«КВ-приемник мирового уровня? Это очень просто!»

КВ-приемник мирового уровня? Это очень просто! (fb2) - КВ-приемник мирового уровня? Это очень просто! 7297K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Александр Леонидович Кульский

Кульский Александр Леонидович «КВ-ПРИЕМНИК МИРОВОГО УРОВНЯ? ЭТО ОЧЕНЬ ПРОСТО!»

Посвящается моему сыну — Леониду, будущему электронщику.

Характеристика персонажей

«Незнайкин»

Современный парень 16 лет. Уважает спорт, увлекается REPom, любит компанию. Но совершенно «балдеет» от современной электроники. Может часами торчать в компьютерных маркетах. Когда соприкасается с видеотехникой, не подходи! Никого не видит, ничего не слышит и, практически, ничего не воспринимает!

Плейер в кармане куртки — это обязательно! Мечтает о видеокамере, но только вот с финансами пока туговато.

Если совершенно честно, то с техническими знаниями тоже не слишком! При всем при том быстро схватывает все новое. Очень хочет понять, как устроена и работает современная техника. Да вот читать «скучные» профессиональные книги — нет уж, увольте!

«Аматор»

Иначе говоря — радиолюбитель. Недавно вернулся из армии. Сейчас ему 21 год. Некоторое время работал монтажником радиоаппаратуры на заводе. Подрабатывает починкой телевизоров (естественно, отечественных), магнитофонов (обычных) и всякого рода электробытовых приборов. Мечтает в будущем открыть свое «дело». Но чтобы оно, так или иначе, было связано с электроникой. Часами сидит над схемами. Вдумчив, достаточно серьезен, хотя, безусловно, человек с юмором. Порой саркастичен. В компаниях общителен, любит каламбуры. Второе хобби — история. Поэтому, если он прибегает иногда к историческим аналогиям — не удивляйтесь!

«Спец»

Живет в том же доме, что и упомянутые выше друзья. Пользуется уважением, поскольку из своих 42 лет жизни — не менее 24 отдал радиоэлектронике. Он, если хотите, «рос» вместе с ней. В свое время закончил факультет радиоэлектроники Киевского Политехнического института. Много лет работал в качестве разработчика электронных блоков и узлов специального назначения.

К «Незнайкину» и «Аматору» относится с симпатией. И, нужно сказать, друзья отвечают ему тем же. Поэтому, когда какой-нибудь прибор слишком уж упрямится, то «Аматор», частенько, вздохнув, тянется к телефону, чтобы набрать номер «Спеца»… А поскольку «один ум хорошо, а два ума — лучше», то борьба с техникой всегда заканчивается в пользу человечества.

Часть I ВСТРЕЧИ И БЕСЕДЫ

Глава 1. Досужий разговор

«Незнайкин»: Привет, дружище! Ну как твоя простуда? Все еще никуда не выходишь? А зря, а зря…

«Аматор»: Взаимный привет! Простуда выветривается! На данный момент, как видишь, веду оседлый образ жизни! А насчет зря или не зря — что за приколы? И почему, собственно, зря?

«Н»: Приколи! Иду, значит, я себе по улице. Хопа, зырнул, а там — магазин новый открылся! Компьютерный! Фирмовый! Ну я туда и вошел! А там, гляжу, «Ноутбуки» и «Пеньки» в ряд, новейшие модели. CD — ну вообще! Видаки, ну я так и засел! А качество, а сделано!.. Платы, там, разные, фирмовые, продаются! А дальше у них полки до потолка, телики клевые! Цвет!.. Качество изображения — ну вообще атас! Видеокамеры, центры!.. Плейера, батарейки, там, разные, фирмовые… Ну, смотрятся!..

«А»: Тих, тих, тих… Сбавь темп. Не грузи так мою простуженную голову! Давай помалу. Я так понял, что ты был в том самом навороченном электронном маркете, куда мы, было, собирались заглянуть вместе?

«Н»: Ну-да!..

«А»: «Пеньки» в переводе на обычный язык — это «Пентиумы» вторые и третьи. Я все четко понимаю?

«Н»: Да, ты все четко понял!

«А»: Твой язык, Незнайкин, настолько сочный, что я почти как побывал там вместе с тобой!..

«Н»: Издеваешься?… Да я тебе и десятой доли того, что там видел, не рассказал!

«А»: А вот здесь, дружище, ты слегка не прав! Я, понимаешь, предпочел бы, чтобы ты рассказывал мне об увиденном с использованием хоть каких-то технических терминов! А без них, ты, ну при всем желании, не расскажешь мне и тысячной доли о тех технических новинках, которые ты видел только за стеклом и на расстоянии!

«Н»: Да я и сам хотел бы узнать больше! Ну, нравятся мне все эти приколы, вся эта техника! Но, ты ж понимаешь, стоит она ой, сколько! Ну нет у меня таких бабок! Были бы — все бы купил! Вот было бы классно!

«А»: Ну ладно, не причитай! А вообще-то давай поговорим. Ты ведь уже в девятом классе! Техникой, вон, шибко интересуешься!.. Это правильно! Нет вопросов! Здесь я тебя приветствую. Но, Незнайкин, ведь техника — это не только красивые витрины! Неужели тебе не хочется всю эту электронику знать и понимать?

«Н»: Ну-ты, вообще! Нормально? Я вон говорил с одним!.. Тоже стоял все, смотрел… Так он говорил, что нам уже их электронику нипочем не догнать! Рассказывал, что япошки, например, на вопрос какого-то профессора, на сколько лет мы отстали, вообще сказали, что навсегда! Ну что, не так разве?

«А»: Да я недавно коснулся этой темы в разговоре со Спецом! Так ты его знаешь, он в нашем доме живет! Отличный мужик. Умница. Электронику здорово просекает! Так вот он как-то заметил, что все не так плохо! Да, мы сильно отстали! И по компонентам тоже. А, главное, в схемотехнике. Ты понимаешь, заводы ведь стоят! И потом, даже когда работали, ну разве можно было сравнить, например, телевизоры PHILIPS, SONY, SHARP, PANASONIC, DAEWOO и наши?

«Н»: Вот видишь! Так чего же твой Спец утверждает, что все не так плохо? Ну я, конечно, не Спец, но хорошего что-то не секу!

«А»: А ты не спеши!.. Я тоже, как услышал эти слова Спеца, так очень даже удивился и переспросил. А он говорит, что японская, американская, голландская и прочая забугорная электроника не на Центавре клепались. А на нашей родной планетке! А, значит, всю эту электронику можно и нужно изучать, осваивать. Подтягиваться к этому уровню. Кстати сказать, другого выхода нет. Ну чего скис? Есть вопросы?

«Н»: Есть!.. Я как-то в библиотеке нашел одну книжонку. Истрепанную, как тряпку. Зачитанную до дыр. Ну раскрыл, ну посмотрел. Так там автор все очень классно рассказывал! О радио, о телевизорах. Начал было читать, да отложил. Очень клевая книга! Подожди, как она называлась? Дай бог памяти! «Простое радио»? Нет. «Просто радио»? Тоже нет.

«А»: Не напрягайся так! Расслабься! Так сосредоточенно думать — вредно для здоровья! А может она называлась «Радио — это очень просто!»?

«Н»: Точно, ну ты в самую точку попал! Именно «Радио — это очень просто!». А ты что, тоже ее знаешь?

«А»: Само-собой. Мне ее когда-то Спец показывал. Говорил, что написана отлично! Однако безнадежно устарела! Я как раз об этом со Спецом, перед тем как свалиться с гриппом, говорил.

«Н»: Ну и что он еще говорил?

«А»: А много всего интересного! Профессионал! А это, Незнайкин, что-нибудь да значит. Сказал он, между прочим, что электроника нуждается в значительном количестве людей, которые в ней разбираются. В общем, меня он уговорил почти что!

«Н»: Так ты что, в институт поступать собираешься?

«А»: Ну, это уж как получится! Загадывать не любил и не люблю. Помнишь, что О. Бендер сказал?

«Н»: Он, кажется, сказал: «Судьба играет человеком, а человек играет на трубе!» Нет?…

«А»: Все правильно, Незнайкин. Именно эту его фразу я и имел в виду!..

«Н»: Слушай, а ты как скоро опять будешь беседовать со Спецом?

«А»: А вот завтра — послезавтра выходить начну. Спрошу у Спеца, когда он посвободнее будет и пойду на разговор.

«Н»: Слушай, а может ты меня тоже прихватишь? Понимаешь, ведь я совсем не против об электронике послушать…

«А»: Ну ты, Незнайкин, даешь! Может думаешь, что мы там «вообще» разговариваем? Нет, дорогой, у нас разговоры специфические! Ты там, со своей подготовкой, как мебель сидеть будешь! Слова не сможешь вставить! А я, как ты знаешь, к тебе очень неплохо отношусь! Поэтому подставлять ни тебя, ни себя не собираюсь! Ты уж не взыщи!..

«Н»: Ладно, все понятно! Не хочешь! Ну извини!.. Я пойду!

«А»: Да погоди, Незнайкин! Нормальный ты парень, только, гляжу, обидчивый очень… А чего, собственно, обижаться? На что?

«Н»: Ну что я вашему разговору так сильно помешаю? Я просто хотел тихонько посидеть, послушать… Интересно ведь!

«А»: Ладно, как говорят в Одессе: «Слушай сюда!». Я ведь и не думал отказывать тебе в твоей просьбе!

…Но пойми, что в том виде, какие они есть на сегодняшний день, твои знания для серьезного технического разговора совершенно недостаточны! Поэтому я предлагаю следующее. Вон там, на столе бумага, ручка… Бери то, бери другое, садись сюда и, помолясь Богу, начнем! Полагаю, что через несколько встреч ты уже вполне созреешь для подобных бесед со Спецом.

«Н»: А с чего начнем?

«А»: Да с самого начала!.. И, прежде всего, с основ электричества!..

«Н»: Ну, тогда, будь так добр, излагай…

«А»: Как ты, безусловно, знаешь, все вещества состоят из атомов. Атомы, в свою очередь, имеют сложное устройство. И даже очень. В середине атома расположено ядро…

«Н»: …Вокруг которого вращаются электроны. Которые заряжены отрицательно. А само ядро заряжено положительно. Обычно эти заряды равны…

«А»: Нормально! Добавлю, что разные атомы имеют разное количество электронов. А, следовательно, различный заряд ядра. А отсюда — различную массу и размеры… На уроках химии вам должны были все это рассказывать…

«Н»: Да нам и рассказали! Кстати и о том, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Что заряд электрона мало того, что всегда отрицательный… Его нельзя ни увеличить, ни уменьшить! И еще то, что при одинаковом по величине, но не по знаку, заряде электрона и протона, их массы отличаются почти в 2000 раз!

«А»: Точнее, в 1800 раз. Но это сейчас не важно! Ну, давай дальше!..

«Н»: Ну, что дальше… Изучали молекулы. Химические реакции… Таблицу Менделеева. Рассказывали об электронных оболочках и все такое…

«А»: А насчет кристаллических решеток говорили что-нибудь?

«Н»: Само-собой!

«А»: А что же представляет собой электрический ток?

«Н»: Движение электронов…

«А»: Соберись, Незнайкин! Сосредоточься! Где и как движутся электроны, образуя электрический ток?

«Н»: В куске металла. Например меди, железа… Даже серебра и золота… Ядра у атомов массивные, они остаются в узлах кристаллической решетки, а электроны маленькие и легкие, поэтому они свободно движутся внутри кристалла…

«А»: Все правильно, но ведь я спрашивал, Незнайкин, об электрическом токе! А нюанс здесь такой… Электроны, действительно, беспорядочно движутся внутри кристалла. И скорость их довольно велика. Она зависит, в значительной степени от температуры кристалла. При комнатной температуре средняя скорость электронов составляет несколько метров в секунду! Но представим себе некий кусок металла в виде отрезка проволоки, например, медной… Впрочем, давай лучше изобразим это на рисунке (рис. 1.1). Смотри, Незнайкин, мы как бы условно рассекли отрезок медной проволоки (1) плоскостью, которую я обозначил, как (2)…

«Н»: А что означают эти кружочки, снабженные стрелками?

«А»: Да только то, что кружочки — это электроны. А стрелки представляют из себя ВЕКТОРЫ, иллюстрирующие тот факт, что средняя скорость электронов примерно одинакова при данной температуре. А вот направление движения — неупорядоченное, хаотическое. А это значит, что за некоторую единицу времени, например, за ОДНУ СЕКУНДУ количество электронов, которые пересекли плоскость справа-налево и слева-направо — ОДИНАКОВО! Иными словами, Незнайкин?…

«Н»: Я почему-то думаю что в этом случае никакого тока не будет!.. Или я ошибаюсь?

«А»: Ты совершенно прав! Если количество электронов, которые пересекли плоскость с различных сторон за единицу времени — одинаково, то в этом случае говорить об электрическом токе просто не приходится!

«Н»: Ну, а как же появляется электрический ток? Можно ли себе его как-то представить и что для этого необходимо сделать?

«А»: Для начала, просто вернуться к нашему рисунку. Правда, слегка модернизировав его (рис. 1.2).

«Н»: Привет, а что это за маленькие пунктирные стрелки появились?

«А»: А это признак появления некоторой дополнительной составляющей средней скорости. Да, это именно дополнительная составляющая средней скорости КАЖДОГО из свободных электронов кристаллической решетки! Ну а правило сложения векторов, Незнайкин, ты знать просто обязан… Итак…

«Н»: А я и знаю! Не зря по геометрии «пятерку» схватил! Выходит, что средние скорости электронов, которые движутся на рисунке слева-направо, будут БОЛЬШЕ, чем средние скорости электронов, которые движутся справа-налево! Так?

«А»: Ну, Незнайкин. молоток! И какой вывод ты из этого можешь сделать?

«Н»: Да только один! Количество электронов, которые пересекут плоскость (сечение) в направлении слева — направо, будет БОЛЬШЕ, чем количество электронов, которые за то же время пересекут эту плоскость в направлении справа-налево!

«А»: Точно так! То есть в этом случае мы можем смело утверждать, что имеем дело с электрическим током! Кстати, учти, что для простоты картины я нарисовал пунктирные стрелки со значительным нарушением масштаба! В действительности, абсолютные величины векторов, характеризующих средние скорости хаотического движения, в десятки раз превышают абсолютные величины векторов, обозначенных пунктиром!

«Н»: И какой же при этом получается электрический ток? Наверное, очень малый?

«А»: Представь себе, что как раз далеко не малый! Правда, на нашем идеализированном рисунке изображены только шесть электронов, в то время как их, например, в куске обыкновенной меди…

«Н»: Постой, я припоминаю, что нам рассказывали, что в каждом грамме металла, содержится не то 1021 не то 1022 атомов! И даже если каждый атом обеспечит только один свободный электрон, который способен «путешествовать» внутри кристалла, то это будет…

«А»: Расслабься дружище! Я тоже не помню точного числа атомов в грамме металла, но это сейчас абсолютно неважно. А важно то, что даже, скажем, 1020 атомов — это ведь сто миллиардов миллиардов! Проволока — медная. Значит, каждый атом обеспечивает два электрона, которые могут перемещаться в кристалле! Поэтому нам более важно сейчас некое иное число.

«Н»: Это какое же?

«А»: Могу сказать! Это — 6,28 на 10 в восемнадцатой степени! Именно такое количество электронов содержит в себе электрический заряд, равный ОДНОМУ КУЛОНУ! А теперь запомни, что если через поперечное сечение проводника, а в качестве такового сейчас выступает кусок обыкновенного медного провода, проходит ОДИН КУЛОН электронов В СЕКУНДУ, то говорят, что по этому проводнику течет ток, равный ОДНОМУ АМПЕРУ! Вопросы есть?

«Н»: Естественно… Ты употребил слово — проводник. Я полагал, что это чисто железнодорожный лексикон…

«А»: Ты неправильно полагал!.. Но ты совершенно правильно сделал, что заострил на этом внимание! Все вещества в природе, с точки зрения электротехники и электроники делятся на три основные категории. А именно: ПРОВОДНИКИ, ДИЭЛЕКТРИКИ (иначе — ИЗОЛЯТОРЫ) и ПОЛУПРОВОДНИКИ. И, поверь мне на слово, мы к этому вопросу будем возвращаться еще не раз!

«Н»: Верю… И согласен подождать… Но ты ничего не сказал о том. по какой причине мы вправе были пририсовывать пунктирные стрелки к электронам на рисунке? А главное, почему они направлены СТРОГО В ОДНУ СТОРОНУ?

«А»: Верно сказано!.. Ну тогда, маэстро, позвольте предложить Вашему вниманию еще рисунок (рис. 1.3)?

«Н»: Отчего же… Извольте… Так, приехали… А это еще что за «Мистер Икс»?

«А»: Поскольку в школе ты еще не добрался до раздела «Электричество», я позволил себе «дополнить» наши научные рассуждения вот этим самым персонажем. Тем более, что это исключительно серьезный персонаж, несмотря на его улыбку.

«Н»: А в чем заключается его роль?

«А»: А именно в том, что «Мистер Икс» обеспечивает нам возможность, а значит и право, пририсовывать к электронам пунктирные стрелки. Иначе говоря, «Мистер Икс» является той СИЛОЙ, тем самым источником, которая ГЕНЕРИРУЕТ ТОК в проводнике! Не зря я пририсовал слева от него МИНУС, а справа ПЛЮС!

«Н»: А это принципиально?

«А»: Безусловно!.. Ты ведь, очевидно, слышал, что одноименные заряды взаимно отталкиваются, а разноименные — притягиваются! Поэтому направление результирующих составляющих средних скоростей электронов может быть таким, как представленно, только в том случае, если у «Мистера Икс» и ПЛЮС и МИНУС расположены именно так, как показано на рисунке! Поскольку, если их поменять местами, то…

«Н»: …Направление электрического тока изменится на противоположное!

«А»: Верно! И, кстати, Незнайкин, интересная вещь… Хаотические скорости электронов в кристалле, как мы выяснили, имеют порядок метров в секунду!

«Н»: Тогда получается, что упорядоченная составляющая соответствует всего лишь сантиметрам в секунду?

«А»: Именно так! ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, генерируемое «Мистером Икс», обеспечивает каждому электрону постоянную составляющую, имеющую величину не более единиц сантиметров в секунду даже при очень сильных электрических полях!

«Н»: Тогда я что-то не могу взять в толк… Получается, что скорость электрического тока всего десятки сантиметров в секунду?!..

«А»: Ну, дружище, на этот раз не только в яблочко, а вообще в мишень не попал! Иначе говоря — мимо цели! Да если бы дело обстояло так, то не имело бы человечество не только электронных чудес, но даже обыкновенной электрической лампочки! Поскольку ток шел бы к нам от электростанции недели, а то и месяцы! Не боись. Природа щедра! Действительно, избыточная составляющая скорости электронов, которую они приобретают при участии «Мистера Икс» — не более единиц сантиметров в секунду! Но вся штука заключается в том, что в различных участках проводника (проволоки) электроны начинают двигаться, практически, одновременно! Даже если эта проволока имеет длину сотни или тысячи километров! Электрическое поле сообщает вышеупомянутое приращение составляющей средней скорости каждому электрону ПОЧТИ ОДНОВРЕМЕННО!

«Н»: То есть с бесконечной скоростью?

«А»: Ну-ну, дружище, не так круто!.. Скорость распространения электрического поля в проводнике составляет величину порядка ДВУХСОТ ТЫСЯЧ КИЛОМЕТРОВ В СЕКУНДУ, что несколько меньше скорости света в вакууме! Вот почему на рисунке я изобразил толстой стрелкой НАПРАВЛЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ на все свободные электроны в кристалле.

«Н»: А тебе не кажется, что пора бы сорвать маску с «Мистера Икс»? Что он вообще из себя представляет? И как его настоящее имя?…

«А»: Иными словами, «Кто вы, доктор Зорге?» Ответ прост! «Я — Шаповалов Т.П.!»

«Н»: Ценю твой юмор! Но, видите ли?…

«А»: «… Достаточно, расстрелять, следующий…» Ладно, шутки в сторону!.. «Мистер Икс», Незнайкин, является ничем иным, как ИСТОЧНИКОМ ТОКА! Этот источник, как оказывается, способен сообщать, посредством генерации электрического поля, избыточную скорость свободным электронам. Двигаясь по ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ, эти электроны СПОСОБНЫ ВЫПОЛНЯТЬ НЕКОТОРУЮ РАБОТУ! Поскольку, ВНИМАНИЕ, абсолютная величина пунктирных стрелок находится в прямой зависимости от источника тока! Или, если угодно, от генератора электрического поля. Так вот, любой источник (или генератор) электрического поля характеризуется величиной ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ, которую он посредством генерируемого электрического поля сообщает перемещаемым по цепи электрическим зарядам.

«Н»: А что представляет собой электродвижущая сила? Чем она характеризуется?

«А»: Электродвижущая сила (или ЭДС) характеризуется единицей измерения, которая называется — ВОЛЬТ!

«Н»: Знаешь, я все это, лучше, запишу…

«А»: Запиши, это не помешает. Кроме того, наглядность — это сила! Кстати, запомни, что при перемещении электрического заряда в 1 КУЛОН, источник тока выполняет работу в 1 ДЖОУЛЬ. Но только в том случае, если этот источник обладает ЭДС в 1 ВОЛЬТ!

«Н»: А если его ЭДС, например, пять вольт?

«А»: Тогда выполненная работа соответствует ПЯТИ ДЖОУЛЯМ! Кстати, один джоуль — это работа по поднятию груза весом в 109 грамм на высоту в ОДИН МЕТР!

«Н»: Ты употребил еще такое выражение, как «электрическая цепь». Верно? Объясни, что это такое?

«А»: Смотри, Незнайкин и слушай… Источник тока, а им может быть, например, батарейка, аккумулятор, солнечный элемент и т. д., уже сам по себе, в силу внутренних, порой очень сложных электрических процессов, на своих внешних выводах (или электродах) имеет некоторую разность электрических состояний. А это и есть ЭДС! Но когда мы соединяем какой-либо проводящей системой эти электроды, по этой системе начинает протекать электрический ток. Так вот, эта внешняя, проводящая электрический ток, система именуется ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПЬЮ.

«Н»: Ты бы попроще! Я же тебе не Спец… Не отрывайся от земли.

«А»: Ладно, не бурчи… Соедини выводы батарейки лампочкой и вот тебе простейшая электрическая цепь! Ток идет, лампочка светит! Красота! Кстати, как ты думаешь, что будет характеризовать такая вот дробь:

ЭДС/Ток =?

«Н»: …Если не ошибаюсь, эта величина называется — СОПРОТИВЛЕНИЕ?

«А»: Ты не ошибаешься! Заодно, раз уж об этом зашел разговор, давай переходить на стандартную, международную систему электротехнических символов. В ней вышеприведенная формула запишется так:

U/I = R.

Здесь R — сопротивление, U — напряжение, I — ток.

Запомним еще, что:

1 вольт = 1000 милливольт = 1000000 микровольт (мкВ);

1 ампер = 1000 миллиампер = 1000000 микроампер (мкА);

1 Ом = 0,001 килоом = 0,000001 мегаома (МОм).

Или, что более привычно:

1 МОм = 1000 кОм = 1000000 Ом.

«Н»: А больше никакие единицы для токов, напряжений и сопротивлений не применяются?

«А»: Напротив, достаточно часто применяются. Да вот, например:

1 микроампер = 1000 наноампер (нА) = 1000000 пикоампер (пА);

1 гигаом (ГОм) = 1000 мегаом = 1000000 кОм = 1000000000 Ом;

1 киловольт (кВ) = 1000 вольт.

Полагаю, что вышеперечисленными единицами мы с тобой вполне обойдемся. Ну вот, а теперь прошу вопросы.

«Н»: Неужели вся электроника, по большому счету, базируется на применении закона Ома, как это мне приходилось слышать?

«А»: Один широкоизвестный литературный герой произнес фразу, которая как нельзя более кстати подойдет в качестве краткого ответа на поставленный тобой вопрос. Вот она: «Ни в коем случае и никогда!» И хотя закон Ома прочно лежит в фундаменте электроники, но только как ОДИН из ее краеугольных камней! И потом, в представленном виде, закон Ома описывает только цепи постоянного тока.

«Н»: А какие еще бывают цепи?

«А»: В общем случае — частотно-зависимые цепи переменного тока! А там и математическое описание, и физическая суть много сложнее! Но… давай торопиться медленно.

«Н»: А мы уже в состоянии перейти к рассмотрению цепей переменного тока?

«А»: Да еще не совсем, дружище! Нам еще осталось рассмотреть так называемое параллельное и последовательное соединение. И еще кое-что исключительно важное для понимания сути происходящих процессов… Вот мы говорили об электрической цепи и упоминали об электрической лампочке. Давай теперь изобразим это на бумаге.

«Н»: Только я сам нарисую! У тебя там где-нибудь не найдется лампочки?

«А»: Зачем она тебе?

«Н»: Да чтобы изобразить ее на рисунке, конечно же!

«А»: Да, но для этого совершенно необязательно заканчивать художественный институт! Весь мир уже много десятилетий как изображает электротехнические цепи любой сложности с помощью условных обозначений! Вот я зарисовал несколько простейших цепей. Смотри (рис. 1.4)!

«Н»: Где-то я уже что-то подобное видел. Слева, очевидно, изображена цепь с электрической лампочкой. Верно? А справа я не знаю. И потом, что это за разрыв в цепи?

«А»: Верно, слева обозначена цепь обыкновенного карманного фонарика. Она как видишь, может быть реализована с помощью всего трех элементов! Собственно лампочки, изображенной в виде кружка с двумя заштрихованными секторами, батарейки и выключателя, который ВСЕГДА изображается в виде разрыва цепи. То есть в выключенном состоянии.

«Н»: Понял. С левым рисунком вопросов нет…

«А»: И последнее… Никогда не называй подобные изображения рисунком! Ни простые, ни сложные! Тебя «не поймут»! Так как это не принято ни в электротехнике, ни в электронике. Только — ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ! Усек?

«Н»: Вполне! Так что же за элемент изображен справа?

«А»: А самое обыкновенное электрическое сопротивление, о котором мы уже говорили! То самое R!. Кстати, в электронике этот элемент именуется исключительно — РЕЗИСТОР!

«Н»: А для чего он нужен? Ведь, как я понял, он не светит и не греет?

«А»: Светить, он конечно, не светит! А вот относительно того, что он не греет, согласиться с тобой никак нельзя! А ну давай-ка этот рисуночек, то есть я хотел сказать — эту принципиальную электрическую схему нарисуем отдельно (рис. 1.5)!

«Н»: Эта стрелка, судя по всему, должна символизировать прохождение электрического тока. Так?

«А»: Так! Закон Ома мы с тобой уже усвоили. Потому ответь мне, что это значит, если, на резисторе R имеет место падение напряжения, равное U? И, кроме того, через этот резистор течет ток, равный I?

«Н»: Постой!.. Какое падение?

«А»: Ах да, я забыл упомянуть, что выражение «падение напряжения» эквивалентно выражению «между выводами резистора А и В приложено напряжение U». В данном случае, когда замкнута электрическая цепь, все напряжение, которое вырабатывает батарейка (она же ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ) приложено к выводам резистора А и В. Но мы отвлеклись, а ты так и не ответил на мой вопрос!

«Н»: Ну, это, очевидно, просто значит, что через соответствующий резистор течет и соответствующий ток!..

«А»: Не догоняешь, Незнайкин! Это значит слегка больше, чем ты думаешь! А именно, что ПРОИЗВЕДЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ соответствует ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ, которая, выделяясь на данном резисторе, преобразуется в ТЕПЛОТУ!

I x U = Р;

1 АМПЕР х 1 ВОЛЬТ = 1 ВАТТ!

Говорят также, что если по резистору R протекает ток I, то выделяется электрическая мощность, равная:

I2 x R = Р.

«Н»: И это все, на что способен резистор?

«А»: Далеко не все! А теперь, Незнайкин, я жду от тебя разумных пояснений относительно принципиальной схемы, которую предлагаю твоему вниманию теперь. Вот на этом рис. 1.6.

«Н»: Попробую… Как заметил однажды т. Сталин — «Попытка не пытка, не так ли, товарищ Берия?» Итак, пойдем простым логическим путем… На схеме я вижу два резистора, включенных один за другим…

«А»: Насчет логического пути — пойдем лучше вместе! Кстати, в технике подобное включение именуется ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ.

«Н»: Принято… Постой, но ведь через оба резистора течет один и тот же ток! А отсюда следует, что на каждом из этих резисторов имеет место падение напряжения. ПРОПОРЦИОНАЛЬНОЕ величине сопротивления данного резистора!

«А»: Молодцом! А теперь даю еще одну вводную. Объясни, как работает принципиальная электрическая схема, изображенная теперь (рис. 1.7)?

«Н»: У меня возникли проблемы с подсчетом напряжения U2, которое падает на резисторах, включенных параллельно…

«А»: Я тебе помогу. Следи за ходом моей шахматной мысли! В точке «С» ток I разветвляется на два тока, соответственно I1 и I2:

I1 + I2= I.

С другой стороны:

U2 = I x Rэкв

Rэкв = (R1∙R2)/(R1 + R2),

I1R1 = I2R2 = U2.

При этом резисторы R1 и R2 образуют, так называемое ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ соединение. Значит, чем БОЛЬШУЮ величину будет иметь, например, резистор Rэкв — тем МЕНЬШИМ будет ток I! Ну вот, после этого можно перейти и к более интересным вещам!

«Н»: Ну теперь эту легкотню я всегда расколю! Последовательное и параллельное соединение вопросов уже не вызовут!

«А»: Ой не говори так! Поскольку в электронике, кроме резисторов, в изобилии и значительно более экзотические компоненты! И потом, ты забыл, что мы собрались коснуться темы о проводниках, изоляторах и полупроводниках?

«Н»: Я просто стеснялся напомнить…

«А»: Ты ли это?… Так вот, электрическое сопротивление того или иного элемента электрической цепи, а значит и материала или вещества, из которого этот элемент изготовлен, зависит от количества в нем свободных электрических зарядов. Поэтому еще на заре электротехники все вещества разделили на две основные группы, а именно: ПРОВОДНИКИ и ИЗОЛЯТОРЫ (или ДИЭЛЕКТРИКИ). К числу проводников, кстати, относится целый ряд растворов и даже газы в определенном состоянии.

«Н»: Ну, а изоляторы?…

«А»: Это, например, стекло, эбонит, бумага, резина и т. д. Следует заметить, что атомы изоляторов устойчивы. Для того, чтобы их внешние электроны перешли в состояние проводимости, иначе говоря, оторвались от своих атомов, нарушив свою связь с ядром, требуется приложение прямо-таки отчаянных усилий! Строго говоря, даже в самых совершенных изоляторах в одном из миллиарда или в одном из сотни миллиардов атомов электрон, в силу некоторых причин, покидает свой атом и становится «пилигримом». Вот этим самым «ИЛИ» и определяется — «плохой» это изолятор, или «хороший»!

«Н»: Ну и как поясняет наука факт существования подобных «пилигримов»?

«А»: Несколькими причинами. Например, как результат тепловых колебаний атомов. Ведь чем выше температура, тем энергичнее колеблется атом на своем месте в кристаллической решетке. А, следовательно, вероятность того, что электрон покинет атом — возрастает. При температуре абсолютного нуля (или — 273 °C) тепловые колебания атомов полностью прекращаются! В этом случае в любом изоляторе, даже самом никудышном, вообще не оказывается свободных электронов… А теперь, Незнайкин, давай поиграем в кубики. Не возражаешь?

«Н»: …Дружище, да что с тобой?! Нормально?!.. Вот дела!..

«А»: Да не переживай так! Я в порядке. Но вот от кубиков нам с тобой сейчас никуда не деться… Это вовсе не моя прихоть, поверь! Таково повеление Великой Электроники!

«Н»: Что, «а токмо волею пославшей мя жены?».

«А»: Литературную викторину сообразим как-нибудь в другой раз. Лады?… А пока… вырежем из проверяемого изоляционного материала кубик со стороной равной ОДНОМУ САНТИМЕТРУ. Затем… подведем к нему напряжение ОДИН ВОЛЬТ и будем измерять ток в этой электрической цепи. Эксперимент этот, такой простой на первый взгляд, проделаем мысленно, в силу многих причин. Итак…

«Н»: Ну вот, начинается! Ты хочешь сказать, что в твоем хозяйстве не найдется обыкновенного тестера, батарейки и ножовки?

«А»: Раз ты так настаиваешь, то знай!.. Ни «обыкновенный» тестер, ни батарейка с ножовкой нам не помогут! Вот смотри — самая чувствительная шкала моего тестера имеет предел — ШЕСТЬДЕСЯТ МИКРОАМПЕР! И это позволяет отнести данный тестер к разряду высокочувствительных! Но для «игры в кубики» с изоляторами нужна чувствительность в МИЛЛИОН раз более высокая! А еще лучше — в ДЕСЯТЬ МИЛЛИОНОВ раз! Кроме того, напряжение для подобной «игры» берется вовсе не от батарейки, а от специального высокостабильного источника напряжения.

«Н»: «Я понял все — к чему слова…» Итак, давай мысленно сделаем кубик из стекла?

«А»: Нет проблем… Включили в цепь кубик из стекла и выяснили, что через него течет ток равный ста пикоамперам! Иначе говоря, ОДНА ДЕСЯТИТЫСЯЧНАЯ МИКРОАМПЕРА. Иными словами — 630000000 электронов в секунду!

«Н»: Так много?! Ничего себе — изолятор!

«А»: Дружище, это совсем немного! Будь у нас кубик из такого проводника, как СЕРЕБРО, ток в цепи достиг бы почти МИЛЛИОНА АМПЕР! Однако отметим, что подсчитывать число свободных электронов не принято. Обычно просто вычисляют электрическое сопротивление кубика. С использованием всё той же формулы Ома. Но есть и нюанс! Поскольку в действительности в этом эксперименте мы измеряем важнейшую величину — УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Эта величина имеет размерность (ОМхСМ). Для наглядности составим таблицу (табл. 1.1).

«Н»: Очень наглядная разница! Но я вижу что ПОЛУПРОВОДНИКИ выделены в «особое производство»!

«А»: А вот здесь ты абсолютно прав! Как в прямом, так и в переносном смысле! И дело совсем не в том, что их удельное сопротивление «особь статья»! А в том, что их ПРОВОДИМОСТЬ носит особый характер.

«Н»: Ты сказал — проводимость. Это еще что за параметр?

«А»: Ну, это совсем просто. Проводимость есть величина ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНАЯ сопротивлению! Иными словами:

G = I/U,

R = U/I.

Единица измерения проводимости — ОДИН СИМЕНС. Ну, пожалуй, на сегодня достаточно. А в следующий раз поговорим на тему ПЕРЕМЕННЫХ напряжения и тока.

Глава 2. Волны электрического моря

«Н»: Ну, поздравляю с выздоровлением. А теперь, может, перейдем к электронике? Кстати, объясни мне разницу между электротехникой и электроникой. Она вообще существует?

«А»: За поздравление благодарю! Но ты задал интересный вопрос. Не претендуя на академическую формулировку, я отвечу так, Спец рассказывал, что в ВУЗах по электронике ключевой является дисциплина под названием «Радиотехнические цепи и сигналы». Так вот: электротехника — это просто наука о функционировании и методах расчета различных электрических цепей, которые, даже будучи достаточно сложными, способны нормально функционировать сами по себе. Например, лампочка, электромотор, трансформатор и т. д. Но если цепь способна самостоятельно реагировать на внешнее воздействие, имеющее в той или иной степени электрический характер (то есть на СИГНАЛ) — то это уже электроника!

«Н»: Так, может, для экономии времени перейдем сразу к рассмотрению сигналов?

«А»: Это уже будет совсем в стиле О. Бендера — «потеря качества при выигрыше темпа!».

Нет Незнайкин, электроника для успешного ее усвоения, требует определенной последовательности изложения. А потому возвращаемся к электрическим цепям. Но уже переменного тока.

«Н»: Объясни мне толково и вразумительно — что такое переменный ток?

«А»: Переменный ток имеет (что естественно) свою причину. И эта причина — переменное напряжение! То есть это такое напряжение, величина и полярность которого имеют периодический характер в функции от времени. Да вот, посмотри на рисунок (рис. 2.1).

На этом графике представлены НЕ ВСЕ, но многие важнейшие характеристики переменного напряжения. Заметь, что зависимость амплитуды Ua переменного напряжения от времени t носит СИНУСОИДАЛЬНЫЙ характер. То есть мы имеем дело с колебательным, ВОЛНОВЫМ процессом.

«Н»: А можно сказать, что этот волновой процесс состоит из положительных и отрицательных полуволн, отмеченных на рисунке, соответственно, плюсами и минусами в кружочках?

«А»: Безусловно, но обрати внимание на характер изменения амплитуды! В течение каждого ПЕРИОДА, то есть временного промежутка, вмещающего в себе одну отрицательную полуволну и одну положительную или, иначе говоря, ОДИН ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПЕРИОД и ОДИН ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ПОЛУПЕРИОД — амплитуда переменного напряжения проходит через НУЛЬ не менее (но и не более) ТРЕХ РАЗ!

Физический смысл этого такой. В точке 0 (см. рис. 2.1) никакого напряжения, а значит и тока в проводнике нет! Затем появляется ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ напряжение, достигающее своего максимума через промежуток времени t1.

«Н»: Этот момент на временной оси соответствует точке А.

«А»: Верно! После этого, в течение временного промежутка t2 напряжение плавно уменьшается до нуля.

«Н»: …Затем оно возникает снова, но полярность его уже ОТРИЦАТЕЛЬНА!

«А»: Максимум отрицательной амплитуды достигается в точке Б. Затем следует снова плавное уменьшение до нуля (промежуток времени t4).

«Н»: Судя по рисунку, весь процесс занимает временной промежуток, равный:

t1 + t2+ t3 + t4?

«А»: Естественно, или просто — Т! Это и есть ПЕРИОД!

«Н»: А величина обратная периоду называется ЧАСТОТА?

«А»: Совершенно верно! Частота показывает, сколько раз в течение ОДНОЙ СЕКУНДЫ переменное напряжение изменило свою полярность! Или же сколько периодов (циклов) переменное напряжение претерпело за одну секунду.

«Н»: Понял! Но почему ты ранее оговорил, что на графике отображены НЕ ВСЕ характеристики переменного напряжения?

«А»: Нарисуем новый рисунок (рис. 2.2). На нем изображен ТОЛЬКО один период…

«Н»: Но я сразу вижу отличие! Что такое Uэфф? И что это за участки, покрытые штриховкой?

«А»: Да в них-то все и дело!.. Заодно отметим равенство двух величин: Uа+ и Uа-. Оно означает, что амплитудные значения напряжения в положительный и отрицательный полупериоды РАВНЫ ПО МОДУЛЮ!

«Н»: Ясно! А заштрихованные части?

«А»: Заштрихованная часть положительного полупериода РАВНА по площади заштрихованной части прямоугольника, в который «вписан» этот полупериод.

«Н»: Что это означает?

«А»: Дело в том, что новый прямоугольник, образованный произведением величин Uэфф и Т/2, по площади ТОЧНО РАВЕН положительному полупериоду! Иными словами, переменное напряжение, имеющее амплитуду Ua, проходя по резистору R выделяет столько же теплоты, сколько ее выделяет за то же время постоянное напряжение, величина которого равна Uэфф!

«Н»: То есть это означает, что для оказания одинакового теплового эффекта, переменное напряжение всегда должно быть больше по максимальной амплитуде, чем постоянное?

«А»: Именно так! Поэтому, когда ты слышишь, что напряжение в электрической сети равно 220 вольт, то не забывай, что речь идет об эффективном напряжении — Uэфф!

«Н»: А какое соотношение между максимальным амплитудным и эффективным напряжениями?

«А»: Вот оно:

Uэфф = 0,707∙Ua

«Н»: Отлично, с переменным напряжением разобрались! Все ясно!

«А»: Прошу прошения, сэр! И что же Вам так ясно?

«Н»: Это элементарно. Ватсон! Взгляни на рис. 2.3. Вот эта вторая синусоида и есть иллюстрация переменного тока. На графике представлена зависимость амплитуды переменного тока от амплитуды переменного напряжения.

«А»: …И все?

«Н»: «Чего же боле… Что я могу еще сказать?»

«А»: Ты, Незнайкин, нарисовал совершенно правильный график! И рассуждал ты при этом достаточно верно, но до определенного момента. А вот дальше…

«Н»: Ну, ты говоришь прямо-таки загадками! Здесь рядом я пририсовал небольшую принципиальную схемку. Я даже обозначил на ней направление течения тока в положительный и в отрицательный полупериоды!

«А»: Действительно, в моменты, когда напряжение на электродах источника (генератора) переменного напряжения будет равно НУЛЮ, то и ток будет равен НУЛЮ!

«Н»: А когда на электродах будет максимальное напряжение, то и ток будет МАКСИМАЛЬНЫМ! Так что же тут неправильного?

«А»: Не кипятись, ты не чайник! Остынь! Хотя, если исходить из лексикона компьютерщиков, то ты именно ЧАЙНИК — т. е. НАЧИНАЮЩИЙ!

Вспомни лучше знаменитый анекдот про человека, который искал потерянное золотое кольцо ночью рядом с фонарем. Хотя потерял его совершенно в другом месте! Помнишь его главный аргумент в отношении неадекватного места поиска?

«Н»: Он сказал, что ищет кольцо под фонарем потому, что здесь светлее искать! Но при чем эта история к нашим делам?…

«А»: Так ведь ты сделал сейчас то же самое, дружище Незнайкин! Ты рассмотрел случай, когда в цепи переменного тока находится АКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ!

«Н»: …И то слава Богу! А что же там может находиться еще?

«А»: А вот хотя бы такая штуковина, которую я сейчас изобразил (рис. 2.4).

«Н»: Я видел мельком на принципиальных схемах такие изображения во множестве. Но «видеть» и «знать» — это ведь не одно и то же!..

«А»: …Рядом с изображением я проставил английскую букву С! Этот элемент — один из важнейших в электронике. И называется CAPASITOR — КОНДЕНСАТОР!

«Н»: А как он устроен?

«А»: Расположи две металлические пластинки на некотором расстоянии друг от друга. Подсоедини к каждой из них металлическую проволоку. Получишь элементарный конденсатор!

«Н»: А что он нам может дать?

«А»: Конденсатор — вещь замечательная! Соберем простейшую цепь (рис. 2.5), содержащую конденсатор. Замкнем переключатель S. На обкладках (пластинах) конденсатора установится тот же потенциал, что и на батарейке. А ток будет течь?

«Н»: По-моему, нет! Ведь между пластинами конденсатора — обрыв! Разве нет?

«А»: Не совсем… Дополним нашу схемку! Здесь я изобразил те самые пластины, снабдив их электродами. Как видишь, расстояние между ними равно r. Площадь каждой пластины равна D. А теперь скажи мне, что это за пунктирные стрелки я изобразил?

«Н»: Пока что не догадываюсь.

«А»: Это ни что иное, как СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ! А вот теперь, Незнайкин, внимание. То, что я тебе сейчас расскажу, в школьных учебниках не упоминается.

«Н»: Это Спец рассказал?

«А»: Да, он обратил мое внимание на тот факт, что в конденсаторе имеет место удивительный физический эффект! Смотри, пластина А присоединена к отрицательному электроду. Это означает, что в объеме кристаллической решетки пластины А «растекаются» ИЗБЫТОЧНЫЕ электроны, поступающие на нее от МИНУСА батарейки.

Но, подсоединенная к ПЛЮСУ пластина В оказывает на них удивительное влияние! Электроны, накапливающиеся на пластине А, как-бы перестают «замечать» друг-друга! Их взаимоотталкивание становится минимальным!

«Н»: Как это можно объяснить?

«А»: А так, что сферообразные электростатические поля электронов преобразуются в нитевидные! Теперь они достигают пограничного слоя пластины В. По масштабам микромира, пластина В находится на колоссальном расстоянии от пластины А!

Эти электростатические поля электронов пластины А воздействуют через межпластинчатый промежуток с атомами кристаллической решетки пластины Б, которые перед этим «потеряли» свои электроны.

«Н»: Поскольку они ушли с пластины В к ПЛЮСУ батарейки!..

«А»: Следовательно, при данном напряжении U «плотность» электронов на пластине А высока. На этой пластине размещается электрический заряд, который при определенных условиях способен… преобразоваться в ток!

Но и это еще не все! Представь себе, что мы поместили эти пластины в космическом пространстве, иначе говоря — в вакууме! Тогда условно обозначим ПЛОТНОСТЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ, как количество силовых линий, отнесенных к единице площади поверхности. И в случае, если между пластинами А и В — вакуум, примем, что эта плотность равна некоторой условной единице…

«Н»: Не возражаю…

«А»: А теперь вернемся на Землю. Поместим между пластинами А и В листик из слюды. Великолепный изолятор, между прочим! В этом случае плотность электростатического поля возрастает в ДЕВЯТЬ РАЗ!

«Н»: Это предельное значение?

«А»: Нет, это далеко не предел! Есть такой хитрый диэлектрик — ТИТАНАТ БАРИЯ. Так в нем плотность электрического поля возрастает в ДЕСЯТКИ ТЫСЯЧ РАЗ!

«Н»: Ну и дела! Но не припомню, чтобы мне встречалось такое понятие, как плотность электрического поля…

«А»: Потому что это больше физический, а не технический термин. А такое понятие, как ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ встречал?

«Н»: Да что-то такое слышал.

«А»: Так эти два понятия — синонимы! А вот и формула, которая является основной для расчета емкости конденсатора:

здесь S — площадь пластин в см2, а — расстояние в сантиметрах, ε — диэлектрическая проницаемость.

«Н»: А нам чем он может помочь? Я имею в виду именно конденсатор?…

«А»: Сейчас… Смотри сюда. Справа я зарисовал уже знакомую нам эпюру (график изменения во времени) напряжения на обкладках конденсатора. А теперь представим себе, как пройдет эпюра токов (рис. 2.6)?

«Н»: А исходить будем из эпюры напряжений?

«А»: Естественно! Итак, рассмотрим участок АВ. В момент А напряжение генератора МАКСИМАЛЬНО. На обкладках конденсатора оно такое же. Но это ведь означает, что все электроны, которые могли быть «втиснуты» источником на одну из пластин — уже там!

«Н»: Конденсатор, иначе говоря — заряжен! То есть ток в этот момент… не идет.

«А»: Правильно! Итак, в момент А напряжение на обкладках конденсатора — МАКСИМАЛЬНО, а ток в цепи — МИНИМАЛЕН! А теперь обрати внимание на то, что участок АВ характеризуется еще и тем, что СКОРОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ на конденсаторе отточки А до точки В — постоянно возрастает! А это соответствует тому, что ток заряда (разряда) постоянно возрастает тоже! В момент В эта скорость — МАКСИМАЛЬНА. Следовательно и ток — МАКСИМАЛЕН. А вот напряжение в момент В равно НУЛЮ!

«Н»: Это удивительный факт! То есть можно сказать, что ток конденсатора отстает от его напряжения?

«А»: Вполне, хотя обычно говорят иначе. А именно, что в конденсаторе ток ОТСТАЕТ ПО ФАЗЕ от напряжения на 90 градусов!

«Н»: Теперь мне понятна разница между резистором и конденсатором!

«А»: Отрадно слышать, но заметь, что если мы УВЕЛИЧИМ частоту генератора, то ОДИН И ТОТ ЖЕ электрический заряд будет заряжать или разряжать конденсатор за МЕНЬШЕЕ ВРЕМЯ!

«Н»: Значит зарядный ток УВЕЛИЧИТСЯ?

«А»: Конечно же! Но удивительно то, что этот ток НЕ ВЫЗЫВАЕТ ТЕПЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ!

«Н»: То есть в идеальном конденсаторе не выделяется электрическая мощность!? А сопротивление конденсатора носит совершенно особый, не имеющий ничего общего с активным сопротивлением характер?

«А»: А разве это не так? Кстати, «давайте не будем» применять по отношению к конденсатору термин — сопротивление! Электротехники всего мира говорят, что конденсаторы характеризуются РЕАКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ! И еще — электрической ЕМКОСТЬЮ.

«Н»: А в каких же единицах оценивается эта емкость?

«А»: Основная единица электрической емкости называется ФАРАДА!

Фарада — это такая емкость, при которой для изменения напряжения на пластинах конденсатора на ОДИН вольт, требуется электрический заряд, равный ОДНОМУ КУЛОНУ!

Должен заметить, что это настолько большая емкость, что в обыкновенной электронике она не используется! А теперь, может ты сам распишешь мне более мелкие единицы?

«Н»: Уже пишу:

1 фарада = 1000 миллифарад = 1000000 микрофарад;

1 микрофарада = 1000 нанофарад = 1000000 пикофарад.

«А»: Мне вспомнилась история, которая произошла осенью 1944 года во время битвы в Арденнах. Германская армия наносила мощный контрудар по союзникам. Со стороны немцев действовала знаменитая 150 моторизованная бригада. Это были эсэсовцы, переодетые в американскую и английскую форму, хорошо владеющие языком. И сперва они успели нанести союзникам немалый вред, совершая крупные диверсии и нападения в тылу англо-американских войск! А потом их быстро раскусили и обезвредили…

«Н»: Я тащусь — до чего интересно… Но какое отношение это имеет к конденсаторам?

«А»: Я вспомнил эту историю потому, что немцев подвело незнание американского армейского сленга! На автозаправках (а они, естественно, заправлялись американским горючим) диверсанты обращались так: «Петролеум, плиз!» В то время, как сами американцы употребляли словосочетание: «Гас, плиз!» Не правда ли, мелочь?

«Н»: А причем здесь я?

«А»: Расслабься, Незнайкин! Я никогда не держал тебя за немецкого диверсанта! Но то, что ты написал, сразу подтвердило, что в электронике ты ЧАЙНИК! Хотя ты все написал абсолютно верно!

«Н»: А в чем промашка?

«А»: А в том, что такая единица, как МИЛЛИФАРАДА в электронике не встречается. Хотя конденсаторов подобной емкости в любом приемнике, телевизоре или магнитоле не меньше десятка!

«Н»: Час от часу не легче! «Ваши слова звучат парадоксом», как выражался Пашка Эмильевич.

«А»: Электроника вообще полна парадоксов! Вразумительно ответить, почему так вышло, я не в состоянии. Но на электрических конденсаторах большой емкости ты не встретишь обозначения, например, ПЯТЬ миллифарад или ДЕСЯТЬ миллифарад. На таких конденсаторах написано: 5000 микрофарад или 10000 микрофарад. Так что о существовании подобного нюанса помни!

«Н»: Спасибо, помнить буду, не забуду! А больше таких простых, но хитрых деталей в электронике нет?

«А»: Как не быть. Вот, например, как ты думаешь, что произойдет, если взять тонкий изолированный медный провод и намотать, скажем, на корпус шариковой ручки? А после этого подключить его концы к генератору переменного напряжения?

«Н»: Снова какой-то сюрприз ты мне готовишь? Отвечаю — не знаю! Потому что пока не могу понять, чем, с точки зрения электротехники, отличается просто провод от самого же себя, но только намотанного на ручку, или карандаш, или на гвоздь, или на что-нибудь еще?

«А»: Сюрприз, дорогой Незнайкин, приготовила матушка-Природа, а не я! Кстати, чтобы тебя успокоить, замечу, что свойства провода, намотанного на шариковую ручку, существенно отличаются от свойств того же провода, намотанного на гвоздь!

«Н»: Да не томи душу! Выкладывай, где тут собака зарыта!?

«А»: Прежде всего, запомни, что вокруг проводника, по которому проходит электрический ток, возникает так называемое электромагнитное поле. Которое имеет как электрическую, так и магнитную составляющую. Но магнитная составляющая у одиночного проводника невелика. Чтобы ее сконцентрировать и необходимо намотать из проволоки катушку… Ты ведь не раз видел подковообразный постоянный магнит?

«Н»: Я вообще часто забавлялся им в детстве! Вещь очень занимательная.

«А»: Согласен… А теперь взгляни на рис. 2.7. Итак, если силовые линии электромагнитного поля одиночного проводника имеют некоторую ПЛОТНОСТЬ, (когда по проводнику течет электрический ток), то если этот провод намотать хотя бы на шариковую ручку, то эта плотность будет возрастать ПРОПОРЦИОНАЛЬНО количеству витков. Ну, а если поменять направление тока, то изменится и магнитная полярность нашего ЭЛЕКТРОМАГНИТА!

«Н»: То, что в этом случае получается электромагнит, я понял! А вот как определяется его полярность?

«А»: Для этого рядом с электромагнитом достаточно разместить компас. И тогда легко видеть, что если при некотором направлении тока электромагнит притянет ЮЖНЫЙ ПОЛЮС стрелки компаса, то достаточно изменить направление тока и… электромагнит притянет СЕВЕРНЫЙ ПОЛЮС стрелки!

«Н»: То есть направление магнитного поля зависит от направления тока, создающего это поле!

«А»: Конечно! Электромагниты — это основа электродвигателей и реле. Но для нас значительно важнее совсем иные свойства! Кстати, будем называть провод, намотанный на какой-либо каркас, или просто закрученный в спираль, именем собственным — ИНДУКТИВНОСТЬ!

«Н»: Почему такое странное название?

«А»: Потому что в его основе лежит такое явление, как ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ! Это явление настолько важно для электроники, что хочу рассказать тебе о нем.

В природе существует большое количество явлений, имеющих «обратимый» характер. И в нашем случае, если ток способен создавать магнитное поле вокруг проводника, то и магнитное поле, в свою очередь, должно было бы генерировать ток в проводнике. Например так, как показано ниже (рис. 2.8).

Смотри, Незнайкин, чтобы увеличить эффект, я изобразил проводник, выполненный в виде катушки и обозначенный римской двойкой, который подвергается воздействию магнитного поля, наводимого (индуцированного) катушкой, обозначенной римской единицей. Как ты думаешь, что произойдет в этом случае?

«Н»: Полагаю, что во вторичной катушке возникает ток I2. который создаст на резисторе R соответствующее падение напряжения, что немедленно зафиксирует вольтметр V.

«А»: То же самое полагали десятки исследователей XVII и XVIII веков. И жестоко просчитались. Вольтметр не покажет НИЧЕГО.

«Н»: Но почему!?…

«А»: Да потому, что Природа распорядилась так, что ток I, возникает в вышепреведенной схеме, если мы… выключили первую цепь, то есть ту часть схемы, которая содержит батарейку, выключатель и электромагнит! Но ток I2 возникает ненадолго. Наблюдатель увидит бросок напряжения, а затем стрелка снова покажет НУЛЬ!

«Н»: Ну, а что произойдет, если снова замкнуть первичную цепь?

«А»: А то же самое! За одним исключением… Бросок напряжения будет иметь ОБРАТНУЮ полярность!

Отсюда следует один из фундаментальнейших выводов — ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ИМЕЮЩЕЕ ПЕРЕМЕННЫЙ ВО ВРЕМЕНИ ХАРАКТЕР, СПОСОБНО ИНДУЦИРОВАТЬ ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ВО ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ, НЕ СВЯЗАННОЙ НЕПОСРЕДСТВЕННО С ПЕРВИЧНОЙ ЦЕПЬЮ!

«Н»: …Иначе, чем посредством самого этого электромагнитного поля?

«А»: Браво, Незнайкин! Я и хотел, чтобы к этой мысли ты пришел сам! Само явление наведения вторичного тока первичным и носит название ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ!

«Н»: «И он стал умнее, чем он был!». Это я, в данном случае, о себе самом! Дружище, хватит на сегодня! Все это должно утрамбоваться в моей голове!

«А»: Понимаю и согласен! До встречи, дружище!

Глава 3. Индуктивность… Добротность… Резонанс…

«Аматор»: Заходи-заходи, дружище!

«Незнайкин»: У тебя, как ты мне признался по телефону, есть время, а у меня и время, и желание продолжить разговор на тему электромагнитной индукции!

«А»: «Я очень счастлив и рад за вас!». Полагаю, что продолжить разговор об электромагнитной индукции просто необходимо, поскольку с ее характером следует познакомиться поближе. А характер у нее весьма упрямый!

«Н»: В каком смысле — «упрямый»?

«А»: Да в самом, что ни на есть, прямом! Дело в том, что наведенный во вторичной обмотке, иначе говоря, ИНДУЦИРОВАННЫЙ ТОК I2  ВСЕГДА находится в противофазе с индуцирующим током I,! Если индуцирующий ток увеличивается в одном направлении, то индуцированный ток — течет в противоположном направлении, как бы препятствуя увеличению первого! А когда индуцирующий ток уменьшается, индуцированный ток течет В ТОМ ЖЕ НАПРАВЛЕНИИ, как бы препятствуя уменьшению первого! Взгляни на рис. 2.8.

«Н»: И ты считаешь, что эту головоломку я запомню и пойму?

«А»: Выше голову! Ведь сказанное ранее можно сформулировать и более кратко. Например, так:

ИНДУЦИРОВАННЫЙ ТОК ВСЕГДА ИМЕЕТ ТАКОЕ НАПРАВЛЕНИЕ, КОТОРОЕ ПРОТИВОДЕЙСТВУЕТ ЛЮБЫМ ИЗМЕНЕНИЯМ ИНДУЦИРУЮЩЕГО ТОКА!

Я скажу даже больше, чем БЫСТРЕЕ происходит изменение величины тока в первичной обмотке, тем сильнее реакция вторичной обмотки!

«Н»: То есть ВЕЛИЧИНА ИНДУЦИРОВАННОГО ТОКА ПРОПОРЦИОНАЛЬНА СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ИНДУЦИРУЮЩЕГО ТОКА, а также его ВЕЛИЧИНЕ?

«А»: Правильно совершенно!

«Н»: Вот тебе и «простой медный провод»! Удивительный эффект!

«А»: Но и это еще не все!.. Как ты думаешь, что произойдет в такой вот простенькой схемке (рис. 3.1)?

«Н»: Сейчас-сейчас, только график набросаю… Готово! Теперь будем рассуждать, как на эпюру напряжения на индуктивности L наложится эпюра тока.

«А»: В момент А изменение напряжения во времени (т. е. ΔU/Δt) минимально. Поэтому ток равен НУЛЮ! Затем напряжение на участке АВ падает до НУЛЯ. Но при этом отношение ΔU/Δt — ВОЗРАСТАЕТ! Поэтому генерируемый электромагнитным полем индуктивности L ток I имеет такое направление, чтобы не дать напряжению на выводах индуктивности L упасть до нуля! То есть в этом случае в точке В ток максимален, а его полярность положительна!

Но вот напряжение генератора становится отрицательным. И отношение ΔU/Δt — уменьшается! Ток I по-прежнему положителен, но его величина падает, становясь равной нулю в точке С. В тоже время в этой точке амплитуда отрицательной полуволны напряжения максимальна! Но когда на участке CD амплитуда напряжения падает, генерируемый электромагнитным полем индуктивности ток I возрастает, но теперь этот ток имеет отрицательную полярность, поскольку он препятствует спаданию напряжения на индуктивности до нуля!

«Н»: Если я правильно понял, электромагнитная индукция может индуцировать ток даже в своих собственных витках?

«А»: Ну конечно. В этом случае это явление именуется как САМОИНДУКЦИЯ!

«Н»: Я вспоминаю твой рассказ о временах Пунических войн! Помнишь, ты рассказывал о римском сенаторе, который свои выступления в сенате на тему о проблемах римского плебса, на тему об улучшении торговли, благоустройстве дорог и так далее, заканчивал всегда одной и той же фразой!..

«А»: «Карфаген должен быть разрушен!»? То есть ты снова намекаешь на то, какое отношение все наши рассуждения об удивительных свойствах индуктивностей и емкостей имеют к электронике?

«Н»: Ты прав, о высокочтительный друг мой!

«А»: А вот ты, Незнайкин, не совсем! Только теперь мы подошли к самому интересному. Как ты думаешь… А впрочем, я виноват в том что мы еще ничего не сказали о том, что является основной единицей индуктивности. Так вот, в качестве таковой принят ОДИН ГЕНРИ.

1 ГЕНРИ — это такая индуктивность, при которой изменение напряжение на ее выводах на 1 вольт в течении 1 секунды вызывает появление противодействующего такому изменению тока, равного 1 амперу. Заметим, что вообще 1 генри — это исключительно большая индуктивность, которая нигде не встречается. Поэтому в ходу более мелкие единицы:

1 генри = 1000 миллигенри = 1000000 микрогенри.

А теперь — последнее, Незнайкин! Как мы ранее уже могли убедиться, поскольку при приложении напряжения к индуктивности (из-за присущей ей инерции) происходит отставание тока от напряжения, то говорят, что ток отстает по фазе. Любопытно, что для емкости, ток опережает по фазе напряжение! А теперь — вопросы.

«Н»: Ты как-то употребил в разговоре выражение — реактивное сопротивление! Что же это такое и присуще ли оно только емкости?

«А»: Нет, не только! Индуктивность тоже характеризуется реактивным сопротивлением. В самом общем смысле этот термин означает, что реактивная мощность, равная произведению мгновенного значения емкостного (или индуктивного) тока на напряжение не преобразуется в тепло! Поскольку она затрачивается не на увеличение амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решетки, как в случае активного сопротивления, а на изменение интенсивности электромагнитного поля (в индуктивности) или на поляризацию диполей изолятора (в конденсаторе). А это, практически, не носит теплового характера…

«Н»: Все это дьявольски интересно!

«А»: Еще бы!.. Но в мире слишком много интересного, поверь! А потому не хочешь ли немного пожонглировать?

«Н»: Соскучился по цирку? Что предпочитаешь?… Шары, мячи… Может тарелки?…

«А»: Расслабься! Посуда останется целой, ручаюсь… И жонглировать мы будем не тарелками или шарами, а… резисторами, конденсаторами и индуктивностями! Причем на бумаге!..

«Н»: Как это… как это… как это?..

«А»: Очень просто. Мы «разрисуем» целый ряд «простеньких» схемок, состоящих из различных комбинаций R, L и С. После чего ознакомимся с их свойствами… Итак, начнем вот с чего (см. рис. 3.2)… По глазам твоим вижу, Незнайкин, что ты хочешь меня о чем-то спросить!

«Н»: А то нет?! Ты мне столько рассказывал, что электрические цепи должны быть замкнуты… А что нарисовал?

«А»: Тебя смущает, что точки А и В не соединены между собой? Не сомневайся — превосходно соединены! Эти вот значки, напоминающие «перекладины», «гребешки» и «щеточки», символизируют, ласкающий слух радистов, термин — ЗАЗЕМЛЕНИЕ или КОРПУС!

Реально эти точки всегда располагаются на обшей металлической шине или массивном проводнике. Поэтому, чтобы не загромождать принципиальные электрические схемы, условились общий проводник (провод) или корпус не изображать, а пользоваться особыми условными обозначениями. Один из вариантов таких обозначений ты и наблюдаешь!

А теперь, маэстро, ваш выход! Прошу зарисовать АЧХ как для схемы рис. 3.2, а, так и для схемы рис. 3.2, б.

«Н»: «Извольте, я готов…, но я в большой надежде, что термин АЧХ… мне разъясните прежде?»

«А»: Вот ты уже, Незнайкин, стихами заговорил!.. АЧХ — это аббревиатура, которая расшифровывается как АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА! Ее смысл — наглядно показать, как изменяется напряжение в какой-либо точке в зависимости от частоты генератора переменного напряжения.

«Н»: Так частота генератора переменного напряжения НЕПОСТОЯННАЯ величина?

«А»: Ну конечно!.. А то чего ради мы потратили столько времени и усилий, вникая в суть индуктивностей и емкостей?

«Н»: Будет лучше, если ты изобразишь это графически!

«А»: Ладно!.. Я рисую график! Ординате присваиваю обозначение А, тогда абсциссе — f. По английски f — friquensi — (частота) (см. рис. 3.3)! Тогда А, соответственно, амплитуда.

Пусть амплитуда переменного напряжения, генерируемого источником, постоянна и равна U для любой из генерируемых частот. При f = 0, то есть в нашем случае U просто некоторое постоянное напряжение. Соответственно, в точке D (рис. 3.2, а) установится напряжение, равное U. Эта точка на графике обозначена, как «а».

Повысим частоту генератора до f1. Естественно, что это приведет к заряду (или разряду в зависимости от полупериода) конденсатора С. Но в этом случае зарядно-разрядный ток, проходя по резистору R, создает на нем соответствующее падение напряжения. Поэтому теперь напряжение в точке D будет меньше, чем U. На графике это соответствует точке «б».

Увеличим частоту генератора и приравняем ее f2. Напряжение на выходе стало еще меньше. Это и отображает точка «в». Так будет продолжаться до тех пор. пока частота не станет равной частоте среза fср. На этой частоте уже ВСЕ напряжение источника падает на активном сопротивлении!

«Н»: Выходит, что дальнейшее увеличение частоты генератора уже бессмысленно?

«А»: В точности так! А теперь, Незнайкин, раздраконь мне так же схемку на рис. 3.2,б.

«Н»: С нашим удовольствием… Вот график (рис. 3.4)! Все верно?

«А»: Мне остается только (и с полным на то правом) повторить слова «великого кормчего» Мао-цзе-дуна к его приемнику Хуа-го-фену: «Если дело в твоих руках, я спокоен!» Тем более, что ты предъявил реальный график, а не утопию!

«Н»: Но ты обратил внимание, что в точках графика «д» и «е» амплитуда одна и та же?

«А»: Поверь, я от всей души рад, что ты это подметил! А что ты скажешь по поводу вот этих двух схемок (рис. 3.5)?

«Н»: Вот, прошу. И для случая а и для случая б. Возражения есть (рис. 3.6)?

«А»: Пока — никаких! Но я проявлю известную толерантность и не стану вот так, с места в карьер требовать, чтобы ты нарисовал мне АЧХ вот такой «скромной» схемки (рис. 3.7).

«Н»: Да что в ней особенного-то! Сейчас-сейчас. Нет, знаешь, что-то не выходит!..

«А»: Остынь, дружище! И, чтобы не тратить время напрасно, послушай, что в действительности представляет из себя вышепредложенная схема! Ты уже знаешь, что с возрастанием частоты индуктивное сопротивление (XL) увеличивается, а емкостное сопротивление (ХС) — уменьшается! Но отсюда следует, что при некоторой частоте f0 — индуктивное и емкостное сопротивления становятся равными. И в этот момент общее реактивное сопротивление цепи СТРЕМИТСЯ К НУЛЮ! Вспомним о сдвигах по фазе!

Так вот, когда частота генератора равна никакого сдвига по фазе между напряжением и током — НЕ БУДЕТ! Эта ситуация получила название — РЕЗОНАНС!

«Н»: Я знал, что есть механический резонанс…

«А»: Ну, примеры потрясающих случаев механического резонанса можно найти даже в Библии. Например, Иерихонские трубы!

«Н»: Действительно…

«А»: Итак, мы видим, что электрическая цепь, состоящая из емкости С и индуктивности L, обладает собственной резонансной частотой f0! При этом общее сопротивление цепи становится очень малым, а амплитуда колебаний тока в ней — очень большой!

«Н»: Но почему ты говоришь «очень малым», а не говоришь — «нулевым»?

«А»: Ты прав, мой милый граф! Это только из-за того, что индуктивность L — это ведь изолированный провод, намотанный на сердечник. А провод, как известно, имеет еще и активное сопротивление, хотя и очень небольшое. Поэтому, в реальном случае, предыдущая схема выглядит так (рис. 3.8).

«Н»: А я готов нарисовать АЧХ этой схемы! Смотри, я даже учел тот факт, что из-за наличия активного сопротивления R «провал» АЧХ не имеет общей точки с осью абсцисс!

«А»: Я начинаю думать, что если дело и дальше пойдет так же успешно, то не только я, но и Спец запишется на цикл твоих лекций по электронике! Ну, а теперь я прошу тебя подумать, что будет в таком случае (рис. 3.9)…

Да, учти следующее обстоятельство. То, о чем мы сейчас говорим, я имею в виду электрический резонанс, — это «святая святых» радиотехники вообще и техники радиоприема, в частности!

«Н»: Что я вижу!? Ты заменил генератор переменного тока на батарейку? К чему бы это?

«А»: Мы подключили батарейку к нашей схеме посредством выключателя, а затем отключили ее! Вот с этого момента мы и начнем анализ…

«Н»: А что же тут анализировать? Конденсатор просто разрядится через резистор R и индуктивность L! И все дела!..

«А»: Да, кроме шуток?

«Н»: Нет-нет, прости! Не совсем… Что-то еще здесь произойдет… Но я пока не врубился — что!..

«А»: Вспомни, Незнайкин, что индуктивность L обладает некоторой инерцией. Образно говоря, из-за нее электронам так же трудно начать упорядоченное движение, как и прекратить это движение!

Ток разряда, проходя по виткам индуктивности L, порождает магнитное поле, в котором запасается некоторая энергия! Таким образом, в тот момент, когда конденсатор С уже разрядится, магнитное поле будет поддерживать упорядоченное движение электронов в том же направлении! Это значит, что до того момента, как энергия магнитного поля иссякнет, конденсатор успеет перезарядиться почти до первоначального напряжения! Хотя и ПРОТИВОПОЛОЖНОЙ ПОЛЯРНОСТИ! Затем снова наступит цикл перезаряда. И так будет продолжаться до того момента, пока на активном сопротивлении R (а оно в неявном виде ВСЕГДА присутствует в рассматриваемой системе) постепенно не перейдет в тепло ВСЯ первоначально запасенная в конденсаторе энергия!

«Н»: А рассмотренная система, состоящая из L, С и R, не имеет имени собственного?

«А»: Обязательно! И отныне мы будем употреблять только его — КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР!

«Н»: А как долго будет продолжаться подобная циркуляция тока в контуре? От чего это зависит?

«А»: Есть такой удивительный параметр — ДОБРОТНОСТЬ! Вот он то и, определяет, как долго в контуре будут продолжаться колебания.

«Н»: А почему ты назвал этот параметр — «удивительным»?

«А»: Да хотя бы потому, что он как бы един в трех лицах!

«Н»: А это как?

«А»: Да вот, посмотри на рисунок! На рис. 3.10,а изображены незатухающие электромагнитные колебания, которые имели бы место в контуре без потерь. На рис. 3.10,б изображены реальные, ЗАТУХАЮЩИЕ колебания в контуре.

Так вот, численно, количество полных циклов заряд — разряд до, практически, полного затухания РАВНО ДОБРОТНОСТИ! Т. е. добротность Q = n, где n — количество полных циклов. А теперь от амплитудно-временных характеристик перейдем к АЧХ (рис. 3.11).

Вот эта, колоколообразная кривая (мы к ее рассмотрению вернемся в дальнейшем еще не раз) дает вторую, практически очень важную характеристику для Q:

Q = f0/2Δf,

где Δf — полоса пропускания по уровню 0,707.

И, кроме того, вот третья ипостась добротности, численно равная:

И если первая ипостась очень понятна, но не очень наглядна, поскольку кто успеет подсчитать точное число колебаний за очень малый промежуток времени, то вторая ипостась — может прямо выводиться на экран специальных анализаторов АЧХ! С ней удобно работать!

«Н»: Ну, а третья?

«А»: Третья ипостась — для реальных расчетов! Но любой колебательный контур характеризуется еще и частотой резонанса, или, что адекватно, частотой собственных колебаний:

Любопытно, что для получения одной и той же f0, можно взять различное соотношение L и С. Но формула для определения добротности показывает, каким именно должно быть соотношение L и С для получения требующейся нам ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА! Она обозначена как df = 2Δf

«Н»: А какого порядка эта величина должна быть?

«А»: Смотря для чего! А вообще получение высоких добротностей — это сложная техническая задача! Но, в общем, вполне решаемая! Сейчас нам осталось рассмотреть еще одну важную физическую, а равно и техническую особенность колебательных контуров!

«Н»: Ты снова рисуешь схему?

«А»: А куда деваться (см. рис. 3.12)?

Здесь колебательный контур включен непосредственно в состав некоторой внешней цепи. Обрати внимание, Незнайкин, что в этом случае, когда частота внешнего генератора f1 совпадает с собственной частотой контура, последний представляет собой ЗНАЧИТЕЛЬНОЕ РЕАКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ для ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ!

«Н»: Но при этом ВНУТРИ контура LC реактивное сопротивление МАЛО!?

«А»: Да, конечно!.. Дело в том, что за каждый период собственных колебаний контур LC теряет МАЛУЮ часть запасенной в нем энергии! Следовательно, этот контур будет потреблять из ВНЕШНЕЙ цепи ТОЛЬКО такую часть энергии, которая идет на компенсацию потерь за этот период! А это — очень незначительная величина! И она тем меньше, чем больше добротность контура Q!

«Н»: То есть, если я верно понял, на резонансной частоте по отношению ко ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ контур является БОЛЬШИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ, причем тем большим, чем больше его добротность?

«А»: Абсолютно точно! Но есть и еще одно исключительно важное следствие! Не догадываешься, какое именно?

«Н»: Может быть (см. рис. 3.12) что мы можем написать:

I2 = I1Q

Так или нет?

«А»: Замечательно! Ну а что ты скажешь относительно напряжения?

«Н»: У меня создалось впечатление, что напряжение на зажимах А и Б контура… может превысить напряжение генератора!

«А»: И ты не ошибся! Оно превышает на частоте собственного резонанса подводимые извне колебания по амплитуде в Q раз!

«Н»: То есть колебательный контур УСИЛИВАЕТ частоту, равную его резонансной в Q раз?

«А»: Да! Но если во внешней цепи будут протекать токи, частоты которых не совпадают с резонансной, то они не создадут на зажимах контура сколько-нибудь заметного напряжения! Поэтому РЕЗОНАНСНЫЙ КОНТУР ОБЛАДАЕТ ЧАСТОТНОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ!

«Н»: Я уже дошел до кондиции, как того и хотел герой «Бриллиантовой руки». Всю впитанную (с кровью) информацию я должен осмыслить. В общем «принять ванну и выпить чашечку кофе»…

«А»: Мы кое-что успели сегодня, дружище!

Глава 4. Устремленные в пространство

«Незнайкин»: Наконец-то ты вновь удостоил меня аудиенции!..

«Аматор»: О милорд, какой изысканный стиль! Ты случайно не перечитал «Трех мушкетеров», пока мы не виделись?

«Н»: Ты почти угадал — «Одиссею капитана Блада»!

«А»: Я так и понял по твоему высокому слогу! Кстати, я тоже очень уважаю книги о капитане Бладе! Но благородный и великолепный пират жил в буколическую эпоху! Когда медленное считалось быстрым!

«Н»: Что ты хочешь сказать?

«А»: В те времена новости из Америки в Европу шли, вернее плыли, месяцами! Скорость доставки информации была равна скорости хода каравеллы или галеона!..

«Н»: В то время как сейчас для этого достаточно секунд!

«А»: Долей секунды, дружище, долей секунды! И все благодаря свойствам… открытого колебательного контура!

«Н»: Какого это — открытого? Простите, сэр! Следующий раз захвачу словарь, сэр!

«А»: Хороший (в буколические времена говорили — добрый) учебник или пособие по радиотехнике помогло бы тебе больше! ОТКРЫТЫЙ КОНТУР — это просто техническое название для ПЕРЕДАЮЩЕЙ и ПРИЕМНОЙ антенн!

«Н»: То есть мы сейчас вплотную подошли к вопросу о возникновении, распространении и возможности ПРИЕМА РАДИОВОЛН!?

«А»: Да пора уж! Представь себе, что мы преобразовали колебательный контур таким образом, что он принял следующий вид (см. рис. 4.1).

Здесь, фактически, мы имеем не один, а два колебательных контура. Первый — это контур, образованный С и L1, резонансная частота которого f0 равна частоте генератора Uсигн. Обмотки L1 и L2 связаны индуктивно. Поэтому во втором контуре также возникают колебания с частотой f0…

«Н»: Относительно первого контура вопросов не имеется. Но вот где ты увидал второй контур? Я лично вижу только обмотку L2!

«А»: Но ты не можешь не видеть, что верхний конец L2 переходит в некий проводник, который оканчивается точкой А?

«Н»: Вижу… Но что дальше?

«А»: А то, что это и есть второй, открытый колебательный контур! Его емкость является распределенной. То есть она образована как бы из множества малых емкостей между различными точками антенны и землей!

«Н»: Выходит, что L2 входит в состав ЦЕПИ АНТЕННЫ?

«А»: Ну конечно! А упомянутый уже вертикальный проводник — это ни что иное, как антенный штырь! Его длина может варьироваться в разных случаях от нескольких сантиметров до сотен метров! Да и само устройство антенны в реальности может быть исключительно сложным по своей конструкции!

«Н»: Но если это и есть антенна, то она должна каким-то образом принимать близкие и далекие радиостанции. Разве нет?

«А»: Верно! Однако в данном случае она не принимающая, а передающая. Попробуем представить себе, что при этом происходит… Видишь, на рис. 4.2 я изобразил только непосредственно антенну и то в очень упрощенном виде?

«Н»: А что представляют из себя концентрические кольца, параллельные земле и названные тобой Н¯, а также «серпантин*, обозначенный, как Е¯? И почему, если я правильно понял, они носят ВЕКТОРНЫЙ ХАРАКТЕР!?

«А»:E¯ — это вектор напряженности электрического поля. Соответственно Н¯ — вектор напряженности магнитного поля. Знак вектора дает нам ясно понять, что эти поля могут быть ориентированы относительно поверхности земли под самыми различными углами.

Но вот между собой они ВСЕГДА взаимоперпендикулярны! Но на рисунке присутствуют еще и токи I1 и I2.Ты мне не скажешь, что они из себя представляют?

«Н»: Очевидно, под воздействием не показанного здесь первичного контура, вдоль по длине антенного штыря циркулируют токи I1 и I2, представляющие собой перемещение, посредством индукции, электрического заряда то в направлении ОТ земли к точке А, то в ОБРАТНОМ! Естественно, с частотой f0!

Выходит, в точке А то наблюдается «избыток» электронов, то их «недостаток»! В пользу моих слов говорит и тот факт, как при этом направлены силовые линии электрического поля…

«А»: Вот она — моя награда за потраченные труды! Совершенно верно!

Иначе говоря — антенна есть инструмент для преобразования переменных напряжения и тока в энергию электромагнитного поля, способную свободно распространяться в пространстве!

«Н»: А вот чего я, дружище, не могу понять… Все-таки, почему порождаемое вокруг антенны электромагнитное поле не просто циркулирует, а способно как-бы «оторваться» и унестись навсегда?

«А»: Браво, Незнайкин! Ты задал сейчас очень глубокий вопрос! Недавно мы беседовали на эту тему со Спецом! Это была интересная беседа. Действительно, ведь токи в той же антенне имеют вполне обратимый характер.

То вверх, то вниз, то они вообще равны нулю… Электромагнитное поле могло бы тоже циркулировать, то распространяясь в пространстве ОТ антенны в один из полупериодов, то стремясь К антенне в другой полупериод…

«Н»: А как думает Спец?

«А»: Он сказал, что категорического, строгого объяснения этому факту — не существует!

Но мы должны благодарить Бога и Природу за то, что электромагнитное поле в виде электромагнитных волн способно покидать антенну и уноситься в бесконечность!

Именно этот эффект, по большому счету, делает возможной не только радиосвязь, но и саму жизнь на Земле!

А возможно и вообще во Вселенной!

«Н»: Даже вот так вот!?

«А»: Даже вот так вот! Но продолжим наши игры! Ты, безусловно, слышал, что «покинув» передающую антенну, электромагнитные волны СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА распространяются в пространстве! Если передающая антенна является ИЗОТРОПНОЙ, то интенсивность электромагнитной энергии уменьшается ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО КВАДРАТУ РАССТОЯНИЯ!

В случае, если антенна обладает направленностью, то есть является АНИЗОТРОПНОЙ, то эта зависимость может быть несколько иной. Но, в любом случае, чем дальше точка приема находится от передающей антенны, тем меньше интенсивность электромагнитного поля в ней! Наводимого этой передающей антенной, разумеется.

