二极管检波效率的探索、测试及思考
本帖最后由 lq19512003 于 2014-1-27 19:10 编辑列位看官：文章可能长了些，如有兴趣请慢慢看来。
矿石机是电路结构简单收音机，但是要做一部性能优良的矿石机却不是一件简单的事情，简直可以说是一项系统工程，一部矿石机可大体分成如下几个部分：1.天地线部分。2.调谐部分。3.检波部分。4.音频及声音转换部分。回顾几年来对矿机的学习与探索，与诸位同好共同探讨的调谐部分和音频及声音转换部分比较多，现在做一只空载Q值高的线圈已不再是高不可攀的事情了，对于什么样的可变电容是Q值高的电容大家也都心里有数了，对于如何提高调谐回路的有载Q值，不少的网友做了不少卓有成效的探讨并取得了一定的成果。前一段时间许多网友投入了极大的热情研究试制匹配变压器，无论是铁氧体的还是坡莫合金的，效率高的变压器一时层出不穷，到目前为止要做一只效率大于85%的匹配变压器已经不是一件困难的事了，如果配合耳机改造，做出效率大于90%的匹配变压器也是完全可以做到的了。在耳机改造方面梁兄和YJ9386网友也作了大量的工作，成绩喜人，通过耳机改造，耳机的换能效率也不断提高，更有不少网友都得到了远在美国的麦老师的慷慨赠送的USI高性能耳机，使这部分网友电声转换效率提高到前所未有的水平。矿机要取得好成绩就要机器的各个部分都有较高的工作效率，只有这样才能得到一个综合的好效果，如果稍有疏忽，在某一个环节出了问题，那么通过努力，从其他环节辛辛苦苦赚来的效率都会赔了进去。
二极管检波效率应该引起我们足够的重视，我们以往大多把精力放在提高调谐回路的有载Q值、提高匹配变压器的效率、耳机的改造等方面、有条件的网友也在想尽办法提高天地线的质量，以期矿机获得更好的接收效果。但是好像大家对提高检波器的效率除了更换二极管就没有其他的方法了，其实换用检波效果更好的二极管的确是最直接最有效的方法，故尔哪个资深矿机爱好者手里不是有大把的各类能用于检波的二极管。但是我们不是每个人都能拥有世界上最好的二极管，我们也不可能从成千上万个二极管里去挑选最好的一支，我们手里的资源是有限的，因此当你面对你最好的一支二极管，如何发挥这支二极管的最大效能便成了我们研究的课题了，这就是如何提高二极管的检波效率。
众所周知，二极管是非线性元件，我们从二极管的伏安特性曲线上可以体会到用二极管检波是存在效率问题的，值得指出的是我们用一般的晶体管图示仪观察到的二极管伏安曲线是不能反映二极管的检波性能的，晶体管图示仪的电压扫描频率太低了，只有几十HZ，这种测试反映不出二极管结电容和载流子渡越时间所起的作用，而这两项对于检波二极管的影响是致命的。我们在图示仪上测试1N60和1SS86，我们可以发现1SS86的曲线比1N60好很多，但是在中波弱信号的检波中，1N60远胜于1SS86，而在超短波和中波的强信号检波时1SS86又远胜于1N60。所以我们不能从图示仪测得的曲线上判断那个二极管检波性能更好些,尽管是这样，这并不能妨碍我们通过二极管的伏安特性曲线体会二极管检波效率的存在。
从二极管的伏安特性曲线中我们可以很清楚地看出：二极管的动态内阻是随工作点变化的，二极管在某个工作点的内阻就是特性曲线中这点切线的斜率，因此二极管在阀值以上动态内阻比较小（切线的斜率较陡），而阀值以下动态内阻逐渐变大，而且工作点越是接近0点内阻越大（切线的斜率越来越平），在矿机的检波中二极管的工作点是由调谐回路送到检波级的信号电压所确定的，如果信号越强工作点越向远离0点方向移动，动态内阻将变小，反之，工作点向接近0点移动，动态内阻将变大。可以设想二极管在不同的动态内阻的情况下工作肯定效率是不一样的。再有，在调谐回路送入的信号电压不变的情况下，检波负载电阻的变化也会使二极管的工作点发生变化，因此，检波负载的变化也肯定会使检波效率发生变化。当然这仅仅是从二极管的伏安曲线上体会到的，实际的效率问题远比这复杂得多。
其实二极管的检波效率测试并不复杂，但是在矿机中我们更关心的是弱信号的检波效率，像能点亮发光二极管那样的强信号，二极管的工作点肯定进入线性区了，此时二极管的检波效率肯定会很高,这不是我们关心的重点,我们更关心的是二极管在弱信号的检波效率,对弱信号时二极管效率的测量和关注可以使我们了解二极管此时的效率规律，是我们能够找出弱信号时提高检波效率的方法，从而做出高性能的矿石机，还是那句话：如果不为了提高矿机的性能，我测它干吗？
弱信号二极管检波效率的测试方法虽然不复杂，但要想测准也不容易，如果不认真对待，测出一堆误差很大的数据，测出的效率则毫无意义，为达此目的委托朋友找到了一个方便的环境，把仪表检验、校正了一番，信心十足了。
