,使以前的各种检波器相比之下大为逊色,但这已是本世纪中期的事了。 (金国钧 编译)