«Н»: Это понятно! Ну, а как устроена приемная антенна?

«А»: Подумай сам! Я подскажу тебе — это обратимое явление.

«Н»: Но если это явление обратимое, то тогда, поместив штырь (металлический) в точку, удаленную от передающей антенны на некоторое расстояние, мы вправе ожидать, что электромагнитное поле НАВЕДЕТ в этой ПРИЕМНОЙ АНТЕННЕ токи, имеющие туже частоту, что и породившие их электромагнитные волны!

«А»: Достойный ответ! Ты только не уточнил, что по своей величине эти ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ токи являются исключительно малыми! Их реальное амплитудное значение — не более нескольких десятков милливольт! И это еще исключительно много! Чаще всего — на порядок меньше. А то и два-три порядка.

«Н»: А почему ты употребил слово — высокочастотные? А низкочастотных разве нет?

«А»: Действительно! Давай определимся в понятиях! В Природе существуют электромагнитные колебания с самыми разнообразными длинами волн или, что адекватно, с самыми различными частотами!

Видимый свет — это ведь также электромагнитные волны длина, которых измеряется нанометрами! Например, красный цвет характеризуется длиной волны — 630 нм.

Или 2x1014 герц!

То есть ДВЕСТИ ТЫСЯЧ МИЛЛИАРДОВ полных периодов в секунду!

«Н»: Да это считать не пересчитать!

«А»: И то правда, Незнайкин! Ведь если представить себе некое существо, которое не ест, не спит, не развлекается, а только подсчитывает это число со скоростью одна единица в секунду, то ему потребовалось бы примерно ШЕСТЬ МИЛЛИОНОВ ЧЕТЫРЕСТА ТЫСЯЧ ЛЕТ! И все для того, чтобы зафиксировать — сколько раз в секунду изменяется направленность векторов магнитного и электрического!

«Н»: Но ведь это уже не радиодиапазон?

«А»: Что правда, то правда! Генерация и прием электромагнитных колебаний подобных частот осуществляются особыми, не радиотехническими методами! А собственно радиодиапазон ограничен сверху частотами порядка ДЕСЯТЬ В ДВЕНАДЦАТОЙ СТЕПЕНИ ГЕРЦ!

«Н»: Ну, а снизу?

«А»: Это очень сложный вопрос! Дело в том, что сверхнизкочастотные колебания имеют свои особенности. Представь, например, длину волны электромагнитного колебания 3х1013 километров!

Она соответствует частоте f = 10-8 герц! Это означает, что ОДИН ПОЛНЫЙ ПЕРИОД такого колебания — около ТРЕХ ЛЕТ! То есть длина волны составляет приблизительно ОДИН ПАРСЕК!

Ты ведь встречался с подобной единицей длины в фантастических романах?

«Н»: Было дело в Грибоедове… Неужели есть радиостанции, оперирующие с такими чудовищными волнами?

«А»: Расслабься, Незнайкин! Человечество еще не в состоянии оперировать не только с такими, но и в сотни раз большими длинами волн! Но кто сказал, что их не существует во Вселенной?

В семидесятых годах (нашего столетия, естественно) в США широко обсуждался проект, получивший наименование «САНГВИН». Речь шла о возможности осуществления связи с атомными подводными крейсерами. Для того, чтобы передать приказ на нанесение, в случае необходимости, ответного атомного удара по СССР!

При этом исходили из того, что подлодка находится на МАКСИМАЛЬНОЙ ГЛУБИНЕ в несколько сотен метров в ПРОИЗВОЛЬНОЙ ТОЧКЕ МИРОВОГО ОКЕАНА! Оказалось, что это возможно осуществить, если для подобной односторонней связи использовать СВЕРХДЛИННЫЕ ВОЛНЫ, частота которых несколько меньше СТА ГЕРЦ!

«Н»: …Это соответствует длине волны порядка… 3000 километров!

«А»: Совершенно верно! Но учти, Незнайкин, что мир устроен так, что передающая антенна, чтобы быть эффективной, не должна иметь размеры менее одной четверти излучаемой ею длины волны! Поэтому вопрос реализации проекта «САНГВИН» требовал сооружения системы антенн, занимающих площадь порядка ДЕСЯТКОВ ТЫСЯЧ квадратных километров!

При этом для генерации «глобального» сигнала требовалась энергия порядка СОТЕН МЕГАВАТТ! После продолжительных и бурных дебатов в Сенате, от этого способа связи с погруженными подводными лодками отказались!

«Н»: Так вот что такое генерация подобных электромагнитных колебаний!?

Ну, а более высокие частоты?

«А»: «Сверхдлинными» волнами для осуществления радиосвязи, представь себе, сейчас пользуются! Но самые длинные из них начинаются с ТРИДЦАТИ КИЛОГЕРЦ!

То есть длина волны равна «всего-навсего» 10 километрам! Но и эта «экзотика» в радиовещательной технике не используется.

«Н»: А какие длины волн и почему используются в международном радиовещании?

«А»: На этот твой вопрос отвечу совершенно конкретно! Все используемые в радиовещании длины волн разбиты на следующие диапазоны:

Длинные волны — 150–408 кГц (2000—735,3 м).

Средние волны — 525—1605 кГц (571,4—86,9 м).

Короткие волны — 3,5—30 МГц (80–10 м).

Ультракороткие волны — 87,5-104 МГц (Европа); 87,5 — 108 МГц (США); 76–90 МГц (Япония).

Кроме того, в последнее время получил тенденцию к расширению УКВ диапазон на территории Украины!

«Н»: Я как-то слышал, что каждый из приведенных выше диапазонов имеет чуть ли не свой собственный «характер»?

Это что, просто вариации на тему известных «Сказок братьев Гримм» или в этом действительно что-то есть?

«А»: Уже скоро сто лет, как трудами ученых, изобретателей и любителей было установлено, что чем больше размеры антенн, тем больше и дальность связи! И теоретики начала века утверждали, что самые «дальнобойные» волны — это волны длинноволнового диапазона!

Они поясняли это ДИФРАКЦИЕЙ! Напомню, что дифракция — это огибание волной препятствий! Например, для сверхдлинных волн, длина которых измеряется километрами — даже выпуклость Земли помехой не является. И вот для дальней связи строятся гигантские антенны!

Сказано — сделано! И вот пришел успех! Осуществлена связь между Канадой и Южной Америкой! А поскольку (мы дальше коснемся этого вопроса) в начале двадцатого века считалось, что частоты различных станций должны быть различными и это различие должно составлять около 10 процентов, то американский ученый Фредериксон, например, утверждал, что в диапазоне 30—100 кГц можно разместить не более ДВЕНАДЦАТИ каналов!

«Н»: Он ошибся?…

«А»: Да нет, он был прав! На тот момент, естественно!

Но есть древняя восточная мудрость: «Время способно превратить самую чистую правду в отвратительную ложь!»

Дело в том, что техника начала века большего не позволяла! Это во-первых!

А, во-вторых, «есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам»!

«Н»: Я тоже очень уважаю Шекспира!..

«А»: Рад, что доставил тебе удовольствие! Однако, ближе к теме! Исследования по распространению электромагнитных волн на расстояние от нескольких десятков до 10000 километров уже не возможно было пояснить только дифракцией!

И потом, как можно было объяснить тот факт, что днем дальность связи намного меньше, чем ночью? Или известный сейчас курьез с радиодиапазоном коротких волн?

В свое время государственные службы, действуя по принципу «на тебе, боже, что нам не гоже», отдали в распоряжение радиолюбителей волны, короче 200 метров. И вдруг на тебе… в 1923 году два радиолюбителя на кустарных, маломощных радиостанциях установили связь между… Англией и Новой Зеландией!

«Н»: Это есть пример ПОБЕДЫ ТЕХНИКИ НАД НАУКОЙ!

«А»: Да, совершенно блестящий пример! Но, Незнайкин, далеко не единственный! «Тому в истории мы тьму примеров слышим, но мы истории не пишем…».

Но… будем же справедливы! Я имею в виду, по отношению к науке! Ее ведь тоже делают люди. А среди людей науки ВСЕГДА находятся гении и прозорливцы…

«Н»: И в этом случае тоже?

«А»: И в этом — тоже! В 1902 году физики Хевисайд и Конелли выдвинули смелую гипотезу: ВЕРХНИЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ ДОЛЖНЫ СОСТОЯТЬ ИЗ ИОНИЗИРОВАННОГО ГАЗА! По причине того, что они подвергаются прямому воздействию жесткого космического излучения. И, безусловно, воздействию солнечного излучения! Но поскольку ионизированный газ является проводником, то радиоволны ДОЛЖНЫ ОТРАЖАТЬСЯ от верхних слоев атмосферы, как от зеркала! Споры на эту тему шли более 20 лет, пока, наконец в 1925 г., американские исследователи Туве и Брайт не дали этой гипотезе блестящее экспериментальное подтверждение!

«Н»: Погоди, я слышал о каком-то «слое Хевисайда»!

«А»: О нем, Незнайкин, речь и идет! Но вскоре оказалось, что отражающих слоев — несколько! Например, летним днем их не меньше четырех! Ближе всего к земной поверхности расположен слой D. Затем Е, и, наконец, F, который «распадается» на F1 и F2. Но если мы сейчас не остановимся, то можем «утонуть» в этих интереснейших вопросах!

«Н»: Жаль, хотя ты совершенно прав! Но, надеюсь, о свойствах топосферы Земли сегодня известно почти все?

«А»: Больше всего в восторг я прихожу от твоего «почти»! Нет, дорогой!

Эти свойства преподносят массу сюрпризов! О некоторых просто стараются не упоминать — так спокойнее!

«Н»: Это мне чем-то напоминает «эффект страуса»!

«А»: Согласен! В топосфере много непознанного, но в свое время под Москвой был создан ИЗМИРАН — институт земного магнетизма и хождения коротких волн для территории СССР (бывшего) на месяц вперед!

Но — хватит истории!

«Н»: Если я правильно понял, то есть несколько путей распространения радиоволн?

«А»: Да, это так! Для коротких волн, которые, как известно могут распространяться на любые расстояния, есть несколько путей. Самый простой путь распространения отраженных радиоволн — односкачковый. При этом дальность достигает, примерно, 3500 км. Существует такая вещь как многоскачковое распространение. При этом волна отражается последовательно несколько раз от ионосферы и поверхности Земли. Есть и еще одна возможность — рикошетирующее распространение. При этом виде распространения потери мощности получаются особо малыми!

«Н»: Ну и ну! А что получается, если короткие волны из одной точки «двинутся» сразу по двум или трем путям?

«А»: А то и получается, что в течение нескольких минут интенсивность (или уровень) сигнала в точке приема может измениться в СОТНИ РАЗ! Это явление известно как замирание или ФЕДИНГ. В основе этого явления — интерференция нескольких волн одной и той же длины, пришедших от передатчика к приемнику несколькими различными путями. А поскольку пути различны и непостоянны, то различны и непостоянны и фазы пришедших сигналов, которые, как правило, ослабляют друг друга! Я здесь, фактически, не затрагивал вопроса о «дневных» и «ночных» особенностях распространения радиоволн.

«Н»: Но как же пользоваться такими «ненадежными» волнами как короткие?

«А»: Круглосуточно, конечно! Их преимущества «при всём при том, при всём при том» настолько велики, что «охлаждение» интереса к ним не наблюдается ни со стороны профессиональной связи, ни со стороны радиолюбителей! И потом, как неоднократно подчеркивал Спец, для чего-то ведь существует и схемотехника!

«Н»: Так я уже в состоянии присутствовать на ваших беседах со Спецом?

«А»: Не так, чтобы очень! Но, пожалуй, можно рискнуть! И хотя мы ещё собственно схемотехники даже не коснулись, давай условимся о встрече со Спецом прямо сейчас! Пододвинь мне, пожалуйста, телефон!..

Глава 5. Экскурс в историю…

«Спец»: Рад приветствовать тебя, Аматор! И новому гостю почет и уважение! Проходите, садитесь! Кстати, Амат, ты успел рассказать нашему юному другу о транзисторах и микросхемах, хотя бы в самых общих чертах?

«Аматор»: Нет, уважаемый Спец, не успел! Тем более, что мне хотелось бы чтобы беседу на эту тему провели именно Вы!

«С»: Возможно, это оптимальная мысль! Но, насколько я понял, сегодня ты хотел побеседовать на другую тему?

«А»: Я и хочу на другую! Дело в том, что вопрос осознанного выбора исходной блок-схемы всеволнового современного радиоприемника оказался много запутаннее, чем это представлялось мне вначале!

Вроде бы все ясно! Ну есть «прямики» и есть значительно превосходящие их по своим возможностям «суперы»! Но оказывается, чем «дальше в лес, тем больше… да ну меня совсем»!

«С»: Кажется, я представляю в чем тут дело! Выбор исходной блок-схемы — это действительно основополагающий вопрос при любой мало-мальски серьезной разработке!

«Незнайкин»: Принципиальные электрические схемы — это еще куда ни шло… А вот что такое БЛОК-СХЕМЫ?

«С»: Ситуация понятна! Ну что же, друзья мои, полагаю, что вопрос надо ставить даже несколько шире!

Поэтому мы сегодня проведем «историческую беседу». И начнем мы именно с истории радиотехники!..

«А»: Отлично! Незнайкину это вообще необходимо, а я с удовольствием упорядочу свои познания в данном вопросе. Итак?…

«С»: Иногда приходится слышать спор на тему о том, кто и когда «открыл радио»!? Попов или Маркони?… Общемировое мнение на сей счет неоднозначно!..

Но нет сомнения, что успехи в электричестве и магнетизме базировались на изобретениях и открытиях Фарадея и Максвелла. Принципы электромагнитной индукции были истрактованы Майклом Фарадеем в 1831 г. А в 1832 г. он написал: «…я считаю, что теория колебаний будет применена к этому явлению (индукции), равно как и к звуку и, весьма вероятно, к свету».

Но только в 1855 г. Максвелл опубликовал статью «О силовых линиях Фарадея», а в 1864 г. дал миру ошеломляющую работу «Динамическая теория электромагнитного поля». Эта статья предсказывала существование радиоволн и возможность их распространения со скоростью света.

В 1887 г. выводы Максвелла были экспериментально подтверждены Генрихом Герцем. Он построил ИСКРОВОЙ ГЕНЕРАТОР электромагнитных волн и исследовал их свойства. Вот что представлял собой этот генератор (см. рис. 5.1).

Его основа — уже известный нам колебательный контур. Но… поскольку колебания в реальном контуре быстро затухают (а электронных ламп и транзисторов еще и в помине не было), то в качестве быстродействующего коммутатора, позволяющего заряжать конденсатор и переключать его от батареи к катушке, был использован… искровой промежуток между двумя металлическими шариками!

«А»: Обозначенный на схеме, как S?

«С»: Абсолютно верно! Здесь искру дает, так называемая, ИНДУКЦИОННАЯ КАТУШКА Румкорфа.

Кстати, разновидность катушки Румкорфа используется и в наше время в системе зажигания автомобилей!

Ток батареи, проходя через обмотку I, намагничивает ее железный сердечник. Он притягивает подвижной контакт К и… цепь разрывается. Магнитное поле исчезает и контакт замыкается снова. Весь процесс проходит с частотой нескольких сотен герц.

В момент размыкания цепи происходит следующее. ЭДС самоиндукции, возникающая в обмотках индукционной катушки L, пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Эта скорость достаточно велика! В результате на выводах обмотки I возникает импульс напряжения в ДЕСЯТКИ РАЗ ПРЕВЫШАЮЩИЙ по амплитуде напряжение батареи! А поскольку обмотка II содержит гораздо больше витков, то на ее выводах напряжение достигает нескольких десятков тысяч вольт! Конденсатор С заряжается до такого же напряжения. Искровой промежуток S регулировался так, чтобы он пробивался при напряжении, близком к максимально развиваемому катушкой!

Проскочившая искра замыкает цепь LC — контура и в нем возникает серия затухающих колебаний. Стремясь повысить частоту колебаний. Герц довел длину волны до трех десятков метров! Русский физик Лебедев сконструировал вибратор на длину волны ТРИ САНТИМЕТРА!

Вот почему первым сообщением Попова было имя Генриха Герца!

«А»: Вы имеете в виду Александра Степановича Попова!?

«С»: Разумеется, потому что именно преподавателю минных офицерских классов в Кронштадте А. С. Попову удалось сконструировать приемник электромагнитных волн, обладающий достаточной для практических целей чувствительностью!

«Н»: А как был устроен приемник Попова?

«С»: Очень изобретательно, как на то время! В приемной цепи Попов использовал «КОГЕРЕР». Это устройство изобрел незадолго до экспериментов Попова француз Бранли!..

КОГЕРЕР представлял из себя стеклянную трубку с двумя выводами, между которыми были засыпаны мелкие железные опилки. Из-за тонкого слоя окиси, содержащегося всегда на поверхности железных опилок, сопротивление КОГЕРЕРА — велико! Но только до того момента, пока на его выводы не подано высокое напряжение. Безразлично, постоянное или переменное!

«А»: Но ведь через обмотки реле Р1 напряжение батареи подается на КОГЕРЕР постоянно (см. рис. 5.2)?

«С»: Это действительно так! Но напряжения батареи недостаточно, чтобы «заработал» КОГЕРЕР. Через антенну А на него подается еще и высокочастотное напряжение. Именно оно приводит к тому, что опилки, как бы «слипаются» и сопротивление КОГЕРЕРА резко падает! При этом срабатывает реле Р1, притягивая якорь Я1. В этом случае замыкается контакт К1. Следовательно, срабатывает реле Р2, притягивая к себе якорь Я2. При этом разрывается силовая цепь посредством контакта К2. Через реле Р2 перестает протекать ток и под действием механической пружины Я2 возвращается в первоначальное положение.

Не только наличие антенны являлось важнейшим элементом приемника Попова, но и релейный усилитель постоянного тока также! Поскольку относительно слабый ток через когерер приводил в действие чувствительное реле Р1, контакты которого замыкали цепь электрического звонка.

«Н»: Но если исходить из этого рисунка, уважаемый Спец, то создается впечатление, что молоточек лупил не только по чашечке звонка, но еще и прямо по когереру!?

«С»: Атак оно и было! Именно таким образом КОГЕРЕР автоматически встряхивался после приема каждого электромагнитного импульса! И был готов к приему следующего!

Но заметьте, что в приборе Попова применяется и ЗАЗЕМЛЕНИЕ!

«А»: Я где-то читал, что приемник Попова называли «грозоотметчик»?

«С»: Это сам Попов так его назвал! С подключением наружной антенны удалось регистрировать грозы на расстояниях до 30 километров. Вот это устройство, а мы уже разобрали принцип его действия, А. С. Попов и продемонстрировал 7 мая 1895 года на заседании Русского Императорского физико-химического общества!

В дальнейшем было обнаружено, что КОГЕРЕР обладает детекторным эффектом, а для приема с 1899 г. стали использовать головные телефоны. В последующих опытах было замечено, что чувствительность приемника к слабым сигналам значительно возрастала, если с приемником был связан собственный, даже маломощный генератор! Настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала!

Собственный генератор получил наименование — ГЕТЕРОДИН. А сам приемник получил название — ГЕТЕРОДИННЫЙ.

25 октября 1906 года американский инженер Ли де Форест подал заявку на выдачу ему патента. Речь в нем шла о знаменитом «АУДИОНЕ»! То есть о трехэлектродной вакуумной лампе-усилителе! Хотя, если говорить строго, первые «аудионы» усиливали амплитуду входного напряжения меньше, чем в два раза! Шесть лет тяжких трудов ушло на то, чтобы «аудион» стал действительно усилителем!

В 1912 г майор — американец Эдвин Армстронг создал на основе «аудиона» электронный генератор незатухающих одночастотных колебаний. Я подчеркиваю — ОДНОЧАСТОТНЫХ!

«А»: Это потому, что искровые передатчики (генераторы) не обладали этим свойством?

«С»: Да, искровая техника этим свойством не обладала! Там можно было говорить только о некотором спектре частот!

Итак, генераторы Армстронга, а также Фореста и Александра Мейснера позволили получать чистые непрерывные синусоидальные сигналы! Вот схема лампового автогенератора на рис. 5.3.

«Н»: На схеме колебательного контура показан конденсатор со стрелкой! Это значит — переменный?

«А»: Мы, Незнайкин, ещё будем говорить на этот счет подробно! А что означает двойная стрелка между катушками, ты понимаешь?

«Н»: Не совсем, если честно!

«А»: А между тем это символизирует, что взаимное расположение этих обмоток можно изменять механическим регулированием!..

«С»: Ну что, идем дальше? В 1915 г. появились электронные лампы с высоким вакуумом. Эти лампы обеспечили возможность создания не только генераторов незатухающих колебаний, но также и усилителей слабых сигналов!

Поэтому в практику прочно вошли так называемые ПРИЕМНИКИ ПРЯМОГО УСИЛЕНИЯ. Но еще прежде них — ДЕТЕКТОРНЫЕ. Эго я рассказываю прежде всего для тебя, Незнайкин!

«Н»: Спасибо, большое спасибо!.. Но если бы к тому же я ясно представлял себе, что такое вообще ДЕТЕКТОРНЫЙ приемник!?..

«С»: Дорогой Аматор! Так вы не рассматривали процессы детектирования?…

«А»: Так судьба сложилась!.. Мы просто не успели этого сделать!

«С»: Но обойти этот вопрос молчанием мы не можем!

«Н»: Но как бы там ни было, КОГЕРЕР для этого сейчас уже не применяют?

«С»: КОГЕРЕР ушел в историю! Но, как говорится, «король умер — да здравствует король!» Вместо КОГЕРЕРА в современной радиотехнике используется КОГЕ…РЕНТНЫЙ ДЕТЕКТОР!

«Н»: Расскажите сначала об обычном!

«С»: «Вы просите песен? Их есть у меня!» А ну-ка, скажите мне, какой спектр или лучше диапазон частот занимает обыкновенная человеческая речь?

«Н»: Я где-то слышал, что диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот лежит в пределах от 16 до 20000 герц!

«А»: А обыкновенная речь (не музыка) ограничена диапазоном 150—4500 герц! Я не слишком ошибся?

«С»: Не слишком!.. Некоторые исследователи, кстати, считают, что диапазон воспринимаемых верхних частот простирается до 30 кГц! Однако понятно, что эти частоты сами по себе в «эфир» с помощью антенн приемлемых размеров переданы быть не могут! Поэтому для технического решения подобных задач используется МОДУЛЯЦИЯ. А что это такое, видно на примере так называемой АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ (см. рис. 5.4).

Вопросы к иллюстрирующим этот термин рисункам имеются?

«А»: У меня — нет! А у тебя Незнайкин?

«Н»: Только один! Высокая частота может быть любой?

«С»: В принципе, да! Но показанная здесь АМПЛИТУДНАЯ модуляция (или AM) применяется только в диапазонах ДВ, СВ и КВ!

Поскольку считается самой примитивной и помехонеустойчивой. Например, в диапазоне УКВ применяется более совершенная, ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ!

«Н»: А на рисунке ее можно изобразить?

«С»: Без проблем! Да вот она на рис. 5.5.

«Н»: То есть в этом случае непостоянна именно частота сигнала?

«С»: Конечно, при том, что амплитуда сигнала сохраняет свою величину! Имеются значительно более совершенные виды модуляции.

Например, ИМПУЛЬСНАЯ, ФАЗОВАЯ, ИМПУЛЬСНО-ЧАСТОТНАЯ и т. д. Но при всем, при том — в области длинных, средних и коротких волн для радиовещания применяется и будет применяться еще долго ИМЕННО ЭТА, такая «плохая» и «устаревшая» АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ!

«А»: Казалось бы, если уж она такая «плохая», то смените ее на другую — «хорошую» да и дело с концом!

«С»: Это уже давно пытаются сделать! Вот, например, еще в 1915 г. Джон Карсон изобрел ОДНОПОЛОСНУЮ МОДУЛЯЦИЮ, которая экономила и мощность, и полосу частот.

Любопытно, что однополосная модуляция (или SSB) появилась как практическое следствие математического анализа модулированной несущей!

Но прежде, чем говорить об SSB или, например, частотной модуляции, давайте вернемся к вопросам детектирования!

Прежде всего, Незнайкин! Для чего оно необходимо? Почему нельзя (см. рис. 5.4, иллюстрирующий AM) просто подать сигнал вида «в» на головные телефоны или динамик?

«Н»: «Это мы не проходили, это нам не задавали!» А, действительно, почему?

«С»: Потому что, сделай мы подобное, ничего-то бы мы с вами не услышали! Не может мембрана динамика колебаться с такой частотой! Да и ухо человека ВЧ — колебания просто не воспримет.

Значит, остается только один выход — ВЫДЕЛИТЬ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ СИГНАЛ! А как это сделать?

«А»: Наверное проще всего — применив для этой цели некий электронный прибор, имеющий высокую проводимость в одном направлении и исключительно низкую — в другом! Проще говоря, использовать для этой цели полупроводниковый ДИОД!

«С»: Ты безусловно прав! Но ведь вы с Незнайкиным еще не рассматривали диоды, транзисторы, микросхемы, оптроны и т. д.! Как же нам быть?

«Н»: А может, рассмотрим принципы выделения НЧ — сигналов без рассмотрения физических принципов функционирования диодов? А о самих диодах поговорим в последующих беседах?

«С»: Разумно! Итак, на представленной схеме показан простейший детектор амплитудно-модулированных сигналов, а рядышком представлена эпюра выходного напряжения UA. В качестве сопротивления нагрузки Rн могут использоваться наушники (рис. 5.6).

«Н»: А какова роль конденсатора С?

«С»: Накапливая на себе поступающий за время каждого полупериода электрический заряд, конденсатор С позволяет поддерживать на нагрузке плавно меняющееся напряжение низкой частоты. Поэтому разрядный ток, протекающий через Rн, будет являться не серией амплитудно-модулированных импульсов, а настоящим током НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ!

Ну вот! А теперь я рисую первую блок-схему, а ты, Незнайкин, постарайся ее правильно истрактовать (рис. 5.7)!

«Н»: «Я не волшебник, я еще только учусь», но мне кажется, что УВЧ — это усилитель высокой частоты, а УНЧ — соответственно, низкой частоты!

«А»: И какова же роль УВЧ?

«Н»: Я полагаю, что все дело в амплитуде высокочастотного сигнала, поступающего от антенны. Каким-то образом (я пока затрудняюсь объяснить этот феномен), но УВЧ, сохраняя временные зависимости относительного изменения амплитуды сигнала, способен увеличивать их абсолютный размах!.. Затем усиленный сигнал детектируется, а дальше поступает на вход УНЧ. Затем на динамик, после чего мы имеем удовольствие слушать интересные радиопередачи!

«С»: Поздравляю! Ты поведал нам об устройстве и принципе работы ПРИЕМНИКА ПРЯМОГО УСИЛЕНИЯ, в просторечии — ПРЯМИКА!

«Н»: А что, применяются и иные блок-схемы?

«С»: Вне всякого сомнения! Поскольку приемники прямого усиления имеют немалое количество очень серьезных недостатков. Ну, например, начинающие радиолюбители часто строят простенькие транзисторные «прямички». Но ТОЛЬКО для диапазонов длинных и средних волн!

«Н»: А почему их нельзя применить и для диапазона коротких волн?

«А»: Прежде всего потому, что входной настраиваемый колебательный контур (или целая система колебательных контуров), получивший в технической литературе наименование ПРЕСЕЛЕКТОР, не обладает сколько-нибудь существенной избирательностью в диапазоне коротких волн!

«Н»: А что такое вообще — ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ?

«А»: Вернемся к нашему избирательному контуру. И, в частности, к его АЧХ (см. рис. 5.8).

«Н»: А что это за вертикальные линии на рисунке, обозначенные как f1; f2; f3 и f4?

«А»: Здесь я представил вполне реальную ситуацию, когда в эфире, кроме станции с несущей частотой f0, работают еще и другие радиостанции. Вот их частоты и соответствуют изображенным на рисунке вертикальным линиям!

Но ты ведь не хочешь слушать и их тоже, причем ВСЕ СРАЗУ?!

«Н»: Так я же ничего не расслышу!

«А»: Ну так твой преселектор и помогает тебе настроиться на одну из них, в данном случае это и будет частота f0!

«С»: При этом обрати внимание, что амплитуды сигналов, развиваемые на антенном входе всеми пятью радиостанциями — РАВНЫ!

«Н»: Я отлично это вижу! Но заметил еще и то, что частоты f1 и f4 — совсем не воспринимаются преселектором, а частоты f2 и f3 — только частично…

«А»: Только те частоты, которые накрываются «колоколом» и проходят преселектор!

Но обрати внимание, что частота f0 при этом еще и возрастает по амплитуде!

Повторим еще раз, что КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР УСИЛИВАЕТ приходящие сигналы, частоты которых равны или очень близки его резонансной частоте!

«Н»: На нашей блок-схеме, кстати, я никакого преселектора не вижу!

«С»: Да потому, что его там просто нет! Кстати, «в последнее время стало модным разливать чай через ситечко»! Я это к тому, что нам будет удобнее, наряду с блок-схемами, пользоваться также СТРУКТУРНЫМИ СХЕМАМИ! Тогда, с учетом пожеланий Незнайкина, я изображу структурную схему приемника прямого усиления рис. 5.9.

«А»: Информация к размышлению, Незнайкин! — Z1 — преселектор; A1 — УВЧ; U1 — амплитудный детектор; А2 —УНЧ; BF1 — телефоны или динамик.

«С»: Я полагаю, дорогой Аматор, что в дальнейшем мы будем прибегать только к структурным и принципиальным электрическим схемам!

«А»: Очень хорошо! Я придерживаюсь того же мнения, уважаемый Спец!

«Н»: Принято единогласно!.. Но у меня вопрос относительно изображенной выше характеристики преселектора. И, в связи с этим, о бесполезности «прямика» в диапазоне КВ…

«С»: Выкладывай, дорогой Незнайкин! Мы для этого и собрались!

«Н»: Расстояние между частотами f1; f2; f3 и f4 выбрано случайно?

«С»: Не совсем!.. В современном мире огромное количество радиостанций! И вопрос о том, что надо предпринять, чтобы они не мешали друг другу, непрерывно решается в течение вот уже многих десятков лет! В диапазонах длинных, средних и коротких волн интервал по частоте выбран равным 9 кГц в Европе. А в Америке и Японии даже 10 кГц.

При таком распределении частот получается, что в диапазоне ДВ размещается 28 каналов, а в СВ — 120 каналов! Но только в европейском регионе число радиостанций значительно больше числа каналов!

Таким образом, одинаковые частоты отведены радиостанциям, максимально удаленным друг от друга территориально. И днем положение терпимо. Однако ночью не редкость ситуация, когда на одной частоте прослушиваются две — три радиостанции. Ничего не поделаешь! В эфире тесновато!

«Н»: А уменьшить интервал с 9 кГц до 3–4 никак нельзя?

«С»: Взгляни на следующий эскиз (рис. 5.10)!

Здесь я изобразил частотный спектр AM — сигнала ОДНОЙ радиостанции. Следовательно, даже отведя на одну станцию полосу частот 9 кГц, передать сигнал, в котором содержится ВЕСЬ воспринимаемый ухом звуковой спектр — НЕЛЬЗЯ! Самая верхняя звуковая частота, это — 4,5 кГц! Хотя должен сказать, что если не слишком придираться к качеству звука, этого вполне хватает даже для приема ритмов современной музыки.

Зато информацию в диапазоне КВ можно «ловить» из ЛЮБОЙ ТОЧКИ ЗЕМНОГО ШАРА!

«Н»: А буква Fв что означает?

«С»:Fв — это НАИВЫСШАЯ ЗВУКОВАЯ МОДУЛИРУЮЩАЯ ЧАСТОТА.

«А»: А что делается для улучшения ситуации в эфире? Кроме чисто тривиальных методов, например, понижения Fв?

«С»: Ну вообще-то, чтобы существенно улучшить качество радиовещания в диапазонах ДВ, СВ и КВ, его следует коренным образом перестроить!

Я понимаю, само слово «перестройка» сейчас иначе, как с сарказмом, не воспринимается! Но куда деваться? Амплитудная модуляция впервые была предложена еще при царе Горохе! Она и не эффективна, она и расточительна!

Ее динамический диапазон крайне мал! И т. д., и т. п.!

Но, повторяю, она ИСПОЛЬЗОВАЛАСЬ, ИСПОЛЬЗУЕТСЯ и БУДЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ, поскольку самая дальнобойная!

«А»: Да, чудные дела Твои, Господи! Так что же делать?

«С»: Или, как говорил незабвенный Шура Балаганов: «как снискать хлеб насущный?» Прежде всего — никакой паники! Следует спокойно и конструктивно порассуждать на тему о том, как велика и обширна современная компонентная база и приборный парк электроники!

А после этого подумать о целом ряде способов, которые следует применить для решения этой «неразрешимой» задачи! Да вот вам пример! Только 5 процентов мощности излучаемого AM — сигнала несут полезную информацию! А, остальные 95 процентов приходятся на несущую, которая никакой полезной информации не несет! Так вот, мысль была такая — не передавать несущую частоту f0 через эфир!

«Н»: А это возможно?

«С»: Оказывается… да! И в основе лежит, так называемый, СИНХРОННЫЙ ПРИЕМ! Но… электроника не терпит расхлябанности и непоследовательности! А потому… вернемся к истории развития радиоприемной техники!

Мы уже упоминали ГЕТЕРОДИННЫЙ ПРИЕМНИК. Вот так он выглядит на структурной схеме (рис. 5.11). Стрелка означает, что его можно перестраивать по частоте.

«А»: В чем особенность работы гетеродинного приемника?

«С»: В том, что на детектор воздействуют ДВА сигнала. Входной — от антенны WA и гетеродинный — который генерируется местным генератором G.

Так вот, если частота гетеродина ненамного (400—1000 Гц) отличается от частоты передатчика, то на выходе детектора появляется напряжение «биений» с разностной звуковой частотой.

«А»: И все же, дорогой Спец, я не совсем ясно себе представляю, что дает введение в схему детекторного приемника еще и гетеродина?

«С»: Ты знаешь, что чувствительность детекторного приемника оказывается слишком низкой! Даже подключение на выходе детектора УНЧ не спасает положения. Поскольку для того, чтобы детектор «заработал», необходимо, чтобы амплитуда сигнала на его входе достигала нескольких милливольт. А еще лучше — нескольких десятков милливольт!

Иное дело — гетеродинный приемник! Математический анализ показывает, что полезное, напряжение на выходе детектора является СУММОЙ продетектированного сигнала и продетектированного напряжения гетеродина!

А кроме того, в эту сумму входят еще БИЕНИЯ между колебаниями сигнала и гетеродина. Но добавление гетеродинного напряжения к сигналу на обычном детекторе не избавляет от прямого ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПОМЕХ!

«А»: То есть влиянию помех гетеродинный приемник (ГП) подвержен значительно?

«С»: Во всяком случае, в представленном выше виде!..

Поэтому ГП, автодины, синхродины и прочая техника 20-х годов ушла в прошлое безвозвратно!

«Н»: А что такое АВТОДИНЫ?

«С»: Это устройства, применяющиеся для автодинного приема. Сущность его в том, что он является ПОЧТИ генератором Мейснера. Если в схему этого генератора добавить цепь индуктивной связи с антенной и телефон, шунтированный конденсатором в анодной цепи лампы, то мы и получим схему автодинного приемника! В контуре существуют два колебания сразу. Собственное и принимаемое. Их частоты сдвинуты нате же 400 — 1000 Гц.

Вырабатывается сигнал биений. Он проявляется в виде свиста, тон которого меняется. Автодинные приемники являлись почти идеальными для приема телеграфных сигналов.

«А»: Я краем уха слышал, что имеются приемники, использующие какую-то технику ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ?

«С»: Мы обязательно будем говорить о принципах этой техники, но позднее!

А сейчас, мои дорогие друзья, хочу заметить, что среди большого количества самых разнообразных разновидностей приемной техники (а мы упомянули далеко не о всех) особое место занимает выдающееся изобретение электроники 20 века — СУПЕРГЕТЕРОДИН!

Глава 6. Что такое «супергетеродин»?

«Спец»: Первый супергетеродинный приемник капитан корпуса связи армии США Эдвин Говард Армстронг, служивший в то время во Франции, (а это было время Первой Мировой войны) собрал на территории Европы. Он подал заявку на патент в США из Парижа 30 декабря 1918 года, а получил патент 3 июля 1920 г. Супергетеродин — это величайшее достижение не только Армстронга, но всей электронной техники вообще!

«А»: Что, неужели за 80 лет не появилось никакой более удачной идеи?

«С»: Представь себе — нет! Хотя вариаций на тему супергетеродинного принципа имеется великое множество!

Первоначально Армстронг разработал супергетеродин с целью изыскать способ усиления сигнала на тех частотах, которые были недоступны для электронных ламп того времени. Именно с появлением супергетеродинной схемы, радиотехника стала бурно развиваться!

«Н»: Уважаемый Спец! Но что же представлял из себя супергетеродин Армстронга? И в чем заключается его феноменальный секрет?

«С»: Вот структурная схема супергетеродина (рис. 6.1).

Принцип супергетеродинного приема состоит в том, что принятые колебания преобразуются по частоте в некоторую ПРОМЕЖУТОЧНУЮ частоту. Вот на ней и происходит основное усиление сигнала! А поскольку промежуточная частота — фиксирована, в УПЧ можно задействовать значительное число контуров, обеспечивающих необходимую избирательность!

«Н»: Но ведь ранее мы знакомились с замечательными свойствами колебательного контура! Разве с его помощью нельзя добиться необходимой избирательности? Зачем для этого нужна целая система контуров?

«С»: Дорогой Аматор! Что слышу я из уст нашего друга? Вы разве не касались вопроса АЧХ связанных контуров? Или того, какова может быть предельная избирательность?

«Н»: Это я виноват! Слишком торопил Аматора согласиться на мое участие в вашей с ним беседе!..

«С»: Не беда! Однако, поскольку супергетеродин — это очень серьезно и никаких «галопом по европам» здесь не будет, я попрошу нашего уважаемого Аматора прямо сейчас продолжить тему о колебательных контурах и избирательности!

«А»: С удовольствием! Для чего предлагаю вернуться еще раз к АЧХ колебательного контура. Но сейчас в наши рассуждения мы добавим немного конкретики (см. рис. 6.2).

Так все СЕМЬ представленных частот f1—f6, а также f0, разделены частотным промежутком, или интервалом, равным 10 кГц. Представим, что резонансная частота, на которую настроен входной контур, совпадает с f0. И, кроме того, что прием ведется в диапазоне КВ. Для удобства рассуждений принимаем f0 = 10 МГц! То есть длина волны составляет 30 метров! Кроме того принимаем, что добротность контура Q = 100.

«С»: Должен заметить, что это весьма неплохой контур!

«А»: Согласен! Теперь подсчитаем, чему равна полоса пропускания нашего контура и увековечим ее очертания на представленном выше рисунке.

Q = f0/Δf;

Δf = fo/Q = 107/102 = 105 Гц!

То есть полоса нашего контура равна 100 кГц! И это по уровню 0,707!..

«Н»: Как же так!? Ведь из этого следует, что наш контур не обладает, практически, НИКАКОЙ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ!

«А»: Совершенно верно, Незнайкин! Приведенный пример ясно показывает, что даже на частоте 10 МГц, контур уже не обладает ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ ПО СОСЕДНЕМУ КАНАЛУ! (Это узаконенный технический термин, который показывает — во сколько раз ослабляется селекторной цепью сигнал частоты, отстоящей от f0 на 10 кГц, если входные величины их сигналов — равны!)

«Н»: Но может стоит просто взять Q = 1000?

«А»: Ты воображаешь, что это так просто сделать? В какой-то степени дело можно улучшить, если резко увеличить размеры катушки. Намотать ее толстым проводом, лучше посеребреным, на очень качественном диэлектрическом каркасе. Но и в этом случае, для реального контура получить Q больше 250 вряд ли удастся! А поскольку, как ты еще убедишься дальше, катушек таких в серьезном приемнике достаточно много, то габариты его могут стать вовсе неприемлемыми!

«С»: А кроме всего прочего, даже это не спасает положения! При Q = 250, полоса пропускания находится на уровне 40 кГц!

«А»: Легко видеть, что в полосе приема этого контура (Q = 250) будет прослушиваться ПЯТЬ каналов одновременно!

«Н»: Но ведь подобный преселектор — это ВСЕ, чем располагает «прямичок» для отстройки от мешающих станций!

«А»: Не совсем так… Мы ведь еще не рассматривали системы СВЯЗАННЫХ КОНТУРОВ. Их еще называют ПОЛОСОВЫМИ ФИЛЬТРАМИ. Простейшие полосовые фильтры состоят из двух связанных между собой высокодобротных контуров, настроенных на несущую частоту. Изменяя связь между ними, можно значительно улучшить форму АЧХ, приблизив ее к идеальной, прямоугольной.

«Н»: Как можно представить себе полосовые фильтры?

«А»: Да вот хотя бы так, как показано на рис. 6.3. Хотя возможны и другие конфигурации. Полосовые фильтры не дают заметного повышения добротности, но зато делают более крутыми боковые склоны АЧХ. «Срез» АЧХ полосового фильтра по уровню 0,707 в отличие от одиночного контура, очень незначительно превосходит по ширине свое «основание»!

«Н»: Но полностью задачу это ведь все равно не решает?

«А»: Ну конечно нет! Вот почему и возник вопрос о том, нельзя ли для повышения избирательности по соседнему каналу, каким-либо способом понизить несущую частоту сигнала в приемнике, сохранив ее, однако, в передатчике!

Оказалось, именно это блестяще и подтвердил Армстронг, что подобное вполне реально!

«Н»: А с помощью какой лампы Алладина это удалось сделать?

«А»: С помощью так называемого СМЕСИТЕЛЯ, осуществляющего процесс преобразования частоты!

«С»: Вообще в различной радиоаппаратуре особую роль играют, так называемые, НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ. Это и детектирование, и модуляция, и даже некоторые случаи усиления сигнала. Основным признаком всякого нелинейного процесса является, Аматор…

«А»: …Изменение формы электрического сигнала, в результате чего в его спектре появляются НОВЫЕ ЧАСТОТНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ!

Однако нелинейный процесс осуществляется только в том случае, если в состав цепи вводится простой или сложный, но обязательно НЕЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ!

Вот именно к числу таких, нелинейных процессов, относится и ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАСТОТЫ, лежащее в основе СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО метода приема.

«С»: Так вот, если к такому нелинейному элементу одновременно подвести два сигнала с различными частотами f1 и f2, то в цепи этого элемента появятся самые различные комбинации этих сигналов!..

Вузовские курсы по радиотехнике перечисляют несколько комбинаций, которые при этом получаются! Но нас интересуют только две… Так Аматор?

«А»: Мне очень неловко в этом признаться, но я всегда считал, что только одна!.. А именно f1 — f2. При том, что частота гетеродина fгет = f1, a f2 — частота несущей канала, в котором осуществляется прием… То есть fгет — fсигн.

«С»: Ты совершенно прав, но не следует забывать и о такой комбинации, как fсигн— fгет.

«А»: Ну конечно! Это ведь так важно для понимания термина ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ ПО ЗЕРКАЛЬНОМУ КАНАЛУ!

«С»: Друг мой, ты совершенно прав, но я имел в виду не только это… Кстати, чему соответствует эта разность частот?

«А»: fгет — fсигн? Она равна fпр, то есть ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЕ!

Однако особенно следует отметить следующее обстоятельство — если один из двух сигналов, породивших сигнал промежуточной частоты, будет модулированным, то сама промежуточная частота окажется… ПРОМОДУЛИРОВАННОЙ ЭТИМ ЖЕ САМЫМ СИГНАЛОМ!

Ну и совсем нетрудно понять, что поскольку fгет — это чистый, синусоидальный сигнал, то из этого следует, что произойдет перенос модулирующего сигнала (речь, музыка) на fnp!

«Н»: Здорово! А какой обычно выбирается промежуточная частота?

«С»: Дорогой Незнайкин! Спросил бы ты это, скажем, лет 20 назад, то я не моргнув глазом, с чувством глубокой убежденности ответил бы так. А именно, что промежуточная частота строго стандартизирована и равна в Европе — 465 кГц, а в США и Японии — 455 кГц!

«А»: А сейчас, как писал Дюма, «20 лет спустя», разве это не так?

«С»: Мы еще не раз будем иметь возможность убедиться, что совсем не так!

Но не будем пока брать это в голову! Продолжай пожалуйста, Аматор!

«А»: …Так вот, давайте посмотрим, чему будет равна полоса пропускания полосового фильтра, настроенного на частоту 465 кГц, если его добротность — 100?

«Н»: Даже я могу легко подсчитать, что полоса составляет 4,65 кГц!

«А»: И это в то самое время, как каналы от f1 и до f6 по-прежнему разделены промежутком в 10 килогерц! Прошу взглянуть на рис. 6.4.

Теперь в полосе приема оказалась ТОЛЬКО ОДНА СТАНЦИЯ! Поскольку после смешения частот и получения fпром в АЧХ «вмещается» только ОДИН канал! Приведем численное обоснование сказанного:

Итак,

f0 = 10 МГц; fгет = 10,465 МГц;

тогда:

fгет — fпром = 465 кГц!

Рассмотрим ситуацию с ближайшим каналом, частота которого равна:

f3 = 10,010 МГц.

При той же частоте гетеродина, равной 10,465 МГц, имеем:

fгет — f3 = 10,465 МГц — 10,010 МГц = 455 кГц.

В полосу пропускания контура промежуточной частоты f3 уже НЕ ПОПАДАЕТ!

«Н»: Вот что дает перенос полезного сигнала на новую несущую, равную fпром!

Мне кажется, что добротности, равной 100, здесь даже многовато!

«С»: Совершенно верно! Поэтому полосовые фильтры на 465 кГц, используемые для радиовещательных приемников, имеют обычно Q = 70–80. Попутно решалась задача, стоящая перед Армстронгом — как получить устойчивое высокое усиление для сигнала радиочастоты.

«Н»: А разве для ВЧ сигнала действительно необходимо высокое усиление?

«А»: Давай посмотрим… Пусть на антенном входе интересующая нас станция развивает сигнал, величина которого равна 50 микровольт!

«Н»: Так мало?

«А»: Ты хотел сказать — так много?! Потому что сигнал, обычно, несколько меньше!.. Подать на вход детектора необходимо хотя бы милливольт 100–200! Таким образом, даже при самом грубом подсчете, коэффициент усиления по напряжению до детектора — порядка нескольких тысяч! А реально, учитывая потери в аттенюаторе, преобразователе частоты и т. п. — несколько десятков тысяч раз!

«С»: А то и больше!

«А»: Однако сделать хороший усилитель высокой частоты (имеется в виду — однокаскадный) с коэффициентом усиления по напряжению «всего» 50 раз — задача очень непростая!

Ты, Незнайкин, еще вспомнишь мои слова насей счет! В то же время сделать хороший УПЧ с коэффициентом усиления НЕСКОЛЬКО ТЫСЯЧ — задача значительно более легкая!

«Н»: Ты меня убедил! А что, недостатков у супергетеродина действительно нет?

«А»: Да может ли такое быть? Это ведь не божественная сущность, а техническое устройство!

Основными недостатками супергетеродина является наличие ДВУХ крайне нежелательных каналов приема, которые всегда существуют независимо от того, в каком диапазоне осуществляется прием…

«С»: Я, пожалуй, не стал бы так категорически утверждать, что «всегда», хотя для рассмотренной структурной схемы супергетеродина Армстронга-Леви это действительно справедливо!.. Но дорогой Аматор, прошу прощения за вмешательство!

«А»: Я только благодарен за него, дорогой Спец, поскольку если с этими недостатками существуют средства борьбы, то я искренне рад!

«Н»: Не отвлекайтесь, пожалуйста!.. Так какие это ДВА канала?

«А»: Это ПОБОЧНЫЕ каналы приема, в дальнейшем будем называть их ПОМЕХАМИ. Первый — это ЗЕРКАЛЬНЫЙ канал (зеркальная помеха). Второй — помеха с частотой, равной промежуточной. Итак, во-первых, рассмотрим, что представляет из себя помеха по зеркальному каналу.

Мы уже говорили, что в супергетеродинах частота гетеродина ВСЕГДА выше частоты принимаемой станции. Будь это не так, мы просто не смогли бы принимать станции, расположенные в диапазоне длинных волн, поскольку частота гетеродина при этом должна была бы стать ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ!

Но представим себе, что прием ведется в диапазонах СВ или КВ. Наш приемник настроен на частоту, равную 10 МГц. Мы ведь уже имели с ней дело, не так ли? При этом частота гетеродина:

fгет = 10,465 МГц.

А теперь вообразим (фантазия для этого нужна не бог весть какая), что на вход приемника поступает еще один сигнал, частота которого:

fc2 = 10,930 МГц.

В этом случае разностная частота равна… 465 кГц!

«Н»: Значит для тракта промежуточной частоты совершенно безразлично, какой из двух сигналов усиливать! Если на вход УПЧ поступают вышеупомянутые частоты (10 МГц и 10,930 МГц), то усиливаться и детектироваться они будут ВМЕСТЕ и ОДНОВРЕМЕННО!

«А»: Именно так! Поэтому с полным основанием можем записать:

fзерк. = 2fпром. = 930 КГц!

Это соотношение справедливо при ЛЮБОЙ настройке приемника!

«Н»: А разве 930 кГц разницы — это мало?

«А»: А вот сейчас посмотрим (см. рис. 6.2)!.. Входной преселектор, собственно и нужен, чтобы отсечь зеркальный канал или «зеркалку»! И для частоты 10 МГц это удается сделать достаточно удовлетворительно.

Действительно:

f0 = 10 МГц; Q = 100.

Тогда полоса частот по уровню 0,707 равна 100 кГц!

Вроде бы — все отлично! Но не забывай, Незнайкин, что мы говорим про уровень 0,707! А что будет, если посмотреть «колокольчик» по уровню 0,1, скажем?

«Н»: Да ведь полоса тогда почти ВЧЕТВЕРО шире!

«А»: Да и запас селективности уже невелик!

То есть в этом случае преселектор уже не в силах существенно подавить помеху по «зеркалке»! И если нежелательная станция создаст на входе сигнал, раз в 20–30 больший, чем сигнал интересующей нас станции, то амплитуда зеркальной помехи будет равна или даже будет превосходить амплитуду принимаемого сигнала! Ситуация эта встречалась достаточно часто!

«Н»: Но без преселектора было бы еще хуже?

«А»: Вне сомнения! Поэтому в супергетеродинах преселектор ставится всегда! Чтобы хоть как-то ослабить зеркальный канал!

«С»: У преселектора есть и дополнительные обязанности. Благодаря ему значительно снижается напряжение шумов, действующих на входе.

«А»: Давайте о шумах побеседуем отдельно, если вы не против!

«С»: И о шумах, и о помехах мы еще будем говорить! А пока, Аматор, продолжай.

«А»: Кроме помехи по зеркальному каналу, существует еще одна. Несмотря на то, что промежуточная частота выбрана из того расчета, что она «свободна» от радиостанций, в процессе работы двигателей, сварочных аппаратов, рекламных щитов и т. д., наводки с частотой 465 кГц достаточно часто проникают в приемную антенну!

Для борьбы с этим видом помехи, в антенной цепи приемника устанавливают различные фильтры. Например, фильтр — пробку, представляющий собой обычный параллельный колебательный контур, настроенный на частоту 465 кГц и включенный в антенную цепь. А поскольку на резонансной частоте такой контур имеет большое сопротивление, он не пропустит на вход приемника сигналы с частотой равной 465 кГц!

«С»: Ну, что же, сегодня мы начали говорить о супергетеродине. И, согласитесь, он стоит того, чтобы продолжить эту тему завтра!

Глава 7. От одиночного преобразования — к двойному!

«С»: Ну как, пришли в себя? Продолжим наш рассказ?

«А»: Но я, в общих чертах, уже всё рассказал, дорогой Спец!

«С»: Не совсем, друг мой!.. Мы не отметили ещё один момент, который характерен для преселекторов, перестраиваемых с помощью конденсаторов переменной емкости, а это ведь присуще именно Супергетеродину Армстронга, не так ли?

«Н»: Ну конечно, я тоже видел, что из себя представляет конденсатор переменной емкости! Аматор показывал мне сдвоенный и строенный конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком. И объяснил, зачем это сделано.

«А»: Да, уважаемый Спец! Я рассказал Незнайкину, что путем механического вращения, осуществляемого посредством ручки настройки и системы шкивов, ротор, представляющий собой ось с укрепленными на ней пластинами перемещается относительно неподвижных пластин статора, чем достигается изменение емкости. А сдвоенными или строенными эти конденсаторы делаются, например, для того, чтобы можно было реализовать, скажем, такую структурную схему супергетеродина (рис. 7.1).

Он (я имею в виду представленный супергетеродин) представляет собой современный радиоприемник, в котором имеется еще и предварительный усилитель высокой частоты, на выходе которого применен второй селектор частоты. А конструктивно и преселектор Z1 и селектор Z2 перестраиваются одновременно, посредством двух секций конденсатора переменной емкости, а третья секция входит в состав гетеродина…

«С»: Дорогой Аматор, ты совершенно верно нарисовал структурную схему достаточно сложного радиовещательного приемника, так называемого, «высокого класса». Но поверь, СОВРЕМЕННЫМ этот приемник не является уже более ПОЛУВЕКА! То что ты нарисовал — это уровень радиотехники ТРИДЦАТЫХ ГОДОВ!

«А»: Как… ведь транзисторные приемники 60-х—70-х годов выпуска, причем самые дорогие, строились именно по этой схеме?!

«С»: Да, строились! Причем до самого недавнего времени! Пока эти самые «современные советские приемники высшего класса» не оказались, образно говоря, на «помойке» мирового рынка! Не помогли ни транзисторы, ни микросхемы! Но мы с вами, друзья мои, люди дела. Поэтому продолжим наш рассказ…

«А»: Сделайте это лучше Вы, Спец!

«С»: Ну и ладно!.. Но прежде о том самом моменте преселекторов… Как будет меняться форма «колокола» во время перестройки конденсатора от минимальной до максимальной емкости?

«А»: Поскольку: Q равно корень квадратный из L деленное на С и всё это деленное на R, то в связи с тем, что соотношение L деленное на С — возрастает при перестройке конденсатора от Сmax до Сmin, добротность тоже должна возрастать и колокол должен… вытягиваться вверх!

«С»: Это теоретически совершенно верно, однако практика подтверждает существование обратной зависимости — по мере повышения частоты в пределах диапазона, колокол становится ниже, как это и показано на рис. 7.2!

«А»: Но почему?

«С»: Дело в том, что в упрощенную формулу не входят, например, такие параметры, как КОНСТРУКТИВНАЯ ДОБРОТНОСТЬ. Ведь индуктивность характеризуется именно ей! Так с ростом частоты конструктивная добротность L падает. Увеличивается и сопротивление R.

«Н»: А вот этого я уже никак не понимаю! Почему может меняться R?

«С»: Из-за, так называемого, СКИН — ЭФФЕКТА. Этот эффект заключается в том, что с ростом частоты, токи высокой частоты распространяются только по поверхности проводника. Иначе говоря, происходит высокочастотное перераспределение плотности тока по сечению провода, которым намотана L. Это эквивалентно уменьшению сечения проводника, что адекватно возрастанию R! Но главным следствием является следующий факт — избирательность по соседнему каналу (у рассмотренных вариантов супергетеродина) в пределах диапазона не является постоянной величиной!

Информация для размышления: у рассмотренных супергетеродинов избирательность по соседнему каналу составляет 42–46 дБ, а по зеркальному каналу не более чем 32–40 дБ! Это совершенно не соответствует современным мировым стандартам!

«А»: Хорошо, но что нового тогда дала радиотехника 40-х и последующих годов?

«С»: Прежде всего, схемы построенные с использованием МНОГОКРАТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ!

Следует сказать и о том, что в тридцатые годы загруженность эфира была значительно ниже, чем сегодня. И тем не менее к концу тридцатых были найдены методы, с помощью которых стало возможным то, что ранее считалось просто недостижимым!

Одним из принципиально новых путей, которых удалось достичь, используя возможности ДВОЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ, является способ кардинального повышения селективности (избирательности) тракта высокой частоты (радиочастоты). Речь идет о предложенном в мае 1941 года советским инженером Юзвинским методе, именуемом с той поры «цепью Юзвинского». Вот она на рис. 7.3).

«А»: Это следует понимать так, что на выходе восстанавливается все та же частота сигнала?

«С»: Вот именно! Но обрати внимание, что в «цепи Юзвинского» частота гетеродина fгет ВСЕГДА НИЖЕ чем частота сигнала fсигн!

И вот почему:

fпр = fсигн — fгет.

После второго преобразования:

fсигн.2 = fпр + fгет = (fсигн — fгет) + fгет = fсигн!

Понятно, в чем «изюминка»?

«А»: Получается, что селективность «цепи Юзвинского» эквивалентна применению колебательного контура с добротностью, равной МНОГИМ ТЫСЯЧАМ?

«С»: Ну конечно же! Представь себе, что fпр = 465 кГц, например. Тогда и полоса пропускания будет соответствующей! То есть порядка 10 кГц!

УПЧ А1 способен без труда повысить амплитуду сигнала fпр в сотни раз! А затем второй смеситель U2 восстанавливает частоту сигнала ВЧ (РЧ), который далее можно подать на вход обычного «супера»! Избирательность по соседнему каналу при этом достигает уже не десятков, а ТЫСЯЧ РАЗ!

«А»: Но я не видел ни одной схемы радиовещательного приемника, в которой использовалась бы такая цепь!

«С»: А в отечественных разработках бытовой радиотехники это решение и не использовалось! Да и в радиолюбительских конструкциях подобное встречалось не более двух раз!

«А»: А «за бугром»?

«С»: А «за бугром» и техника, и люди серьезные. Там в массовые или, будем говорить, в серийные радиоприемники разнообразные методы двойного преобразования частоты прочно вошли уже в начале 70-х годов! Да и «цепь Юзвинского» получила достаточно широкое распространение.

Да вот, к примеру, в интереснейшем, профессиональном журнале «Электроника» (№ 4 за 1975 г.) владелец известной во всем мире немецкой радиотехнической фирмы ROHDE&SCHWARZ Inc. сам господин Роде, опубликовал большую программную статью под названием «Улучшение технических характеристик современных приемников».

В ней, фактически, была дана совершенно новая концепция построения супергетеродинов! В этой статье, между прочим, по ходу дела приводятся и примеры оптимального построения «цепи Юзвинского». Как обычной, так и ДВОЙНОЙ!

Но в статье Роде «цепь Юзвинского» играет уже чисто вспомогательную роль! Концепция, предложенная фирмой, совершенно иная. Именно эта концепция и может считаться «уровнем радиоприемной техники середины семидесятых»!

«Н»: Имеется в виду ВСЯ радиоприемная техника?

«С»: Ни в коем случае! Нас ведь, в конечном счете, интересуют не стационарные, а мобильные, ПЕРЕНОСНЫЕ приемники, собственный вес которых не должен превышать 15 кг!

«А»: Теперь я понимаю ваше замечание о том, что можно считать современным приемником, а что нет!

«С»: Да, мы говорим сейчас именно об уровне семидесятых!.. Прежде, чем двинуться дальше, я все же приведу структурную схему радиоприемника, о котором говорил г-н Роде (рис. 7.4)!

Ну вот, друзья мои… Вопросы, замечания имеются?

«А»: Вопросов у меня лично так много, что я просто не знаю с которого начать!?…

«С»: Как всегда, начинай с самого начала, то есть с Z1!

«Н»: Вот как раз к с Z1 претензий не имею! Но следующий узелок обозначен, как R! Что это такое и зачем он нужен?

«С»: Ну что же, как сказал однажды персонаж какого-то авантюрного романа: «пришла пора расплачиваться за все!» Я в данном случае имею в виду расплату за то, что мы до сих пор не затрагивали вопроса о, так называемой, РЕАЛЬНОЙ (или МНОГОСИГНАЛЬНОЙ) СЕЛЕКТИВНОСТИ!

«А»: Лучше позже, чем никогда!

«С»: Ты прав, мой друг, ты прав!..

Итак, реальная или многосигнальная селективность — это способность приемника выделять слабый сигнал в присутствии мощных мешающих сигналов, лежащих ВНЕ полосы пропускания приемника! Источником помех от этих сигналов является смеситель… РЕАЛЬНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ!.. Поскольку, если бы операция перемножения напряжений сигнала и гетеродина выполнялась абсолютно точно, то никаких помех от внеполосных сигналов не возникало бы вообще! В этом случае РЕАЛЬНАЯ селективность приемника совпадала бы с ОДНОСИГНАЛЬНОЙ, которая определяется, как…

«А»: …как ослабление сигнала при расстройке приемника относительно некоторой частоты, которую мы считаем за частоту настройки f0!

«С»: Как жаль, что реальные смесители неидеальны!

Они, во-первых, детектируют входной сигнал, что порождает, так называемые, ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ПОМЕХИ!

Во-вторых, смешивают РАЗЛИЧНЫЕ входные сигналы между собой. Это можно себе представить так, будто один из сигналов БЕРЕТ НА СЕБЯ функцию гетеродинного сигнала для другого! Эти помехи получили наименование ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ!

Если немодулированная по амплитуде помеха достаточно велика, то ее сигнал может продетектироваться в смесителе, создавая на его нелинейных элементах (диодах, транзисторах и т. д.) постоянное смещение. Коэффициент передачи смесителя при этом — падает, а шумы — возрастают! Это явление называют ЗАБИТИЕМ!

Есть еще такая разновидность помех, как ШУМОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ. При воздействии сильного ВНЕПОЛОСТНОГО сигнала увеличивается общий уровень шумов приемника. Шумовая модуляция зависит от того, насколько чистый спектр имеет сигнал собственного гетеродина приемника!

«А»: То есть следует самым тщательным образом «вылизывать» форму сигнала гетеродина?

«С»: Именно так! Поскольку, хотя и незначительно, тепловой шум по амплитуде и фазе МОДУЛИРУЕТ напряжение гетеродина. При этом, ЧЕМ ВЫШЕ ДОБРОТНОСТЬ КОНТУРА гетеродина, тем меньше амплитуда его спектрального «мусора»!

А вот еще один неприятный случай! Представьте себе, что вблизи от вашей частоты настройки находится мощный сигнал АМ-станции, содержащий и несущую, и боковые полосы. При детектировании его на выходе смесителя выделяются частоты модуляции. Причем, вращением ручки настройки (то есть изменением частоты гетеродина) отстроиться от помехи НЕВОЗМОЖНО!

Приемник работает в режиме ПРЯМОГО детектирования, т. е. — как детекторный!

ПЕРЕКРЕСТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ поясняется тем, что мощная помеха детектируется в высокочастотных каскадах! При этом продетектированный сигнал ИЗМЕНЯЕТ их коэффициент передачи, модулируя полезный сигнал.

Что касается ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ помех, то они возникают при условии, что два ВНЕПОЛОСНЫХ сигнала fвп1 и fвп2 удовлетворяют следующему условию:

2fвп1 — fвп2 = f (частоте, попадающей в полосу пропускания приемника).

«А»: Уважаемый Спец, то что мы с Незнайкиным сейчас узнали, настолько нас обеспокоило, что может стоит составить своего рода «рецепт» как бороться со всем этим безобразием?

«С»: Я не против… Значит, во-первых… Шумовая модуляция. Основной способ борьбы с ней — это, как уже было подмечено, усердие и терпение при проектировании и изготовлении гетеродина! Во-вторых, перекрестные и интермодуляционные помехи… Ряд авторов-профессионалов предлагают рассмотреть следующую номограмму, характеризующую ЗАВИСИМОСТЬ УРОВНЯ ПОМЕХ ОТ НАПРЯЖЕНИЙ СИГНАЛОВ (рис. 7.5).

Здесь на горизонтали отложены напряжения полезных и мешающих сигналов на ВХОДЕ ПРИЕМНИКА, а по вертикали — напряжения сигналов на ВЫХОДЕ, приведенные ко входу. Те. поделенные на полный коэффициент усиления приемника — К0. Тогда прямая 1 соответствует полезному сигналу и имеет единичный наклон, поскольку напряжение сигнала на входе совпадает с приведенным выходным напряжением. Естественно, что такая зависимость будет наблюдаться в области не слишком больших сигналов.

Тогда, сняв реальную характеристику (амплитудную) радиочастотного тракта приемника, можно определить и уровень забития. Это произойдет, когда входное напряжение будет таким, что реальная характеристика ОТКЛОНЯЕТСЯ на 3 дБ от прямой 1.

«А»: А в чем на этой номограмме выражены уровни сигналов?

«С»: Уровни сигналов могут выражаться в микровольтах или децибелах. Используются также ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ единицы измерения:

дБмкв — т. е. отношение НАПРЯЖЕНИЯ сигнала к одному микровольту, выраженное в децибелах, иначе — 20 lg(Uсигн/1 мкв),

и дБм — т. е. отношение МОЩНОСТИ сигнала к одному миливатту, также в децибелах — 10 lg(Pсигн/1 мвт).

На рис. 7.5 приведены ТРИ шкалы, что облегчает перевод одних единиц в другие. Нижняя шкала (дБм) соответствует верхним только в том случае, если Rвх приемника равно 75 Ом! Для входного сопротивления 50 Ом к значениям шкалы дБм следует добавлять 2 дБ.

Если в смесителе присутствует нелинейность, из-за наличия в ВАХ (вольт-амперной характеристике) квадратичных членов возникают, как говорилось, перекрестные помехи. Причем, напряжение перекрестной помехи на выходе пропорционально КВАДРАТУ входного напряжения! Этот факт и характеризует линия 2! По графику всегда можно найти Кам как расстояние по горизонтали между прямыми 1 и 2 при заданном уровне полезного сигнала.

«А»: Получается, что на нашем рисунке определено значение Кам при уровне полезного сигнала 1 мкВ! Найденное значение будет соответствовать случаю 100 процентной модулированной помехи!

«С»: Верно! Но если брать коэффициент модуляции 30 процентов, то найденное значение надо увеличить в 3,3 раза, т. е. на 10 дБ.

Из номограммы также видно, что Кам…

«Н»: Простите, а что такое Кам?

«С»:Кам — это КОЭФФИЦИЕНТ ПОДАВЛЕНИЯ амплитудной модуляции, который сильно зависит от выбранного уровня сигнала!

Если в одинаковой степени уменьшать уровень и полезного сигнала, и помехи на входе, то при этом Кам — ВОЗРАСТАЕТ! Отсюда следует важнейший вывод! Можно даже сказать более образно — краеугольный камень в проектировании радиоприемников:

ПРИ ЛЮБОМ ТИПЕ СМЕСИТЕЛЯ УВЕЛИЧЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СО ВХОДА СМЕСИТЕЛЯ ОДНОВРЕМЕННО УВЕЛИЧИВАЕТ РЕАЛЬНУЮ СЕЛЕКТИВНОСТЬ!

Вот почему в структурной схеме приемника Роде применен аттенюатор!

«А»: Если я правильно понял, уменьшая напряжение ВСЕХ сигналов на входе — и полезных, и мешающих в два раза (6 дБ), мы уменьшаем полезный сигнал на выходе тоже в два раза. А перекрестная помеха на выходе при этом УМЕНЬШАЕТСЯ В ЧЕТЫРЕ РАЗА!?

«С»: Ты всегда все быстро схватываешь! Но помни, что главным средством повышения реальной селективности остается улучшение качества смесителей!

Поскольку с улучшением параметров смесителя линия 2 сдвигается ВПРАВО!

«Н»: А что интермодуляционные Помехи?

«С»: Это уже, так называемые, помехи третьего порядка. То есть напряжение помехи на выходе приемника пропорционально КУБУ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИНТЕРФЕРИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ! Что и представлено зависимостью 3.

Откуда следует, что для снижения помех этого вида повышение чувствительности со входа смесителя и применение аттенюатора на входе приемника — еще более эффективны!

«А»: А что имеют в виду, когда говорят, что реальная селективность приемника определяется его ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ?

«С»: Имеют в виду следующее… Нижнюю границу динамического диапазона принимают равной уровню СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ Uш, приведенному ко входу. Верхняя граница соответствует напряжению на входе, при котором продукты ПЕРЕКРЕСТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ и ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ равны внутренним шумам!..

«Н»: Я что-то не врубаюсь!..

«С»: Ну подумай!.. Если напряжения двух сигналов (а мы о них уже говорили выше, это fвп1 и fвп2) равны или ниже верхней границы динамического диапазона, то их сигналы прослушиваются только НА ИХ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТАХ!

Если же напряжения этих сигналов больше, то на фоне шумов слышны их биения (перекрестная помеха, не зависящая от частоты настройки). Или же сигналы прослушиваются еще на двух частотах!

«А»: А именно, на каких?

«С»: Да хотя бы на:

2fвп1 — fвп2 и 2fвп2 — fвп1

На графике динамический диапазон по перекрестным D2 и интермодуляционным D3 помехам находят, отсчитав по вертикали расстояние от точки пересечения, соответственно, прямой 2 или 3 с горизонтальной линией, соответствующей уровню шумов, до прямой!

«А»: А если ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН необходимо охарактеризовать только одним значением?

«С»: Тогда выбирай наименьшее из двух и не ошибешься!

Вообще можно считать, что реальную селективность полностью определяют две «точки пересечения» А2 и А3. Они получаются при продолжении прямых 2 и 3 до пересечения с прямой!

«А»: Раз уж мы все равно коснулись этой темы, давайте дадим более строгие определения понятия ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ приемника!

«С»: ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ — это минимальное напряжение сигнала на входе приемника, которое обеспечивает отношение сигнала к шуму, равное 20 дБ!

Мы дальше будем касаться этого вопроса еще не раз, поэтому заметим только, что коэффициент шума всего приемника уменьшается при уменьшении коэффициента шума отдельных его узлов. Вот здесь у меня очень простая и удобная табличка, предложенная одним исследователем для оценки значения минимального шумового напряжения, развиваемого согласованной наружной антенной на сопротивлении 75 Ом в различных КВ диапазанах (см. табл. 7.1).

«А»: Это при значениях полосы пропускания равной в одном случае 3, а в другом 10 кГц?

«С»: Совершенно верно!.. Здесь вполне наглядно представлены значения той чувствительности, которой стоит добиваться при проектировании приемников с КВ. Это, естественно, в том случае, если ты желаешь добиться соотношения сигнал/шум = 20 дБ (10 раз). Но когда идет интересная передача из-за «бугра», то сказанное вполне можно различить и при вдвое меньшем соотношении сигнала к шуму!

«Н»: Мне попался как-то паспорт старого, но широко известного приемника «Спидола». У моего дяди он еще сохранился. Там, помню, фигурировала чувствительность на КВ равная 100 микровольтам! А может я ошибаюсь?

«С»: Нет, Незнайкин! Ты не ошибаешься! Действительно, «совдеповская» «аппаратура высокого класса» ВСЕГДА характеризовалась чувствительностью на порядок хуже, чем современная ей заграничная! И это делалось вполне сознательно! Уж в два-три раза улучшить чувствительность приемников вполне реально было бы и на отечественной компонентной базе того времени!

«А»: Но я встречал довольно толстые книги, где объяснялось, что высокая чувствительность просто НЕ НУЖНА, поскольку ее не возможно реализовать!

«С»: Я тоже знаю такие книги, равно как и «рыночную цену» их, порой, маститым авторам! Это, мои дорогие юные друзья, можно считать одним из примеров совдеповской демагогии в области радиотехники! И следующий раз мы начнем беседу именно с этой темы!

Глава 8. Парадоксы KB-приемников

«Аматор»: Мы снова пришли надоедать Вам, уважаемый Спец!

«Спец»: Ничуть не бывало! Мы продолжаем нашу «прогулку по структурной схеме приемника Роде»!

Да, действительно, жизнь складывается так, что техника и политика часто завязаны в такой узел, когда развязать его можно только в том случае, если одновременно потянуть за оба конца! А по-отдельности вообще ничего понять невозможно!

«А»: Неужели чувствительность радиоприемников — это политика?

«С»: Вне сомнений! К счастью для него, Незнайкин не помнит это время, поскольку тогда «он был крайне мал, он был — дитя!»

Тоталитарное советское общество строилось таким образом, чтобы компартия (ее «вожди») посредством своего «боевого отряда» (КГБ) — имела возможность постоянно контролировать информацию, которую «скармливали» народу. Что касается кинофильмов, театральных постановок, журналов и газет — тут все понятно и комментарии излишни!

Но радиоволны без труда преодолевали любые «границы на замке»!

Короткие волны — вот предмет постоянной заботы «доблестных» не летчиков!

И хотя это были не тридцатые годы, каждый высококлассный японский или американский красавец-приемник, проникший легальным или полулегальным путем на территорию СССР, немедленно заносился в особую картотеку и его хозяин уже считался «нашим» не на все сто!

И все равно было ясно, что «щитом и мечом» прогресс не остановить.

Транзисторная техника, чтоб ей!.. Ее можно перевозить в сумке, слушать на даче, в лесу, в поле…

А в эфире «Голос Америки», «Немецкая волна», «Свобода» и т. д. и т. п.! И там говорят совсем не то, о чем советские люди могут прочесть на страницах, так называемой, «Правды» или «Коммуниста»! Радиоволны несут иную информацию, которую «простому советскому человеку» знать не полагалось!..

«А»: По этой причине все советские приемники с КВ диапазоном и были лишены таких поддиапазонов, как 19; 16; 13 и 11 метров?

«С»: Да, именно поэтому! Строжайше запрещено было вводить эти диапазоны, как наиболее удобные и «дальнобойные», во ВСЕ советские радиоприемники, даже так называемого «высшего класса»!

«Н»: Но техническая база действительно позволяла их реализовать, если бы не запрет?

«С»: Без сомнений!.. В то же, примерно, время, когда была выпущена «Спидола» (1963 г.), где-то через годик малыми сериями в Прибалтике выпускался транзисторный приемник «Гауйя». Причем в двух модификациях. В «экспортном» и «советском» вариантах.

Заявленная в паспорте чувствительность экспортного варианта составляла 40 микровольт, что в ДВА С ПОЛОВИНОЙ РАЗА превышало чувствительность ЛЮБЫХ других советских транзисторных приемников! Имелся и диапазон 16–19 метров! В «совдеповском» варианте ничего подобного не было и даже рисунок печатной платы был другим!

«А»: А в торговую сеть «экспортный» вариант поступал?

«С»: Нет, никогда! Но дело отнюдь не ограничивалось ТОЛЬКО отсутствием определенных диапазонов!

Схемы гетеродинов были выбраны такими, что попытки повысить частоту генерации путем подпайки катушки с уменьшенным числом витков, приводили к резкому возрастанию нестабильности и заметному ухудшению формы генерируемого синусоидального сигнала! Естественно, что прием становился, практически, невозможным!

Но самая «хитрая хитрость» заключалась в том, что ни в одном учебнике по радиоприемным устройствам НЕ РАССМАТРИВАЛИСЬ вопросы, посвященные проблеме просачивания сигнала гетеродина в антенну!

«А»: Ну, а это с чем связано?

«С»: Проникая в антенну приемника, сигнал собственного гетеродина «передавал в эфир» информацию о том, какую радиостанцию «ловят» в той или иной квартире! Иначе говоря, в какой квартире чем «дышат»!

«Н»: Разве такое возможно?

«С»: Вполне! Представь себе, что ты слушаешь, например, радио «Свободу»! Твой входной преселектор (широкий, как чья-то натура) настроен на соответствующую частоту. А, следовательно, гетеродин генерирует ту же самую частоту плюс… еще 465 кГц!

Через емкости сигнал проникает в антенную цепь и… излучается в эфир!

Мощность этого паразитного излучения невелика. Но вполне достаточна, чтобы соответствующая ДЕЙСТВИТЕЛЬНО чувствительная аппаратура установленная, например, в спецавтотранспорте, зарегистрировала тот факт что ведется слушание именно станции «Радио Свобода»!

«А»: Ну ладно, а как определить, в какой именно квартире ведется прослушивание данной радиостанции?

«С»: И на этот счет есть способы… Но это особая тема и потому не будем излишне отвлекаться на нее!

Тем более, что для того, чтобы все равно сделать невозможным прослушивание определенных участков КВ диапазона, очень большое распространение в семидесятые-восьмидесятые годы нашли методы радиоэлектронного противодействия. Например, как их прозвали в народе — «глушилки»!

«А»: Это, когда на волне прослушиваемой станции вдруг возникал непереносимый гул, напоминающий охрипшую сирену?

«С»: Очень образное сравнение! Да, учитывая крайне низкие радиотехнические параметры советских радиоприемников «высших» классов, не требовалось что-то совершенно уникальное, чтобы перекрестные и интермодуляционные помехи плюс мощная «глушилка» делали прослушивание «забугорных» радиостанций просто физически болезненным делом!

«А»: Получается, что если в приемнике нет усилителя высокой частоты, стоящего перед смесителем, то «пролаз» гетеродина в антенну будет значительным?

«С»: Да, отчасти это так. Но не следует думать, что достаточно поставить в некачественный приемник УВЧ и все станет хорошо само-собой! Это смотря еще — какой это УВЧ! Мы подробно коснемся этого вопроса, когда будем говорить о принципиальных электрических схемах.

«А»: Но в статье Роде говорится о ДВУХТАКТНЫХ УВЧ! Я не встречался с ними в схемах советских радиоприемников!

«С»: А я о чем толкую? Двухтактные УВЧ, да еще построенные с использованием специальных ПОЛЕВЫХ транзисторов — это замечательная штука! Их линейная область по входному сигналу получается почти на порядок шире, чем в «совдеповских» приемниках как «первого», так и «высшего» классов!

Полевые транзисторы при этом обеспечивают коэффициент перекрестной модуляции на 40–45 дБ лучше, чем подобные же схемы на биполярных транзисторах.

«Н»: До чего мне жаль, что я не имею достаточной информации ни о полевых, ни о биполярных транзисторах, хотя и слыхал, что таковые в природе имеются!

«С»: «Терпение, мой друг, терпение», как говаривал актер Кадочников в фильме «Подвиг разведчика»!.. Всему свое время.

«А»: Следующий квадратик — СМЕСИТЕЛЬ?

«С»: Очевидно так!.. Но я по твоим глазам вижу, любезный Аматор, что ты готов задать ну совершенно экстренный вопрос!?

«А»: А то нет!.. Мы так много говорили о том, что промежуточная частота стандартизирована и всегда должна быть МЕНЬШЕ, чем частота входного сигнала! А что мы наблюдаем в приемнике Роде!? Промежуточная частота ПРЕВЫШАЕТ 40 МГц! Может здесь какая-то ошибка?…

«С»: Да ровным счетом — никакой ошибки, дорогой друг!

Во-первых, я никогда в наших беседах не утверждал, что промежуточная частота (ПЧ) ВСЕГДА ДОЛЖНА БЫТЬ меньше частоты сигнала! ПЧ ничего и никому не должна!.. Ни гривны, ни полтинника! Напротив, с этим вредным предрассудком пора покончить!

В самом деле, борьба с «зеркальным» каналом может быть эффективной только в том случае, если 2fпр — достаточно велико! В нашем случае ПЧ превышает 40 МГц! Значит «зеркалка» находится в 80 МГц от частоты основного канала! Это тебе не 930 кГц! И селективность составляет уже не 28–36 дБ, а ОКОЛО 80 ДЕЦИБЕЛ!

То есть не в десятки раз, а в несколько тысяч раз подавляется «зеркальная» помеха! Это, естественно, требует совершенно иного гетеродина! Но зато «пролаз» в антенну — исключается. Радиоприемник действительно становится другом, а не «Павликом Морозовым»!

