Транзисторный сверхрегенеративный детектор

ТРАНЗИСТОРНЫЙ СВЕРХГЕНЕРАТИВНЫЙ ДЕТЕКТОР
Предлагаемый транзисторный сверхрегенеративный детектор предназначен для усиления и детектирования высокочастотных амплитудно-модулированных сигналов, в частности, в радиоприемных устройствах.
Известны транзисторные сверхрегенераторы, работающие в режиме автосуперизации 1,2,3,4,5, которые, наряду с функцией сверхрегенеративного усилителя высокочастотного амплитудно-модулированного (AM) сигнала, могут выполнять и функцию амплитудного детектора.
Из известных транзисторных сверхрегенеративных детекторов (СД) наиболее близким по технической сущности является СД, описанный в 5. Указанный СД выполнен на биполярном транзисторе по схеме фиг.1, где база транзистора 6 соединена с первым полюсом источника напряжения смещения базы 14 и замкнута на частоте несущей и на частоте модуляции на корпус через конденсаторы 7,8. Параллельный колебательный контур 1,2 соединен с корпусом через конденсаторы 3,4 с первым полюсом источника напряжения коллектора 13 и с коллектором транзистора 6. Конденсатор обратной связи 5 включен между коллектором и эмиттером транзистора 6. Эмиттер транзистора 6 через высокочастотный дроссель 9 и параллельную RC-цепь 10,11 соединен с корпусом и со вторыми полюсами источников напряжения коллектора 13 и смещения базы 14. Входной высокочастотный сигнал подводится к колебательному контуру 1,2. Напряжение демодулированного AM сигнала снимается с резистора 11 и фильтруется соответствующим фильтром 12.
9 8
ток коллектора транзистора 6 при этом максимален. В это время величина отрицательного сопротивления, вносимого транзистором 6 в колебательный контзф 1,2 благодаря положительной обратной связи через конденсатор 5, достаточна для возникновения в нем автоколебаний. Ток высокочастотных автоколебаний, выпрямленный переходом эмиттер-база транзистора 6, заряжает конденсатор 10 RC-цепи до уровня напряжения на эмиттере, при котором ток коллектора транзистора 6 снизится настолько, что вносимое в контур 1,2 отрицательное сопротивление (за счет падения коэффициента передачи транзистора 6 на высокой частоте) станет недостаточным для компенсации в нем активных потерь, и автоколебания в контуре 1,2 прекратятся. Величина емкости конденсатора 10 и запас самовозбуждения, необходимые для реализации описанного режима прерывистой генерации, определяются из соотношений, приведенных в 6. После затухания колебаний в контуре 1,2 конденсатор 10 разряжается через параллельные ему цепи, при этом напряжение на эмиттере транзистора 6 падает, растет ток его коллектора, и вместе в ним растет величина отрицательного сопротивления, вносимого транзистором 6 в колебательный контур 1,2 при неполной компенсации им активных потерь обеспечивает регенеративное усиление подведенного к контуру 1,2 из вне высокочастотного сигнала, частота колебаний которого совпадает с частотой собственных колебаний этого контура 7. Сверхрегенеративное усиление сигнала наступает при полной компенсации активных потерь в контуре 1,2 еще более возросшим отрицательным сопротивлением. В контуре 1,2 возникают автоколебания. причем момент этот наступает тем раньше, чем выше уровень входного сигнала. Далее процессы зарядки конденсатора 10 и затухания колебаний в контуре 1,2 повторяются. Таким образом, в описываемом устройстве автоматически (процесс
автосуперизации) возникают периодически повторяющиеся процессы регеиеративного и сверхрегеиеративного усиления входного высокочастотного сигнала. При этом частота автосуперизации, а с ней и средний ток эмиттера транзистора 6 изменяется пропорционально уровню входного высокочастотного сигнала, что при его амплитудной модуляции приводит к появлению в эмиттерном токе переменной составляющей с частотой AM. Напряжение с частотой AM может быть выделено на резисторе 11 в цепи эмиттера и отфильтровано от напряжения с частотой автосуперизации соответствующим фильтром 12. Так процесс автосуперизации, реализованный в описанном устройстве обеспечивает еще и детектирование входного амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала.