测试方法：
方法：由高频信号发生器产生频率1MHz，调幅度30% 调制信号1KHz的高频信号，用音频毫伏表测量经二极管检波后降落在负载电阻上的音频电压。
调幅度=（调制后信号的最大峰峰值-最小峰峰值）/（调制后信号的最大峰峰值+最小峰峰值）
也就是说当调幅度是30%时，参加调幅的音频信号与未调幅前的高频信号的幅度之比是0.3 。
举例：用3V的音频信号去调制10V的高频信号，得到的就是30%的调幅度。这两个信号的单位只要一样就行，如果用毫伏表测量应使用有效值。
在测试中我们把用于调制高频信号的音频信号的幅度称作理想音频电压，因此有：
理想音频电压 = 调幅前的高频信号电压 X 调幅度
如果检波器的效率达到100%则检波器输出的音频电压应该是理想音频，这就意味着参加调制的音频信号毫无损失地全部被解调出来了。实际的二极管检波器是不可能毫无损失地解调出全部的调制信号，故我们有：
实际检波器的效率 = 检波器实际输出的音频电压 /理想音频电压。
使用的仪表：
超高频毫伏表：AS2271型，串号 JD063
音频毫伏表：LMV-189AR型，串号 9080128
示波器：COS5020型，串号 45236066
高频信号发生器：MSG2560B型，串号 849007
仪表校验中发现AS2271型超高频毫伏表的误差较大,该表价格不便宜,买来时是未开箱的新品,开箱后发现缺少短探针,探头插座也快掉了,要退货卖家不允,只好自制了短探针,修好了探头插座,这次校验发现超差,好在有说明书,现在校准了。
LMV-189AR型音频毫伏表的原主是一家日本公司，该表买来时有近几年的使用检验记录，从记录看仪表每年按时校验，使用的也不频繁，本次未发现超差。
MSG2560B型高频信号发生器是数字化仪表，高频信号是由锁相环数字合成的，有很高的准确度，最大的优点是调幅度不受信号输出幅度的影响并可以精准设定，缺点是输出信号幅度较小，只有99dbuV ,也就是不到0.1V，但可以满足本次测量的需要。校验未发现超差。
示波器只用于波形观察，不做读数测量，未校验。
测试条件: 测试频点1MHz， 调幅度30%， 测试信号幅度：94mV, 47mV, 23.5mV 共3挡。
测试二极管：1N60
测试阻抗：1.5K，10K，40K，100K共4档。
负载滤波电容：1000Pf
通过3个多小时紧张忙碌的测试，反复核对了测试数据，确保准确无误，得到了如下的测试结果：
高频信号 94mV 时，理想音频电压 = 94mV X 0.3 = 28.2mV 测得：
负载阻抗 1.5K 10K 40K 100K
检波输出 3.2mV 12.8mV 16mV 20mV
效率 11.3% 45.4% 56.7% 70.9%
高频信号 47mV 时，理想音频电压 = 47mV X 0.3 = 14.1mV 测得：
负载阻抗 1.5K 10K 40K 100K
检波输出 0.92mV 1.75mV 2.80mV 4.9mV
效率 6.5% 12.4% 19.9% 32.6%
高频信号 23.5mV 时，理想音频电压 = 23.5mV X 0.3 = 7.05mV 测得：
负载阻抗 1.5K 10K 40K 100K
检波输出 0.46mV 0.59mV 0.76mV 1.15mV
效率 6.5% 8.4% 10.8% 16.3%
二极管1N60 电压、阻抗、效率排列表：
1.5K 10K 40K 100K
94mV 11.3% 45.4% 56.7% 70.9%
47mV 6.5% 12.4% 19.9% 32.6%
23.5mV 6.5% 8.4% 10.8% 16.3%
从以上排列表中可以看出明显的规律：阻抗不变时，送入检波器的高频电压越高检波效率越高。送入检波器的电压不变时阻抗越高时检波效率越高。
思考：
根据此次测试得到的二极管检波效率规律，我立刻想到了一个很有意思的推断：在阻抗失配时矿机里到底发生了什么事情？
要搞清这个问题我们可做两步分析：
a。当负载阻抗从最佳匹配点向小变化时，会引起以下的反应：
阻抗失配，负载得到的音频功率下降。
负载阻抗下降引起检波效率下降，负载得到的音频功率进一步下降。
负载下降引起调谐回路Q值下降，负载得到的音频功率进一步下降。
Q值下降引起检波输入端的高频信号电压下降，引起检波效率进一步下降，从而引起负载得到的音频功率进一步下降。
b。当负载阻抗从最佳匹配点向大变化时，会引起以下反应：
阻抗失配，负载得到的音频功率下降。
负载阻抗上升引起检波效率升高，阻碍了负载上的音频功率下降。