Излишне говорить, что и смеситель для этого необходим совсем иной!

«А»: Советские приемники 70-х годов включали в себя, помнится, совмещенный смеситель. Подобное решение еще находит применение?

«С»: Во всяком случае в серьезной аппаратуре — нет, нет и еще раз нет!

Вообще, друзья, мне тоже не терпится начать разговор по принципиальным схемам смесителей, но полагаю, что мы еще недостаточное внимание уделили рассмотрению структурной схемы приемника Роде. По этой причине, опуская (пока) вопрос о том, какое схемное решение годится для качественного смесителя, запомним, что на его выходе получаем fпр1 = 40,525 МГц, хотя это значение в настоящее время в различных конструкциях варьируется от 40 МГц и до 120 МГц!

«А»: Ну хорошо, а что представляет из себя фильтр ПЧ, обозначенный, как Z1? На нем еще имеет место символ кварца?

Вообще вы можете рассказать об этом чуть подробнее?

«С»: «Я могу, а потому — обязан»!.. Вообще в УПЧ применяют различные виды фильтров: с LC — контурами, RC — цепями, с электроакустическими и цифровыми системами. Но в рассматриваемом приемнике, который получил в радиотехнике наименование ПРИЕМНИКА С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ВВЕРХ, к фильтру Z2 предъявляются исключительно высокие требования по обеспечению селективности по соседнему каналу! Давайте оценим, какая для этого требуется добротность (хотя бы приблизительно)!

Пусть fпр = 40 МГц, а полоса пропускания = 20 кГц!

«Н»: …Получается, что Q = 2000!..

«С»: Фактически, она должна быть даже несколько больше! Не станем забывать, что встречаются подобные фильтры, у которых полоса пропускания равна всего 3 кГц, а частота — выше, чем 40 МГц!..

Поэтому понятно, что обычные фильтры здесь не проходят! И возможны несколько вариантов.

Прежде всего, применить в качестве фильтра Z2 — «цепь Юзвинского»!

Вторая возможность — это применение так называемых «спиральных резонаторов»! Они представляют собой четвертьволновой коаксиальный резонатор, внутренний проводник которого для уменьшения габаритов, свернут в спираль. Спиральные резонаторы в подобных фильтрах обычно индуктивно связаны. Эта связь выполняется снижением высоты экрана, разделяющего два соседних резонатора со стороны заземленных концов спиральных катушек…

«Н»: А можно это изобразить на рисунке?

«С»: Ну почему нет? Вот, прошу вас (рис. 8.1)…

«А»: На всякий случай, может приведете расчетную формулу?

«С»: Конечно же, я предпочел бы иное решение, чем применение спирального резонатора! Но… раз вытребуете расчетную формулу, то вот она:

Здесь: N — число витков спирали;

S — показано на рис. 8.1;

σ — толщина стенки каркаса, на который намотана спираль, см. рис. 8.1;

ε — диэлектрическая проницаемость каркаса.

При этом S определяется, исходя из требуемой добротности Q0 по формуле:

Добротность, согласно исследованиям авторов этой конструкции, можно довести до 800!

«А»: Я полагаю, что возни с подобным фильтром будет немало, но проблема при этом до конца не решится! Верно?

«С»: Да, я тоже считаю так, поскольку полосу селекции сделать лучше, чем 50 кГц вряд ли удастся!

«Н»: При fпр = 40 МГц?

«С»: Ну конечно! Так что на спиральный резонатор можно согласиться только в совершенно пиковом случае!..

Иная картина получается, если удастся достать ПОЛОСОВОЙ КВАРЦЕВЫЙ ФИЛЬТР! Этот фильтр представляет из себя сложную многорезонаторную систему, включающую в свой состав согласующие ВЧ-трансформаторы, подстроечные элементы и т. д. При этом сами кварцы включены по, так называемой, дифференциально-мостовой схеме, помещены в общий экран, индивидуально настроены и герметизированы.

Вот подобный фильтр, хотя его стоимость и высока — это действительно решение проблемы!

«Н»: А эти фильтры выпускаются промышленностью?

«С»: Обязательно, Незнайкин! Например, одним из заводов города Волгограда (Царицына) в России. Мне приходилось встречаться с несколькими разновидностями таких фильтров, настроенных, соответственно, на частоты 40 МГц; 45 МГц; 55,5 МГц.

«А»: А как именуются эти изделия?

«С»: Они называются: ФП2П (2–1); ФП2П (4–1). Кроме того, имеются великолепные японские, американские и западноевропейские изделия! Но мы подробнее поговорим о названиях позднее.

«А»: Отлично! Идем дальше по схеме… Усилитель А2 — пропускаем, ведь он такой же, как и А1. Верно?

«С»: …Почти. Следующий квадратик — второй смеситель U2.

«А»: Но я вижу, что второй гетеродин — неперестраиваемый! Ну это, допустим, еще понятно. А вот почему он кварцованный? Что вообще реально может дать применение в генераторе кварца?

«С»: Стабильность частоты LC — генераторов во многих случаях недостаточна! Она зависит от множества факторов. От температурных коэффициентов индуктивности и емкости. Обычно в составе гетеродинов используют именно LC — генераторы. Подобные гетеродины имеют относительную частотную нестабильность Δf/f0 равную 10-3—10-4.

Это означает, что при f0 = 50 МГц, при нестабильности 10-4 Δf = 5 кГц! То есть дрейф частоты гетеродина равен ПОЛУШИРИНЕ полосы пропускания! Для рассматриваемого приемника это величина недопустимо большая!

Максимальная нестабильность, с которой еще можно как-то мириться, для второго гетеродина составляет величину (2–3)∙10-6.

Это нормально для обычного кварцованного генератора! Хотя следует сказать, что в случае двойного термостатирования кварцевых генераторов нестабильность может быть ограничена уровнем ДЕСЯТЬ В МИНУС ДЕВЯТОЙ СТЕПЕНИ!

«А»: Но ведь это решает наши проблемы!

«С»: Ну, если и не все, то многие!.. Разработаны (и довольно давно) очень неплохие схемы с кварцевыми резонаторами. Например, кварцевые генераторы на основе схем Хартли и Колпитца!

«А»: То есть этот вопрос решается! Тогда, уважаемый Спец, перейдем к следующим квадратикам структурной схемы!

«С»: Далее у нас идет второй смеситель U2. Он каких-то особых, принципиальных отличий от U1 не имеет. Далее идет еще один фильтр — Z3!

«Н»: Какой смысл во втором преобразователе частоты? Почему нельзя было обойтись только одним?

«С»: Преобразование ВВЕРХ позволило кардинально решить проблему избирательности по «зеркалке»! А, кроме того, ликвидировать неприятности связанные с «пролазом» гетеродина в антенну! Но окончательную «обработку» и усиление сигнала удобнее проводить на значительно более низкой частоте!

«Н»: А чем плоха для этого частота 465 кГц? Или, например, 5,5 МГц, которую часто употребляют профессионалы?

«С»: Сам по себе фильтр Z3 — многозвенный, обеспечивающий крутые наклоны характеристики. Он может быть электромеханическим или пьезомеханическим. Или, что еще более предпочтительно — кварцевым, поскольку в этом случае его относительное изменение средней частоты минимально и составляет величину: 5х10-7 град-1.

«А»: Усилитель второй промежуточной частоты A3 разве имеет какие-то особенности?

«С»: Если и да, то на чисто схемотехническом уровне. Поэтому сейчас мы его не рассматриваем.

«Н»: А детектор U3?

«С»: О нем будем говорить отдельно и позже, поскольку это особый вопрос!

«А»: Получается, что на данный момент мы рассмотрели ВСЮ структурную схему приемника Роде?

«С»: Кроме двух принципиальных вопросов! Кстати сказать, на структурной схеме они не отмечены вообще! Речь идет об АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКЕ УСИЛЕНИЯ — АРУ, а также о современном устройстве контроля настройки.

«Н»: Вы считаете, что индикация частоты настройки в современном высококлассном приемнике должна быть цифровой?

«С»: Без всяких сомнений! И это еще минимум — миниморум того, что должно быть на дисплее приемника!

«Н»: Интересно, а есть фирмовые приемники, в которых реализовано вышесказанное?

«А»: Погоди, Незнайкин! Мы ведь действительно еще не рассмотрели вопроса об АРУ!

«С»: Обещаю подробно ответить на твой вопрос, дорогой Незнайкин, но сначала поговорим об АРУ!

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) — применяется для расширения динамического диапазона приемника и поддержания в заданных пределах выходного напряжения. При этом устраняются перегрузки в каскадах при приеме сильных сигналов и, таким образом, предотвращается появление недопустимых нелинейных искажений. Следовательно, оконечные устройства приемников работают в режиме обработки сигналов оптимального уровня!

Принцип действия системы АРУ состоит в автоматическом изменении коэффициентов усиления (передачи) отдельных каскадов приемника при изменении уровня принимаемого сигнала. Система АРУ, в самом общем случае, должна содержать регулируемые каскады усиления или делители напряжения и… цепь регулирования ЦР. Вот некоторые основные структурные схемы АРУ (см. рис. 8.2).

При этом цепь регулирования (ЦР) вырабатывает управляющее напряжение, воздействующее на регулируемые элементы усилительного тракта.

Обычно ЦР содержит амплитудный детектор АД и фильтр низкой частоты — ФНЧ. Эффективность АРУ оценивают двумя величинами, выраженными в децибелах, — Dвх/Dвых,

где

Dвх = 20∙lg(Uвх. max/Uвх. min),

а

Dвых = 20∙lg(Uвых. max/Uвых. min),

При этом Dвых значительно меньше, чем Dвх. Инертность системы АРУ обычно оценивают постоянной времени АРУ.

«А»: А почему на рисунке представлены не одна, а целых ТРИ системы АРУ?

«С»: Различают три основные системы АРУ: с ОБРАТНЫМ (рис. 8.2, а), ПРЯМЫМ (рис. 8.2, б) и СМЕШАННЫМ (рис. 8.2, в) регулированием.

При обратном регулировании управляющее напряжение определяется напряжением сигнала (его уровнем) на выходе. Это наиболее простая АРУ и весьма действенная.

В системе с прямым регулированием управляющее напряжение определяется напряжением сигнала на входе.

«А»: Тогда, если не ошибаюсь, смешанное регулирование в той или иной степени является комбинацией первых двух?

«С»: Да, так оно и есть! Кроме того, различают АРУ задержанные и незадержанные. Например, при задержанной АРУ регулирующее воздействие начинает проявляться, если напряжение сигнала на входе приемника достигает некоторого уровня, соответствующего некоторой наперед заданной величине.

«А»: Я где-то встречал такие аббревиатуры, как БАРУ и МАРУ! Что это такое?

«С»: Это просто классификация систем АРУ по инерционным свойствам! А именно — быстродействующие (БАРУ) и медленные, инерционные (МАРУ). В нашем случае мы имеем дело с инерционными АРУ.

И еще: системы АРУ могут быть ОДНОПЕТЛЕВЫМ И и МНОГОПЕТЛЕВЫМИ! Для нас, как покажет дальнейшее, наибольший интерес представляют ДВУХПЕТЛЕВЫЕ системы. Они обладают необходимыми нам свойствами.

«Н»: А все-таки, что можно сказать о применении всех этих замечательных систем и устройств в реальных радиовещательных приемниках?

«С»: Многое! Но об этом поговорим в нашу следующую встречу.

Глава 9. Что же такое действительно современный радиоприемник?

«Спец»: Заходите друзья!.. Я помню, Незнайкин, твою просьбу! А потому сегодня мы поговорим ИМЕННО на тему о современных реальных высококлассных радиоприемниках!

«А»: Я тоже с удовольствием послушаю!

«С»: Это тем более важно, дорогой Аматор, что именно после сегодняшней беседы мы сможем окончательно решить интересующий нас вопрос!

«Н»: Если не секрет — какой?

«А»: Торопись медленно, Незнайкин! Узнаешь еще!

«С»: Итак, начинаем разговор о конкретных приемниках… В 1975 году знаменитая на весь мир и тогда, и ныне, японская фирма SONY выпускает всеволновый переносный приемник «CRF—230».

Все схемные и конструктивные решения в нем были направлены на достижение максимально возможных электрических параметров и различных потребительских удобств. Вот его структурная схема (рис. 9.1).

«А»: Это полная схема «CRF—230»?

«С»: Нет, только упрощенная структурная схема KB-тракта! Подобный же тракт, но для ЧМ (частотной модуляции) имеет диапазон УКВ! Который мы здесь не приводим, чтобы не загромождать рисунок. Нет здесь и структурной схемы СВ — ДВ-блоков.

Подобную же структурную схему имел и всеволновый приемник немецкой фирмы GRUNDIG типа «Satellit—6001».

ВЧ-блок этого приемника позволял принять любую станцию в диапазоне частот от 5 до 30 МГц, не пропустив ни одной! И в этой модели использовался принцип двойного преобразования частоты. В последующие годы использование двойного преобразования частоты стало обязательным не только для «самых-самых» приемников, но прочно внедрилось в схемы значительно более дешевых, так сказать «демократических» моделей! Но в приемнике «Satellit-6001» первая промежуточная частота равна всего 1,85 МГц. За это пришлось заплатить тем. что ослабление зеркального канала в диапазоне КВ на частоте 27 МГц в этом приемнике составило всего… 40 дБ!

«А»: Напомните, какое значение ослабления соответствует обычным, одногетеродинным суперам?

«С»: Напоминаю… На частоте 12 МГц ослабление по «зеркалке» составляет величину 28–34 дБ!

«Н»: А что новенького предложили мировые фирмы в восьмидесятые годы?

«С»: В конце 80-х упомянутая уже фирма SONY предложила новые технические и конструктивные решения, позволившие взглянуть на приемники совершенно по-новому! Это касается, например, БЛОЧНЫХ радиоприемников.

Концепция фирмы заключалась в том, что можно даже в малогабаритной аппаратуре обеспечить такие параметры, что прием самых слабых сигналов буквально с «края света» будет вполне реальным делом!

А вот и подтверждение. Приемник фирмы SONY типа «ICF — SW1S»! Его размер — коробка из-под компакт-кассет для магнитофона…

«А»: Видеомагнитофона?

«С»: Представь себе, самого что ни на есть — АУДИО! И вот надо же!..

Мало того, что эта «кроха» представляет собой всеволновый приемник! Его система настройки на станцию в любом диапазоне длин волн является ЧЕТЫРЕХВАРИАНТНОЙ!

«А»: Приехали… Это как же понимать? Какие еще четыре варианта?

«С»: Ну, первые два способа знают все. Это — «классическое» вращение ручки настройки, а также и фиксированная настройка на несколько заранее выбранных станций. При этом традиционно применяемая в приемниках «аналоговая» шкала с верньерным устройством заменена жидкокристаллическим дисплеем, на котором индицируется частота принимаемого сигнала, а вместо подстроечных элементов фиксированных настроек предусмотрена электронная память.

«Н»: А еще два вида настройки?

«С»: Вообще, если известна частота передающей станции, то настроиться на нее можно не только «классическим» способом. «ICF-SW1S» снабжен клавиатурой, подобной кнопочным телефонам. Набрав частоту той или иной станции, оператор — слушатель почти мгновенно «ловит» ее. И, наконец, автоматическая настройка. В этом случае приемник «сам» ведет поиск станции по диапазону. Процесс сканирования прерывается, как только обнаруживается станция. Нажатием кнопки слушатель фиксирует частоту приема.

«А»: Не могу себе представить, куда можно поместить конденсатор переменной емкости в таком «малыше»?

«С»: Да никуда! Нет там его и никогда не было, смею тебя уверить! Да и гетеродин в приемничке из хитрых-хитрый! Японцы в приемнике весом всего… 230 грамм в качестве гетеродина используют… синтезатор частоты!

«Н»: А что это такое?

«А»: Прав был «товарищ Сухов», когда утверждал, что «Восток — дело тонкое, Петруха!»

«С»: Еще бы не прав!.. Относительно принципа синтеза частоты мы еще побеседуем! Но та же фирма SONY больше всего гордилась в конце 80-х даже не этой удивительной «крохой»!..

«А»: Вы меня просто морально убиваете, уважаемый Спец!

«С»: …Гордостью специалистов фирмы являлся радиоприемник «CRF — V21». Его возможности до сих пор поражают специалистов! «CRF — V21» способен (кроме всего прочего), принимать со спутника метеотелеметрию и распечатывать карту погоды с помощью малогабаритного встроенного принтера.

Но система индикации и настройки представляет особый интерес.

Великолепный по своим параметрам синтезатор частоты гарантирует точность настройки, а следовательно и необходимую для этого стабильность частоты плюс — минус 10 Гц! И в ручном, и в автоматическом режимах!

На жидкокристаллическом экране, играющем не последнюю роль в этом приемнике, отображается, если это необходимо… СПЕКТР любого участка диапазона, по которому легко узнать, на каких частотах в настоящий момент ведется работа радиостанций. В памяти приемника содержится информация о частотах и времени выхода в эфир 350 радиостанций! Для ориентировки в них, опять-таки применяется ЖК-экран.

«А»: Они что, выводятся на экран, как в компьютере?

«С»: Да еще в виде многостраничного списка, в котором есть информация о порядковом номере настройки, название станции, ее частота и даже режим приема!

«Н»: Что значит «режим приема»?

«С»: Нормальный, спутниковый или с распечаткой телеметрии! Кроме того, визуально можно определить, какие из занесенных в память станций в данный момент слышны «хорошо», а какие — «плохо»! Я просто не хочу переутомлять свои голосовые связки, перечисляя прочие многочисленные достоинства этого приемника!

«А»: Но это всеволновый приемник?

«С»: Суди сам!.. Его диапазон принимаемых частот:

AM — 9-29,99999 МГц;

УКВ ЧМ — 76-108 МГц.

А масса его составляет не более 9,5 кг.

«А»:…Хватит, не надо больше! А сколько же может стоить подобное «чудо»?

«С»: Мал золотник, да дорог!.. В конце 80-х его цена была около 15000 долларов! И, насколько мне известно, она мало изменилась с тех пор! Дело в том, что этот приемник полюбили военные, профессионалы, обеспеченные радиолюбители, богатые владельцы собственных яхт…А также администраторы — руководители экспедиций. Поэтому сбавлять цену на «CRF — V21» необязательно! Кроме того, приемник просто стоит этих денег!

«А»: И подобные приемники создают только японские фирмы?

«С»: Сам посуди… Американская фирма ROCKWELL INTERNATIONAL Corp. вышла на рынок специальной и военной аппаратуры со своим приемником, получившим обозначение «HF—2050». В нем вообще использована обработка ГГЧ-сигналов цифровым способом! Военные США и Канады немедленно заинтересовались этой моделью, которая стоит более 6000 долларов.

Представители фирмы заявили, что классические для промежуточной частоты функции преобразования и фильтрации реализуются в зависимости от заказываемого варианта исполнения ЧЕТЫРЬМЯ или ПЯТЬЮ специализированными микропроцессорами! Операции выполняются над сигналами в цифровой форме, полученными с АЦП (аналого-цифрового преобразователя), преобразующего в цифровую форму трехмегагерцовой сигнал промежуточной частоты со скоростью ДВЕНАДЦАТЬ МИЛЛИОНОВ ОТСЧЕТОВ в секунду! Кстати, в схеме радиоприемника используется немногим более 2000 компонентов.

«Н»: А еще примеры подобного рода у Вас имеются?

«С»: Почему нет? Любой коротковолновый приемник должен, если говорить по существу, решать исключительно сложную задачу.

Выделять нужный сигнал среди мешающих сигналов, которые порой в МИЛЛИОН раз превосходят его по уровню! Поэтому не только в Японии и США, но и в стране «мистера Пиквика» и «Шерлока Холмса» тоже занимаются высококачественными радиоприемниками!

Так в графстве Беркшир, в известнейшей фирме RACAL создали и в конце 80-х запустили в серию две модели профессиональных коротковолновых радиоприемников: «RA—1792» и «RA—6790», предназначенных, соответственно, для европейского и американского рынков. Характерная особенность этих моделей — применение микропроцессоров и жидкокристаллических индикаторов.

«А»: Индикаторы только фиксируют частоту приема или у них есть и иные функции?

«С»: У них есть и иные функции, совершенно верно замечено… Такие, например, как ввод с клавиатуры и хранение предварительно заданных значений частот, характеристик, режимов и параметров цепи АРУ; самоконтроль; дистанционное управление и работу по командам от других приемников! А также цифровой синтез частот и выбор фильтров.

«А»: А использование принципа «преобразования вверх» имеет место в этих приемниках?

«С»: Обязательно! Значение первой промежуточной частоты — 40,455 МГц!

В качестве гетеродина используется синтезатор. Его стандартный шаг частоты в модели 1792 — 10 Гц и 1 Гц. А в модели 6790 — только 1 Гц!

Мне еще хотелось бы отметить вот что. Вместо обычного переключателя, задающего быструю или медленную скорость перестройки частоты, в приемниках использована оптическая система контроля положения оси, вращаемой ручкой настройки.

Но в этих KB-приемниках есть возможности, о которых ранее слышать не приходилось. Например, в определенных случаях потребовалось последовательное подключение фильтров ПЧ… не в обычном порядке!

«А»: Один момент!.. Получается, что приемники фирмы RACAL используют какие-то принципы автоматического варьирования структурной схемой?

«С: Да, дополнительная подпрограмма может настроить приемник на внутренний сигнал известной частоты, после чего микропроцессор производит анализ характеристик КАЖДОГО фильтра в полосе пропускания и запоминает эту информацию!

Следовательно, сами фильтры на плате могут быть установлены в ПРОИЗВОЛЬНОМ ПОРЯДКЕ и тем не менее допустим их последовательный выбор с передней панели! Высокая линейность и широкий динамический диапазон входных ВЧ каскадов предотвращает модуляцию слабого принимаемого сигнала мощной помехой!

«А»: А есть ли какая-нибудь информация о ВЧ-тракте?

«С»: Известно, что в этих приемниках использован балансный ключевой смеситель, который обеспечивает линейное переключение при уровне входных сигналов до сотен милливольт и требует напряжения от гетеродина в несколько вольт!

«А»: Все вышесказанное характерно для радиовещательных и специальных приемников в одинаковой степени?

«С»: Во всяком случае, в последние 10–15 лет наметилась и развивается тенденция приближения параметров радиовещательных приемников высокого класса к специализированным профессиональным.

«А»: Остался, как я понимаю, только один туманный вопрос. А именно — что представляет собой СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ?

«С»: Ну, что такое собственно синтезатор частоты мы сейчас выясним…

В тех случаях, когда в приемниках требуется исключительно стабильный, но в то же время перестраиваемый в широком диапазоне гетеродин, создание высококачественного ГПД (генератора плавного диапазона) является технической проблемой!

По этой причине задача решается путем формирования дискретного множества частот, как говорят в вузовских учебниках по радиотехнике, КОГЕРЕНТНЫХ С ЧАСТОТОЙ ОДНОГО ВЫСОКОСТАБИЛЬНОГО ОПОРНОГО КОЛЕБАНИЯ!

При разработке гетеродинов на основе синтезаторов частот используется цифровой метод формирования и стабилизации сеток частот.

«А»: Что может представлять собой структурная схема цифрового синтезатора частот?

«С»: Перед вами, мои юные друзья, упрощенная структурная схема цифрового синтезатора частоты (рис. 9.2).

Работа синтезатора частоты осуществляется следующим образом. Частота опорного кварцевого генератора ОГ понижается в цифровом делителе ЦД1 до частоты fоп и подается на фазовый детектор ФД. На другой его вход подводится напряжение от управляемого генератора УГ, частота которого понижается в цифровом делителе ЦД2 в Кцд2 раз!

Переменный коэффициент деления Кцд2 определяется управляющим напряжением Uynp. Выходное напряжение ФД после ФНЧ подается на управляющий элемент УЭ, который стабилизирует частоту УГ.

Должен сказать, что есть достаточно большое количество схем СЧ. Ведущие в техническом отношении страны наладили выпуск синтезаторов частоты в виде интегральных схем, сочетающих в себе все необходимые функции.

«А»: А у нас, если я верно понял, есть только один выход — клепать СЧ из дискретных деталей?

«С»: Ты недалек от истины, или, как сказал бы Васйсуалий Лоханкин, от «сермяжной правды жизни»!

«Н»: А какую-нибудь конкретную реализацию СЧ Вы могли бы привести?

«С»: Ты полагаешь, что тебе от этого станет легче? Тогда учти следующее обстоятельство. Несмотря на то, что к настоящему времени предложено множество схем прямого и косвенного синтеза частот, тем не менее большинство из них не обеспечивает необходимые шумовые и спектральные параметры гетеродина.

Те же, которые обеспечивают, базируются на использовании дефицитных иностранных микросхем! Но все же одну структурную схему синтезатора, которая используется в ряде промышленных конструкций, я приведу.

«Н»: А этот синтезатор годится для приемников с «преобразованием вверх»?

«С»: А как же иначе? Изображенный ниже синтезатор, предназначен для перекрытия тридцати сегментов шириной 1 МГц в диапазоне 45,5—75,5 МГц, при первой ПЧ равной 45,5 МГц! Такой синтезатор использован, например, в КВ-приемнике, разработанном RC2AM (рис. 9.3).

В этом синтезаторе используется кварцевый генератор на 46 МГц, плавный гетеродин, перекрывающий диапазоны 6,5–5,5 МГц, а также ГУН (генератор управляемый напряжением), работающий в диапазоне 45,5—75,5 МГц.

Сигнал ГПД смешивается с сигналом 46 МГц, в результате чего выделяется полоса частот 39,5—40,5 МГц, которая, смешиваясь с частотой ГУН, дает частоту, лежащую в диапазоне 6—35 МГц. Устанавливая коэффициент деления делителя частоты в пределах от 6 до 35, добиваются, чтобы при работе генератора, управляемого напряжением, в нужном диапазоне частота сигнала на выходе делителя была 1 МГц, на которой и происходит захват и удержание частоты петлей фазовой автоподстройки, включающей фазовый детектор и интегратор. На второй вход ФД подается опорный сигнал 1 МГц!

«А»: Но ведь изготовить подобный синтезатор в домашних условиях — это гигантский труд!

«С»: Совершенно верно! И я даже сказал бы — Сизифов труд! Поскольку шумовые характеристики этого синтезатора все равно оставляют желать лучшего!

«Н»: Так получается, не изготовив высококачественного синтезатора, мы не смогли бы построить приемник с преобразованием «вверх»?!

«С»: Выше головы, парни! Все вовсе не так плохо! Пока на рынках появятся доступные синтезаторы частоты в интегральном исполнении, высококачественные ГПД еще послужат верой и правдой, в том числе и в приемниках с преобразованием «вверх»!

Тем более, что шумовые характеристики гетеродинов на основе ГПД — существенно лучше, а схемы — значительно проще!

«Н»: Я лично очень благодарен Вам и Аматору, что имел возможность получить достаточно четкое представление о структурных схемах и особенностях современных радиовещательных приемников КВ диапазона.

Но остался один неясный для меня вопрос…

«А»: Интересно, какой именно?

«Н»: Почему вы так много внимания и времени уделили ИМЕННО ЭТОЙ ТЕМЕ?

«А»: А ты что, до сих пор не догадался? Или желаешь, чтобы точки над «i» расставил я?…

«Н»: Логичное заключение…

«А»: Ну что же… Весь наш цикл бесед, в некоторых из которых принимал участие и ты, был посвящен, в сущности, только одному — обсуждению структурной схемы коротковолнового переносного радиоприемника, ПОСТРОЙКУ КОТОРОГО МЫ ВСКОРЕ И НАЧНЕМ!

«Н»: Вы — это значит Спец и ты, Аматор?

«А»: Не совсем!.. Мы с тобой, дружище Незнайкин! Ты что, не веришь в свои творческие силы?

«С»: Дорогой Незнайкин!.. В дни моей юности был очень популярен кинофильм «Последний дюйм»! Так вот там один из персонажей фильма пилот Бен утверждал: «Сынок, в жизни можно сделать все, если не надорваться!..»

Поэтому, чтобы избежать подобной неприятности, как мне кажется, за дело лучше взяться вдвоем!

«А»: Вопросы, предложения, возражения и прочее имеются?

«Н»: Да меня эта идея, откровенно говоря, захватила уже давно! Я просто признаваться не хотел!.. И все — таки… А получится?… Как Вы полагаете, уважаемый Спец?

«С»: Дорогие друзья!

Постройка подобного приемника преследует сразу несколько целей! Поэтому с полным на то основанием можно утверждать, что это — многоцелевая задача!

Первое — в процессе постройки и отладки подобного приемника, знания и навыки, которые при этом приобретаются, в любом случае подготавливают человека к дальнейшей работе в интереснейшей области практической электроники!

А люди, имеющие подобные навыки, без работы не останутся! Во-вторых, давайте вспомним, например, что говорил Михаил Сергеич Горбачев в своем интервью после окончания Великого Форосского заточения?

«А»: Это когда он заявил, что единственным источником информации для него была, вещающая на КВ, станция «Радио Свобода»?

«С»: В точности так! Друзья мои, хороший KB-приемник ВСЕГДА обеспечит вам возможность прорыва «информационной блокады»! Независимо оттого, находитесь ли вы на Форосе, или в иной географической точке нашей многострадальной…

«А»: Но ведь сейчас не глушат!?…

«С»: А какими словами заканчивается вторая книга А. Дюма о похождениях трех мушкетеров?…

«А»: Помнится, словами д'Артаньяна?!..

«С»: И это верно!.. Д'Артаньян произносит мудрую фразу: «…отведите мне комнату в бельэтаже. Я теперь капитан мушкетеров! Но… оставьте за мной и чердак! Никогда не знаешь, что может случиться в жизни!»

«А»: Убедительно! И даже очень!..

«С»: Естественно, гениальный писатель!..

Ну и в-третьих! Конечно, имея, например, ну совершенно лишние доллары, которые просто непонятно куда девать, вы можете, походив по маркетам, приобрести японский или голландский KB-приемник высокого класса, который будет ублажать ваш глаз, слух и чувство собственного достоинства!..

Кроме всего прочего, это обеспечит вам возможность «ловить» ВЕСЬ МИР!

Но учтите, что высококлассный приемник стоит очень дорого!

«Н»: Каков уровень цен, хотя бы примерно?

«С»: За KB-приемник с профессиональными параметрами около 2000 долларов!

«А»: Больше вопросов не имею!..

«Н»: А я — тем более!..

«С»: Тогда, друзья мои, начинаем наш «военный совет»!

Глава 10. Структурная схема выбрана

«Спец»: Итак, вопрос в принципе решен, я полагаю?

«Аматор»: Да, безусловно!

«Незнайкин»: И я так считаю!..

«А»: Хотя выбор окончательного варианта структурной схемы еще не произведен!

«С»: Вот именно этим мы сейчас и займемся!..

Итак, приступаем к обсуждению структурной схемы и ее особенностей. Я предлагаю начать с обсуждения радиотехнического тракта, затем обсудить особенности систем контроля и индикации, а затем вопросы электропитания разрабатываемого устройства. И, одновременно, не забыть о весогабаритных характеристиках.

«А»: Вы, Спец, всю жизнь занимались разработками. Поэтому — Вам и карты в руки! Какой же радиотехнический тракт вы предлагаете принять за основу?

«С»: Да вот, примерно, такой (см. рис. 10.1)!

«Н»: А почему цепи первой АРУ даны пунктиром?

«С»: Да потому, что мы должны еще выяснить такой вопрос. Будет ли аттенюатор R иметь плавную регулировку? В этом случае необходима цепь первой АРУ.

Или же аттенюатор R будет иметь некоторое фиксирование значение ослабления, которое будет задействовано,' если входной сигнал приемника превысит некоторое значение?

«А»: Аттенюатор применяется для сохранения высокого динамического диапазона приемника?

«С»: Да, именно для этого! В связи с чем, ослабление при малом сигнале должно быть равно НУЛЮ, а при большом сигнале иметь такое значение, чтобы не допустить перегрузки усилителя ВЧ, который обозначен на структурной схеме, как А1.

«А»: АРУ-1 может строиться только как обратная АРУ?

«С»: Нет, АРУ-1 может быть и прямого и смешанного типа также!

«А»: А какое значение чувствительности приемника мы примем в качестве исходного для нашего реального случая? И вообще, не кажется ли Вам, что следует более подробно остановиться на шумах?

«С»: Действительно!.. Этот вопрос мы до сих пор как-то обходили!

Так вот, шумы бывают не только внешними, но и внутренними. Внутренние шумы возникают как в пассивных элементах радиоприемных устройств — резисторах, фильтрах, линиях передач; так и в активных приборах — работа которых независимо от того, что они собой представляют (радиолампы или транзисторы) связана с наличием управляемых потоков носителей заряда.

Поскольку любой ток, как известно, имеет составляющую хаотического перемещения заряда под действием теплового возмущения. Это ведет и к появлению некоторой хаотической составляющей тока, следствием которой является появление хаотической составляющей напряжения, когда этот ток проходит через резистор.

«А»: Именно это явление и называют ТЕПЛОВЫМИ ШУМАМИ?

«С»: Верно! Значит, любой резистор R является… источником теплового шума!

Но… средние значения шумового тока и напряжения равны нулю!

«А»: Так как ВСЕ направления случайных перемещений элементарных носителей зарядов — РАВНОВЕРОЯТНЫ!

«С»: Спектр тепловых шумов ограничен и обусловлен средней длительностью импульса, создаваемого перемещением элементарного носителя заряда.

«А»: Но ведь эта длительность должна быть исключительно мала!

«С»: Ну, конечно! Поэтому энергетический спектр равномерен во всем радиотехническом диапазоне. Вплоть до частот порядка 1011 — 1012 Гц!

Формулы Найквиста и определяют среднеквадратичные шумовой ток и напряжение:

где k — постоянная Больцмана, равная 1,38х10-23 Дж/К; Т — температура в град. Кельвина; Δf = f1 — f2 — диапазон частот, Гц.

Шумы транзисторов и диодов рассмотрим далее. Поскольку для активных приборов характерен не только тепловой, но и дробовый шум!

«А»: А как рассчитывают чувствительность радиоприемного устройства?

«С»: Будем считать требуемое отношение сигнал/шум на выходе линейной части приемника заданным. В единицах напряжения чувствительность приемника составляет:

где  отношение сигнала к шуму на выходе линейного тракта приемника, т. е. на входе детектора; rА — сопротивление антенны; Пш — шумовая полоса; Т0 — комнатная температура; tA — относительная шумовая температура; Шпр — коэффициент шума приемника.

tA определяется по формуле:

tA = TA/T0

здесь ТА — эквивалентная шумовая температура антенны; Т0 — 293 град. Кельвина.

«Н»: Что, все это надо считать?…

«С»: Если необходимо, то да! Кстати замечу, что радиотехнические расчеты весьма и весьма громоздки! А что касается Шпр, то в практических случаях можно ограничиться следующим:

Шпр = Lвх [Шву + (Шусч- 1)/Kр. ву + (Шсм — 1)/ Кр. вуКр. усч +…] ~= LвхШву,

здесь: Lвх— коэффициент потерь входного тракта; Шву — коэффициент шума входного устройства.

Но практика показала, что tA = 1 и формулы приобретают вполне удобоваримый вид:

РАС (чувствительность) = kТ0ПшШпрγ2.

«А»: А какой величиной чувствительности следует задаваться?

«С»: Шумы приемника, используя доступную компонентную базу, вполне реально довести до величины порядка ОДНОГО микровольта и меньше!

Окончательно мы все решим, когда от структурной перейдем к принципиальной электрической схеме. Поскольку ее роль в этом деле — ведущая!

«А»: А как мы поступим с вопросом о ГПД? Будет ли это все-таки синтезатор, или есть возможность ограничиться обычным гетеродином?

«С»: Учитывая тот факт, что в наш приемник мы не вводим SSB — тракта (хотя это вовсе не значит, что мы отказываемся от этой идеи в перспективе), в качестве гетеродина мы используем ГПД. Хороший, спектрально чистый ГПД, выполненный на основе LC — генератора!

У меня есть на примете подходящая схемотехника!

«А»: Усилитель А1 применим двухтактный?

«С»: Возможно и это. Хотя в данный исторический период есть решения и получше!

«А»: Смеситель U1 проблем у нас не вызывает?

«С»: Я полагаю — никаких!

«А»: Ну, фильтр Z2 проходим также без проблем?

«С»: А вот здесь я неуверен! Вопрос о том, удастся ли достать узкополосный кварцевый фильтр и какой именно! Поскольку фильтр Z2 держит в неопределенности расчет исходных значений частот гетеродинов и коэффициентов перекрытий диапазонов!

«Н»: Уважаемый Спец! А если нам не повезет и вопрос с Z2 — зависнет? Как быть тогда?

«С»: Посыпать голову пеплом не придется и в этом случае! Просто мы воспользуемся альтернативными решениями.

«А»: Но от преобразования «вверх» мы не отказываемся?

«С»: Ни при каких условиях! Но я вижу что принципиальных возражений по структурной схеме не имеется! Поэтому предлагаю перейти к рассмотрению системы индикации настройки.

«А»: Какой вид индикации мы предусматриваем — аналоговый или цифровой?

«С»: В приемниках подобного класса говорить об использовании нецифровых индикаторов частоты настройки считается признаком дурного вкуса…

Поэтому, друзья мои, я полагаю, что этот вопрос должен быть решен ОДНОЗНАЧНО!

«А»: То есть Вы предлагаете включить в состав приемника устройство, напоминающее то, которое применила фирма RACAL?

«С»: Нет-нет! Как ты знаешь, я уважаю не только научную фантастику, но фантастику вообще! Но только не пустопорожнее прожектерство!..

Поэтому, безусловно, очень заманчиво было бы использовать в приемнике микропроцессорную систему! Но это был бы уже до некоторой степени снобизм!.. Потом, позднее, если вы захотите создать еще более совершенный KB-приемник, имея соответствующий опыт, можно посоревноваться и с фирмой RACAL! Хотя я не уверен, что вы станете при этом призерами!..

Но имея ограниченные ресурсы, опыт, а главное — ограниченное время на разработку и изготовление, подобную задачу ставить перед собой не стоит!

«Н»: Как же лучше поступить в данном случае,?

«С»: Прежде всего — подумать и взвесить… Не теряя при этом веры в свои силы, естественно! Что мы хотим получить реально?

Во-первых, цифровую индикацию частоты принимаемой станции в любом из диапазонов, верно?

«А»: А цифровое значение самого принимаемого поддиапазона?

«С»: Совершенно не исключено! Затем — индикатор точной настройки на станцию. Неплохо еще было бы вынести на переднюю панель управления аналоговую информацию об уровне сигнала, присутствующего на входе приемника!

«Н»: Да, это было бы классно!..

«С»: Учитывая, что это еще достаточно просто сделать технически!

«А»: В маркетах у некоторых дорогих моделей приемников, магнитол и музыкальных центров на дисплее индицируется до трех — четырех знакомест в диапазоне УКВ. А сколько знакомест (иначе разрядов) должен иметь цифровой индикатор нашего приемника?

«С»: Я полагаю — не больше ПЯТИ! Но и не меньше!

В этом случае частота принимаемой станции определяется с точностью 1 кГц! Можно, конечно же, высветить и больше знакомест! Например, многие коротковолновики в своих приемниках и радиостанциях индицируют частоту принимаемого сигнала с точностью до 100 Гц!

Это означает, что их дисплеи имеют ШЕСТЬ разрядов! Кстати, будем использовать более общепризнанное название цифрового индикатора частоты принимаемого сигнала — ЦИФРОВАЯ ШКАЛА. Или, например, ЦОУ — цифровое отсчетное устройство.

«А»: А почему? Спец, вы решили ограничиться ЦОУ на пять знакомест? Из-за экономических соображений?

«С»: Решающее значение здесь имеет не столько экономика, сколько эргономика! Опыт показывает, что любитель прослушивания передач в КВ-диапазоне «гоняет» приемник по всем диапазонам. При этом, как правило, на прослушивание радиостанции, если она не очень интересна, требуется 5–7 минут! Иными словами, визуальная индикация частоты принимаемого сигнала осуществляется в течение довольно продолжительного времени.

Выяснилось, что значение показания шкалы все время анализируется и сознательно, и подсознательно!

Так вот, указывается, что визуализация ПЯТИ знакомест утомляет В НЕСКОЛЬКО РАЗ МЕНЬШЕ, чем ШЕСТИ!

«Н»: Но ведь, как я понял, длина волны KB-диапазона тоже должна претендовать на два знакоместа, как минимум!?

«С»: Само-собой! Например: «25 м»; «16 м»; «19 м». И так далее… Но эти два знакоместа располагаются, во-первых, в ином месте дисплейного поля.

Кроме того, размер их, как правило, отличается от размера цифр ЦОУ! А в случае применения светодиодных индикаторов, различие касается и цвета.

«А»: Ну хорошо! Так какую же разновидность цифрового индикатора Вы порекомендуете применить в нашем случае?

«Н»: А что, этих разновидностей много?

«А»: Да, немало! Представь себе, что общепризнанное применение нашли: вакуумные накаливаемые индикаторы — ВНИ; вакуумные люминесцентные индикаторы — ВЛИ; полупроводниковые светодиодные индикаторы — ПСИ; жидкокристаллические индикаторы — ЖКИ. А также люминесцентные и газоразрядные индикаторы, газовые и плазменные панели и пр.!

«Н»: Во многих приборах в настоящее время стоят ЖКИ!

«С»: Потому, что они самые экономичные из всех! Но у них есть принципиальный недостаток. Показания ЖКИ легко считываются только в дневное время!

В темноте они не видны! Поэтому я предлагаю использовать полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы — ППЗСИ. Хотя это, конечно, дело вкуса! Кстати, будет ли приемник иметь аккумуляторное питание или все же сетевое?

«А»: Аккумуляторное было бы предпочтительнее! Но это ведь зависит не в последнюю очередь от потребляемой приемником энергии!

«С»: Безусловно! Поэтому, поскольку окончательно подобный вопрос может быть выяснен только после выбора полной принципиальной электрической схемы устройства, могу предложить следующий вариант.

Приемник будет иметь встроенный блок сетевого питания. Но мы предусмотрим и аккумуляторный режим! Возражений нет?

«А»: А почему они должны быть?

«Н»: Что, можно перейти, наконец, к рассмотрению принципиальных электрических схем узлов приемника?…

«С»: Я бы посоветовал перед этим этапом разработки приемника вернуться к серьезному рассмотрению особенностей используемой для этого современной компонентной базы!

«А»: Действительно, Незнайкин!.. Ты уже достаточно разбираешься в транзисторах, микросхемах, конденсаторах и т. д.?…

«Н»: «Не мастерица я полки-то различать…»

«С»: «А форменные есть отлички! В мундирах выпушки, погончики, петлички…»

«А»: Есть замечательный анекдот о советском летчике, который вернулся из американского плена после вьетнамской войны… Все им гордятся — никаких секретов не открыл врагу! Замполит его в качестве наглядного примера для прочих приводит. А когда все отметили этот образчик героизма за столом, то на откровенные вопросы однополчан летчик ответил так: «Ребята!.. Учите как следует материальную часть!.. А то так бьют!»

«С»: Я, даст Бог, надеюсь, что ни Незнайкину, ни нам никогда не придется рисковать своим здоровьем и жизнью ради «успехов» социализма!

Но электроника — дама очень требовательная! Она требует к себе бережного, вдумчивого и очень деликатного отношения! И готова за это вознаградить сторицей! Поэтому, дорогой Незнайкин, мы начинаем новый цикл бесед. На этот раз — О КОМПОНЕНТАХ!

«А»: Я тоже с удовольствием приму в ней участие!

«Н»: Нет вопросов! А когда начнем?…

«С»: А прямо со следующего раза!

КОНЕЦ ПЕРВОЙ ЧАСТИ

Часть II ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Глава 11. Что такое р-n-переход?

«Спец»: Итак, пора, мой друг, пора. Поговори о… полупроводниках. Потому что именно они лежат в основе большого количества таких непохожих ни внешне, ни по выполняемым функциям приборов.

«Аматор»: Ну, я же говорил Незнайкин о том, что полупроводники как бы занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами (диэлектриками) с точки зрения величины удельного сопротивления. И в то же время заметил, что в полупроводниках есть особенности, которые в свое время заставили исследователей сделать предположение об особом механизме проводимости. Этот механизм не характерен, например, для металлов…

«Спец»: Совершенно верно! Для таких, я бы сказал, основных видов полупроводников, как германий и кремний, характерным является существование регулярной кристаллической решетки (в том случае, когда мы говорим о монокристаллах), в которой определенное сочетание атомов повторяется в любом направлении. Это дает возможность рассматривать структуры т. н. элементарных ячеек кристаллической решетки. Для такой структуры характерно то, что каждый атом окружен четырьмя соседними атомами, причем все они находятся друг от друга на одинаковых расстояниях или ЭКВИДИСТАНТНО. Соответственно ВСЕ четыре внешних электрона образуют и четыре ковалентные связи с четырьмя другими электронами, КАЖДЫЙ ИЗ КОТОРЫХ ПРИНАДЛЕЖИТ ОДНОМУ из ближайших эквидистантных атомов! Естественно, что атомы испытывают тепловое воздействие, в связи с чем некоторые ковалентные связи разрываются и один из электронов бывшей пары отправляется в путешествие по кристаллу.

«Незнайкин»: И часто такое происходит?

«Спец»: При комнатной температуре подобное нарушение ковалентной связи для германия, скажем, характерно таким соотношением: два электрона на 10 миллиардов атомов!

«Незнайкин»: И часто такое происходит?

«Спец»: При комнатной температуре подобное нарушение ковалентной связи для германия, скажем, характерно таким соотношением: два электрона на 10 миллиардов атомов!

«Незнайкин»: И такое соотношение заслуживает того, чтобы о нем упоминать?

«Спец»: Даже более того! Ведь поскольку в одном грамме того же германия содержится 10 в 22 степени атомов, это значит, что в любой момент при комнатной температуре в нем содержится около 2x10 в 12 степени свободных электронов!

«А»: А ведь это уже кое-что в смысле тока!

«С»: Да, конечно! Но примите во внимание тот факт, что я вам сейчас рассказал о причине СОБСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТИ полупроводника.

Отметьте также, что я дважды подчеркнул, что это соотношение справедливо только при комнатной температуре! Поскольку повышение температуры повышает и собственную проводимость!

«Н»: А какая же еще проводимость может быть помимо собственной, вот чего я не могу понять?

«С»: Сейчас-сейчас! Во-первых, мы с самого начала несколько идеализировали картину. Поскольку жизнь (как наша, так и полупроводниковых кристаллов) проходит в реальном мире, то пусть в ничтожных количествах, но в самых чистых монокристаллах германия и кремния содержатся атомы примеси, то есть веществ, не являющихся ни германием и ни кремнием!

«А»: Я где-то читал, что количество примесных атомов в искусственно выращиваемых монокристаллах полупроводников исключительно невелико?!

«С»: Да, в германии, который употребляется в полупроводниковой технологии, количество примесных атомов должно быть не более одного на миллиард, а в кремнии еще меньше. Почти на два порядка.

«Н»: А зачем такая обалденная чистота?

«С»: Да по той причине, чтобы не оказывать существенное влияние на собственную проводимость! Поскольку самое интересное начинается тогда, когда в эти сверхчистые полупроводники искусственно добавляют или трехвалентные атомы индия, или пятивалентные атомы мышьяка. Давайте, к примеру, рассмотрим, что произойдет, если аккуратно внедрить в состав кристаллической решетки пятивалентный атом мышьяка (или сурьмы).

«Н»: Атом станет грязным!

«С»: Ничего подобного, Незнайкин! Пятый валентный электрон не сможет образовать ковалентную связь, поскольку создать ее будет не с кем! Вокруг «нормальные» атомы германия (или кремния). Этот пятый электрон, фактически, остается свободным. Достаточно малейшего воздействия, чтобы он начал свое путешествие по кристаллу.

«Н»: Но в этом случае получается, что в таком полупроводнике будет ИЗБЫТОК электронов!

«С»: Это действительно так. Принято называть такие полупроводники — полупроводниками n-типа (от слова negative — отрицательный). На всякий случай запомним, что пятивалентные примеси называются ДОНОРАМИ, поскольку они обеспечивают избыток свободных электронов!

«А»: Но в состав атома внедряют и трехвалентные атомы индия. И вот здесь я что-то не совсем понимаю ситуацию! Ведь в этом случае имеющиеся у индия ТРИ валентных электрона образуют связи с тремя из четырех эквидистантных атомов. В этом случае, как мне представляется, один из атомов германия (либо кремния) не сможет пристроить один из четырех электронов и этот четвертый электрон, в свою очередь, оторвавшись, сможет блуждать по кристаллу! А значит, и в этом случае проводимость должна быть n!?

«С»: Я понял твои сомнения, дорогой Аматор! Виноваты в них, прежде всего, плохие популяризаторы. Они, почему-то забывают указать один существенный нюанс. Действительно, «лишний электрон», как может по казаться, появляется у одного из атомов германия… Но Природа устроена очень интересно! Этот электрон не отправляется в путешествие по кристаллу! Он хитрым квантовым образом взаимодействует… с атомом индия. А поскольку образовать ковалентную связь с электронами индия, как мы уже говорили, он не может (все валентные электроны индия уже заняты), то возникает своего рода «ловушка», которая как бы «привязывает» этот «лишний» электрон. А в результате — в создании проводимости этот электрон не участвует!

«А»: Но атом германия (или кремния), «потерявший» таким образом один из своих электронов становится электроположительным?

«С»: Ну конечно! У него образуется незаполненная ковалентная связь, которая ВСЕГДА готова принять свободный электрон. И она его принимает… от соседнего атома германия (либо кремния)! Вот почему эту вакансию или брешь в физике полупроводников почетно именуют ДЫРКА! А теперь обратите внимание на рис. 11.1, который показывает фазы ДЫРОЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ, когда к полупроводнику p-типа (positive — положительный) приложено напряжение.

«А»: Пожалуй, я попробую рассказать о динамике изображенного процесса. В полупроводнике p-типа дырка, представляющая собой положительный заряд, перемещается от положительного полюса к отрицательному. На предложенных рисунках рассматриваются последовательные фазы этого процесса. В последнем из рисунков, электрон, поступивший от источника тока, заполняет ближайшую к отрицательному полюсу дырку. Одновременно с этим, другой электрон покидает ближайший к положительному полюсу атом. На месте этого электрона возникает новая «дырка»! Ну и так далее!

«С»: А что еще можно сказать по этому поводу?

«А»: Разве что отметить тот интересный факт, что когда электроны, в полном соответствии с физикой, перемещаются внутри кристалла к положительному полюсу, дырки перемещаются к… отрицательному!

«С»: И делают это так, как будто они являются РЕАЛЬНЫМИ частицами с положительным зарядом!

«Н»: Только теперь до меня дошло, почему раньше вместо ясного и четкого выражения «движение электрона», Аматор часто употреблял выражение — «носитель электрического заряда».

«А»: Слава Богу, Незнайкин, слава Богу! Но, дорогой Спец, разъясните нам понятнее, что такое р-n-переход?

«С»: Давайте проделаем мысленный эксперимент. Но еще прежде уясним себе, что именно на физических свойствах контактов между полупроводниками p-типа и n-типа, а также на контактах металл — полупроводник базируются принципы действия подавляющего большинства современных электронных элементов. Так вот, на границе раздела между двумя различными по типу электропроводности полупроводниками возникают ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ БАРЬЕРЫ. А сама зона разграничения носит название Р-N-ПЕРЕХОДА. Информация к размышлению — его толщина порядка 0,3 микрона и меньше.

«Н»: И эти различные области взаимодействуют между собой?

«С»: И еще как! Во-первых, отрицательно ионизированные акцепторы оттолкнут от р-n-перехода свободные электроны области n (см. рис. 11.2)!

«А»: По этой же причине ионизированные доноры будут противодействовать дыркам области р приближаться к р-n-переходу! Ведь одноименные заряды отталкиваются!

«С»: Но, кроме того, доноры n-области притягивают к р-n-переходу электроны из области р, в результате чего в районе самого р-n-перехода избытка дырок отнюдь не наблюдается. Можно сказать и иначе — дырки области р уходят от р-n-перехода!

«А»: Иными словами, в прилегающем к р-n-переходу объеме области р все акцепторы будут заполнены, то есть ионизированы отрицательно. Точно так же в области n все доноры вблизи перехода потеряют по электрону. И станут положительно заряженными ионами.

«С»: В то же время свободные носители электрического заряда (электроны и дырки) в районе перехода ОТСУТСТВУЮТ! Следовательно, р-n-переход превращается в некий БАРЬЕР между двумя областями, из которых одна имеет положительный, а другая — отрицательный потенциал.

Иначе говоря, образуется ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ БАРЬЕР! И при всем при том кристалл, в целом, все равно остается электронейтральным.

«А»: А значит, подавая на подобный р-n-переход внешнее напряжение мы получим (в зависимости от полярности) два совершенно различных случая.

«Н»: Почему различных?

«А»: А ты подумай! Порассуждай, Незнайкин! Это полезное занятие!

«Н»: Ну, если ты так просишь!.. Пусть положительный полюс источника напряжения соединен с областью р, а отрицательный — с n. Тогда в области n свободные электроны полупроводника будут отталкиваться в сторону перехода электронами, поступающими от источника напряжения. Они пересекут р-n-переход и начнут заполнять дырки, которые положительный потенциал источника подогнал к этому переходу…

«С»: Можем сказать, что положительный полюс источника будет притягивать к себе электрон всякий раз, когда другой электрон преодолеет переход, проникнув из области n в область р.

Электрон, притянутый источником, создает дырку. Которая заполнится тем электроном, который будет ближе к переходу. На его месте, в свою очередь, возникнет новая дырка. Она будет перемещаться в сторону перехода, пока не будет заполнена там новым электроном, проникшем из области n.

Таким образом, через р-n-переход БУДЕТ ТЕЧЬ ТОК!

«Н»: Ну, а если приложить напряжение другой полярности?

«А»: В этом случае электроны отрицательного полюса источника напряжения притянут дырки области р еще ближе к периферийной области кристалла полупроводника. А к противоположному концу кристалла положи тельный полюс источника притянет свободные электроны. При этом ни электроны, ни дырки не будут пересекать р-n-переход. Величина потенциального барьера возрастет. НИКАКОГО ТОКА НЕ БУДЕТ!

«С»: Почти верно! Очень малый ОБРАТНЫЙ ТОК проходить будет. Его причина кроется в том, что исходный германий (или кремний) имели остаточные, неконтролируемые примеси. Вот их-то электроны и «повинны» в наличии обратных токов.

«Н»: Вот мы и получили детектор! А большие токи через р-n-переходы можно пропускать?

«С»: Ну конечно! Кстати, р-n-переход называют полупроводниковым ДИОДОМ. Они бывают германиевые, кремниевые и из иных полупроводниковых материалов.

«Н»: Каких это иных? Разве есть еще и другие полупроводники, кроме германия и кремния?

«С»: Да. И довольно много! Но уже не в виде отдельных химических элементов, а в виде многоэлементных сложных структур. Но мы их вниманием тоже не обойдем, не беспокойся!

«Н»: Я понял так, что диоды могут и детектировать слабые сигналы, и выпрямлять огромные токи.

«С»: Это настолько же верно, насколько и неполно!

«Н»: В каком смысле?

«А»: Прежде всего в том, что функции диодов совершенно не исчерпываются функциями детектирования и выпрямления. Более того, имеется значительное количество различных типов диодов, которые НИКОГДА не используются в качестве выпрямителей или детекторов! Тем не менее современная электроника без них обойтись не в состоянии. Не так ли, дорогой Спец?

«С»: Совершенно с вами согласен. Об этом и поведем разговор. Но, прежде чем это сделать, приведем вольт-амперную характеристику (ВАХ) для кремниевого диода малой мощности. Обратите внимание, что обратная ветвь характеристики при достижении некоторого Uобр, имеет участок параллельный оси ординат (рис. 11.3, а).

«Н»: Чудеса, да и только! Это что же выходит? При одном и том же напряжении ток может изменяться вдвое?

«А»: Ну почему вдвое? А в пять, в десять раз при том же напряжении не хочешь?

«Н»: Минуточку, а как же тогда быть с законом Ома?…

«С»: Твой вопрос, Незнайкин, не застал меня врасплох! Но прошу внимательно взглянуть на рис. 11.3, б…

«А»: На обратной ветви я вижу ДВЕ кривые!

«С»: Да. И они соответствуют двум различным видам (механизмам) ПРОБОЯ р-n-перехода. Первый — это так называемый ЛАВИННЫЙ пробой (кривая 1). Второй — ТЕПЛОВОЙ пробой. Сразу оговорю, что если судьба какого-либо диода пошла по кривой 2, то единственное, что здесь можно сделать — это как можно быстрее выпаять его из схемы и сдать на металлолом! Поскольку это означает тепловое разрушение кристалла и, естественно, расплавление р — n-перехода!

«А»: А если карты выпадут так, что ВАХ пойдет по кривой 1?

«С»: Тогда все не так страшно! Как вообще проявляет себя пробой р-n-перехода? Он проявляется, прежде всего, в резком увеличении тока, протекающего в обратном направлении. Это бывает при достижении определенного КРИТИЧЕСКОГО значения ОБРАТНОГО напряжения. Если подходить очень строго, то существуют три вида пробоя перехода: лавинный, туннельный и тепловой. Просто в силу ряда причин практического характера мы оставляем пока без рассмотрения туннельный пробой…

«Н»: Ну, а лавинный и тепловой?

«С»: А вот о них поговорим обязательно! В основе механизма лавинного пробоя лежит явление лавинного размножения подвижных носителей электрического заряда в сильном электрическом поле р-n-перехода! То есть электрон и дырка, ускоренные электрическим полем, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома полупроводника, в результате чего образуется новая электронно-дырочная пара. Которая тоже ускоряется под воздействием электрического поля. В результате этой УДАРНОЙ ионизации развивается ЛАВИНА подвижных носителей заряда, что приводит к резкому увеличению обратного тока.

«А»: Но ведь ток во внешней цепи регулируют резистором?

«С»: Да, вот именно! В отличие от чисто теплового пробоя…

«Н»: А как используется лавинный пробой?

«С»: Взгляни еще раз на нижний рисунок. А именно, сравни между собой точки кривой 1 — «А» и «Б». Что ты видишь?

«Н»: Только то, что значения напряжения для точек «А» и «Б» практически одинаковы, а ток через них, между тем, проходит совершенно различный!

«С»: Ну вот тебе и чисто практическое применение эффекта — СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ! Чтобы было понятнее, я изобразил здесь простейшую схему параметрического стабилизатора напряжения (рис. 11.4).

В зависимости от типа СТАБИЛИТРОНА (а именно так называются полупроводниковые диоды, в которых используется участок А-Б обратной ветви характеристики) мы выбираем исходную величину напряжения стабилизации, которая более всего подходит нам в каждом конкретном случае.

«Н»: И это могут быть любые напряжения?

«А»: Не совсем, Незнайкин! Есть некий стандартный ряд. Вот, например, для стабилитронов общего применения: 3,3 вольта; 3,9 В; 4,7 В; 5,6 В; 6,8 В; 7,5 В; 8,2 В; 9,1 В; 10 В и т. д.

«С»: Ты, очевидно, имеешь в виду серию КС133, КС147, КС156, КС168 и все такое прочее? Да, действительно, эти миниатюрные стабилитроны неплохо зарекомендовали себя в работе. Как и двуханодные стабилитроны типа КС162, КС175, КС182, КС191 и т. д.

«Н»: И как вы все это запоминаете?…

«С»: Привычка — вторая натура! А вообще я предлагаю собравшимся, поскольку мы занимаемся рассмотрением конкретных элементов электронных схем, завести своего рода самодельный справочник, куда с этих пор будем заносить типы и технические характеристики (хотя бы основные) компонентов, которые предполагается использовать при разработке нашего приемника.

«А»: Принято!.. Но давайте закончим рассмотрение схемы простейшего стабилизатора. Пусть это будет КС168, напряжение стабилизации которого равно — 6,8 вольта…

«Н»: Следует ли это понимать так, что в самом названии типа стабилитрона уже содержится указание на величину стабилизируемого напряжения?

«А»: Безусловно! Например, КС133 предназначен для стабилизации, примерно, 3,3 вольта. КС156 — 5,6 вольта.

«С»: Итак…для рассматриваемого КС168, точка «А» — минимальный ток стабилитрона. Тогда точка «Б» соответствует максимальному току через стабилитрон. Пусть в таком случае:

Iмин = 3 мА; Iмакс = 20 мА.

Произведем следующий расчет…

«Н»: Но я не получил еще никакого ответа на свой вопрос о применимости закона Ома!

«С»: Это весьма философский вопрос!.. Если утверждать, что закон Ома констатирует только тот факт, что при увеличении тока через резистор R вдвое (или втрое, вчетверо и т. д.), падение напряжения на нем также возрастет вдвое (или втрое, вчетверо…), то тогда мы просто вынуждены отметить для случая стабилитрона, что ДА, Закон Ома в данном случае НЕ СОБЛЮДАЕТСЯ!

Но если принять ту точку зрения, что зависимость напряжения от тока (или тока от напряжения) может быть, в принципе, ЛЮБОЙ, даже ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ, вообще какой угодно… тогда, вопреки здравому смыслу, мы можем сказать — да здравствует Закон Ома!

Но в среде электронщиков, особенно при рассмотрении характеристик и параметров современных компонентов, второе утверждение всуе и вслух произносить не принято!..

«А»: Спасибо за науку! А как же выражаться при работе со стабилитронами?

«С»: Исключительно вежливо! Понятие СОПРОТИВЛЕНИЕ по отношению к стабилитрону абсолютно не звучит! Поэтому стабилитроны характеризуются таким понятием, как ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Рассмотрим уже знакомый нам участок А — Б. Теперь дадим определение дифференциального сопротивления:

Rдифф = ΔU/ΔI

Легко найти, что, например, для КС168 Rдифф = 20 Ом!

«А»: А теперь вернемся к схемке стабилизации. Пусть напряжение питания U = 15 В, Uст = 6,8 В, Roгр = 510 Ом. А вот Rн может быть различным. Пусть Rн = 680 Ом, Rи2 = 4 КОм.

А теперь посмотрим, что будет происходить в схеме.

I1 = I2 + I3; U = 15 — 6,8 = 8,2 В.

Тогда:

I1 = 16 мА; I3 = 6,8/Rн1 = 6800/680 = 10 мА.

Откуда:

I2 = 16–10 = 6 мА.

В этом случае ток через стабилитрон равен 6 мА.

Подставим значение Rн2. Тогда:

I1 = 16 мА; I3 = 1,7 мА.

Откуда:

I2= 16 — 1,7 = 14,3 мА.

В этом случае ток через стабилитрон равен 14,3 миллиампер.

«Н»: Я понял! Если бы не стабилитрон, напряжение в точке α изменялось бы в довольно широких пределах, при варьировании величины Rн! А применение стабилитрона позволяет сделать напряжение в этой точке НЕЗАВИСИМЫМ ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ!

«А»: Умница! Более того, напряжение в точке α НЕ ЗАВИСИТ ОТ величины U!

«С»: В достаточно широких пределах это, действительно, так. Вот вам пример того, что диод может быть применен вовсе не для выпрямления или детектирования!

«А»: Но это ведь не единственный пример?

«С»: Ну, безусловно! Вот еще один, кстати более чем просто актуальный для нашей разработки. Ты, дорогой Аматор, помнится, волновался о том, куда мы поместим трехсекционный конденсатор переменной емкости, необходимый для настройки?

Не волнуйся! Никаких конденсаторов переменной емкости в нашем приемнике не предвидится! Вместо них в современной аппаратуре применяются особые диоды, так называемые ВАРИКАПЫ или ВАРАКТОРЫ.

Варикап — это диод, емкость которого изменяется в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. Возможность замены механических систем настройки электронными позволяет:

а) произвольно увеличивать количество одновременно перестраиваемых контуров;

б) располагать варикапы непосредственно около контурных катушек; что резко уменьшает конструктивные емкостные связи между каскадами;

в) полностью избавиться от микрофонного эффекта;

г) создавать приемники с автоматическим поиском станций без использования громоздких механических узлов.

«А»: Так ведь и габариты не сравнить!

«С»: И это верно… Вообще перечислять достоинства варикапов и их возможности дело благодарное, но хлопотное! Рассмотрим, вкратце, принципы работы варикапа. Его (варикапа) емкость изменяется в зависимости от ширины запорного слоя. Это часть объема кристалла, свободная от подвижных зарядов и расположенная между р- и n-областями.

Ширина запорного слоя зависит от величины напряжения обратного смещения, подаваемого на диод, что ведет к изменению его емкости.

Зависимость емкости запорного слоя кремниевых варикапов от напряжения смещения определяется соотношением:

где С — емкость, пФ; К — постоянная величина; Еупр — внешнее управляющее напряжение, приложенное к переходу; U0 — контактная разность потенциалов перехода, равная 0,8–0,9 вольта; n — 0,45.

«А»: А как в таком случае подсчитать коэффициент перекрытия варикапа по емкости?

«С»: Да вот, хотя бы по этой формуле:

Далее, в нашем небольшом, но заботливо и со вкусом пополняемом справочнике мы приведем конкретные типы варикапов, их параметры и рекомендуемые варианты применения. Но следует обязательно отметить, что в рабочем диапазоне частот варикапа имеется область, в которой с ростом частоты ВОЗРАСТАЕТ его добротность!

Это уникальный момент, который не имеет аналога в конденсаторах переменной емкости!

«Н»: А вы можете привести еще примеры недетекторного использования диодов?

«С»: Да сколько угодно! Вот один из примеров… На структурной схеме нашего будущего приемника показан АТТЕНЮАТОР. Так вот, есть очень своеобразные диоды, которые используются в ВЧ-аттенюаторах в качестве РЕГУЛИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА!

«А»: Что, прямо в ВЧ-тракте!? И они не искажают сигнал?

«С»: Эти специальные кремниевые диоды имеют, так называемую, р-i-n-структуру. Малое сопротивление р-i-n-диода в открытом состоянии позволяет включать его между входным контуром и входом УВЧ в качестве регулируемого аттенюатора без существенного увеличения коэффициента шума.

Поэтому в области частот KB-диапазона р-i-n-диод можно рассматривать, как эквивалент переменного резистора.

p-i-n-диод отличается от обычного диода с р-n-переходом тем, что между областями с проводимостью Р и N находится слой полупроводникового материала, характеризующегося собственной проводимостью, так называемый i-слой (intrinsic — собственный, внутренний). Этот слой имеет очень малое содержание примесей и поэтому обладает большим удельным сопротивлением. При нулевом смещении объемное сопротивление слоя с собственной проводимостью составляет обычно 7—10 КОм.

Изменение величины объемного сопротивления в зависимости от ИЗМЕНЕНИЯ ПРЯМОГО ТОКА описывается формулой:

Ri= 26/I0.87

«А»: Я не знал о существовании подобных компонентов, потому что в отечественной бытовой аппаратуре они мне еще не встречались.

«С»: Ничего удивительного! А если при этом учесть, сколько видов диодов мы вообще исключили из рассмотрения… Туннельные, обращенные, переключательные, IMPATT, TRAPPAT… Динисторы, стабисторы, магнитодиоды и прочая, и прочая…

«Н»: А почему исключили?

«С»: По единственной причине — они не будут применены в схеме нашего приемника! Но, друзья мои, осталось еще несколько разновидностей диодов, которые мы рассмотрим при нашей следующей встрече. И без которых мы действительно не сможем обойтись!

Глава 12. Полупроводниковые диоды — немного истории…

«Аматор»: Я вот тут смотрел кое-какую литературу и нашел упоминание о диодах — СТАБИЛИЗАТОРАХ ТОКА! Может ли такое быть?

«Спец»: Вполне, вполне. Хотя… никакие известные диоды, насколько мне известно, подобными качествами не обладают!

«Незнайкин»: Ничего себе ситуация!.. Противоречие какое-то получается.

«С»: Ровным счетом никакого! Диоды действительно не могут стабилизировать ток! Но… сложное полупроводниковое устройство, в состав которого входят как диоды, так и транзисторы, а также и еще кое-какие компоненты (мы к этому вопросу еще вернемся) могут великолепно справляться с этой задачей. А-поскольку это устройство вполне может иметь только ДВА вывода, то простоты ради оно и получило наименование — ДИОД — СТАБИЛИЗАТОР тока!

«Н»: А может лучше о нем сразу рассказать?

«С»: Обязательно, но несколько позже… А сейчас я хотел бы сообщить вам об очень важных для нас диодах, в физической основе действия которых НЕ ЛЕЖИТ вообще р — n-переход! Это диод, основанный на переходе типа МЕТАЛЛ — ПОЛУПРОВОДНИК. Который также обладает выпрямительным эффектом. Эти приборы называют обыкновенно по имени, в честь исследователя, работы которого и подарили их электронике — ДИОДЫ ШОТТКИ.

«А»: Я читал о них! Они характеризуются очень малым временем переключения и очень низкой величиной накопленного заряда!

«С»: Совершенно верно! Добавлю только, что хотя в их основе тоже лежит кремний, но у них весьма мало прямое падение напряжения по сравнению с обычными кремниевыми диодами. Оно составляет около 0,3 В.

«Н»: А у обычных сколько?

«А»: Между 0,6 и 0,7 вольта…

«С»: У них масса и других достоинств. Например, очень малые шумы и ничтожные (сравнительно с любыми другими типами диодов) емкости! Что в сумме делает диоды Шоттки наиболее предпочтительными для создания ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ДИОДНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ.

Существует и еще один класс диодов, которые дали очень много как схемотехнике, так и дизайну приборостроения…

«А»: Речь идет о СВЕТОДИОДАХ?

«С»: Именно о них! Обратите внимание, что светодиоды изготовляются не путем использования германия или кремния, о которых мы уже говорили ранее. А на основе СЛОЖНЫХ полупроводников. Например, на основе арсенида — фосфида галлия (имеющего валентную связь типа А3В5).

Или, скажем, карбида кремния. Или арсенид — галлий — алюминия и прочие. Эти диоды излучают световые кванты при протекании через них прямого тока. Область спектрального излучения этих диодов имеет довольно узкие границы. При этом яркость свечения в широком диапазоне пропорциональна величине прямого тока светодиода!

«Н»: Так они могут заменить маленькую электрическую лампочку?

«С»: Новейшие светодиоды, получившие наименование «сверхярких», действительно, можно использовать в качестве подсветки, если тебя не будет шокировать их кроваво-красный свет! Но, в отличие от лампочки, нить накаливания которой нагрета до 2000 °C, излучающая свет область кристалла имеет температуру не выше 50 °C! И, что важно, не обладает тепловой инерцией!

Вот почему излучение светодиода очень легко модулировать. А, следовательно, одно из основных применений светодиода — это не столько элементарная подсветка, сколько передача информации в световом диапазоне. Токи для этого нужны совершенно пустячные! Например, новейшие японские, американские и голландские светодиоды великолепно светятся уже при токе 2–3 мА!

«А»: Для отчетливой индикации этого вполне достаточно! Но ведь на основе светодиодов изготовляются еще и цифровые индикаторы?

«С»: Да, но о них мы будем говорить позднее, когда вплотную займемся ЦОУ для приемника. Но, всем вышеперечисленным, возможности светодиодов опять-таки не ограничиваются! Что бы вы сказали, если мы попробуем применить светодиод в качестве… стабилитрона?

«Н»: Но ведь стабилитронов различных типов, как успел сообщить мне Аматор, хоть пруд пруди! Так зачем же?…

Что может дать особо нового использование для этой цели светодиодов?

«С»: А вот тут, Незнайкин, ты глубоко неправ! С точки зрения экономики это вообще одно и то же. А вот с точки зрения электроники…

«А»: Знаете, Спец, я тоже еще как-то не очень врубаюсь в ситуацию!

«С»: Это поправимо… Мы уже говорили, что стабилитроны, реально, используются для получения опорных напряжений не ниже 3,3 вольта. Более низкие напряжения стабилизации достигаются только последовательным включением обычных диодов в прямом направлении. Но их суммарное дифференциальное сопротивление при этом становится слишком большим. Обратимся к рисунку. На нем изображены ВАХ для различных случаев прямого включения диодов (см. рис. 12.1).

Так кривая 1 — это ВАХ одного кремниевого диода. Кривая 2 — соответствует случаю прямого включения ДВУХ диодов. Обратите внимание на увеличение степени наклона! А теперь сравните кривые 1 и 2 с кривой 3, характеризующую ВАХ светодиода красного свечения.

«А»: Но я вообще не наблюдаю наклона характеристики кривой 3?! В то же время величина напряжения стабилизации составляет всего 1,6 вольта!

«С»: Насчет наклона ВАХ ты совершенно прав! Его, практически, вообще нет. Дифференциальное сопротивление светодиода не превышает ДОЛЕЙ ОМА! Кстати, в зависимости от длины волны излучения, напряжение стабилизации варьируется от 1,4 вольта (инфракрасный) до 2,4 вольта (зеленый).

«А»: Но имеются еще и такие приборы, как ФОТОДИОДЫ. Рассмотрим ли мы их?

«С»: Я сам сейчас думаю над этим вопросом. С одной стороны, если затронуть тему фотодиодов, нам придется уделить ей большое внимание. С другой — их использование в радиоприемнике в настоящий момент не предполагается. А мы не имеем возможности в наших беседах рассказать обо всей современной электронике. Причем сразу! Согласись, Аматор, что вот не затрагиваем же мы здесь тему о свойствах полупроводниковых лазеров, например…

«А»: Справедливо. В общем, если паче чаяния фотодиоды нам все же понадобятся, никто нам не помешает вернуться к ним…

«С»: Ну что же… На том и порешим!

«Н»: Значит, можно считать, что общее краткое знакомство с диодами мы закончили?

«С»: Да, пожалуй. Осталось только положить здесь начало своего рода справочнику, о необходимости которого мы упоминали выше!

«А»: Нет проблем! Беру бумагу и ручку. Дорогой Спец, я весь внимание. Уже пишу!..

«С»: Как вы любезны!.. В таком случае — уже диктую!.. (см. Глава 30., табл. 30.2)

«А»: Ну вот, начало справочнику положено!

«С»: Всё это великолепно! Ну а теперь нас ждет знакомство с транзисторами… Итак, транзистор — это полупроводниковый элемент с тремя электродами, который служит для усиления или переключения сигналов.

Интересна их история. В то самое время как приёмно-усилительная лампа (ПУЛ) победно шествовала по всему свету, наиболее философски мыслящие умы усиленно искали ей замену. Они мечтали о приборчике экономичном, малогабаритном, очень надежном, не требующем для своей работы высоких напряжений. Бум, который произвел в техническом мире приемник — кристадин российского инженера Лосева (снабженный твердотельным диодом — усилителем) вскоре сошел на нет. Ни участок ВАХ кристалла, примененного Лосевым, имевший ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ; ни второе удивительное свойство того же кристалла — таинственное (как на то время) свечение при работе — не имели под собой никакого научного объяснения. А сам прибор — необходимой стабильности и постоянства действия.

«А»: А что же европейско-американская мысль? Не заинтересовалась этими эффектами?

«С»: Заинтересовалась, но не очень! Профессор физики Юлиус Лилиенфельд, работавший в США по проблеме создания твердотельного кристаллического усилителя, ещё с 1925 года получил 3 патента на совершенно иной принцип!

Его патенты касались прибора ныне известного во всем мире как ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР. Патенты были датированы январем 1930 года, сентябрем 1932 года и мартом 1933 года. Кроме того, британский ученый Хейл в декабре 1935 года получил на эту же тему британский патент номер 439457.

Но в качестве материала Лилиенфельд выбрал сульфид меди, а Хейл надеялся на пятиокись ванадия, теллур и йод. Первый действующий кристаллический усилитель на нагретом кристалле бромида калия создал немецкий физик Поль в 1938 году.

«А»: Выходит, никто из них не додумался испробовать германий или кремний?

«С»: Будущие создатели транзистора — Браттейн и Шокли так же долгое время экспериментировали с оксидом меди. Но в начале 1940 года Браттейна пригласили понаблюдать за экспериментами химика Рассела Оля, проводившимися в фирме BELL. Оль освещал середину кремниевой пластины, на концах которой были сделаны металлические контакты, присоединенные к вольтметру. Браттейн был поражен увиденным! Вскоре ему была предоставлена возможность работать с образцом кремния, в котором металлурги создали р-n-переход.

Биполярный транзистор, фактически, был готов уже родиться, но… началась Вторая Мировая война. Шоккли и Браттейн были направлены в исследовательский центр, лихорадочно работавший над созданием радаров.

«А»: Получается, что американцы работали не над полевым, а над биполярным транзистором?

«С»: Да, так угодно было Судьбе! Свою работу они смогли продолжить только через шесть лет, то есть после окончания войны. Любопытно, что после войны исследования были продолжены уже не над кремнием, а над германием.

В конце 1945 года к Браттейну в группу был направлен физик Джон Бардин, специалист по квантовой механике. Ну, много работы и не меньшее количество везения потребовалось этим ученым!

Удачной была, прежде всего, мысль ограничить исследования только простыми элементами — германием и кремнием. Новая, разработанная на основе анализа экспериментов теория, объяснив попутно эффект Шоттки, к концу 1947 года позволила реализовать многолетнюю мечту физиков — создать германиевый усилитель с коэффициентом усиления по напряжению порядка 100! Частотный диапазон достигал при этом 30 кГц!

«Н»: Но получается, что есть два абсолютно различных вида транзисторов?

«С»: Да, это безусловно так! Хотя их, вообще-то не два, а несколько больше.

«А»: А действительно, может перечислим основные типы?

«С»: Без проблем! Можем расписать этот факт следующим образом (см. рис. 12.2).

«Н»: И все это разнообразие действительно применяется?

«С»: Безусловно, но это еще далеко не все! Большой популярностью сейчас пользуются, например, МДП- или МОП-транзисторы с двумя затворами. Или вот совершенно новый класс — ТРАНЗИСТОРЫ С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ!

«А»: Но несколько видов транзисторов нам действительно необходимы!?

Так с каких начнем? С биполярных или полевых?

«С»: Не будем понапрасну спорить с историей! А потому — начнем с биполярных!

Глава 13. Биполярные транзисторы

«Спец»: Прежде всего — БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР состоит из двух противоположно направленных р-n-переходов. Совершенно ясно, что при этом, как во многих прочих жизненных ситуациях, возможны две структуры: р-n-р и n-р-n!

«Аматор»: При этом одна из внешних областей называется ЭМИТТЕРОМ.

В таком случае вторая внешняя область именуется — КОЛЛЕКТОР. А прослойка, лежащая между ними, соответственно — БАЗОЙ (рис. 13.1)!

«С»: Интеллигенция тоже именовалась прослойкой! Но любому цивилизованному обществу она необходима точно так же, как БАЗА биполярному транзистору! И в одном, и в другом случае эта база играет решающую и определяющую роль! Если она имеется, то имеется все!

«А»: Благодарю за высокую оценку роли интеллигенции в современном обществе! А вот какова роль базы в транзисторе?

«С»: Давай сперва, опираясь на опыт, полученный при рассмотрении р-n-перехода, представим себе транзистор графически. Пусть это будет n-р-n-транзистор! Посмотрите на его изображение внимательно. Из рисунка следует тот факт, что при любой полярности батареи G, один из переходов окажется подключенным в прямом, а другой в обратном направлении.

«Незнайкин»: То есть «что бы мы ни делали — не идут дела»! То есть я хотел сказать, ток по цепи не проходит!

«С»: Правильно! Хотя, если учитывать тот факт, что реально скорости электронов НЕ РАВНЫ, а существует некоторое распределение их по скоростям, то хотя бы в силу этого ВСЕГДА есть небольшое количество высоко скоростных электронов, которые пройдут через р-n-переход. Вот такой небольшой СКВОЗНОЙ ток будет иметь место в данном случае! Этот ток очень мал и не зависит от величины приложенного напряжения (поймите меня правильно — только до определенного предела!)

