Модель детектора В.Т. Полякова и не только в LTspice для начинающих и не только.

В статье о детекторе конструкции В.Т. Полякова я предполагал смоделировать его в LTspice. В комментариях к этой статье читатель Валентин Р. дал ссылку на статью в журнале "CQ QRP" №43, где вроде бы уже были результаты моделирования данного детектора. Но никаких результатов там не было, просто сказано, что на основе моделирования разработана схема улучшенного детектора В.Т. Полякова.

Поэтому я решил разобраться с детекторами самостоятельно, начиная с самого простого и до того, самого усовершенствованного. Мне кажется эти виртуальные эксперименты будут полезны как для начинающих радиолюбителей, так и для более опытных.

Начнем с самого простого детектора на одном диоде.

Рис. 1

Слева схема детектора, справа - графики сигналов в различных ее точках. На вход схемы подается сигнал с амплитудной модуляцией, который представляет собой ВЧ-колебания несущей частоты, размах которых во времени меняется по закону, определяемому формой модулирующего напряжения. Обратите внимание, что модуляция (в случае модуляции синусоидальным сигналом) происходит симметрично, т.е. изменяется амплитуда как положительных, так и отрицательных полуволн несущей.

Как известно, диод обладает односторонней, поэтому он пропускает или положительные волны или отрицательные, в зависимости от полярности включения. Поэтому синусоида несущей превращается после диода в последовательность импульсов (полуволн).

Теперь нам нужно извлечь огибающую, для чего используется LC фильтр низших частот - L1C2, который срезает частоты выше звукового диапазона. Для импульсов несущей дроссель представляет высокое сопротивление, а С2 - низкое. Для низкочастотных колебаний - наоборот.

На одном диоде можно построить детекторы двух типов: последовательный и параллельный в зависимости от включения диода и сопротивления нагрузки.

Рис. 2 . С сайта https://studfile.net/

Рисую модель параллельного детектора и запускаю ее.

Рис. 3.

Все по науке: на входе симметричный АМ-сигнал, диод пропускает на общий провод положительные полуволны, а отрицательные проходят к нагрузке, а затем проходят через ФНЧ. В результате имеем НЧ сигнал.

Поясню значение величин на схеме:

Рис. 4

mark=1000K - частота несущей 1000 кГц = 1 МГц; SINE (0.25 0.15 1k) - сигнал несущей и модулирующий сигнал синусоидальные, амплитуда несущей 0,25 В, амплитуда модулирующего сигнала 0,15 В, его частота 1 кГц.

Давайте поменяем полярность включения диода:

Рис. 5.

Теперь срезаются отрицательные полуволны, а положительные проходят к нагрузке и ФНЧ. Обратите внимание, что сигнал НЧ одинаковый в обоих случаях. Теперь перейдем к последовательной схеме, которая чаще применяется в АМ-радиоприемниках.

И тут нас ждет облом :))

Рис. 6.

Если мы рассмотрим сигнал на выходе ФНЧ, то увидим вот что:

Рис. 7.

Импульсы с частотой модуляции и очень малой амплитудой. В чем же здесь дело? А попробуем добавить еще один резистор.

Рис. 8.

Заработало, но амплитуда НЧ-сигнала маловата. Я попробовал закоротить дроссель и все заработало.

Рис. 9.

Амплитуда НЧ-сигнала в точности равна амплитуде модулирующего сигнала - 150 мВ. Но такого не бывает, потери должны быть. Попробую заменить диод Шоттки ВАТ54 на кремниевый 1N4148. При амплитуде несущей 0,9 В и коэффициенте модуляции 50% получилось вот что:

Рис. 10.

Картина похожа на рис. 3. Уменьшаю амплитуду входного сигнала до 0,1 В.

Рис. 11.

На выходе на первый взгляд сигнала нет, но при ближайшем рассмотрении он обнаруживается, но чрезвычайно маленький и искаженный.

Рис. 12.

Перейдем к детектору по схеме удвоения.

Рис. 13.

При большой амплитуде входного сигнала все работает корректно. Но при уменьшении амплитуды входного сигнала менее 0,6 В выходной сигнал уменьшается и искажается. Вот что получилось при входном сигнале 300 мВ:

Рис. 14.

С уменьшением входного сигнала амплитуда импульсов также уменьшается. Меняю кремниевые диоды на ВАТ-54. И при том же входном сигнале ...