Для достижения наибольшей пороговой чувствительности сверхрегенеративного детектора необходимо, чтобы его активный элемент (в данном случае биполярный транзистор) в процессе регенеративного усиления входного сигнала имел бы минимальный коэффициент щума 8. Вместе с тем, процесс суперизации (в данном случае - автосуперизации) не должен сопровождаться значительными изменениями токов и напряжений в цепи колебательного контура, которые приводят к возникновению в нем ударного возбуждения колебаний, наличие которых эквивалентно воздействию внешней помехи 9. В описанном выше прототипе, при применении в нем высококачественных транзисторов, приведенные выше условия достижения наивысшей пороговой чувствительности, в общем случае не выполняются. Так, малошумящие высокочастотные транзисторы, как привило, имеют слабую зависимость коэффициента передачи на высокой частоте от тока коллектора. Вследствие этого, режим сверхрегенеративного детектирования в высоким коэффициентом усиления, реализуемый при наибольшей амплитуде колебаний затухания (от отрицательных до положительных значений) в контуре 1,2 10, может быть достигнут лишь при значительных колебаниях тока коллектора транзистора 6, которые приводят к возникновению в контуре 1,2 колебаний ударного возбуждения. Это проявляется в виде внутренней шумовой помехи, ухудшающей пороговую чувствительность данного СД. Вместе с тем, в процессе регенеративного усиления входного сигнала ток коллектора транзистора 6 мал, и соответствующий коэффициент шума транзистора далек от своего минимума. Это ограничивает снизу уровень различимого входного сигнала, что определяет соответствующую пороговую чувствительность, если ударное возбуждение контура 1,2 отсутствует. Только тщательный индивидуальный подбор сочетания коэффициента положительной обратной связи, подбором емкости 5 и напряжения источника смещения базы 14, тока коллектора транзистора 6 позволяет снизить собственный шум СД (т.е. доли в ухудшении пороговой чувствительности, обусловленной ударным возбуждением). Процесс этот трудоемок и, главное, достигнутый режим неустойчив, как при изменении воздействия внешних факторов, так и при перестройке по частоте контура 1,2 емкостью конденсатора 1, когда изменяется коэффициент положительной обратной связи в схеме сверхрегенератора, что приводит либо к срыву сверхрегенерации, либо к переходу СД в режим самовозбуждения 11. В конечном счете, обычно в выходном сигнале СД присзоствует шумовая помеха от колебаний ударного возбуждения контура 1,2, часть спектра которой лежит в полосе пропускания выходного фильтра 12, что ограничивает пороговую чувствительность С Д. При этом суммарный уровень сигнала собственного шума на выходе СД превышает уровень сигнала модуляции при приеме достаточно мощного AM сигнала, что
создает эффект мелкой AM. Указанные выше недостатки существенно ограничивают область применения описанного транзисторного СД.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание транзисторного сверхрегенеративного детектора, обеспечивающего режим сверхрегенеративного детектирования амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала при высокой пороговой чувствительности с высоким коэффициентом усиления, который устойчив при перестройке по частоте емкостным элементом его колебательного контура, а также устойчив при изменении внешних воздействующих факторов, таких как температура окрзокающей среды, напряжения питания.
Поставленная задача решается тем, что в сверхрегенеративный детектор, выполненный на бипо.пярном транзисторе, база которого замкнута на корпус на частоте несущей и на частоте модуляции через соответствз ющие конденсаторы и соединена с первым полюсом источника напряжения смещения базы, его коллектор через конденсатор соединен с эмиттером и через параллельный колебательный LC-контур соединен с корпусам через конденсаторы и с первым полюсом источника напряжения коллектора, его эмиттер через высокочастотный дроссель и параллельную RC-цепь соединен с корпусам и вторыми полюсами источников напряжения коллектора и смещения базы, имеющий цепь ввода высокочастотного сигнала и цепь вывода сигнала модуляции, введены дополнительный биполярный транзистор и дополнительный источник напряжения, причем второй биполярный транзистор имеет структуру проводимости, обратную структуре проводимости первого транзистора, эмиттер второго транзистора соединен с эмиттером первого транзистора, коллектор второго транзистора соединен с первым высокочастотным
дросселем и параллельной RC-цепью, база второго транзистора через второй высокочастотный дроссель соединена с первым полюсом дополнительного источника напряжения, второй полюс дополнительного источника напряжения соединен с корпусом, дополнительный конденсатор соединен с коллектором второго транзистора и корпусом.
На фиг.2 представлена электрическая схема предлагаемого транзисторного сверхрегенеративного детектора, где 1,2 - конденсатор и индуктивность параллельного колебательного контура, настроенного на частоту принимаемого сигнала. 3,4,7,8 - конденсаторы, блокирующие на высоких и низких частотах источники напряжения 16,17. 5 - конденсатор обратной связи сверхрегенератора. 6 биполярный транзистор (активный элемент сверхрегенератора). 9 - высокочастотный дроссель, входящий в цепь обратной связи сверхрегенератора. 10 дополнительный биполярный транзистор, входящий в цепь обратной связи сверхрегенератора. 11 - дополнительный высокочастотный дроссель, не допускающий протекания ВЧ тока базы транзистора 10 через дополнительный источник напряжения 18. 12 - конденсатор, обеспечивающий совместно с транзистором 10 изменение коэффициента обратной связи сверхрегенератора. 13,14 - резистивноемкостная цепь в цепи питания эмиттера транзистораб, обеспечивающая режим автосуперизации сверхрегенератора. 15 - фильтр низкой частоты.
Устройство работает следующим образом. При включении источников напряжения 16,17,18 напряжение на эмиттерах транзисторов 6,10 минимально. Ток коллектора транзистора 6 и отрицательное сопротивление, вносимое им в контур 1,2 максимальны. Переход эмиттер-база транзистора 10 обратносмещен, при этом проводимость эмиттер-коллектор этого транзистора минимальна и не влияет на коэффициент положительной обратной связи, обеспечиваемой конденсатором 5. В контуре 1,2 возникают, нарастают и устанавливаются автоколебания. С ростом напряжения на эмиттерах транзисторов 6,10 при зарядке выпрямленным током конденсатора 13 RC-цепи, во-первых, падает ток коллектора транзистора 6, вследствие чего снижается его коэффициент передачи на высокой частоте, во-вторых при некотором напряжении источника 18, переход эмиттер-база транзистора 10 становится прямосмещенным. С ростом напряжения на эмиттере транзистора 10 проводимость эмиттер-коллектор транзистора 10 растет и совместно с низкой проводимостью (на частоте сигнала) конденсатора 12 шунтирует на высокой частоте переход эмиттер-база транзистора 6, что приводит к снижению коэффициента положительной обратной связи в сверхрегенераторе. Совместные процессы снижения коэффициента передачи на высокой частоте транзистора 6 и уменьшения коэффициента положительной обратной связи в сверхрегенераторе за счет роста проводимости эмиттер-коллектор транзистора 10 приводят к падению величины отрицательного сопротивления, вносимого в контур 1,2 и к затуханию автоколебаний в нем, причем второй процесс преобладает над первым.
После срыва автоколебаний СД, напряжение пацает на эмиттерах транзисторов 6, 10 за счет разрядки конденсатора 13 через параллельные цепи. При этом проводимость эмиттер-коллектор транзистора 10 падает, а ток коллектора транзистора 6 увеличивается. Снижение проводимости эмиттер-коллектор транзистора 10 увеличивает коэффициент положительной обратной связи (вносимое в контур 1,2 отрицательное сопротивление), что обеспечивает регенеративное усиление внешнего высокочастотного сигнала, а затем возникновение незатухаюших колебаний (сверхрегенеративное усиление). Изменение тока коллектора транзистор 6 при переходе от возникновения автоколебаний до их срыва в основном определяет крутизна изменения проводимости ЭК транзистора 10 от напряжения ЭБ. При этом требуемый перепад тока коллектора транзистора 6 намного меньше, чем в прототипе, что обеспечивает отсутствие в контуре 1,2 колебаний ударного возбуждения, и коэффициент шума транзистора 6 в режиме регенеративного усиления СД близкий к минимальному. Кроме того, снижается амплитуда напряжения автосуперизации на резисторе 11.
Следует отметить, что транзистор 10 включен по отношению к ВЧ сигналу в цепи положительной обратной связи инверсно и работает в микрорежиме 12. Достигаемые в этом случае низкие значения остаточных параметров ключевого режима работы транзистора 10 обеспечивают требуемую глубину модуляции коэффициента положительной обратной связи. Смешает в прямом направлении переход эмиттер-база транзистора 10 только медленно меняюшаяся составляющая напряжения эмиттера, т.к. высокочастотный дроссель 11 в цепи базы транзистора 10 имеет высокое реактивное сопротивление на частоте входного сигнала, что исключает протекание высокочастотных токов через переход эмиттер-база и влияние проводимости этого перехода на процессы регенеративного и сверхрегенеративного усиления в сверхрегенераторе. Отсюда следует, что снижение коэффициента положительной обратной связи в СД за счет повышения проводимости эмиттерколлектор транзистора 10 возникает только лишь с установлением в контуре 1,2 автоколебаний. Это дает возможность разделить функции и установить режимы работы элементов предлагаемого СД таким образам, что транзистор 6 имеет такой режим по постоянному току, установленный источником 17, а конденсатор 5 имеет такую емкость, что в СД обеспечивается режим регенеративного усиления при минимальном коэффициенте шума транзистора 6. При этом напряжение на базе транзистора 10 устанавливается источником 18 таким, что в процессе роста напряжения на эмиттерах транзисторов 6,10 после возникновения автоколебаний в СД обеспечивается максимальное изменение коэффициента положительной обратной связи и срыв автоколебаний в СД при минимальном изменении тока коллектора транзистора 6, т.е. режим суперизации, близкий к параметрическому, при котором достигается необходимый коэффициент усиления СД при отсутствии ударного возбуждения колебаний в контуре 1,2. Таким образом, в предлагаемом транзисторном сверхрегенеративном детекторе, в отличие от прототипа, возможна оптимизация с высокой пороговой чувствительностью при перестройке его по частоте емкостным элементом контура в широких пределах и в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов.
На фиг.З представлен пример практической реализации транзисторного сверхрегенеративного детектора по предлагаемому техническому решению. Транзистор VT1 соответствует транзистору 6, а VT2 транзистору 10 по описанию полезной модели. Параметрический стабилизатор на R1, VD1-VD3 соответствует источникам напряжений 17, 18. Фильтр 15 на выходе СД выполнен на элементах R3, С8, L2, С9.
Устройство, выполненное по схеме фиг.З, где VT1 - КТ368А, VT2 - КТЗ107А, VD1-VD3 - КД503А, на частоте 30 МГц имеет следующие параметры:
1.Чувствительность (при Uc/Uffl 12 дБ; 30% AM) не хуже 1,5 мкВ.
2.Диапазон рабочих частот при перестройке по частоте конденсатором С2 Afp 24-38 МГц.
3.Диапазон изменения напряжения питания ЕЙ от 6 В до 4 В без ухудшения чувствительности при изменении уровня выходного сигнала СД не более чем на 25%.
5.Напряжение шума на выходе СД в отсутствии выходного сигнала Un,.4 мВ.
6.Напряжение сигнала детектированной AM при Uc/Um 12 дБ; 30% AM .7мВ.
Испытания образца СД по схеме прототипа фиг1., при использовании тех же комплектующих, дали такие результаты:
1.Чувствительность (при Uo/Um 12 дБ; 30% AM) не хуже 9 мкВ.
2.Диапазон рабочих частот при перестройке по частоте конденсатором С2 не более 0.5 МГц и ограничен срывом режима сверхрегенерации или самовозбуждением СД.
3.Диапазон изменения напряжения питания ЕЙ от 6 В до 5.5 При .5 В происходит срыв режима сверхрегенерации.
4.Диапазон изменения температуры окружающей среды (без цепей термокомпенсации) не более ±15 °С от нормальной температуры.
5.Напряжение шума на выходе СД в отсутствии сигнала  .2 мВ.
6.Напряжение сигнала детектированной AM при Uc/Um 12 дБ; 30% AM .6 мВ.
Сопоставление значений достигнутых параметров в устройствах по заявке и по прототипу показывает четко выраженный положительный эффект, достигнутый в устройстве, выполненном по предлагаемому техническому решению, что обеспечивает возможность применения предлагаемого СД в радиоприемниках AM широкого применения.
Список литературы
1.Crow W.F. Transistor superregenerative detection - IRE Trans. On curcuit theory, 1956, №1.
2.Патент США №4.143.324 НКИ 325/429.
3.Патент США №4749964 публ. 07.06.1988.
4.Белкин М.К. Сверхрегенеративный радиоприем. -Киев: TexHiKa, 1968, с.84-86.
5.Сверхрегенераторы. Под редакцией М.К.Белкина. -М.: Радио и связь, 1983. с.67.
6.Дворжиков А.А., Уткин Г.М. Автогенераторы в радиотехнике. - М.: Радио и связь, 1991, с.23-24.
7.Белкин М.К. Сверхрегенеративный радиоприем. -Киев: TexHiKa, 1968, с.37-38.
8.Сверхрегенераторы. Под редакцией М.К.Белкина. -М.: Радио и связь, 1983, с. 125-129.
9.Сверхрегенераторы. Под редакцией М.К.Белкина. -М.: Радио и связь, 1983, с.141-146.
Ю.Белкин М.К. Сверхрегенеративный радиоприем. -ЬСиев: TexHiKa, 1968, с.61. П.Белкин М.К. Сверхрегенеративный радиоприем. -Киев: TexHiKa, 1968, с.64-66. 12. Бочаров Л.Н. Инверсное включение транзистора. -М.: Энергия, 1975, Табл.1 с.ЗЗ, с.36-37, С.46.