«Н»: А если температура будет возрастать?

«С»: Тогда, что совершенно естественно, возрастет и сквозной ток! Более того, возросший сквозной ток будет вызывать дополнительное нагревание переходов…

«А»: Что вызовет новое возрастание тока, а оно, в свою очередь — еще большее нагревание! И так далее!..

«С»: Но вовсе не до бесконечности, а до ТЕПЛОВОГО ПРОБОЯ, который в подобных случаях приводит к разрушению структуры кристалла транзистора!

«Н»: Классно получается! Мы еще не начали толком анализ работы транзистора, но уже знаем, что режим с ОТКЛЮЧЕННОЙ БАЗОЙ — недопустим!

«С»: И запомните эту ИСТИНУ на всю дальнейшую жизнь!..

«А»: Но ведь база должна куда-нибудь подключаться?

«С»: Естественно. А потому нарисуем новую картинку. И внесем в нее одно небольшое добавление… А именно, между эмиттером и базой, в прямом направлении, мы подключим одну небольшую батарейку, и все (рис. 13.2)!..

«А»: Ничего себе «и все»! Сразу «все смешалось в доме Облонских»!

«С»: Ах, оставьте Облонских в покое, нам и своих забот выше крыши!

Посмотрите на рисунок! Поскольку переход база — эмиттер включен в прямом направлении, то не будь коллектора — ОН весь ушел бы в базу! Он — это, конечно же, прямой ток перехода. Но, выстроившиеся в коллекторной области положительно ионизированные доноры, своим полем как бы «перехватывают» большую часть проникнувших в базу со стороны эмиттера электронов. И, дополнительно разогнав их, сообщают им достаточную энергию, чтобы они не завернули назад. То есть чтобы они не свернули к положительно ионизированным донорам коллектора, а смогли бы дойти к обозначенной штриховкой зоне коллектора, где их «подхватит» своим положительно заряженным полюсом батарея Gк-э! Далее, уже как коллекторный ток Iк, эти электроны «проследуют» к Gк-э. А из отрицательного полюса этой же батареи ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО такое же количество электронов «войдет» в область эмиттера.

«Н»: Вы случайно употребили слово «приблизительно»?

«С»: Многие философы готовы прозакладывать свою собственную голову, что во Вселенной нет ничего случайного! Я, в принципе, не против того, чтобы поспорить на эту тему, но в данном случае выражение ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО я употребил действительно НЕ случайно!

«А»: Да и на рисунке видно, что два-три электрончика взяли, да и свернули в базу, перехваченные пусть и небольшим, но тем не менее тоже ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ полюсом батарейки Gб-э.

«С»: Очень верное наблюдение! И так будет всегда! Базовый и коллекторный ток в транзисторе неразлучны в том смысле, что для любого транзистора это соотношение выполняется очень строго. Достаточно тем или иным путем добиться увеличения базового тока, как возрастает и коллекторный ток!

Ну, а если базовый ток уменьшается, то можете быть спокойны — коллекторный ток уменьшится в той же пропорции!

«А»: А может стоит попробовать нарисовать пару формул на эту тему?

«С»: Паркуа бы и нет? Следите за движением кончика моей шариковой ручки:

Iэ = Iб + Iк; Iк = К∙Iб.

«Н»: А что такое К?

«С»: А вот это ИМЕННО ТОТ параметр, о котором многие десятки лет мечтали лучшие физики мира! К — это КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА по ТОКУ! Поскольку Iк всегда много больше, чем Iб.

«Н»: Ну и насколько больше, хотелось бы узнать?

«С»: Лучше выразиться так — во сколько раз больше!? Для имеющихся на сегодняшний день в арсенале электроники биполярных транзисторов, коэффициент К (в зависимости от типа и режима транзисторов) находится в пределах от 15 до нескольких тысяч!

«Н»: А от чего это зависит?

«А»: Прежде всего, от толщины базовой области. Но, дорогой Спец, я часто в литературе и в разговорах радистов слышал выражение «коэффициент усиления транзистора — α» и «коэффициент усиления транзистора — β». Что имеется в виду?

«С»: Действительно, существует несколько различных коэффициентов усиления. Если говорить более строго, то коэффициенты усиления и следует расписать так:

α = ΔIк/ΔIэ = ΔIк/(ΔIк + ΔIб) поскольку ΔIэ = ΔIк + ΔIб

тогда

α = β/(1 + β)

Коэффициент усиления α — всегда меньше 1, а β — больше.

«Н»: А какой физический смысл аир?

«С»: Все зависит от основной схемы включения транзистора. А вариантов включения известно только три. С общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. И мы сейчас поговорим об этом более подробно. Но прежде вопрос — всем понятно, что процессы в р-n-р-транзисторе протекают аналогично?

«А»: Да, но только следует поменять полярности обеих батарей на предыдущем рисунке и заменить доноры на акцепторы и, соответственно, акцепторы на доноры. Ну, а электроны — дырками и наоборот.

«С»: Совершенно верно! Значит, со спокойной душой переходим к основным схемам включения. Первая из них — схема с ОБЩЕЙ БАЗОЙ или ОБ. Вот как это выглядит в первом приближении (рис. 13.3).

«Н»: Что я вижу! Батареи G1 и G2 соединены разноименными полюсами?!

«С»: Молодец, сразу заметил! Может быть и соотношение токов для этой схемы запишешь?

«Н»: Ну хорошо, я попытаюсь… Итак:

Iэ = Iк + Iб; ΔIэ = ΔIк + ΔIб

K = ΔIк/ΔIэ = ΔIк/(ΔIк + ΔIб)

Но… ведь это же и есть коэффициент α!

«С»: Правильно! Ты верно предположил, что ток через Rн = Iк, или, соответственно, его изменение, — ΔIк! Ты убедился, что в данном случае Iэявляется входным (или ΔIэ)! Что бы там не происходило, в любом случае коэффициент усиления по току это отношение ΔIвых к ΔIвх. И пришел к совершенно справедливому заключению, что — это коэффициент усиления по току в схеме с общей базой!

«Н»: Мало радости! Хорош усилитель — ослабляет, а не усиливает!

«С»: Так это — по току! А вот по напряжению «все совсем-совсем иначе»!

«Н»: Откуда это вытекает?

«С»: А ты, Незнайкин, вспомни, что мы говорили о ВАХ диодов? И прикинь, что при изменении ΔIб в несколько раз, ΔUб-э изменяется не более, чем процентов на 5–8! Значит, если для кремниевого транзистора Uб-э = 0,7 вольта, то ΔUб-э составляет, примерно, не более 0,1 вольта!

А вот коллекторная батарейка дает напряжение, к примеру, равное 10 вольт!

Но мы подбираем Rн таким, чтобы ΔRн = 5 вольт.

Но ведь

ΔRн = — ΔUк-э

Тогда

КU = ΔURн/ΔUб-э = ΔUк-б/ΔUб-э = 5/0,1 = 50!

Вот и выходит, что в схеме ОБ коэффициент усиления по напряжению много БОЛЬШЕ единицы, а коэффициент усиления по току немногим МЕНЬШЕ единицы! Что касается усиления по мощности, то оно также больше единицы.

«Н»: А что можно сказать относительно схем ОЭ и ОК?

«С»: Что касается схемы ОЭ, то именно ее мы рассматривали в самом начале, когда знакомились с принципом работы транзистора.

«А»: Это именно для нее рассчитывался коэффициент усиления по току?

«С»: Да, безусловно! И мы уже знаем, что он значительно больше единицы. Причем — всегда!

«Н»: Но в таком случае для схемы с ОЭ и коэффициент усиления по току, и коэффициент усиления по напряжению значительно больше единицы. Значит, коэффициент усиления по мощности для этой схемы не менее нескольких тысяч?

«С»: Или даже нескольких десятков тысяч! Ну вот, а теперь рассмотрим последнюю разновидность схемы включения транзистора — схему с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ! Можем записать:

Iэ = Iк + Iб; ΔIэ = ΔIк + ΔIб

K = ΔIэ/ΔIб = (ΔIк + ΔIб)/ΔIб = ΔIк/ΔIб + 1; К = β + 1; γ = β + 1!

А теперь посмотрим, что можно сказать о КU такой схемы. В самом деле, коллекторный ток, проходя по резистору Rн создает падение напряжения, равное UR. Но напряжение Uб-э будет во всех случаях иметь величину около 0,7 вольта. Тогда:

ΔUвых= ΔUвх — ΔUб-э ~= ΔUвх — 0.7 вольт!

Следовательно:

К = ΔUвых/ΔUвх = (ΔUвх — 0.7)/ΔUвх ~= 1

Вот эта схема и получила в технике наименование ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ.

«А»: Но на принципиальных схемах транзистор всегда изображается иначе?

«С»: Только иначе! Мы с вами тоже, начиная с этого момента, переходим на обозначение биполярного транзистора принятое в электронике. Транзисторы принято обозначать следующим образом — рис. 13.5.

«А»: Что еще следует знать об особенностях этих трех схем включения?

«С»: Ну, как минимум, то, что представлено в табл. 13.1.

«А»: А какие вопросы по биполярным транзисторам еще остались без рассмотрения?

«С»: Да их еще порядком! Вот, например, такой параметр, как Iко — ОБРАТНЫЙ ТОК КОЛЛЕКТОРА. Западные авторы обычно именуют его как ОБРАТНЫЙ ТОК ПЕРЕХОДА КОЛЛЕКТОР-БАЗА — Iсбо.

«Н»: А какова реальная величина этого тока?

«С»: Для германиевых транзисторов, например, ГТ322, ГТ329, ГТЗЗО и т. д. — его величина не превышает единиц микроампер при температуре окружающей среды +20 °C.

Для кремниевых транзисторов общего применения (маломощных) величина Iко не превышает десятых долей микроампера. У наиболее высококачественных современных транзисторов этот параметр составляет величину несколько тысячных микроампера!

«А»: Странно, что такие малые токи доставляют столько беспокойства разработчикам электронных систем!

«С»: Еще бы! Возьмем для примера наиболее почитаемую электронщиками схему с общим эмиттером — ОЭ (рис. 13.6).

Когда-то многие радиолюбительские конструкции базировались на применении вот такой «простейшей» схемы усилителя с ОЭ. Невозможно себе даже представить, сколько десятков тысяч радиолюбителей испытали горчайшее разочарование, когда их первые простейшие приемники прямого усиления, где приведенная схемка, в основном и применялась, так никогда и не заработали!

«Н»: И все равно я не могу понять причину! Ведь выбором соответствующей величины R1, мы устанавливаем базовый ток транзистора равным, например, 100 мкА. Если β = 50, ток коллектора Iк будет равен 5 мА, а этого вполне достаточно.

«А»: Ну, Незнайкин, ты рассуждаешь как раз на уровне тех радиолюбителей — неудачников, о которых мы только что говорили!

«С»: Да, потому что они не отнеслись серьезно к такому параметру, как Iк! А напрасно! Поскольку в действительности для этой схемы:

Iк = Iко + B(Iб + Iко)!

Таким образом, обратный коллекторный ток СКЛАДЫВАЕТСЯ с базовым током, а если учесть, что с ростом температуры на каждые 10 °C, Iко возрастает, примерно, вдвое, то необходимость его минимизации становится очевидной.

«А»: А есть какая-нибудь возможность чисто схемным путем уменьшить Iко?

«С»: К сожалению, Iко есть параметр, который не зависит НИКОИМ ОБРАЗОМ от наших схемных ухищрений! Это собственный параметр транзистора, зависящий от многих причин. Например, от качества р-n-перехода, чистоты исходного кремния (германия), правильности кристаллической решетки, степени герметизации поверхности кристалла и т. д.

Но вот если ты спросишь, можно ли схемным путем в значительной степени УМЕНЬШИТЬ ВЛИЯНИЕ этого параметра (и его температурных изменений) на стабильность работы усилителя, то я отвечу — ДА!

«Н»: А каким образом?

«С»: Например, используя установку рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи по току. Величины сопротивлений R1 и R2 выбираем такими, чтобы ток Iд превышал Iб в 10–15 раз (см. рис. 13.7).

В отсутствии входного сигнала, стабильность рабочей точки тем лучше, чем больше падение постоянного напряжения на Rэ. Из практических соображений это напряжение выбирают равным, примерно, двум вольтам. Тогда, при возрастании с ростом температуры окружающей среды тока Iко, увеличивается и падение напряжения на Rэ. Но поскольку задаваемый резисторами R1 и R2 потенциал базы не изменяется, то, следовательно, уменьшается потенциал между базой и эмиттером транзистора. А это ведет к уменьшению коллекторного тока Iк. Но это… вызывает уменьшение падения напряжения на Rэ. А при этом…

«А»: Возрастает Uб-э!..

«С»: Ну конечно же! То есть схема «отрабатывает» температурные изменения Iко, обеспечивая стабильную работу схемы. Вот именно такая конфигурация схемы ОЭ характерна для «профессиональных» узлов.

«А»: Отлично, с Iко разобрались!

«С»: В первом приближении, только в первом приближении! Но, сдержим наших коней, поскольку мы еще далеко не все рассказали о биполярном транзисторе. А потому самое время коснуться темы о его СЕМЕЙСТВЕ ХАРАКТЕРИСТИК.

«Н»: Что понимается под термином «семейство характеристик»?

«С»: Ну, прежде всего различают ВХОДНУЮ, ПЕРЕДАТОЧНУЮ и ВЫХОДНУЮ характеристики! Не разобравшись в них, переходить к схемотехнике бессмысленно! Дорогой Аматор, я знаю, вы достаточно вникли в суть этого вопроса, а потому прошу вас…

«А»: Лично я всегда относился с симпатией как к транзисторам, так и к их характеристикам! А потому предлагаю на всеобщее обозрение рис. 13.8.

Обратите внимание на семейство ВЫХОДНЫХ характеристик биполярного транзистора. Очень любопытной является точка «А». Здесь резкое нарастание коллекторного тока (для фиксированного Uб-э = 0,7 В) при повышении Uк-э от 0 до, примерно, 0,4 В неожиданно и полностью изменяет свой характер! И при дальнейшем повышении коллекторного напряжения, от 0,4 до 10 вольт, коллекторный ток возрастает ВСЕГО на ОДИН миллиампер!

«Н»: А если повышать Uк-э дальше?

«С»: Ход выходной характеристики будет оставаться все таким же ровным и плавным! Правда, если мы вовремя не остановимся, то в конце — концов добьемся того, что достигнем напряжения пробоя, при котором произойдет резкое, внезапное и, увы, необратимое разрушение транзисторной структуры.

Поэтому для каждого типа транзистора существует строго оговоренное паспортное значение предельного коллекторного напряжения. Оно, в зависимости от предназначения, типа и индекса транзистора, находится в пределах от нескольких (обычно не менее 10) вольт до многих сотен и даже тысяч вольт!

«А»: А насколько изменяется положение точки «А» у такого разнообразия транзисторов? Я имею в виду численные значения напряжения «большого перелома»?

«С»: Это очень важный вопрос! Проекция точки «А» на абсциссу Uк-э соответствует одному из важнейших параметров транзистора — НАПРЯЖЕНИЮ НАСЫЩЕНИЯ. Иначе — Uк-э нас. Чем эта величина меньше, тем более качественным считается транзистор. Дело в том, что это также чисто внутренний, нерегулируемый схемотехнически параметр транзистора. Прежде у старых германиевых транзисторов, например П416, Uк-э нас = 1 В. У кремниевых высоковольтных (первых выпусков, например КТ605) этот параметр достигал 5–6 вольт.

У наиболее популярных и массовых, например КТ315, в зависимости от индекса, Uк-э нас варьируется от 0,1 до 0,3 вольт.

«А»: Ну, а у наиболее качественных?

«С»: Да вот, например, отлично зарекомендовали себя такие маломощные транзисторы, как КТ342, КТ3102, КТ3107, КТ349 и т. д. Для них характерно значение рассматриваемого параметра порядка: 0,06—0,1 вольт. Заметим также, что Uк-э нас уменьшается при уменьшении величины коллекторного тока.

«А»: Удивительно, что изменение напряжения Uб-э буквально на несколько десятков милливольт (при фиксированном Uк-э) оказывает такое крутое влияние на величину коллекторного тока!

«С»: Но самое главное, что варьируя потенциал Uб-э ПО НАШЕЙ ВОЛЕ, схемотехнически, мы приступаем к овладению фантастическими возможностями транзистора!

«Н»: Однако, на семействе выходных характеристик отмечен и такой параметр как НАКЛОН, если я не ошибаюсь?

«С»: Нет, Незнайкин, не ошибаешься! Наклон характеристики характеризуется отношением ΔIк/ΔUк-э. Существуют транзисторы, у которых этот наклон стремится к нулю! Или, можно сказать, отношение ΔUк-э/ΔIк — стремится к бесконечности!

Эта зависимость называется еще ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ВЫХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ и обозначается как rкэ(rсе).

rкэ = ΔUк/ΔIк | при Uб-э = const.

«Н»: А что представляет из себя параметр S?

«С»: Изменение коллекторного тока в зависимости от изменения напряжения база — эмиттер, получило определение КРУТИЗНА или S.

S = ΔIк/ΔUб-э| при Uк-э = const.

«А»: А теперь можем перейти к рассмотрению ПЕРЕДАТОЧНОЙ (переходной) ХАРАКТЕРИСТИКИ?

«С»: Вполне! Это очень наглядная характеристика, показывающая зависимость коллекторного тока от напряжения база — эмиттер. Но запомним, что при ФИКСИРОВАННОЕ Uк-э! Поскольку, если Uк-э варьируется, то в таком случае имеем СЕМЕЙСТВО переходных характеристик!

«Н»: Ну, а для чего тогда необходима ВХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА?

«С»: Для чувства комфорта, дорогой Незнайкин! В некоторых случаях удобно знать зависимость Uб-э от базового тока Iб. И, кроме того, при профессиональных расчетах параметров и режимов электронных узлов. Также для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, скажем…

При этом вводят такое понятие, как ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ:

rве(rбэ) = ΔUб-э/ΔIб  | при Uк-э = const.

И, наконец, мы говорили, что B = Iк/Iб. Помните?

«А»: Да, но мы говорили не о B, а о β, насколько я помню?

«С»: А я именно потому и вернулся к этому вопросу! Повторение — мать учения! Итак, запишем:

β = ΔIк/ΔIб; B = Iк/Iб

«Н»: А что, между ними есть разница?

«С»: Да как не быть? Вот типовая зависимость коэффициентов статического и динамического усиления по току от величины коллекторного тока для маломощного транзистора (см. рис. 13.9).

Кстати, уточним на всякий случай, что:

β = ΔIк/ΔIб | при Uк-э = const!

«Н»: Ну, наконец, мы кое-что знаем о транзисторе!

«С»: Ты уверен? Информация к размышлению: полное количество параметров транзистора превышает СЕМЬСОТ!

«А»: Я не думал, что так много! Но ведь в практической схемотехнике применяется много меньше?

«С»: Немногим более двух десятков!.. Но, друзья мои, пора переходить к ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ параметрам транзистора!

«А»: Насколько я знаю, существует частотная зависимость коэффициента усиления по току для реальных транзисторов. И она определяется не в последнюю очередь их технологическими параметрами. Такими, как толщина базы, площади р — n-переходов и все такое прочее.

Ну и, кроме того, наличием паразитных емкостей.

«С»: Абсолютно верно! Я бы только сказал, что технологические параметры определяют высокочастотные свойства транзисторов В ПЕРВУЮ ОЧЕРЕДЬ!

Полезно и даже необходимо принять во внимание еще несколько параметров. Например, fβ.

fβ — это частота, при которой коэффициент усиления транзистора по току уменьшается на 3 дБ. Наряду с fβ используется и частота fT. Это такая частота, при которой коэффициент усиления по току β = 1. Они связаны следующим соотношением:

fT = β∙fβ

Употребляется еще и такой параметр, как fs — граничная частота крутизны транзистора:

fS = 10∙fβ

Отмечают также и максимальную частоту генерации fmax, которая, примерно, вдвое выше, чем fT.

«А»: А что такое частота fα?

«С»: Достаточно запомнить, что fα = fT! fα — это граничная частота усиления в схеме с ОБ, a fβ — граничная частота усиления в схеме с ОЭ.

«А»: Так вот почему в разработках прежних лет так широко использовались схемы высокочастотных каскадов, использующих конфигурацию с общей базой!

«С»: Да, пока не появились современные высокочастотные транзисторы, у которых fT достигает нескольких ГИГАГЕРЦ, что дает возможность использовать преимущества схем с ОЭ в диапазоне частот до нескольких сотен мегагерц!

«А»: Часто приходится встречать упоминание о так называемом ЭФФЕКТЕ МИЛЛЕРА. Что это такое?

«С»: Дело в том, что в реальных схемах образуются паразитные емкости: С1 — монтажа и подводящих цепей; С2 — емкость эмиттер — база; С3 — емкость коллектор — база и С4 — емкость коллектор — эмиттер. Все это приводит к появлению емкости, называемой ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ВХОДНОЙ ЕМКОСТЬЮ схемы С$.

Cs = C1 + C2 + |A|C3.

Здесь A — коэффициент усиления схемы по напряжению.

Такое увеличение емкости перехода коллектор — база называется эффектом Миллера. Для схемы с ОЭ можно записать:

Cs ~= |А|СЗ.

«А»: Жизнь бьет ключом и все по голове! Непросто применять схемы с ОЭ в высокочастотной схемотехнике, как я погляжу!

«С»: Весьма непросто! Но преимущества ОЭ так велики, что разработан целый ряд транзисторов, у которых удалось существенно понизить емкость С3 (коллектор — база). В десятки раз! По сравнению с обычными транзисторами. Чтобы не было никаких недоразумений, договоримся, что под «обычными транзисторами» мы будем подразумевать КТ315.

«А»: У любителей они известны, как «семечки»!

«С»: Да, но вообще стоит заметить, что эти самые «семечки» — отличные универсальные транзисторы…

«А»:…Которые с успехом применяются в высокочастотных схемах!

«С»: Когда для этой цели под рукой нет ничего более подходящего! Кстати, согласно справочнику, для всех индексов транзистора КТ315 емкость С3 (коллектор — база) составляет 7 пФ, а для КТ315Ж — 10 пФ! А вот для специализированного ВЧ транзистора КТ339А — не более 2пФ! А это — существенная разница! У германиевого транзистора ГТ329 емкость меньше, чем 2 пФ.

А вот у ГТ341 — не более 1 пФ! У прекрасного специализированного транзистора КТ399А (он действительно имеет параметры международного класса) емкость коллектор — база меньше, чем 1,4 пФ!

«А»: Выходит, что хотя КТ315 и КТ339А имеют примерно равные fT, я никогда не получу при использовании КТ315 такое усиление на высоких частотах, как для КТ339А?

«С»: В одной и той же схеме подключения — никогда! И примирись с этим заранее! Поэтому в радиоприемных устройствах высокого класса (а мы собираемся строить именно такое) следует в радиочастотных цепях применять ТОЛЬКО специализированные малошумящие транзисторы!

«Н»: А чем характеризуются шумовые параметры транзистора?

«С»: Обычно сам транзистор считается бесшумным. Тогда КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА F показывает, на какое число необходимо умножить мощность шума в резисторе Rвн (где Rвн — эквивалентная величина внутреннего сопротивления источника напряжения сигнала), чтобы на выходе бесшумного транзистора получить такую же мощность шума, что и в реальной цепи. Коэффициент шума характеризуется логарифмической величиной F(дБ) = 10 lgF. Эта величина зависит от целого ряда параметров.

От режима эксплуатации, диапазона частот, температуры. Для каждого типа специализированных малошумящих транзисторов определен перечень режимов и условий, при которых шум минимален…

«А»: Что мы обязательно учтем при постройке приемника!

«С»: Вне всяких сомнений!

«Н»: Что нам ещё осталось сделать для ознакомления с биполярными транзисторами?

«С»: Больше ничего! Теперь пора перейти к рассмотрению ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ.

Глава 14. Полевые (униполярные) транзисторы

«Спец»: Полевыми транзисторами называются кристаллические полупроводниковые структуры, которые, в отличие от биполярных транзисторов, управляются электрическим полем. То есть, практически, без затраты мощности управляющего сигнала.

Вообще к настоящему времени известно около двух десятков различных видов полевых приборов. Основная масса их выполняется на основе кремния или арсенида галлия. Германиевые полевые приборы не применяются в силу ряда причин. Но для наших практических целей достаточно иметь представление о СЕМИ разновидностях полевых транзисторов (рис. 14.1).

«Аматор»: А не многовато будет?

«С»: Да нет, в самый раз! Прежде всего, приведем схемные обозначения этих семи основных видов (см. рис. 14.1).

«Н»: А как работают эти транзисторы и почему необходимо столько различных типов?

«С»: Управляющий электрод всех типов полевых транзисторов (FET) называется ЗАТВОРОМ, обозначаемым как 3 или имеющим международное обозначение G. Он позволяет управлять величиной сопротивления между СТОКОМ С (или D) и ИСТОКОМ И (или S). Управляющим напряжением является, таким образом, Ugs (или Uзи). Большинство полевых транзисторов являются симметричными, то есть их свойства не изменяются, если D и S поменять местами. В транзисторах с управляющими р-n-переходами затвор отделен от канала обратно смещенным р-n-переходом.

«А»: То есть первое различие от биполярных трап л к торов в том, что у БТ управляющий р-n-переход ВСЕГДА включен в прямом направлении, а у ПТ (JFET) — всегда в обратном?

«С»: Это действительно так. Но вот у полевых транзисторов с изолированным затвором, или МОП-транзисторов (MOSFET) затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика SiО2. У этих транзисторов ток через затвор невозможен при любой полярности управляющего напряжения.

«Н»: Но ведь любой реальный прибор всё равно характеризуется какими-то реальными токами?

«С»: Как водится! Так же это относится и к JFET, и к MOSFET. Например, реальные токи затворов JFET находятся в пределах от единиц наноампер до единиц пикоампер. У МОП-транзисторов (MOSFET) они меньше ещё натри порядка! Таким образом, полевые транзисторы характеризуются колоссальными величинами входных сопротивлений. Оно у них выше, чем у ПУЛов (приемно-усилительных ламп).

«А»: А какова физика работы, например JFET (полевого транзистора с управляющим р-n-переходом)?

«С»: JFET имеет управляющий канал проводимости в объеме полупроводника. Рассмотрим действие прибора, упрощенная конструкция которого показана на приведенном рис. 14.2. Данный прибор изготовлен из кремния, имеющего собственную проводимость n-типа (то есть донорную, с избытком электронов). На верхней и нижней плоскостях сформированы р-n-переходы, путем формировании в кремнии n-типа, областей p-типа (то есть акцепторных, с повышенной концентрацией дырок).

Если к затвору относительно истока прикладывается отрицательное напряжение (см. рис. 14.2), то вблизи р+ областей образуются зоны, обедненные электронами (зона Б). Толщина зоны зависит от величины абсолютного значения напряжения Uзи. При приближении этого напряжения к нулю толщина обедненного слоя уменьшается. Та часть структуры, которую не достигли обедненные слои (зоны) называется КАНАЛОМ, из-за чего полевые транзисторы называются также — КАНАЛЬНЫМИ.

«А»: Кстати, проводимость канала определяется ОСНОВНЫМИ НОСИТЕЛЯМИ, то есть в данном случае мы можем говорить, что имеем дело с n-канальным прибором, проводимость которого определяется электронами.

«С»: Совершенно верно! Но имеются в виду и р-канальные приборы, проводимость которых имеет сугубо дырочный характер!

«Н»: А что в этом случае изменяется?

«А»: Прежде всего полярность подключения питания изменяется на противоположную! Естественно, меняется и производственная технология!

«С»: Всё так! Но обратимся снова к нашему рисунку! Как вы думаете, что произойдет, если напряжение Uзи будет возрастать?

«А»: Я полагаю, что наступит момент, когда обедненные слои Б1 и Б2 соприкоснутся!

«С»: Правильно, это и будет означать, что канал полевого транзистора кажется перекрытым, проводимость прибора станет очень малой или, что то же самое, сопротивление промежутка ИСТОК — СТОК значительно возрастет!

«Н»: Это напряжение, при котором происходит смыкание обедненных слоев, оно имеет какое-то свое название?

«С»: Безусловно! Это один из важнейших параметров полевого транзистора! И носит имя собственное — НАПРЯЖЕНИЕ ОТСЕЧКИ, обозначаемое как Uотс (или Upinch off). Но, поскольку даже в этом случае всегда найдутся достаточно энергичные электроны, которые способны преодолеть даже перекрытый канал, то, естественно, довести величину тока до абсолютного нуля не удается!

Впрочем, это никому и не нужно! Поэтому обычно считают, что Uотс достигается в том случае, когда ток через канал (или его еще называют ТОК СТОКА — Iст) уменьшается до 10 микроампер.

«Н»: А что произойдет, если Uзи = 0?

«С»: В этом случае обедненный слой исчезает, проводимость канала становится максимальной и, следовательно, ток стока достигает максимальной величины. Этот ток называется ТОКОМ НАСЫЩЕНИЯ или током полностью открытого канала — Iсo.

«А»: Вот мы и получили два из трех основных параметров: Uотс и Iсо! Но вот как нам лучше и изящнее подойти к третьему параметру, а именно — КРУТИЗНЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ или S?

«С»: Я понимаю глубинный смысл твоего вопроса, дорогой Аматор! Тебя скорее всего, интересует не столько сам физический смысл этого параметра (ты великолепно знаешь, что это есть отношение ΔI/ΔU) сколько то, как проще всего определять этот важнейший параметр на практике! Нет?

«А»: Именно так, уважаемый Спец! Я просто подумал, что современная технология производства полевых транзисторов дает значительный разброс параметров. Следовательно, для выбора оптимальных режимов каскадов, необходимо определять вышепоименованную тройку параметров для каждого конкретного образца транзистора, а это — хлопот не оберешься!

«С»: Все проще гораздо, в чем мы сейчас и убедимся! Рассмотрим ПЕРЕДАТОЧНУЮ (она же УПРАВЛЯЮЩАЯ) характеристику jFET (рис. 14.3, а).

Любезный Аматор, прокомментируйте нам вид изображенной кривой!

«А»: Точка «А» соответствует моменту, когда Uзи = 0, а ток стока максимален и равен, в нашем случае 10 мА. То есть это и будет Iсo или ТОК НАСЫЩЕНИЯ.

Точка «С» соответствует моменту, когда Uзи принимает такое значение, что ток стока примерно равен нулю! Иными словами, это и есть Uотс. Согласно рисунку, в нашем случае его величина равна — (-3 вольта). Но что такое точка «В»?

«Н»: Прошу прощения, но из этой характеристики я заключаю, что для представленной зависимости можно легко подсчитать крутизну S!

«А»: Сделай это…

«Н»: Охотно…

S = ΔIc/ΔUзи = 2 мА/0,3 В = 7 мА/В;

«С»: Отлично, Незнайкин!.. Но вернемся к точке «В». Она получается, если, совместив линейку с точкой «А», прочертить прямую, начало которой совпадает с ходом начального участка передаточной характеристики до ее пересечения с осью абсцисс (осью значений Uзи).

Наиболее впечатляющим является тот факт, что ВСЕГДА, для любых типов и индексов маломощных jFET, расстояние от начала координат до точки «В» будет меньше расстояния от начала координат до точки «С» РОВНО В ДВА РАЗА!

«А»: Потрясающе! Но ведь это означает, что, зная Uотс, и разделив эту величину пополам, мы можем определить S?

«С»: Да, это так!

«А»: То есть нам достаточно измерить только ДВА параметра, чтобы знать все ТРИ!?

«С»: Но и это еще не все! Легко показать, что, измерив Uотс и Iсo, мы можем весьма точно зарисовать ВЕСЬ ход передаточной характеристики!

«Н»: А что это нам дает?

«С»: Очень многое! Обратимся еще раз к нашей кривой! Чтобы не загромождать предыдущий чертеж, изобразим ее еще раз. Я отметил еще одну точку — «Е»! Ну, кто мне расскажет, чем она так любопытна, что заслужила отдельный рисунок (рис. 14.3, б)?

«А»: Если я правильно понял, то участок ЕА — это ПРЯМАЯ ЛИНИЯ, а участок ЕС — кривая. Ну и что из этого?

«С»: А из этого следует важнейшее для схемотехники полевых транзисторов следствие — ПРИ ПОСТРОЕНИИ ЛИНЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, необходимо так выбирать рабочую точку, чтобы она располагалась ПОСЕРЕДИНЕ участка АЕ, а именно в точке «Л»! Только в этом случае усилитель не будет вносить нелинейных искажений! При этом, участок АЕ носит название КВАДРАТИЧНОГО!

«А»: Получается, что имея Uотс и Iсo мы можем определить и координаты точки «Е», которые в нашем случае соответствуют — 1 вольт и 4 мА.

«С»: Отсюда совсем уже просто определить координаты точки «Л». А что нам поведает по этому поводу Незнайкин?

«Н»: Только то, что точка «Л» определяется величинами Uл = — 0,5 В и током Iл = 7 мА. А вот как обеспечить нужный режим для реальной схемы?

«С»: Достаточно просто, как мы сейчас сможем убедиться (рис. 14.4)… Я изобразил эту схемку, чтобы показать, как «загнать» jFET в точку «Л», координаты которой нам так любезно сообщил Незнайкин. Прежде всего отметим, что: Uл — равно падению напряжения на Rи. Поскольку Ic = 7 мА, то:

Rи = Uи/Iс = 0,5 В/7 мА = 72 Ом;

«Н»: Здорово!.. И просто, поскольку из-за ничтожно малого тока затвора, падение напряжения на Rз = 0. Ну, я полагаю, что уж теперь-то мы всё рассказали о передаточной характеристике jFET!

«С»: Ой, Незнайкин, снова спешишь! В таком случае как ты прокомментируешь вот такое семейство передаточных характеристик (рис. 14.5)?

«Н»: Если вы, Спец, сказали СЕМЕЙСТВО характеристик, то это значит, что здесь речь идет не о разных, а об одном и том же jFET, но при разных температурах?

«С»: Верно! Но самое удивительное не то, что имеется зависимость передаточной характеристики jFET от температуры, а то, что существует точка, вольт-амперные координаты которой АБСОЛЮТНО не зависят от температуры окружающей среды!

«А»: А возможно определить координаты этой точки, не проводя реальных температурных испытаний для каждого конкретного транзистора?

«С»: Да, такая возможность имеется. Не прибегая к сложным расчетам, полезно запомнить следующее соотношение:

Uзи с = Uотс — 0,63 В. При этом у реальных jFET величина Iсс находится в пределах от 100 мкА до 500 мкА. Но и это еще не все!

«Н»: Да будет ли этому конец?

«С»: Точно такой же вопрос задал один прохожий путешественнику, когда они стояли у железнодорожного шлагбаума и ждали того момента, когда, наконец, закончит свое прохождение товарняк.

«А»: Интересно, и что же ответил путешественник?

«С»: Он ответил — никогда!

«А»: И чем он мотивировал подобный ответ?

«С»: Да тем обстоятельством, что на станции отправления к товарняку забыли прицепить последний вагон… А если без шуток, то jFET (впрочем как и MOSFET) допускает работу в режиме, который даже не рассматривается при анализе возможностей биполярного транзистора! А именно — в качестве управляемого сопротивления. При этом необязательно вообще подавать на сток какое-либо постоянное напряжение. Хотя и это не исключено! Но мы, пока что, не станем рассуждать на эту тему, а перейдем к семейству ВЫХОДНЫХ характеристик jFET.

«А»: А они что, сильно отличаются по внешнему виду от характеристик биполярного транзистора?

«С»: Да нет, я бы не сказал! А, впрочем, судите сами: Здесь представлено семейство выходных характеристик jFET, передаточную характеристику которого мы рассматривали раньше (рис. 14.6).

«Н»: А пунктирная линия, обозначенная как Uси нас — это напряжение насыщения сток-исток?

«С»: Ну конечно же! А вот теперь перейдем, наконец, к MOSFET!

«А»: Я встречал в справочниках по МОП-транзисторам такие термины, как ВСТРОЕННЫЙ КАНАЛ и ИНДУЦИРОВАННЫЙ КАНАЛ.

«С»: Вот о них-то и пойдет сейчас речь! Обратимся к следующему рисунку. Здесь изображен МОП-транзистор (MOSFET) ОБОГАЩЕННОГО типа, имеющий, так называемый, ИНДУЦИРОВАННЫЙ канал (рис. 14.7).

«А»: Означает ли это, что при равенстве потенциалов истока и затвора ток через транзистор протекать не будет?

«С»: Безусловно! Более того, даже подавая на затвор незначительное положительное (относительно истока) напряжение, мы эту ситуацию изменить не в состоянии! MOSFET — заперт!

Но, как известно, электроникой занимаются очень настойчивые люди! Мы продолжаем повышать потенциал (см. рис. 14.7, б). Не торопясь, плавно… И в какой-то момент… появляется ток стока!

Это означает, что некоторый положительный потенциал затвора через диэлектрик SiО2 навел (или индуцировал) канал проводимости n-типа, по которому электроны «двинулись» от истока к стоку!

«А»: Напряжение, которое создает канал проводимости, должно превысить некоторую величину, называемую ПОРОГОВОЙ. Может изобразить это графически?

«С»: Что мы и сделаем (см. рис. 14.8)! Вот здесь представлена УПРАВЛЯЮЩАЯ или ПЕРЕДАТОЧНАЯ характеристика некоего MOSFET с индуцированным каналом, пороговое напряжение которого (Un) равно, примерно 2 вольта. Дальше, я полагаю, можно не продолжать?

«А»: Мне до сих пор попадались только р-канальные MOSFET.

«С»: Это действительно так. Наибольшее распространение получили именно р-канальные MOSFET с индуцированным каналом типа: КП301 и КП304. Для справки: их пороговые напряжения находятся в пределах 4–5 вольт! Выходные характеристики подобны уже рассмотренным для jFET.

«Н»: Вы еще ничего не рассказали о назначении ПОДЛОЖКИ!

«С»: Действительно, МОП-приборы снабжены четвертым электродом, получившем наименование ПОДЛОЖКА. Этот электрод в схемах обычно заземляется, чтобы мог индуцироваться канал проводимости. Вообще-то встречаются схемы, где подложка играет роль второго управляющего электрода. Варьирующего крутизну MOSFET. Но, к сожалению, только в сторону уменьшения…

«А»: Мы не рассмотрели еще MOSFET со ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ!

«С»: И совершенно напрасно, поскольку именно они в значительной степени «делают погоду» в схемотехнике радиоприемников! Добавим, что их возможности шире, чем у транзисторов с индуцированным каналом.

Да вот, посмотрите на рис. 14.9. Здесь представлена передаточная характеристика МОП-транзистора со встроенным n-каналом типа КП305Д.

«Н»: Выходит, что даже при Uзи = 0 В обеспечивается ток стока равный приблизительно 5 мА!

«А»: Обрати внимание на точку «А». Это и есть значение Uотс для рассматриваемого транзистора. В свою очередь точки «В» и «Д» определяют размах КВАДРАТИЧНОГО УЧАСТКА ХАРАКТЕРИСТИКИ MOSFET КП305Д. Это не передаточная характеристика, а просто мечта поэта.

«Н»: Меня немного смущает только один нюанс…

«С»: Я внимательно слушаю тебя, наш юный друг. Что за нюанс?

«Н»: Обычно, когда вы ранее упоминали, пусть вкратце, о конкретных типах транзисторов, то речь шла о типе транзистора, но не о его буквенном индексе… Но сейчас…

«С»: А ты наблюдательный человек, Незнайкин! Тебя смутило, почему я дал передаточную характеристику именно для КП305Д, а не просто для КП305?

«Н»: Да. Кстати, сколько вообще буквенных индексов у этого транзистора?

«С»: У КП305 — четыре буквенных индекса: Д; Е; Ж; И. Должен признать, Незнайкин, что ты задал очень важный вопрос. Поэтому, для ответа на него, я предлагаю вашему вниманию следующий рисунок. Ну как? Хорошо видна разница между буквенными индексами (см. рис. 14.10)?

«А»: Еще как! Но ведь это, помимо всего прочего, означает, что для большинства конкретных применений транзисторы КП305, имеющие различные буквенные индексы НЕ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМЫ!

«С»: Отличный вывод! Да, для различных индексов существует РАЗЛИЧНАЯ сфера применений. Как правило, «жонглирование» индексами эти транзисторы, как и многие другие, не допускают! А вообще это очень неплохие MOSFET, предназначенные для применения в малошумящих УВЧ в частотном диапазоне до 250 МГц!

«А»: Поскольку семейство выходных характеристик каких-либо аномалий не имеет, стоит ли их рассматривать?

«С»: Это необязательно. Но вот Что крайне важно, так это обсудить вопросы соблюдения правил безопасности при работе с MOSFET!

«Н»: Существует опасность для работающего с ними оператора?!

«С»: Напротив, именно для MOSFET! Дело в том, что в них затвор отделен от проводящего канала тонким слоем изолятора, например двуокиси кремния. Толщина этого слоя составляет, приблизительно, 100 нанометров. Для сравнения, длина волны зеленого света — 470 нанометров!

Поэтому при напряжении на затворе относительно истока, например 20 вольт, средняя величина напряженности электрического поля составляет порядка ДВУХ МИЛЛИОНОВ ВОЛЬТ НА САНТИМЕТР! Определено, что средняя величина напряженности пробоя для кристалла кварца или кварцевого стекла равна ПЯТЬ МИЛЛИОНОВ ВОЛЬТ НА САНТИМЕТР!

Современная, притом весьма совершенная, технология производства MOSFET гарантирует длительную надежную работу приборов при максимальном Uзи = 15 вольт!

«Н»: Но, если я правильно рассуждаю, в реальных схемах ведь и того не будет?

«С»: В схемах, конечно же, не будет! Но ведь MOSFET сначала нужно вынуть из упаковки, сформировать выводы, подготовить для установки в плату (или макет)…

«А»: А это делается руками и инструментом! На которых обычно накапливается заряд статического электричества, имеющий величину сотен или даже тысяч вольт!

«С»: Достаточно взять в руки MOSFET, как это электричество навсегда погубит транзистор! Ввиду электрического микропробоя слоя SiO2.

«Н»: Ничего себе! А как же быть?

«С»: Смотри, вот новенький КП305! Обрати внимание, что на его выводы надето предохранительное кольцо, которое обеспечивает закоротку ВСЕХ четырех выводов транзистора, т. е. стока, истока, затвора, и подложки. Теперь смотри, я слегка сдвигаю колечко вниз. Затем беру небольшой кусочек неизолированного тонкого медного проводника, в качестве которого можно использовать одну из жил обыкновенного монтажного провода. Обматываю выводы MOSFET между корпусом транзистора и предохранительным кольцом… Затем удаляю кольцо…

«А»: Теперь можно спокойно, использовав руки и инструмент, запаять MOSFET в схему и только ПОСЛЕ ЭТОГО удалить проводок! Просто и без затей.

«С»: Я в своей практике использовал этот прием сотни раз! MOSFET остаются неповрежденными и работают хорошо и надежно долгие годы!

«А»: Но может случиться так, что в конкретной схеме нас не устроит даже крутизна, равная 10 мА/В?

«С»: Да сколько угодно! В схемотехнике радиоприемников это тоже случается. На сей случай имеются мощные МОП-транзисторы (PMOS FET), крутизна которых значительно выше. Например, КП902, КП905 и т. д. Эти структуры имеют крутизну S порядка 100 мА/В!

«Н»: А в нашем радиоприемнике PMOS FET найдут применение?

«С»: Как сказал товарищ Саахов: «а вот там увидим, да?»

«А»: Ну, а что следует знать о шумовых свойствах JFET и MOSFET?

«С»: Вообще полевые транзисторы имеют значительно меньшие уровни шумов, чем биполярные. Хотя, в то же время, для них характерно НЕСКОЛЬКО шумовых факторов. Это, прежде всего, температурные (термические) шумы, источником которых является внутреннее сопротивление канала.

Полезно запомнить, что эти шумы, при прочих равных условиях, тем меньше, ЧЕМ БОЛЬШЕ КРУТИЗНА S! Затем — дробовая составляющая входного шумового тока, которая пропорциональна току утечки затвора.

«А»: То есть, чем меньше утечка затвора, тем меньше и шум!

«С»: Один из путей ее уменьшения — понижение напряжения сток — затвор. Затем имеются еще, так называемые, МЕРЦАЮЩИЕ шумы вида 1/f.

Они более характерны для MOSFET и менее характерны для jFET. Отсюда следует очень важный практический вывод: jFET самые малошумящие в низкочастотной области, a MOSFET по самой своей сути — высокочастотный прибор.

«А»: А может продолжим наш справочник, занеся в него технические характеристики и биполярных, и полевых транзисторов, которые предполагается использовать в нашем радиоприемнике?

«С»: Обязательно! Но они заслуживают того, чтобы завести для этой цели особое ПРИЛОЖЕНИЕ (см. Глава 30).

«А»: Да, но ведь, кроме того, в современных радиоприемниках широко применяются и микросхемы. А мы еще не говорили о них!

«С»: Дорогой Аматор! Мы еще о многом не говорили. Поэтому в нашу следующую встречу начнем именно с микросхем!

Но, как известно, делу — время, а потехе — час. Может так случится, что я недельки на две-три уеду в командировку. Поэтому, дорогой Незнайкин, я попросил Аматора заняться с тобой практической схемотехникой. Дружеский совет — отнесись к этому со всей серьезностью! А пока — до встречи!

Глава 15. От теории — к практике

«Аматор»: Привет, дружище! Слушай, какую мировую проблему ты решаешь? Я этим так настойчиво интересуюсь потому, что очень уж ты сконцентрирован на какой-то идее, судя по твоему сосредоточенному взгляду…

«Незнайкин»: Да, это так. Я просто подумал о том, что к момент возвращения Спеца (а его командировка, насколько я понял, окончится недели через две), мы с тобой должны быть в полной готовности взяться за изготовление и монтаж «большого» приемника с преобразованием «вверх». Так ведь?

«А»: Ну и в чем проблема?

«Н»: Да в том, что мне совсем не хочется опозориться. Между тем сколько нибудь солидного опыта в отладке аппаратуры у меня, как ты догадываешься, нет. Так вот, поскольку сейчас у меня каникулы, а на улице мороз, то… я морально готов посвятить это время повышению своего технического уровня.

«А»: И думаешь — гадаешь как это сделать с наибольшим эффектом? Могу подсказать. Поверь, что не существует лучшего способа для этого, чем самостоятельно собрать две-три схемки. Но главное — отладить их.

«Н»: Я тоже пришел к этому выводу. Вот тут я прихватил несколько старых журналов «Радио». Порекомендуй, какую из схем простых приемников мне выбрать для самостоятельного повторения?

«А»: Я тебя понял. Ладно, предъявляй, что ты там притащил. Так-так… Но я, дружище, вижу здесь, в основном, схемы «времен очаковских и покоренья Крыма». Вот знаменитый в 60-х годах «прямичок» Румянцева… А вот схема «Туриста». Ну, а это что? Ну конечно, это же схема достопамятной «Спидолы»!.. Послушай, Незнайкин, ты давно смотрел фильм «Чапаев»?

«Н»: Недавно, поскольку его довольно часто крутят. А что, ты собрался рассказать какой-то новый анекдот о Фурманове?

«А»: Не угадал. Я имел в виду классические слова Василия Ивановича. А именно «наплевать и забыть»! Это я о том солидном грузе, который ты, несмотря на неблагоприятные погодные условия, все же доставил ко мне. И на основе которого собирался стремительно повысить свой технический уровень!

«Н»: А почему бы и нет?

«А»: Да потому, что большинство схемных решений радиоприемников тех далеких 60-х и 70-х годов, устарели безнадежно и представляют интерес, прежде всего, для любителей истории техники.

«Н»: По той причине, что они не содержат микросхем?

«А»: Вовсе нет! Учти на будущее, Незнайкин, дело отнюдь не в микросхемах. И даже не в их отсутствии в составе старых приемников, как ты совершенно верно заметил. Но уж, коль скоро мы упомянули об истории техники, то полезно знать — применение микросхем в составе бытовых радиоприемников промышленного изготовления, зачастую не только не повышало качества изделия, но и значительно его ухудшало!

Яркий пример тому — «всеволновый» приемник середины семидесятых — «Украина-210».

«Н»: Уж не собираешься ли ты утверждать, что можно, используя микросхемы, собрать морально устаревший аппарат, а вот на основе использования транзисторов создать вполне современную вещь?

«А»: Представь себе — это в значительной степени именно так и есть.

«Н»: Но ведь это, я надеюсь, не исключает возможности создания современной аппаратуры на современной микросхемной базе?

«А»: Безусловно! Однако запомни, что, прежде всего НОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА базируется на новых, прогрессивных технических идеях и подходах. Реализация которых уже САМА ПО СЕБЕ должна давать как очевидные, так и не очевидные преимущества. Вот почему, если хочешь знать, перед отъездом Спеца, у нас состоялся разговор. В котором, между прочим, была затронута и тема нашей сегодняшней беседы.

«Н»: И что предложил Спец?

«А»: А он настоятельно порекомендовал тебе для самостоятельной сборки и отладки следующую принципиальную схему. Это, как видишь, супергетеродинный приемник. Притом КОРОТКОВОЛНОВЫЙ. Двухдиапазонный. Его главное преимущество в том, что он обладает высокой чувствительностью, достаточно прост в отладке, обеспечивает высокое качество приема. А также надежен и неприхотлив.

«Н»: Это его очевидные преимущества? Или ты их относишь к не очень очевидным?

«А»: Конечно очевидные. Хотя, если они тебе сейчас таковыми и не кажутся, ты с этим согласишься позднее, когда мы приступим к детальному рассмотрению и анализу его принципиальной схемы. Ну а что касается «не очень очевидных» преимуществ, в их наличии ты убедишься чуть позже…

«Н»: А может, прежде чем приступить к анализу принципиальной электрической схемы этого «не во всем очевидного чуда», рассмотрим его структурную схему?

«А»: Рад констатировать, что школа Спеца не прошла для тебя даром! Поэтому давай изобразим структурную схему экспериментально-учебного радиоприемника, который Спец очень рекомендует тебе собрать и отладить (рис. 15.1). И заметь, ДО ТОГО, как мы возьмемся за постройку «БОЛЬШОГО СУПЕРА» с преобразованием «вверх».

«Н»: Если ты ничего не имеешь против, я попробую прокомментировать эту структурную схему самостоятельно.

«А»: Готов слушать тебя с искренним и неподдельным интересом. Итак?…

«Н»: Ну, я полагаю, что Z1 — это преселектор. Но мне не совсем понятно, почему в его составе не указан элемент перестройки по частоте? Ну там конденсатор переменной емкости или какая-нибудь хитрая переменная индуктивность, как это делалось в свое время в старых автомобильных приемниках?

«А»: Да потому, что никакой элемент перестройки по частоте здесь совершенно не нужен! Z1 — это диапазонный полосовой фильтр. Его ширина полосы порядка 3 МГц. Он сразу перекрывает несколько коротковолновых радиовещательных поддиапазонов. А именно: 19, 20, 22 и 25 метров.

«Н»: Но ты говорил о ДВУХДИАПАЗОННОМ КВ-супере?

«А»: Здесь, на структурной схеме, второй диапазон не указан. Но на принципиальной схеме, как ты убедишься, он присутствует. И перекрывает диапазоны 31–41 метр.

«Н»: Дальше на структурной схеме идет усилитель А1. Это, как я понимаю, усилитель высокой частоты. Он что, не резонансный?

«А»: Ты снова прав. Это малошумящий широкополосный усилитель ВЧ, обладающий очень хорошей линейностью. Никаких элементов настройки, перестройки и прочее, как видишь, не содержит.

«Н»: Дальше идет U1. Это, как я понимаю, преобразователь частоты входного сигнала в промежуточную частоту. Ну, a G1 — это гетеродин. Но мне не понятна роль U3. Что это за схема?

«А»: U3 — это очень любопытный узел. Но о нем чуть позже. А пока не отвлекайся. Что ты можешь сказать по поводу А2 и U2?

«Н»: Я склонен думать, что А2 — усилитель промежуточной частоты, a U2 — амплитудный детектор. Разве нет? Кстати, какая в данном случае, выбрана промежуточная частота?

«А»: Для увеличения селективности по зеркальному каналу, Спец порекомендовал использовать в качестве первой промежуточной, частоту 5.5 МГц. Как ты еще убедишься, при таком значении первой ПЧ, избирательность по зеркальному каналу в десятки раз выше, чем у традиционных схем.

«Н«: А зачем нужен кварцованный гетеродин G2?

«А»: Да только затем, чтобы понизить значение промежуточной частоты с 5.5 до 0,5 МГц. Дело в том, что коэффициент усиления А2 невелик. А2 усиливает входной сигнал, примерно в 30–40 раз по напряжению.

«Н»: Нос выхода преобразователя частоты U2 сигнал второй ПЧ поступает на АЗ. Это, очевидно, усилитель второй промежуточной частоты?

«А»: Твоя проницательность достойна Коломбо! Так вот, как раз этот усилитель имеет высокий коэффициент усиления. В максимуме он достигает 3–4 тысяч. Ну а в минимуме — всего 20–30 раз!

«Н»: Все было так хорошо и понятно. Раньше!.. Но только не теперь. Что, о высокочтимый Аматор, имеешь ты в виду, говоря о максимальном и минимальном усилении? Разница между которыми столь велика, сколь и непонятна для меня.

«А»: Ну, раз уж ты полностью заговорил на диалектах Востока, значит, пора приходить к тебе на помощь. Но ты обратил внимание, что на структурной схеме прямоугольники АЗ и U3 охвачены ПЕТЛЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ? Обозначенной аббревиатурой АРУ? Что в переводе означает — АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ УСИЛЕНИЯ?

«Н»: Да, вижу. Но совершенно не представляю, в чем заключается принцип работы этой самой АРУ!

«А»: А между тем АРУ — это замечательная штука! Поскольку (ранее Спец уже рассказывал об этом) из-за «капризов» в атмосфере, происходит «замирание» сигнала в точке приема — «ФЕДДИНГ». Это явление выражается в том, что амплитуда сигнала, развиваемая далекой радиостанцией в антенне приемника, на протяжении считанных десятков секунд, может измениться в сотни раз!

«Н»: Ох и ничего себе! Ну и как быть?

«А»: Поскольку воздействовать на атмосферу мы не можем (да и не очень хотим), этот вопрос достаточно успешно решается на схемотехническом уровне. Вот для этого и служит АРУ! Конкретное решение цепи АРУ для нашего случая мы и рассмотрим ниже. А пока продолжим знакомство со структурной схемой.

«Н»: Ладно, потерпим… Ну, дальше следует АЗ. Это, как я понимаю, усилитель низкой частоты — УНЧ. Ну и, естественно, динамик BF1… Да, так что Вы там, Штирлиц, говорили насчет того, что «время пока терпит»? Это я насчет того, непонятного для моего разумения, прямоугольника U3.

«А»: Твое, потрясающее всякое воображение, долготерпение, будет вознаграждено! Прямо сейчас! Скажи Незнайкин, тебе никогда не приходилось, слушая, где-нибудь на природе, интересную передачу в диапазоне коротких волн, трясти до совершенного исступления приемник, чтобы оживить его, внезапно умолкнувшего?

«Н»: У моего приятеля случилась осенью подобная история. При том, что батарейки, как он утверждал, были свежайшие… Кстати, виновником испорченного настроения моего друга оказался коротковолновый сувенирный приемник «Олимпик-402». После этого он очень не советовал мне приобретать подобный «Сувенир».

«А»: Поверь моему слову — это очень дельный совет. Я знаю «Олимпик-402». Это довольно неплохой по своим параметрам приемник. Но у него есть принципиальный недостаток. В результате эксплуатации, через самое непродолжительное время, у этого приемника выходит из строя конденсатор переменной емкости. Пластины ротора процарапывают тончайшую тефлоновую изоляцию и происходит короткое замыкание пластин при вращении регулятора настройки. Кроме того, из-за конструктивной недоработки, сбивается ось, что вообще приводит к серьезной неисправности приемника.

«Н»: А что, так трудно взять, да и заменить конденсатор?

«А»: Замена конденсатора, в общем, проблемы не решает. Поскольку, во-первых, требует новой настройки в радиомастерской всех высокочастотных узлов приемника. А, во-вторых, вскоре будет то же самое. И это вообще бич отечественных переносных радиоприемников. Но не в меньшей степени это касается и подобной дешевой аппаратуры китайского, румынского и польского производства.

«Н»: Можно подумать, что в том приемнике, который я собираюсь строить, эта проблема не возникнет…

«А»: Совершенно верно! В том-то все и дело, что у тебя подобная проблема не возникнет никогда! Чтобы так и случилось, в состав структурной схемы и введен прямоугольник U3!

Видишь, на нем еще написано — U2/U1?

«Н»: Не томи душу. Я и так весь внимание!

«А»: Так вот, в рассматриваемом приемнике НИКАКИХ конденсаторов переменной емкости нет. А в качестве элемента настройки на станцию применяются ВАРИКАПЫ — специализированные полупроводниковые диоды, емкость которых варьируется в достаточно широких пределах посредством изменения величины электрического потенциала, подаваемого между анодом и катодом этих диодов в обратном направлении. Для этого в настоящее время этот потенциал приходится менять в пределах от 4 до 30 вольт. Иногда немного выше. Но эти 30 вольт нужно еще получить!

«Н»: А что, это так невыразимо сложно?

«А»: Непросто. Поскольку требования к стабильности этого потенциала очень высоки. Это и понятно. Ведь любое самопроизвольное изменение величины напряжения (потенциала), подаваемого на ВАРИКАП, немедленно приведет к соответствующему изменению его емкости. А это, в свою очередь, вызовет несанкционированное изменение частоты настройки. Станция «уйдет»…

«Н»: Понятно. А каким переменным резистором лучше всего воспользоваться для осуществления регулировки подачи на ВАРИКАПЫ управляющего напряжения?

«А»: Только не таким, с помощью которого мы обычно регулируем «громкость» и «тембр». Существуют специальные, высоконадежные, износостойкие переменные резисторы. Причем, МНОГООБОРОТНЫЕ. Из отечественных можно порекомендовать СПЗ-44. А еще лучше — ППМЛ, что означает, прецизионные, переменные многооборотные, линейные. Вот для обеспечения запросов такого элемента настройки и необходим U3. Который вырабатывает высокостабильное напряжение для запитки ВАРИКАПОВ. Вот теперь и наступил тот торжественный момент, когда я разворачиваю перед тобой, заранее вычерченную, принципиальную электрическую схему учебно-тренировочного KB-приемника (рис. 15.2)…

«Н»: Ничего себе! Хорош же твой «учебно-тренировочный»!..

«А»: Отставить разговорчики! Незнайкин, дорогой. Ты только что шагнул в третье тысячелетие! Как, впрочем, и все остальное человечество. Так что — привыкай! Техника (даже ее исходный учебный уровень) усложняется. Хотя, строго между нами, ничего особо сложного в этой схеме нет. Наоборот — она проста и логична. Да ты скоро в этом и сам убедишься. Так что — выше голову!

«Н»: Считай, что ты меня убедил. А теперь, будь любезен, подробненько так и со вкусом, опиши назначение элементов.

«А»: Придется, Незнайкин, придется… Итак, только вообрази себе, что сигнал интересующей тебя дальней радиостанции, который, как известно, распространяется в виде электромагнитной волны, навел на входе антенны приемника соответствующее высокочастотное напряжение Uc. При этом можешь смело считать, что оно не превышает, например, 50 микровольт. Естественно, что у тебя, в зависимости от выбранного диапазона, подключен или полосовой фильтр «1», или полосовой фильтр «2». Но ты что- то хочешь спросить?

«Н»: Да, поскольку вижу, что контакты К1 и К2 — находятся не на самом переключателе диапазонов, а входят в состав реле. Для чего Спец принял именно такое решение? Это ведь усложняет схему?

«А»: Ты действительно так полагаешь? Если да, то напрасно. Дело в том, что именно входная цепь всегда являлась «ахиллесовой пятой», практически, всех бытовых приемников. Ни в одном совдеповском приемнике так называемого «высшего класса» (а что уже говорить об обычных, массовых) этот вопрос за десятки лет производства так и не был решен удовлетворительно. Дело в том, что переключатель диапазонов должен выполнять сложнейшую задачу. И вопрос не в том, что он должен обеспечивать коммутирование целой группы различных цепей. А в том, КАК он это делает!

«Н»: Понятное дело как. Переключатель обеспечивает плотное соприкосновение контактов между собой…

«А»: А я и не знал… Лучше послушай. В упоминаемой уже «Спидоле», контурные катушки (гетеродинные и диапазонные) коммутировались посредством посеребренных внешних контактов. И пока приемник был новый, все было в порядке. Но по мере эксплуатации, серебро на контактах покрывалось тончайшей пленкой окисла, чернело.

Переходное контактное сопротивление цепей при этом возрастало. Кроме того, становилось непостоянным во времени. Сигнал, реальная величина которого составляла десятки микровольт, часто был не в состоянии преодолеть такой контакт.

«Н»: Но ведь это означает полную потерю чувствительности, разве нет?

«А»: Во всяком случае, значительное ее ухудшение. И резкое возрастание уровня треска и помех.

«Н»: Но я видел и герметизированные барабанные переключатели?

«А»: Совершенно верно, таковые имеются. Применяя их, от вышеназванных неприятностей можно избавиться. Но далеко не от всех. Поскольку барабанный переключатель (или даже клавишный) — это конструкционный узел, расположение которого не терпит произвола. Он должен размещаться так, чтобы оператору, работающему с приемником, было удобно пользоваться переключателем диапазонов.

«Н»: Иначе говоря, должен быть расположен ФУНКЦИОНАЛЬНО?

«А»: Тебе удалось ухватить всю философскую глубину этой проблемы! А теперь прикинь, что входные высокочастотные цепи должны быть расположены так, чтобы находиться как можно ДАЛЬШЕ от рук оператора. Так наводки меньше. Но в этом случае, чтобы дотянуть сигнальный провод до переключателя и вернуть назад, приходится значительно увеличивать длину проводов входных и гетеродинных цепей. При этом резко падает их добротность, значительно возрастает уровень помех и наводок, затрудняется настройка цепей.

«Н» Ну и какой же ты можешь предложить выход из всего этого?

«А»: Только один — осуществлять высококачественную ВЧ-коммутацию на месте. Вот почему в схеме приемника и применены для этого специальные герконовые реле. Это очень качественный и надежный радиотехнический компонент. Итак, поскольку ответ на свой вопрос ты теперь знаешь, пошли дальше. Полосовой фильтр не только формирует 3-х мегагерцовую полосу пропускания, но еще и усиливает входной сигнал. Поэтому, приняв уровень сигнала на его выходе, равным 150 микровольт, мы не слишком погрешим против истины.

«Н»: Далее у нас идет широкополосный усилитель А1. Но я не понимаю его принципиальную схему. Не встречал такой.

«А»: Тебя, очевидно, смущает наличие трансформатора Тр1? Действительно, трансформатором этот элемент можно назвать с большой долей условности. В современной схемотехнике он известен больше под названием ШПТЛ — широкополосная трансформаторная линия. Должен тебе заметить, что само построение каскада УВЧ, в коллекторную цепь которого включен этот ШПТЛ, обладает рядом замечательных свойств.

«Н»: Ну и что же это за свойства, которых, как я понял, нет у привычных взору радиолюбителей каскадов?

«А»: Прежде всего, УВЧ на основе ШПТЛ является высоко линейным. Ты еще оценишь, насколько это важно для построения высококачественного приемного устройства. И означает, что даже при достаточно большой амплитуде сигнала ВЧ на входе, выходной сигнал не содержите себе гармоник.

Иными словами, синусоидальный характер выходного сигнала гарантируется.

«Н»: И это все?

«А»: Вовсе нет! Высокая линейность сохраняется в широкой полосе частот. Ну вот, для примера, подобный усилитель может без всякого завала АЧХ работать с сигналами от сотен килогерц до многих десятков мегагерц!

«Н»: А что это за хитрая цепь, собранная, как я понимаю, тоже на ШПТЛ. А именно, Тр2 и Тр3? А также на странно включенных диодах VD5—VD8?

«А»: Вот именно так, дорогой Незнайкин, выглядит смеситель. Это, давай напомню, нелинейное устройство, преобразующее частоту входного сигнала в некоторую иную частоту. При этом «всадник», то есть интересующий нас низкочастотный МОДУЛИРУЮЩИЙ сигнал, никаких искажений претерпевать не должен.

«Н»: Можно ли это уподобить тому, что «всадник» (он же низкочастотный сигнал) просто «меняет коня»?

«А»: Хорошая аналогия. Но присмотрись, на этот смеситель (преобразователь частоты), поступает также и сигнал ГПД — генератора плавного диапазона. В результате перемешивания сигналов, соответственно, имеющих значения входной и гетеродинной частот, получается их разностная частота.

То есть первая промежуточная — ПЧ1. Со вторичной обмотки ШПТЛ Тр2 сигнал ПЧ1, равный 5,5 МГц, через конденсатор С6 подается на вход резонансного усилителя, собранного на транзисторе VT2 и включенного по схеме с общим затвором. С его выхода, через конденсатор С9 он подается на вход КАСКОДНОГО усилителя на транзисторах VT3 и VT4.

«Н»: А почему нельзя было обойтись каскадом попроще?

«А»: Потому что КАСКОДНЫЙ усилитель обладает очевидными преимуществами. Во-первых, его входной ИМПЕДАНС (т. е. комплексное высокочастотное сопротивление, учитывающее как активную, так и реактивную проводимости), достаточно велик.

«Н»: Достаточно для чего?..

«А»: Ну хотя бы для того, чтобы не шунтировать резонансный контур С7—L9, настроенный, как ты, безусловно, догадался, на ПЧ1, т. е. 5,5 МГц.

Этот каскад хорош и тем, что не склонен к самовозбуждению. То есть от него можно добиться высокого коэффициента усиления по напряжению. Наконец, такой каскад отличается легкостью в настройке.

«Н»: Объясни пожалуйста, что ты имеешь в виду?

«А»: Охотно. Настраивая узел, содержащий в себе несколько резонансных контуров, обычно сталкиваются с явлением, когда «все зависит от всего». Любой элемент, таким образом, влияет на формирование АЧХ. Причем на ВСЮ, хотя на различные ее участки в различной степени! Но в КАСКОДНОЙ схеме это влияние, практически, ликвидируется. Вот почему такие усилители являются наиболее предпочтительными для построения на их основе резонансных высокочастотных усилителей.

«Н»: Я так понимаю, что УПЧ смело можно зачислять по высокочастотному ведомству?

«А»: И без угрызений совести! Ну, а что касается величины сигнала, то на выходе УВЧ полагаем его амплитуду достигшей 1,2 милливольт. Первый смеситель, осуществив «пересадку» сигнала с высокой на первую ПЧ, понизил его уровень до 400 микровольт.

«Н»: Зачем?…

«А»: Ты хочешь знать, зачем? Да просто потому, что коэффициент передачи сигнала диодных смесителей меньше единицы. Но зато у них масса других, очень полезных свойств. Которые с лихвой компенсируют ослабление ими сигнала. Например, исключительно малый коэффициент искажений. Высокая устойчивость к мощным внеполосным помехам, большой динамический диапазон, малые шумы.

Так что ты можешь с легким сердцем остановиться именно на этом типе смесителей. Ну и ведь, недавно рассмотренный, КАСКОДНЫЙ усилитель первой ПЧ тоже свое дело делает. Так что можешь считать, что на вход ВТОРОГО смесителя, собранного на ШПТЛ Тр4 и Тр5, а также диодах VD9—VD12, поступает сигнал с амплитудой около 20 милливольт.

«Н»: Снова сделаем поправку на особенности кольцевых смесителей и найдем, что на исток транзистора VT5 через конденсатор С18 поступает сигнал второй ПЧ, имеющий амплитуду около 7 милливольт. А вот дальше я не могу понять. Что это за узел?

«А»: Ты имеешь в виду участок принципиальной электрической схемы приемника, выполненной на транзисторах Т7, Т7 и резисторах R20 и R22?

«Н»: Ну конечно! Но послушай, уважаемый Аматор! Не вы ли со Спецом так настойчиво утверждали, что любой усилительный прибор, неважно, электронная лампа или транзистор, для того, чтобы проявить свои замечательные свойства, давшие так много для прогресса человечества, нуждается (я имею здесь в виду, конечно же, прибор) в обязательной подаче на его электроды различных уровней ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ?

«А»: Иными словами, что электроника немыслима без питающих напряжений? Расслабься, Незнайкин. И, поверь моему слову, не стоит бежать к окулисту по поводу того, что ты не видишь, как подается напряжение на транзисторы VT6 и VT7. Ты не видишь именно того, чего здесь и нет!

Действительно, эти транзисторы НЕ ПОДКЛЮЧЕНЫ к источнику постоянного напряжения. А между тем, в отличие от электронных ламп и биполярных транзисторов, полевые транзисторы вполне допускают режим работы БЕЗ подачи на их электроды постоянного потенциала. Вот как, например, в нашем случае.

«Н»: Но, судя по тому, что на затворы этих транзисторов подается сигнал АРУ, они еще и управляются?

«А»: Да, и это несмотря на отсутствие источника электропитания. Поскольку в этом режиме они являются не усилительными приборами, а неким подобием переменного резистора. Проводимость полевых транзисторов может в широких пределах регулироваться путем подачи различного потенциала постоянного напряжения за их затворы. Пределы регулировки очень широки, от десятков ом до сотен килоом! Кроме того, если амплитуда входного сигнала (вот как в нашем случае) сравнительно невелика, то область исток — сток полевого транзистора обладает, при определенном потенциале на затворе, ОДИНАКОВОЙ величиной проводимости для разнополярных сигналов.

«Н»: Вот это да! Но тогда вся эта цепь представляет из себя…

«А»:…Аттенюатор, дружище, причем двойной! Обладающий превосходной регулировочной характеристикой. В самом деле, представь себе, что в исходном состоянии на затворы подан ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ потенциал. В этом случае проводимость областей исток— сток полевых транзисторов VT6 и VT7 — минимальна. Иными словами, они находятся в режиме отсечки тока, т. е. ПОЛНОСТЬЮ заперты. Что это означает, как думаешь?

«Н»: Очевидно, то, что их сопротивление очень велико. Поэтому, так как последовательное сопротивление резисторов R20 и R22 меньше 5 килоом, а входное сопротивление VT8 измеряется в сотнях килоом, то ВСЯ (практически) амплитуда сигнала ПЧ2 подается на вход уже знакомой нам КАСКОДНОЙ схемы УПЧ2, собранной на VT8 и VT9. Но если положительный потенциал на затворах полевых транзисторов будет небольшим, то проводимости их каналов резко упадут. И их сопротивление может стать даже меньше, чем сопротивление соответствующих резисторов R20 и R22.

«А»: Отлично, Незнайкин! В этом случае образуется двойной Г-образный делитель напряжения. Поэтому, даже если на С20 будет присутствовать сигнал с амплитудой 100 милливольт, то на затвор VT8 поступит ну разве что сотая доля его амплитуды.

«Н»: Но кто же тот «неизвестный» кто управляет величиной постоянного напряжения на затворах VT6 и VT7?

«А»: Немного терпения. Итак, сигнал, имеющий амплитуду 7 милливольт, воздействовал на затвор полевого транзистора VT8. КАСКОДНЫЙ усилитель повышает амплитуду этого сигнала на выходе до величины 350 милливольт.

Каскад на транзисторе VT10 еще усилит амплитуду сигнала ПЧ2. И мы не слишком погрешим против истины, если примем амплитуду сигнала на входе АД (амплитудного детектора) равной 1,2 вольта.

«Н»: Это все при том условии, что на входе приемника амплитуда ВЧ-сигнала составляет не более 50 микровольт?

«А»: Верно излагаешь. Но, я надеюсь, ты обратил внимание на то обстоятельство, что на выходе детектора сигнал как бы разделился?

«Н»: А то!.. И одна из дорог у меня не вызывает никаких сомнений. Это та, которая ведет на вход усилителя низкой частоты. А вот что касается цепи, которая начинается конденсатором С81…

«А»: Поверь, друг, что «эта дорога ведет к храму»! Вот смотри, модулированный сигнал ПЧ2 поступает на вход электронной цепи, обладающей целым набором нужных нам свойств. Реализуется эта цепь на диодах VD16— VD19, представляющих собой, балансируемую с помощью подстроечного резистора R66 схему «моста». Выходы этой цепи подсоединены к микросхеме, представляющей собой ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ постоянного тока. Свойства этого усилителя очень интересны. Я вот тут обозначил постоянные напряжения, снимаемые с диагоналей моста, как UC1 и UC2.

Так вот, дифференциальный усилитель (ДУ) воплощает в жизнь следующую формулу:

Uвых = K(UC2 — UC1)

Здесь К — коэффициент усиления по постоянному току.

«Н»: Если я тебя верно понял, то при взаимном равенстве друг другу величин сигналов на входах, напряжения на выходе дифференциального усилителя не будет никакого? Но тогда зачем он нужен?..

«А»: А ты присмотрись повнимательней! Что происходит? Если оба входных напряжения равны между собой, его выходное напряжение, которое и вправду равно нулю, поступает на вход интересной цепи, которая называется ИТУН — источник тока, управляемый напряжением. Поскольку в данном случае потенциал на входе ИТУН равен нулю, то в выходной его цепи, нагрузкой которой является резистор R72, ТОК равен нулю. Что при этом будет?

«Н»: При этом падения напряжения на R72 никакого нет. А значит, весь положительный потенциал, равный напряжению питания, приложен к затворам полевых транзисторов аттенюатора ПЧ2, принцип действия которого мы уже рассмотрели.

«А»: То есть при этом (повторение — мать учения) аттенюатор НИКАКОГО ослабляющего действия на уровень входного сигнала ПЧ2 не оказывает. А вот теперь предположи, что сигнал на входе приемника из-за всяких там атмосферных дел, будет возрастать.

«Н»: Тогда, соответственно, возрастут сигналы и на выходе УВЧ, и на выходе УПЧ 1, и на выходе УПЧ2. А поскольку УПЧ2 обладает значительным усилением, то ему, очевидно, достанется больше всех!?..

«А»: А про наши бедные уши ты подумал? Ведь при росте амплитуды сигнала с антенного входа всего на один порядок, на входе детектора сигнал должен был бы достичь уровня 12 вольт, а то и больше! Вообрази на секунду, какие нелинейные искажения создаст подобный сигнал на выходе усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ)! И каково придется слушателю?

«Н»: Но ведь у нас предусмотрен этот случай?

«А»: Ну, а как же? Ведь вся эта возня с АРУ затеяна именно для того, чтобы подобная ситуация оставалась только плодом нашего буйного воображения.

В самом деле, возросший уровень сигнала промежуточной частоты немедленно нарушит баланс моста. При этом на выходе ДУ появится положительный потенциал, который приведет к генерации соответствующего тока в нагрузке ИТУН.

«Н»: А это будет причиной падения напряжения на резисторе R72…

«А»:…И немедленного уменьшения, запирающего полевые транзисторы аттенюатора, потенциала на их затворах. Что приведет к уменьшению амплитуды сигнала непосредственно на входе УПЧ2. А это ЭКВИВАЛЕНТНО самому радикальному понижению коэффициента усиления (передачи) всего тракта ПЧ2.

«Н»: Вот и нет никакой перегрузки на выходе. И ничего не напрягает чрезмерно наши уши!

«А»: Ну разве что какая-либо нежелательная информация, которую ты «подцепил» на антенну своего учебно-экспериментального… Но даже она прозвучит, с точки зрения акустики, с минимальными нелинейными искажениями…

«Н»: Единственное утешение. Но мне кажется, что вся эта схема будет отрабатывать свой хлеб ПРИ ЛЮБОЙ, даже достаточно малой величине сигнала с выхода ПЧ2. Разве нет?

«А»: Все в наших руках, как сказал однажды какой-то пират, направляя свой бриг во время шторма прямо на скалы… Во-первых, мы вполне можем так отбалансировать диодный мост, что создадим некоторый запас запирающего напряжения. Тогда, для того, чтобы привести цепь ИТУН в действие, нужно, чтобы амплитуда несущей сигнала на выходе УПЧ2 в определенный момент стала выше порога. То есть мы можем реализовать ЗАДЕРЖАННУЮ АРУ. Во-вторых, потенциал, который приложен к затворам VT6 и VT7 — заведомо несколько превышает порог запирания. Тем самым и в этом случае у нас имеется определенный запас регулирования. Так что представленная схема, будучи весьма эффективной, дает полную свободу для творческого выбора порога срабатывания системы АРУ.

«Н»: А вот такие УПЧ, охваченные АРУ, как-то количественно характеризуются?

«А»: Еще бы! Говорят о таком параметре, как ГЛУБИНА АРУ. Должен заметить, что рассмотренная нами схема, в этом отношении выглядит весьма достойным образом. Ее глубина АРУ, как утверждает Спец, достигает 66 дБ/6 дБ. И даже несколько выше.

«Н»: А что это означает, если от шибко технического термина ДЕЦИБЕЛ перейти к общедоступным «разам»?

«А»: Вообще недурственно тебе было бы приобщиться к пользующимся заслуженным почетом, уважением и международной популярностью; официальным техническим терминам. Но если уж ты так настаиваешь (только по старой дружбе), спешу сообщить, о чем сие соотношение говорит… Так вот, при изменении сигнала на входе второй ПЧ в 3000 раз (имеется в виду его возрастание от некоторой минимальной рабочей величины), сигнал на выходе УПЧ2, возрастет только в 3 раза! Но ведь ты понимаешь, что реально сигнал может возрасти не более, чем в 500 раз. Поэтому выходной сигнал на выходе УПЧ, практически, не изменится!

«Н»: Вот это здорово! Но мы «оставили за бортом» еще несколько моментов.

«А»: Помню-помню. Как же, узел U3? Вот он, долгожданный, на рис. 15.3.

Кстати, заметим, что, хотя мы решили ограничиться только двумя диапазонами, забывать об их коммутации все равно нельзя. А нам следует переключать не только герконовые реле, но о многооборотный резистор ППМЛ (R25). Так что я привожу полную схему коммутации для «учебно-тренировочного» (рис. 15.4). Теперь возвращаемся к узлу U3.

«Н»: Такой сложный?… Что же ты молчишь? И почему у тебя такой меланхолически-философский вид? Ты устал от разъяснений?

«А»: Я просто, как говорят, слегка «задумался о высоком»… И виной тому — твои навязчивые мысли о сложности! Якобы присутствующей на предложенной тебе схеме. Между тем, дорогой Незнайкин, можешь поверить моему скромному опыту. Тем более, что он опирается на значительно больший опыт Спеца. Так вот, этот опыт говорит — бояться следует не столько схем «средней» сложности, сколько схем «ПРОСТЫХ»! Порой именно «простые» схемы скрывают в себе настоящие сложности! Но об этом мы поговорим в следующий раз.

Глава 16. Прогулка по схеме «учебно-тренировочного»

«Незнайкин»: Добрый день, дорогой Аматор. Мне не терпится продолжить нашу беседу-путешествие по схеме KB-приемника, который мне уже просто не терпится построить. Я бодр, сосредоточен и готов к восприятию новой информации.

«Аматор»: Добавь — такой нужной и полезной. После этой твоей блестящей демонстрации самовнушения мне ничего не остается другого, кроме как приступить к обсуждению принципиальной электрической схемы узла U3. У тебя снова вопрос?

«Н»: Я просто подумал о том, что, может быть, вместо «электронного» решения, прибегнуть к более простому?

«А»: Ну ты меня просто заинтриговал! Но что ты имеешь в виду, говоря о «более простом решении»?

