Что такое гетеродин? Гетеродин - это генератор который находится внутри приёмника, его ещё называют местный генератор. Сигнал от этого генератора обеспечивает работу смесителя, который преобразует входной сигнал в сигнал промежуточной частоты или звуковой сигнал. В супергетеродинах частота гетеродина отличается от частоты сигнала иногда на десятки мегагерц МГц, и только в приемниках прямого преобразования частота должна быть точно равна частоте сигнала или (в случае использования).
Немного теории. Основой любого генератора является усилитель или элемент с отрицательным сопротивлением (например туннельный диод или лямбда-диод). Основная работа, которую выполняет генератор незатухающих синусоидальных колебаний - это превращение энергии постоянного тока в энергию переменного тока.
Рассмотрим упрощенную схему генератора высокой частоты.
Сердцем является неинвертирующий усилитель А1, который охвачен положительной обратной связью с выхода на вход, параметры которой определяются ФС ПОС (формирователем сигнала положительной обратной связи). Что значит неинвертирующий усилитель? Это такой усилитель фаза сигналов на выходе которого одинакова с фазой сигналов на его входе, т.е. они (сигналы) синфазны.
А как обстоит дело с фазовыми соотношениями в обычном транзисторном усилителе, где транзистор включён по схеме с общим эмиттером?
Как видно на рисунке, сигналы на базе и эмиттере синфазны, а на базе и коллекторе - противофазны. Обратная связь будет положительна, если сигнал на выходе усилителя будут синфазны с сигналом на входе. Выполнение данного условия, часто называемого балансом фаз, является основополагающим фактором при выборе схемотехнического решения активного элемента и цепи обратной связи. Необходимо отметить, что конкретные особенности усилительного каскада и цепи обратной связи обеспечивают синфазность выходного и входного сигналов лишь на одной определенной частоте.
Из этого следует, что сигнал ПОС из эмиттерной цепи можно подавать непосредственно в цепь базы, а из цепи коллектора - через фазовращатель, который повернет фазу коллекторного сигнала на 180 град., чтобы она стала синфазна с базовым.
Другой главной задач, решаемых с помощью цепи обратной связи, является такое преобразование амплитуды выходного сигнала, при котором после прохождения через цепь ОС величина амплитуды подаваемого на вход усилительного каскада сигнала будет достаточной для поддержания колебаний в системе. Именно это условие, часто называемое балансом амплитуд, является решающим при выборе определенной глубины обратной связи.
Понятно, что если глубина положительной обратной связи будет недостаточной, то незатухающие колебания не возникнут. А вот если она глубина обратной связи будет излишней, то усилитель перейдет в режим ограничения, так как амплитуда сигнала будет большой. В результате на выходе вместо синусоиды увидим прямоугольные импульсы.
Таким образом, для устойчивой работы генератора с необходимой частотой и амплитудой сигнала необходимо не только правильно выбрать, например, положение рабочей точки транзистора усилительного каскада, но и установить параметры цепи обратной связи (глубина обратной связи и фазовый сдвиг).
Теперь - к практике. Основных схем не так много, а их разновидностей - большое количество.
Генератор Хартли (индуктивная трёхточка) является электронным LC-генератором, в котором положительная обратная связь берётся через отвод от части катушки индуктивности параллельного LC-контура. Был предложен американским ученым Ральфом Хартли, который подал заявку на патент 1 июня 1915 г. и получил патент № 1356763 от 26 октября 1920 года. Вот модель этого генератора.
Сигнал ПОС берется с эмиттера транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, и через С3 подается на часть витков катушки контура. В интернете почему-то при использовании этой схемы рекомендуется снимать сигнал генератора с эмиттера транзистора через С4. Я много раз убеждался, что при этом форма сигнала так или иначе искажена, что видно на графиках. Обратите внимание, какая хорошая форма сигнала в точке А, и какова там амплитуда - аж 20 В. Вот отсюда и нужно снимать сигнал через эмиттерный повторитель. Недостатком этого генератора является то, что переключении нужно переключать по крайней мере две точки.
Другая очень распространенная схема генераторов высокой частоты - генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка), названный в честь его изобретателя американского инженера Эдвина Колпитца. Свой генератор Эдвин разработал немного позже, чем Хартли.
В емкостной трехточке у катушки нет отвода - это плюс, но больше конденсаторов у транзистора Q1 - а это минус :). Как и в индуктивной трехточке, в емкостной сигнал на эмиттера Q1 тоже искажен. Но тут я пристроил эмиттерный повторитель на транзисторе Q2. Вот на его эмиттере - чистый синус, максимальная амплитуда которого не более 2,2 В, дальше искажения. Эмиттерный повторитель оказывает минимальное влияние на контур L1C1, так как напряжение с него снимается через конденсатор очень маленькой емкости - всего 5 пФ.
Наверняка будет еще вопрос и генераторе, где транзисторы работают в барьерном режиме. Вот пример схемы из статьи:
Об этом виде генераторов я писал в статье. Везде пишут, что он заводится сразу, ну, может, придется подобрать R1 в зависимости от коэффициента усиления применяемых транзисторов. Конечно, я такую схему решил смоделировать в LTspice.
Как я не меня сопротивление резистора R1, генератор или не заводился, или заводился, но никакого синуса на выходе. Я отчаялся было уже что-то путное получить, но решил попробовать зашунтировать R1 конденсатором. И все получилось.
Емкость конденсатора С2 нужно было подобрать, но при емкости 2,2 нФ на выходе был синусоидальный сигнал с практически неизменной амплитудой в диапазоне 1,5 - 8 МГц. Амплитуда, конечно, немного маловата, но ее можно увеличить, подключив усилитель с небольшим Кус. Что еще интересно, так это форма сигнала на эмиттерах Q1 и Q2 - отличная пила с размахом около 100 мВ:
Теперь немного о характеристиках гетеродинов.
1. Стабильность частоты гетеродина - основная характеристика гетеродина. Она зависит от многих факторов: изменения температуры, нестабильности источника питания, изменение параметров нагрузки, шалости дядюшки Ху с деталями и т.д. От стабильности зависит возможность приема радиостанции. Так для приема SSB уход частоты гетеродина вполне может быть 300-500 Гц, для приема CW - 50 - 100Гц, для приема цифровых мод - 10 Гц.
Температурная стабильность зависит от изменения емкости конденсаторов контура и индуктивности катушек при изменении температуры. Тут нужно представлять себе в каких условиях будет работать ваш приемник. Если он будет в корпусе и находится в комнате без сильных сквозняков, то стабильность будет вполне нормальной. Ведь до появления синтезаторов радиолюбители вполне обходились относительно простыми схемами.
Повысить стабильность частоты можно, если конденсатор колебательного контура (постоянный конденсатор) собрать путем включения параллельно нескольких конденсаторов меньшей емкости с различными ТКЕ. то в результате можно получить такой конденсатор, емкость которого от температуры зависеть практически не будет. То же можно сказать и о катушке индуктивности. Таким образом, используя для построения LC контура различные типы конденсаторов (кроме блокировочных и им подобных) и различно выполненные катушки индуктивности (варьировать тип провода, каркас и пр.), можно увеличить таким образом стабильность частоты генерируемых колебаний ГПД до величин, позволяющих работать цифровыми модами.
Питание гетеродина должно быть стабилизировано и по питанию должны быть включены блокирующие конденсаторы, как электролиты (47-100 мкФ), так и керамические (47 - 100 нФ). Будет здорово, если стабилизация питания будет двухступенчатая: при питании от источника 12 В поставить стабилизатор на 9 вольт, а за ним - 5 вольт. Это простой, но эффективный способ повысить стабильность частоты, так как генераторы обычно потребляют ток не более 10 мА, и интегральные стабилизаторы серии 7809 и 7805 очень дешевы.
2. Спектральная чистота сигнала. От нее зависит динамический диапазон приемника. Если снимать сигнал с колебательного контура, то уровень побочных колебаний и шумо будет мала, особенно. если контур имеет высокую добротность.
3. Выходная мощность гетеродина. Она должна быть достаточна для работы смесителя. Для простых смесителей на диодах и маломощных транзисторах - это порядка десятка мВт, для кольцевого смесителя - сотня мВт, для высокоуровневых смесителей - до единиц Вт.
А теперь правило, которое я проверил на себе неоднократно: параметры гетеродина (и не только) должны соответствовать классу приемника. Поэтому нет смысла делать супер-пупер гетеродин для приемника, который использует простейший смеситель. Наша задача - сделать простой приемник и выйти на нем в эфир. Пока "потренируемся на кошках" :).
В следующей статье - практическая конструкция гетеродина.
