Простые приёмники АМ сигналов

Колебательный контур

«Классическая» схема детекторного приемника изображена на рис. 2.1. Она повторяется во всех популярных книжках и даже школьных учебниках. Ниже мы покажем, что этот «классический» детекторный приемник сконструирован неправильно и может быть существенно улучшен, но чтобы понять, каким образом, сначала разберем его схему и назначение деталей подробнее.

Антенна WA1 и заземление присоединены непосредственно к колебательному контуру, образованному Классическая схема детекторного приёмникакатушкой L1 и конденсатором переменной емкости (КПЕ) С1. Колебательный контур служит для выделения из всей массы принимаемых антенной сигналов лишь одного, желаемого. Радиостанции работают на разных частотах, контур также имеет свою, резонансную частоту, и если частота сигнала радиостанции совпадает с частотой настройки контура, напряжение на нем максимально.

Резонансная частота (частота настройки) колебательного контура определяется формулой Томсона: f0 = 1/2π(LС)1/2. Для изменения частоты настройки можно изменять как индуктивность, так и емкость. Чаще всего для настройки в пределах диапазона изменяют емкость (используют КПЕ), а для переключения диапазонов изменяют индуктивность, подключая разные катушки или переключая отводы обмотки.

На резонансной частоте f0 индуктивное сопротивление катушки в точности равно емкостному сопротивлению конденсатора, и оба они носят название характеристическое сопротивление контура ρ: XL = Хс = ρ. Для тех, кто подзабыл, что такое реактивные сопротивления, напомним, что индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте: XL= jωL, а емкостное сопротивление обратно пропорционально: Хс = 1/jωC. Эти зависимости показаны на рис. 2.2.

Зависимость индуктивного и ёмкостного сопротивления от частоты

Знак j в математике указывает на мнимую величину, и в электротехнике соответствует реактивному характеру сопротивлений. Реактивные сопротивления не рассеивают мощности, поскольку ток в них сдвинут по фазе относительно напряжения на 90°, в индуктивности ток отстает, а в емкости опережает напряжение.

Если бы в контуре не было больше никаких сопротивлений, кроме равных друг другу индуктивного и емкостного, то свободные колебания тока в контуре на частоте f0, единожды возникнув, продолжались бы до бесконечности, то есть были бы незатухающими.

Эквивалентные схемы контура с потерями

Реально всегда имеется активное сопротивление, хотя бы сопротивление провода катушки, показанное на эквивалентной схеме (рис. 2.3а), в виде последовательного сопротивления r. В активном сопротивлении r выделяется мощность, поэтому свободные колебания будут затухать, как показано на рис. 2.4.

Затухающие колебания

Скорость затухания колебаний определяется добротностью - отношением реактивного сопротивления ρ к активному r: Q = ρ / r. Число свободных колебаний в контуре до их практического прекращения (уменьшения амплитуды примерно до 0,05 от начальной) как раз и равно добротности. Величину, ей обратную, иногда называют затуханием контура. Затухание может вноситься не только последовательным, но и параллельно подключенным сопротивлением R, например входным сопротивлением детектора, который также потребляет мощность (на этот раз с полезными целями), см. рис. 2.3б. Добротность в этом случае равна Q = R / ρ. Для облегчения анализа удобно пересчитывать параллельное сопротивление в последовательное и наоборот, это легко сделать при не слишком малой добротности контура (от десятков и выше): R = ρ2/ r.

Резонансные кривые

От добротности зависит амплитуда вынужденных колебаний в контуре, создаваемых полезным сигналом. Реакция контура на возбуждение сигналами разных частот дается резонансной кривой (рис. 2.5). По вертикали отложены значения тока в контуре, или практически пропорционального ему напряжения на катушке, по горизонтали - частота сигнала. Кривые построены для трех значений добротности. Видно, что чем выше добротность, тем острее резонансная кривая и выше селективность приемника.

Если в цепь (рис. 2.3а) последовательно включить некоторый источник ЭДС, изменять частоту его колебаний и измерять напряжение на катушке высокочастотным вольтметром, то мы и получим резонансную кривую (рис. 2.5). Напряжение на катушке при резонансе в Q раз превосходит значение вводимой в контур внешней ЭДС. Как же так? Разве могут напряжения в цепи превосходить напряжение источника? В резонансных цепях могут. Посмотрим на рис. 2.6.

На резонансной частоте реактивные сопротивления Контур с источником внешней ЭДСкатушки и конденсатора равны и противоположны по знаку, поэтому компенсируются, и полное сопротивление цепи активно и равно r. Ток максимален и равен ε/r. Но этот ток протекает через реактивные сопротивления катушки и конденсатора, которые в Q раз больше, следовательно, и напряжения на них во столько же раз больше. При расстройке источника вниз по частоте возрастает емкостное сопротивление конденсатора, а при расстройке вверх - индуктивное сопротивление катушки. В любом случае ток в цепи падает в соответствии с резонансной кривой.

Пересчитав входное сопротивление детектора - полезной нагрузки - R в последовательное rд и обозначив общее сопротивление потерь контура rп, мы получим эквивалентную схему контура, позволяющую рассчитать его КПД и показанную на рис 2.7. Поскольку один и тот же ток проходит через оба сопротивления, КПД контура оказывается равным отношению приведенного сопротивления детектора к общему: КПД = rд / (rд + rп).Эквивалентная схема контура с потерями, нагруженного детектором

Из формулы видно, что для повышения КПД сопротивление потерь контура должно быть малым. Полезно ввести понятие собственной добротности контура. В хорошо спроектированном приемнике собственная добротность контура должна быть как можно выше. А какой должна быть нагруженная добротность? Оптимальной. Если мы сделаем ее слишком высокой, то селективность приемника возрастет, но будут ослаблены высокие звуковые частоты, поскольку полоса пропускаемых контуром частот окажется уже спектра принимаемого сигнала. Если же нагруженная добротность мала, то при высоком КПД получится низкая селективность: вместе с полезным сигналом могут прослушиваться соседние по частоте станции.

В принципе, проблему решают многоконтурные фильтры. При высокой собственной добротности контуров в них удается получить и широкую полосу пропускания, и высокую селективность, и малые потери, то есть высокий КПД. Любопытно, что впервые трехконтурные фильтры, содержащие антенный, детекторный и промежуточный контуры, были предложены еще в доламповый период развития радиотехники, в 1907 г., Франклином и Стоуном независимо друг от друга.

Определение полосы пропускания

Полосу пропускания контура (как, впрочем, и других устройств - усилителей, радиоприемников) отсчитывают по точкам на резонансной кривой, где амплитуда колебаний уменьшается до 0,7 от максимальной, при этом мощность колебаний падает в два раза. Требуемая при этом расстройка (рис. 2.8) обозначена как Δf, а полная ширина полосы получается 2Δf. Полоса пропускания 2Δf, частота настройки f0 и добротность Q связаны простым соотношением: 2Δf = f0/Q. Это соотношение часто используют при измерении добротности, поскольку полосу пропускания определить очень легко, подключив к контуру генератор стандартных сигналов и высокочастотный вольтметр или осциллограф.

Читать дальше - Детектирование