«Н»: Может быть просто набрать несколько маленьких батареек от часов, соединить их последовательно, да и получить эти самые (+ 30 вольт)? Ведь ВАРИКАПЫ, как я полагаю, тока почти не потребляют? Значит, батареек хватит надолго. Чему это ты так улыбаешься?

«А»: Знаешь, я как-то предложил то же самое Спецу. Представь себе, он тоже развеселился. И сказал, что если бы не пара моментов, то по этому пути, пожалуй, можно было бы пойти.

«Н»: Мне не терпится узнать, что это за «моменты»!

«А»: Первый из них заключается в том, что, хотя сами ВАРИКАПЫ, действительно, тока не потребляют (пара микроампер не в счет), но есть компонент и более прожорливый. Который, как раз, ток потребляет. Я имею в виду МНОГООБОРОТНЫЙ РЕЗИСТОР.

«Н»: Ну это уже совсем просто! Нужно взять резисторы, имеющие высокое сопротивление, вот и все! Скажем, один мегом!..

«А»: Да нет, не все. Ведь при этом резко возрастут шумы. Увеличатся механические требования к ползунку. Как следствие, возрастет уровень помех. Вот почему оптимальный номинал этого резистора — не свыше 47 килоом. А еще лучше — 22 килоома. При этом сквозной ток через многооборотный резистор возрастает. И в нашем случае будет равен, примерно, 1,5 миллиампер. А это для часовых батареек, согласись, многовато. Не надолго их хватит.

«Н»: Ну, а в чем заключается второй момент?

«А»: В том, что стабильность батареек недостаточна.

«Н»: А что, стабильность должна быть очень высокой?

«А»: Представь себе. Но к этому вопросу мы еще вернемся ниже, а пока давай приступать к анализу работы схемы преобразователя напряжения.

Заметь, нам требуется достаточно специфическое напряжение, равное +30 вольт. А у нас имеется напряжение — (+9 вольт). Вот в таких случаях и используют одну из разновидностей схем электронного статического преобразователя напряжения. Как видишь, ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР (ЗГ) низкой частоты реализован на транзисторе VTI.

«Н»: А зачем здесь лампочка накаливания Л1? Для индикации включения?

«А»: Не угадал! Эта лампочка, при работе преобразователя, всегда темная! Ее назначение — быть температурно-зависимым элементом обратной связи. При росте амплитуды сигнала ЗГ, эффективное значение переменного тока нагревает нить лампочки. Ее сопротивление при этом возрастает. Что ведет к уменьшению упомянутого тока. Лампочка слегка остывает, что…

«Н»:… Ведет к новому возрастанию тока! Значит, поскольку этот процесс носит динамический характер, амплитуда колебаний стабилизируется!

«А»: Вот видишь, как хорошо! Далее с коллекторной нагрузки транзистора VT1, в качестве которой используется резистор R4, сигнал поступает на базу VT2. Этот транзистор предназначен для согласования уровней напряжения. И определяет рабочий режим по постоянному току выходного каскада генератора, выполненного на транзисторах VT3—VT6. Далее через переходной конденсатор, емкостью 0,22 микрофарады, сигнал подается на оконечный усилитель-преобразователь, реализованный на транзисторе VT7. Обрати внимание на существование еще одной обратной связи, осуществляемой через подстроечный резистор R5.

«Н»: Если я верно понял, эти самые обратные связи и позволяют достичь высокой стабильности амплитуды колебаний?

«А»: Совершенно верно! В качестве коллекторной нагрузки транзистора VT7 служит малогабаритный тороидальный трансформатор Тр1. На его вторичной обмотке развивается переменное напряжение равное, примерно, 35 вольт. Которое выпрямляется диодным мостом (VD1—VD4). А затем сглаживается электролитическим конденсатором. После чего подается на вход прецизионного линейного стабилизатора, реализованного на транзисторах VT8 и VT9, а также микросхеме. Предусмотрена также подстройка величины выходного напряжения с помощью резистора R19.

«Н»: Дальше все понятно. Остановка за малым — создать все это практически.

«А»: А почему ты ничего не спрашиваешь об УМЗЧ?

«Н»: Только потому, что, как мне кажется, к выходу нашего двухдиапазонного KB-приемника можно подсоединить вход любого УМЗЧ.

«А»: Отчасти, это так. Но все же, чтобы создаваемое тобой «изделие» не являлось зависящим от какой-либо сторонней аппаратуры, хочу предложить тебе пару-тройку разновидностей УМЗЧ. И хочу заметить, что в настольной (или носимой) модели KB-приемника особого смысла в сверхмощном УМЗЧ нет ровно никакого! Поэтому я предлагаю тебе для реализации вот такую схему УМЗЧ, где достаточно гармонично сочетаются простота, малые габариты, небольшая мощность и достаточно высокое качество (рис. 16.1).

«Н»: Это что, полная схема?

«А»: А что ты ожидал увидеть? Вавилонскую башню? Могу посоветовать на будущее — придерживайся изображенной на этой схеме конфигурации оконечной части УМЗЧ. Что же касается входного каскада, то здесь, как пишут в газетных объявлениях по квартирному обмену, возможны варианты. А вообще-то усилители мощности звуковой частоты (ранее их именовали — усилители низкой частоты) — это обширнейшая область электроники и акустики!

«Н»: Но какие-то рекомендации для самостоятельной разработки «ходовых» УМЗЧ, вот как в данном случае, имеются?

«А»: Обязательно. Прежде всего, УМЗЧ должен быть двухтактным и не содержать на выходе трансформатора. Затем очень желательно, чтобы оконечный каскад был построен на комплементарных транзисторах. То есть одинаковых по своим частотным и мощностным параметрам, но имеющих различную проводимость. Проще говоря, один из них должен иметь структуру р-n-р, а другой — n-р-n. В этом случае нелинейные искажения будут минимальными.

«Н»: Но ты говорил о «паре-тройке» схем.

«А»: Я имел в виду построение предварительных каскадов УМЗЧ. Вот они — выбирай (рис. 16.1, а, б).

«Н»: Без твоего краткого комментария?

«А»: Ну если ты настаиваешь… На рис. 16.1, а показана схема предварительного усилителя для УМЗЧ на микросхеме К548УН1А. Параметры этого усилителя зависят от глубины отрицательной обратной связи (ООС), которая определяется соотношением номиналов резисторов R1 и R3. В данном случае, коэффициент передачи составляет около 25. Конденсатор коррекции (Скорр) нужен для того, чтобы ограничить диапазон рабочих частот. Ну, а на рис. 16.1, б приведена практическая схема двухкаскадного предварительного усилителя с, так называемой, непосредственной связью между каскадами. Между прочим, это достаточно высококачественный предварительный усилитель. Поскольку для снижения нелинейных искажений здесь использованы ДВЕ цепи ООС.

«Н»: Должен признаться тебе, дорогой Аматор, что все эти твои ООС напоминают мне лихо закрученный детектив, где все действующие лица немедленно попадают в разряд подозреваемых…

«А»: Мне вполне по вкусу твоя аналогия. Действительно, подобные схемы, где электрический режим по постоянному току сложным образом зависит от величины номинала каждого резистора схемы, способен привести к состоянию, так сказать, философической меланхолии. Но, уверяю тебя, творческий гений человечества, наряду и с другими проблемами, с такой задачей, как отладка усилителей с непосредственной связью, сумел справиться! И, между нами, это оказалось не так сложно, как кажется вначале.

Ну-ка, Незнайкин, начинай анализ!

«Н»: Мне почему-то кажется, что ключевая точка схемы — это резистор R6.

«А»: Твоей интуиции можно только позавидовать…

«Н»: Будучи, буквально, окрылен твоими словами, я продолжаю. Итак, напряжение на резисторе R6, зависящее оттока эмиттера второго транзистора, подается в цепь базы первого транзистора.

«А»: Внимание, Незнайкин! Поскольку рекомендованные транзисторы КТ-342А (КТ-3102) имеют статический коэффициент усиления по постоянному току порядка 250–350, базовый ток VT1 не превышает 1 микроампера! Тем не менее, проходя по R1, этот ток способен создать падение напряжения, которое следует учитывать. Кроме того, от величины коллекторного тока второго транзистора зависит значение падения напряжения на резисторе R5. А, значит, напряжение коллектора VT2. Ну и, соответственно, напряжение на эмиттере первого транзистора. Вот почему, регулируя величину резистора R6, мы определяем этим режим работы всего предварительного усилителя.

«Н»: Так какую же из двух схем (рис. 16.1, а или рис. 16.1, б) ты мне порекомендуешь для конкретного использования?

«А»: Именно схему двухкаскадного предварительного усилителя на транзисторах. Но не кажется ли тебе, что мы отвлеклись от нашего приемника, как такового?

«Н»: Разве? Ну тогда давай возвращаться к первоначальной теме. Тем более, что в наших записях отсутствует, как я заметил, важнейший момент…

«А»: Уж не имеешь ли ты в виду конструкцию катушек индуктивности?

«Н»: Именно! А, кроме того, конструкцию трансформаторов, намотанных на кольцах, под гордым названием ШПТЛ. Ведь как я подозреваю, их намотка обладает особой спецификой?

«А»: Безусловно. Итак, что касается полосовых диапазонных фильтров, то их данные приводятся в табл. 16.1.

Теперь тебе полезно учесть, что для обеспечения нормального приема в диапазоне частот 15,0—12,0 МГц, генератор плавного диапазона (ГПД) должен перестраиваться в пределах:

Минимальная рабочая частота ГПД — 17,465 МГц;

Максимальная рабочая частота ГПД — 20,465 МГц;

Соответственно, для диапазона частот 12,0–9,0 МГц;

Минимальная рабочая частота ГПД — 14,465 МГц;

Максимальная рабочая частота ГПД — 17,465 МГц.

Что касается конструкции контурной катушки ГПД, то здесь отступать от современного стандарта тоже не следует. Вот она, на рис. 16.2 (тип IV).

«Н»: Но я вижу, что каркас контурной катушки ГПД обеспечивает намотку не виток к витку, а с определенным промежутком?

«А»: Ты хочешь сказать — с ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ШАГОМ? Да, это так. Скажу больше — гетеродинную катушку вообще желательно намотать посеребренным проводом без какой-либо изоляции. Конструкция каркаса с принудительным шагом и позволяет легко это осуществить.

«Н»: Ну, а где я возьму такой провод?

«А»: Как ты еще не раз убедишься в своей практике, добывание комплектующих для своей очередной конструкции — это достаточно хлопотная задача. Но и достаточно азартная. Она чем-то сродни коллекционированию монет или значков. Но только не в данном случае. Потому что если тебе не удастся раздобыть специального серебреного провода, то можно тот же самый вопрос решить иначе. На любом радиотолчке ты приобретаешь кусок монтажного многожильного провода, но ОБЯЗАТЕЛЬНО типа МС. Длина куска — не более 50 сантиметров. Толщина — желательно побольше. Затем аккуратно снимаешь с него фторопластовую изоляцию. Осталось только расплести жилы, что не так уж и сложно. И у тебя в наличии окажется 5–7 профессионально и высококачественно посеребренных проводников. Этого хватит на добрый десяток катушек!

«Н»: А почему я не могу воспользоваться обыкновенным медным эмалевым проводом? Хотя бы той же марки ПЭВ-2?

«А»: Ты, дружище, себя просто недооцениваешь! Ну конечно-же, можешь! Ибо, как сказал японский камикадзе, направляя свой самолет на американский авианосец, «все в наших руках». Кроме добротности гетеродинной катушки, если ее намотать медным проводом!

«Н»: Это тоже тебе поведал японский камикадзе?..

«А»: Вот как раз на этот счет он ничего не успел сказать! Так что мне об этом в свое время поведал Спец, а я — тебе. И уверяю тебя, гетеродинная катушка стоит того, чтобы ради нее затеять эту возню с серебряным проводом!

«Н»: А… понял, понял, понял, как сказал однажды поручик Ржевский. СКИН-ЭФФЕКТ или, иначе говоря, эффект поверхностной высоко-частотной проводимости. Но не распространяется ли это требование на катушки индуктивности для резонансных контуров первой ПЧ, которая, как я помню, равна 5,465 МГц?

«А»: Можешь считать, что нет. Эти индуктивности выполнены на том же типе каркаса, что и индуктивности полосовых диапазонных фильтров.

Намотка катушек ПЧ 1 осуществляется проводом, типа ПЭВ-2-0,1 и содержит 80 витков. Емкость конденсатора составляет 12 пикофарад. Кстати, как ты, наверное, заметил, конструкция каркасов содержит в себе сердечник, снабженный резьбой М4. Обычно его изготовляют из карбонильного железа (для высоких частот). Или феррита, когда используется стандартное значение ПЧ, равное 465 кГц. С помощью подобного сердечника можно без какой-либо перемотки обеспечить плавную регулировку значения индуктивности. В сторону ее увеличения. До 30 % и более.

«Н»: А как уменьшить индуктивность, не трогая обмотку?

«А»: Представь себе, и эта проблема решена. Для подобного свершения, как оказалось, вполне достаточно применить резьбовой сердечник, изготовленный из ЛАТУНИ.

«Н»: Ну а что ты можешь сообщить о конструктивных особенностях катушек для ПЧ2?

«А»: Поскольку ПЧ2 равна 465 кГц, то здесь следует применить секционированные катушки, которые в дальнейшем будем именовать — Тип III.

Их внешний вид приведен на рис. 16.2. Что же касается моточных данных, то они таковы. Одиночная контурная катушка на 465 кГц содержит 80 витков ПЭВ-2-0,1, намотанных на каркасе Тип III. В каждой из его четырех секций размещено по 20 витков.

«Н»: Но в схеме приемника имеется катушка, содержащая ДВЕ обмотки на одном каркасе. Как поступим в этом случае?

«А»: Тогда в верхних двух секциях размещаем первичную обмотку, а в двух нижних — вторичную. Каждая из секций содержит по 40 витков провода ПЭВ-2-0,08 или ПЭВ-2-0,063. Таким образом, каждая из катушек содержит по-прежнему по 80 витков. Емкость контурного конденсатора составляет 91 пФ.

«Н»: Однако, ты собирался рассказать о ШПТЛ?

«А»: Собирался, однако. ШПТЛ — широкополосные трансформаторные линии — вещь прелюбопытная. Спец рассказывал, что их теоретическое описание очень громоздкое и сложное. А вот практическая реализация — одно удовольствие. Я, конечно, имею в виду простейшие случаи. Поскольку Спец показывал мне такие хитрые ШПТЛ, что я до сих пор не знаю, как они наматываются. Но спешу тебя уверить, что мы вполне можем обойтись в данном приемнике достаточно простыми ШПТЛ.

«Н»: Ты вселил в меня бодрость и оптимизм. Но не лучше ли будет от слов перейти к изображению?

«А»: Посмотри внимательно на этот рис. 16.3. Я все изобразил на нем. Прежде всего, чтобы приступить к намотке ШПТЛ, необходимо подготовить СДВОЕННУЮ И СКРУЧЕННУЮ ПАРУ проводов. Мой совет — в данной конструкции применяем ПЭВ-2-0,22. Отрезав от катушки с проводом кусок длиной 1 метр, далее поступают так, как указано на рис. 16.3.

«Н»: А если точно такого кольца добыть не удастся?

«А»: Тогда могу посоветовать применить кольца из высокочастотного феррита марки 50ВЧ2. Количество витков то же самое. Если размеры кольца соответствуют приведенным на рис. 16.3, разумеется.

«Н»: У нас остался невыясненным еще один компонент.

«А»: Ты имеешь в виду трансформатор преобразователя напряжения? Он, должен заметить, может быть реализован по-разному. Однако наиболее предпочтительным является его намотка на кольце из никель-цинкового феррита марки 600НН или 1000НН типоразмера К16,0x8,0x6,0. Первичная обмотка содержит в себе 80 витков ПЭВ-2-0,18. Вторичная — 300 витков ПЭВ-2-0,1.

«Н»: Какие-нибудь дополнительные рекомендации по этому трансформатору имеются?

«А»: Ну конечно! Прежде всего рекомендую превратить, с помощью надфиля с алмазным покрытием, прямоугольное сечение кольцевого сердечника в некое подобие овала. В противном случае, при намотке, возможно повреждение острой ферритовой гранью изоляции эмалевого провода. А это приведет к неработоспособности трансформатора. Поэтому здесь стоит проявить терпение и аккуратность.

«Н»: Я забыл спросить тебя о частоте преобразования узла (рис. 16.4).

«А»: Она невелика — около 10 кГц. Так что при работе преобразователя, ты, приблизив ухо к узлу U3, сможешь убедиться в его работоспособности, услышав тончайший писк, подобный комариному. Более того, если в этом писке будет прослушиваться некая хрипотца, можно заранее сказать (еще до контроля формы сигналов на осциллографе), что режим работы преобразователя не оптимальный. Да и недостаточно высокое выходное напряжение подтвердит правильность этого вывода.

«Н»: А что можно сказать по вопросу настройки приемника?

«А»: ГПД можно отладить отдельно. С помощью обычного цифрового частотомера и осциллографа. Правильно собранный ГПД начинает работать сразу. И тогда вся настройка сводится к следующему. Оптимальный режим задающего генератора ГПД подбирают путем регулирования потенциометра R42 (см. рис. 15.2). При этом следует отпаять вторичную обмотку ШПТЛ ТрЗ и проконтролировать выходной сигнал ГПД путем подачи его на вход осциллографа и цифрового частотомера.

«Н»: Ну, а кварцованный генератор?

«А»: Ты имеешь в виду гетеродин D2? Здесь дело обстоит еще проще. Этот гетеродин, опять-таки при правильной сборке, начинает работать сразу. При этом в его конструкции применены две катушки индуктивности, намотанные на каркасах Тип 2. До заполнения.

«Н»: Но катушка ЗГ гетеродина D2 имеет отвод. Где он расположен?

«А»: Ровно посередине катушки. В таком случае говорят, что коэффициент ее включения равен 0,5.

«Н»: Я вижу, что можно, наконец, приступать к постройке приемника.

Постой-постой, а что ты имел в виду, когда еще в самом начале нашей беседы, когда мы еще только приступили к рассмотрению схемы этого «учебно-тренировочного» KB-приемника, говорил о НЕОЧЕВИДНЫХ преимуществах его принципиальной схемы?

«А»: Ну у тебя и память… Но вопрос задан вполне своевременно. Так вот, самое главное неочевидное преимущество данной схемы заключается в том, что схемотехнические особенности ее узлов приведены в максимальное соответствие с особенностями схемотехники БОЛЬШОГО ПРИЕМНИКА с преобразованием «вверх»! Поэтому, занимаясь отладкой данного приемника, ты осваиваешь определенный уровень электроники, так необходимый в дальнейшем.

«Н»: Дорогой Аматор, в таком случае, я говорю тебе — до свидания и, одновременно, большое спасибо за помощь и разъяснительную работу, которую ты провел с немалым успехом. А сейчас я спешу приступить к монтажу и пайке!

«А»: Не считаю себя вправе сдерживать твой творческий порыв! У тебя до возвращения Спеца, на все про все осталась неделя. В добрый час, дружище!

Глава 17. Поговорим о микросхемах

«Спец»: Итак, дорогие друзья, я в большом затруднении…

«Аматор»: Слишком о многих типах микросхем нужно говорить?

«С»: Это тоже…Но, как это ни странно, из большого количества специализированных, предназначенных именно для применения в радиоприемниках, серий микросхем, выпускаемых промышленностью еще со времен СССР, использовать ПРАКТИЧЕСКИ НЕЧЕГО!..

«А»: Ничего себе дела… Объяснитесь, Спец, как это возможно?

«С»: Вот смотри… Основные имеющиеся серии — это: 237; 224; 174; 175. Каждая из них насчитывает не менее десятка различных типов микросхем.

Но серии 224 и 237 — устарели безнадежно! 174 и 175 — хороши для телевизионных приемников и аудиомагнитофонов! Но для построения высокочувствительного достаточно современного радиоприемника с преобразованием «вверх» — они не являются оптимальными!

«Незнайкин»: То есть в нашем радиоприемнике не будет микросхем?

«С»: Напротив, будут! И в немалом количестве. Но в соответствующих узлах и в соответствующих режимах! А потому начнем наше повествование о микросхемах с… ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.

«Н»: Я слышал о них много интересного. Но вплотную с ними дела пока что не имел. Хотя в «учебно-тренировочном» они и применены, но узлы с ОУ все равно отлаживал Аматор…

«С»: Можешь считать, что это славное время наступило! Немного истории…

Собственно операционный усилитель был изобретен Филбриком в 1938 году. Но этот ламповый, громоздкий прибор был не столько изобретением схемы, сколько разработкой принципа. Филбрик, а позднее Ловелл, показал, что при нечетном числе ламповых каскадов высокого усиления, создающих требуемый фазовый сдвиг между входом и выходом, передаточную функцию схемы можно задать ВСЕГО ДВУМЯ внешними компонентами!

«А»: Говорят, что операционные усилители (или ОУ) — самые распространенные микросхемы аналоговой техники.

«С»: Эти слухи документально правдивы! В 1965 году Видлар разработал первый, пригодный для практического использования ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ОУ типа μА709 фирмы FAIRCHILD. Ему были присущи некоторые недостатки, что сдерживало его широкое применение. Перейдя в фирму National, Видлар разработал более совершенный ОУ типа LM301.

Но инженеры фирмы FAIRCHILD разработали новый ОУ, обладающий внутренней частотной коррекцией, в результате чего упростился процесс регулировки сдвига. Поскольку новый ОУ типа μА741 действительно не требовал в большинстве случаев иных компонентов, кроме тех, которые формируют цепь обратной связи, то ОУ именно этого типа почти мгновенно распространился по всему миру! Их производят сотни полупроводниковых фирм СОТНЯМИ МИЛЛИОНОВ штук!

«Н»: Мне не терпится скорее узнать, что же представляет из себя этот самый ОУ, а главное — чем он может быть нам полезен?

«А»: Может он очень многое…

«С»: Уважаемый Аматор! Я попросил бы тебя начать рассказ.

«А»: Благодарю за доверие!.. Операционный усилитель (ОУ) предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Причем свойства и параметры схем на ОУ определяются элементами цепи обратной связи. ОУ представляют из себя УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (или УПТ), имеющие нулевое значение выходного напряжения, если входные напряжения равны нулю.

«Н»: Что значит «входные напряжения»? Разве у ОУ не один вход?

«А»: Да, представь себе, ОУ имеют ДВА ВХОДА! Я сейчас изображу это на рис. 17.1.

Вход, обозначенный как (+) называется НЕИНВЕРТИРУЮЩИМ, а вход обозначенный символом (-) — ИНВЕРТИРУЮЩИМ. Для обеспечения возможности работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, используется двуполярное питающее напряжение. ОУ характеризуются очень большим (десятки — сотни тысяч) коэффициентом усиления, а также высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Поскольку ОУ ранее широко использовались в аналоговых вычислительных и моделирующих устройствах, выполняя операции суммирования, вычитания, интегрирования и дифференцирования, то оттуда и произошло их название.

«С»: Верно! Хотя будем помнить, что ОУ — прибор реальный. Собственный (иначе дифференциальный) коэффициент усиления ОУ действительно имеет величину в пределах от десяти тысяч до миллиона! Но это есть УСИЛЕНИЕ БЕЗ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ!

Затем, чтобы сделать выходное напряжение реального ОУ равным нулю, следует скорректировать напряжение смешения нуля, которое для разных типов ОУ лежит в пределах от десятков микровольт до пяти милливольт.

«А»: Известны две основные схемы усилителей, построенных на основе ОУ. Это ИНВЕРТИРУЮЩИЙ усилитель и НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ усилитель.

«Н»: А что означают эти названия?

«А»: Для начала рассмотрим схему НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО усилителя, то есть такого, который НЕ МЕНЯЕТ ФАЗУ входного сигнала! Вот он представлен на рис. 17.1, б. Коэффициент усиления К = Uвыx/Uвx в данном случае запишется так:

Кстати, если RN = 0, a R1 — стремится к бесконечности, то К = 1.

«Н»: То есть в этом случае получается ПОВТОРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ?

И потом, если я правильно понял, для того, чтобы получить коэффициент усиления К = 100, то мне достаточно всего лишь взять отношение RN/R1 = 99?

«А»: Это так!

«Н»: Но, в таком случае, почему бы не получить от этой же схемы значительно больший коэффициент усиления? Например 10000? Или 20000? Или даже все 50000!? К этому есть какие-то ограничения?

«А»: В идеальных ОУ — никаких. В реальных — безусловно!

«Н»: И в чем они заключаются?

«С»: Среди параметров ОУ имеется и такой, как ПОЛОСА ЧАСТОТ Так вот имеется некоторая частота f1, при которой реальный коэффициент усиления ОУ падает до ЕДИНИЦЫ, независимо оттого каким он был ранее!

Например, для упоминаемого ранее ОУ типа (IA741 (его отечественный аналог К140УД7) частота f1, равна 0,8 МГц. Это означает, что для К = 100 частотная полоса равна всего 8 кГц! Поэтому для расширения частотной полосы следует снижать К!

«А»: А каков выход из этой ситуации?

«С»: Только один — использовать ОУ, у которых f1 составляет десятки мегагерц! Это, скажем, такие ОУ как К544УД2 (f1 = 15 МГц); К154УД4 (f1 = 30 МГц) и т. д. В настоящее время в США, Японии и Европе имеются ОУ у которых f1 достигает сотен МГц — единиц ГГц!

Полезно знать и о таком параметре ОУ, как СКОРОСТЬ ОТКЛИКА. При подаче на вход ОУ скачка большого сигнала, усилитель по выходу откликается на это с некоторой конечной скоростью, определяемой внутренними токами и емкостями схемы. Скорость отклика для К140УД7 равна 0,67 вольт/микросекунду.

В нашем справочнике мы приведем и этот, и иные параметры для тех ОУ, которые найдут применение в нашей разработке.

«А»: Теперь я хочу представить вниманию собравшихся схему ИНВЕРТИРУЮЩЕГО усилителя, то есть такого, который на своем выходе МЕНЯЕТ ФАЗУ входного сигнала. Для этой схемы справедливо соотношение

«С»: А что можно сказать, сравнивая между собой входные сопротивления этих двух разновидностей усилителей?

«А»: У инвертирующего усилителя Rвх чуть меньше, чем R1. А вот у неинвертирующего — Rвх в сотни раз выше!

«С»: Ну что же… Для первого знакомства этого вполне достаточно. Тем более, что существуют многие десятки типов ОУ, входные каскады которых реализованы на согласованных биполярных транзисторах. Применяются также ОУ, входные каскады которых построены на СУПЕР-БЕТА транзисторах. Вот, например, К140УД14.

Есть высокопрецизионные ОУ, которые реализованы целиком на супер-бетах! Например, К140УД17. Имеется большая номенклатура ОУ, во входных каскадах которых применены согласованные полевые транзисторы. Это: К140УД22; К140УД23; К544УД1; К574УД1/2/3; К1407УДЗ и т. д.

«Н»: А вот специальные малошумящие ОУ имеются?

«С»: Не без этого…Но мы еще вернемся к рассмотрению конкретных ОУ, когда будем рассматривать конкретные же узлы. А сейчас считаю необходимым упомянуть и о других аналоговых микросхемах. Вот, например, об аналоговых перемножителях.

В аналоговом ПЕРЕМНОЖИТЕЛЕ НАПРЯЖЕНИЯ выходное напряжение пропорционально произведению входных. Эти микросхемы имеют еще и второе название — БАЛАНСНЫЙ МОДУЛЯТОР. Во всех перемножителях Uвых = KХУ, где: K — масштабный коэффициент; X и У — напряжения, подаваемые на входы.

«Н»: А какую функцию аналоговые перемножители могут выполнять в радиоприемнике?

«С»: На них хорошо, например, строить смесители частот или, скажем, синхронные детекторы. На всякий случай, запомним наименования таких АП, как К525ПС1; К525ПС2; К140МА1; К526ПС1.

«А»: А вот по какому ведомству зачислять транзисторные сборки?

«С»: Да, вопрос интересный! Тем более, что транзисторные сборки достаточно широко применяются в специальной радиоприемной технике. В свое время немало радости разработчикам принесла микросборка «Рондо», в дальнейшем получившая стандартное наименование К159НТ1. Она содержала пару n-р-n-транзисторов, эмиттеры которых были соединены.

«Н»: Не могу понять смысла производства подобной сборки! Ведь два обыкновенных транзистора с одинаковым В будут работать не хуже?

«С»: А вот здесь ты сильно ошибаешься, Незнайкин! Подбор двух экземпляров транзисторов, пусть даже с одинаковой В — проблемы не решает! Дело в том, что, в отличие от дискретных транзисторов, ИМЕННО В МИКРОСБОРКАХ транзисторные пары имеют не только одинаковые В, но и еще одно серьезное преимущество.

Оно заключается в том, что при равных коллекторных токах, разница в напряжениях база — эмиттер составляет величину не более 1–3 милливольт!

Это значит, что включенные по схеме дифференциального усилителя, при изменении температуры окружающей среды в достаточно широких пределах, подобные сборки обладают исключительно малым дрейфом параметров! Что делает их незаменимыми, например, в точных стабилизаторах напряжения.

«А»: То есть в нашем случае они найдут практическое применение?

«С»: Мы еще не добрались до принципиальных схем, но в этом случае могу заранее однозначно ответить — ДА!

«А»: А какие типы микросборок найдут у нас применение?

«С»: Вот, например, К198НТ1; К198НТ5; К198НТ7; К504НТ1/2/3 и т. п.

«А»: Ну, а что, в таком случае, можно сказать по поводу применения в приемнике цифровых микросхем?

«С»: Пока только то, что их количество будет исчисляться десятками!

«Н»: Почему бы раньше не рассмотреть вопрос, что вообще представляют из себя эти самые цифровые схемы?

«С»: Да, час настал!..Вы уже знаете, что в нашем приемнике частота принимаемого сигнала должна индицироваться пятиразрядным ЦОУ. Это значит, что несущая частота сигнала должна быть преобразована в соответствующую последовательность прямоугольных импульсов, количество которых затем подсчитывается в десятеричной системе счисления и индицируется.

Но… так никто не поступает! Поскольку… сигнал данной частоты на входе приемника может присутствовать, а может и не присутствовать! Согласны?

«А»: Ну конечно, потому что при перестройке частоты приема мы можем «пробегать» участки, соответствующие зонам молчания!

«С»: Только вообразите, что будет твориться при этом на цифровой шкале! Кроме чувства некомфортности и раздражения, я полагаю, иных чувств у пользователя это не вызовет!

«Н»: Но ведь есть же какой-то выход из всего этого?

«С»: Есть! Поступают следующим образом. ЦОУ измеряет не частоту входного сигнала, который, как говорилось, может присутствовать на антенном входе, а может и не присутствовать. Поэтому измеряют частоту плавного гетеродина (ГПД). Естественно допустить, что в исправном приемнике гетеродин должен работать всегда!

«Н»: Если приемник включен!?

«А»: Ну безусловно! Но тогда ЦОУ показывает не частоту приема, а частоту гетеродина? Следовательно, оператор приемника должен быстренько в уме вычесть из текущей частоты гетеродина значение промежуточной частоты своего приемника и, таким образом, определиться, какую частоту он принимает?

«С»: Вы, друзья мои, слишком плохого мнения о современной цифровой технике! В действительности, всё обстоит вовсе не так мрачно! ЦОУ само, в течение каждого цикла подсчета частоты приема, вносит соответствующую поправку и выдаёт на цифроиндикатор ИСТИННУЮ ЧАСТОТУ приема! Ну вот, а теперь давайте разберемся, как и с помощью какой элементной базы реализируются эти прогрессивные идеи.

«А»: Я полагаю с помощью цифровых микросхем. Но ведь их такое множество! Причем самых разнообразных типов! К примеру — транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ); эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ); диодно-транзисторная логика (ДТЛ); транзисторно-транзисторная логика с переходом Шоттки (ТТЛШ); комплементарная металл — окисел — полупроводниковая логика (КМОП) и так далее.

«С»: Верно, но список этот можно весьма расширить. Например, ТТЛШ по международной терминологии имеет также различные технологии, как AS — сверхскоростные перспективные с переходом Шоттки; ALS — перспективные экономичные с переходом Шоттки; FAST — компромиссные между AS и ALS. О КМОП — логике и говорить нечего. Она развивается потрясающими темпами!

«А»: А ЭСЛ — постепенно отмирает?

«С»: Дорогой Аматор, прошу, больше никогда не говори подобного! Как говорил (по другому правда поводу) один гуцульский вуйко — вот уж чего нет, того нет!

«А»: Но не будем же мы применять ВСЕ разновидности цифровых микросхем?

«С»: Все, конечно же, не будем! А вот пару-тройку разновидностей видов цифровых микросхем — обязательно!

«А»: Но не ТТЛ ведь?

«С»: Ты прав, дорогой друг! Для применения в радиоприемной технике, выбирать базовую технологию микросхем нужно с особой тщательностью. Поскольку… при этом легко свести на нет все достигнутые ранее высокие параметры.

«Н»: Не понимаю, почему? Какое отношение имеют друг к другу радиоприемный тракт и цифровая шкала?

«С»: Самое непосредственное! Есть такое понятие — электромагнитная совместимость ЦОУ с радиоприемным трактом. В ЦОУ имеет место наличие иррегулярных прямоугольных импульсов, в частности, опорного кварцевого генератора, частоты которых подвергаются многократному делению, что создает широкий спектр помех в радиочастотном диапазоне. Взаимодействуя с приемным трактом, эти помехи порождают дополнительные каналы и интерференционные свисты. Поэтому, прежде чем браться за ЦОУ, следует продумать такие нюансы как: тщательная экранировка блока ЦОУ, а также применение минимального количества интегральных схем (ИС), особенно в предварительном делителе частоты, являющимся наиболее мощным источником радиопомех.

«А»: Тогда упор придется сделать на КМОП-логику?

«С»: Безусловно, там где это только возможно, будем применять именно КМОП структуры, поскольку они отличаются особо малым потреблением тока. Но, учитывая специфику приемников с преобразованием «вверх», легко представить, что эти структуры мы не сможем применять везде!

«А»: Дело в их недостаточном быстродействии?

«С»: Да! Представим себе, что мы принимаем, например, станцию, сигнал которой расположен в 10-метровом диапазоне. Наша первая промежуточная частота — 55,5 МГц. Это означает, что с гетеродина на вход ЦОУ поступает… 85,5 МГц! Этот сигнал следует сперва превратить в последовательность прямоугольных импульсов, а затем разделить на 1000.

«Н»: А почему именно на 1000?

«С»: Да хотя бы потому, что частоту принимаемого сигнала мы должны индицировать с точностью не 1 Гц, а 1 кГц! Следовательно, на вход ЦОУ должна поступать частота 85,5 кГц! С такой частотой КМОП-логика справится шутя!

«Н»: А на что вообще способна КМОП в смысле частоты?

«А»: Прекрасные, проверенные временем, серии К176 и К561 отлично справляются с частотами до 2 МГц. Сохраняя при этом хорошую крутизну фронтов и малый ток потребления.

«Н»: А разве ток потребления зависит от частоты?

«А»: Обязательно… Но я еще не пришел к окончательному выводу относительно того, на основе каких микросхем будет построен предварительный делитель частоты. Ведь обычные ТТЛ здесь не помогут. Не так ли, Спец?

«С»: Безусловно так! Не помогут нам и экономичные ТТЛШ серии 555. Ничего хорошего не принесет и применение ТТЛШ серии 531. Она «недотягивает» по частоте, помимо всего прочего.

«А»: Ну, а как насчет ЭСЛ? Например, серии 500?

«С»: Они потребляют ток около 150–200 мА на корпус! Например, К500ИЕ137 (делитель на 10), имея максимальную частоту счета 125 МГц, потребляет ток равный 165 мА! И при этом полярность напряжения питания — отрицательная! В то время, как у КМОП — положительная! Следовательно, применение серии 500 нежелательно крайне!

«А»: Имеются новые ТТЛШ серии КР1531, которые вполне способны работать на частотах до 100 МГц. При этом их ток потребления не превышает 45 мА на счетчик!

«С»: Да, именно на этой серии мы и остановились бы… если бы не существовало ЗНАЧИТЕЛЬНО лучшего решения!

«А»: Но я не знаю более подходящей серии!..

«С»: Это серия 193, сравнительно недавно рассекреченная. И в ней имеется микросхема, которая проходит в нашем случае «по всем статьям»! Можно сказать, оптимальная микросхема!

«А»: Как она называется?

«С»: Это K193HE3. Представляет из себя счетчик, коэффициент деления частоты которого (в зависимости от коммутации управляющих входов) может быть выбран равным 10 или 11. Потребление тока не более 20 мА! Частота входных сигналов от 30 до 200 МГц! И при этом на ее счетный вход можно подавать синусоидальный сигнал!

«А»: Потрясающе!..

«С»: Особенно то, что эта схема начинает работать не с нулевой частоты, а с 30 МГц. Тем самым отсекается низкочастотная помеха. Кстати, можем сразу же занести параметры и цоколевку микросхемы K193ME3 в наш справочник.

«Н»: Значит, вопрос с первым делением входной частоты на 10 считаем решенным?

«А»: Ну конечно! Теперь наш сигнал (переведенный в форму прямоугольных импульсов) имеет частоту уже не 85 МГц, а «всего» 8,5 МГц! С такой частотой справятся и ТТЛ, и ТТЛШ — спокойно!

«С»: В качестве второго делителя, действительно можно применить многие типы микросхем. Лично я предпочел бы для этого старую «дубовую» (это на сленге электронщиков — синоним надежности) серию ТТЛ. А именно — К133ИЕ2.

«Н»: Но поскольку, как я понял, подавляющее число микросхем в нашем ЦОУ будет именно КМОП, то почему бы не побеседовать об этом более обстоятельно?

«С»: Предложение принято!.. Итак, прежде всего, запомним, — что аббревиатура КМОП расшифровывается как: комплементарная металл — окисел — полупроводниковая логика. Слово «комплементарный» переводится как «взаимно дополняющий». Так именуют пару транзисторов, сходных по абсолютным значениям параметров, но имеющих различные типы проводимостей. В биполярной технике — это транзисторы р-n-р и n-р-n. А в полевой — транзисторы с р- и n-каналом.

«А»: Следует ли из этого тот вывод, что в последнем случае речь идет об ИНДУЦИРОВАННЫХ каналах?

«С»: Безусловно да! И мы ранее неплохо коснулись этого вопроса. Но теперь я предлагаю рассмотреть работу комплементарного инвертора.

«А»: Я понял в чем дело! На рис. 17.2, а переключатель S1 подает весь «+» источника напряжения на затворы комплементарной пары. Это напряжение превышает пороговое для n-канального MOS. И он, что совершенно естественно, переходит в состояние насыщения. В то же самое время, этот самый «+» на такую же величину напряжения как бы «отдаляет» пороговое напряжение для р-канального прибора.

Поэтому p-канальный MOS — надежно заперт. И его сопротивление сток-исток чрезвычайно велико. А n-канальный полностью открыт. В результате на выходе потенциал равен НУЛЮ!

«Н»: А если на рис. 17.2, б S2 перевести в противоположное положение, то р-канальный и n-канальный транзисторы, я полагаю, просто поменяются ролями!

«С»: Совершенно верно! А теперь обратим внимание на тот факт, что ситуация на выходе рассмотренного инвертора всегда повторяет ситуацию на его же входе с «точностью до наоборот»!

«Н»: Поэтому инвертор и называется инвертором?

«С»: Ну конечно! Итак, запомним, что в основе ВСЕХ цифровых микросхем КМОП находятся три «логических кирпичика»: И, ИЛИ и коммутационный ключ КК. Ну, а если совсем строго, то И-НЕ; ИЛИ-НЕ и КК!

«Н»: Ну что такое НЕ — я понял. Это ведь ничто иное, как инвертирование сигнала! Так?..

«А»: Точно так! Во всех схемах логики (или цифровых схемах малого уровня интеграции) приняты следующие обозначения. Прямоугольник с выводами, изображенный на рис. 17.3, а, читается как 2И-НЕ, а изображенный на рис. 17.3, б, как 2ИЛИ-НЕ. Означает это тот факт, что уровень логического «0» на выходе (рис. 17.3, а) будет в том случае, если на ОБОИХ входах будет присутствовать уровень логической «1». Что касается элемента, изображенного на рис. 17.3, б то уровень логической «1» будет присутствовать на его выходе в случае, если ИЛИ на первом, ИЛИ на втором входах будет иметь место уровень логического «0». Понятно?

«Н»: Почти… Я не совсем взял в толк, что означает уровень логической «1» и уровень логического «0»?

«С»: Вообще принято, что уровень логической «1» соответствует «высокому» потенциалу, а уровень логического «0», соответственно, «низкому».

«Н»: А какие реально величины уровней характерны для КМОП?

«С»: В отличие от ТТЛ и ЭСЛ, где напряжение питания строго фиксировано (допускается разброс не более 5 процентов), напряжение питания для КМОП-логики варьируется в широких пределах. Так, КМОП серия К176 работоспособна при питающих напряжениях от +5 вольт до +10 вольт. А серия К561 — от +3 до +15 вольт. Это очень удобно, хотя следует учитывать, что при нижних значениях величины напряжения питания, процессы в МОП элементах затягиваются и максимальная рабочая частота падает.

«А»: Я читал, что многомиллиардная программа по созданию СВЕРХСКОРОСТНЫХ интегральных схем — ССИС, проводимая в США в конце 80-х — начале 90-х годов базировалась и на КМОП-технологии?

«С»: Да, это так! В результате Америка, Япония и Европа располагают поистине великолепными высокочастотными микросхемами, базирующимися на использовании КМОП! Их рабочие частоты — сотни мегагерц!

«Н»: А вы можете подробно рассказать о работе триггера или счетчика?

«С»: Дорогой Незнайкин! Чтобы сегодня стало возможным ставить вопрос о создании в домашних условиях задуманного нами высококачественного приемника — потребовались десятки лет труда и поисков лучших ученых и инженеров всего человечества! Хотя цели при этом преследовались, естественно, несколько иные!

Сотни миллиардов долларов вложены в развитие электроники!.. Написаны сотни замечательных книг, посвященных, скажем, только применению и особенностям той же КМОП технологии…

Помнишь, как сказал один персонах «Кавказской пленницы»? «Я имею возможность купить козу, но не имею желания…». И далее: «я желаю купить дом, но не имею возможности…».

Так вот, было бы очень интересно провести цикл бесед посвященный принципам работы Д-триггеров; JK-триггеров; Т-триггеров. Счетчикам синхронным и ассинхронным, с предустановкой и без таковой, двоичным и десятичным и т. д. Регистрам, сумматорам, мультиплексорам и т. п. Но у нас просто НЕТ такой возможности!

«А»: В общем, как сказал один персонаж из романа Уэллса «Первые люди на Луне»: «Мы не открыли Луны, Кейвор, мы только добрались до нее…».

«С»: Лучше не скажешь…

Глава 18. Что нужно знать о резисторах и конденсаторах?

«Аматор»: А может имеет смысл коснуться, хотя бы вкратце, особенностей работы и включения только тех цифровых схем, которые будут применяться в нашей разработке?

«Спец»: Разумно! И сделаем мы это тогда, когда дойдем до схемотехники ЦОУ. А пока — пойдем дальше!

«А»: А с чем нам еще необходимо побеседовать прежде, чем вплотную заняться схемотехникой?

«С»: Реальная схемотехника — это отнюдь не только транзисторы и микросхемы, с которыми мы (вчерне, правда) уже познакомились. Это еще и резисторы, и конденсаторы, и катушки индуктивности, и еще очень многое.

Поговорим, для начала, о резисторах…

«Незнайкин»: Ну, они бывают постоянные и переменные…

«А»: Погоди, Незнайкин… Имеется в. виду нечто иное…

«С»: Верно, именно иное. Прежде всего это классификация резисторов по виду их вольт-амперной характеристики. Иначе говоря, зависимости тока от приложенного к ним напряжения. В этой связи различают резисторы ЛИНЕЙНЫЕ и НЕЛИНЕЙНЫЕ. Последние базируются на применении полупроводниковых материалов. К подобным приборам относятся, например, терморезисторы и фоторезисторы.

Что касается резисторов линейных, то они действительно подразделяются на постоянные и переменные. По виду исполнения резисторы бывают пленочные, объемные, проволочные и прочая. Подразделяются они и по материалу токопроводящего элемента.

«А»: Кроме того, в зависимости от назначения, резисторы подразделяются на резисторы общего и специального применения. К последним предъявляются повышенные требования в отношении целого ряда параметров.

«Н»: Это каких же?

«С»: Например, точности, стабильности, уровню шумов. Но продолжим, дорогой Аматор…

«А»: Все резисторы характеризуются также номинальным сопротивлением. Раньше говорили, что имеются резисторы с допустимым отклонением от указанного номинала в 20; 10 и 5 процентов.

«С»: Дельно подмечено насчет «раньше»! Теперь резисторы с допуском 20 процентов не применяются в профессиональной электронике вообще! Резисторы с допуском 10 процентов — очень редко. Стандартными стали пятипроцентные резисторы.

А вообще весь цивилизованный мир переходит на 2-процентные и 1-процентные допуски!

«Н»: Даже для самых миниатюрных постоянных резисторов характерна такая точность?

«С»: Ну конечно! Хотя мне лично часто приходится встречаться с резисторами имеющими значительно меньшие допуски! 0,5 и даже 0,1 процента!

«А»: Но ведь это означает, что иметь в загашнике полную «сетку» становится почти безнадежным делом!?

«Н»: А что это такое — «полная сетка»? Что-то из арсенала зажиточной домохозяйки, когда она возвращается с базара?

«С»: Не совсем, Незнайкин! Дело в том, что «полная сетка» 5-процентных резисторов — это 127 различных номиналов. Но сетка 2-процентных резисторов насчитывает уже около 400 номиналов! А однопроцентных более тысячи.

Поскольку разработчики не знают заранее, какие номиналы резисторов им понадобятся в каждом конкретном случае, то даже полагая запас по каждому из номиналов в 50 штук (а это считается очень скромным запасом), при 2 процентной шкале это потребует количества не менее 20000 штук!

«А»: Что касается номинальной мощности, то это та максимальная мощность, рассеивание которой на данном резисторе допускается в течение длительного времени и в широком интервале температур.

«С»: Иными словами, в течение всего срока службы!

«А»: Вот здесь на рисунке я показал, как обозначается номинальная мощность резисторов на схемах электрических принципиальных (рис. 18.1).

«С»: Мы также не должны забывать о ТЕМПЕРАТУРНОМ КОЭФФИЦИЕНТЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ (иначе — ТКС), который характеризует относительное изменение сопротивления резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °C.

«А»: Можно ли утверждать, что резисторы с меньшим допуском имеют и меньший ТКС?

«С»: В том случае, когда резисторы имеют официальный, гостовский допуск, то ДА! Поэтому резистор с меньшим допуском, это не просто — подбор. Это новая технология!

«А»: Но резисторы характеризуются еще и уровнем собственных шумов?

«С»: Будем внимательны! Вообще уровень собственных шумов определяется случайными колебаниями разности потенциалов, возникающими на резисторе вследствие флуктуаций объемной концентрации носителей заряда, а также его электрического сопротивления. Если к резистору НЕ ПРИЛОЖЕНО НАПРЯЖЕНИЕ, то:

Еш = 0,0125∙Δf∙R.

Здесь Еш — ЭДС шумов, мкВ; Δf — полоса частот, кГц; R — сопротивление резистора, кОм.

«А»: Ну, а если к резистору приложить напряжение?

«С»: В этом случае стандартные непроволочные резисторы делятся на две основные группы. В группу «А» входят резисторы, уровень шумов которых не превышает 1 мкВ на каждый вольт приложенного напряжения. Группа «Б» характеризуется другим соотношением, а именно, 5 мкВ на каждый вольт приложенного напряжения.

«Н»: Отсюда я делаю тот вывод, что в первых, малошумящих каскадах приемника следует применять ТОЛЬКО резисторы группы «А»!

«А»: Глубокая мысль! Ну, а каков же будет второй вывод?

«Н»: Рискну заявить, что второй вывод — это желательность выбора такой схемы входного каскада, чтобы на его управляющем электроде (затворе или базе) дополнительное постоянное напряжение было бы как можно меньшим!

«С»: Растут люди! Могу посоветовать из постоянных резисторов прежних лет выпуска — только ОМЛТ — 0,125 (или ОСМЛТ — 0,125), если нет потребности в больших мощностях рассеяния. А из низкоомных металлоокисные, типа МОН.

«А»: А из более новых?

«С»: Самыми желательными являются С2—29В. Затем С2—10; С2—23; С2—33; С2—36. Соответствующих мощностей! Кстати, резисторы типа С2—29 характеризуются уровнем шумов существенно меньшим, чем 1 мкВ/В.

«А»: А как насчет высокочастотных характеристик?

«С»: В цепях до 50 МГц, практически никаких проблем не возникает! Но поскольку здесь все свои, то могу посоветовать, по возможности, применять только КМП-резисторы такой фирмы, как PHILIPS.

«Н»: А что такое КМП?

«С»: Эта аббревиатура означает — КОМПОНЕНТЫ, МОНТИРУЕМЫЕ НА ПОВЕРХНОСТЬ. Такой себе хорошенький миниатюрный «кирпичик». Никаких проволочных выводов! А, следовательно, никаких паразитных индуктивностей! КМП прекрасно работают на частотах до 500 МГц и даже выше. В общем, Европа — А!

«А»: А что можно сказать о резисторах переменного сопротивления?

«С»: Да очень многое можно сказать! Прежде всего, мы не в школе! Значит, договоримся сразу — компот отдельно, а шпроты — отдельно! Поэтому будем различать резисторы ПОДСТРОЕННЫЕ и ПЕРЕМЕННЫЕ! А переменные, в свою очередь, подразделять на просто переменные и переменные многооборотные!

«Н»: Дальше в лес — больше дров!..

«С»: Начнем все же с подстроечных. Так называются резисторы, которые устанавливаются непосредственно на печатные платы и регулируются в процессе настройки электронных узлов и более не беспокоятся! То есть пользователь электронной аппаратуры их не видит и не крутит! Подстроечные резисторы могут быть герметизированные и негерметизированные, однооборотные и многооборотные.

«А»: Я на телевизионных платах видел СПЗ—1б — негерматизированные. Они нам нужны?

«С»: Как прошлогодний снег! Это не для профессионалов. В нашей разработке будут употребляться следующие типы: из однооборотных — СП3—13а; СП5—16 В(А, Б, В,). Из многооборотных — СП5—3; СП5—2.

«А»: Ну, а переменные?

«С»: Прежде всего в приемнике нам потребуется один многооборотный переменный резистор.

«А»: Для подачи напряжения на варикапы?

«С»: Именно для этого! Возможно применение таких типов, как СП5—39; СП5—44. Хотя я предпочел бы ППМЛ!

«Н»: Почему именно его?

«С»: Этот очень хороший, износоустойчивый десятиоборотный потенциометр обладает повышенной надежностью. А это немаловажно!

«А»: А что можно сказать о КОНДЕНСАТОРАХ? Не вообше, а конкретно?

«С»: Система из двух обкладок или пластин, разделенных диэлектриком и обладающая способностью накапливать электричество, называется конденсатором. Емкость конденсатора, как известно, есть физический параметр, определяемый отношением количества накапливаемых на отрицательном полюсе электронов к приложенному напряжению. УДЕЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ — отношение емкости к объему (либо массе) конденсатора. НОМИНАЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ — это та емкость, которая указана на конденсаторе заводом-изготовителем. Она гостируема и составляет некоторый стандартный ряд.

«А»: Однако фактическая емкость каждого конденсатора отличается от номинальной. Но в пределах допуска.

«С»: Да, есть такой параметр, как ДОПУСТИМОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ЕМКОСТИ. Нам очень важен такой параметр, как ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ КОНДЕНСАТОРА.

«А»: Это она характеризуется НОМИНАЛЬНЫМ РАБОЧИМ НАПРЯЖЕНИЕМ? То есть максимальным напряжением, при котором конденсатор может надежно работать в течение тысяч часов?

«С»: Ты прав, мой друг! Просто для справки — различают еще ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ, а также ПРОБИВНОЕ.

«А»: Есть еще такой параметр, как СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ КОНДЕНСАТОРА. Она представляет собой отношение напряжения, приложенного к конденсатору к его току утечки.

«С»: Следует заметить, что емкость конденсатора зависит от частоты приложенного напряжения. И хотя, чисто теоретически, конденсаторы не рассеивают энергию в виде тепла, реальные конденсаторы, тем не менее, характеризуются потерей мощности. Это связано с проводимостью диэлектрика, нагревом металлических элементов и т. п. Очень важной характеристикой конденсатора является ТКЕ — ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЕМКОСТИ.

«А»: Но ведь ТКЕ — обратимый параметр? То есть если температура становится прежней, то и емкость соответственно?

«С»: Да, к общему удовольствию! А вообще ТКЕ — представляет собой относительное изменение емкости при изменении температуры на 1 °C.

«А»: Однако мало радости доставляет ТКЕ если конденсатор входит в состав высокочастотной резонансной цепи!

«С»: Мало — это не то слово! Особенно это касается гетеродинов! Поэтому, в зависимости от величины ТКЕ, конденсаторы разделяются на группы. Каждая имеет свое значение ТКЕ!

«Н»: Давайте, на всякий случай, составим на сей счет небольшую таблицу!

«А»: Это разумно! Итак, смотри таблицу (табл. 18.1).

«Н»: А почему бы ВСЕ конденсаторы не выпускать на основе керамики МП 0 и все дела?

«С»: Это и ненужно, и невозможно! Ненужно, поскольку в состав контуров входит, как известно, еще и катушка индуктивности, которая (как увидим позднее) тоже характеризуется аналогичной величиной ТКИ (температурный коэффициент индуктивности). А применение керамики типа МП 0 не позволило бы ввести в контур термокомпенсацию!

«А»: А невозможно, очевидно, потому, что в керамических конденсаторах большой емкости применена керамика с колоссальным значением диэлектрической проницаемости! И это понятно, если принять во внимание степень миниатюрности этих конденсаторов.

«С»: Но вот с ТКЕ таких конденсаторов дело обстоит хуже! Я занес в таблицу группы от Н—10 до Н—90 включительно!

«Н»: А что означают звездочки?

«С»: Только тот факт, что для этих групп характерен не ТКЕ, а относительное изменение их емкости в интервале температур от -60 °C до +85 °C соотнесенное с их емкостью при +20 °C.

«А»: Будем ли подробно говорить о классификации конденсаторов?

«С»: Сейчас нет, поскольку об этом будем упоминать при описании компонентной базы, требующейся для практической реализации узлов приемника. Отметим только, что в нашем случае наиболее применимыми будут керамические конденсаторы типов: КМ (монолитные), К10—17 и К10—23 (керамические прямоугольные). А также некоторые другие.

«Н»: А почему вы ничего не говорите об электролитах?

«С»: Исключительно потому, что о них следует сказать особо! Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей КОЛOCCAЛЬНОЙ удельной емкостью!

Ну и по конструкции, по технической реализации. Они в качестве диэлектрика содержат оксидный слой на металле, являющийся анодом. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесенный непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.

«А»: А какие из них самые предпочтительные?

«С»: Вопрос далеко непростой!.. Я вспомнил анекдот о сотрудниках бухгалтерии одного предприятия, занятых разгадыванием кроссворда. Один из них спрашивает у другого: «Ревизор» Гоголя — это комедия или трагедия?» На что тот отвечает, что это зависит от того, откуда его (то есть ревизора) присылают!

Так и электролитические конденсаторы! Формально, самые лучшие из них (причем сразу по всем параметрам) — это танталовые. Затем идут ниобиевые и оксидно-полупроводниковые. И уже после них — алюминиевые. Танталовые, например, характеризуются тем, что могут работать как при очень низких, так и при высоких температурах. Например, К52—1Б (от-60 до +85 °C); К52—2 (от-60 до +135 °C) и т. д. У них очень малы токи утечки и очень велика удельная емкость. По всем этим параметрам ниобиевые им заметно уступают.

«Н»: А алюминиевые?

«С»: Вот именно по их поводу я и рассказал анекдот! Здесь ведь все дело в том, где изготовлен алюминиевый электролитический конденсатор…

«Н»: На каком заводе?

«А»: Скорее на территории какой страны находится этот завод! Мне как-то попались электролиты К50—35 без «чулка»! Это был просто какой-то кошмар! У новых конденсаторов на 470 мкФ — почти миллиамперные утечки!

«С»: Действительно, с отечественными электролитами дела обстоят очень неблагополучно! Из алюминиевых можно без опасений употреблять в серьезных разработках только К50—16 (в «чулке») и К50—35Б. А также К50—40Б. Кстати, температурный диапазон для К50—16 — от -20 до +70 °C.

Но возьмите, например, японские АЛЮМИНИЕВЫЕ электролиты фирмы RUBICON. При тех же емкостях и напряжении, японские изделия занимают объем В НЕСКОЛЬКО РАЗ МЕНЬШИЙ! Их токи утечки находятся на уровне отечественных ТАНТАЛОВЫХ!

«А»: А какой у них температурный диапазон?

«С»: Даже у самых миниатюрных японских, американских и европейских изделий он обязательно указывается на «чулке» корпуса. Их алюминиевые электролиты широкого применения характеризуются диапазоном от -40 до +85 °C. А специального применения от-60 до +105 °C!

Очень хороши и электролиты японской фирмы N ЕС; американской фирмы WESTON; голландской PHILIPS. Отличные изделия производят тайваньские и южнокорейские фирмы. А также индийские.

«Н»: И эти конденсаторы можно свободно достать?

«С»: Без особых проблем!

«А»: А какие конденсаторы СНГ можно применять без опасений?

«С»: Я рекомендую только следующих типов: танталовые К52—1 (К52—1Б); оксидно — полупроводниковые К53—19; ниобиевые К53—18; алюминиевые — К50—35Б и К50—40Б (в «чулке»). Ограниченно — К50—16 (только в «чулке»). И вышеупомянутые забугорные — без ограничений!

«А»: Мы еще ничего не говорили о подстроечных конденсаторах!

«С»: Да, это важная для нас тема. Подстроечные конденсаторы применяются как в колебательных контурах для точной подстройки емкости, так и в высокочастотных схемах типа гетеродина или смесителя. В специальной технике боле£ употребительны подстроечные конденсаторы с воздушным диэлектриком. Но достаточно хороши и керамические: КТ4—21; КТ4—25.

«Н»: Ну, а конденсаторы переменной емкости?

«С»: Поскольку их применять мы не будем, то не станем и обсуждать эту тему.

«Н»: Но мы еще не обсудили проблему катушек индуктивности?

«А»: А ведь Незнайкин прав!

«С»: Настолько, что этот вопрос заслуживает отдельной беседы.

Глава 19. Об индуктивности — подробно!

«Аматор»: Не хотите ли взглянуть на содержимое этой коробки, уважаемый Спец?

«Спец»: О, да ведь это…

«А»: Да, мы с Незнайкиным пособирали по разным ящикам и шкафам все возможные каркасы для катушек индуктивности. Ведь, как мне кажется, контуров нам предстоит наматывать не один и не два!

«С»: Уж не загрустил ли ты, дорогой Аматор, по этому поводу?

«А»: Только отчасти, а больше потому, что не дает мне покоя одна историческая аналогия…

«С»: Если не секрет, то какая?

«А»: Да ей скоро почти 3000 лет! В восьмом веке до нашей эры Ассирию начали теснить «соседи». Но прославленный в веках и тысячелетиях ассирийский царь Тиглатпаласар Третий… удачно реорганизовал свою армию! Сделал ее регулярной. Ввел стандартизированное вооружение. Создал новый принцип тактического построения армии и… враги Ассирии в течение последующих десятков лет боялись ассирийцев как огня! Армии Тиглатпаласара нависли над Азией как тучи!..

«Незнайкин»: А что, на досуге он занимался еще и радиолюбительством?

«А»: Вот как раз об этом хроники как-то ничего не сообщают! Но, взглянув сейчас на десятки разнокалиберных катушек индуктивности, лежащих в этой коробке, я и подумал о войске Тиглатпаласара ДО его реорганизации!..

«С»: Ваш намек понял! Действительно, как говорилось уже в значительно более поздних летописях, «велика Россия, а порядка в ней нет…» Так вот, касательно всех этих разнокалиберных катушек индуктивности… Как говорил Василий Иванович (Чапаев) — «наплевать и забыть!».

«Н»: Так сурово?

«С»: «Жизнь диктует нам свои суровые законы». В нашей разработке будут использоваться действительно ДЕСЯТКИ индуктивностей. А радиотехническая печатная плата — это не футбольное поле! Принцип экономии места, габаритов и веса здесь очень важен. Учтите также, что разные типы каркасов имеют и разные ТКИ. Ну и, наконец, чисто эстетический момент!

Аккуратная плата, с установленными на ней аккуратными стандартными компонентами, которую при необходимости несложно (относительно) повторить — что может быть лучше?

«А»: В таком случае содержимое этой коробки я пожалуй подарю подшефной школе…

«С»: Это будет самым лучшим решением!.. В то время как мы с вами пойдем по пути Тиглатпаласара и, прежде всего, наведем порядок в том разнообразии типов каркасов, которые мы будем широко применять!

«Н»: Вы хотите сказать что одним или двумя типами мы не обойдемся?

«С»: Безусловно нет! Далее ты, Незнайкин, еще не раз убедишься в этом.

Итак, готовясь к нашему разговору об индуктивностях, я составил своеобразную практическую коллекцию, которую и хочу предложить сейчас вашему вниманию. Все эти каркасы мы зарисуем, присвоим им порядковые номера и дадим характеристики.

«А»: Отлично! Это сэкономит нам в дальнейшем массу сил и времени, а также обеспечит повторяемость!

«С»: Итак, вот с какими типами ВЧ-каркасов мы будем иметь дело в дальнейшем (см. стр. 342).

А вообще высокочастотными называются катушки индуктивности, импеданс которых носит индуктивный характер в диапазоне частот от 100 кГц до 400 МГц. ВЧ-катушки применяются в качестве элементов колебательных контуров, для получения, в случае необходимости, частотнозависимых цепей, полосовых фильтров и т. д.

«А»: А ВЧ-дроссели — это катушки индуктивности?

«С»: Дело в том, что ВЧ-катушки подразделяются на четыре группы:

а) катушки контуров, не определяющих частоту;

б) катушки контуров, определяющие частоту (гетеродинные);

в) катушки связи контуров с другими цепями;

г) дроссели высокой частоты.

Таким образом, ВЧ-дроссели — это и то, и не то! Тем более, что они не имеют элементов подстройки индуктивности.

ИНДУКТИВНОСТЬ — есть физическая величина, которая характеризует количество энергии, запасаемой катушкой при протекании по ней электрического тока. Она зависит от формы, размеров, числа витков катушки, а также от параметров ее сердечника.

«А»: Если он у нее есть!.. Тогда ДОБРОТНОСТЬ катушки есть отношение реактивного сопротивления катушки к активному. Любой катушке присуши и паразитные параметры. Например, СОБСТВЕННАЯ ЕМКОСТЬ, поскольку в диапазонных катушках она уменьшает коэффициент перекрытия диапазона частот.

«С»: Катушки индуктивности характеризуются СТАБИЛЬНОСТЬЮ параметров при изменении температуры и влажности.

«Н»: Ее, очевидно, характеризует температурный коэффициент индуктивности — ТКИ?

«С»: Да! Напомним, что ТКИ — это относительное изменение индуктивности при изменении температуры на 1 °C. Отметим, что катушки типов I и VII лучше наматывать СПЛОШНОЙ намоткой, то есть виток к витку. Максимальная индуктивность, которую при этом можно получить, не превышает 15 микрогенри.

«Н»: Но ведь это же так мало! Получается, что эти каркасы в нашем приемнике использовать не удастся?

«С»: Напротив! В нашей разработке, в основном, будут применяться индуктивности значительно меньшие!

Самая главная наша забота — это добротность и стабильность применяемых катушек.

«А»: Поэтому самые крупногабаритные (тип V и VI) изготовлены из фторопласта? Это лучшее, что можно пожелать?

«С»: К сожалению, не самое лучшее! В дорогих профессиональных приемниках специального назначения именно гетеродинные катушки, порой, являются одними из самых дорогих компонентов. Они изготавливаются из плавленого кварца и обмотки на них не наматываются, а формуются точным вжиганием чистого серебра.

Вот это, действительно, сверхвысокостабильные катушки! Но фторопласт — это, без преувеличения, сказочный материал! И в отношении диэлектрических свойств на высоких частотах тоже! Из доступных (относительно) материалов, фторопласт — наилучший!

«А»: На чертеже каркасов типа V и VI изображено нанесение внешней резьбы! Это для того, чтобы обеспечить намотку с принудительным шагом?

«С»: Именно для этого! Поскольку эта мера способствует повышению добротности. При этом намотку выполняют толстым ПОСЕРЕБРЕННЫМ проводом с некоторым натяжением.

«Н»: И как много таких катушек вы предполагаете использовать в приемнике?

«С»: Немного! Возможно всего одну — в ГПД! Но нужную добротность в состоянии обеспечить в этом случае только тип VI!

«Н»: Но канавки для намотки с принудительным шагом имеют и заводские катушки типа III и IV!

«А»: И ты еще сам убедишься, насколько это удобно!

«Н»: Но вот я держу в своей руке стандартный латунный экран. Каково его значение?

«С»: Экранированные катушки применяют, когда необходимо устранить паразитные связи или наводки, то есть влияние на катушку полей других источников. Эффективность экранирования повышается с увеличением частоты переменного электромагнитного поля, толщины экрана и УМЕНЬШЕНИИ удельного сопротивления материала экрана. Но применение экрана изменяет параметры катушки. Уменьшается индуктивность и добротность, увеличивается собственная емкость.

«А»: Но, тем не менее, кругом и рядом в радиоприемниках применяется экранирование!

«С»: Ничего удивительного! Наводки сторонних источников подавляются великолепно. Уменьшение индуктивности компенсируется несколькими лишними витками и применением сердечника. А добротность, например, в контурах ПЧ (мы еще в этом убедимся на практике) изначально избыточна!

На частоте 465 кГц добротность контуров более высокая, чем 80, практически, не нужна! А сами катушки обеспечивают почти в полтора раза больше!

«А»: Вопрос снимается! Но что можно сказать относительно сердечников для катушек?

«С»: ВСЕ наши регулируемые катушки рассчитаны на применение цилиндрических резьбовых сердечников М4. Материал этих сердечников особого разнообразия у нас иметь не будет. Только ТРИ разновидности: карбонильное железо, феррит и латунь.

«А»: При этом отметим, что сердечники из карбонильного железа и феррита УВЕЛИЧИВАЮТ индуктивность катушки, а латунный сердечник ее УМЕНЬШАЕТ.

«С»: Ну вот, мы поговорили, вкратце, о катушках индуктивности. Добавлю только, что обычно ТКИ для каркасов типа I; II; III и IV составляет величину +0,005. Для типов V и VI около +0,003. А теперь перейдем к дросселям ВЧ.

Что нам поведает по этому поводу Аматор?

«А»: Дроссель ВЧ — это некоторая индуктивность, применяемая в электрических цепях для увеличения сопротивления ИМЕННО токам высокой частоты. Конструктивно ВЧ-дроссели представляют собой однослойную катушку, намотанную на ферромагнитном сердечнике. Для нас, очевидно, актуальны только три типа ВЧ-дросселей. Это: ДМ; Д и компактные окукленные. Ну, я полагаю, с индуктивностями пока все?

«С»: А вот и не все! О чем говорит вам аббревиатура — ШПТЛ?

«А»: Мы уже, вкратце, касались темы ШПТЛ, но хотелось бы более подробно.

«С»: ШПТЛ — или ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ЛИНИИ в ширпотребовских радиоприемниках не применялись и, сколько могу судить, не применяются и сейчас! Иное дело — профессиональная и специальная радиотехника.

«А»: А в чем заключаются достоинства ШПТЛ?

«С»: Они поистине неисчислимы, как сказал бы старик Хоттабыч! Прежде всего — именно они дают возможность строить каскады усиления высокой частоты, обладающие прекрасными линейными характеристиками!

«А»: Это все отлично, но ведь есть же множество схем без ШПТЛ, которые тоже линейны!

«С»: Бесспорно… Бесспорно… А вот как у них дела с широкополосностью? Помнишь, как-то у меня на работе, в лаборатории, мы с тобой исследовали АЧХ нескольких «обычных» схем?

«А»: Конечно помню! Я еще был разочарован тем обстоятельством, что в апериодическом (нерезонансном) усилителе радиочастот «завал» АЧХ начался уже после 10–12 МГц! И это в то время, как использовались вполне нормальные, высокочастотные транзисторы…

«С»: «Семечки» или КТ315, хочешь ты сказать?

«А»: Да, но его f = 250 МГц! Коэффициент усиления каскада был нами сделан равным, помнится, десяти. Так что запас, вроде бы, был.

«С»: А затем мы взяли более высокочастотный транзистор, но какого-то существенного улучшения тоже не получили, так? «Завал» все равно начался на 15 МГц?

«А»: Все так…

«С»: Вот мы и вернулись к тому вопросу. Ну, а если бы я предложил тебе всеми правдами и неправдами, но НА ТОМ ЖЕ ТРАНЗИСТОРЕ выполнить каскад усиления радиочастоты с тем же коэффициентом равным 10, но… с полосой 50–70 МГц!?

«А»: Ну, я просто отказался бы, а вы, Спец?

«С»: А я — нет! И поверь, сделал бы это достаточно легко, применив для этой цели именно ШПТЛ! Это уже не говоря о том, что профессиональные баллансные, кольцевые, двойные баллансные и т. п. СМЕСИТЕЛИ для высококачественного радиоприема проще всего реализуются именно на ШПТЛ! Но это еще далеко не все его возможности!

«Н»: А почему же ШПТЛ, при таких-то возможностях, не нашли применение в бытовой радиотехнике?

«С»: Они для нее слишком сложны, и слишком хороши одновременно! Слишком хороши, поскольку бытовые «всеволновые» советского производства приемники, как мы уже говорили, ограничивали себя частотой около 12 МГц. И им высокое качество было ни к чему! А слишком сложны, потому что, несмотря на кажущуюся простоту, изготовление ШПТЛ требует высококвалифицированного ручного труда.

«Н»: А что же ШПТЛ представляют из себя и каковы их габариты?

«С»: ШПТЛ могут быть выполнены в виде хитрозакрученной кабельной линии. Кроме того, на основе так называемых ТРАНСФЛЮКТОРОВ и с помощью иных технических средств. Но мы, в своей деятельности, ограничимся ШПТЛ, выполненными на основе ТОРОИДАЛЬНЫХ или иначе — кольцевых сердечников. Они характеризуются минимальными размерами. А также, практически, полным отсутствием внешнего магнитного поля. Это позволяет использовать тороидальные катушки без экранов.

«А»: Но недостатки у кольцевых сердечников какие-нибудь есть?

«С»: Придраться, было бы желание, можно вообще к чему угодно! В том числе и к кольцевым сердечникам. Например, к сложности намотки, невозможности регулировки индуктивности. Или понижения ее стабильности…

«Н»: А вот последнее уже нехорошо!

«С»: Ничуть не бывало! При ширине полосы в десятки мегагерц, не стабильность полосы в пределах пусть даже 10–15 кГц никому не страшна!

«А»: А мотаются ШПТЛ обычно? С помощью челнока?

«С»: Да нет. Не совсем обычно! Следует заметить, что в различных случаях сложность намотки ШПТЛ различается весьма существенно! Есть исключительно трудоемкие ШПТЛ! Но для нас вполне подходят достаточно простые, в конструктивном смысле, структуры.

Итак, прежде всего, необходимо получить, так называемую, «скрученную пару» проводов. Небольшой пример. Берем обыкновенный медный обмоточный провод с эмалевой изоляцией…

«А»: Хорошими проводами с эмалевой изоляцией считаются марки: ПЭВ-2; ПЭВТЛ-2; ПЭЛР-2 и некоторые другие…

«Н»: Ну, час от часу не легче! Пожалуйста, будь так добр — называешь тип или марку — давай тут же расшифровку!

«А»: Хорошо, сейчас даю… ПЭВ-2 — это ПРОВОД В ЭМАЛЕВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОПРОЧНОЙ ДВУХСЛОЙНОЙ. ПЭВТЛ-2 — ПРОВОД в ЭМАЛЕВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОПРОЧНОЙ ТЕПЛОСТОЙКОЙ ДВУХСЛОЙНОЙ. А название ПЭЛР-2 констатирует тот факт, что применяется высокопрочная ПОЛИАМИДНАЯ эмаль двухслойная!

Вопросы, пожелания имеются?

«Н»: Пока что нет…

«С»: Меня особо радует это «пока»! Итак, теперь этот самый изолированный провод (обычно с диаметром медной жилы 0,22 или 0,25 мм) мы отрезаем от катушки или бухты. Поверьте моему опыту — куска длиной 1 МЕТР нам вполне достаточно! Затем складываем его вдвое и… завязываем узелок (рис. 19.1).

«А»: На память?..

«С»: Только для того, чтобы помнить, как это делается! Ну, а если серьезно, то в месте перегиба провода. Вот так, как это показано на рис. 19.1, б. А теперь — внимание! Самый главный момент! Начинаем аккуратно переплетать два конца провода между собой на всю длину. Количество переплетений (или СКРУТОК) на единицу длинны должно четко соблюдаться. Исходить, в данном случае, нужно из того, чтобы на один погонный сантиметр длины пары приходилось ТРИ скрутки. Увеличение или уменьшение числа скруток на один сантиметр влечет за собой изменение импеданса ШПТЛ и, вообще говоря, нежелательно!

«А»: А затем использовать для намотки челнок?

«С»: Челнок здесь совершенно не нужен!.. Затем берется нужное нам кольцо (тороидальный сердечник), потом в него продевается «узелок», а дальше все показано на рис. 19.1, г.

«А»: Но мы еще ничего не говорили о материале кольца (или тороидального сердечника).

«С»: Для ШПТЛ используются обычно высокочастотные ферриты.

Рекомендуемые марки: 50ВЧ2 и 30ВЧ2. Отличные результаты дает применение колец марки ВТ. Все эти кольца имеют стандартные типоразмеры. Можно рекомендовать: К12,0x6,0x4,5; К7,0x4,0x2,0 (для 50ВЧ2) или К10,0x6,0x3,0 (для 30ВЧ2).

Эти цифры обозначают, соответственно, характеристики внешнего диаметра кольца, внутреннего диаметра, а также толщины. Все размеры даются, естественно, в миллиметрах.

«Н»: Но феррит очень твердый материал! Он, в конце-концов, не прорежет эмалевую изоляцию проводов?

«С»: Чтобы этого ни в коем случае не произошло, есть несколько рецептов! Можно, например, предварительно обмотать кольцо лентой, приготовленной из тонкого целлофанового кулька. Еще лучше — воспользоваться для этого фторопластовой лентой.

«А»: А лакоткань?

«С»: Тоже не исключено. Но в моей практике был случай, когда, несмотря на все эти ухищрения, острый край кольца все же прорезал лакоткань и нарушил эмалевую изоляцию проводов! Поэтому теперь я поступаю иначе. Начинаю с того, что беру надфиль круглого или полукруглого сечения (но ОБЯЗАТЕЛЬНО С АЛМАЗНОЙ НАСЕЧКОЙ). И затем аккуратно обрабатываю как внешнюю, так и внутреннюю поверхности кольца.

«Н»: Ну и мороки с этими кольцами!

«С»: Вовсе не так много, как кажется. Зато после такой обработки можно ни фторопластом, ни целлофаном, ни лакотканью тороидальный сердечник не обматывать! Кстати, в нашем случае количество витков скрученного провода будет очень невелико. В зависимости от требуемой полосы частот, от 10 до 20 витков.

«А»: Всего то?

«С»: А чего ты ожидал, дорогой друг? Полагал, что потребуются многие десятки или даже сотни витков? Как видишь — нет!

«Н»: А как поступим с «узелком»?

«С»: Возьмем ножницы и, аккуратненько так, срежем. Получается изделие, показанное на рис. 19.2. Теперь зачистим и залудим концы проводов. С помощью тестера убедимся, что проводники не закорочены.

«А»: Я обозначил здесь номерами 1 и 3 — концы одного из проводов скрученной пары, а номерами 2 и 4 — концы другого проводника.

«С»: А теперь — внимание! Я аккуратно скручиваю вместе концы проводов 2 и 3. А затем пропаиваю их. У нас получился простейший ШПТЛ.

А вот как подобная конфигурация выглядит на принципиальной электрической схеме (рис. 19.3).

«Н»: А что означают точки возле начала обмоток?

«С»: Что полярность подключения обмоток должна быть только такой, как показано. И никакой другой!

Ну, можем считать, что предварительные сведения о ШПТЛ — получены! Теперь можем переходить к рассмотрению других компонентов.

Глава 20. Реле, оптроны, блоки питания

«Спец»: Поговорим об очень ответственных компонентах нашего, ещё не построенного, приемника. А именно — о реле!

«Аматор»: Об электромагнитных реле? Но для чего они в нашем приёмнике?

«С»: А как вы, милостивый государь, собираетесь реализовывать переключение диапазонов?

«А»: С помощью переключателя, естественно. Правда, если исходить из современных тенденций, можно попробовать использовать специальные переключающие диоды, например.

«Незнайкин»: Или панельку, как у калькулятора ил и у цифрового телефона.

«А»: Да, в конце-концов, поставить хороший герметизированный барабанный переключатель? Я знаю подходящие.

«С»: Это всё понятно! Иными словами, вы предлагаете в высококачественном приемнике, значительное количество слаботочных проводников вытянуть из-под экрана, дотянуть до переключателя, а затем тянуть обратно?

«А»: Я же говорил о переключающих диодах! Тогда всё можно решить тихо-мирно!

«С»: Это в высококачественном приемнике-то!? Какая милая шутка! То есть ввести в состав входных контуров заведомо нелинейные элементы, которые ещё и ухудшают развязку? Ну, уж нет!

«А»: А что ещё можно предложить?

«С»: Ничего, кроме коммутации входных цепей с помощью специализированых малогабаритных электромагнитных реле. На сегодняшний день они для этих применений зарекомендовали себя отлично!

«Н»: Один приятель принес как-то в класс электромагнитное реле. Здоровущее такое!..

«С»: Я говорил о специализированных! Напомню, что электромагнитные реле предназначены для коммутации электрических цепей в системах автоматики, сигнализации и связи. Вообще слово «реле» — французского происхождения и имеет многовековую историю. Раньше оно означало почтовые станции, на которых происходила перепряжка лошадей.

В нашем случае реле выглядит несколько иначе. Оно состоит из корпуса, сердечника, катушки и контактной группы. Или даже нескольких контактных групп. Всё это смонтировано на общем основании и закрыто чехлом.

«А»: Я слышал, что есть и так называемые ГЕРКОНОВЫЕ реле.

«С»: Да, есть. Вообще ГЕРКОН — это герметизированный контакт. Он помещается в стеклянную колбочку, заполненную инертным газом. Контакты геркона, находящиеся внутри колбочки, представляют из себя контактные ферромагнитные пружины. Они, одновременно, являются и элементом магнитной цепи. Если магнитное поле имеет достаточную напряженность, эти контактные пружины притягиваются. При этом они, обратимо деформируясь, замыкают или размыкают контакты.

«Н»: А в обычных реле не используются герконы?

«А»: В обычных — нет! Но меня смущает тот факт, что контактные группы обычных реле рассчитаны на значительные токи и напряжения. Они справятся с коммутацией очень малых сигналов?

«С»: Обычные реле НЕТ, не справятся! Но есть несколько типов реле, которые предназначены самим провидением для коммутации радиочастотных цепей. Это, например, герконовые реле типа РЭС-42; РЭС-43; РЭС-44; РЭС-64 и т. д. Но… все они достаточно великоваты, а учитывая их потребное количество, со вздохом, правда, но мы вынуждены будем по этой причине отказаться от их применения в нашей конструкции (рис. 20.1).

«Н»: Ну, а есть какие-нибудь ну очень миниатюрные реле, способные успешно коммутировать слабые высокочастотные сигналы?

«С»: К нашему общему удовольствию — да! Причем несколько типов.

Например: РЭС-49; РЭС- 60; РЭС-80 и т. д. Герконов они НЕ СОДЕРЖАТ! Из них самые подходящие и доступные — это РЭС-49. Они имеют одну контактную группу на переключающих контактах с серебряным или платиновым покрытием. Гарантированное количество срабатываний для нашего режима коммутации — до миллиона! Их габаритные размеры — площадь, занимаемая на плате — 5x10 мм. Высота — 15 мм.

«Н»: Совсем крохотные!

«С»: И тем не менее великолепно зарекомендовавшие себя в радио-технических цепях.

«А»: А какой у них ток срабатывания?

«С»: Существенный вопрос. Я предполагаю, что наиболее оптимальными для нас будут РЭС-49, имеющие номер технического паспорта 428. У них ток срабатывания — 7 мА; напряжение срабатывания — 11 вольт. Специфику их схемотехнического применения дадим тогда, когда перейдем к рассмотрению конкретных схем.

«А»: Какие еще элементы остались без рассмотрения?

«С»: Да вот, например. Что мы решаем по поводу регулирующего устройства для системы АРУ?

«А»: Пожалуй, можно подумать о применении в качестве таковой, системы, включающей в себя полевой транзистор. Мне как-то пришлось читать, что регулирующие устройства для аттенюаторов цепей АРУ бывают однозвенными, а также двузвенными. С продольным и поперечным включением регулируемого элемента (резистора). Я зарисовал это (рис. 20.2). Здесь на рис. 20.2, а и б изображены аттенюаторы с продольным расположением регулирующего резистора, а на рис. 20.2, в и г — с поперечным расположением.

«Н»: А в качестве регулирующего резистора ты и предлагаешь взять «полевик»?

«А»: Ну естественно!

«С»: Поздравляю, дорогой Аматор! Это очень неплохое решение, особенно если использовать варианты с поперечным расположением. У них нелинейность заведомо меньше, чем у продольных.

«А»: Тогда, может, приступим к выбору типа полевого транзистора для этой цели?

«С»: Мы бы немедленно приступили к этой работе, случись нам говорить на эту тему лет двадцать назад! Но мы говорим об этом именно сегодня. Поэтому я просто обязан заметить, что наиболее высокую степень линейности регулирования достигают не с помощью jFET или MOSFET, а с помощью совершенно иных приборов — ОПТРОНОВ и XОЛЛОTPОHОB!

«А»: О холлотронах я слышу вообще в первый раз!

«С»: Холлотрон — это преобразователь, основанный на эффекте Холла, управляемый магнитным полем. У этого прибора есть немало сторонников, но я не из их числа. Иное дело — ОПТРОН!

Вообще оптическая электроника — это бескрайний Океан! В нем можно утонуть с головой!

«Н»: Если перед этим акулы не съедят!

«С»: А их, поверь, хватает! Оптоэлектроника — это стремительно развивающаяся область электроники, оптики и еще Бог знает чего! Я листал недавно ведомственный справочник, так оптоэлектронные приборы занимают уже отдельные тома! Каких там только нет!? Так вот, из всего этого великолепия я выбрал один прибор, который существует, можно сказать, именно для нашего случая.

«А»: Ну, Спец, не томите душу…

«С»: Не стану. Вот я изобразил этот прибор схематически (рис. 20.3).

«Н»: Только и всего?

«А»: Как сказал муравей, увидав слона…

«С»: Дорогой Незнайкин, а разве этого мало? Все гениальное сперва может и не казаться таковым. Очевидно, ты просто не вдумался в то, что видишь?

«Н»: Ну, я так понимаю, что внизу изображен светодиод. А вверху, очевидно, фоторезистор. Когда светит светодиод — сопротивление фоторезистора Rф МИНИМАЛЬНОЕ, а когда он не светит, то МАКСИМАЛЬНОЕ!

«С»: Все правильно, но не совсем. Дело в том, что излучающий светодиод имеет ЛИНЕЙНУЮ характеристику интенсивности излучения от величины тока, проходящего через него. Следовательно, фоторезистор Rф будет также ЛИНЕЙНО и плавно изменять свое сопротивление!

«А»: Это действительно здорово! Во-первых, у сигнальной цепи НИКАКОЙ гальванической связи с управляющей цепью НЕТ! Даже у полевых транзисторов реальная АССИМЕТРИЯ характеристик, если поменять местами сток и исток все равно существует!

А здесь ее просто нет! А как называется это чудо?

«С»: С удовольствием сообщаю. Это АОР-124. Его данные мы помещаем в наш с вами справочник. Но мы связались с высокими частотами, однако ещё не решили вопрос, какими марками кабелей и разъемов мы с вами будем осуществлять коммутацию высокочастотных блоков? Поскольку обычные проводники длинною 7—10 см для передачи ВЧ-сигналов совершенно не пригодны. Они и сами «излучают» и «принимают» на себя высокочастотные электромагнитные поля.

«Н»: Я раньше думал, что кабель используется только для подачи сигнала от коллективной антенны к телевизору!

«А»: Полагаю, что теперь уже ты так не думаешь! Но я бы попросил рассказать о кабелях вас, Спец!

«С»: Линии передачи сигнала играют ответственную роль в радиочастотных цепях, где они используются в качестве путевода для сигналов от одного участка схемы к другому. Интересно, что линии передачи сигнала являются как бы исключением из того принципа, согласно которому полное сопротивление источника сигнала, в идеале, должно быть малым по сравнению с сопротивлением нагрузки, создаваемым возбуждаемой целью; а нагрузка должна иметь входное сопротивление, которое превышает сопротивление источника, к которому она (нагрузка) подключена. Вот как раз для линий передачи оказывается, что нагрузка должна иметь сопротивление, РАВНОЕ волновому сопротивлению линии.

«А»: В этом случае говорят, что «линия согласована»?

«С»: Именно так! При этом сами линии передачи сигнала бывают, в основном, двух видов: ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ПРОВОДНИКИ и КОАКСИАЛЬНЫЕ ЛИНИИ. Именно коаксиальные линии используются в виде коротких отрезков с разъемами типа BNC (байонетными) для передачи сигналов между приборами, или блоками, или даже отдельными узлами. Коаксиальные линии, будучи полностью экранированными, исключают влияние излучения и наводок от внешних сигналов.

«А»: Я встречался с определениями, что такой-то кабель обладает «волновым сопротивлением — 75 Ом». Или 50 Ом. Что имеется в виду?

«С»: Это значит, что волна, бегущая по линии, имеет отношение напряжение/ток, равное Z0. Это Z0 обычно равно или 75 или 50 Ом. При работе с ВЧ сигналами ОЧЕНЬ ВАЖНО «согласовать» нагрузку с волновым сопротивлением линии.

«А»: В связи с тем, что «согласованная» нагрузка может передать импульс в оконечное устройство без искажений?

«С»: Верно! Причем именно в этом случае вся мощность сигнала попадает в нагрузку. Поэтому при конструировании узлов мы будем пользоваться коаксиальными линиями. Следовательно, входы и выходы ВЧ блоков будут выполняться с использованием ВЧ-разъемов.

«А»: Разъемы типа BNC (байонет) очень распространены. Их насчитывается десятки видов! Какие модификации найдут непосредственное применение в нашей разработке?

«С»: Вообще самые распространенные — это пара: СР-50-74 ПВ и СР-50-73 ФВ, рассчитанные на применение кабелей с внешним диаметром 3,5 мм. Но для нас наиболее предпочтительными являются такие пары, как: СР-50-104 ФВ и СР-50-103 ФВ или подобные им. Они рассчитаны на кабели с внешним диаметром 2,5 мм.

Ну вот, пожалуй и все по общим вопросам!

«Н»: Теперь можно перейти к схемотехнике?

«С»: Да, если бы не одна «мелочь». А именно, чем вы, друзья мои, собираетесь запитывать макет, а затем и конструктивно оформленные блоки радиоприемника?

«Н»: То есть необходим некий блок питания? А какое выходное напряжение он должен выдавать?

«А»: Полагаю, Незнайкин, что Н И КАКИМ одним выходным напряжением мы не обойдемся!

«С»: Правильная мысль! Давайте прикинем: для питания ОУ, а они у нас явно найдут применение, необходимо симметричное (как «+», так и «-») напряжение 15 вольт. Или, по меньшей мере, симметричное напряжение 10 вольт! Затем напряжение для ЦОУ. Его величина составляет + 7,5 вольт. Затем, относительно высокое напряжение для варикапов +30 вольт. Для питания усилителей, гетеродинов, преобразователей и наконец, УНЧ (усилителя низкой частоты) — тоже необходимо симметричное напряжение 15 вольт.

«А»: То есть необходимы, как минимум, ТРИ напряжения относительно мощных, способных отдать ток до 300 мА. И одно напряжение (для запитки варикапов), имеющее крайне незначительную токовую нагрузку.

«С»: Действительно, сами варикапы тока, практически, не потребляют! Но стабилизатор, запитывающий варикапы, некоторый ток все же потребляет. А поскольку напряжение на варикапы подается с движка многооборотного переменного резистора ППМЛ-1И, то важен номинал этого резистора. Наиболее предпочтителен номинал 22 кОм. Следовательно, ток потребляемый этим резистором, — около 2 мА. И внутреннее потребление стабилизатора — тоже, примерно, 2–3 мА. Вот из этого и будем исходить.

«Н»: Но ведь батарейки нас не спасут?

«А»: Ну конечно не спасут! Так что некий «лабораторный блок» сетевого питания строить все равно придется.

«С»: Это не проблема. Тем более, что это далеко не напрасный труд! Или этот же лабораторный блок, или такой же подобный, все равно должен войти в состав радиоприемника.

«Н»: Ну и отлично! Делать, так делать!

«С»: А еще говорят, что весь энтузиазм остался в прошлом!.. Ну, в таком случае, начнем рассмотрение схемотехнических вопросов именно с блока питания!

«Н»: Это, наверное, достаточно просто! Вот я сейчас зарисую «принципиалочку». Значит так… Трансформатор, выпрямители, а затем — на стабилитроны. Вот так, готово! А что, разве неправильно (рис. 20.4)?…

«А»: Твоими устами, Незнайкин, да мед бы пить!.. Представь себе, что идея у тебя правильная. Но, к сожалению, только в принципе! А любой прибор, Незнайкин, запомни это, должен работать НЕ В ПРИНЦИПЕ, А В КОРПУСЕ!

«Н»: А в чем ОНА — моя ошибка?

«А»: Если строить стабилизатор по предложенной тобой схеме, Незнайкин, учитывая тот факт, что сквозной ток стабилитрона СРАВНИМ ПО ВЕЛИЧИНЕ с током нагрузки, то плата за электроэнергию будет несколько выше оптимальной! А самое главное — стабилизатор этот все равно будет НИКУДА НЕ ГОДЕН! Потому что НЕСТАБИЛЬНОСТЬ выходного напряжения будет не менее нескольких ДЕСЯТКОВ МИЛЛИВОЛЬТ!

«Н»: Ну, а что с этим можно поделать?

«С»: Очень даже можно! Ты нарисовал так называемый ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ. То есть такой, степень стабилизации которого зависит от параметров примененных стабилитронов.

Но в современной электронике подобные стабилизаторы давно не применяются! А имеют место только, так называемые, КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ. Ты ведь имел с ними дело, дружище Аматор?

«А»: Да, это великолепная вещь! Принцип действия компенсационного стабилизатора (иначе КС) сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения. Компенсационные стабилизаторы напряжения являются АВТОРЕГУЛИРУЕМЫМИ УСТРОЙСТВАМИ с замкнутой системой автоматического регулирования. Принцип действия показан на приведенном рис. 20.5.

«Н»: Получается, что делитель напряжения на резисторах R2 и R3 позволяет получать в точке «а» напряжение, пропорциональное выходному Uвых.

«А»: Да, если меняется Uвых, скажем, увеличивается, то увеличивается и потенциал точки «а». А если Uвых уменьшается, то это происходит и в названной точке тоже. Ну, рассуждай дальше…

«Н»: Я не знаю, как получается опорное напряжение в точке «б», но, оно НЕ ИЗМЕНЯЕТСЯ при изменении Uвых! Но тогда между точками «а» и «б» возникает некоторое напряжение, величина и знак которого зависят от Uвых?…

«С»: Смелее, Незнайкин! Далее это РАЗНОСТНОЕ напряжение заводится на входы УСИЛИТЕЛЯ РАССОГЛАСОВАНИЯ, на выходе которого вырабатывается сигнал, величина которого пропорциональна модулю напряжения рассогласования. А полярность такова, что управляемое им РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО компенсирует ВСЕ изменения выходного напряжения.

Таким образом, СТАБИЛИЗАЦИЯ СВОДИТСЯ К УСТРАНЕНИЮ РАЗНОСТИ между эталонным (или опорным) напряжением и той частью выходного напряжения, которая поступает в точку «а». Ну вот, а теперь можно переходить к РЕАЛЬНЫМ принципиальным схемам!

КОНЕЦ ВТОРОЙ ЧАСТИ

Часть III МЫ «ЛОВИМ» ВЕСЬ МИР

Глава 21. Стабилизатор напряжения — тонкости и нюансы

«Аматор»: Ну тогда вам, Спец, и карты в руки!

«Спец»: Вот какую принципиальную электрическую схему электронного стабилизатора напряжения я предлагаю сперва для обсуждения, а затем для реализации (рис. 21.1).

«Незнайкин»: Есть моменты в этой схеме, которых я не понимаю совершенно! Например, какую функцию выполняет транзистор КП103К?

«С»: Очень важную, дорогой Незнайкин! Этот типичный jFET, имеющий канал p-типа, включен в качестве СТАБИЛИЗАТОРА ТОКА. Этот стабилизатор тока удобен именно тем, что выполняется по схеме БЕЗ использования вспомогательного напряжения, благодаря чему это дает возможность включить его как ДВУХПОЛЮСНИК.

Его внутреннее сопротивление (как источника тока) несколько превышает 500 кОм! Второе преимущество этой «простой» схемки — работа в области «термостабильной» точки, что делает величину Iс. ст (тока стока) независимой от температуры окружающей среды…

«А»: Если я верно понял, ток стока полевого транзистора затем разделяется и одна часть его является базовым током транзистора КТ312, а другая — является коллекторным током транзистора VT6. Интересно вот только, как соотносятся между собой эти части. А также — зачем потребовалось такое странное включение транзисторов VT2, VT3 и VT4?

«С»: Это «странное» включение называется СХЕМА ДАРЛИНГТОНА или иначе — СОСТАВНОЙ ТРАНЗИСТОР.

Служит она только для получения на основе «обычных» транзисторов «прибора» со сверхвысоким значением В. Обычной величиной является 20000 — 50000! Следовательно, без учета воздействия суммарного Iко (обратного коллекторного тока), для нормальной работы VT4, при среднем токе нагрузки стабилизатора 300 мА, необходим базовый ток около 6 мА. Для VT3 базовый ток равен приблизительно 300 микроампер. Откуда базовый ток VT2 — 5 микроампер!

«Н»: Значит при этом из 200 микроампер, которые обеспечиваются источником тока на jFET VT1, собственно в базу VT2 идет 5 микроампер, а на долю коллекторного тока VT6 остается 195 мкА? А этого хватит для нормальной работы КТ315?

«С»: Вполне! Вообще запомни, что планарно-эпитаксиальные транзисторы типа КТ315; КТ312; КТ342 и подобные им, уже при коллекторных токах от 100 микроампер и выше имеют высокие значения В!

«А»: А какую задачу выполняет VT5?

«С»: Представь себе, что жизнь сложилась так, что напряжение Uвых по каким-то причинам уменьшилось. Тогда его значение понизилось и на базе VT6. Следовательно, уменьшится и ток коллектора Iк транзистора VT6. И, естественно, эмиттерный ток тоже.

Так вот, не будь транзистора VT5, потенциал эмиттера VT6 уменьшился бы тоже. Но VT5 реагирует на это увеличением своего коллекторного тока, компенсируя тем самым начавшееся было уменьшение потенциала на эмиттерном резисторе R3.

«А»: Иными словами, «свято место пусто не бывает»! Но ведь ток коллектора VT6 все равно уменьшился?

«С»: Без вариантов! Теперь он равен уже не 195 мкА, а, например, 185 мкА или даже меньше! Что же произойдет дальше?

«А»: Я полагаю, что поскольку стабилизатор тока на jFET стойко держит свои 200 мкА. (и никаких гвоздей), a VT6 свои прежние 195 мкА коллекторного тока брать на себя не желает, а «согласен» только на 185 мкА, то эти самые 10 мкА пойдут в базу VT2, увеличивая, тем самым проводимость составного транзистора.

«С»: Все так! Это приводит к тому, что проводимость VT4 — увеличивается, а его напряжение коллектор-эмиттер УМЕНЬШАЕТСЯ. Следовательно, это приводит к возрастанию Uвых!

«Н»: Ну, а если Uвыx почему-то увеличилось?

«А»: В этом случае VT6 начинает увеличивать свой эмиттерный ток. Потенциал его эмиттера при этом ВСЕ РАВНО НЕ ИЗМЕНИТСЯ, поскольку VT5 соответственно, уменьшит значение коллекторного (а значит и эмиттерного) тока. Но базовый ток составного транзистора — уменьшится. Следовательно, уменьшится проводимость VT4. Таким образом, система автоматического регулирования «отрабатывает» все изменения выходного напряжения, немедленно компенсируя их!

«С»: Вот и разобрались! Какие еще неясности?

«Н»: Зачем в схеме конденсатор С4?

«С»: Для предотвращения возможного самовозбуждения схемы.

«Н»: А почему применено такое странное параллельное включение конденсаторов С1 и С2?

«А»: Этого момента спервоначала не понимают многие… Дело в том, что любой конденсатор С можно рассматривать, как последовательный колебательный контур, образуемый не только емкостью С, но и собственной паразитной индуктивностью Lc! А электролитические конденсаторы характеризуются вполне ощутимой собственной индуктивностью. Чтобы «закоротить» эту индуктивность, практикуют параллельное с электролитом подключение КЕРАМИЧЕСКОГО конденсатора.

«Н»: Мы рассмотрели работу стабилизатора напряжения (СН) на +12 вольт.

А как устроена схема СН на-12 вольт? В ней есть какие-либо принципиальные отличия?

«С»: Все транзисторы заменяются своими комплементарными аналогами. Изменяются полярности подключения стабилитронов и электролитов. Единственный транзистор, который остается тем же — это jFET типа КП103!

«А»: Именно из-за того, что наш стабилизатор тока — ДВУХПОЛЮСНИК, достаточно просто поменять местами его выводы «а» и «б»!

«С»: Большего и не требуется!

«А»: Но все же мне непонятно одно! Ведь есть же неплохие интегральные стабилизаторы напряжения серии К142ЕН… Почему бы не применить их?

«С»: Если ты внимательно ознакомишься с их параметрами, то заметишь, что их коэффициент стабилизации как по напряжению, так и по току оставляет желать много лучшего.

«Н»: А что это такое — КОЭФФИЦИЕНТ СТАБИЛИЗАЦИИ?

«С»: КОЭФФИЦИЕНТ СТАБИЛИЗАЦИИ ПО НАПРЯЖЕНИЮ равен отношению изменения напряжения на входе схемы СН к вызванному им изменению напряжения на выходе схемы СН при некотором токе нагрузки.

Обычно ток нагрузки приравнивается к номинальному.

Kст = ΔUвх/ΔUвых.

Величина, обратная Кст называется КОЭФФИЦИЕНТОМ НЕСТАБИЛЬНОСТИ.

«Н»: Тогда коэффициент стабилизации по току, означает, как изменяется выходное напряжение при изменении выходного тока в некотором промежутке значений?

«С»: Да, при изменении тока нагрузки от минимального до максимального при условии, что входное напряжение не меняется!

«А»: Но ведь в реальных схемах меняются в некоторых пределах, случайным образом, и входное напряжение, и ток нагрузки?

«С»: Несомненно! Поэтому и говорят о некотором суммарном коэффициенте стабилизации. Так вот, на микросхемах 142 серии этот показатель получается в 3–5 раз хуже, чем в предложенной нами схеме.

«Н»: То есть имеет смысл немедленно взяться за ее изготовление?

«С»: Не раньше, чем мы выясним еще один важный вопрос. Самым мощным, естественно, является транзистор VT4, который называется ПРОХОДНЫМ. Но как вы считаете, что произойдет, если закоротить клемму Uвых на землю?

«А»: Ток проходного транзистора резко возрастает, поскольку ничем не ограничен. А всё напряжение, которое в состоянии обеспечить выпрямитель приходится на переход коллектор — эмиттер VT4. Мощность значительно превышает максимально допустимую и транзистор, естественно, полностью выходит из строя. Пробой транзистора означает, что на выходе будет повышенное нестабилизированное напряжение, которое станет представлять опасность уже для основных электронных радиотехнических узлов.

«Н»: Но предложенный вами стабилизатор, дорогой Спец, не защищен ведь от короткого замыкания на выходе?

«С»: Вот именно для того, чтобы избежать последствий, в случае короткого замыкания выхода, я предлагаю следующее дополнение к ранее приведенной схеме (рис. 21.2).

«А»: Я так понимаю, что пока ток нагрузки (рис. 21.2, а) не превышает некоторый максимально допустимый, например 500 мА, падение напряжения на резисторе R13 недостаточно для отпирания VT1. Следовательно, его коллекторный ток можно считать равным нулю. Но в этом случае заперт и VT2. Следовательно, коллекторный ток VT2 так же равен нулю!

«С»: Верно! Ну, а в случае короткого замыкания на выходе?

«А»: В этом случае падение напряжения на Rдат превышает 0,6 В. VT1 переходит в состояние насыщения и его коллекторный ток «отопрет» транзистор VT2. В свою очередь, его коллекторный ток создаст на истоковом резисторе падение напряжения такой полярности, что это вызовет запирание полевого транзистора.

«С»: Процесс этот, прошу заметить, носит динамический характер. То есть максимальный ток, проходящий через проходной транзистор, очень просто подсчитывается по формуле:

Imах к.з. = 0.6∙B/Rдат.

Таким образом при Rдат = 1 Ом, максимальный ток короткого замыкания буде равен 600 мА.

«А»: Действительно, VT4 будет работать в допустимом режиме по току.

«Н»: А если снять закоротку?

«С»: Стабилизатор немедленно восстановит нормальный режим работы. Предлагаемая схема в этом отношении является совершенно некапризной.

Кстати, есть прямой смысл заменить в приведенной схеме транзисторы VT3 и VT4 на один составной транзистор Дарлингтона (речь идет о рис. 21.1).

«А»: Я полагаю, это будет составной n-р-n-транзистор типа КТ825?

«С»: Совершенно верно! Помимо того, что у КТ825 сравнительно мало напряжение насыщения составной структуры (около 2 В), его максимальный ток составляет несколько ампер. Поэтому, уменьшив величину Rдат, не прибегая более ни к каким схемным изменениям, можно увеличить допустимый уровень тока нагрузки.

«Н»: А не будете ли вы столь добры представить схему стабилизатора на отрицательное напряжение?

«А»: Если никто не возражает, я сделаю это прямо сейчас (рис. 21.3).

«Н»: В этом стабилизаторе в качестве VT3 и VT4 тоже применяется составной транзистор?

«А»: Да, но типа КТ827. Он комплементарен Дарлингтоновскому транзистору КТ825.

«Н»: А сложно построить подобный стабилизатор?

«С»: Если строго соблюсти условия, которое я вам сейчас сообщу, то стабилизаторы, собранные по приведенным выше схемам, начинают работать сразу.

«А»: Интересно, в чем заключается это условие?

«С»: Обратите еще раз внимание на стабилизатор тока. Его ток стока должен быть установлен равным точно 0,2 мА. Тогда все остальные режимы устанавливаются АВТОМАТИЧЕСКИ!

«Н»: А как проще всего это сделать?

«С»: Обычно поступают следующим образом. Собирают отдельно вот такую элементарную цепь. Для ее питания достаточно обычной батарейки на 9 вольт (рис. 21.4).

«А»: В качестве измерительного прибора лучше всего использовать тестер.

«С»: Да, поставив его на предел 600 микроампер. Rист берется для начала, равным 3,3 кОм. Если ток измерительного прибора превышает требуемые 200 микроампер, то увеличивают Rист, проходя последовательно значения: 3,6 к; 3,9 к; 4,3 к; 4,7 к и т. д. Применяя транзисторы соответственных буквенных индексов, обычно при подборе требуется не более трех попыток.

«Н»: А какие буквенные индексы наиболее предпочтительны для рассматриваемой схемы стабилизатора?

«С»: Для транзисторов с p-каналом это: КП103И; КП103К; 2П103Б и 2П103В. Для n-канала можно выбирать такие транзисторы, как КП303Б, КП303В; КП303А; 2П303А (Б, В). То есть такие, паспортное значение Uотс, которых не превышает 3-х вольт.

«А»: А какого типа следует применять подстроечный резистор?

«С»: Предпочтительнее всего использовать следующие типы многооборотных подстроечных резисторов: СП5-3; СП5-2; СП5-22; СП5-1ВА. Возможно применение и однооборотных СП5-16ВА или СП5-16ВБ. А также подобных им модификаций.

Применение подстроечного резистора дает возможность ТОЧНО установить выходное напряжение. Точно — это значит до единиц милливольт!

«Н»: Но речь шла о ТРЕХ выходных напряжениях, а не о ДВУХ!? Что меняется в стабилизаторе на +7,5 вольт?

«С»: Прежде всего, вполне достаточно иметь на входе не 16, а всего 12 вольт! Схема защиты при этом не претерпевает ровно никаких изменений, кроме одного единственного. В качестве VD1 применяется стабилитрон КС168 или КС175. А вот схема дифференциального усилителя несколько иная. Да вот она (рис. 21.5).

«А»: Здесь в качестве опорного стабилитрона применен ТОЛЬКО один светодиод?

«С»: Этого достаточно вполне.

«Н»: Я хотел еще спросить о том, чего здесь нет!

«А»: Интересный поворот темы! Это не о трансформаторе ли зашла речь?

«Н»: Именно о нем!

«С»: Есть много возможностей! Следует исходить из того, по какому пути проще пойти! Можно, например, взять готовый стандартный трансформатор типа ТПП, имеющий соответствующие вторичные обмотки. Или, скажем, использовать трансформатор одного из следующих типов: ТН-33; ТН-34; ТН-36, и т. п.

Полное наименование: ТН-33-220-50; ТН-34-220-50 и т. д. Очень хорошим решением является изготовление трансформатора-тора. Это, кстати, обойдется в несколько раз дешевле. Можно использовать как самодельный, так и стандартный тороидальный трансформатор.

«А»: Действительно, сейчас можно на радиотолчке приобрести соответствующий по мощности тор с уже намотанной первичной (сетевой) обмоткой. Она обычно содержит 2200 витков. Следовательно, 10 витков на вольт! Намотать три вторичных обмотки на соответствующие выходные напряжения — труда не составит!

«Н»: Ну, это как для кого. А какие нам нужны вторичные напряжения обмоток?

«А»: Исходи из того, что нужны ДВЕ обмотки по 15 вольт и одна на 10 вольт!

«Н»: Но на принципиальной схеме (рис. 21.6) я вижу нечто ИНОЕ? На входах двух стабилизаторов 18 вольт и на входе третьего — 12 вольт?

«А»: Все учтено могучим ураганом! Входные конденсаторы «поднимают» напряжение обмотки, примерно, в 1,3 раза! Но из вновь полученного значения следует вычесть величину несколько превышающую один вольт. Это напряжение теряется на выпрямительных диодах. Как легко убедиться, напряжение на входе первых двух стабилизаторов при этом и будет составлять около 16,5 вольт. А с учетом падения напряжения на активном сопротивлении выходных обмоток — 16 вольт!

«С»: То есть именно то, что и требуется! А теперь следует определиться в токах. Учтите, что максимально допустимая мощность для тора с габаритами 50x20x10 мм составляет 25 ватт!

«А»: А хватит ли этого? Давайте прикинем. Две обмотки по 16 вольт на 0,4 ампера каждая, это 2x15x0,4 = 12 ватт. Одна обмотка на 10 вольт и 0,4 ампера — это 10x0,4 = 4 ватта. Итого: 12 + 4 = 16 ватт!

«С»: Обратите внимание, что тороидальный трансформатор весит в два — три раза меньше, чем адекватный ему по мощности обычного исполнения. И еще одно — КПД тороидального трансформатора обычно не менее 99 процентов! Кроме того, он допускает домотку обмоток, что в трансформаторе обычного типа сделать весьма проблематично!

«Н»: Ну, я для себя вопрос однозначно решил в пользу тора! А вот что относительно количества витков и диаметра провода?

«А»: Поскольку первичная обмотка содержит 10 витков на один вольт, то вторичная — тоже! Откуда следует, что: ВТОРИЧНЫЕ ОБМОТКИ 1 и 2 трансформатора Tp1 содержат по 140 витков. А вторичная обмотка Тр2 содержит 100 витков.

Что касается типа обмоточного провода, то самым подходящим будет являться ПЭВ-2 или ПЭВТЛ-2 диаметром 0,39 мм (во всяком случае не ниже 0,35).

«С»: Я посоветовал бы еще одно. Намотать на челнок, примерно, по ВОСЕМЬ МЕТРОВ этого провода, сложенного вдвое. А затем наматывать тор одновременно. Тогда параметры обмоток 1 и 2 будут одинаковыми. Намотку следует производить аккуратно, равномерно распределяя витки по кольцу.

«Н»: А третью обмотку?

«С»: Ее мы наматываем на другой тор.

«А»: Ну, а как мы поступим с питанием варикапов? Что, мотать на тор еще одну обмотку, но тонким проводом?

«С»: Ни в коем случае! Это не только не нужно, но даже вредно!

«А»: Почему вредно?

«С»: Потому что к напряжению, которое запитывает варикапы, предъявляются совершенно особые требования! Несмотря на смехотворный ток потребления, качество и стабильность напряжения должно быть высочайшим!

«Н»: Стабильность — это я понимаю. А вот что такое КАЧЕСТВО напряжения?

«С»: Этот термин следует понимать таким образом, что АМПЛИТУДА ПУЛЬСАЦИЙ выходного напряжения должна быть ИСЧЕЗАЮЩЕ малой! Так, при напряжении 30 вольт, амплитуда пульсаций не должна превышать десятых долей милливольта!

«А»: А почему так строго?

«С»: Такова суровая правда жизни, о любознательные мои друзья! Это напряжение определяет величину емкости колебательного контура генератора плавного диапазона приемника! И здесь «шутки» просто неуместны! Поэтому поступают следующим образом.

Несколько ранее я уже приводил проверенную и отлично зарекомендовавшую себя ПРАКТИЧЕСКУЮ принципиальную схему получения столь необходимых нам 30 вольт высокого качества из, как говорится, любого источника более низкого напряжения. Вспомните рис. 16.4.

«А»: Схема, я тебя узнал. Именно такую мы применили для той же цели и в первом KB-приемнике! Но мне не совсем ясно, почему генератор низкой частоты для преобразователя вы предложили транзисторный, а не на ОУ?

«С»: Во-первых, потому, что этот генератор имеет ОДНОПОЛЯРНОЕ питание! Что очень удобно!

Во-вторых, схема, при необходимости, имеет резервы использования. Снабжена она и системой автоматической стабилизации амплитуды колебаний!

«Н»: Но лампочка, выступающая элементом системы стабилизации амплитуды, сама светиться не должна?

«С»: Нисколько! Напротив, только исключительно острый глаз, да и то вблизи, в темноте, заметит, что нить лампочки слегка порозовела! Смысл применения этой микролампочки заключается в следующем. Для получения гармонических колебаний с МАЛЫМИ ИСКАЖЕНИЯМИ используют инерционно-нелинейную цепь отрицательной обратной связи. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление в цепи эмиттера транзистора задающего генератора.

«А»: То есть получается, что лампочка играет роль терморезистора?

«С»: И с величайшим успехом! На транзисторах VT3,VT4,VT5 и VT6 собран симметричный оконечный каскад генератора. Цепь обратной связи поддерживает высокую стабильность работы генератора в достаточно широком диапазоне температур.

«А»: А какие элементы данной схемы определяют рабочую частоту?

«С»: Прежде всего, это конденсатор С1. В представленном на схеме варианте, генератор выдает частоту около 8 кГц. Каскад, собранный на VT7, посредством повышающего трансформатора (собранного на ферритовом колечке) и высококачественного мостового выпрямителя, в качестве которого применена матрица 2Д906А (Б), позволяет получить напряжение около 35 вольт.

«А»: Которое затем подается на компенсационный стабилизатор, в чем-то подобный уже рассмотренным ранее, а во многом и отличающийся! Например, я не возьму в толк, зачем потребовалась микросхема там, где ранее мы обходились с помощью транзисторов?

«Н»: И что это за непонятное включение ДВУХ из них, а именно VT13 и VT14?

«С»: Во-первых, микросхема здесь использована со смыслом и по причине крайней необходимости! Строго говоря, 198НТ1 — это даже не микросхема, а МИКРОСБОРКА, где на одном кристалле сформированы ПЯТЬ транзисторов. Два из них (по схеме VT11 и VT12) имеют объединенный эмиттер.

Поскольку их параметры настолько ИДЕНТИЧНЫ, что попытаться подобрать подобную пару из дискретных транзисторов — конечно можно! Но я очень не советую! Неблагодарное это занятие!

Во-вторых, мало того, что у VT11 и VT12 одинаковые параметры! Эти транзисторы ВСЕГДА будут находиться в одинаковых температурных режимах! В том случае, если у них приблизительно одинаковы коллекторные токи, естественно! Вот что такое технология изготовления транзисторов на ОДНОМ кристалле!

«А»: То есть самая подобранная пара дискретных транзисторов, именно в силу того, что они собраны в разных корпусах, ВСЕГДА будут проигрывать ИНТЕГРАЛЬНОЙ паре?

«С»: Для подобных приложений — ВСЕГДА! Но температурные условия для остальных трех транзисторов микросборки тоже одинаковы! Это позволяет говорить о существовании глубокой обратной связи по температуре. В результате вышесказанного и нестабильность, и температурный дрейф ВСЕГДА будут в несколько раз лучше, чем у тех же схем, но собранных на дискретных транзисторах! Заметьте, в описываемых стабилизаторах напряжения мы широко используем эти особенности микросборок.

«Н»: А почему же, в таком случае, ранее мы применили подобное решение только для питания варикапов?

«С»: Нужды не было! Поскольку, например, питание гетеродинов будет осуществляться не от общих, а от автономных специализированных СН. А в них основой схемы и будут подобные решения!

«А»: Что касается включения транзисторов VT13 и VT14, то, как я понимаю, с их помощью получают опорное напряжение?

«С»: Да, именно эта схема, или ее модификации, применяется в интегральной электронике. Она позволяет получить высокостабильное опорное напряжение при сквозном токе, равном ВСЕГО 100 микроамперам!

«А»: Да это раз в 50 меньше, чем обычно?

«Н»: Ну, а что все-таки представляет собой сам повышающий трансформатор?

«С»: Колечко из феррита, как я уже говорил. Марки 600НН или 1000НН. Типоразмер: К12,0x6,0x4,5. Или К13,0x5,5x5,0. В любом случае первичная обмотка содержит 80 витков провода ПЭВ-2-0,15 или ПЭВ-2-0,13. Параметры вторичной обмотки: 330 витков, равномерно намотанных по кольцу проводом ПЭВ-2-0,1. Лучше всего количество витков вторичной обмотки — подобрать.

«А»: А конструктивно?

«С»: Рисунок печатной платы будет представлен позднее. Но весь этот узел собирается на основе миниатюрных компонентов, на единой плате. Конструктивно он НЕ входит в состав силового блока стабилизаторов напряжения. И размешается отдельно, поближе к варикапам ГПД.

Глава 22. Схемотехника полосовых диапазонных фильтров

«Аматор»: Снявши голову, по волосам не плачут! Мы с Незнайкиным за эти дни изготовили и отладили стабилизатор напряжения по предложенной Вами, уважаемый Спец, и прочувствованной нами принципиальной электрической схеме. Теперь можно было бы приступить и, собственно к приемнику, я полагаю?

«С»: Давно пора! И начнем мы, прежде всего, вот с какого момента… Вы не припомните, друзья, с чего начинается театр?

«Н»: Я слышал, что классики настаивают на том, что театр начинается с вешалки!

«С»: И они совершенно правы! Впрочем, на то они и классики! Но, в таком случае, радиоприемник начинается с определения ДИАПАЗОНА ПРИНИМАЕМЫХ ЧАСТОТ!

В нашем случае, в этот диапазон должны входить ВСЕ короткие волны! Причем не в печальном советско-обрезанном виде, а начиная с 10-метрового диапазона!

«А»: Но ведь официально, KB-диапазон начинается с 11 метров?

«С»: Читай чаше классику, дружище! Как говаривал незабвенный Коровьев Фагот — ВСЕ ЭТО ЗЫБКО И УСЛОВНО! Да вот, чтобы за примером далеко не ходить! Вот передо мной журнал «Радио-Аматор» № 8 за 1996 г. В интереснейшей статье А. Егорова читаем: «В общем случае короткими волнами (КВ) считают волны длиной 10—200 метров (частоты 1,5—30 МГц), хотя в прошлом выпуске рубрики участок волн 100–200 метров мы причислили к СРЕДНИМ волнам. Дело в том, что с физической точки зрения четкой границы между этими диапазонами НЕТ… в приемной аппаратуре (особенно служебной) KB-диапазон начинается с 1,5 МГц».

Так вот, я предлагаю верхней границей приема считать 30 МГц!

«Н»: …Согласие есть продукт непротивления…

«А»: Ты, Незнайкин, славно излагаешь! Но, уважаемый Спец! Это сколько же потребуется поддиапазонов!? Давайте подсчитаем… Итак: 11 м; 13 м; 16 м; 19 м; 25 м; 31 м; 41 м; 49 м; 65 м; 75 м. Итого — десять поддиапазонов! Это только в области коротких волн! А если сюда еще прибавить ДВ; СВ и УКВ?

«С»: Не хотел я об этом, но если ты так настаиваешь… Ты, надеюсь, заметил, что на КВ есть участки, которые не принимаются вообще?

«А»: Естественно заметил…

«С»: Кроме того, на Всемирной административной конференции по радиовещанию, проходившей в 1992 году, было принято решение о введении в эксплуатацию в начале 21 века НОВЫХ КВ-поддиапазонов!

Еще по одному на участках 16 м; 19 м; 25 м; 31 м; 41 м и 49 м! Кроме того, вводятся новые поддиапазоны: 22 м и 15 м. Так что смело можешь их тоже приплюсовать к перечисленным тобой ранее…

«А»: Но ведь в иностранных радиоприемниках тоже применяется разбиение на растянутые КВ-диапазоны!

«С»: Да, применяется! Но ранее только в дорогих, а теперь во многих моделях даже среднего класса предусмотрена возможность перехода на НЕПРЕРЫВНУЮ ШКАЛУ приема! Мы ведь упоминали, например, «Satellit 6001»?

Там предусмотрена такая возможность!

«Н»: А почему вообще нельзя вместо растянутых КВ-поддиапазонов ввести непрерывную шкалу?

«С»: Ввести можно! Но вот будет ли от этого толк? Дело в том, что все упирается в проблему шумов и помех!

Применение растянутых поддиапазонов ограничивает полосу приема в каждом из них величиной, находящейся в пределах от нескольких сотен килогерц до величины, несколько превышающей 1 МГц! Применение во входных контурах резонансной перестройки не спасает ситуацию. Поскольку, особенно на высокочастотных участках КВ, даже в этом случае настройка не может быть сделана достаточно острой.

«А»: Получается, что, расширив поддиапазон, мы только увеличим уровень помех?

«С»: Если исходить из прежних схемных решений, то да! Но не забывайте, что нами Принята иная концепция — радиоприемник с преобразованием первой промежуточной частоты ВВЕРХ! В этом случае вместо резонансного усилителя радиочастоты, стоящего в прежних моделях ПЕРЕД смесителем, мы применяем ШИРОКОПОЛОСНЫЙ усилитель радиочастоты, перекрывающий ОДНОВРЕМЕННО ВЕСЬ КВ-диапазон!

«А»: Но как же сильно, в этом случае, возрастет уровень помех!

«С»: Природа парадоксальна! Применение широкополосного УВЧ, прежде всего, приводит к УМЕНЬШЕНИЮ искажений! Что же касается помех, то ситуация здесь следующая. Многолетние исследования на сей счет, проводившиеся специалистами различных стран, показали, что наиболее рациональным является применение, так называемых, ПОЛУ РАСТЯНУТЫХ поддиапазонов!

В нашем случае предлагается следующее разбиение:

1-ый поддиапазон — 30,0—25,0 МГц;

2-ой поддиапазон — 25,0—22,0 МГц;

3-ий поддиапазон — 22,0—18,0 МГц;

4-ый поддиапазон — 18,0—15,0 МГц;

5-ый поддиапазон — 15,0—12,0 МГц:

6-ой поддиапазон — 12,0–9,0 МГц;

7-ой поддиапазон — 9,0–7,0 МГц;

8-ой поддиапазон — 7,0–5,0 Мгц.

«А»: Что это дает?

«С»: Прежде всего, мы исключаем малоэффективные перестраиваемые резонансные системы из входных цепей. Технически, перечисленные выше диапазоны, будут сформированы на основе, так называемых, ПОЛОСОВЫХ ФИЛЬТРОВ.

«Н»: А что такое полосовой фильтр?

«С»: Для пояснения этого обратимся к старому методу, который никогда нас не подводил — к рисунку! Представим себе, что необходимую нам полосу пропускания Δf, мы пытаемся сформировать с помощью одиночного колебательного контура, АЧХ которого, как известно, напоминает «колокол» (рис. 22.1).

«А»: Но очевидно, что нормальная ситуация будет только на частоте f0, поскольку по мере удаления от этой частоты сигнал на входе приемника будет падать, что равнозначно ухудшению чувствительности.

«Н»: И, кроме того, пьедестал «колокола» предоставит неплохую возможность проникать на вход приемника помехам и сигналам частот, которые лежат ВНЕ полосы пропускания Δf!

«С»: Вы все правы! Помимо всего прочего, это ведь приводит еще и к увеличению полосы шумов! В общем, пора подвести итог!..

Характеристика, которую имеет ОДИНОЧНЫЙ колебательный контур, нам совершенно не подходит! Ну, а какую характеристику мы могли бы считать ИДЕАЛЬНОЙ?

«А»: Прямоугольную, с шириной полосы основания точно равной Δf1!

«С»: Умри — лучше не скажешь! Но… «гладко писано в бумаге, да забыли про овраги, а по ним ходить!» Над формированием подобных ИДЕАЛЬНЫХ характеристик радиоинженеры бьются уже десятки лет! В разных радиосистемах, путем применения сложных контуров, удается в той или иной степени ПРИБЛИЗИТЬСЯ к этому идеалу!

Кстати, именно эта задача сейчас и стоит перед нами…

«А»: Ну, а что Вы можете предложить по этому поводу, уважаемый Спец?

«С»: Систему полосовых фильтров, которые давно исследованы и применяются в некоторых профессиональных американских приемниках. Вот ее основной «кирпичик». Я изобразил ниже типичную АЧХ такого полосового фильтра для случая нашего самого высокочастотного поддиапазона 25,0-30,0 МГц (рис. 22.2)!

«А»: На этой схеме я вижу ТРИ катушки индуктивности. Но что приятнее всего — ВСЕ они очень просты! На них нет отводов. И на каждом каркасе размешена только одна обмотка!

«С»: А это, как мы еще не раз убедимся, исключительно выгодное обстоятельство!

«Н»: А что означают значки со стрелками возле каждой индуктивности?

«А»: Так принято изображать наличие в катушке перестраиваемого сердечника. В нашем случае применяются сердечники на основе карбонильного железа. Цилиндрические, резьбовые.

«Н»: Но верхний участок АЧХ не совсем плоский!

«С»: В данном случае лучшего просто не требуется!

Вот таким образом, с помощью подобных полосовых фильтров, общим числом — ВОСЕМЬ, будет перекрыт, без каких-либо пропусков, интересующий нас диапазон коротких волн!

«А»: А почему мы «забыли» участок от 1,5 до 5 МГц?

«С»: Мы не забыли, просто, как мне представляется, это не очень интересный для «путешествий по эфиру» участок! Но в чем проблема? Добавь еще парочку полосовых фильтров и все дела…

«А»: Меня еще интересует такой вопрос: а как все это должно коммутироваться?

«С»: С помощью миниатюрных специализированных реле. Тем более, что имеется некоторый нюанс, очень неприятный, который совершенно не учитывался ранее. Представьте себе, что мы выбрали один из поддиапазонов и осуществляем на нем прослушивание радиостанций. Что в это время будет происходить с остальными полосовыми фильтрами?

«Н»: С теми, которые в данный момент НЕ ПОДКЛЮЧЕНЫ ни к антенне, ни к усилителю?

«С»: Совершенно верно! Итак…

«А»: Ну и странный вопрос! Они же ни к чему не подключены, вы же сами сказали! Да ничего в них не может происходить… Их как будто вообще нет!

«С»: Вот именно — «как-будто»! А они, между прочим, есть! И, представьте себе, живут своей нормальной электромагнитной жизнью! КАЖДЫЙ из неподключенных полосовых фильтров, воспринимает окружающую электромагнитную обстановку! А равно и спектральные всплески, возникающие в различных точках приемника. И ОТВЕЧАЕТ на это ДЕСЯТКАМИ ПОЛНЫХ ПЕРИОДОВ затухающих в этих полосовых фильтрах колебаний, порожденных этими всплесками! И наводит их не только в себе, но и в катушках РАБОТАЮЩЕГО В ДАННЫЙ МОМЕНТ диапазона!

«А»: Ничего себе! А ведь и правда, я не встречал еще, чтобы во входных контурах в отдельные латунные экраны помещались диапазонные катушки!

«С»: А как можно видеть то, чего не существует? Но все эти катушки, в действительности, ОЧЕНЬ чувствительные компоненты! Поэтому размещение всего блока полосовых фильтров под общим экраном (как это давно делается в профессиональных приемниках) вопрос закрыть не может!

«Н»: Ну, а разве применение реле может помочь в этом вопросе?

«С»: И еще как! Особенно в том случае, если их подключить так, как показано на рис. 22.3.

«Н»: А сокращения «Н.Р.» и «Н.З.» — означают НОРМАЛЬНО РАЗОМКНУТЫЙ и НОРМАЛЬНО ЗАМКНУТЫЙ контакты?

«А»: Правильно! Тем более, что этот вопрос был задан тобой в качестве чисто риторического!

«С»: Таким образом, все полосовые фильтры, кроме задействованного, полностью закорочены на землю (на корпус прибора). Поэтому НИКАКОГО мешающего влияния они не оказывают. Их обмотки запитываются постоянным током, поэтому подводящие провода могут иметь значительную длину и, в то же время, не являться источником помех и наводок!

«А»: Получается, что применение миниатюрных реле типа РЭС-49 в полосовых фильтрах способно отлично справиться с решением задачи переключения и коммутации КВ-поддиапазонов. Ну, теперь выход блока полосовых фильтров можно через аттенюатор прямо подключить ко входу широкополосного УВЧ!

«С»: Да, если бы вопрос высокочастотного аттенюатора был нами уже решен. Мы уже говорили о том, какой электронный компонент можно взять за основу такого ВЧ-аттенюатора?

«А»: Ну да, мы ведь говорили о р-i-n-диодах… Но еще никак не комментировали пригодность для этой цели ОПТРОНОВ. Мне также приходилось встречать схемы очень простых, но эффективных ВЧ-аттенюаторов, представляющих из себя Т-образное включение резисторов, которые можно подключать в ВЧ-цепи также с помощью контактов реле. Так какой же принцип выбрать?

«С»: Оптроны для этой цели не годятся только из-за того, что минимальное сопротивление их резисторного элемента составляет СОТНИ ОМ. А в ВЧ-цепях необходимы значительно меньшие величины.

«А»: В идеале, близкие к нулю?

«С»: В идеале, ДА!

«Н»: А почему, в конце-концов, не применить схему на р-i-n-диодах? Что, там настолько сложная схема управления?

«С»: Схема, как схема! Основные сомнения относительно р-i-n-диодов возникают только тогда, когда речь заходит об их линейных свойствах по отношению к ВЧ-сигналу. Особенно в том случае, если ВЧ-сигнал имеет достаточно большую амплитуду…

«А»: Но релейные, простые аттенюаторы могут работать только в двух режимах. Или включен, или не включен! А если включен, то ослабляет входной сигнал в определенное число раз. В то время как р-i-n-диоды позволяют ПЛАВНО регулировать величину сигнала! Они, следовательно, хорошо поддаются непрерывному регулированию!

«С»: В том то и дело! Ведь мы, применяя простейший аттенюатор, должны выбирать одно из двух. Или мы просто выводим на панель управления приемника тумблер, посредством которого осуществляем включение Т-образного (или П-образного) резисторного делителя в те моменты, когда, как нам кажется, это требуется.

Или же мы вводим дополнительную электронную систему, которая сама управляет моментом включения — выключения аттенюатора, но если уровень входного сигнала будет колебаться как раз на грани срабатывания автоматики, то слушать станцию будет очень неприятно.

«Н»: Так как же поступить?

«С»: Я предлагаю следующее.

Вот здесь я привожу схему простейшего аттенюатора. Если вы не захотите экспериментировать — примените именно ее! Как самый простой вариант. В этом случае управление аттенюатором осуществляется вручную или автоматически с помощью реле типа РЭС-49 или РЭС-80 (рис. 22.4).

«А»: Ну, а второй вариант, с использованием р-i-n-диодов?

«С»: Этот вариант мне лично представляется даже более предпочтительным. Используя достаточно простой р-i-n-аттенюатор, на диодах типа КА-509А, можно добиться очень неплохих результатов. Так я, в свое время, проводил подобные эксперименты. В диапазоне частот, соответствующем КВ.

«Н»: А как относительно их нелинейных свойств?

«С»: Имеются в виду р-i-n-диоды? Должен сказать, что уже при токе управления 4–5 мА, р-i-n-диоды типа КА-509А имеют ничтожное прямое сопротивление. При этом НИКАКОГО искажения формы входного сигнала я не наблюдал!

«А»: А какова была максимальная амплитуда входных сигналов в ваших экспериментах?

«С»: Около 300 милливольт! Большие сигналы меня просто не интересовали!

«А»: Ну, а как насчет пределов регулировки?

«С»: Все зависит от тока управления. При его уменьшении до нуля, во всех участках KB-диапазона наблюдалось почти полное непрохождение сигнала. Поэтому, входной аттенюатор для нашего приемника будет иметь следующую принципиальную схему (рис. 22.5).

«А»: А что представляет из себя схема управления?

«С»: Мы займемся ею несколько позднее. Вот теперь-то и настала пора определиться со схемой малошумящего широкополосного усилителя высокой частоты.

Именно с обсуждения этого вопроса и начнется наша следующая встреча.

Глава 23. Схемные особенности УВЧ и гетеродинов

«Аматор»: Готовясь к сегодняшней беседе, мы с Незнайкиным пересмотрели массу литературы, касающейся усилителей радиочастоты.

«Спец»: Может поделитесь и со мной полученными знаниями?

«Незнайкин»: Ну, прежде всего, во многих книгах вместо понятия «усилитель высокой частоты» или УВЧ, фигурирует УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ — УСЧ. Или также УСИЛИТЕЛЬ РАДИОЧАСТОТЫ — УРЧ.

«С»: Дельно подмечено. Хотя, в сущности, это всего лишь игра в терминологию. Тем не менее, мы примем это во внимание. Итак?…

«А»: В УСЧ в области умеренно высоких частот наибольшее распространение получили схемы с общим эмиттером (ОЭ). Это в том случае, если применяются биполярные транзисторы. Если используются FET, то их адекватным включением является схема с общим истоком (ОИ). Как уже говорилось ранее, схемы с ОЭ или ОИ позволяют получить НАИБОЛЬШЕЕ усиление по мощности.

Можно использовать как германиевые, так и кремниевые транзисторы. Последние более экономичны и стабильны при повышенных температурах.

«С»: Согласен, но есть и еще один нюанс. Новые разработки германиевых транзисторов почти не проводятся, а вот кремниевых — сколько угодно.

«А»: Но в литературе, в основном, приведены схемы селективных или избирательных усилителей, нагрузкой которых являются перестраиваемые по частоте колебательные контура. Это поясняется тем, что необходимо обеспечить высокую чувствительность радиоприемного устройства за счет предварительного усиления полезного сигнала и его частотной селекции от помех.

«С»: Все это так. И в то же время, как говорил Шельменко-денщик: «трошечки, да не так!»

Действительно, до сих пор применение высокоселективных усилителей сомнений не вызывало (и не вызывает). Во многих случаях… А вот в приемниках с ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ВВЕРХ дело обстоит ИНАЧЕ. Здесь нужен именно ШИРОКОПОЛОСНЫЙ входной усилитель. При этом, что совершенно естественно, МАЛОШУМЯЩИЙ и с хорошим ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ. И в то же время, попытка применить для этого АПЕРИОДИЧЕСКИЕ усилители обычного типа с резисторной нагрузкой; кроме разочарования и досады, других сколько-нибудь положительных эмоций у разработчиков так и не вызвала!

«А»: Получается, что ни селективные, ни апериодические усилители для этого не годятся?

«С»: Резистивные УСЧ (УРЧ, УВЧ) используются в диапазонах ДВ и СВ…

Но не волнуйтесь, друзья мои, все вовсе не так плохо! Как любит говорить один мой знакомый философ: «… если тебе предлагают на выбор, одно из двух… выбирай третий путь!» Так и в радиотехнике. Техническая мысль не дремала!

Вот так и вошли в жизнь усилители, основанные на использовании ШПТЛ!

«А»: Мы начинали разговор о ШПТЛ, но мне еще сложно представить себе схему усилителя, использующего этот компонент!

«С»: Я уже упоминал о том, что ШПТЛ бывают самыми разнообразными. С простыми, достаточно сложными и очень сложными обмотками. И применяются ШПТЛ не только в усилителях, но и в смесителях сигналов, для преобразования импедансов и т. п. Мне приходилось встречать достаточно разнообразные усилители на ШПТЛ. Но ВСЕ ОНИ основаны на применении ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ или ООС. Наиболее простой схемой этого типа с использованием преимуществ ШПТЛ, является так называемая R-структура. Но имеется и еще более удачная схема, основанная на, так называемой, С-структуре. Несмотря на «простоту», ВЧ-усилители на ШПТЛ, имеющие С-структуру, характеризуются ОЧЕНЬ МАЛЫМИ искажениями входного сигнала.

«А»: А как у С-структур обстоит дело со стабильностью параметров?

«С»: Я бы сказал так: ВЫШЕ ВСЯКИХ ПОХВАЛ! Поэтому я здесь привожу основную схему, которую мы будем полагать базовой (рис. 23.1).

Более того, ниже я привожу АЧХ представленного С-усилителя. Для того случая, когда ШПТЛ намотан на кольце типа М 0,16 ВТ-8 типоразмер К10x6x2 и имеет 16 витков. Коэффициент усиления каскада зависит от величины Rс. При Rс = 10 Ом, усиление по напряжению (именно его мы наблюдаем на экране осциллографа) равно 8—10. Увеличение Rс улучшает линейность, но уменьшает коэффициент усиления. Поэтому, в данном случае, взято оптимальное значение Rс.

«А»: А применить кольцо на высокочастотном феррите типа 50ВЧ или 30ВЧ, не изменяя количества витков, возможно?

«С»: Вполне… Но старайтесь придерживаться типоразмера.

«А»: АЧХ действительно имеет такую равномерность или это преувеличение?

«Н»: А какой тип транзистора лучше всего применить в усилителе?

«С»: АЧХ усилителей С-структуры на ШПТЛ действительно отличаются равномерностью частотной характеристики в широком диапазоне частот. Что касается типа транзистора, то в малошумящих усилителях из транзисторов, производимых в СНГ, можно рекомендовать только: КТ399А, КТ368А, КТ3120А.

«Н»: А если применить «семечку» — КТ315 или, например, КТ316?

«С»: Коэффициент усиления каскада упадет, примерно, в 1,5 раза! Полоса, практически, не меняется. Но, и КТ315, и КТ316 не являются оптимальными для применения в малошумящих каскадах радиоприемных устройств. Поэтому инициатива применения в этой схеме случайных транзисторов не является признаком высокого интеллекта.

«А»: Ну, теперь на очереди — гетеродин?

«Н»: А их в приемнике не меньше двух! Уточни, какой именно ты имеешь в виду?

«С»: А что тут много рассуждать? Начнем с ГПД — генератора плавного диапазона. Кстати, дорогой Аматор, я все забываю как-то узнать у тебя. На тот кварцевый фильтр, который тебе удалось раздобыть, есть какие-нибудь паспортные данные?

«А»: Да, вот они! Фильтр типа ФП2П-4-1-В.

Номинальная частота — 55,5 МГц;

Ширина полосы пропускания по уровню 3 дБ — 16 кГц;

Относительное затухание в полосе задерживания — 60 дБ;

Затухание вносимое — 0,2 дБ;

Сопротивление нагрузки: Rвн. вх, кОм — 2; Rвн. вых, кОм — 2;

Емкость нагрузки: Сн. вх, пФ — 50.

«С»: Ну что же, неплохо. Но, чтобы вышесказанное было более наглядным, попробуем изобразить АЧХ этого фильтра на фоне АЧХ обыкновенного селективного усилителя ВЧ, которую так любят приводить в монографиях по радиотехнике многие авторы (рис. 23.2).

«Н»: То есть, даже обыкновенный контур, имеющий Q = 100 обладает в ТРИДЦАТЬ ПЯТЬ РАЗ более широкой полосой пропускания, чем кварцевый фильтр ФП2П-4-1-В! Значит и ШУМИТ этот фильтр в 35 раз меньше?

«С»: Совершенно верно! Даже не в 35, а, примерно, в 50, если принять во внимание наличие «пьедестала» в колебательном контуре! Поэтому самое лучшее, что нам остается сделать, при использовании этого фильтра, это — постараться не растерять те великолепные возможности, которые могут обеспечить кварцевые фильтры подобного класса!

«А»: Не имей мы этого фильтра, эквивалентная добротность которого достигает 5000, подобной характеристики нам не получить!

«С»: Ну, это преувеличение! «Цепь Юзвинского» позволяет получить такую же характеристику. Но в этой цепи немало преобразователей и активных элементов. Она потребляет ток и ее «принципиалка» значительно сложнее.

«Н»: Но мы говорили о ГПД?

«С»: Вот о нем-то и речь! Теперь, имея РЕАЛЬНЫЙ фильтр, мы ЗНАЕМ, что наша ПЕРВАЯ ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ЧАСТОТА равна 55,5 МГц! Теперь известны и частотные параметры ГПД. В самом деле:

1-ый КВ-диапазон — 30–25 МГц; диапазон ГПД — 85,5—80,5 МГц;

2-ой КВ-диапазон — 25–22 МГц; диапазон ГПД — 80,5—77,5 МГц;

3-ий КВ-диапазон — 22–18 МГц; диапазон ГПД — 77,5—73,5 МГц;

«С»: Ну что же, неплохо. Но, чтобы вышесказанное было более наглядным, попробуем изобразить АЧХ этого фильтра на фоне АЧХ обыкновенного селективного усилителя ВЧ, которую так любят приводить в монографиях по радиотехнике многие авторы (рис. 23.2).

«Н»: То есть, даже обыкновенный контур, имеющий Q = 100 обладает в ТРИДЦАТЬ ПЯТЬ РАЗ более широкой полосой пропускания, чем кварцевый фильтр ФП2П-4-1-В! Значит и ШУМИТ этот фильтр в 35 раз меньше?

«С»: Совершенно верно! Даже не в 35, а, примерно, в 50, если принять во внимание наличие «пьедестала» в колебательном контуре! Поэтому самое лучшее, что нам остается сделать, при использовании этого фильтра, это — постараться не растерять те великолепные возможности, которые могут обеспечить кварцевые фильтры подобного класса!

«А»: Не имей мы этого фильтра, эквивалентная добротность которого достигает 5000, подобной характеристики нам не получить!

«С»: Ну, это преувеличение! «Цепь Юзвинского» позволяет получить такую же характеристику. Но в этой цепи немало преобразователей и активных элементов. Она потребляет ток и ее «принципиалка» значительно сложнее.

«Н»: Но мы говорили о ГПД?

«С»: Вот о нем-то и речь! Теперь, имея РЕАЛЬНЫЙ фильтр, мы ЗНАЕМ, что наша ПЕРВАЯ ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ЧАСТОТА равна 55,5 МГц! Теперь известны и частотные параметры ГПД. В самом деле:

1-ый КВ-диапазон — 30–25 МГц; диапазон ГПД — 85,5—80,5 МГц;

2-ой КВ-диапазон — 25–22 МГц; диапазон ГПД — 80,5—77,5 МГц;

3-ий КВ-диапазон — 22–18 МГц; диапазон ГПД — 77,5—73,5 МГц;

4-ый КВ-диапазон — 18–15 МГц; диапазон ГПД — 73,5-70,5 МГц

5-ый КВ-диапазон — 15–12 МГц; диапазон ГПД — 70,5-67,5 МГц

6-ой КВ-диапазон — 12—9 МГц; диапазон ГПД — 67,5-64,5 МГц

7-ой КВ-диапазон — 9–7 МГц; диапазон ГПД — 64,5—62,5 МГц

8-ой КВ-диапазон — 7–5 МГц; диапазон ГПД — 62,5-60,5 МГц

Таким образом, для перекрытия всех полурастянутых КВ диапазонов, ГПД должен перестраиваться по частоте от:

fmax = 85,5 МГц до fmin = 60,5 МГц.

При этом стабильность частоты должна быть достаточно высокой!

«А»: Я полагаю, что схемы гетеродинов для обычных приемников нас не спасут?

«С»: Никоим образом, поскольку они «типичное не то»! Кроме того, перестраиваемым элементом ГПД является не конденсатор переменной емкости, а варикапная матрица. О синтезаторах частоты мы уже упоминали. Так вот, у нас они применены не будут!

Но гетеродин — дело очень серьезное, особенно в приемнике с преобразованием ВВЕРХ! Поэтому предлагаю следующую, опробованную на практике, принципиальную электрическую схему ГПД для нашего радиоприемника. В ее основе — модификация великолепной, профессиональной американской разработки!

«Н»: Так почему бы нам побыстрее не зарисовать эту «принципиалочку»?!

«А»: Что мы и делаем… Уважаемый Спец, пока мы рисуем, расскажите, чем интересна эта схема (рис. 23.3)?

«С»: Прежде всего тем, что по своим параметрам является профессиональной! Хотя бы из-за того, что наличие в задающем генераторе достаточно сильной обратной связи, позволяет получить спектрально чистый сигнал, содержащий очень мало гармоник! Да и амплитуда выходного напряжения задающего генератора весьма невелика и составляет, примерно, 0,25 вольта. Но, будучи подана на вход буферного усилителя, а с его выхода на оконечный широкополосный усилитель, достигает величины 3–5 вольт!

«Н»: Здесь на схеме я вижу, по крайней мере, два ШПТЛ! Их данные отличаются отданных ШПТЛ для УВЧ?

«С»: Да, несколько отличаются. Прежде всего, это касается количества витков. ШПТЛ, обозначенные на схеме, как Тр1 и Тр2 — одинаковы полностью! Способ намотки точно такой же, как и для ШПТЛ УВЧ. Но количество витков — 10; провод — ПЭВ-2-0,2; кольца М0,16-ВТ-8. Типоразмер: К10x6x2.

«А»: То, что варикапы запитываются высокостабильным напряжением +30 вольт, это понятно! Не зря же мы так подробно рассматривали принципиальную электрическую схему для его получения! Но вот как быть с низковольтным питанием ГПД? Запитывать непосредственно от общего стабилизатора +12 вольт?

«С»: Друзья мои! Как говорилось в сравнительно недавнем прошлом, «экономика должна быть экономной»! Бессмысленная сама по себе, эта фраза, будучи применена буквально, к вопросу низковольтного питания нашего ГПД, для нас может обернуться крушением всех надежд! Я имею в виду разрабатываемый приемник!

«А»: Иными словами, здесь экономия на качестве электропитания не проходит?

«С»: Ни в коем случае и никогда! Поэтому, не пускаясь в дальнейшие рассуждения, приведем схему прецизионного автономного стабилизатора, который всего лучше выполнить на ОДНОЙ ПЛАТЕ С ГПД. Заметьте, что входное напряжение мы берем с ВЫХОДА СН +12 вольт!

«Н»: Но вы еще не сказали, какого типа каркас используется в катушке Lк задающего генератора?

«С»: Вот здесь и используется каркас типа VI! А теперь зарисуем «принципиалочку» прецизионного стабилизатора для ГПД (рис. 23.4).

«А»: У меня вопросов не имеется. Поскольку номиналы резисторов уточним позднее.

«Н»: У меня тоже!

«С»: В таком случае, раз уж мы говорим о гетеродинах, я полагаю что здесь, ниже, мы представим и принципиальную схему второго, кварцевого гетеродина. А уже после этого перейдем к рассмотрению смесителей.

«А»: А какую частоту генерации мы принимаем для второго гетеродина, частота колебаний которого стабилизирована. кварцем?

«С»: Все зависит от того, какую мы выберем ВТОРУЮ ПРОМЕЖУТОЧНУЮ частоту. Из определенных конструктивных соображений, вторая ПЧ (промежуточная частота) выбирается равной 1,465 кГц. Итак, вторую ПЧ принимаем равной именно этой величине — 1,465 кГц!

«А»: Следовательно, второй гетеродин будет содержать кварц, частота резонанса которого — 54,045 МГц?

«С»: Вот что значит прилежно изучать в школе математику! Следует сказать, что резонансную частоту LC-генератора можно стабилизировать, если в цепь обратной связи включить кварцевый резонатор. Для обеспечения лучшей стабильности, целесообразно использовать частоту его (кварца) последовательного резонанса. В качестве исходных схем генераторов, обычно используются схемы Хартли или Колпитца.

«А»: А что они из себя представляют?

«С»: Да вот, посмотрите на рис. 23.5.

Для возникновения колебаний необходимо, чтобы колебательный контур был настроен на частоту кварцевого резонатора. Но можно выбрать частоту колебательного контура как ЦЕЛОЕ КРАТНОЕ резонансной частоты колебаний кварца и возбудить, тем самым, резонатор на соответствующей КРАТНОЙ ГАРМОНИКЕ!

«Н»: Какую же из двух схем выбирать?

«А»: Можешь кинуть монетку… А там — как ляжет! А что посоветует нам Спец?

«С»: Я просто приведу практически проверенную и хорошо зарекомендовавшую себя принципиальную схему (рис. 23.6).

«А»: Задающий генератор здесь собран по схеме Хартли, это понятно! А какие параметры имеет задающая индуктивность?

«С»: Каркас этой катушки изготовлен из фторопласта и соответствует типу V.

«Н»: А что это за включение двух транзисторов после задающего генератора?

«А»: Это одно из очень удачных схемотехнических решений — так называемая КАСКОДНАЯ СХЕМА. В данном случае применена каскодная схема с емкостной связью! Среди особых достоинств этих схем можно полагать следующие:

1. Малую внутреннюю обратную связь, почти на ДВА ПОРЯДКА меньшую, чем у обычного каскада с ОЭ. Это обеспечивает ВЫСОКИЙ УСТОЙЧИВЫЙ коэффициент усиления.

2. Коэффициент шума всей схемы равен коэффициенту шума первого каскада.

3. Выходная проводимость мала, что позволяет применять ПОЛНОЕ включение контура в цепь коллектора выходного транзистора. Это, в свою очередь, обеспечивает ВЫСОКУЮ СЕЛЕКТИВНОСТЬ.

4. Схема обладает ВЫСОКИМ ВХОДНЫМ сопротивлением, следовательно, не нагружает задающий генератор.

«Н»: А насколько эта схема требовательна к высокостабильному питанию?

«С»: Ну, в этом отношении, ВСЕ гетеродины — гурманы! Но… в разной степени. Поскольку в данном случае колебания стабилизированы кварцем, то вполне достаточно ограничиться упрощенным стабилизатором. Вот, например, таким (рис. 23.7).

«А»: Это для запитки всего генератора или только КАСКОДНОГО УСИЛИТЕЛЯ?

«С»: Только КАСКОДНИКА! Что же касается собственно задающего генератора, то, как говорится, кашу маслом не испортишь! Поэтому для задающего генератора применим вот такой, рассмотренный выше, вариант СН (рис. 23.8).

«А»: Как я понимаю, кварцевый генератор вместе с автономным стабилизатором, лучше собрать на отдельной плате?

«С»: Дружище, ты в этом абсолютно прав! Ну, а если всю эту прекрасную технику ты разместишь в аккуратном, экранированном блочке — обечайке, и выведешь его выход на ВЧ-разъем, то, кроме хорошего, ничего плохого в этом просто не будет!

«А»: Я, пожалуй, последую этому доброму, дружескому совету!

Глава 24. «Мелочам» — особое внимание!

«Спец»: После того, как мы разобрались с гетеродинами, пора взяться и за СМЕСИТЕЛИ!

«Аматор»: А вы не считаете, что на этом вопросе следует остановиться немного более подробно?

«С»: Почему бы и нет? Но, должен сказать, и задачка же это! Преобразование частоты — один из самых важнейших разделов радиотехники! И, следует заметить, один из самых непростых ее разделов. Имеется множество школ и направлений! Порой одни не понимают других…

«А»: Как в том анекдоте, где коллекционер марок возмущался по поводу того, как это можно, да как это только может в голову прийти кому-то коллекционировать спичечные этикетки?!

«С»: Отчасти… Тем не менее, современная электроника действительно в этом вопросе идет СРАЗУ ПО НЕСКОЛЬКИМ ПУТЯМ!

«Незнайкин»: Это как знаменитый граф Сен-Жермен, который выехал из какого-то города СРАЗУ через ВСЕ ВОРОТА?

«С»: Уважаю юмор! Но вот интересно, как бы вы поступили, будучи специалистами по преобразователям частоты?

«А»: Досадно, но мы с Незнайкином не можем еще считать себя таковыми…

Может быть когда-нибудь, в будущем…

«С»: Но живем-то мы в настоящем! Поэтому попытаемся здраво уяснить себе основное. Преобразование частоты сводится, в сущности, к реализации ДВУХ процессов:

а) перемножению двух переменных напряжений — СИГНАЛА и ГЕТЕРОДИНА;

б) ВЫДЕЛЕНИЮ, посредством некоего фильтра ОДНОЙ ИЗ многочисленных КОМБИНАЦИОННЫХ ЧАСТОТ, взятой нами в качестве ПРОМЕЖУТОЧНОЙ.

«Н»: То есть мы по определению, творим произвол?

«С»: В отличие от произвола политического, технический в данном случае ВО БЛАГО! В самом деле, мы можем взять РАЗНОСТЬ двух частот, но можем взять и их СУММУ!

Так вот, перемножение осуществляется посредством подачи преобразуемых колебаний в электрическую цепь, коэффициент передачи которой ПЕРИОДИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЕТСЯ с частотой гетеродина! Однако, эта цепь должна быть КАК МОЖНО БОЛЕЕ ЛИНЕЙНА по отношению к принимаемому СИГНАЛУ.

«А»: Но, несмотря на это, в преобразователях частоты (смесителях) имеются и НЕЛИНЕЙНЫЕ элементы?

«С»: Так ОНИ-ТО и служат для получения коэффициента передачи, изменяющегося с частотой гетеродина! Поэтому можно сказать, что элементы преобразователя должны быть подобраны таким образом, чтобы оставаясь ВСЕГДА ЛИНЕЙНЫМИ по отношению К ВХОДНОМУ СИГНАЛУ, являться ВСЕГДА НЕЛИНЕЙНЫМИ по отношению к высокочастотному СИГНАЛУ ГЕТЕРОДИНА!

«А»: Но ведь это возможно только в одном единственном случае! Если НАПРЯЖЕНИЕ СИГНАЛА МАЛО ПО СРАВНЕНИЮ С НАПРЯЖЕНИЕМ ГЕТЕРОДИНА!

«С»: Блестяще!.. Кто знает, дорогой Аматор, возможно пройдут годы и ТВОЕ имя будет вписано золотыми буквами в историю покорения человечеством преобразователей частоты!

«Н»: Я горжусь тобой, дружище!

«А»: Поздравительные адреса прошу класть на краешек вон того стула!

«С»: Отдохнули?… А теперь, как сказал Бывалый, пора… на работу!

Так вот, НЕЛИНЕЙНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ, пригодными для преобразования частоты, обладают транзисторы, диоды, электронные лампы и многие другие приборы. Но, испытав в свое время, как преобразователи на биполярных транзисторах, так и на FET; как на варикапах, так и на лампах, могу сказать только одно.

Я выбрал вполне определенный тип преобразователя!

Преобразователь частоты на диодах Шоттки! А если еще точнее — ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИОДНЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ СМЕСИТЕЛЬ (преобразователь частоты) НА ДИОДАХ ШОТТКИ!

«А»: Кажется я где-то читал, что они не обладает усилением?

«С»: Не беда! В своей великолепной монографии «СХЕМОТЕХНИКА РАДИОПРИЕМНИКОВ» немецкий специалист Эрих Рэд довольно подробно и с большим знанием дела рассматривает эти смесители.

«А»: А что вы можете сказать о них, исходя из приобретенного опыта?

«С»: Я полностью разделяю мнение Рэда. По ходу дела — мы еще не раз уточним — почему именно! На то есть много причин. Кстати, ШИРОКОПОЛОСНЫЕ диодные кольцевые смесители называют еще ДВОЙНЫМИ БАЛЛАНСНЫМИ. Предпочтение, естественно, отдается мощным кольцевым смесителям на диодах Шоттки.

«А»: Чем же они так хороши для подобных применений?

«С»: Они, прежде всего, являются СВЕРХБЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИМИ и ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО МАЛОШУМЯЩИМИ! Будем также помнить, что у подобных смесителей есть целый ряд и других важных для нас параметров.

Это, скажем, ВНОСИМОЕ ЗАТУХАНИЕ А, КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА F и РАЗВЯЗКА между входами Ах. Вносимое затухание характеризуется обычно величиной не более 5,5 дБ. Шум у этих преобразователей ОЧЕНЬ МАЛ и обычно порядка 1 дБ. Что касается развязки, то здесь все зависит от разновидности используемой схемы.

«А»: Ну, а на какой схеме остановимся мы? Соответственно, какая величина развязки будет ее характеризовать?

«С»: Вот у этого смесителя величина развязки между входом сигнала и выходом смесителя имеет значение несколько превышающее 25 дБ. А вот величина развязки гетеродинного выхода и информационного входа — порядка 40 дБ (рис. 24.1).

«Н»: А какого типа диоды Шоттки могут быть здесь использованы?

«С»: Ну, прежде всего, типа КД-514А. Заметим, что предлагаемый смеситель достаточно оптимален для нашего приемника.

«А»: Сама схема смесителя представляется мне относительно простой! А как намотаны трансформаторы?

«С»: Это все та же, уже хорошо освоенная нами намотка. С одной небольшой разницей. Уже после намотки скрученной пары, одиночным проводом по ранее проложенным виткам наматывается катушка связи.

«Н»: Выводы 5 и 6 у каждого из трансформаторов — это она и есть?

«С»: Ну конечно же! Кстати, количество витков Тр2 равно 10 (как скрученной пары, так и катушки связи), а для Тр1 — 12.

«Н»: Кольцо такое же, как в УВЧ?

«С»: Да, М 0,16-ВТ-8.

«А»: То есть и в смесителе мы встречаем все те же ШПТЛ?

«С»: А ты разве очень грустишь по этому поводу?

«А»: Нисколько! Скорее из-за того, что еще не встречался с таким понятием, как ДИПЛЕКСОР.

«С»: Это еще не повод для грусти! Ведь встречался же ты с такими понятиями, как фильтр низких частот (ФНЧ), фильтр высоких частот (ФВЧ)?

«А»: А то…

«С»: Ну вот! А в мировой радиотехнике прижился очень емкий термин ДИПЛЕКСОР. Иными словами, диплексором можно считать любой фильтр, собранный на пассивных компонентах. Бывают диплексоры Г-образные и П-образные. Так вот здесь у нас применен Г-образный диплексор.

«Н»: Какова его роль?

«С»: Да вы только представьте себе, какое количество ВНЕДИАПАЗОННЫХ сигналов и гармоник может быть в самом пиковом случае в выходном сигнале смесителя! Ну и зачем они нам?

«А»: Абсолютно не к чему! Диплексор и будет способствовать их подавлению.

«С»: И притом весьма эффективно! Кстати, характеристическое сопротивление (или ИМПЕДАНС) подобного фильтра выбирается в современной радиотехнике равным 50 Ом, что позволяет великолепно согласовать его с остальными высокочастотными узлами. У а входе и выходе диплексор должен нагружаться сопротивлениями, равными его импедансу.

НЕСОБЛЮДЕНИЕ ЭТОГО правила резко ИСКАЖАЕТ кривую СЕЛЕКТИВНОСТИ! Причем именно в полосе пропускания.

«Н»: А если так не повезет, что диодов Шоттки раздобыть не удастся?

«С»: Лучше всего постараться так, чтобы удалось! Но уж если очень не повезет, а также и в том случае, если будет охота поэкспериментировать, то можно посоветовать: КД-520; КД-503; 1Д-507А. Иные германиевые диоды приведут к значительному увеличению шумов.

«А»: На чем лучше всего мотать катушки диплексора?

«С»: Используются каркасы типа I и II.

«Н»: Ну хорошо, а дальше? Выход диплексора поступает непосредственно на кварцевый фильтр?

«С»: Электроника не терпит суеты. И схемотехника, дорогой Незнайкин, в частности. Поэтому я даю здесь схему согласования кварцевого фильтра с выходом диплексора. Подобную схему предложил в свое время RC2AM.

Проверив возможности данной схемы, я и рекомендую ее вам (рис. 24.2).

«А»: Полевые транзисторы служат для развязок и согласования импедансов?

«С»: В основном для этого.

«А»: А что представляет собой собственно усилитель первой промежуточной частоты, стоящий ПОСЛЕ кварцевого фильтра?

«С»: Теоретики немецкой фирмы Роде в свое время определили, что коэффициент усиления собственно первой ПЧ не должен превышать 20 дБ или 10 раз по напряжению. Но и быть меньше этой величины не должен! Поэтому принимаем именно такое значение.

«А»: А как насчет принципиальной схемы?

«С»: Как всегда, вот и она. Посмотри в нижней части рис. 24.2

«Н»: Ну это вообще… Я мало что понимаю.

«А»: Тебя удивило обозначение VT3?

«С»: Вот что значит забывать классику, мои дорогие друзья! Помните фильм «Золото Маккены»? Самое начало? Легенду о грифе-стервятнике?

«А»: Это не там человек, увидав над своим домом кружащегося грифа, испугавшись, сбежал в далекую пустыню? А вскоре, уже в пустыне, снова увидал над своей головой все того же грифа. Он спросил грифа, как тот оказался в пустыне?…

«С»: …На что гриф ответил, что в городе он просто так навестил этого человека. А вот дожидался его именно здесь!!

«Н»: Ну и намеки у вас! Прямо мороз по коже! Что, сейчас снова в моде инфернальный юмор? Ну причем легенда о грифе к рассматриваемой схеме усилителя первой промежуточной частоты?

«А»: Я, кажется, понял причем! Вы Спец, хотите сказать, что до сих пор мы старательно обходили вопрос о двухзатворных MOSFET. Об их особенностях и использовании. Но ДВУХЗАТВОРНИК встретил нас здесь!

«С»: Я всегда любил разговаривать с высокоинтеллектуальными собеседниками, дорогой Аматор! Полагаю, что не только мы, но и электроника вообще, уже не сможет обойтись без двухзатворных MOSFET.

«А»: Согласен, но в схеме смесителя нашего приемника мы их не увидели.

«С»: Они, кстати, совсем не плохи и в схемах смесителей. Но мы пошли по иной тропе… А вот в схемах резонансных, селективных усилителей, ДВУХЗАТВОРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ — КОРОЛИ!

«Н»: «…Хорошая девочка Лида! Да чем же она хороша?»

«С»: Сейчас объясню. Любопытно, что в обычном своем (см. нашу схему) подключении, любой двухзатворный MOSFET ВКЛЮЧЕН КАСКОДНО! А преимущества каскодных схем нам уже известны. Далее, двухзатворные MOSFET характеризуются ЗНАЧИТЕЛЬНЫМ ВХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ! А что из этого следует?

«А»: Это дает возможность подключать НЕПОСРЕДСТВЕННО в стоковую цепь резонансные системы. При этом, не шунтируя их, то есть сохраняя узкую полосу.

«Н»: Ну, а чем хуже обычный MOSFET?

«С»: Емкостью Миллера, например! Впрочем, некоторые конкретные цифры не помешают. Исследователи установили, что транзистор КП305 на пример, в цепи стока которого включен резонансный контур, эквивалентен на частоте 50–60 МГц сопротивлению от 2 до 3 кОм. А значит, шунтирует контур!

«А»: Ну, а двухзатворный?

«С»: А вот MOSFET типа КП306; КП350; КП327; КП359 имеют в этом случае эквивалентное сопротивление около 20 кОм! А это уже совсем иное дело!

«А»: Может это покажется странным, но я никогда не мог понять, в чем разница между КП306 и КП350?

«С»: Только в том, что КП306 более подходит для УВЧ, чем КП350. Поскольку в его техническом паспорте ОСОБО ОГОВОРЕН такой параметр, как КВАДРАТИЧНЫЙ УЧАСТОК переходной характеристики по первому затвору! Вот этот участок характеристики мы и будем сейчас использовать.

«Н»: Не могли бы вы более подробно рассказать о двухзатворных приборах?

«С»: Это огромная отдельная дисциплина! Могу только отметить, что двухзатворный MOSFET — это кристаллический аналог тетрода.

В центре канала, который обычно управляется обеднением и обогащением, помещена узкая низкоомная область — экран, который отсекает влияние поля стока на первый затвор. Это эквивалентно действию экранирующей сетки тетрода.

Двухзатворники, кроме того, характеризуются низким уровнем шумов. А также тем интересным обстоятельством, что допускают управление своим режимом по постоянному току путем изменения потенциала второго затвора.

«А»: У меня-только один вопрос! Зачем включен каскад на jFET? Что это может означать?

«С»: Только одно. Нам, просто до зарезу, нужно знать, какова реальная амплитуда сигнала на входе кварцевого полосового фильтра!

«Н»: А как мы употребим это знание? Куда его применим?

«С»: Знание (где-то по большому счету) — это сила, Незнайкин! И применять его можно широко! Но в данном случае… это уже забота радиоприемника! Поскольку выпрямленный и отфильтрованный сигнал, однозначно характеризующий Uвх фильтра, является управляющим для электронных цепей ПЕРВОЙ ПЕТЛИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ, иначе — АРУ1.

«А»: Именно этот сигнал и управляет р-i-n-диодом входного аттенюатора?

«С»: Точно так! Не желаешь ли увидеть одно из возможных практических решений этой задачи?

«А»: Еще бы нет! Заранее убежден, что эта цепь АРУ мало напоминает соответствующую цепь обычного радиоприемника, нет?

«С»: Ты, пожалуй, прав! Впрочем, вот она, суди сам (рис. 24.3).

«А»: Ну и ну! А не слишком здесь много всего нарисовано, дорогой Спец? Да и электричества такой узелок берет, очевидно, море?

«С»: А вот и не угадал, дружище! Эта схема, в действительности, полна скрытных и явных достоинств. Прежде всего, расставим все точки над «i» в вопросе расходования энергии. Ты можешь заметить, что схема содержит три операционных усилителя (ОУ) типа КР140УД1408А. Это отличные, высокоточные и, в то же время, массовые ОУ. Их ток потребления, между прочим, на уровне 0,5 мА на корпус! Что касается ОУ К140УД17, то их ток потребления — не более 10 мА.

«Н»: Как, все три ОУ потребляют только 1,5 мА?

«С»: Невероятно, но факт! Далее. Задача управления р-i-n-диодом в качестве аттенюатора не так проста. И вопрос, откуда брать для этого управляющий сигнал, дискутировался годами! Имеется значительное количество самых разнообразных вариантов схемной реализации этого узла. Поэтому то обстоятельство, что управляющий сигнал берется ДО второго преобразователя частоты, далеко не случаен. Но как его лучше получить? А если мы, проходя диапазон, встретились с очень мощной помехой? Вот почему в нашем случае применен «хитрый» детектор, который детектирует НЕ ОГИБАЮЩУЮ сигнала, а непосредственно УРОВЕНЬ НЕСУЩЕЙ!

«А»: Но на выходе широкополосного диодного детектора амплитуда постоянного сигнала очень мала. Так вот для чего здесь используется высококачественный усилитель постоянного тока, выполненный на ОУ D3, D4 и D5?!

«С»: Исключительно для этого! Вообще должен заметить, что собственно ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (а именно так именуются дифференциальные усилители высокого качества), собранный по предложенной схеме, является стандартным, всесторонне проверенным узлом. Такая конфигурация широко используется в профессиональной аппаратуре.

«А»: Я встречал в литературе упоминание о том, что на западе такой усилитель выпускается в виде отдельной микросхемы.

«С»: Причем очень широко! Особенно преуспели в этом японские фирмы и такая американская, как BURR-BROWN. Но мы исходим из того, что имеем… Между прочим, коэффициент усиления инструментального усилителя может регулироваться в ШИРОКИХ ПРЕДЕЛАХ заменой всего ОДНОГО резистора, обозначенного, как R15. При уменьшении R15 — коэффициент увеличивается и наоборот.

«Н»: А что представляют собой узлы, собранные на D1 и D2?

«С»: Каждый из них есть ни что иное, как ИТУН. Эта аббревиатура расшифровывается как ИСТОЧНИК ТОКА, УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ. Вернемся к нашей задаче. Ведь ток через р-i-n-диод определяет очень многое. Этот ток ПРОХОДИТ ПО ВХОДНОМУ КОМПОНЕНТУ высококачественного приемника! Поэтому НИКАКИХ отклонений этого тока от заданной величины мы допускать не вправе! НИКАКИХ случайных импульсов, выбросов, дрейфов и т. д.!

«А»: То есть если с выхода инструментального усилителя на вход ИТУН поступает определенный сигнал, то отклонений тока не будет, даже если напряжение питания, скажем, меняется?

«С»: Ты верно ухватил суть дела!

«Н»: А почему не удалось обойтись одним ИТУНом, в нагрузке по току которого и стоит р-i-n?

«С»: Проанализируем ситуацию! Допустим, что сигнал на антенном входе достаточно МАЛ! В этом случае р-i-n-диод должен обладать МИНИМАЛЬНЫМ возможным сопротивлением для ВЧ-сигнала. Но это будет только в том случае, если через р-i-n проходит некоторый ощутимый ток (несколько миллиампер) высокого качества, то есть БЕЗ ИМПУЛЬСОВ, ШУМОВ, ПОМЕХ.

Но из этого следует, что для этого ИТУН, собранный на D1 и транзисторах VT1 и VT2, должен на своем НЕИНВЕРТИРУЮЩЕМ входе иметь НЕ НУЛЕВОЙ, а некоторый МАКСИМАЛЬНЫЙ (для данной схемы) положительный потенциал!

«А»: То есть на входе ИТУН сигнала нет, а потенциал максимальный?!

«С»: Вот в этом и соль! А между тем, это большое дополнительное удобство при наладке схемы. Регулируя величину (по схеме R5), или слегка изменяя номинал резистора R1, мы устанавливаем ОПТИМАЛЬНЫЙ ТОК р-i-n-диода при отсутствии сигнала по петле АРУ!

«А»: Наконец-то я понял! В то же время ИТУН, собранный на D2 и транзисторах VT3 и VT4, при ОТСУТСТВИИ падения напряжения на R10 не «засветит» светодиод оптрона, так?

«С»: Ну безусловно! А «темный» светодиод оптрона АОР124 соответствует МИНИМАЛЬНОЙ проводимости фоторезистора Rф. Его величина исчисляется при этом в сотнях килоом. Следовательно, никакого шунтирующего действия на R2 он не оказывает.

«Н»: Значит на входе 3 микросхемы D1 присутствует МАКСИМАЛЬНЫЙ сигнал, что и требуется?

«С»: Верно, а теперь представим другой случай, когда сигнал на выходе инструментального усилителя увеличился настолько, что потенциал на R10 стал вполне ощутим. Что тогда?

«А»: В этом случае светодиод оптрона начинает, наконец, светиться, а проводимость Rф — возрастать. Стало быть, начинает шунтировать резистор R2. Значит потенциал на входе 3 микросхемы D1 УМЕНЬШАЕТСЯ. Но это ЭКВИВАЛЕНТНО УМЕНЬШЕНИЮ ТОКА через p-i-n-структуру.

Следовательно, мы имеем дело с явным случаем РЕГУЛИРОВАНИЯ величины поступающего на УВЧ высокочастотного сигнала. Что и требовалось!

«С»: В таком случае, традиционный вопрос: какие будут предложения, пожелания, замечания, наконец?

«Н»: Знаете, Спец, электроника первой АРУ не представляется мне больше громоздкой и непонятной!

«С»: Отлично! В таком случае, как говорили прежде кавалерийские командиры — вперед! Только вперед!

Глава 25. От УПЧ2 к индикации частоты настройки

«Аматор»: Вот мы подошли и ко второму смесителю.

«Незнайкин»: Он, очевидно, такой же, как и ранее рассмотренный первый!

«Спец»: Мне бы по этому поводу да твою уверенность, дружище!

«Н»: А почему так?

«С»: Дело в том, что, прекрасные во всех отношениях, кольцевые смесители на диодах Шоттки имеют импеданс около 50 Ом. Тебе это ни о чем не говорит?

«Н»: Момент… Если мы с места в карьер подадим на такой смеситель сигнал со стока двухзатворного MOSFET, то… мы рискуем погубить ранее достигнутые успехи?!

«С»: Ну да, ведь мы уже говорили о том, что эквивалентное выходное сопротивление двухзатворного MOSFET велико! Что и делает его таким привлекательным для нагрузки, если в качестве таковой используются резонансные цепи!

«А»: Иначе говоря, без некоторой ПЕРЕХОДНОЙ ЦЕПИ здесь не обойтись? А какой она должна быть?

«С»: Америка уже, слава Богу, открыта! И нам ее «открывать» совершенно не требуется! Поэтому применим вот такую развязывающую схему (рис. 25.1).

«Н»: Так это же эмиттерный повторитель! Я прав, или я лев?…

«С»: В данном случае ты совершенно прав!

«А»: Ну, дальше, как однажды выразился «папа Мюллер» — все будет просто и неинтересно!

«С»: Считаешь?… Дальше, конечно же, последует ВТОРОЙ преобразователь частоты. Его основная задача — при помощи кварцованного гетеродина, понизить промежуточную частоту с 55,5 МГц до 1,465 МГц! Чтобы основное усиление сигнала пришлось именно на долю второго УПЧ!

«А»: Второй смеситель подобен первому. Если бы не явная разница в параметрах выходного диплексора, я бы сказал, что оба смесителя близнецы-братья!

«С»: Не так, чтобы очень! Вспомни, что есть существенная разница в диапазонах рабочих частот. А значит, в моточных данных ШПТЛ для второго смесителя. Мы, в дальнейшем, приведем все необходимые данные.

«С»: Ни материал, ни типоразмер! Моточные данные L1 и L2 — будут приведены на окончательной схеме.

«А»: Осталось рассмотреть еще принципиальную схему УПЧ2.

«С»: Не мудрствуя лукаво, просто зарисуем ее (рис. 25.2).

«А»: У меня по этой схеме есть следующий вопрос. Почему в данном случае вы применили более простой дифференциальный усилитель на D2? А не тот, более сложный, инструментальный как в схеме первой АРУ?

«С»: Причина только одна. Уровень выходного сигнала представленного здесь второго УПЧ, ЗНАЧИТЕЛЬНО ВЫШЕ, чем у первого! А значит и требования к дифференциальному усилителю постоянного тока, реализованного на D2 — не такие строгие!

«Н»: А как реализованы контурные катушки?

«С»: Использованы каркасы Тип-2. Намотка однослойная, виток к витку проводом ПЭВ-2-0,1. Вот как должна выглядеть такая катушка (рис. 25.3).

«А»: Не означает ли это, что ВСЯ высокочастотная часть разрабатываемого приемника уже представлена?

«С»: Кроме «небольшого» узелка!

«А»: Не амплитудного ли детектора?

«С»: Нет, до него еще мы не добрались… Им мы займемся, когда закончим ВСЕ вопросы, связанные с высокими частотами.

«А»: В таком случае, как я понимаю, на очереди — ЦОУ (цифровое отсчетное устройство)? Но тут нет проблем! Осталось подать на его вход ВЧ-сигнал с ГПД… и всех дел!

«С»: Ну и как ты это собираешься реализовать?

«А»: Естественно, задающий генератор я трогать не буду! И в работу переходного усилителя, собранного на jFET с общим затвором (см. принципиальную схему ГПД) вмешиваться тоже не желаю…

«С»: В этом ты весьма прав… Интуиция, дружище, тебя не подвела!

«А»: Очевидно, самым разумным решением было бы как-то так взять сигнал с выхода ГПД, чтобы не нарушить его выходной импеданс… По-моему наилучшим решением будет опять-таки эмиттерный повторитель! Нет?

«Н»: Можно, я сам попробую изобразить нужную для этого принципиальную схему?

«С»: Мы с удовольствием передаем эстафету тебе!

«Н»: Тогда вот так вот, пожалуй… Что скажете? Это все тот же рис. 25.1!

«С»: Ну, Незнайкин, молодец! Весьма неплохо! Единственное, что я бы сделал, так это отыскал бы местечко для повторителя прямо на плате ГПД, а вот ОКОНЕЧНЫЙ усилитель установил бы на плате ЦОУ.

«А»: Соединив их высокочастотным кабелем?

«С»: Только кабелем, и НИКАК ИНАЧЕ!

«Н»: А теперь можно переходить к ЦОУ?

«С»: Вот теперь-то и можно, и нужно!

«А»: Но было бы неосмотрительно не коснуться еще одного очень серьезного вопроса. Попрошу внимания… Итак, допустим, что у нас есть ГПД, который должен перестраиваться в определенном диапазоне частот (ранее мы точно определили, в каком именно).

Причем эти частоты, как в процессе настройки и отладки приемника, так и в процессе эксплуатации, мы должны четко определять! С большой точностью!.. Затем у нас есть кварцованный генератор. Частоту которого желательно проконтролировать в процессе отладки.

«Н»: А это зачем!? Ведь там же есть кварц, который все сделает за нас!

«С»: А затем, что бывают случаи, когда неправильно отрегулированный кварцевый генератор возбуждается… на ГАРМОНИКЕ кварца! В этом случае его частота может в НЕСКОЛЬКО РАЗ отличаться от требуемой! Так что Аматор здесь абсолютно прав!

«Н»: Но ведь, помимо того, у нас имеются еще и два УПЧ, частоту настройки которых тоже не мешало бы знать…

«С»: Тогда подытожим… Я понял из ваших слов, что вопрос контроля и измерения частоты вызывает у вас опасения?

«А»: Скорее некоторое недоумение. Как, в самом деле, мы сможем контролировать этот. процесс? Ведь в нашем распоряжении НЕТ мощной электронной лаборатории с десятком сложных приборов! Ну один-два раза с вашей, уважаемый Спец, помощью, мы сможем посмотреть на осциллографах формы сигналов гетеродинов…

«С»: Естественно, я помогу вам! Осциллограф, особенно высокочастотный, это сложный прибор. Его в домашних условиях не изготовить! Но… дело представляется тебе, дружище Аматор, чуть-чуть более трудным, чем оно является в действительности!

«А»: Как понимать эти слова?

«С»: Давайте спокойно обдумаем ситуацию… Форму сигнала гетеродинов мы, в случае необходимости, можем проконтролировать у меня на работе. Я сказал — в случае необходимости. Потому что хорошо спроектированный гетеродин, в подавляющем большинстве случаев, сразу обеспечивает отличную форму сигнала.

А вот контролировать ЧАСТОТУ приходится, практически, в течение ВСЕГО ПЕРИОДА настройки. Поэтому электронный частотомер — прибор просто необходимый!

«А»: Вот об этом и речь! Но купить готовый, заводской частотомер — это непростой вопрос! Требующий, к тому же, определенных финансовых резервов, которых в настоящий момент нет.

«С»: А между тем имеется БЛЕСТЯЩИЙ ВЫХОД из этой ситуации!

Промышленные, профессиональные электронно-счетные частотомеры, имеющие точность до единиц герц, содержат от семи до восьми знакомест на индикаторе. Кроме этого, они могут определять ПЕРИОД колебаний, ДЛИТЕЛЬНОСТЬ, ОТНОШЕНИЕ двух частот и т. д. Масса возможностей…

Но нам все это великолепие… НЕ НУЖНО! А вот что нам ДЕЙСТВИТЕЛЬНО НУЖНО? Вы думали над этим вопросом?

«А»: Фактически, нам необходимо контролировать частоту в диапазоне от 40 до 90 МГц с точностью до ОДНОГО килогерца!

«С»: Совершенно верно! В таком случае почему бы нам самим не сделать себе электронно-счетный частотомер, обладающий такими возможностями? Тем более, что от изготовления ЦОУ для приемника мы ведь все равно не откажемся?

«А»: А и правда, ведь такой частотомер, по своей функциональной схеме недалек от ЦОУ?

«С»: Более того, на основе такого частотомера, который, кстати, умещается ВЕСЬ на одной небольшой плате, мы и отработаем ЦОУ для нашего радиоприемника!

«Н»: А может для начала просто сделать такой частотомер? А затем оставить его в домашней лаборатории в качестве измерительного прибора? Тогда, в дальнейшем, он может послужить нам еще не один раз!

«А»: Отличная идея! Мы так и поступим! В таком случае, отчего бы не начать обсуждение схемы частотомера, на основе которого, в дальнейшем, мы и отладим ЦОУ?

«С»: Вот это как раз то самое, что я называю КОНСТРУКТИВНЫМ ПОДХОДОМ! Итак, прежде всего, прошу ответить на такой простой вопрос: что значит ИЗМЕРИТЬ ЧАСТОТУ КОЛЕБАНИЙ?

«Н»: Это значит точно определить, сколько в течение одной секунды происходит полных колебаний маятника. Или периодов электромагнитных колебаний. Или сколько за это же время проходит импульсов…

«А»: Верно! А зная число периодов за секунду ЛЮБОГО КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА, мы знаем и ЧАСТОТУ!

«С»: А эту самую секунду вы собираетесь определять по своим ручным часам? Или как…

«А»: Нет, зачем же… Можно посредством специальных генераторов, которые выдают импульс длительностью ровно в ОДНУ СЕКУНДУ! Как это и происходит в электронных ручных часах, например.

«С»: Короче говоря, мы прежде всего должны иметь ЭТАЛОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ, период следования которых равен именно ОДНОЙ СЕКУНДЕ С ОЧЕНЬ ВЫСОКОЙ ТОЧНОСТЬЮ! Эта точность должна сохраняться ВО ВСЕМ РАБОЧЕМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР прибора!

«Н»: А в процентах как это себе можно представить?

«С»: Кварцевый генератор импульсов считается весьма средним, если точность генерируемого секундного импульса поддерживается на уровне ОДНА ДЕСЯТИТЫСЯЧНАЯ ПРОЦЕНТА!

Хорошие генераторы для промышленных приборов дают точность от ОДНОЙ СТОТЫСЯЧНОЙ ДО ОДНОЙ МИЛЛИОННОЙ ПРОЦЕНТА! Но есть, например, в США радиостанция, период колебаний которой стабилизирован с точностью до ОДНОЙ МИЛЛИАРДНОЙ ПРОЦЕНТА!!

«А»: Ну, это вообще…

«Н»: Это какие же точные кварцы нужны!

«С»: Само-собой… При этом применяется еще и МНОГОКРАТНОЕ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕ ОБЪЕМА! В котором работают кварцевые генераторы! Так что в особо ответственных случаях рабочая температура кварцевых генераторов поддерживается С ТОЧНОСТЬЮ ДО ТЫСЯЧНЫХ ДОЛЕЙ ОДНОГО ГРАДУСА!

«Н»: А мы будем применять термостатирование?

«С»: ПОКА подобная мера НЕ ПРЕДПОЛАГАЕТСЯ. Кстати говоря, вот схема генератора секундных импульсов (рис. 25.4)!

«А»: Это оригинальная схема, или она уже применялась?

«С»: Применялась и не раз различными авторами. И зарекомендовала себя очень хорошо.

«Н»: А на какую частоту использовать КВАРЦ?

«С»: Частота стандартная — 32768 Гц! Что составляет ДВА в ПЯТНАДЦАТОЙ СТЕПЕНИ! Дело в том, что микросхема содержит в себе не только собственно генератор, но и схему двоичного делителя на 32768! Поэтому с вывода 5 микросхемы идут ОПОРНЫЕ ИМПУЛЬСЫ с периодом ОДНА СЕКУНДА или ОДИН ГЕРЦ!

Но тот же самый генератор, одновременно выдает еще несколько последовательностей импульсов: С частотой ДВА герца и ШЕСТЬДЕСЯТ ЧЕТЫРЕ герца. Кроме того, с выводов 11 и 12 микросхемы, можно наблюдать КОНТРОЛЬНЫЕ ИМПУЛЬСЫ непосредственно генератора. Их частота — 32768 Гц.

«А»: И эти импульсы используются ТОЛЬКО для формирования счетного периода?

«С»: Нет, не только! Также и для формирования СЛУЖЕБНЫХ импульсов.

«Н»: А как проще всего представить себе, для чего нужны служебные импульсы?

«С»: Внемлите, римляне!.. Именно умение правильно выработать служебные импульсы и ОПРЕДЕЛЯЕТ ПРОФЕССИОНАЛЬНОСТЬ уровня разработки! Я вспоминаю, хотя и очень претенциозный, но исключительно слабый и наивный фильм о разведчиках — «Щит и меч»! Но там есть великолепнейшая фраза! Ее произносит какой-то немецкий чин Абвера.

«А»: Я недавно видел этот фильм по телевизору. Полагаю, что вы имеете в виду следующий эпизод. Какой-то абверовский мэтр спросил абверовского майора Штейнглица, каковы, по его мнению, приметы осла? На что Штейнглиц поспешил ответить, что это не иначе, как уши! На что мэтр ехидно заметил, что это именно осел так рассуждает! Затем взял со стола отчет Штейнглица о проведенной операции и сказал, что вот они, ослиные приметы!

«С»: Великолепный комментарий, дорогой Аматор! Эту сцену я часто вспоминаю, когда смотрю на некоторые непрофессионально сработанные электронные цифровые устройства. И вам не мешает знать, что если показания на цифровом индикаторе мелькают (иногда радисты говорят — «булькают») при каждой смене показаний; или если для получения определенного цифрового значения какой-либо величины приходится несколько раз наблюдать как, будто ступеньками, нарастает показание — то это ТОТ САМЫЙ ПРИЗНАК!

«А»: Я видел подобное не раз! Но в отличие от осла, человек учится, так сказать, растет!..

«С»: Вот именно! Поэтому в нашей схеме никаких «бульканий» или там мерцаний не будет! Показания, как и должно, будут сменяться плавно. И в этом вопросе роль служебных импульсов просто НЕВОЗМОЖНО ПЕРЕОЦЕНИТЬ!

«А»: Так давайте распишем принципиальную схему!

«С»: Это первое, с чего начнется наша следующая встреча!

Глава 26. Цифровые схемы в радиоприемнике

«Незнайкин»: Добрый день, уважаемый Спец!

«Спец»: Приветствую, дружище! А почему я замечаю признаки печали на твоем челе? Что произошло?

«Н»: Просто я морально готовлюсь к тому моменту, который скоро наступит. Я имею в виду переход от изображения микросхем в виде треугольников и прямоугольников к их реальным принципиальным схемам… Но вот переживу ли я это?

«Аматор»: Вопрос, поистине, гамлетовский, Незнайкин! Ноты совершенно напрасно переживаешь! Вне всяких сомнений, любая микросхема имеет свою внутреннюю структуру. Которую можно представить в виде принципиальной электрической схемы.

Но не только тебе, а и значительно более опытным радиолюбителям, знание микросхем на таком уровне совершенно излишне!

«С»: Нет предела повышению уровня инженера — электронщика! Есть великолепные монографии и пособия, где приведены «принципиалки» и объяснены особенности многих микросхем. Как линейных, так и цифровых. Но даже инженеру-разработчику это нужно далеко не всегда!.. С другой стороны, будем помнить, что интегральные микросхемы условно подразделяются на несколько категорий…

«Н»: Ну, если так, то может вы расскажете, что вообще понимается под термином «интегральная микросхема»?

«А»: А действительно, раньше как-то больше употреблялся термин «интегральная схема» и даже «твердая схема». Это что, все какие-то разновидности?

«С»: Дело в том, мои юные друзья, что вообще термины «интегральная схема», «твердая схема» или просто «схема» являются не совсем удачными. И следует, по возможности, избегать их использования. Ведь, как известно, схема — это чертеж! Твердыми, насколько мне известно, являются ВСЕ электронные изделия.

Так что в настоящее время общепринято, что наиболее грамотным термином является именно «микросхема». Применительно к изделию.

«Н»: А когда вообще была изготовлена первая микросхема?

«С»: Прежде всего, определимся в понятиях.

Итак… ИНТЕГРАЛЬНОЙ МИКРОСХЕМОЙ называют микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигналов. И имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и кристаллов.

Которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке и эксплуатации рассматриваются как единое целое. Плотность упаковки элементов в микросхеме может достигать ОЧЕНЬ БОЛЬШОГО числа элементов в одном кристалле.

«Н»: А какого именно числа?…

«А»: Терпение, Незнайкин…

«С»: Итак, немного истории… Первая интегральная микросхема была создана в 1958 году в лаборатории американской фирмы TEXAS INSTRUMENTS. Ее авторы Джек Килби и Роберт Нойс. Однако, справедливости ради, следует заметить, что идея интегральной схемы была предложена еще в 1952 году англичанином Арнольдом Даммером.

Он тогда сказал следующее: «… можно себе представить электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего соединительных проводов. Блок может состоять из слоев изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определенные участки вырезаны таким образом, чтобы они могли выполнять электрические функции».

«А»: А Килби и Нойс знали Даммера?

«С»: Исследователи полагают, что нет… Кстати, Килби изготовил первую интегральную микросхему на кусочке монолитного германия. Это был ТРИГГЕР. Любопытно, что первая микросхема была встречена специалистами весьма критически… Но, к сожалению, прервем наш экскурс в историю микросхем. Нас ждут текущие вопросы!

«Н»: А жаль…

«С»: «Открылась бездна, звезд полна…» Так вот, интегральная микросхема содержит элементы. ЭЛЕМЕНТОМ интегральной микросхемы называется некая часть этой ИМС, реализующая функцию, скажем, транзистора, диода или резистора и т. д. Элемент неразделим с кристаллом, не может быть отделен от микросхемы. Он НЕ ЯВЛЯЕТСЯ самостоятельным изделием.

«А»: Но элементы ИМС очень миниатюрны?

«С»: Конечно! Об этом говорит и такой параметр микросхемы, как СТЕПЕНЬ ИНТЕГРАЦИИ. Это есть характеристика сложности ИМС, которую определяет ЧИСЛО содержащихся в ней элементов.

Различают несколько уровней интеграции. Еще недавно говорили, что ИМС малого уровня интеграции содержат до 10 элементов на одном кристалле. СРЕДНЯЯ ИНТЕГРАЦИЯ характеризуется количеством до 100 элементов. Если число элементов порядка 1000 — это БОЛЬШАЯ степень интеграции, или БИС. До 10000 — это сверхбольшая степень или СБИС. Ну и так далее.

«А»: А насколько далее?…

«С»: Намного! Я, например, просто ума не приложу, где это сейчас можно встретить ИМС, содержащую всего десяток элементов?! Микросборки не в счет!

Да об этом уже забыли давным-давно! Современные ОУ — это не менее сотни элементов! Цифровые ИМС серии 176 (561) — превышают сотню. Но их БИСами никто не величает! Или вот недавно в Киеве проводилась интересная выставка «Enter/X-97».

Так вот там были представлены данные по новейшему сверхскоростному микропроцессору всемирно известной американской фирмы INTEL— PENTIUM PRO. Его кристалл содержит, ни много, ни мало — 5,5 МИЛЛИОНА транзисторов!

«Н»: Миллионов?!..

«С»: Да! Этот микропроцессор выпускается серийно уже больше года! Рабочая частота — 200 МГц! Мало? А вот вам еще! TEXAS INSTRUMENTS недавно заявила о создании новой технологии, позволяющей реализовать компьютерные чипы (микросхемы) с размером элементов НЕ БОЛЕЕ ОДНОЙ ШЕСТИСОТОЙ диаметра ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ВОЛОСА! Это позволит разработчикам «втиснуть» на один чип… БОЛЕЕ СТА МИЛЛИОНОВ транзисторов!..

«А»: Я даже не могу сообразить, какие возможности это открывает для электроники!?

«С»: Ты в этом деле не одинок… САМИ СОЗДАТЕЛИ этой НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ТОЖЕ не могут этого себе представить! И НЕ БОЯТСЯ признаться в этом!

«Н»: А как же назвать такие миниатюрные СВЕРХГИГАНТЫ?

«С»: А вот это уже не наша головная боль!.. Кстати, Незнайкин, ты бы потребовал и в этом случае прилагать к техническому описанию ИМС ее подробную принципиальную схему!?

«Н»: Пусть меня лучше застрелят!..

«С»: Просто и убедительно… Итак, мы выяснили очень важный вопрос! Что микросхемы даже ТАКОГО УРОВНЯ, с которым нам предстоит практическая встреча, будут нами ИЗУЧАТЬСЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО, а не СХЕМНО! Вопросы есть?

«А»: Как говорил «товарищ Сухов» — вопросов нет!

«С»: Ну тогда есть вопрос у меня. Что мы оставили себе в наследство от первобытного человека, как знак уважения?

«А»: Ну… сидеть у костра с друзьями… Да! Считать до десяти!

«С»: Молодцом! А пересчитывать импульсы путем загибания пальцев мы ведь не собираемся? Нет? Вот поэтому хочу предложить вашему высокому вниманию великолепную (в своем роде) ИМС все той же серии К176. В ней, правда, не сотни тысяч элементов, а всего только сотни, но свою роль эта микросхема выполняет нормально!

«Н»: А какова ее роль?

«С»: Ее основная роль и задача — это быть СЧЕТЧИКОМ. Считать импульсы. От одного до десяти. Да вот она, перед вами! Прошу взглянуть на рисунок. К176ИЕ2 — двоично-десятичный счетчик. Прошу любить и жаловать (рис. 26.1)!

«А»: ДВОИЧНО-ДЕСЯТИЧНЫЙ следует понимать так, что он может работать и в режиме многократного деления длительности входных импульсов НА ДВА, и в режиме ПЕРЕСЧЕТА количества входных импульсов с коэффициентом ДЕСЯТЬ?

«С»: При этом в первом случае 176ИЕ2 действительно делит число входных импульсов на 2; 4; 8 и 16. Без изменения их скважности! А во втором случае, на своем 11 выводе микросхема формирует ОДИН импульс ПОСЛЕ того, как на ее СЧЕТНЫЙ ВХОД «СР» поступает ДЕСЯТЫЙ счетный импульс!

«Н»: То есть на вход «СР» идут непрерывной чередой импульсы, число которых делится ТОЧНО на ДЕСЯТЬ на выходе 8 (вывод ИМС 11)?

«С»: Ты все очень правильно себе представляешь!

«А»: А что означают обозначения S1; S2; S4 и S8?

«С»: Это, так называемые, ВХОДЫ ПРЕДУСТАНОВКИ. Они нам, возможно, понадобятся позднее. Пока же мы их объединим и соединим с «землей». И еще одно. ИМС 176ИЕ2 делит на 10 в ПАРАЛЛЕЛЬНОМ КОДЕ, что очень удобно!

«Н»: А что такое параллельный код?

«А»: Это разложение ЛЮБОГО десятичного числа по степеням двойки посредством электрических импульсов.

«Н»: Нуты и сказал!..

«А»: Ну ты и спросил!..

«С»: Друзья мои, все о'кей! Но недоумение Незнайкина, очевидно требует, чтобы вышесказанное было отображено в более наглядном графическом виде (рис. 26.2).

«Н»: Это было бы именно то, что нужно!

«С»: В таком случае — смотрите! Здесь изображены, синхронизированные во времени, реальные эпюры, которые присутствуют на соответствующих выходах ИМС К176И Е2. Этот код так и называется: 1-2-4-8.

«А»: Ну, наконец-то я его вижу!

«С»: Ты можешь наблюдать его и на осциллографе.

«Н»: А зачем нужен вывод «CN»?

«С»: Достаточно знать, что этот вывод должен (через резистор 3 кОм) быть подключен к плюсу питания микросхемы. Кстати, учтите, что вывод, обозначенный, как «R» — служит для ОБНУЛЕНИЯ счетчика.

Счет разрешен, когда на выводе «К» присутствует уровень логического «0». Но если на этом выводе имеется потенциал, соответствующий логической «1» — тогда счетчик сбрасывается в НУЛЬ!

«А»: Ну, а как понимать назначение вывода «А»?

«С»: Вывод «1», обозначенный, как «А» — следует в нашей схеме просто соединить «землей». Ну, а выводы 10 и 15 — не используются.

«Н»: Теперь счетчик готов к работе?

«С»: Вполне! Ведь ради этого он и создан! Но обратите внимание! Вот счетчик начал считать импульсы. А как без осциллографа, наглядно, в любой момент, можно видеть, каковы его успехи в счете?

«А»: Нужно его выходы соединить с цифровым индикатором. Но, цифровые индикаторы десятичных цифр имеют СЕМЬ СЕГМЕНТОВ! Так их от К176ИЕ2 — не задействовать!

«С»: Разумеется! Для подобной операции предназначена другая ИМС, которая изготовляется именно для РАБОТЫ В ПАРЕ с К176ИЕ2. Эта ИМС именуется К176ИД2. Она представляет из себя универсальный ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОДОВ (рис. 26.3).

«Н»: Какого кода в какой?

«С»: Двоично-десятичного 1-2-4-8 в СЕМИСЕГМЕНТНЫЙ ПОЗИЦИОННЫЙ. А универсальным этот преобразователь считается из-за того, что имеет в своем составе как ПАМЯТЬ, так и СЕРВИС!

«Н»: Как сказал, по другому правда поводу, Максим Перепелица — в каком смысле?

«С»: Да в самом прямом! Входы «S» и «К» дают возможность осуществлять гашение подключенных к микросхеме индикаторов, а также ИНВЕРТИРОВАТЬ полярность выходных сигналов. А это имеет решающее значение, если индикаторы попались не с той буквой!

«А»: Это как в «Белом солнце пустыни», когда гранаты были «не той системы»? И потом я хотел спросить, а куда подключается вывод, обозначенный, как «С»?

«С»: Только не к земле! Этот вывод управляет памятью К176ИД2. Когда на входе «С» — уровень «1», ИМС сбрасывается в «0».

«Н»: Я вижу также СЕМЬ выводов, обозначенных как: а; Ь; с; d; е; f; q. Мы их не перепутаем, подсоединяя к индикаторам?

«А»: Не боись, не перепутаем. Меня, кстати, больше занимает вопрос разумного выбора самого индикатора.

«С»: Да, это вопрос достаточно тонкий. Поскольку скорость и точность ОПОЗНАНИЯ цифр зависит от ряда факторов. От формы цифр, их размеров, яркости свечения индикатора, его расстояния до наблюдателя, внешней освещенности. Не последнее место имеет ЦВЕТ свечения и эстетика. Все эти факторы для пользователя далеко не безразличны! Выбирается их оптимальное сочетание. Ошибка на этом этапе в дальнейшем может обернуться ошибками при считывании показаний, повышенной утомляемостью, чувством дискомфорта.

Так что, друзья мои, объявляю заседание дискуссионного клуба по этой теме — открытым!

«А»: А может все-таки решим вопрос в пользу ЖКИ?

«С»: Да всем они хороши, особенно учитывая их ничтожное энергопотребление. В переносных и карманных приборах им РАВНЫХ НЕТ! Вот только в помещении, где и будет, в основном, происходить эксплуатация приемника, их применение НЕ ЕСТЬ НАИЛУЧШЕЕ РЕШЕНИЕ! Поскольку они требуют довольно яркого внешнего освещения. А в этом случае происходит переотражение света от стеклянного корпуса ЖКИ. Оператор-слушатель быстро устает. Зрение чрезмерно напрягается. А экономия энергии на малом потреблении ЖКИ с лихвой перекрывается расходом энергии на его внешнее освещение!

«А»: Ну, а ВЛИ?

«С»: Иначе, вакуумно-люминесцентный индикатор?

Хорошая вещь. Но требует использования принципа, так называемой ДИНАМИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИИ. Что усложняет процесс настройки частотомера в целом! Кроме того, для ВЛИ нужны напряжения, которых у нас НЕТ. Нестабилизированное 30 вольт и ПЕРЕМЕННОЕ порядка 3–4 вольта.

«А»: То есть остаются ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДАХ?

«С»: Да, их профессионалы любят больше всего. Они (я имею в виду светодиоды) полностью стыкуются с К176ИД2! Очень надежны, не требуют каких-то дополнительных источников напряжения. Вот только какой размер выберем?

«Н»: А разве они такие большие?

«С»: Всякие есть! Большие, средние, маленькие… Есть и совсем крохотные. Красные, желтые, зеленые…

«А»: Я знаю, например, AЛC321; AЛC324; АЛС338. У них высота цифр — 7,5 мм.

«С»: И они очень популярны в цифровых промышленных приборах!

Но вот для шкалы приемника — великоваты! Хотелось бы размер цифр иметь немного поменьше… Вот, например AЛC320. У этого СЕМИСЕГМЕНТНОГО ЦИФРОВОГО ИНДИКАТОРА высота знака — 5 мм. Или вот, АЛ304. Великолепный во всех отношениях семисегментный индикатор. Высота знака — 3 мм.

«А»: Не погубят ли нас, подобно Бармалею, слишком широкие возможности?

«С»: Чтобы этого не произошло, хочу предложить следующее решение. В частотомере применить индикаторы АЛС320. А в приемнике применить АЛ304. Для ЦОУ. А вот индикацию диапазона выполнить на АЛС320.

«Н»: А как быть с цветом?

«С»: Красный цвет свечения более заметен и наряден. А зеленый — меньше утомляет! Но и менее заметен. Так что, в конечном счете, утомляет пользователя еще больше! Поэтому поступайте так, как найдете нужным! А также исходя из того, какие индикаторы раньше удастся раздобыть. Лично я взял бы АЛ304 красного цвета излучения!

«А»: Что мы и сделаем!

«С»: Но помните, что цифровые одноразрядные арсенид-фосфид-галлиевые индикаторы АЛ304 (красного свечения) имеют ТРИ разновидности: АЛ304А; АЛ304Б и АЛ304Г. Первые два — С ОБЩИМ КАТОДОМ. Что же касается АЛ304Г, то он выполнен с общим анодом.

«Н»: Нам-то какая разница? Светят ведь они одинаково?

«С»: Одинаково, да не совсем! А разница важна не столько для нас, сколько для К176ИД2! В зависимости от разновидности примененного индикатора, меняется кое-что и в схемотехнике! И потом, для удобства, на принципиальных схемах вычерчивают вот такой значек-памятку (рис. 26.4).

«Н»: А бывают индикаторы, не содержащие сегмент «Н»?

«С»: Да, например, упоминаемый уже АЛС320. Поскольку обычно этот сегмент засвечивается вовсе не от счетчика или дешифратора, то для него не предусматривается соответствующий вывод. Учтем также, что номинальный рабочий ток через сегмент, при котором индикаторы работают ДЕСЯТКИ ТЫСЯЧ ЧАСОВ — 4 миллиампера.

«А»: А для AЛC320?

«С»: Немногим больше. Номинальный ток равен 6–7 миллиампер. Что оптимально для К176ИД2. Корпус микросхемы при работе — холодный.

«А»: А как эту микросхему приспособить для работы с различными литерами индикатора?

«С»: Если используются индикаторы с общим катодом, то мы уже говорили об этом. А для того, чтобы применить АЛ304Г, следует вывод «S» микросхемы К176ИД2 соединить с источником питания, +7,5 В.

«Н»: Действительно, универсальная микросхема!

«С»: А ты, дружище, полагал, что я выбрал ее просто так?

«Н»: Так что никак нет!

«А»: Молодца, братец!..

«С»: Ну, я полагаю, мы продвинулись в этом вопросе настолько, что можно, наконец, приступить к начертанию ее благородия принципиальной электрической схемы ЭЛЕКТРОННО-СЧЕТНОГО ЧАСТОТОМЕРА!

«А»: Но еще не ЦОУ?

«С»: Поживем — увидим!

Глава 27. Универсальная цифровая шкала

«Спец»: Ну…. «я буду начинать, прошу теперь мне не мешать»!

«Аматор»: Схема частотомера мне нравится. Но боюсь, без «прогулки по схеме» нам не обойтись (рис. 27.1)!

Рис. 27.1. Схема принципиальная электрическая универсального ЦОУ

«Спец»: А кто возражает?

Ну, а поскольку начинать следует всегда с самого начала, то начнем мы нашу «прогулку» по схеме с самого входного разъема. Мы знаем, что на этот разъем, посредством соответствующего по длине и красоте кабеля, подается сигнал от ГИД, например. Это будет просто необходимо сделать, поскольку знать частотные характеристики гетеродина крайне важно.

«Незнайкин»: Итак, сигнал поступает на вход широкополосного УВЧ, собранного по рассмотренной ранее схеме. Затем усиленный сигнал подается на вход микросхемы D7…

«А»: Я только никак не возьму в толк… Ведь К193ИЕЗ — цифровая схема! А сигнал на нее поступает синусоидальный! Значит ей предварительный формирователь импульсов не требуется?

«С»: А я ведь не зря говорил, что это совершенно особая микросхема! Как раз она превосходно работает при подаче на ее вход СИНУСОИДАЛЬНОГО сигнала! Да и входной ее импеданс таков, что она отлично согласуется с вышеуказанным усилителем.

«А»: А как с согласованием напряжения питания?

«С»: Это напряжение для K193HE3 равно +5,2 вольта. Так что совместимость с сериями: 133; 533; 555; 1533 — полная. Таким образом, даже при частоте входного сигнала 85,5 МГц (а это для нашего случая максимальная частота), выходной сигнал микросхемы равен 8,5 МГц. Так что по входной частоте имеется ТРЕХКРАТНЫЙ резерв!

«А»: Забавно, что такой же частотный резерв, относительно максимальной входной частоты 8,55 МГц, имеет второй счетчик К133ИЕ2!

«Н»: На выходе которого максимальная частота равна 855 кГц. Ну, а какой запас по частоте будет у третьего счетчика на К176ИЕ2?

«С»: А вот для этой схемы запас по частоте порядка ДВУХ!

«А»: Это все хорошо и даже отлично, но… серию К176 придется запитывать отдельно, поскольку ее напряжение питания несколько ОТЛИЧАЕТСЯ по величине!

«С»: Безусловно, но разве ты не помнишь слова пилота Дэвида Боумена, которые он передал на Землю с борта «Дискавери», когда подлетал к Сатурну?

«Н»: Я помню! Боумен сказал: «Я преодолел уже более МИЛЛИАРДА километров, а потому последние СТО — меня не остановят!..»

«С»: Браво, Незнайкин! Роман «Космическая Одиссея 2001 года» ты знаешь отлично! И хотя мы создаем не «ЭАЛ-9000», а просто высококачественный радиоприемник, небольшое усложнение схемы ни в коем случае не должно приводить нас в состояние шока!

«А»: Тем более, когда это действительно оправдано и ЛЕГКО реализуемо. Да, в этом случае разумно будет запитать микросхемы D1 и D2 от такого вот узелка, как показано на рис. 27.2.

«Н»: Всего-навсего четыре компонента?

«С»: Я искренно рад, что вы преодолели барьер количественной боязни! Это немаловажный фактор. Поскольку от значительного количества компонентов в современной электронике даже с переходом на БИС и СБИС уйти все равно не удалось! Но вы не задаете вопрос о том, как поведет себя микросхема К176ИЕ2, если на ее счетный вход будут поступать «чужие» логические уровни!?

«А»: И то правда… А как же быть?

«С»: Во-первых, лучше всего применить согласователь уровней. Дело в том, что уровни ТТЛ и ТТЛШ такие: логическая «1» — не менее 2,4 вольта, а логический «0» — не выше +0,8 вольта. Это при стандартном напряжении питания +5 вольт!

«А»: То ли дело КМОП! Там все проще гораздо: логическая «1» равна напряжению питания, а логический «0» соответствует потенциалу «земли»! А мы встретились с необходимостью обеспечить НОРМАЛЬНУЮ работу К176ИЕ2 на достаточно высокой для него частоте — 855 кГц в ТЯЖЕЛЕЙШЕМ из режимов — при несогласованных логических уровнях! А если счетчик станет сбоить?

«С»: Почему «если»? Наверняка именно так и произойдет! Поэтому предлагаю поступить следующим образом — ставим логический преобразователь! Вот его схема (рис. 27.3). Один из вариантов, вернее сказать.

Но у нас вопрос решен еще проще. Согласователь уровней выполнен на транзисторе VT2. С его коллектора сигнал подается на инвертор, в качестве которого используется часть микросхемы D5. С ее выхода импульсы подаются на D9. А вот далее счетные импульсы поступают на вход ПЯТИРАЗРЯДНОГО счетчика, собранного на микросхемах D10—D14. В то же время, системный генератор, собранный на микросхеме D2 — вырабатывает секундные импульсы, поступающие на вход D-триггера, выполненного на D3 (К561ТМ2).

«Н»: А что такое D-триггер?

«С»: Вообще триггер — это логическое устройство, способное хранить ОДИН БИТ данных! Наименование этой единицы информации (один бит), происходит от слов «binary digit» — ДВОИЧНЫЙ РАЗРЯД. К триггерам принято относить ВСЕ устройства, которые имеют ДВА устойчивых состояния.

Различают RS-триггеры, названные так по названию их входов управления: R (reset-сброс) и S (set-установка). А также Т-триггеры (toggle — переключатель), выполняющие только одну функцию — деление частоты некоторой тактовой последовательности, подаваемой на вход «С» в ДВА РАЗА!

«А»: Я читал, что в природе есть еще J-K-триггеры. У них нет неопределенности в таблице состояний, когда, зная, каковы входные сигналы, НЕВОЗМОЖНО ОДНОЗНАЧНО определить выходные.

«С»: Верно! Но наиболее часто (вот как в нашем случае), применяются триггеры с ЕДИНСТВЕННЫМ входом данных D (data). Так называемые D-триггеры. Для такого триггера требуется ВСЕГО четыре внешних вывода: вход D, тактовый вход С и два выхода: Q и HE-Q. Сигналы на этих выходах ВСЕГДА в противофазе относительно друг-друга. Так вот, микросхема К176ТМ2 (К561ТМ2) содержит ДВА РАЗДЕЛЬНЫХ D-триггера!

«Н»: А что ИМС К561ТМ2 делает в нашем частотомере?

«С»: Работать тебе, Незнайкин, в будущем, не иначе, как в контрразведке! Больно профессиональные вопросы задаешь! Она, видишь ли, участвует в реализации очень важной технической задачи — один из ее D-триггеров (с помощью еще трех микросхем) формирует последовательность синхронизированных служебных импульсов. Которые в нужные моменты в течение КАЖДОГО счетного интервала подаются на входы «НЕ-R» пятиразрядного счетчика, а также на входы «С» пятиразрядного преобразователя кодов, собранного на микросхемах D15—D19.

«Н»: А что означает понятие СЧЕТНЫЙ ИНТЕРВАЛ?

«А»: Великий комбинатор говорил, помнится, что тех, кто не читает газет, нужно морально убивать на месте! Так что, Незнайкин, запомни следующее. СЧЕТНЫЙ ИНТЕРВАЛ — это период времени, за который происходит подсчет числа поступающих импульсов, с их запоминанием и выдачей окончательного числа подсчитанных импульсов на соответствующие разряды цифрового индикатора.

«С»: Все так, только я еще бы упомянул о том, что в нашем частотомере, а равно и в будущей схеме ЦОУ, счетный интервал равен в точности ОДНОЙ секунде!

«А»: Ну, а если взять более длительный счетный интервал, скажем, ДВЕ секунды, то при поиске станций, когда регулятор настройки находится в движении, это вызовет большое неудобство!

И потом — ОДНА секунда — это как раз достаточное время, чтобы осознать, какая частота «идет» через тракты приемника!

«С»: Действительно, для большинства практических применений — это оптимум! Хотя в профессиональных, точных электронно-счетных частотомерах используют счетный интервал порядка ДЕСЯТИ секунд и более!

«А»: Если нужно индицировать частоту с точностью СЕМЬ-ВОСЕМЬ знакомест?

«С»: Именно так! Заметим, кстати, что пока идет подсчет количества импульсов в каждом ПОСЛЕДУЮЩЕМ счетном интервале, на цифровом индикаторе сохраняется результат ПРЕДЫДУЩЕГО ПОДСЧЕТА. Сам момент ОБНОВЛЕНИЯ показания на индикаторе продолжается НЕ БОЛЕЕ нескольких десятков микросекунд! И глаз оператора его не замечает. И если предыдущее и последующее показания РАВНЫ, а это характерно, например, при подсчете частоты кварцованных генераторов, то на индикаторе «застынут» одни и те же показания!

«А»: Но если мы имеем дело с ГПД, то даже не прикасаясь к рукоятке настройки, мы увидим «дрейф» последнего разряда. Никакого «бульканья» не будет, просто каждую секунду последняя цифра станет немного «гулять». Туда-сюда, туда-сюда.

«Н»: Это как пелось в каком-то шлягере: «… а мне курортников возить, по морю Черному ходить: туда-сюда, туда-сюда, туда-сюда…»?

«А»: Потом расслабишься, Незнайкин! Еще рановато… Итак, подсчитанные за один счетный интервал импульсы, в коде 1-2-4-8 поступают на соответствующие входы ИМС К176ИД2…

«С»: А далее, преобразованные в семисегментный позиционный код, подаются на СЕМИСЕГМЕНТНЫЕ же цифровые индикаторы АЛ304Г.

«А»: Или подобные?

«С»: Или подобные!..

Но я полагаю, что вы с Незнайкином уже достаточно подготовлены для того, чтобы приступить к практическому изготовлению частотомера. А потому — желаю успеха в этом деле!

«А»: Спасибо за пожелание… И все же на душе осталось легкое облачко…

«С»: «Я тучи разгоню руками»! Не является ли причиной этого тот бесспорный факт, что частотомер — это еще не ЦОУ?

«А»: Вы правы, маэстро! Я подумал и о том, не применить ли нам в будущем ЦОУ, для общего уменьшения количества корпусов, микросхемы более высокого уровня интеграции?

«С»: Которые взяли бы на себя функцию вычитания в каждом счетном интервале из общего количества поступающих импульсов именно того их числа, которое соответствует промежуточной частоте?

«А»: А что, разве подобные схемы не выпускаются?

«С»: Перед тем, как дать вам принципиальную электрическую схему частотомера, я специально обращался в отделы маркетингов нескольких электронных предприятий. Но даже «кузница микросхем» — объединение «Квазар» — ничем не смогло мне помочь!

«Н»: А заграница?…

«А»: Во время ближайшего ланча с президентом американской или японской полупроводниковой фирмы, дорогой Незнайкин, будь добр, не забудь спросить о том, не могут ли они оказать нам соответствующую помощь в части комплектации…

«Н»: Можешь быть спокоен!..

«С»: Как говорил Козьма Прутков-инженер: «Если хочешь ехать в такси, а судьба предлагает автобус, то выбирай автобус, ибо он следует по расписанию». Поэтому дружненько взбодрились, собрались с духом и подумали о том, что же конкретно нам нужно сделать, чтобы можно было трансформировать частотомер в ЦОУ!

«А»: Прежде всего, в каждом счетном интервале вычитать значение промежуточной частоты.

«С»: А какие для этого существуют пути?

«А»: После того, как вы, Спец, расскажете об этом, мы тоже сможем принять участие в дискуссии по данному вопросу!..

«С»: В таком случае, я приступаю.

Мы знаем, что ЦОУ и только ЦОУ способны обеспечить высокую точность измерения частоты принимаемого сигнала, возможность бесшумной настройки на желаемую частоту даже в момент «молчания» нужной нам радиостанции.

Мы упоминали о том, что непосредственное измерение частоты принимаемого сигнала затруднено тем, что он может быть мал по уровню или вообще отсутствовать. Почему и прибегают к косвенным методам измерения, основанным на использовании частоты гетеродина — fгет.

«А»: Для чего при индицировании частоты сигнала fc и вводится поправка на промежуточную частоту fпр.

«С»: А поскольку у нас частота гетеродина ВЫШЕ частоты принимаемого сигнала, то можем записать:

fc = fгет — fпр

«Н»: Мы уже говорили об этом!

«С»: Но мы еще не говорили о способах введения поправки на fпр!

А их, между прочим, есть несколько!

Эти способы основаны на следующем:

а) применяются два счетчика частоты;

б) применяется один счетчик частоты и дополнительный дешифратор на fпр;

в) используется один реверсивный счетчик частоты;

г) применяется счетчик частоты с предварительной установкой.

Но и это не все! Применение СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО МИКРОПРОЦЕССОРА обеспечивающего не схемным, а программным путем выполнение ЛЮБОЙ из перечисленных операций плюс еще целый ряд возможностей!

Вот, действительно, современный подход!

«А»: А мы будем заниматься микропроцессорами?

«С»: Ими занимаются во всем мире. Но применение микропроцессоров в радиотехнических разработках требует предварительного опыта применения ОБЫЧНОЙ цифровой техники. Запомните это и торопитесь медленно!

«Н»: Но выбор и так не маленький! Так на каком же из четырех способов мы остановимся?

«С»: На втором! ЦОУ с одним счетчиком частоты и дополнительным дешифратором на fпр обеспечивает выполнение нужной нам операции с минимальным преобразованием топологии схемы частотомера.

Сущность метода, напомним, заключается в том, что за время измерения счетчик подсчитывает количество импульсов, начиная с нулевого состояния, до тех пор, пока не пройдет число импульсов, равное fпр. Затем, счетчик сбрасывается в НУЛЬ, а подсчет продолжается.

Вместо ДВУХ счетчиков здесь используется ТОЛЬКО ОДИН. Который за ПЕРИОД ОДНОГО счетного интервала ОБНУЛЯЕТСЯ ДВАЖДЫ!

А теперь внимательно присмотритесь к схеме частотомера… В ней есть немало скрытых резервов!

«А»: Например, мы не использовали возможность предустановки ИМС К176ИЕ2 по входам S1—S4?

«С»: Да хотя бы! Но… можно решить задачу еще изящнее! Что мы сейчас и попробуем сделать! Возвратимся к рассмотрению нашего старого доброго счетчика К176ИЕ2. Так какой сигнал на входе «НЕ-R» нужен для обнуления счетчика, Незнайкин?

«Н»: На «НЕ-R» для этого нужно подать логическую «1»!

«С»: Отлично! А сейчас нам предстоит подумать о том, откуда взять нужный нам сигнал и КАК его подать на вход «НЕ-R», чтобы за КАЖДЫЙ счетный интервал счетчик ОБНУЛЯЛСЯ бы ДВАЖДЫ!?

Кроме того, наша первая промежуточная частота 55,5 МГц. Но ведь входную частоту ГПД мы УЖЕ ПОДЕЛИЛИ В 1000 раз!

«А»: Что и обеспечило нам возможность применения КМОП ИМС в основном счетчике! Но… было бы несправедливым не разделить теперь на 1000 и значение промежуточной частоты!

«Н»: То есть поправка на промежуточную частоту берется уже не 55,5 МГц, а 55,5 кГц! Верно?

«С»: А то… Именно эти 55,5 кГц и должны вычитаться в КАЖДОМ счетном интервале!

А теперь даю вам домашнее задание к нашей следующей встрече — зарисовать фрагмент нашего частотомера, а именно двоично-десятичный пятиразрядный счетчик с указанием того, какое логическое состояние БУДЕТ ИМЕТЬ МЕСТО на КАЖДОМ из его ДВАДЦАТИ ВЫХОДОВ, в момент поступления на счетный вход «СР» ИМС D1 °CЧЕТНОГО ИМПУЛЬСА № 55500?!

Глава 28. «Большой приемник» — окончательный вариант

«Аматор»: Дорогой Спец, вот, пожалуйста, полюбуйтесь на нашего Незнайкина!..

«Спец»: Да, я вижу, он полон смущения, и я даже сказал бы, какого-то непонятного раскаяния… Что с тобой, дорогой юный друг, уж не заболел ли ты?

«Незнайкин»: Все много хуже… Я провел бессонную ночь, с карандашом в руках ползая по схеме частотомера и… мне вдруг показалось, что я все позабыл. Это ужасно, но я хотел бы просить Вас, о высокочтимый и уважаемый Учитель, снова вернуться к теме частотомера, но уже более подробно.

«Спец»: Вот к чему приводит чрезмерное увеличение просмотром японских и китайских кинолент, особенно на средневековую тему! Но может у тебя есть еще просьбы? Говори уже все разом.

«А»: Действительно, семь бед — один ответ.

«Н»: Разве что еще одна. Я хотел бы привести в окончательный вид все принципиальные схемы нашего БОЛЬШОГО ПРИЕМНИКА. Ведь это лучше сделать сейчас, чем запутаться в них потом, на стадии «железа».

«С»: Знаешь, Аматор, а ведь в просьбе Незнайкина есть рациональное зерно. И потом, мы ничего не говорили по поводу режимов, отладки, настройки… Так что давайте подводить БОЛЬШУЮ ЧЕРТУ. То есть придадим всему циклу наших бесед по постройке приемника, конкретно-законченный вид.

«Н»: Вот за это — огромное спасибо! И еще одно… Один мой приятель (я рассказал ему о том, что собираюсь строить «большой приемник»), который тоже испытывает желание, как он выразился, «склепать» что-нибудь эдакое, заспорил со мной, почему именно приемник, а не что-нибудь другое. Он никак не может выбрать, с чего начать…

«С»: Я тебя понял. По этому поводу могу заметить следующее. Лет 20–25 назад в моде был лозунг: «Электроника — это наше будущее!». Шли годы, и то, что считалось технической мечтой, утопией, разбушевавшейся не в меру фантазией — все это действительно стало реальностью.

Это и начиненные до предела самой совершенной электроникой межпланетные автоматические станции. И искусственные спутники Земли, через которые осуществляется ретрансляция телевизионных передач из любой страны мира. Это замечательные персональные компьютеры, количество которых в мире на сегодняшний день исчисляется многими десятками миллионов. Стоит ли упоминать о новейших поколениях превосходных цветных телевизоров, которые уже сейчас сочетают в себе преимущества как собственно телевидения, так и компьютеров, объединяя воедино их, поистине, сказочные возможности.

Видеомагнитофоны высочайшего класса, аудиотехника, музыкальные центры, сотовая связь, пейджеры, плейера… Перечислять можно долго. Но вот что парадоксально. Отношение у различных людей ко всей этой великолепной, самой разнообразной, изготовленной с учетом всех нюансов современнейшего дизайна технике — далеко неоднозначное. И дело совсем не в том, кому по душе, допустим, тот или иной вариант исполнения, те или иные потребительские достоинства всех этих электронных чудес.

Проблема, хотя ее осознают далеко не все, заключается в том, что существует достаточно многочисленная группа технически мыслящих, творческих людей, которые, полной мерой воздавая должное уважение тем, кто создал и создает сегодня все это великолепие, в то же время испытывают потребность ПОНЯТЬ, как функционирует то или иное изделие. Приобщиться не только к наружному оформлению и оптимальному использованию превосходного «забугорного» изделия, но и ВНИКНУТЬ в его внутреннюю суть.

Вот именно такие люди и являются тем резервом технической мысли, которая, по большому счету, и обеспечивает в значительной мере мировой прогресс в области электроники! Часть из них — это профессиональные разработчики в области электронной техники. Ученые и инженеры. Но существует также многочисленная армия энтузиастов, которым, по той или иной причине, не пришлось попасть в ряды разработчиков-профессионалов.

Но технический потенциал таких людей достаточно высок. А что касается идей, то их, как говорится — не занимать!

Как быть им? И как быть тем представителям молодежи, у которых создание электронных изделий — любимое хобби?

А ведь такие представители младшего поколения — это возможная будущая техническая элита СНГ. Вот почему помочь таким людям получить практический опыт в области изготовления и разработки достаточно сложных и интересных электронных изделий, приобщить их к замечательному миру современных схемотехнических решений — это задача не только достойная, но и необходимая. Радиолюбитель-конструктор — вот на кого рассчитано нижеизложенное.

Но с чего начать будущему электронному инженеру? Какое направление выбрать? Может компьютеры? Будем откровенны, повторить в любительских условиях уровень компьютерной схемотехники (нет, не той, которая достигнута в этой области сегодня — это невозможно!) даже десятилетней давности— задача сомнительная. Правда; можно «лепить» достаточно современные системы из плат, сделанных на заводах Гонконга, Малайи: Европы… Но это оправдано тогда, когда подобным образом дополняется какое-то самостоятельное, оригинальное изделие. Но просто состыковывать между собой чьи-то стандартные платы — где же тут особое творчество?

Или взять, да и построить цветной телевизор, для начала? Но современный цветной телевизор — это далеко не то изделие, с которого стоит начинать — хлопотно это и очень дорого. Да и микросхемы большого уровня интеграции, поверьте, мало чем могут помочь для развития у радиолюбителя-конструктора важнейшего умения — «схватывать» и «прочитывать» схемы.

Таким образом, выбор оптимального объекта приложения творческих сил в современном радиолюбительском конструировании — задача непростая. В данном случае лозунг «цель оправдывает средства» — не только справедлив, но и является определяющим. Так какая же область современной электроники является именно тем «золотым сечением», которое гармонично сочетает в себе доступную для творческого осмысления схемотехнику и компонентную базу, приобретение которой не поставит конструктора на грань финансовой пропасти. Наконец, обеспечит радиолюбителю приобретение того бесценного опыта, который позволит в дальнейшем с уверенностью углубиться и в другие направления электроники?

Такая область имеется — это конструирование высокочувствительных, высокоизбирательных и помехоустойчивых коротковолновых и всеволновых радиоприемников, основанных на современной идеологии создания подобной аппаратуры.

Итак, цель поставлена — самостоятельно изготовить и отладить коротковолновый высококачественный радиоприемник, позволяющий вести уверенное прослушивание удаленных радиостанций в диапазоне частот от 5 до 30 мегагерц. При этом контроль частоты принимаемых станций производить по цифровой шкале.

«А»: Ну, Незнайкин, теперь ты обеспечен аргументацией для дискуссий со своим приятелем?

«Н»: Без сомнения!

«Спец»: Вот и прекрасно. А теперь я хочу предложить вам обоим, чтобы больше уже не возвращаться к этим вопросам, следующий порядок «чистового» рассмотрения вопроса. По мере необходимости, мы будем детализировать и схемотехнические, и конструкционные, и общие моменты.

Итак, прежде всего рассмотрим окончательную структурную схему.

Предлагаемый высокочувствительный, помехоустойчивый коротковолновый радиоприемник, представляет из себя СУПЕРГЕТЕРОДИН С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ. Причем первое преобразование осуществляется «вверх», что дает возможность радикально решить вопрос о таком важнейшем параметре, как избирательность по «зеркальному» каналу.

В то время, как у обычных супергетеродинных приемников, выполненных по принципу однократного преобразования частоты «вниз» (ПЧ — 465 кГц), избирательность по «зеркальному» каналу в диапазоне КВ не превышает 30 дБ, в приемниках с преобразованием «вверх» этот параметр составляет величину порядка 80 дБ и выше. Кроме того, избирательность по «соседнему» каналу (т. е. относительно станции, частота которой отличается на 10 кГц от той, прием которой осуществляется), которую в обычных супергетеродинных приемниках не удается сделать лучше 42 дБ, при использовании принципа преобразования «вверх», легко достигает уровня 70 дБ и выше. Что соответствует величинам, характеризующих профессиональную аппаратуру.

То же самое относится и к динамическому диапазону входных сигналов. В приемниках с двойным преобразованием частоты (первое — «вверх») применяется, как правило ДВУХПЕТЛЕВОЕ АРУ (автоматическая регулировка усиления), что обеспечивает несравненно более качественный прием в условиях сильного замирания сигнала при значительном уровне индустриальных помех.

Итак, на рис. 28.1. приведена структурная схема высококачественного радиоприемника с двойным преобразованием частоты.

Первое преобразование осуществляется «вверх». Это означает, что значение первой промежуточной частоты (ПЧ1) выбрано много выше, чем самое высокое значение частоты из спектра принимаемых приемником сигналов. В данном случае весь спектр принимаемых сигналов соответствует МЕЖДУНАРОДНОМУ диапазону коротких волн (КВ) и составляет:

минимальная частота приемника — 5 мегагерц,

максимальная частота приемника — 30 мегагерц.

Этот интервал частот, в свою очередь, разбит на восемь растянутых поддиапазонов:

Первая промежуточная частот (ПЧ1) выбрана стандартной и составляет величину — 55,5 МГц.

Проанализируем, как осуществляется функционирование радиоприемника, выполненного на основании приведенной выше структурной схемы. Прошу, маэстро Аматор…

«А»: Сигнал частоты, на которой осуществляется прием и которая может быть любой в интервале от 5 до 30 МГц, от антенны А поступает на вход селектора каналов приема. Этот селектор каналов представляет собой систему из восьми не перестраиваемых полосовых фильтров, обеспечивающих определенные полосы пропускания, соответствующих приведенным выше поддиапазонам (рис. 28.2).

С выхода Б сигнал поступает на вход ВЧ-аттенюатора R, реализованного на р-i-n-диоде. Который, в том случае, если амплитудное значение высокочастотного сигнала невелико, находится в состоянии максимальной высокочастотной проводимости. Следовательно, проходящий через него высокочастотный сигнал, практически, не ослабевает. Далее, с выхода R сигнал подается на вход высоколинейного малошумящего широкополосного усилителя А1, нагрузкой которого является преобразователь частоты (смеситель) VI.

На второй вход преобразователя VI подается высокочастотный синусоидальный сигнал с выхода генератора плавного диапазона (ГПД) G1.

Диапазоны перестройки ГПД находятся, что естественно, в следующей связи со спектром принимаемых радиоприемником частот. Тогда напомним еще раз частоты диапазонов (табл. 28.1).

Таким образом, на выходе VI образуется целый спектр различных частот, являющихся продуктом физического процесса частотного преобразования частоты сигнала и частоты гетеродина. Но только ОДНА из этого спектра, а именно, соответствующая ПЕРВОЙ промежуточной частоте fпр1, соответствует полосе прозрачности высокоизбирательного кварцевого фильтра Z2. С выхода Z2, выделенная и отфильтрованная частота, равная первой промежуточной, т. е. 55,5 МГц, поступает на вход усилителя первой промежуточной частоты А2, нагрузкой которого является второй преобразователь частоты V2.

Второй преобразователь частоты необходим для осуществления процесса переноса полезного сигнала с частоты 55,5 МГц на значительно более низкую вторую промежуточную частоту fпр2, на которой и будут осуществляться такие манипуляции с сигналом, как основное усиление его величины и детектирование.

В описываемом приемнике в качестве ПЧ2 (второй промежуточной частоты) выбрана частота, равная 1,455 МГц. Легко видеть, что в этом случае, второй гетеродин G2 НЕ ДОЛЖЕН быть перестраиваемым. Но вот требования к стабильности его частоты достаточно велики. Частота колебаний G2 выбрана равной 54,045 МГц. Поскольку это стандартизованная частота для современного ряда кварцевых резонаторов. Далее сигнал с частотой, равной второй промежуточной, т. е. 1,455 МГц подается на вход резонансного усилителя ПЧ2, обозначенного на структурной схеме — А3, перед которым находится селективный фильтр Z3. С выхода А3 сигнал поступает на вход детектора V3, осуществляющего выделение сигнала низкой (звуковой) частоты, поступающей затем на вход УНЧ (усилителя низкой частоты) или, как иногда принято его именовать — УМ3Ч (усилителя мощности звуковой частоты). Нагрузкой которого и является динамик BF.

Как и показано на структурной схеме (см. рис. 28.1.), радиоприемник снабжен ДВУХПЕТЛЕВОЙ системой АРУ — автоматической регулировки усиления. Поясним необходимость применения подобной системы. Начнем с цепи АРУ-2. Подобная цепь присутствует в любых супергетеродинных приемниках. Даже тех, которые реализуют принцип ОДНОКРАТНОГО преобразования частоты. В том числе самых простых и дешевых. Задача такой АРУ — предотвращать перегрузку УНЧ, а, следовательно, искажение звукового сигнала, в случае резкого возрастания уровня сигнала ПЧ на выходе УПЧ приемника, что особенно характерно для КВ диапазонов. Это явление, в свою очередь, связано с резким возрастанием амплитуды принимаемого сигнала в точке приема.

Так что само наличие петли АРУ-2 в предлагаемом для повторения приемнике не является чем-то особенным. Совсем другое дело — качественно- количественные характеристики и сам принцип, положенный в основу действия АРУ-2 в данном случае. Как будет показано ниже, качество АРУ-2, которое достигнуто оригинальным схемотехническим решением, значительно выше, чем можно добиться применением, ставших уже стандартными решений. Но, сохранение высокой линейности функционирования УПЧ2 в широком динамическом диапазоне поступающих на его вход сигналов от преобразователя частоты V2, к сожалению, не является окончательной гарантией высокого качества приема, поскольку велика вероятность того, что возможна ситуация, при которой НИКАКИЕ качественные характеристики петли АРУ-2 не спасут положения!

Это, например, может произойти в случае, если уровень сигнала на антенном входе начинает резко возрастать. Тогда, если не принимать соответствующих мер, на пределе своей линейности может оказаться даже усилитель ВЧ А1. Вот почему и потребовалось применение цепи АРУ-1.

Именно цепь АРУ-1 является надежной защитой от разнообразных помех, которые возникают ЕЩЕ ДО первого преобразователя частоты в связи с тем, что любое проявление нелинейности усилителя А1 приводит к возникновению, так называемых, интермодуляционных искажений. Они проявляются на выходе приемника, когда на его вход воздействует одновременно два или более сигналов, частоты которых НЕ совпадают с частотами основного и побочного каналов радиоприема.

«Спец»: Замечательно, уважаемый Аматор. Добавлю только, что перегрузка входного УВЧ А1 опасна еще и тем, что может возникнуть эффект, так называемого, БЛОКИРОВАНИЯ. Это означает изменение уровня сигнала или отношения сигнал/шум на входе приемника при воздействии радиопомехи, частота которой НЕ совпадает ни с одной частотой основных и побочных каналов приема.

«Н»: Час от часу не легче! А что же все наши резонансные цепи!? Сколько трудов и все напрасно?

«Спец»: Кто сказал — напрасно! Вот уж нет! Но ты не должен забывать, что любая реальная радиотехническая цепь, обладает определенной нелинейностью. И реальная радиотехника — это борьба за приближение к идеалу! Никаких интермодуляционных искажений при идеальной линейности, скажем, УВЧ — не было бы.

«А»: И весь вопрос в том, чтобы склонять в нашу пользу количественные показатели. Ведь согласись, есть большая разница, если те же интермодуляционные помехи уже накладываются на полезный сигнал при уровнях, например, 50 милливольт, что и случается в обычной схемотехнике, или при уровнях около 1 вольта, что характерно для лучших связных устройств!?

«Спец»: Мы не станем останавливаться сейчас на перечислении иных видов помех, бороться с которыми АРУ-2 не может в принципе. Так что применение аттенюатора R, являющегося, по сути дела, исполнительным устройством системы автоматического регулирования минимизации уровня перекрестных, интермодуляционных и прочих помех — необходимая мера при конструировании современных как профессиональных, так и любительских приемников. Вот после этого можем перейти к рассмотрению окончательного варианта принципиальной электрической схемы радиоприемника с преобразованием «вверх».

Информация к размышлению

Современный высококачественный радиоприемник НЕ МОЖЕТ БЫТЬ собран на одной плате, если поставлена цель получить от него высокие характеристики! Поскольку взаимные связи высокочастотных цепей и помехи, возникающие уже по этой причине, при работе различных каскадов, будут принципиально снижать качество приемника. Поэтому в данной конструкции использован принцип построения отдельных функциональных узлов приемника в виде отдельных плат. С последующим их объединением в ОДНОЙ секционированной, изготовленной из листовой латуни экранированной конструкции — т. н. ОБЕЧАЙКЕ. Чертеж которой будет приведен после описания принципиальной электрической схемы.

А. Селектор диапазонов

Принципиальная электрическая схема селектора диапазонов приведена на рис. 28.2. Заметим, что резистор, включенный параллельно антенному разъему, предотвращает накопление статического электрического заряда на гальванически изолированной от земли антенне. Тип резистора — С2-29В. Конденсатор СА обеспечивает защиту приемника при высокой статической ЭДС, в случае подключения к нему наружной антенны. В случае использования только собственной штыревой антенны, в качестве этого конденсатора желательно применить высококачественный конденсатор с малой утечкой типа К76-4-1 мкФ.

Б. Аттенюатор, широкополосный УВЧ и преобразователь первой промежуточной частоты

Принципиальная электрическая схема этого узла представлена на рис. 28.3.

Выделенный селектором диапазонов сигнал, вместе с большим количеством посторонних сигналов через конденсатор С1 поступает на вход регулируемого высокочастотного аттенюатора, в качестве которого используется р-i-n-диод типа КА509Б, с катода которого через С4 подается на вход фильтра, который «прозрачен» для любой из принимаемых частот, но вносит значительное затухание для любой помехи, частота которой равна значению ПЧ1, т. е. 55,5 МГц. Цепь R2, С11 служит для согласования импедансов (т. е. комплексных высокочастотных сопротивлений, учитывающих как активную, так и реактивную составляющую проводимости) фильтра-пробки и широкополосного УВЧ.

Полоса пропускания этого УВЧ линейна до частоты 35 МГц, после чего его АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) имеет плавно спадающий характер. С выхода УВЧ сигнал подается на вход кольцевого балансного смесителя, собранного на диодах Шоттки. Это высоколинейный смеситель, помехоустойчивость которого значительно выше, чем у обычно применяемых в бытовой радиотехнике смесителей. Кроме того, он отличается малыми шумами преобразования. В составе этого смесителя имеются (на входе и выходе) два широкополосных трансформатора ВЧ, соответственно, Тр2 и Тр3, представляющие собой ШПТЛ — широкополосные трансформаторные линии. Как и ШПТЛ Тр1, они выполнены на ферритовых кольцах типа М.0.16 ВТ-8 (параметры колец: D = 10 мм, d = 6 мм, h = 2 мм). Могут быть также использованы кольца соответствующего типоразмера на основе материала 50 ВЧ2.

С выхода смесителя (на второй вход которого подается сигнал с выхода ГПД), полученный в результате преобразования частоты сигнал, через трансформатор Тр2 подается на вход ДИПЛЕКСОРА (т. е. специального высокочастотного фильтра), реализованного по Г-образной схеме. Его характеристика оптимизирована для частоты 55,5 МГц, которая единственная из всех иных поступающих на вход ДИПЛЕКСОРА частот, проходит его без затухания. Таким образом, на выходе конденсатора С20 присутствует, уже предварительно отфильтрованный, сигнал первой промежуточной частоты — 55,5 МГц.

В. Узкополосный малошумящий УПЧ1 и преобразователь второй промежуточной частоты

Принципиальная электрическая схема УПЧ1 приведена на рис. 28.4.

Основой, можно сказать, «сердцем» этого УПЧ является высокоселективный, сложный кварцевый фильтр пассивного типа, имеющий заводское обозначение ФП2П-4-1-В, или подобный ему. Его паспортные характеристики приведены в табл. 28.3.

Сигнал ПЧ1 (см. рис. 28.4) поступает на вход согласующего усилителя, выполненного на транзисторе Т\, включенного по схеме с общим затвором. Нагрузкой этого транзистора является узкополосный кварцевый фильтр, включенный так, как показано на принципиальной схеме. Выделенный этим фильтром сигнал первой промежуточной частоты, подается на затвор полевого транзистора VT3. Этот транзистор представляет собой высоколинейный прибор, оптимальный для высокоимпедансного резонансного усилителя. В цепи стока VT3 включен-колебательный контур L3, С12, настроенный на частоту 55,5 МГц.

С его выхода, через конденсатор С15 сигнал поступает на вход второго смесителя-преобразователя, также выполненного по схеме кольцевого балансного смесителя на диодах Шоттки. На второй вход этого преобразователя частоты поступает высокочастотный сигнал с выхода кварцованного гетеродина, частота которого составляет 54,045 МГц. Получаемая, в результате смешения, вторая промежуточная частота, равная 1,455 МГц, подается на вход ДИПЛЕКСОРА, параметры которого подобраны таким образом, что для приведенной выше частоты его затухание минимально.

Транзистор Т2 является первым каскадом системы, вырабатывающей сигнал управления для АРУ-1. В качестве нагрузки в нем применен колебательный контур, настроенный на частоту 55,5 МГц.

Г. Генератор плавного диапазона (ГПД)

Принципиальная электрическая схема генератора плавного диапазона (ГПД) приведена на рис. 28.5.

С целью получения как можно большей ЧИСТОТЫ спектра сигнала гетеродина, кроме того, высокой стабильности его частоты (или малой кратковременной нестабильности), и, наконец, отказавшись от использования в составе этого ГПД в качестве элемента настройки конденсатора переменной емкости, была принята как ранее указывалось следующая идеология его построения.

Прежде всего, гетеродин реализован на основе сложной, многокаскадной схемы. Собственно перестраиваемый по частоте задающий генератор собран на малошумящем СВЧ (сверхвысокочастотном) транзисторе типа КТ382А.

Основная задача задающего генератора — обеспечить устойчивую генерацию высококачественного, спектрально чистого высокочастотного сигнала. Но для этого амплитуда сигнала на выходе собственно 3Г (задающего генератора) должна быть МАЛОЙ. А режим работы транзистора должен быть выбран в наиболее линейной области его вольт-амперных характеристик.

Вот почему в схеме, представленной на рис. 28.5 амплитуда высокочастотного сигнала на коллекторе транзистора КТ382А не превышает 0,15—0,2 вольта! Поэтому необходимо наличие дополнительного широкополосного ВЧ усилителя, который, сохраняя высокую спектральную чистоту сигнала, увеличил бы его амплитуду до 1,8–2,5 вольт. Поскольку именно такой уровень высокочастотного напряжения требуется для оптимальной работы кольцевого балансного смесителя на диодах Шоттки.

