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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Ungewöhnlicher AM-Detektor. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Anfänger Funkamateur In [1] wurde eine Beschreibung von zwei Miniaturradioempfängern veröffentlicht. Die Empfänger hatten den gleichen Hochfrequenzteil (RF) und unterschieden sich nur in 3H-Verstärkern. Erfahrene Funkamateure müssen das Fehlen eines herkömmlichen Diodendetektors im Design bemerkt haben, und einige von denen, die beschlossen, es zu wiederholen, „korrigierten den Fehler“ und bekamen einen normal funktionierenden Empfänger. Die weniger Erfahrenen wiederholten einfach den Entwurf und erhielten ebenfalls gut funktionierende Empfänger. Detektoren ohne Dioden sind seit der Lampentechnik bekannt – das sind Gitter- und Anodendetektoren. Im Gitterdetektor ist die Diode implizit noch vorhanden – es handelt sich um den Gitter-Kathoden-Abstand der Radioröhre. Die von ihm gleichgerichtete Tonfrequenzspannung wird an dasselbe Gitter der Lampe angelegt und von diesem verstärkt, sodass der Transmissionskoeffizient des Gitterdetektors höher ist als der des Diodendetektors. Beim Anodendetektor wurde der Betriebspunkt der Lampe nahe der unteren Krümmung der Anoden-Gitter-Kennlinie eingestellt, im Bereich mit großer Nichtlinearität. Die Verstärkung der Lampe ist an dieser Stelle geringer, daher und auch wegen anderer Nachteile wurden Anodendetektoren selten verwendet. Diese technischen Lösungen wurden später teilweise auf die Transistortechnologie übertragen – es erschienen Detektoren auf Transistorbasis. Um ihre Arbeit zu verstehen, wenden wir uns den Grundlagen der Detektionstheorie zu. Wie alle Grundlagen sind sie recht einfach. Eine Einführung in die Amplitudenmodulation (AM) findet sich in [2]. Ein vereinfachtes Diagramm eines Diodendetektors ist in Abb. dargestellt. 1a. Das AM-Signal von der Quelle G1 ist mit der Diode VD1 verbunden. Bei großen Signalamplituden fungiert der Detektor als Gleichrichter. Das erkannte NF-Signal wird der Last R1 zugeordnet. Der Kondensator C1 dient dazu, die Welligkeit der gleichgerichteten Spannung zu glätten. Die Strom-Spannungs-Kennlinie (CV) einer Diode bei großen Signalen wird normalerweise durch die gestrichelte Linie in Abb. angenähert. 1b. Der untere Teil des Diagramms zeigt die Spannungswellenform des an die Diode angelegten AM-Signals, und rechts ist die Wellenform des Stroms durch die Diode dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Diode nur die positiven Halbwellen des Signals durchlässt und ihr Durchschnittswert den Schwingungen der Audiofrequenz (3H) entspricht. Bei ausreichend großen Werten von R1C1 entspricht die Spannung an der Last der Hüllkurve der Stromimpulse.
Spitzenwertdetektoren sind sehr effektiv und liefern eine Ausgangsspannung, die nahezu der Amplitude der Eingangs-HF-Spannung entspricht. Dasselbe passiert bei Gleichrichtern – Funkamateure wissen das. Daher wurden Spitzen-AM-Detektoren hauptsächlich in Röhrenradios verwendet und anschließend auf die Transistortechnologie „überführt“. Aufgrund der direkten Proportionalität der Ausgangsspannung zur Amplitude des Eingangs wurden sie oft als „lineare“ Detektoren bezeichnet. Daher sind quadratische Detektoren längst in Vergessenheit geraten und den einfachsten Detektorempfängern überlassen worden. Gleichzeitig haben Spitzendetektoren auch einen gravierenden Nachteil: Sie funktionieren nur bei hohen HF-Signalamplituden gut. Halbleiterdioden zeichnen sich durch das Vorhandensein einer bestimmten „Schwellenspannung“ aus, unterhalb derer ein sehr geringer Strom durch die Diode fließt, sodass die Diode selbst praktisch geschlossen bleibt. Sein Wert wird durch die Eigenschaften des Halbleitermaterials bestimmt und beträgt etwa 0,15 V für Germanium, etwa 0,5 V für Silizium und etwas weniger für Schottky-Dioden (Metall-Halbleiter-Übergang). Es ist ganz klar, dass, wenn die Eingangsspannung des Detektors unter dem Schwellenwert liegt, die Diode geschlossen bleibt und der Empfänger mit einem solchen Detektor keine schwachen Funksignale empfangen kann. Aus diesem Grund versuchen sie, in Detektoren ausschließlich Germaniumdioden zu verwenden. Bei einigen Designs wird das Problem durch Anlegen einer anfänglichen Vorspannung an die Diode gelöst. In diesem Fall wird die Schaltung jedoch komplizierter und weist ihre eigenen Probleme auf, sodass diese Lösung selten verwendet wird. Die Situation ändert sich, wenn der ZVK nicht mehr durch eine gestrichelte Linie dargestellt werden kann (Abb. 1c). Dies ist eine glatte Kurve des Diodenstroms i über der Diodenspannung u. Wie jede mathematische Funktion kann sie zu einer Reihe entwickelt und auf nur zwei Terme beschränkt werden, da der Beitrag der höheren Terme der Reihe bei niedrigen Spannungen an der Diode vernachlässigbar ist. Die Krümmung der Kennlinie (der zweite Term der Reihenentwicklung) ist für die Erkennung wesentlich. Ihr ist es zu verdanken, dass die Entdeckung erfolgt. Dies ist in den Oszillogrammen in Abb. deutlich zu erkennen. 1 in. Die mathematische Analyse zeigt, dass das erkannte Signal proportional zur Krümmung der Kennlinie und zum Quadrat der Amplitude des Eingangssignals ist. Daher kommt auch der Name „Quadratdetektor“. Bei ausreichend kleinen Signalamplituden wird jeder Detektor quadratisch und sein nützliches Produkt – konstant ohne Modulation oder Änderung mit Audiofrequenzen – der Strom in der Last nimmt schnell proportional zum Quadrat der Signalamplitude ab. Der quadratische Detektor führt zu einer gewissen Verzerrung. Es kann berechnet werden, dass der Koeffizient der nichtlinearen Verzerrung m / 4 beträgt. Sie ist nur bei den Modulationsspitzen signifikant und erreicht 25 % bei m = 1, und bei einem durchschnittlichen Modulationskoeffizienten m = 0,3 beträgt sie etwa 2,3 %. Verzerrungen bestehen in der Anreicherung von Schallschwingungen durch die zweite Harmonische und sind für das Gehör kaum wahrnehmbar. Historisch gesehen war der quadratische Detektor die Grundlage der allerersten Detektor-Funkempfänger. Moderne Funkamateure mussten wahrscheinlich von Enthusiasten lesen, die stundenlang mit einer Nadel auf einem selbstgebauten Kristall nach einem „empfindlichen Punkt“ suchten. Anschließend begann die industrielle Produktion von Halbleiterdioden, die die Entwicklung stabil arbeitender Detektoren ermöglichte. Beachten Sie, dass mit der Herstellung von Halbleiterdioden lange vor dem Aufkommen von Transistoren begonnen wurde – ein Bipolartransistor wurde 1948 bei Laborstudien einer Halbleiterdiode entdeckt. Bei der Analyse eines quadratischen Detektors fällt dessen Hauptnachteil leicht auf: die geringe Umwandlungseffizienz, da die Amplitude des Ausgangssignals darin viel geringer ist als die Amplitude des Eingangs. Ein quadratischer Detektor, dessen Schema in Abb. dargestellt ist. 2a ist in der Lage, zuverlässig mit einem Signal in einem ziemlich großen Pegelbereich zu arbeiten. Oben haben wir herausgefunden, dass der Detektor ein Element mit einer großen Krümmung des CVC benötigt. Und der Basis-Emitter-Übergang des Transistors hat eine solche Eigenschaft, weil er im Kern eine gewöhnliche Diode ist. Doch der Transistor erkennt das Signal nicht nur, sondern verstärkt es auch. Daher kann das Gerät gemäß der in der Funktechnik verwendeten Terminologie als aktiver quadratischer Detektor bezeichnet werden. Mit einer minimalen Teileanzahl vereint er die Vorteile quadratischer und linearer Detektoren. Ein paar Worte zur Wahl des Modus. Bekanntlich weist der Anfangsabschnitt der Eingangskennlinie des Transistors nahe dem „Schwellenpunkt“ die größte Nichtlinearität auf, wie in Abb. 2b muss daher der Strom der Anfangsvorspannung des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors viel geringer sein als bei herkömmlichen Verstärkerstufen. Gleichzeitig sollten Sie sich nicht mitreißen lassen und den Strom fast auf die „Schwelle“ einstellen, da im Mikrostrommodus die Betriebsstabilität und die Verstärkung der Transistoren verringert werden.
Da seit der Veröffentlichung von [1] mehrere Jahre vergangen sind, präsentieren wir, um den Leser nicht mit der Suche nach Beschreibungen zu langweilen, ein Diagramm der HF-Empfängerbaugruppe (Abb. 3). Wie aus der Abbildung hervorgeht, ist dies der häufigste Eingangsteil eines Direktverstärkungsempfängers mit einer WA1-Magnetantenne, deren Spule zusammen mit KPI C1 den einzigen Schaltkreis bildet, der auf die Frequenz des empfangenen Signals abgestimmt ist . Die erste Stufe des Feldeffekttransistors VT1 dient als HF-Verstärker. Die zweite Stufe, aufgebaut auf einem Bipolartransistor VT2, ist eine Detektorstufe. Ein Audiofrequenzsignal ist bereits von seinem Ausgang entfernt und die Hochfrequenzströme werden durch den Kondensator C3 an einen gemeinsamen Draht angeschlossen.
Abschließend bleibt nur noch die im Titel des Artikels implizit gestellte Frage zu beantworten: Was ist an diesem Detektor ungewöhnlich? Das Ungewöhnlichste sei laut Autor, dass der Detektor sehr lange Zeit unbemerkt blieb. Dies ist ziemlich überraschend, da alle Transistorverstärkerstufen „in Kombination“ solche Detektoren sind, die eine gewisse Nichtlinearität aufweisen. Es ist auch möglich, den Detektionseffekt rein zufällig zu entdecken, beispielsweise durch Abhören einer Radioübertragung von einem leistungsstarken Sender zum Wiedergabeverstärker eines Tonbandgeräts. Dennoch hat das übliche psychologische Stereotyp funktioniert – nicht zu bemerken, was nicht sein kann. Literatur
Autor: D.Turchinsky, Moskau
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