Рис. 15.

Вот, что значит малое напряжение открывания диодов с барьером Шоттки и германиевых диодов. Но ведь детектор должен корректно работать при входном напряжении порядка 100 мкВ. Но при таком сигнале на выходе ФНЧ:

Рис. 16.

Вот тут и нужно использовать идею Верютина о подаче тока, снижающего напряжение их открывания.

Рис. 17.

Идея работает! На выходе имеем неискаженный сигнал с амплитудой около 50 мкВ. Как видите. использование смещения (ток через диоды около 8 мкА) позволяет детектировать малые сигналы. Точно также это работает и с кремниевыми диодами.

Самое интересное, что в этом случае и при входном напряжении 0,5 В на выходе имеем неискаженный сигнал.

Рис. 18.

Теперь детектор В.Т. Полякова.

Рис. 19.

На входе 100 мкВ, столько же на выходе. Но вот при увеличении уровня входного сигнала до 10 мВ усиление этой схемы возрастает до 10. При дальнейшем увеличении сигнала до 100 мВ выходной сигнал меньше входного более чем в 4 раза.

Рис. 20.

При высоком уровне сигнала замена кремниевого диода на диод Шоттки еще чуть-чуть уменьшает выходной сигнал. При входном сигнале 10 мВ усиление схемы тоже меньше, чем с кремниевым диодом.

Рис. 21.

Интересно, что при этом токи через кремниевый диод и диод Шоттки близки.

Далее добавляю один диод.

Рис. 22.

Да, сигнал на выходе больше,чем с одним диодом, но все-таки меньше, чем входной. При входном сигнале 1 мВ Кус=8, при 10 мВ - Кус = 15, но сигнал начинает немного искажаться.

Рис. 23.

Токи через диоды в этой схеме различны: через VD1 ток около 2 мкА, а через VD2 - в 2 раз больше. Причем если увеличить ток через второй диол, уменьшив R1, то уменьшается Кус и искажения.

Рис. 24.

При 100 мВ выходной сигнал имеет бОльшие искажения при таком же токе через второй диод.

Рис. 25.

Но усиления в этом случае никакого, наоборот, выходной сигнал почти в 10 раз меньше входного. Получается своеобразное АРУ.

Получается, что сигнал почти без искажений на выходе присутствует в диапазоне 0,1 - 100 мВ, т.е. при изменении сигнала в диапазоне 60 дб.

И, наконец, схема из журнала журнала "CQ QRP" №43.

Рис. 26. Из из журнала журнала "CQ QRP" №43

Рис. 27.

При входном сигнале амплитудой 100 мкВ на выходе синусоида размахом 1,5 мВ, т.е. с амплитудой 0,75 мВ. Кус=7,5.

При входном сигнале 1 мВ и более Кус = 60 или около этого. При дальнейшем увеличении входного напряжения Кус начинает уменьшаться и амплитуда сигнала на выходе не превышает 150 мВ, т.е. схема работает как АРУ.

Рис. 28.

В статье говорится о роли С2: "Объяснение столь высокой чувствительности, по-видимому, следующее: в отличие от однотранзисторного варианта на диод подается сигнал с низкоомного выхода эмиттерного повторителя. С него же петля следящей обратной связи (через конденсатор С2) разгружает первый транзистор, что приводит к очень высокому усилению по напряжению (без этого конденсатора чувствительность снижается раз в 20)." Кроме того, автор рекомендует использовать транзисторы с h21э > 400.

Но в модели получилось несколько иначе: при входном сигнале 1 мВ с конденсатором Кус=60, а с отключенным С2 Кус=30, т.е. уменьшение всего в два раза.

Судя по моделям, схемы разных видов детектора В.Т. Полякова и усовершенствованная двухтранзисторная версия имеют "встроенную АРУ", что не позволяет амплитуде выходного сигнала превысить 150-200 мВ. Некой отрицательной особенностью этих схем и работы "АРУ" является уменьшение усиления при малых сигналах. Использование в детекторе на рис. 23 диодов ВАТ54 практически ничего не меняет, а в схеме на рис. 27 вместо одного кремниевого диода можно использовать два ВАТ54.

Мне очень понравилась заключительная фраза статьи: "Проектировать
высокочувствительные радиоприёмники, как оказалось, необычайно полезное и увлекательное занятие!"

Но это модели, а практика частенько от моделей.

Всем здоровья и успехов!