Относительно выбора принципиальной электрической схемы оконечного усилителя для ГПД вопроса не возникает. Поскольку все необходимые для этого параметры имеет (уже примененный нами ранее в качестве УВЧ) высоко линейный широкополосный усилитель на ШПТЛ. Он и реализован на транзисторе VT5. Однако, такой каскад имеет 50-омный вход, следовательно, подавать на него сигнал непосредственно с выхода ЗГ не представляется возможным. Необходима развязывающая схема, достаточно высокий входной импеданс которой не нагружал бы существенно ЗГ. Именно такой развязывающий каскад и выполнен на полевом транзисторе VT2, включенном по схеме с общим затвором. В то же время его выходной импеданс оптимально согласован с оконечным каскадом.

Дополнительным преимуществом подобного подхода является возможность очень легко осуществить подстройку амплитуды выходного сигнала ГПД. В случае если его необходимо почему-либо увеличить, для этого достаточно, абсолютно не вмешиваясь в режим работы ЗГ, просто немного изменить номинал резистора R25. Если уменьшить его величину с 10 Ом, как показано на схеме, до 5,6 Ом, то амплитуда выходного сигнала возрастет, примерно, в 1,5 раза! А если увеличить до 13 Ом, то выходной сигнал уменьшится на 25–30 %.

Как очевидно из принципиальной электрической схемы, регулируемым частотнозадающим параметром описываемого ГПД является емкость варикапов VD1 и VD2. Известно, что колебательный контур, перестраиваемый варикапом, имеет определенный, достаточно существенный недостаток. Он заключается в том, что переменное напряжение, поступающее на контур, изменяет величину емкости варикапа таким же образом, как и подводимое для настройки управляющее напряжение. Вследствие этого, во-первых, емкость варикапа изменяется в такт с изменением переменного (высокочастотного) напряжения. И, во-вторых, происходит сдвиг среднего значения емкости в связи с тем, что положительная и отрицательная полуволны вызывают РАЗЛИЧНОЕ изменение мгновенного значения емкости!

Вот почему из-за изменения мгновенного значения емкости варикапа, переменное напряжение ВЧ может принять форму, заметно отличающуюся от желанной синусоиды. Помимо прочего, это приводит как к ухудшению стабильности работы гетеродина, так и к резкому возрастанию его фазовых шумов. Полезно также всегда помнить, что нелинейные эффекты в контурах, содержащих варикапы, начинаются с того момента, когда амплитуда приложенного к ним высокочастотного напряжения составляет ОДНУ ТРЕТЬ от величины постоянного напряжения, подаваемого на этот компонент.

Метод борьбы с подобным недостатком имеется. Он заключается в том, что вместо одного варикапа в составе задающего колебательного контура применены ДВА. Они включены по ВЧ-сигналу последовательно и в противофазе, а по постоянному напряжению— параллельно. Что и реализовано в принципиальной электрической схеме рассматриваемого ГПД. В этом случае на каждый компонент пары приходится только ПОЛОВИНА величины общей амплитуды переменного напряжения сигнала. Это уже само по себе улучшает соотношение величин переменного и постоянного управляющего напряжений, одновременно прикладываемых к варикапу.

Но самое основное заключается в том, что благодаря незначительному и противоположно направленному изменению емкости, когда используются два встречно включенных компонента пары, мгновенное значение обшей емкости контура, фактически, остается постоянным. Следует заметить, что в данном ГПД применены высококачественные варикапы типа КВ-121А. Эти компоненты поставляются заводом-изготовителем также и в виде предварительно подобранных по параметрам пар и четверок. В этом случае компенсация вообще получается полной. Но, как показала практика, даже в случае применения предварительно НЕ подобранных в пары компонентов, качество выходного сигнала ГПД остается очень высоким.

Другой вопрос заключается в том, что для обеспечения нормального функционирования ГПД, основанных на использовании варикапов, стабильность и качество подаваемого на них постоянного управляющего напряжения должно быть ОЧЕНЬ высоким. Так, в радиоприемниках с преобразованием «вверх» стабильность этого напряжения должна поддерживаться с точностью не хуже 0,2 милливольта (или 0,0002 вольта)! Мало того, поскольку, тем или иным образом, в состав задающего колебательного контура 3Г ГПД входят проходная, входная и переходная емкости транзистора (а они существенно меняются при колебаниях питающего ЗГ постоянного напряжения), это означает, запитывать каскады ГПД следует также от высокостабильного источника напряжения.

Практика подтвердила не раз, что наиболее рационально питать каскады ГПД от индвидуального высокостабильного источника напряжения. Что и сделано в описываемом ГПД. Непосредственно на плате ГПД расположен прецизионный стабилизированный источник питания, построенный по компенсационной схеме на транзисторах VT6, VT7 и микросборке типа 198НТ1А. Принцип работы подобных стабилизаторов будет рассмотрен ниже, а пока вернемся к особенностям принципиальной схемы ГПД.

Для того, чтобы в максимальной степени повысить качественные показатели работы генератора плавного диапазона (ГПД), следует учесть еще некоторые обстоятельства. Например, то, что катушка индуктивности (в данном случае L2) частотнозадающей цепи гетеродина НЕ ДОЛЖНА коммутироваться непосредственно. Это важное требование, как правило, в бытовой радиотехнике полностью игнорируется по экономическим причинам. Между тем, невыполнение этого требования резко снижает даже чисто радиотехнические параметры гетеродинов. Не говоря уже о снижении надежности. В данной конструкции подобный факт учтен самым тщательным образом. Это послужило одной из причин того, что в составе данного ГПД имеются ДВА разных ЗГ. Один из них включен, когда осуществляется прием на поддиапазонах 1–4. А второй — когда прием производится на поддиапазонах 5–8.

При этом с помощью герконовых реле типа РЭС-44 осуществляется подача питающих напряжений и съем сигнала ВЧ с того из двух ЗГ, который обеспечивает подключение выбранного для прослушивания участка частотного спектра. Оконечный ВЧ-усилитель оптимален для всего диапазона, а потому напряжение питания подается на него в течение всего времени работы радиоприемника. Дальше предоставляю слово Аматору.

«Аматор»: У нас на очереди УПЧ2.

Д. Усилитель второй промежуточной частоты и его цепь АРУ-2

Принципиальная электрическая схема усилителя второй промежуточной частоты УПЧ2 и его цепи АРУ-2 представлена на рис. 28.6.

С выхода ДИПЛЕКСОРА второго преобразователя частоты, сигнал подается на конденсатор С1. А с него на Г-образный аттенюатор, образованный резистором R1 и фоторезистором, входящим в состав оптрона АОР124А (ЗОР124А). Далее, через конденсатор С4 сигнал поступает на первый затвор двухзатворного полевого МДП-транзистора КП306А. Потенциал второго затвора с помощью резисторов R2 и R3 отрегулирован таким образом, чтобы обеспечить работу транзистора на квадратичном участке переходной вольт-амперной характеристики.

В качестве нагрузки транзистора VT1 применен колебательный контур С6, L1 настроенный на частоту 1,455 МГц, т. е. на ПЧ2. Двухзатворные полевые МДП-транзисторы указанного типа оптимальны для построения высококачественных резонансных усилителей ввиду того, что практически не оказывают шунтирующего действия на эти контура. Следовательно, не происходит ухудшения добротности контуров.

Далее, выделенный первым каскадом сигнал с частотой 1,455 МГц поступает, на аналогичный второй каскад, также настроенный на частоту 1,455 МГц. А затем и на третий. Выходной сигнал которого должен подаваться на амплитудный детектор для выделения составляющей низкой частоты.

Одновременно с этим, сигнал с выхода У ПЧ2 через конденсатор С23 подается на вход балансного амплитудного детектора, собранного на диодах VD1—VD6. Выходы этого детектора поданы на дифференциальный УПТ (усилитель постоянного тока), собранный на ОУ (операционном усилителе) типа КР140УД1408А. В случае, если сигнал на входе УПЧ2 отсутствует, на выходе этого УПТ уровень постоянного УПРАВЛЯЮЩЕГО напряжения равен нулю. А значит и на входе ИТУН (источника тока, управляемого напряжением), потенциал равен нулю. При этом ток через светоизлучающий диод, входящий в состав оптрона, не протекает. Следовательно, фоторезистор имеет максимальное сопротивление. В этом случае на затвор транзистора VT1 поступает, практически, ВСЯ амплитуда входного сигнала. Но, выделенный резонансными контурами и усиленный сигнал второй ПЧ (1,455 МГц), поступив на вход балансного амплитудного детектора, после соответствующего выпрямления, разбалансирует дифференциальный усилитель, на выходе которого теперь появится некоторый постоянный потенциал Uупр.

Величина этого потенциала находится в прямой зависимости от амплитуды сигнала ПЧ2 на выходе УПЧ2. При подаче на вход ИТУН, потенциал управляющего сигнала вызовет появление в цепи нагрузки ИТУН некоторого значения постоянного тока, протекающего по нагрузке. Которой в данном случае является цепь, состоящая из R21 и светодиода оптрона. В результате, излучаемый этим светодиодом поток фотонов, попав на поверхность фоторезистора, резко уменьшит его сопротивление.

В этом случае изменяется соотношение сопротивлений в Г-образном аттенюаторе и сигнал, поступающий на затвор VT1 — уменьшается. Таким образом, цепь АРУ-2 оказывается замкнутой, а система авторегулирования — функционирующей. Естественно, подобная цепь АРУ является очень эффективной и хорошо поддающейся регулированию и настройке по следующим причинам:

а) отношение проводимости максимально освещенного (для данного оптрона) фоторезистора к его минимальной, т. е. «темновой» проводимости, составляет величину порядка нескольких тысяч;

б) автоматическая регулировка усиления подобного типа НЕ ЗАТРАГИВАЕТ режимов работы усилительных каскадов УПТ2 по постоянному току. А значит, не ухудшает их линейных, шумовых и резонансных характеристик;

в) легко поддается регулированию, первоначальная отладка собственно УПЧ2 и АРУ-2 может осуществляться раздельно.

Е. Генератор кварцованный (второй гетеродин)

Схема кварцованного генератора каких-либо особенностей не содержит и представлена на рис. 28.7. Содержит задающий генератор (ЗГ) на транзисторе КТ326Б, стабилизированного кварцевым резонатором на частоту 54,045 МГц. А также оконечный высокоимпедансный усилитель на однозатворном полевом МДП-транзисторе КП305Д и р-n-р-транзисторе типа КТ337. В качестве нагрузки оконечного биполярного транзистора включен колебательный контур С13, L4, настроенный на частоту кварца.

Ж. Принципиальная электрическая схема цепи АРУ-1

На рис. 28.8. представлена принципиальная электрическая схема цепи АРУ-1. С выхода резонансного усилителя, собранного на Т2 (см. рис. 28.4.), через конденсатор С10, сигнал ПЧ1 (55,5 МГц) подается на вход балансного амплитудного детектора, собранного на диодах VD1—VD6. Для точной регулировки баланса служит подстроечный резистор R7 типа СП5-16ВА-0,25. С выходов этого детектора как опорный, так и продетектированный сигналы подаются на соответствующие входы высокоточного ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УПТ, построенного на микросхемах D3—D5.

Выбор подобной принципиальной схемы этого усилителя постоянного тока (УПТ), мотивируется целым рядом факторов. Во-первых, подобные усилители сочетают в себе значительное количество технических показателей, которые делают их наиболее предпочтительными для применения в системах АРУ приемников высокого класса. Это, прежде всего, высокая точность и постоянство однажды установленных режимов. Кроме того, именно ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ дают возможность легко и в широких пределах (притом без помощи паяльника) регулировать коэффициент усиления по дифференциальному входу: который легко подсчитывается по формуле:

При этом, поскольку баланс инструментального усилителя регулируется отдельным подстроенным резистором R21, то регулировка усилителя на «нуль» не представляет никаких трудностей. Резистор R15 состоит из двух последовательно включенных резисторов. Что и определяет, в зависимости от крайних положений ползунка подстроечного резистора, его максимальное и минимальное значения коэффициента усиления.

С выхода микросхемы D5 сигнал, который теперь представляет собой некоторый постоянный отрицательный потенциал, подается на вход ИТУН1, который собран на D2 и транзисторах VT3 и VT4. Абсолютная величина этого отрицательного потенциала зависит, в основном, от двух факторов. Во-первых, от абсолютной величины дифференциального входного напряжения, которое приложено ко входам инструментального усилителя. А это напряжение, в свою очередь, после предварительной настройки схемы, зависит ТОЛЬКО от амплитуды ВЧ-сигнала, поступающего на вход балансного детектора. Во-вторых, от значения выбранного К.

Напомним, что дифференциальное входное напряжение представляет из себя:

Uвх. дифф = ΔUвх = U2- U1.

Если сигнал на выходе инструментального усилителя (ИУ) равен нулю, то, соответственно, генерируемый схемой ИТУН1, также равен нулю. Это означает, что светодиод оптрона ЗОР124А — не светится. Следовательно, сопротивление резистора оптрона максимально. А, значит, этот фоторезистор не оказывает никакого шунтирующего действия на резистор R2, который, в свою очередь, входит в состав делителя напряжения, определяющего уровень положительного потенциала на входе ИТУН2.

Токовой нагрузкой ИТУН2, как это видно из принципиальной схемы, является p-i-n-диод. Именно его высокочастотная проводимость и является объектом регулирования. Но в исходном состоянии проводимость этого диода должна быть максимальной. То есть ИТУН2 построен таким образом, что при отсутствии сигнала на входе петли АРУ-2, величина тока через этот диод максимальна и выбирается из технических характеристик оптрона. Следовательно, высокочастотная проводимость при этом тоже максимальна.

Но в том случае, если на вход балансного амплитудного детектора цепи АРУ-1 поступает высокочастотный сигнал, в зависимости от своей амплитуды, он вызывает на выходе инструментального усилителя соответствующий потенциал, имеющий ОТРИЦАТЕЛЬНУЮ полярность. Который, как уже говорилось ранее, понижая сопротивление фоторезистора, входящего в состав оптрона ЗОР124А, уменьшает величину положительного смещения на неинвертирующем входе ОУ D1. Это, соответственно, приводит к уменьшению величины постоянного тока, протекающего через структуру диодного аттенюатора. Следовательно, высокочастотная проводимость последнего становится меньше. А значит, уровень ВЧ-сигнала на входе широкополосного УВЧ — существенно понижается.

Таким образом, цепь АРУ-1 оказывается замкнутой. Напомним, что именно малое высокочастотное сопротивление p-i-n-диода в открытом состоянии (т. е. максимальной проводимости) позволяет включать его в состав входной цепи радиоприемника. Причем, именно ДО входа предварительного УВЧ! Практически, не увеличивая при этом коэффициент шума. При таком включении диод действует, как легко регулируемый линейный ослабитель (аттенюатор), у которого значение коэффициента ослабления является плавной функцией от протекающего через этот диод постоянного тока. А, следовательно, функцией входного сигнала. В связи с этим во много раз увеличивается способность приемника воспроизводить без искажений сигналы, уровень которых изменяется во времени случайным образом, причем в широком динамическом диапазоне. Поэтому p-i-n-диод в значительной степени отличается от обычного диода с р-n-переходом тем, что между областями с дырочной и электронной проводимостями, находится слой полупроводникового материала с СОБСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ, так называемый i-слой. Этот слой характеризуется очень малым содержанием примесей и поэтому обладает большим удельным сопротивлением. Когда ток через структуру такого диода не проходит, объемное сопротивление слоя, обладающего собственной проводимостью, характеризуется величиной эквивалентного сопротивления, составляющего обычно от 7 до 10 килоом. (это при 50-омной то схемотехнике!)

А минимальное его сопротивление порядка единиц Ом. Изменение величины объемного сопротивления, в зависимости от изменения прямого тока смещения, легко подсчитать по формуле:

Ri= 26/I0.87

где Ri— выражено в омах, I — в миллиамперах.

«Аматор»: Если Вы, уважаемый Спец, не против, я хотел бы, чтобы какую-то часть в процессе наших объяснений принял и Незнайкин.

«Спец»: А почему я должен быть против? Ну, наша будущая смена, «прошу к доске».

«Незнайкин»: Так и я не против. Свой рассказ начну с преобразователя напряжения.

3. Высокостабилизированный преобразователь напряжения для варикапов ГПД

Принципиальная электрическая схема этого узла уже была представлена на рис. 16.4.

Функционирование этого преобразователя напряжения происходит следующим образом. Задающий низкочастотный генератор, снабженный двумя различными, независимыми системами обратной связи, стабилизирующими амплитуду выходного переменного напряжения, генерирует низкочастотный синусоидальный сигнал. Этот сигнал подается на вход двухтактного оконечного усилителя мощности, выход которого по петле обратной связи через резисторы R1 и R5 подается на вход и, соответственно, осуществляет авторегулировку режима транзистора VT1, на котором и реализован ЗНГ (задающий низкочастотный генератор). Лампочка накаливания «Л1», включенная в цепь эмиттера транзистора VT1, является нелинейным элементом цепи обратной связи по амплитуде выходного сигнала.

Характер подобного элемента цепи ОС (обратной связи) — параметрический. Та часть сигнала ЗНГ, которая подается в цепь базы VT1 через фазосдвигающую цепочку R1, С1, С2 — носит компенсационный характер.

Таким образом, с выхода той части принципиальной схемы, которая реализована на транзисторах VT1—VT6, через конденсатор связи С7, стабилизированный по амплитуде сигнал от ЗНГ подается на вход усилителя амплитуды (мощности) выходного сигнала. Он выполнен на транзисторе VT7, нагрузкой которого служит импульсный повышающий трансформатор Тр1.

Со вторичной обмотки которого, после выпрямления и фильтрации, положительное напряжение, величина которого составляет около 38 вольт, подается на вход прецизионного стабилизатора напряжения, собранного по компенсационной схеме на транзисторах VT8 и VT9 и микросхеме 198НТ1А.

С целью получения максимально высоких качественных показателей, в данном высокоточном стабилизаторе напряжения, вместо имеющих достаточно высокий уровень шумов стабилитронов, использованы, соответствующим образом включенные, интегральные транзисторы, входящие в состав микросборки. Это позволило также значительно понизить величину сквозного тока через структуру цепочки, выполняющей функции генератора опорного напряжения от значения 5–8 миллиампер (в случае применения обычного стабилитрона) до 1 миллиампера, что в данном конкретном случае является существенным.

Наличие в схеме подстроечного резистора R19 типа СП5-16ВА-0,125 (или подобного, но обязательно «закрытой» конструкции) дает возможность осуществить подстройку величины выходного высокостабилизированного напряжения представленной на рис. 16.4. схемы в пределах от 26 до 34 вольт.

«Спец»: Ну просто как по книге. Молодцом! Продолжай в том же духе. Но помни, что для «большого приемника» узел, включающий R21—R25 — отбрасывается. И заменяется другим!

«Незнайкин»: Я попробую…

И. Амплитудный детектор и усилитель мощности звуковой частоты

Конструктивно, в состав электронных узлов приемника, скомпонованных в единой обечайке, данный узел не входит. И поэтому выполнен на отдельной печатной плате. Это, помимо прочего, дает возможность делать его легкозаменяемым, т. е. сменным. При дальнейшей модификации описываемого радиоприемника, предполагается ввести в состав последнего СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР. Поэтому применение той или иной разновидности УМЗЧ, соответствующей различным тенденциям и взглядам, касающимся этого вопроса, присущих различным радиолюбителям-конструкторам, также не может игнорироваться. Поэтому, вместо представленной на рис. 28.9, принципиальной электрической схемы узла УМЗЧ, может быть использована и иная.

В предложенном автором варианте УМЗЧ используется обычный амплитудный диодный детектор с предварительным смещением диода, позволяющий существенно линеаризовать его характеристику. С выхода амплитудного детектора, через конденсатор С4, выделенная низкочастотная составляющая сигнала подается на предварительный усилитель, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, охваченных глубокой отрицательной обратной связью. С выхода предварительного усилителя низкой частоты сигнал поступает на двухтактный оконечный каскад, все пять транзисторов которого, а именно, VT3—VT7 охвачены отрицательной обратной связью по постоянному току, что способствует стабилизации режимов работы каскадов УМЗЧ и значительно улучшает линейность.

«Аматор»: Хочу сделать небольшое примечание: в качестве резистора R15 желательно применить СП5-16ВА-0,25 или подобный. Все постоянные резисторы OMЛT-0,25 или С2-23-0,125. Конденсаторы С6 и С9 желательно применить танталовые (тип К52-1). Остальные — К50-35Б. А еще лучше — производства Южной Кореи или Тайваня.

А вот о блоке питания просил бы рассказать Вас, уважаемый Спец.

«Спец»: Ну, что же, не вижу причин для отказа.

К. Схема и описание блока стабилизированных источников питания

Принципиальная электрическая схема блока стабилизированных источников питания предлагаемого для повторения приемника, представлена на рис. 28.10.

Как легко видеть, в одном блоке объединены три автономные стабилизированные источника напряжения: +12,6, -12,6, и +7,5 вольта.

Рассмотрим функционирование этих стабилизированных источников на примере СН (стабилизатора напряжения) на +12,6 вольта. Он представляет собой стабилизированный источник напряжения компенсационного типа с последовательно включенным исполнительным регулирующим устройством, в качестве которого использован составной проходной транзистор (схема Дарлингтона). Проходной транзистор состоит из трех транзисторов, соответственно, VT4, VT5 и интегрального транзистора, входящего в состав транзисторной сборки 198НТ1 А, остальные интегральные транзисторы которой используются в схеме сравнения.

Как известно, схема Дарлингтона обладает очень высоким значением Вст. Величина которого 10000 и более. Таким образом, задаваясь значением максимального тока, отдаваемым СН в нагрузку, равного в нашем случае 0,4 ампера, нетрудно убедиться, что для этого достаточно, чтобы базовый ток интегрального транзистора, входящего в состав составного, был равен, примерно, всего 5 микроамперам!

Особенность работы данного стабилизатора напряжения (СН) заключается в том, что его функционирование проходит по основной формуле

Iст = 0,2 миллиампера.

Ток стока полевого транзистора VT3 является строго фиксированной и стабильной величиной. Во-первых, потому что VT3 и R6 представляют собой СТАБИЛИЗАТОР ТОКА уже по причине самой конфигурации их включения. Во- вторых, значение тока стока равное 0,2 миллиампера, в данном случае выбрано далеко не случайно. Эксперименты показали, что для Р-канального полевого транзистора типа КП103К, именно эта величина тока стока является «магической». То есть лежит в области особой, термостабильной точки проходной характеристики этого транзистора, ток стока в которой НЕ ЯВЛЯЕТСЯ функцией температуры в пределах от -40 до +85 °C! Вот по какой причине применение полевых транзисторов того же типа КП103, но других индексов, крайне нежелательно.

Более того, практика показала, что при построении СН этого типа, желательно иметь уже заранее подобранные пары (транзистор VT3 — резистор R6), поскольку для различных образцов полевого транзистора КП103К (2П103В) значение R6 может варьироваться.

Как легко видеть, базовый ток интегрального транзистора VT1 вызывает значительный коллекторный ток силового регулирующего (проходного) транзистора VT4, через который проходит ВЕСЬ ток, питающий нагрузку СН.

Пусть в силу ряда причин, значение нестабилизированного напряжения на входе СН — повысилось.

Ток стока вышеупомянутого полевого транзистора КП103К остался при этом прежним. Но выходное напряжение СН, в силу роста его входного напряжения, получает тенденцию к возрастанию. Однако, потенциал базы левого по схеме транзистора схемы сравнения (его выводы соответствуют номерам 14, 13 и 12 — см. рис. 28.10) ЖЕСТКО стабилизирован опорным напряжением, в точке 13. И незначительное увеличение коллекторного напряжения этого транзистора — не изменит значения его коллекторного тока. А, следовательно, и значения его эмиттерного тока.

А это значит — и тех 50 % тока, которые приходятся на его долю и вместе с другими 50 %, которые обеспечивает правый по схеме транзистор (его выводы соответствуют номерам 10, 11 и 12) создают на общем для этой пары транзисторов эмиттерном резисторе R9 жестко застабилизированный потенциал UR9. Но если упомянутая выше тенденция к возрастанию выходного напряжения СН не способна изменить потенциал базы ЛЕВОГО по схеме транзистора эмиттерносвязанной пары транзисторов, то как раз о потенциале базы ПРАВОГО транзистора эмиттерносвязанной пары — этого сказать нельзя.

Через выходной делитель напряжения, образованный резисторами R9, R11 и R12, произойдет некоторое повышение потенциала базы. Вслед за этим, токовые режимы схемы претерпят следующие изменения. Во-первых, возрастет коллекторный ток правого транзистора пары. Но вот потенциал эмиттера этого транзистора — останется на прежнем уровне. Поскольку при этом левый транзистор просто соответственно уменьшит свою долю тока через R9.

Таким образом, каких-либо препятствий на УВЕЛИЧЕНИЕ своего коллекторного тока правый транзистор микросборки не имеет. Но, в свою очередь, даже это очень малое (а оно именно очень малым и будет) УВЕЛИЧЕНИЕ коллекторного тока правого транзистора, вызывает РАВНОЕ ЕМУ по абсолютной величине, УМЕНЬШЕНИЕ базового тока составного транзистора (см. основную формулу работы СН: Iст = Iб VT' + Iк VT" = const!).

Следовательно, это вызовет немедленное призапирание проходного транзистора VT4. Ну и как следствие этого — уменьшение выходного напряжения СН. То есть — возвращение регулируемого параметра — выходного напряжения к своему первоначальному значению.

Нетрудно показать, что УМЕНЬШЕНИЕ величины нестабилизированного входного напряжения, поступающего на вход СН, приведет к тому же результату. То есть ЗНАЧЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СН — ОСТАНЕТСЯ НЕИЗМЕННЫМ. То же самое будет происходить при изменении тока нагрузки. Практика работы с подобными СН показывает, что данная схема работает очень эффективно, достаточно проста и обеспечивает величину коэффициента стабилизации выходного напряжения около 2000. При том, что уровень пульсаций на выходе не превышает 1,2 милливольта.

В состав принципиальной электрической схемы СН входит также узел электронной защиты проходного транзистора от короткого замыкания по нагрузке. Этот узел включает в себя датчик короткого замыкания на выходе СН. В качестве этого датчика служит резистор R13. Его номинал подобран таким образом, что пока ток нагрузки не превышает 0,4 ампера, падение напряжения на резисторе R13 недостаточно для отпирания транзистора VT1.

Следовательно, делитель напряжения в коллекторной цепи VT1, состоящий из последовательно включенных резисторов R2 и R3 обеспечивает надежное запирание транзистора VT2.

При этом его коллекторный ток равен нулю и никакого влияния на режим работы стабилизатора тока (VT3, R6) цепь защиты не оказывает. Но как только на выходе схемы СН возникнет режим короткого замыкания, или даже просто превышения предельно допустимого тока нагрузки, на R13 возникает падение напряжения, превышающее пороговое напряжение отпирания транзистора VT1. Который из запертого состояния немедленно перебрасывается в насыщенное. В таком случае его коллекторный ток создает на R3 падение напряжения, которое приводит к возникновению коллекторного тока транзистора VT2.

Поскольку этот ток протекает по резистору R6, он создает на нем падение напряжения, которое полностью запирает полевой транзистор VT3. Таким образом, составной проходной транзистор и схема сравнения переводятся в закрытое состояние. Но, как видно из анализа этой схемы, прекращение протекания тока нагрузки, приводя к снижению падения напряжения на резисторе датчика, вызовет прекращение воздействия схемы защиты. А значит имеет место динамический процесс, который вызовет протекание через проходной транзистор некоторого КРИТИЧЕСКОГО тока, величина которого для данной схемы составляет, примерно, 0,5 ампера. Этот ток не разрушит проходной транзистор и обеспечит резерв времени, в течение которого можно зафиксировать факт короткого замыкания (КЗ) или просто аварийной ситуации в нагрузке и принять соответствующие меры.

Аналогичным образом работают и остальные два СН блока питания приемника.

Л. Силовая часть блока питания

Принципиальная электрическая схема силовой части приведена на рис. 28.11.

Каких-либо особенностей силовая часть не имеет, за исключением того, что силовые трансформаторы Тр1 и Тр2 — тороидальные. Соответственно, их номинальные мощности составляют 25 ВА и 10 ВА. Сердечники должны соответствовать этой мощности.

«Аматор»: Теперь на очереди цифровой частотомер…

«Незнайкин»: Я весь внимание и готов записывать. Но вот к анализу еще не очень готов.

«Спец»: Это я понимаю. Поэтому прошу внимания, мы приступаем.

М. Принципиальная электрическая схема частотомера и цифровой шкалы.

Описание принципов работы частотомеров.

Пояснение особенностей работы универсальной цифровой шкалы приемника с преобразованием «вверх»

Как известно, в современных радиоприемных устройствах высокого класса считается признаком дурного тона использовать механическую шкалу настройки. Это тем более справедливо, если речь идет о приемниках профессионального типа, либо для приемников дальнего приема, обладающих повышенными требованиями к чувствительности и избирательности, особенно в диапазоне КВ.

И, наконец, применение цифровой шкалы настройки в приемниках с преобразованием «вверх», особенно если в них применены варикапные матрицы (как в данном случае), представляется абсолютно необходимым.

Вообще в последние годы восторжествовала тенденция замены механического шкального устройства с его ненадежным механизмом, электронным устройством цифрового отсчета частоты (ЦОЧ), обеспечивающим высокую точность измерения частоты принимаемого сигнала (погрешность менее 0,5 % в KB-диапазоне). А также хорошую визуальную индикацию частоты настройки и прочие возможности. Например, программируемое изменение частоты приема по заранее составленному временному графику или осуществление автоматического поиска станции и слежение за ней в условиях вариаций ее рабочей частоты в точке передачи.

В общем случае ЦОЧ или ЦИФРОВАЯ ШКАЛА, представляет собой некий счетчик частоты настройки, оснащенный цифровым индикатором. Следует заметить, что непосредственное измерение частоты принимаемого сигнала затруднительно, поскольку уровень этого сигнала может, в принципе, оказаться недостаточным, либо вообще отсутствовать. В частности, это происходит при глубоком замирании сигнала — феддинге. Поэтому при реализации цифровой шкалы прибегают к косвенным методам измерения, основанным на использовании частоты гетеродина (в нашем случае — ГПД). Чтобы при измерении частоты гетеродина fгет индицировалась частота принимаемого сигнала fсигн, в приемниках с преобразованием «вверх» необходимо внести поправку:

fсигн = fгет — fпр

Внести такую поправку на величину промежуточной частоты можно несколькими способами, основанными на применении следующих методов:

а) двух счетчиков частоты,

б) счетчика частоты, включающего дополнительный дешифратор на ПЧ,

в) вычитателя частоты в преобразователе кода,

г) счетчика частоты с предварительной установкой.

Вот, например, как осуществляется принцип работы ЦОЧ с одним счетчиком частоты и дополнительным дешифратором на частоту, равную ПЧ.

Смысл метода заключается в том, что за время измерения (мерный интервал) счетчик подсчитывает импульсы, начиная с нулевого состояния, до тех пор, пока не пройдет число импульсов, соответствующее значению ПЧ. Затем счетчик устанавливается в «0» и процесс измерения продолжается. Таким образом, к моменту окончания процесса подсчета, состояние счетчика соответствует искомому значению частоты сигнала.

Данный метод предусматривает формирование последовательностей импульсов. Итак, используется только ОДИН счетчик, который ДВАЖДЫ сбрасывается в «0» в течение одного цикла счета. Структурная схема такого ЦОЧ приведена на рис. 28.12.

Функционирование осуществляется следующим образом. Импульс установки, поступающий со схемы формирования временных интервалов 4 через схему логического суммирования 7 подается на вход установки 0 (вход R) счетчика 3. Помимо этого, импульс установки подается еще на вход R триггера 5.

Таким образом, узлы 3 и 5 — сбрасываются в «0». Этим самым за период счетного интервала (время Тсч) осуществляется подсчет импульсов с нулевого состояния до того момента, пока через декады счетчика не пройдет число импульсов, соответствующее значению ПЧ. В состав схемы входят также формирователь импульсов 1 и схема совпадений 2. Поступающая затем с выхода дешифратора 8 на вход S триггера 5 логическая ЕДИНИЦА, перебрасывает триггер во включенное состояние. При этом положительный перепад напряжения на его выходе 0, запускает устройство формирования коротких импульсов 6. Выходной импульс, пройдя через схему сложения 7, вторично сбрасывает счетчик в «0». Поскольку до прихода следующего импульса установки S — триггер 5 будет сохранять (запоминать) состояние на выходе, которое соответствует логической «1», то за оставшееся время счета, полностью исключается возможность обнуления счетчика, благодаря чему достигается корректировка на величину ПЧ.

Заметим, что с выхода счетчика 3 по информационной шине поток данных о числовом значении измеряемой частоты сигнала подается на преобразователь кода 9, а затем на многоразрядный цифровой индикатор 10.

В качестве еще одного метода, который вполне может подойти для решения стоящей перед нами задачи, является устройство ЦОЧ, основанное на использовании «счетчика частоты с предварительной установкой». В этом случае счетчик устанавливается не на «0», а в такое состояние, чтобы после прохождения числа импульсов, соответствующих ПЧ, счетчик просто пришел в некоторое исходное состояние, предварительно записанное в память.

Этот метод некоторые авторы рекомендуют при использовании цифровых микросхем среднего уровня интеграции, допускающих предварительную установку произвольного числа. Этот метод действительно очень хорош и, как мы покажем ниже, примененные в составе нашей цифровой шкалы микросхемы, вполне допускают осуществление предварительной установки произвольного числа. Тем не менее, при проектировании приемника был избран ранее описанный метод, базирующийся на применении ОДНОГО счетчика частоты и дополнительного дешифратора на ПЧ.

Решающим аргументом, определившим выбор метода построения цифровой шкалы для приемника, послужило следующее обстоятельство. Дело в том, что при прочих равных условиях, выбранный нами метод представляется более универсальным. Поскольку обеспечивает НАИБОЛЕЕ ПРОСТО РЕАЛИЗУЕМУЮ возможность построения цифровой системы, совмещающую в себе функции как ЦИФРОВОЙ ШКАЛЫ, так и компактного ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ЧАСТОТОМЕРА одновременно!

Перевод системы из одного качества в другое вполне возможно, как будет показано ниже, осуществить с помощью обыкновенного тумблера. Вот почему такое устройство (ЦОЧ + ЧАСТОТОМЕР) окажет колоссальную помощь в процессе настройки как описываемого приемника, так, что тоже не исключается, многих других устройств.

Принципиальная электрическая схема УНИВЕРСАЛЬНОЙ ЦИФРОВОЙ ШКАЛЫ (будем впредь именовать это устройство так), была представлена на рис. 27.1.

Работа универсальной цифровой шкалы осуществляется следующим образом. Генератор, формирующий тактовые импульсы, стабилизированный кварцем, имеющим собственную частоту резонанса 32768 герца, собран на микросхеме D2 типа К176ИЕ5. Эта специализированная микросхема содержит в себе не только схему генератора прямоугольных импульсов, но также и двоичный счетчик, выходы которого дают возможность получить как собственно выходной сигнал этого генератора, так и результат деления его частоты на 2 в 15 степени. А, кроме того, еще и на 2 в 14 степени, а также на 2 в 9 степени.

При этом эпюра контрольного сигнала генератора снимается с выводов 11 и 12 микросхемы D2. Следует заметить, что эпюры сигналов на этих выводах сдвинуты друг относительно друга по фазе на 180 градусов. Таким образом, на выводе 5 D2 формируется прямоугольный сигнал с периодом 1 герц. Далее этот сигнал поступает на счетный вход D-триггера, который выполнен на микросхеме D3 К176ТМ2 (К561ТМ2). И затем с прямого выхода этого триггера (вывод 1) подается на вход логического инвертора, собранного на одном из элементов 2И-НЕ, которые имеются в составе микросхемы D4 К176ЛА7 (К561ЛА7). Для формирования необходимых внутрисистемных служебных импульсов, сигнал с вывода 5 микросхемы D2, одновременно с подачей на счетный вход D-триггера, подается на еще один элемент 2И-НЕ, откуда после инвертирования (вывод 11 D4) подается на двухвходовую схему совпадения (выводы 5 и 6 D4).

Инвертированный выходной сигнал сумматора (вывод 4 D4) поступает на схему формирователя коротких импульсов, реализованную, как это и следует из принципиальной схемы, с помощью логического инвертора (входы 8 и 9 D4). А также схемы сдвига, в формировании которой участвует конденсатор С10. Для более наглядного понимания того, как именно осуществляется формирование необходимых нам служебных сигналов, основные моменты процесса представлены на рис. 28.13.

Действительно, для того, чтобы легко и удобно считывать показания цифровой шкалы, а равно и показания частотомера (при проведении процесса измерений), желательно счетный интервал (это то время, в течение которого осуществляется подсчет числа поступающих импульсов в каждом цикле), иногда говорят СЧЕТНЫЙ ПЕРИОД, разбить на три интервала, соответственно:

1. Интервал счета.

2. Интервал индикации.

3. Интервал установки.

Вот именно для этой цели и служат микросхемы D3, D4, D5 и D6.

Естественно, эпюра «б» соответствует ситуации на выводе 11 D4. А эпюра «а» — ситуации на выводе 3 D4. Тогда инвертированный выходной сигнал сумматора (эпюра «с»), как легко убедиться, произведя логическое сложение эпюр «а» и «б», поданный на вход инвертора, учитывая временную задержку, вносимую конденсатором С10, дает сигнал, который и представлен на эпюре «в». Как видим, сформировалась очень важная для дальнейшей работы схемы временная задержка (см. рис. 28.13).

Теперь на выводе 6 D5 сформировался короткий импульс положительной полярности, который подается на выводы 1 всех микросхем К176ИД2 (D15—D19). Эти микросхемы представляют из себя преобразователи кода 1-2-4-8 в семисегментный позиционный. Но в составе этих микросхем имеются и дополнительные устройства. В частности, память. Вообще микросхема К176ИД2, при наличии логического уровня «0» на ее выводе 1 — запоминает сигнал, поступивший на ее информационные входы, т. е. выводы 5, 3, 2 и 4.

Таким образом, короткий положительный импульс, о котором речь шла выше, «запишет» в память всех микросхем К176ИД2 текущее значение измеряемой частоты. Которое и зафиксируется в десятичном коде пятизначным цифровым индикатором, собранным на светодиодных семисегментных индикаторах типа АЛ304Г. Но требуется еще обеспечить и правильную работу счетчиков, в которых использованы микросхемы К176ИЕ2 (D10—D14). Как известно, информация на выходах этих микросхем сбрасывается в «0», если на выводах 9 присутствует уровень логической ЕДИНИЦЫ.

В то же время, схема работает в режиме нормального счета, если на выводе 9 поддерживается логический НУЛЬ. Для того, чтобы сформировать сигнал, сбрасывающий показания счетчиков, сигнал с вывода 6 D5 подается на узел, формирующий необходимую длительность и фазу, который и будет синхронизировать рабочий цикл счетчиков К176ИЕ2. Этот узел реализован на микросхеме D6, конденсаторах С8 и С9, также резисторе R11.

При установке тумблера выбора режима работы в положение 2 (ЧАСТОТОМЕР), устройство будет осуществлять счет числа импульсов, поступивших на его вход. Для того, чтобы в нашем распоряжении оказался действительно частотомер, в его состав введено устройство, реализованное на транзисторах VT1 и VТ2, а также микросхемах D7, D8 и D9. На транзисторе VT1 собран входной усилитель, обеспечивающий необходимую полосу частот и уровень входного сигнала. Его выходной импеданс согласован с первым делителем частоты на 10. В качестве такого делителя служит специализированная экономичная микросхема D7 193ИЕ3. Дело в том, что, как было сказано выше, ГПД приемника генерирует частоты в интервале 85,5—60,5 МГц.

Но знать значение принимаемой частоты с точностью до 1 герца в данном случае совершенно ни к чему. Для хорошей цифровой шкалы достаточна точность порядка 1 кГц. Вот почему, прежде чем подать текущий сигнал от ГПД на счетчик, применен предварительный делитель на 1000. Первое деление на 10 и осуществляется микросхемой D7. Предпочтение 193ИE3 оказано еще и потому, что эта микросхема прекрасно работает с синусоидальными сигналами. И потребляет при этом ток, не превышающий 20 миллиампер.

Следовательно, значение частоты на выходе D7 лежит для нашего случая в пределах от 8,55 до 6,05 МГц. Но для нормальной работы счетчиков серий К176 и К561 — это слишком высокая частота. Поэтому использован второй делитель частоты на 10, в качестве которого применен хорошо себя зарекомендовавший двоично-десятичный ТТЛ-счетчик К133ИЕ2. С его вывода 11 снимается сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов, частота которых лежит в пределах 855–605 кГц. Но подать их на вход третьего каскада деления частоты на 10, в котором использована микросхема D9 типа К176ИЕ2 не представляется возможным в связи с несовпадением логических уровней ТТЛ и К-МОП. Поэтому в состав универсальной цифровой шкалы введен инвертор логических уровней на транзисторе VT2.

С его выхода предварительно сформированный сигнал подается на соединенные в параллель входы 1, 2 и 8 логического инвертора, собранного на D5. Теперь, приведенные в полное соответствие со стандартом К-МОП-логики, импульсы поступают на счетный вход 2 D9. Таким образом, на ее выводе 11 значение измеряемой частоты лежит в пределах 85500—60500 герц.

Теперь посмотрим, как осуществляется работа всего устройства, если тумблер выбора режима работы переключен в положение 1 — («Цифровая шкала»).

Вот теперь нам необходимо обязательно вычитать первую промежуточную частоту, значение которой, как известно, составляет 55,5 МГЦ. Поскольку частоту поступающих на частотомер импульсов мы уже уменьшили в 1000 раз, то и значение ПЧ1 следует привести в соответствие с этим. Таким образом, оперативное значение промежуточной частоты — 55500 герц!

Анализ и выбор оптимальной реализации задачи создания универсальной цифровой шкалы, которая при том была бы и наиболее проста в отладке, но сохраняла высокое качество измерения, показал, что наиболее разумным является создание узла на простых микросхемах серий К561 (К176), который обеспечивал бы генерацию выходного управляющего импульса только в том случае, если на его входы поступает КОНТРОЛЬНОЕ ЧИСЛО, равное оперативному значению вычитаемой промежуточной частоты. Этот узел и реализован на микросхемах D20—D26. Что и представлено на рис. 27.1, приведенном ранее. Дополнительным удобством такого узла является и тот неоспоримый факт, что для его отладки достаточно обыкновенного тестера!

Легко видеть, что импульс на выводе 11 микросхемы D22 появится только в том случае, если на его параллельные входы подается двоично-десятичный сигнал, соответствующий числу 55500. При ЛЮБОМ ДРУГОМ состоянии входов сигнал на выводе 11 D22 — отсутствует.

Микросхема D1 представляет собой устройство, которое дважды в течение счетного интервала обеспечивает сброс счетчиков в НУЛЬ — по окончании общего цикла счета и после прихода 55500-го импульса. Выдачу этого числа обеспечивают выходы микросхем D10—D14, причем в двоично-десятичном коде 1-2-4-8.

Следует заметить, что подобная реализация вычитания ПЧ позволяет реализовать и другие значения контрольного числа. То есть иных значений промежуточной частоты. Для этого вполне достаточно просто набрать на входах микросхем этого узла ДРУГОГО числового эквивалента. Естественно, в качестве цифровых индикаторов в данной схеме можно использовать и любые другие семисегментные светодиодные матрицы. Причем, как с общим катодом, так и с общим анодом. При использовании светодиодных семисегментных матриц с ОБЩИМ КАТОДОМ, дешифраторы-преобразователи кодов, которыми и являются микросхемы К176ИД2, должны быть включены так, как показано на рис. 28.14.

А вот о конструктивных особенностях, используемых в приемнике индуктивностей, я попросил бы поделиться с нами своими взглядами нашего «Главного Конструктора Проекта» — Аматора.

«Аматор»: С удовольствием…

Н. Конструкция катушек индуктивности и ШПТЛ, используемых в приемнике

Используемые в конструкции приемника индуктивности, намотаны на стандартных каркасах, внешний вид и размеры которых приведены на рис. 30.13 в главе 30. Моточные данные и конкретно применяемые типы каркасов для селектора диапазонов приведены в табл. 30.5 в главе 30.

Моточные данные (либо значения индуктивности) аттенюатора, широкополосного УВЧ и преобразователя первой промежуточной частоты приведены в табл. 30.6 в главе 30.

Моточные данные катушек усилителя первой промежуточной частоты и преобразователя второй промежуточной частоты приведены в табл. 30.7 главы 30. Те же самые данные по ГПД приведены в табл. 30.8.

В табл. 30.9 приведены моточные данные, либо указаны значения индуктивности усилителя второй промежуточной частоты.

Моточные данные катушек (либо значения их индуктивности) кварцованного гетеродина на частоту 54,045 МГц приведены в табл. 30.10.

А вот по части оптимальной технологии процесса настройки, позвольте передать мои полномочия Вам, Спец.

«Спец»: Не смею отказать. Итак…

Глава 29. Рекомендации по отладке и настройке узлов приемника с преобразованием «вверх»

Как показывает практика выполнения подобных операций, одной из наиболее трудных задач, встающих перед радиолюбителем-конструктором, является комплектация домашней лаборатории необходимой контрольно-измерительной аппаратурой. Поскольку при создании достаточно современной радиотехнической системы, скажем, приемника с двойным преобразованием частоты, обычным тестером не обойтись (даже в том случае, если у него имеется цифровой индикатор).

Поэтому это обстоятельство было в какой-то мере учтено при создании конструкции данного приемника с преобразованием «вверх». Его узлы и блоки были разработаны таким образом, что они вполне допускают раздельную отладку и настройку. Кроме того, как будет показано ниже, существует определенная возможность использовать в качестве подручной измерительной аппаратуры при настройке (как предлагаемого для самостоятельного повторения приемника, так и иной аналогичной аппаратуры) узлов и систем, входящих в состав описываемой конструкции как составная часть.

Одной из таких систем и является представленная выше УНИВЕРСАЛЬНАЯ ЦИФРОВАЯ ШКАЛА. Переключив режим ее работы в положение «ЧАСТОТОМЕР», мы можем полностью контролировать реальный диапазон рабочих частот, например, нашего ГПД. Тем самым нетрудно осуществить необходимую подстройку частоты. Что касается подачи на входной разъем приемника испытательных сигналов, позволяющих осуществить процесс настройки селективных цепей, то рекомендации по этому вопросу и даются ниже.

Вообще налаживание приемника принято начинать с визуальной проверки монтажа и его «прозвонки» с помощью тестера. Поскольку прежде всего следует убедиться в том, что нет короткого замыкания.

ВНИМАНИЕ! В начале отладки рекомендуется полностью отсоединить по цепям питания все основные и вспомогательные узлы и блоки радиоприемника. И начать с налаживания «чистого» блока питания, отсоединив от него даже блок стабилизированных источников питания электронных узлов и систем радиоприемника. Замерив с помощью тестера (см. рис. 28.11) соответствие выходных напряжений на конденсаторах C1, С2 и С3 тем, которые приведены в описании схемы, следует убедиться в том, что результат измерений дал несколько более высокие значения, примерно: +21, -21 и + 14 вольт.

После этого подсоединяем к конденсаторам активную нагрузку, в качестве которой рекомендуется взять мощные (силовые) резисторы любого типа, например ВС-10, номиналы которых, соответственно, равны: (+18 вольт) — 75 Ом, (-18 вольт) — 75 Ом, (+ 12 вольт) — 91—100 Ом. При этом значения напряжений на конденсаторах С1—С3 должны прийти в соответствие с указанными. Затем следует дать поработать трансформаторам и выпрямителям с подключенной к ним вышеназванной эквивалентной нагрузкой, примерно, в течение получаса. Убедившись, что силовые трансформаторы и диодные мосты не перегреваются и что все в порядке, следует осуществить отсоединение нагрузочных эквивалентов. И вместо них подсоединить соответствующие входы блока стабилизированных источников питания (см. схему, приведенную на рис. 28.10).

БУДЕМ ПОМНИТЬ РАЗ И НАВСЕГДА, любые подключения и перепайки при отладке системы (как описываемого радиоприемника, так и любой другой) производятся только при полностью отключенном от сети шнуре питания! Строгое соблюдение этого пункта гарантирует Вам жизнь и здоровье, а конструируемой Вами аппаратуре — отсутствие ситуаций типа «фейерверк» или «салют»!

Рекомендуется также производить раздельную отладку стабилизированных источников питания. Итак, подсоединяем источник с входным напряжением +12 вольт. Его выходное, стабилизированное напряжение при этом должно находиться в пределах от +6,8 до +8,3 вольта. С помощью подстроечного резистора R36 типа СП5-16ВА-0,25 (или подобного, но герметизированного) производится точная регулировка выходного напряжения узла до значения +7,5 вольта. Если схема смонтирована правильно, а номиналы резисторов соответствуют указанным, то установление выходного напряжения СН вопросов не вызывает.

Теперь к выходу СН — (+7,5 вольта) подключаем активный эквивалент, состоящий из двух мощных резисторов ВС-10, включенных параллельно. Их общее сопротивление при этом — 38 Ом. Убедившись, что все в порядке, и что выходное напряжение СН регулируется и находится в соответствующих пределах, с помощью осциллографа, например типа С1-68 или другого, имеющего аналогичные характеристики, замеряют уровень пульсаций на выходе СН. Если их амплитуда не превышает 1,5 милливольт, то все в порядке. А если превышает, то следует несколько увеличить емкость С16.

Аналогичным образом производится отладка и стабилизированных источников на (+12,6 вольт) и на (-12,6 вольт). Затем начинаем подпаивать к соответствующим СН выводы питания узлов и блоков приемника. Сначала рекомендуется подсоединить СЕЛЕКТОР ДИАПАЗОНОВ (см. рис. 28.2).

Подача питающих напряжений на пары входных и выходных реле РЭС-49 осуществляется, как и показано на принципиальной схеме, через переключатель 11П4Н (при этом задействована одна их имеющихся в конструкции данного переключателя четырех секций).

Теперь следует осуществить «укладку» частот принимаемых диапазонов, согласно, приведенному в самом начале описания конструкции, РАСПИСАНИЮ ПОДДИАПАЗОНОВ. Настройку этого узла удобно производить с помощью измерителя АЧХ (амплитудно-частотной характеристики), например, типа Х1-1А, X1-49, X1-19, Х1-53 и т. п.

Будем помнить, что измеритель частотной характеристики не обеспечивает измерение чувствительности радиоприемника, но дает уникальную возможность осуществления быстрой отладки АЧХ сложных резонансных систем, частным случаем которых и являются цепи селектора диапазонов.

Поскольку высокочастотный импеданс всех диапазонов селектора равен 50 Ом, то при настройке его можно подключать к измерителю АЧХ так, как представлено на рис. 29.1.

Здесь же приведен и примерный вид АЧХ для каждого диапазона. После этого можно приступать к отладке гетеродинов. Сначала, установив режимы по постоянному току, как показано на схеме, запускают кварцованный гетеродин G2, принципиальная схема которого приведена на рис. 28.7. Для этого, прежде всего, коротким куском серебреного провода закорачивают верхний и нижний концы катушки индуктивности ЗГ. И убеждаются в соответствии режима транзистора VT1 описанию. При этом его коллекторный ток должен быть равен 4,5 миллиампер. Ток стока VT2 равен, примерно, 4 миллиампера. Ток коллектора VT3 лежит в пределах 2,2–2,5 миллиампер.

Проверив правильность монтажа и выставив указанные токи, необходимо снять закоротку с катушки и начать отладку частотной характеристики G2. В этом случае, поскольку рабочая частота G2 равна 54,045 МГц, можно использовать нашу универсальную цифровую шкалу, которая должна при этом работать в режиме «частотомер».

Кроме того, очень желательно было бы проконтролировать степень синусоидальности выходного сигнала. Для чего, собранную и отлаженную по постоянному току печатную плату G2 проверить на высокочастотном осциллографе, имеющем рабочую полосу частот до 100 МГц. Убедившись, что G2 выдает спектрально чистый сигнал, регулируют сердечник индуктивности L2 по максимуму амплитуды выходного сигнала, которая должна находиться, в пределах 1,6–1,8 вольта. Установив таковую амплитуду, фиксируют сердечник индуктивности.

После этого приступают к настройке ГПД. Прежде всего, для этого настраивают высокостабильный преобразователь напряжения для варикапов, собранный на основании принципиальной электрической схемы, представленной на рис. 29.2. Как показал опыт работы с подобными схемами, процесс отладки связан с двумя моментами. Первое — подбор оптимального потенциала на базе транзистора VT1. Для этого достаточно включить параллельно резистору R3 еще один резистор, номинал которого обычно находится в пределах 12–16 килоом.

И, регулируя положение ползунка резистора R5, добиться оптимального по форме и амплитуде сигнала в точке «А» (рис. 16.4). Для ориентира — частота генерации низкочастотного ЗГ преобразователя — порядка 8–9 кГц.

Амплитуда сигнала в этой точке должна быть на уровне 0,35—0,5 вольт. Подбором номинала конденсатора Сп, устанавливают максимальную амплитуду переменного напряжения на вторичной обмотке Тр1. Затем проверяют работу СН, входящего в состав принципиальной схемы преобразователя. Выставив с помощью многооборотного подстроечного резистора R19 (типа СП5-3-0,5) выходное напряжение (+30 вольт), проверяют с помощью осциллографа уровень пульсации этого напряжения. У правильно настроенной схемы эта величина не превышает 150 микровольт!

Убедившись в высоком качестве работы предложенного преобразователя напряжения, соединяют его выход с узлом, содержащим многооборотный переменный резистор типа ППМЛ-1И-20 К и вспомогательные резисторы, определяющие пределы изменения величины подаваемого на варикапы постоянного потенциала в каждом из поддиапазонов. Принципиальная (полная) электрическая схема этого узла приведена на рис. 29.2.

Укладку диапазонов ГПД можно произвести, использовав для этого собственную универсальную шкалу приемника в режиме «ЧАСТОТОМЕР». Но можно, если имеется такая возможность, использовать для настройки стандартный цифровой многоразрядный частотомер заводского изготовления. В качестве такого частотомера подойдут 43–57, 43–64 и пр.

Поскольку в этом случае будет возможно оценить величину «выбега» ГПД. Так именуется параметр, который характеризует количественную оценку стабильности ГПД. В предлагаемой схеме ГПД «выбег» не превышает 100–120 Гц.

Затем приступают к настройке широкополосного УВЧ и преобразователя первой промежуточной частоты. Для этого, отсоединив конденсатор С4 (см. рис. 28.3), подают на него сигнал с выхода измерителя АЧХ. А вход измерителя АЧХ соединяют с конденсатором С17 (рис. 28.3), который для этого отсоединяется от общей точки ШПТЛ Тр2.

На приведенном рис. 29.3 показаны АЧХ широкополосного УВЧ и фильтра-пробки на частоту 55,5 МГц.

Добившись соответствия реальных характеристик, примерный вид которых представлен на рис. 29.1, восстанавливают соединение конденсатора С17 рис. 28.3. с общей точкой ШПТЛ. Выходной разъем ГПД соединяют с входом ШПТЛ ТрЗ. Но теперь вместо измерителя АЧХ необходим ГЕНЕРАТОР СТАНДАРТНЫХ СИГНАЛОВ (ГСС).

В качестве такового вполне возможно использовать ГСС заводского изготовления, например, Г4-102А. Хотя существует мнение, что генераторы стандартных сигналов класса Г4-102А не вполне пригодны, например, для измерения динамического диапазона входных сигналов высококачественных приемников. Как из-за высокого (относительно) уровня, так называемых, боковых шумов, так и по причине интермодуляционных искажений, вызванных нелинейностью выходных цепей генераторов, примененных в подобных ГСС.

К сожалению, форма выходного сигнала Г4-102А действительно не является пределом мечтаний. Но дорогие, имеющие очень высокое качество характеристик, измерительные генераторы стандартных сигналов, достаточно дефицитны. И имеются только в хорошо оснащенных специализированных лабораториях. Поэтому выбор невелик — или все же применить (явно неоптимальный) ГСС класса Г4-102, или построить собственный, упрощенный, имеющий только несколько фиксированных, но «вылизанных» частот генерации. Качество такого ГСС может быть сделано достаточно высоким, но вот повозиться придётся немало.

В первом случае поступают следующим образом. Припаивают на место конденсатор С4 (см. рис. 28.3), но закорачивают электроды р-i-n-диода. Далее подают с выхода ГСС частоту сигнала, соответствующую границам выбранного диапазона частот, путем установки переключателя 11П4Н приемника в соответствующее положение. Амплитуду высокочастотного сигнала с выхода ГСС при этом устанавливают равной 100 микровольт. Тем самым проверяют работу первого смесителя, собранного по схеме кольцевого балансного на диодах Шоттки.

Предварительно настраивают частотную характеристику ДИПЛЕКСОРА С19, С20, L4, L5, R9 на частоту пропускания, равную 55,5 МГц. При нормально работающем первом смесителе, очень несложно, перестраивая по частоте (разумеется в пределах выбранного поддиапазона) ГСС, поймать синусоидальный сигнал, частота которого равна 55,5 МГц.

Можно, даже «на глаз», оценить такие его характеристики, как степень синусоидальности, а также ЧИСТОТУ. То есть убедиться, насколько этот сигнал четкий, НЕЗАШУМЛЕННЫЙ. Кроме того, убеждаемся, что если не перестраивать ГПД, но перестраивать ГСС, то существует ТОЛЬКО ОДНО значение частоты входного сигнала, при котором наблюдается отклик на выходе ДИПЛЕКСОРА.

Кстати, понижая аттенюатором ГСС уровень входного сигнала приемника от 100 микровольт до 5 микровольт, можно получить некоторое предварительное представление об уровне достигнутой чувствительности. Но только весьма предварительное, поскольку общий коэффициент усиления всего вышеуказанного тракта, пока еще невелик. Поэтому приступают к отладке УПЧ1, цепи которого выполняют роль ОСНОВНОГО СЕЛЕКТОРА СИГНАЛОВ первой ПЧ.

Лучше всего, в данном случае, прибегнуть снова к использованию измерителя АЧХ. Сигнал с его выхода подается на конденсатор С1 (см. рис. 28.4). А на вход измерителя АЧХ поступает сигнал с конденсатора С15, который для этого отсоединяется от средней точки ШПТЛ Тр1. Как показано на рис. 29.4.

Максимально растянув полосу качания, можно посмотреть на экране измерителя АЧХ полосу пропускания ФП2П-4-1-В (или подобного ему) кварцевого фильтра. Как с вывода 3 этого фильтра, так и на выходе резонансного усилителя, собранного на двухзатворном МДП-транзисторе КП306А. Путем подстройки сердечников катушек индуктивности, добиваются максимума усиления тракта. Затем, соединив вход схемы, представленной на рис. 28.4. с выходом схемы рис. 28.3, конденсатором С1 (см. рис. 28.4), с вывода С15 можно уже достаточно убедительно оценить достигнутый уровень входной чувствительности приемника.

С учетом суммарного коэффициента передачи электронных цепей тракта, при подаче на вход приемника ВЧ-сигнала с амплитудой 5 микровольт, в измеряемой точке уровень сигнала будет составлять величину порядка 30 милливольт. Такой сигнал достаточен для анализа его качественных и количественных характеристик. Поэтому аттенюатором ГСС понижаем уровень входного сигнала до 1 МИКРОВОЛЬТА, а затем производим замеры, сущность которых понятна из приведенного ниже рис. 29.5.

Имеется возможность оценить максимальную чувствительность приемника при заданном соотношении сигнал/шум. Теперь, по уже изложенной ранее методике, настраивают преобразователь второй промежуточной частоты. Настроив соответствующий ДИПЛЕКСОР на частоту, равную 1,455 МГц, приступаем к отладке и настройке схемы УПЧ2, разорвав для этого его цепь АРУ-2 (см. рис. 28.6). Прежде всего, отладим режимы работы двухзатворных полевых транзисторов VT1—VT3 по постоянному току. Это очень ответственный момент. Поскольку двухзатворные транзисторы КП306А имеют нормированный квадратичный участок переходной характеристики по напряжению первого затвора (что означает ослабление комбинационных составляющих третьего порядка не менее 80 дБ.). Кроме того, транзисторы КП306, можно сказать, «идеальны» для построения на их основе высококачественных резонансных малошумящих усилителей с высоким входным импедансом.

Изображенные на рис. 28.6 резисторные цепи обеспечивают, соответствующее работе на квадратичном участке характеристик, смещение по второму затвору. Но, установив режимы по постоянному току транзисторов VT1—VT3, прежде чем восстановить цепь АРУ-2, следует, подав сигнал на первый затвор VT1 от ГСС (частота 1,455 М Гц), замерить величину коэффициента усиления этой части тракта УПЧ2. И проверить, как его шумовые, так и линейные характеристики. Шумовые достаточно просто определяются, когда уровень входного сигнала от ГСС составляет 2–5 микровольт. Поступаем при этом в соответствии с рис. 28.2. Линейные характеристики можно также достаточно точно установить, плавно увеличивая входной сигнал ГСС от уровня 5—10 микровольт.

Поскольку при разомкнутой цепи АРУ-2, общий коэффициент усиления трех каскадов составляет величину порядка 8000—10000 раз (66–80 дБ), то входной сигнал порядка 50 микровольт обеспечивает на выходе УПЧ2 амплитуду около 0,5 вольта!

Продолжая процесс плавного контролируемого увеличения амплитуды входного сигнала, отмечают момент, когда на выходе схемы произойдет нарушение синусоидальности формы сигнала. После этого, приняв коэффициент запаса равным 0,8, умножаем на него то значение амплитуды входного сигнала, при котором проявилась вышеуказанная нелинейность. При правильно установленных режимах МДП- транзисторов, по постоянному току, это происходит при уровнях входного сигнала, равных 150–200 микровольт.

Теперь можно замкнуть цепь АРУ-2. Ранее уже было дано описание принципа ее работы. Следует заметить, что эта цепь имеет очень высокие характеристики и обеспечивает значительную глубину АРУ-2. В частности, замеренная автором глубина АРУ при замкнутой цепи обратной связи, при изменении входного сигнала от 10 микровольт до 35 милливольт, вызывала увеличение соответствующего выходного сигнала УПЧ2 не более, чем в три раза, т. е. соответствовала глубине АРУ, равной:

66 дБ/6 дБ.

Таким образом, тракт УПЧ2 отрабатывает весьма значительные изменения амплитуды поступающих на его вход сигналов, достойно справляясь со своей задачей.

Но ему не под силу исправить ситуацию в том случае, если уже во входных цепях радиоприемника, из-за воздействия очень мощной, близко расположенной радиостанции, или какой-либо индустриальной установки, генерирующей помехи, и прочее, величина сигнала оказывается такой, что перегружает даже УВЧ и первый смеситель! Это вполне реальная ситуация. Вот именно для ее предотвращения и введена в состав приемника цепь АРУ-1.

Ранее принцип работы АРУ-1 был полностью описан. Рекомендации по конкретной методике настройки этой цепи — следующие. Отсоединить конденсатор С18 от стока VT1 (рис. 28.4). И далее заняться отладкой системы так, как это изображено на рис. 29.6.

Как следует из рисунка, отладка цепей АРУ-1 может быть произведена путем подачи сигнала от ГСС на С18. Уровень сигнала ГСС устанавливается равным 50 милливольтам. Частота — 55,5 МГц. С учетом коэффициентов передачи цепей, которые в данном случае исключаются (УВЧ, СМ-1, ДИПЛЕКСОР), уровень сигнала от ГСС, равный 50 милливольтам, будет эквивалентен входному сигналу приемника, равному 2 милливольтам.

Таким образом, на вход балансного детектора, через С10 подается ВЧ-сигнал, амплитуда которого равна 150–200 милливольт. Как видно из рис. 29.6 есть два случая. Первый — когда мы подаем сигнал в точку А. В этом случае выходная частота ГСС — 55,5 МГц. Но предельная частота генерации Г4-105 составляет всего 50 МГц. Поэтому сигнал требуемой частоты подать невозможно. В этом случае можно подать сигнал в точку Б. То есть прямо на вход балансного детектора через С10, предварительно отсоединенный от стока VT2.

Но поскольку при этом оказался исключенным резонансный усилитель, то для компенсации его роли и потребовалось увеличить амплитуду сигнала с выхода ГСС до 150–200 милливольт. Это очень значительный по величине сигнал, который используется ТОЛЬКО при отладке. Зато теперь появилась возможность выбрать частоту сигнала, фактически, любую из спектра принимаемого приемником диапазона.

Для примера, выберем эту частоту (которую мы подаем на вход балансного детектора), равной 25 МГц. Это приведет к появлению на выходе балансного ВЧ-детектора постоянного потенциала U. Он и будет являться тем дифференциальным (разностным) сигналом, который подается на входы инструментального усилителя. Как уже говорилось ранее, его коэффициент усиления по постоянному току можно легко регулировать посредством вращения ползунка резистора R15 (см. рис. 28.8).

Пределы регулирования составляют от 10 до 100. С учетом того, что U равно 35–50 милливольт (при подаче на вход ВЧ-сигнала 150–200 милливольт), отрегулируем и зафиксируем величину К = 20. Теперь на вход ИТУН1 будет подано управляющее напряжение ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ полярности. При этом его абсолютное значение составит около 1 вольта.

Это и будет максимальным уровнем входного сигнала для ИТУН1. При таком сигнале ток через светодиод оптрона ЗОР124А должен быть номинальным и равным, примерно, 8 миллиампер. При этом освещенность фоторезистора оптрона будет максимальной, а режим светодиода не превысит допустимых техническими условиями пределов. Сопротивление фоторезистора составит величину не более 100–150 Ом.

Много это, или мало? Определим, какой сквозной ток должен проходить через диод КА509Б для того, чтобы его высокочастотная проводимость была максимальной. Согласно техническим условиям, его номинальный ток равен 10 миллиамперам. Вот именно эта величина и выбирается в качестве исходной, причем величина сквозного тока контролируется обыкновенным миллиамперметром.

Для обеспечения такого тока, на вход ИТУН2 с помощью резисторов R1 и R2 подается ПОСТОЯННОЕ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ напряжение, равное 1 вольту. Сопротивление «темного» фоторезистора имеет величину несколько сотен тысяч ом. Поэтому никакого шунтирующего действия на цепь R1—R2 не оказывает (см. рис. 29.6).

Совсем другое дело, когда сопротивление «светлого» фоторезистора снижается до предельной величины 100–150 Ом. В этом случае ток через диод КА509Б становится меньше, чем 0,4 миллиампера. Это эквивалентно УМЕНЬШЕНИЮ высокочастотной проводимости аттенюаторного диода в сотни раз!

Для того, чтобы убедиться в этом, приведена для рассмотрения цепь, представленная на рис. 29.7.

Здесь у радиолюбителя-конструктора, помимо прочего, имеется широкая возможность для самостоятельного изучения линейных свойств узлов Z1, R, А1 и U1, охваченных цепью АРУ-1. В целом, настройку ВЧ тракта можно считать на этом законченной.

«Спец»: Ну вот, «теория» осталась далеко позади! На очереди — практика!

«Аматор»: Уважаемый Спец! Вам не кажется, что поза, в которой застыл наш Незнайкин, несколько сродни роденовскому Мыслителю?

«С»: Дружище Незнайкин! Какие-то проблемы?

«Незнайкин»: А разве это не проблема, превратить такое количество принципиальных электрических схем в нечто материальное, осязаемое, а главное, функционирующее?

«С»: Нет, это не проблема. Это просто интересная и творческая техническая задача! И мы сейчас приступаем именно к этому этапу.

«А»: Но монтаж будет выполнен с использованием печатных плат?

«С»: Поскольку у нас теперь сплошной плюрализм, то здесь двух мнений быть просто не может! Да, исключительно с применением печатного монтажа!

«Н»: Но многослойных плат, надеюсь, не будет?

«С»: С сожалением должен сказать, что нет! Но мы вполне и успешно обойдемся стеклотекстолитом с двухсторонней фольгировкой!

«А»: Какая толщина фольгированного стеклотекстолита для нас оптимальна?

«С»: Исходите из ОДНОГО миллиметра. А вот здесь я прилагаю чертежи печатных плат нашего радиоприемника.

Глава 30. Печатные платы — «живьем»!

«Незнайкин»: И все же есть кое-что, чего я в толк не возьму.

«Аматор»: Поделись сомнениями с друзьями, полегчает сразу.

«Н»: Да вот получается, что окончательная схема «большого приемника» разъясняется в ходе нашей беседы как бы дважды. Разве нет?

«Спец»: Я все ждал, когда ты об этом спросишь. Аты как думаешь, почему?

«А»: Действительно, я тоже это заметил. Конечно, каждый раз мы рассматривали какой-то новый нюанс схемы, обращали внимание на какую-то новую, ранее не рассмотренную, особенность.

«С»: Все это так. Но не это самое главное. Основной смысл подобной подачи схемотехнических решений приемника заключается в следующем.

ВНИМАНИЕ: в окончательном виде ВСЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРИЕМНИКА представлена В ВИДЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ УЗЛОВ, каждый из которых реализован конструктивно в виде ЗАКОНЧЕННОЙ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ!

«Н»: Вот теперь я понял! Но в таком случае, где же чертежи этих печатных плат?

«С»: Да вот они, не волнуйся! А поскольку принципиальные электрические схемы «большого приемника» у нас все есть…

«А»: Причем достаточно детально рассмотренные…

«С»: …То поступим следующим образом. Представим ниже ВСЕ печатные платы в том порядке, в котором мы производили рассмотрение, соответствующих этим платам, схемотехнических узлов.

«Н»: Ну, тогда нам следует начать с печатной платы СЕЛЕКТОРА ДИАПАЗОНОВ!

«С»: Согласен. Вот она, вычерчиваем в масштабе один к одному. Приведем ее лицевую и обратную стороны (см. рис. 30.1).

Рис. 30.1. Печатная плата селектора диапазонов

«С»: Надеюсь, друзья, вам известно сентенция о том, что жизнь всегда преподносит нам сюрпризы?

«А»: Интригующее начало!.. А без них, без сюрпризов, то есть, обойтись никак невозможно? Ведь насколько я понимаю, вопрос касается конструкции «большого приемника»?

«С»: Ты всегда отличался замечательным умением ухватить самую суть!

Сюрприз заключается в том, что нам придется разместить аттенюатор на р-i-n-диоде и цепь АРУ-1 на одной и той же плате. Связано это, в первую очередь, с требованиями высокочастотной схемотехники. Между прочим, вы обратили внимание на то, КАК конструктивно выполнен р-i-n-диод КА509Б? Вас ничего не удивило?

«А»: Пока я не увидел р-i-n-диод, я полагал, что он внешне ничем не отличается от, например, КД522 или ГД508. Но я вижу перед собой очень своеобразную, КОАКСИАЛЬНУЮ конструкцию!

«С»: В том-то и дело! Для того, чтобы эффективность аттенюатора на р-i-n-диоде была максимальной, цепи, в которых он используется, должны быть конструктивно выполнены ПО ВСЕМ ПРАВИЛАМ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕХНИКИ! Это значит — длина сигнальных цепей — минимально возможная. А экранирование — максимально эффективное. А из этого следует практический вывод — диод КА509 и непосредственно связанные с ним компоненты должны располагаться на ОТДЕЛЬНОЙ печатной плате.

«Н»: Но тогда и цепь АРУ-1 нужно расположить поближе?

«С»: Это совершенно необязательно, но, тем не менее, желательно. Итак, печатная плата, включающая в себя аттенюатор и цепь АРУ-1, приведена на рис. 30.2.

Рис. 30.2. Печатная плата p-i-n-аттенюатора и АРУ-1

«С»: А теперь я хочу обратить ваше внимание на состав следующей платы, представленной на рис. 30.3. На ней расположены: заградительный фильтр на частоту 55,5 МГц; предварительный малошумящий широкополосный УВЧ; первый смеситель с диплексором; узкополосный малошумящий УПЧ1, в состав которого входит высокоселективный кварцевый фильтр ФП2П-4-1-В на частоте 55,5 МГц; второй смеситель с диплексором, настроенный на частоту 1,455 МГц. А также резонансный усилитель на jFET, вырабатывающий сигнал для АРУ-1.

Рис. 30.3. Печатная плата аттенюатора, входного фильтра УВЧ широкополосного, 1-го смесителя, УПЧ1 и 2-го смесителя

«А»: Я вижу на плате надпись «ФП2П-4-1-В». Это место для установки кварцевого фильтра?

«С»: Совершенно верно…

«Н»: Следующая плата — это ГПД (Генератор Плавного Диапазона)?

«С»: Да, вот она, представлена на рис. 30.4.

Рис. 30.4. Печатная плата генератора плавного диапазона

«А»: А теперь следующая по списку плата усилителя второй промежуточной частоты (УПЧ-2) и его цепь АРУ-2.

«С»: Так и есть. Заметьте, они размещаются на одной плате, представленной на рис. 30.5.

Рис. 30.5. Печатная плата УПЧ2 и АРУ-2

«А»: Теперь пришла очередь платы гетеродина на частоту 54,045 МГц, стабилизированного кварцем.

«С»: Которая и представлена на рис. 30.6.

«Н»: Поскольку схема АРУ-1 уже нашла себе законное место на плате рис. 30.2., то следующая плата — это тот самый прецизионный стабилизатор-преобразователь для питания варикапов?

«С»: Да, безусловно. Советую вам, кстати, использовать эту плату не только для «большого приемника» но и в других случаях. Например, для «учебно-тренировочного» приемника. И вообще в схемах основанных на применении варикапов. Вот эта плата, представлена на рис. 30.7, а. И ее аналог на рис. 30.7, б.

«А»: Теперь представим печатную плату детектора и УМЗЧ?

«С»: Если вы решите применить в этом качестве принципиальную электрическую схему этого узла, которую мы ранее и рассмотрели, то вот она — рис. 30.8.

«Н»: Следующая по списку печатная плата содержит сразу три стабилизатора напряжения?

«С»: Как это и представлено на схеме. Напомним, эти три СН выдают: + 12,6 В; -12,6 В; +7,5 В. Печатная плата этого узла представлена на рис. 30.9.

Рис. 30.9. Печатная плата стабилизаторов напряжения: +12,6 В; -12,6 В и +7,5 В

«А»: Теперь пришла очередь ЦОУ (цифрового отсчетного устройства)?

«С»: Да, печатная плата ЦОУ представлена на рис. 30.10.

Рис. 30.10. Печатная плата ЦОУ — плата универсальной цифровой шкалы (лицевая сторона)

Рис. 30.10. Печатная плата ЦОУ — плата универсальной цифровой шкалы (оборотная сторона)

«Н»: А как же печатная плата цифрового индикатора на пять знакомест?

«С»: Не волнуйся, не забыли и ее. Вот она — представлена на рис. 30.11.

Рис. 30.11. Печатная плата цифрового индикатора на пять знакомест

«А»: Осталась еще одна плата, а именно — резисторный делитель для точной регулировки пределов напряжений, подаваемых на многооборотный резистор ППМЛ-1-22к, в каждом из восьми поддиапазонов.

«С»: Да вот же она, показана на рис. 30.12.

Рис. 30.12. Печатная плата делителя напряжений для многообмоточного резистора ППМЛ-1-22к

«Н»: Что еще следует особо упомянуть?

«С»: Это, прежде всего, конструкции каркасов для катушек индуктивности, которые применяются как в «большом приемнике», так и в «учебно-тренировочном». Поэтому приведем внешний вид этих каркасов на рис. 30.13.

«А»: А вот теперь самое время привести небольшой справочник, включающий в себя основные характеристики комплектующих, применяемых в нашем приемнике (табл. 30.1—30.10).

«С»: Да будет так!…

«С»: И последнее. Я долго ожидал этого вопроса, друзья мои, но так и не дождался. А между тем сама конфигурация печатных плат, особенно это касается высокочастотной части, далеко не случайна. Потому что все они предназначены для определенной конструкции высокочастотной обечайки. Вот ее габариты и пример размещения печатных плат (рис. 30.14).

КОНЕЦ ТРЕТЬЕЙ ЧАСТИ

Список литературы

1. Э. Т. Ред — Схемотехника радиоприемников. — Москва: Мир, 1989.

2. Справочник по учебному проектированию приемо-усилительных устройств. — Под общей ред. докт. техн. наук, проф. М. К. Белкина — Киев: Выща школа, 1988.

3. И. Е. Ефимов, И. Я. Козырь, Ю. И. Горбунов — Микроэлектроника. — Москва: Высшая школа, 1986.

4. П. Хоровиц, У. Хилл — Искусство схемотехники. В двух томах. — Москва: Мир, 1984.

5. Р. Варлаамов — Современные источники питания. Справочник. — Москва: ДМК, 1998.

6. Справочник — Транзисторы. Вып. 5,8. — TURUTA, 1998.

7. В. Т. Поляков — Радиолюбителям о технике прямого преобразования. — Москва: Патриот, 1990.

8. Журнал — Электроника США. — Москва: Мир, 1975–1990.

9. Радиоприемные устройства — Под редакцией про. А. П. Жуковского (для студентов РТ-вузов). — Москва: Высшая школа, 1989.

10. И. В. Пароль, С. А. Кайдалов — Знакосинтезирующие индикаторы и их применение. — Москва: Радио и связь, 1988.

Список сокращений и обозначений

АРУ — автоматическая регулировка усиления;

ГПД — генератор плавного диапазона;

ДУ — дифференцальный усилитель;

ИУ — инструментальный усилитель;

ООС — отрицательная обратная связь;

ОУ — операционный усилитель;

ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты;

УВЧ — усилитель высокой частоты;

УМЗЧ — усилитель мощности звуковой частоты;

УПТ — усилитель постоянного тока;

УПЧ — усилитель промежуточной частоты

* * *

Оглавление

Характеристика персонажей

Часть I ВСТРЕЧИ И БЕСЕДЫ

  Глава 1. Досужий разговор

  Глава 2. Волны электрического моря

  Глава 3. Индуктивность… Добротность… Резонанс…

  Глава 4. Устремленные в пространство

  Глава 5. Экскурс в историю…

  Глава 6. Что такое «супергетеродин»?

  Глава 7. От одиночного преобразования — к двойному!

  Глава 8. Парадоксы KB-приемников

  Глава 9. Что же такое действительно современный радиоприемник?

  Глава 10. Структурная схема выбрана

Часть II ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

  Глава 11. Что такое р-n-переход?

  Глава 12. Полупроводниковые диоды — немного истории…

  Глава 13. Биполярные транзисторы

  Глава 14. Полевые (униполярные) транзисторы

  Глава 15. От теории — к практике

  Глава 16. Прогулка по схеме «учебно-тренировочного»

  Глава 17. Поговорим о микросхемах

  Глава 18. Что нужно знать о резисторах и конденсаторах?

  Глава 19. Об индуктивности — подробно!

  Глава 20. Реле, оптроны, блоки питания

Часть III МЫ «ЛОВИМ» ВЕСЬ МИР

  Глава 21. Стабилизатор напряжения — тонкости и нюансы

  Глава 22. Схемотехника полосовых диапазонных фильтров

  Глава 23. Схемные особенности УВЧ и гетеродинов

  Глава 24. «Мелочам» — особое внимание!

  Глава 25. От УПЧ2 к индикации частоты настройки

  Глава 26. Цифровые схемы в радиоприемнике

  Глава 27. Универсальная цифровая шкала

  Глава 28. «Большой приемник» — окончательный вариант

  Глава 29. Рекомендации по отладке и настройке узлов приемника с преобразованием «вверх»

  Глава 30. Печатные платы — «живьем»!

Список литературы

Список сокращений и обозначений Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg