Автодинный синхронный СВ приёмник

Одноконтурный средневолновый приёмник прямого усиления Влади­мира Полякова

Владимир Тимофеевич Поляков известен большинству радиолюбителей по публикациям в журнале “Радио”. Его нестандартный подход позволял создавать интересные решения, а конструкции всегда отличались простотой и хорошей повторяемостью. В данной публикации я расскажу о разработке В. Полякова, которая хороша как сама по себе, так и (за счёт полезной информации, содержащейся в статье) может помочь разработчику в создании новых оригинальных радиоприёмных устройств.

АВТОДИННЫЙ СИХРОННЫЙ ПРИЁМНИК, Радио №3, 1994, с.10

Этот одноконтурный средневолновый приёмник прямого усиления в своё время был разработан мною в результате многих экспериментов. В вечернее время он принимал более пятидесяти различных станций, в том числе станции Бухареста, Варшавы, Праги, Стокгольма, Люксембурга и других городов. Почему приёмник назван автодинным, да ещё синхронным, и как он был усовершенствован, речь пойдёт ниже, а пока рассмотрим его принципиальную схему (Рис.1).


Рис.1

Сигнал, принятый магнитной антенной WA1, выделяется единственным контуром, образованным катушкой индуктивности той же антенны L1 и конденсаторами С1 и С2. При указанных на схеме ёмкостях конденсаторов диапазон перестройки контура 520...1600 кГц. Двухкаскадный усилитель РЧ приёмника выполнен по схеме с непосредственной связью между каскадами на полевом транзисторе VT1 и биполярном VT2. Высокое входное сопротивление полевого транзистора позволило подключить контур полностью, без каких-либо катушек связи, что существенно повысило коэффициент передачи входной цепи.

Усиленный сигнал с нагрузки усилителя РЧ R4 поступает на диодный детектор, собранный по схеме удвоения напряжения на диодах VD1, VD2. Нагружен детектор резистором R5, зашунтированным блокирующим радиочастотные колебания конденсатором С8. Дополнительно эти колебания фильтрует цепочка R6C9. Постоянная составляющая продетектированного напряжения отрицательной полярности через интегрирующую цепочку R2C3 и катушку антенны L1 попадает на затвор транзистора VT1 и закрывает его. Потенциал стока этого транзистора повышается, и в результате оказывается закрытым транзистор VT2. Таким образом обеспечивается работа системы АРУ - усиление каскадов снижается при настройке на частоту сильного сигнала. В цепь питания усилителя РЧ включён светодиод VD3, выполняющий функции индикатора включения приёмника и индикатора точной настройки. Яркость его свечения снижается с увеличением уровня сигнала, поскольку уменьшается ток транзисторов усилителя РЧ.

Усилитель ЗЧ приёмника состоит из каскада усиления напряжения на транзисторе VT3 и составного двухтактного усилителя мощности на транзисторах VT4-VT7. Начальное смещение поступает на выходные транзисторы с параллельно включённых диодов VD4, VD5. Для лучшего открывания транзисторов VT4 и VT6 при положительной полуволне выходного напряжения нагрузочный резистор первого каскада усилителя ЗЧ R9 присоединён к выходу усилителя по схеме «вольтодобавки». Использование в выходном каскаде четырёх транзисторов вместо традиционных двух позволило значительно повысить их коэффициент передачи тока, а следовательно, увеличить и сопротивление резистора R9, снизив ток транзистора VT3 и повысив таким образом экономичность усилителя. При тщательном налаживании усилитель ЗЧ может иметь ток покоя 0,9-1 мА, причём искажения типа «ступенька» ещё не будут заметны. Смешение на первый каскад усилителя ЗЧ подаётся со «средней точки» выходного каскада через резистор R10 цепи ООС, что стабилизирует режим усилителя ЗЧ и дополнительно снижает искажения.

Громкость регулируется переменным резистором R8, включённым не по обычной схеме - потенциометром, - а последовательно во входную цепь усилителя ЗЧ. Такое решение предпочтительнее, поскольку при уменьшении громкости увеличивается и коэффициент ООС, равный отношению сопротивлений резисторов R8/R10, что существенно уменьшает искажения при малой громкости и улучшает качество звука. Не удаётся, правда, уменьшить громкость до нуля, но обычно это и не требуется.

Приёмник работоспособен при напряжении питания от 3 до 12 В и потребляет при малой громкости ток не более 4...5 мА (можно снизить до 2..3 мА). Налаживать приёмник следует при том напряжении питания, при котором он и будет использоваться. Сначала, подбирая резистор R10, устанавливают напряжение на «средней точке» выходного каскада (нижний по схеме вывод конденсатора С11) равным половине напряжения питания. Затем, отключив питание усилителя РЧ и подбирая тип и число включённых параллельно диодов VD4, VD5, устанавливают потребляемый ток 1...2 мА. Здесь можно использовать любые германиевые диоды: Д2, Д9, Д18 и т.д..

Налаживание усилителя РЧ сводится к подбору сопротивления резистора R1 до получения напряжения на коллекторе VT2, примерно равного половине напряжения питания. Эту операцию делают в отсутствие сигнала, так как система АРУ изменяет режим каскадов. Для повышения линейности детектирования, особенно при слабых сигналах, можно ввести небольшой ток смещения диодов VD1, VD2, подключив резистор R7.

Катушка магнитной антенны приёмника L1 намотана на магнитопроводе из феррита 400НН диаметром 10 и длиной 200 мм. Она содержит 40 витков провода ЛЭШО 21x0,07. Можно использовать и другие магнитные антенны средневолнового диапазона, в том числе и меньших размеров, но, вероятно, с несколько худшими результатами. Диапазон перестройки приёмника устанавливают подбором числа витков и передвижением обмотки по магнитопроводу антенны.

Желающим разобраться в физике процессов предлагаем дополнительные пояснения. Высокая чувствительность приёмника происходит из-за «естественной» положительной обратной связи (ПОС) через ёмкость между затвором и коллектором транзисторов VT1 и VT2 (на рис. 1 показана как С4). Эту ёмкость можно увеличить, припаяв к соответствующим точкам монтажной платы жёсткие проводники длиной 1...3 см и сближая их (оценочное значение ёмкости, достаточное для самовозбуждения усилителя РЧ, всего 0,01...0,05 пФ!). По мере сближения проводников ПОС увеличивается добротность входного контура, а с ней чувствительность и селективность приёмника возрастают и наконец усилитель РЧ самовозбуждается. Обратная связь эффективнее действует на высокочастотном краю диапазона, что в общем-то и требуется, так как именно там находится большое число слабых станций.

Радиолюбителям, конечно, известны поразительные результаты, полученные с простыми регенераторами. Приведём лишь один пример. Известный полярный радист Э.Т.Кренкель с дрейфующей льдины Арктического бассейна установил радиосвязь с Антарктидой, используя простейший трёхламповый приёмник с регенеративным сеточным детектором. Сейчас регенераторы почти забыты, поскольку их настройка вблизи «порога генерации» требует немалого мастерства, можно даже сказать, искусства. В то же время и не всякий регенератор реализует свои потенциальные возможности, а лишь тот, который обеспечивает «мягкий» подход к порогу генерации.

Любопытно, что высокая чувствительность регенератора сохраняется и при обратной связи несколько больше пороговой, т.е. при возникновении в контуре собственных колебаний. Но характер приёма радикально меняется - возникают биения между принимаемыми и собственными колебаниями. Биения прослушиваются как свист, тон которого повышается при расстройке контура приёмника относительно частоты сигнала. Такой режим называется автодинным, и он широко использовался раньше для приёма незатухающих телеграфных сигналов. Известный в пятидесятых годах одноконтурный регенеративный приёмник А.В.Прозоровского, например, обеспечивал чувствительность в автодинном режиме порядка единиц микровольт.

Если бы регенератор был идеальным линейным устройством, т.е. происходящие в нем процессы не зависели бы от амплитуды колебаний, то возможности регенератора сводились бы к приёму AM сигналов до порога генерации и к приёму незатухающих колебаний на биениях за его пределами. Эквивалентная добротность контура вблизи критической точки возрастала бы до бесконечности, а полоса пропускания сильно сужалась, как показано на рис.2, где приведены кривые селективности обычного контура (М=1) и регенеративного с коэффициентами регенерации М=3 и М=10 (на самом деле коэффициент регенерации показывающий, во сколько раз увеличилась добротность контура благодаря действию ПОС, может быть и выше).

В реальных устройствах всегда имеются элементы, снижающие усиление регенератора при возрастании амплитуды колебаний. В ламповом каскаде это "гридлик" - то есть сопротивление в цепи сетки, зашунтированное конденсатором. В транзисторных каскадах с обратной связью усиление снижается из-за нелинейности характеристик транзистора, в частности из-за захода их в область ограничения. Этот способ регулирования менее эффективен, поэтому транзисторные регенераторы часто работают хуже, чем ламповые, подход к порогу генерации у них жёстче, а колебания возникают скачком и сразу со значительной амплитудой. Это не позволяет добиться высокой чувствительности, даже тщательно регулируя обратную связь.

В реальном регенераторе вблизи порога генерации характеристики селективности получаются несколько иными. При настройке на частоту несущей радиостанции амплитуда колебаний в контуре возрастает, усиление регенеративного каскада уменьшается, приводя к снижению и коэффициент регенерации. Резонансная кривая при этом «уплощается», как показано на рис.2 штриховой линией. Её форма становится благоприятнее для приёма АМ сигналов, ближе к прямоугольной.

В режиме биений наблюдается явление захвата - в некотором, обычно небольшом диапазоне расстроек частота собственных колебаний точно совпадает с частотой сигнала, биения при этом, естественно, пропадают. Если принимается АМ сигнал, то получается приём, когда собственные колебания синхронизированы с колебаниями несущей радиостанции. Автодинный приёмник при этом становится синхронным автодинным или синхронным. Детектирование AM сигнала в синхронном режиме получается за счёт существенного подъёма суммарного уровня несущей особенно линейным, и искажения снижаются. Ширина полосы захвата прямопропорциональна амплитуде несущей принимаемого сигнала: Δfз = (fо/2Q)*Uн/Uк, где fо - частота несущей, Q - конструктивная добротность контура, Uн - напряжение несущей на выводах контура, Uк - напряжение собственных колебании в контуре.

В описанном (Рис.1) приёмнике все эти явления выражены особенно чётко, поскольку коэффициентом регенерации управляет цепь АРУ, резко снижающая усиление усилителя РЧ при увеличении амплитуды как собственных, так и вынужденных колебаний в контуре. Подход к порогу генерации получается исключительно плавным и «мягким», а уровень собственных колебаний в контуре L1C1C2 легко установить порядка единиц или даже долей милливольт. При столь малой амплитуде собственных колебаний обеспечивается их лёгкий захват даже слабыми сигналами. Положим, для ориентировочного расчёта, Fо = 1000 кГц, Q = 200, Uк = 2 мВ. Тогда для получения полосы захвата Δfз = +- 250 Гц (приемлемой для синхронного приёма) оказывается достаточным напряжение несущей в контуре 200 мкВ, чему соответствует напряжённость поля Е около 100 мкВ/м, создаваемая даже достаточно дальними станциями. Любопытно отметить, что реальная полоса захвата не зависит от конструктивной добротности контура магнитной антенны.
Действительно, Uн = Е*hд*Q, где hд - действующая высота антенны (для антенны описываемой в данной статье, она составляет приблизительно 0,01 м). Подставляя значение Uн в предыдущую формулу, получаем Δfз = (fо*hд*E)/(2Uк).
Таким образом, теоретически имеется возможность получить достаточную полосу захвата при сколь угодно малой напряжённости поля Е, снижая напряжение собственных колебаний в контуре Uк.

Однако в автодинном режиме настройка приёмника имеет ряд особенностей, вряд ли обрадующих обычного радиослушателя, но интересных радиолюбителям. При подходе к частоте радиостанции в приёмнике слышен свист понижающегося тона, который при точной настройке исчезает (наступает синхронный режим - захват частоты) и радиостанция прослушивается чисто, причём сигналы соседних мешающих станций значительно подавляются, Дальнейшая перестройка в ту же сторону снова переводит приёмник в режим биений, снова слышен свист, пока не наступит захват несущей другой станции. Автодинному синхронному приёму, кроме свистов при перестройке, свойственны и другие недостатки: малая селективность в условиях сильных помех от соседних станций, слабая защищённость от мощных внеполосных сигналов. Мощная местная радиостанция, например, может прослушиваться и при значительных расстройках единственного контура приёмника. В какой-то мере эти недостатки компенсируются простотой схемы и конструкции приёмника.

Разумеется, регулировка ПОС подгибанием проводников не слишком удобна, поэтому схема усилителя РЧ была переработана так, чтобы получить возможность регулировки ПОС переменным резистором, выведенным на переднюю панель приёмника (рис.3) усилителя. Обратной связью охвачен здесь только первый каскад - напряжение ПОС через регулятор обратной связи R1 подаётся из истоковой цепи полевого транзистора VT1 на ёмкостный делитель С2 и С3.

Эта схема напоминает известный Q-умножитель, иногда используе­мый коротковолновиками. В таком устройстве можно получить особенно высокие и устойчивые коэффициенты регенерации благодаря включению в цепь истока незашунтированного резис­тора R3. В результате создаётся ООС, стабилизирующая усиление каскада и действующая на всех частотах, в то время как ПОС действует только на частоте настройки контура, повышая уровень полезного сигнала.

Рис.3

Подобная комбинация апериодической ООС и резонансной ПОС использовалась (а возможно, и предложена) конструктором популярных радиолюбительских приёмников серии РЛ Б.Н. Хитровым ещё в конце сороковых годов.

Второй каскад усилителя РЧ, собранный на биполярном транзисторе VT2, усиливает сигнал перед детектированием и повышает эффективность АРУ, действующую только в первом каскаде. Постоянные времени RC-цепочек в нагрузке детектора (R7C8) и фильтре АРУ (R4C4) значительно уменьшены, чтобы избежать «самомодуляции» собственных колебаний при слишком сильной ПОС, из-за которой возникает сильный свист или гудение в громкоговорителе.

Налаживание усилителя РЧ состоит в подборе резисторов R2 и R5 до получения напряжений на стоке транзистора VT1 и коллектора транзистора VT2, примерно равных половине напряжения питания. Для более плавной регулировки ПОС резистор R1 можно заменить цепочкой из последовательно включённых постоянного и переменного резисторов, сопротивления которых подбираются экспериментально. Схема усилителя ЗЧ приёмника остаётся при этом без изменений.

Результаты испытаний приёмника с усилителем РЧ, выполненном по схеме, показанной на рис.3, такие же, как и предыдущего, но настройка удобнее и подход к генерации «мягче». Радиостанции можно слушать как в обычном регенеративном режиме, установив ПОС несколько ниже порога генерации, так и в автодинном синхронном режиме установив ПОС несколько выше порога генерации. Для приёма же местных станций сопротивление резистора R1 устанавливают максимальным, ослабляя ПОС. При этом снижается чувствительность и расширяется полоса пропускания приёмника, что обогащает звучание верхними частотами звукового спектра.

Ещё одно уникальное достоинство приёмника состоит в возможности подключения цифрового частотомера к выходу усилителя РЧ. Теперь мы можем получить, как бы странно это ни звучало, одноконтурный приёмник прямого усиления с цифровым отсчётом частоты! Действительно, во входной поддерживаются, благодаря ПОС, слабые собственные колебания. Усиленные в усилителе РЧ, они достигают амплитуды, достаточной для работы детектора, АРУ и частотомера. Без входного сигнала последний будет показывать частоту настройки Q-умножителя, а при настройке на станцию произойдёт её захват и частотомер покажет точное значение частоты несущей.

Опыт с частотомером был проведён, и вполне успешно, когда частотомер был хорошо заэкранирован и развязан по цепям питания. В противном случае счётчики частотомера создают наводку на магнитную антенну, что нарушает плавность подхода к порогу генерации. Меньше помех создают экономичные счётчики КМОП серии, быстродействие которых достаточно для работы в СВ диапазоне.

В.ПОЛЯКОВ, г.Москва.