负载阻抗上升引起调谐回路Q值上升，阻碍了负载上的音频功率下降。
Q值上升引起检波输入端的高频信号电压上升，引起检波效率进一步提高，从而进一步抑制负载上的音频功率下降。
从上述的分析可以看出当负载阻抗从匹配点下降时矿机里发生了多么惨烈的事情，由负载变小引起的音频功率下降是很剧烈的，而当负载阻抗由最佳匹配点变大时，负载阻抗的音频功率下降被抑制了，由负载阻抗变大引起的音频功率变化在一定的范围内并不大。因此我们可以设想出：阻抗下降引起失配后矿机的音频功率迅速下降，而阻抗上升引起失配后矿机的音频功率并未立即下降，也许会有一个平台过程再下降，或是缓慢下降，至少不会迅速下降。而且在阻抗上升引起失配时，调谐回路的Q值和检波器的效率都在上升，这对矿机的灵敏度是有好处的，这时矿机的声音或许小了些，但灵敏度或许还有所提高也未可知。
以上仅是推论而已，还需要通过进一步的试验去证实，如果经验证这是事实的话，我们在制作高灵敏度矿石机时，就可以通过适当提高负载阻抗，达到提高接收灵敏度的目的。
从以上推论中可知如果我们制作矿机时不能确定最佳负载阻抗，那么选择负载阻抗时就要本着宁大勿小的原则去做。
写到这里我忽然想到，国外的矿石机高手们在进行矿石机的远距离接收时，是不是在使用较高的负载阻抗，如果是的话那真是“英雄所见略同了”，虽然我并不是什么英雄！至少是不谋而合吧。
值得指出的这种通过提高负载阻抗而提高检波器效率的方法并不是万能的，比如您就没有必要把它用到超外差机上，超外差机送到检波器的信号已经充分放大了，检波器输入端的信号幅度已经很高了，它的检波效率要比弱信号时的矿机检波器的效率高多了，也就不可能通过提高负载阻抗使检波效率有什么大的提高了。还要说明的一点，被检波的高频信号越弱，检波出的音频失真就越大，所以最好的办法还是设法提高送到检波器的信号幅度，这比单纯提高负载阻抗要更有意义。
此次只是随机抽取了一只1N60测试，同型号二极管检波效率的测试比较和不同型号二极管检波效率的测试比较尚未进行，等有时间再做。
测试电路：
示波器显示未调幅的等幅波：
示波器显示未调幅的等幅波：
示波器显示调幅30%的调幅波：
未经滤波的检波输出波形：
经1000pF电容滤波后的检波输出波形：
被测二极管：
测量检波后的音频电压：
测量检波前的高频信号电压：
要模拟矿机的情况，信号源就要按固定的功率输出，空载电压升高一倍，短路电流就要缩小一半。
回复 1# lq19512003 的帖子
这些对象我这样的大多数坛友也是很难的，没仪器。谢谢提供思路。 原帖由 sun410910961 于 2009-9-8 18:10 发表 http://www.crystalradio.cn/bbs/images/common/back.gif这些对象我这样的大多数坛友也是很难的，没仪器。谢谢提供思路。
不客气，这些事还是让我做吧，把结果告诉大家。:handshake :lol 楼主的仪器设备真是好极了。 有这样的一套仪器，足矣！
羡慕中！ 其实也就不到2000 元:lol 原帖由 lq19512003 于 2009-9-11 13:44 发表 http://www.crystalradio.cn/bbs/images/common/back.gif
其实也就不到2000 元:lol
买仪器容易，买一个房子装它来做实验室难。 确实如此，高阻抗检波会提高效率，但二极管反向电阻和结电容就会产生更大的影响了。二极管可能会在一个合适的阻抗范围内有最高的效率。找到这一点，把矿石机的检波阻抗设计在这点附近，这样就有可能做出来较高性能的机器。 可以多用几只二极管来测试比较。
特别是HP的二极管，1-10只的并联、串联情况。 李老师，您测试的是电压效率。所以负载阻抗越高越好。
而实际上对我们耳机有用的是“功率效率”。 您觉得呢？
回复 11# 收音机人 的帖子
传统的二极管检波效率都是这样测的，本次测量之后的第二天我有幸找到了一本文革前的书，书里刚好有一组二极管检波效率测试的数据，与我这测试的数据较接近。我也不知道以前二极管检波的效率为什么总以电压为基准测试而不是以功率为基准测试，按道理讲应该以功率为基准测试，本次测试前曾经想做一个一功率为基准的测试方案，发现已功率为基准的测试不好做。:lol
[ 本帖最后由 lq19512003 于 2009-9-14 14:46 编辑 ] 短路电流不见得非得减小一半、大电台信号、近似匹配情况下，谐振电压高的、短路电流也高。 拜读.连后来的跟帖都充滿理性思考和技术含量.我们做看官的得益不淺.那能不顶.以供网友借镜？ 好帖子。看到后一定要赞。:victory: