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本帖最后由 18038003904 于 2022-9-26 13:31 编辑
借助机器机器翻译简单处理了原文，供感兴趣的爱好者参考，如遇疑惑处请查阅原文。原文链接：http://members.wideband.net.au/gzimmer/
检波器灵敏度测试
简介
截止到最近，无线电爱好者有两个很棒的网络论坛，分别是Rap 'N Tap和TheRadioBoard，在那里我们可以交流想法和信息。不幸的是，这两个都已关闭，这意味着多年来非常有用的信息已经丢失。本页面试图重建我过去在这些旧矿石收音机论坛上的一些帖子。
测试装置详细信息
很长一段时间以来，我们一直在讨论（并争论）晶体装置中二极管检波器的效率。实际衡量效率的困难在于大量的变量：例如，天线的尺寸、选择性程度、调谐电路负载、耳机的灵敏度等等。所以我一直在考虑一个测试装置，它可以可靠地测量不同检波器的相对灵敏度，同时消除变量。
我一直在寻找以下问题的明确答案：
·哪种二极管类型最灵敏？
·他们更喜欢什么样的电路阻抗？
·电池偏压可以提高灵敏度吗？
·肖特基检波器如何比较？
·倍压检波器和全波整流器电路工作吗？
·无源FET检波器是否有很大改进？
·零偏压二极管是否提供任何改进？
·新型无源FET检波器的效率如何？
背景
对于弱信号，二极管检波器以平方律模式工作：这意味着检波效率会随着信号强度的变化而变化很大，而对于弱信号，效率会非常低（边带乘以载波，这意味着当两者都变弱时，恢复的音频甚至更弱）。因此，对于有意义的测试，我们必须在某些恒定且微弱的信号强度下测量效率。使用我的RCA“大罐头”耳机时，我可以轻松听到的最弱音频约为2mV（2K输入阻抗），因此我们将使用2mV（音频输出）作为参考。矿石收音机只能产生与天线可用的功率一样多的功率，因为天线的辐射电阻充当恒定功率源。同样，在这个装置中，发生器中的50Ω终端电阻（连同衰减器本身）严格限制了可汲取的功率。只有当负载也是50Ω时才会发生最大功率传输。所以在这个测试中，依次选择每个输入和输出阻抗，调谐达到峰值。无论哪种阻抗组合最适合二极管，都会在负载中产生最大功率。加上衰减器装置（输出2mV）将给出该检波器的相对灵敏度。可以插入的衰减越多，特定检波器的灵敏度就越大,并且由于调谐电路上的负载相对恒定，Q也将是恒定的，从而消除了另一个变量。
我的方法如下
使用精确的AM信号发生器，通过可切换衰减器将信号（1MHz，由1KHz 100%调制，500mV）馈入具有50Ω输入链路的简单矿石接收装置。环形调谐线圈有12个通过旋转开关选择的抽头，每个抽头的阻抗是通过将抽头与十进制电阻盒分流来测量的，以找到给出半功率的值。这给出了每个抽头的源阻抗（根据定义，它在输入端转换为50Ω阻抗）。在初级具有调谐电路意味着由二极管贡献的任何电容量均可被无视。值得注意的是，一些二极管对调谐的影响比其他二极管大得多。
然后测试二极管再次通过旋转开关为多抽头音频变压器供电,音频变压器上的抽头阻抗也已经过校准,2KΩ的输出抽头通过2K电阻（通过LPF）端接，交流毫伏表用于测量输出电平。
关于二极管电容的一些注意事项
这是论坛中相当有争议的话题。所有二极管在结上都有少量电容。然而，由于在二极管的输出端将有一个接地旁路电容器，二极管电容将作为一个附加值出现在调谐电路上。因此，测试装置中调谐电路的一个重要功能是淹没（或“调谐”）二极管电容。在每次测试中，调谐电路都针对峰值谐振进行了调整，很明显，一些二极管使调谐点发生了相当大的变化。
这是我的粗略原型
方法很简单：连接二极管，将调谐电路峰值到谐振，然后调整衰减器给出2mV输出，同时调整输入和输出阻抗开关以给出最大值（不要忘记在调谐后达到峰值）每次调整）。然后，切换衰减器上的设置会给出每个检波器的相对灵敏度（衰减越高越好）。所以，底线：通过调整输入电平（通过衰减器）以提供恒定的输出电平，测试装置可以准确测量每种检波二极管的相对灵敏度以及首选阻抗（输入和输出）。
事后诸葛亮的一些好处
(1)不幸的是，测量是以相对分贝为单位的。在绝对DBuV中校准测试装置会更有用。然而，这不会影响每个二极管的相对效率。
(2)铁氧体磁环的Q值不是很高。这对大多数二极管几乎没有影响，但它确实限制了可用于测试硅二极管的最大阻抗。
串联二极管
为什么这很重要？
矿石收音机是完全被动的，没有放大效果。它完全依靠天线捕获的功率来驱动耳机。在二极管检波器中，载波使二极管开关，从而将边带转换为音频频率。它将载波中的能量与两个边带中的能量混合，以产生音频。该操作本质上是线性的，并且对较强的信号相当有效。在强信号上，二极管的正向电阻很低，这意味着它正在干净地切换。换句话说，边带乘以±1，从而产生线性转换,二极管充当完美的开关。
然而，对于较弱的信号，二极管检波器会从线性模式移至平方律模式。随着二极管的开关效率降低，检波过程的效率迅速降低。或者换一种说法，弱边带乘以弱载波，从而产生更弱的音频。因此，要听到微弱的信号，必须尽可能长时间地在线性模式下运行。这要求二极管完全匹配（在它的输入和输出上），以便传输最大功率。这就是为什么我选择在固定的弱信号上测试每个二极管的原因。请注意，这在论坛上引发了一个冗长而复杂的争论。在这里解释
这是第一轮测试的结果
请注意，更高的衰减值意味着更高的效率。很高兴看到测量的稳定性和可重复性。很容易看出不同二极管之间的差异，甚至同一类型的单个二极管之间的差异。最好的二极管是HSMS-286L，紧随其后的是AA143和传奇的FO215。
肖特基检波器
下一个测试是比较肖特基检波器的相对灵敏度。我决定只测试两个二极管：HP5082-2835和AA143。
结果
AA143在90K输入阻抗和40K输出阻抗时提供38db灵敏度，而HP5083-2835在250K输入和40K输出时提供37db。
结论
我很惊讶发现灵敏度与串联二极管基本相同。
二极管偏置检波灵敏度
二极管偏置
下一个测试是确定电池偏置对检波器灵敏度和最佳阻抗的影响。
我用两个1.5V电池构建了一个简单的电池偏置电路，因此可以调整直流偏置量以提供正向和反向电流。还有一个开关可以消除偏差以提供参考设置。偏置电流可以通过测量1K电阻两端的电压来计算。该方法是在没有偏置的情况下优化阻抗，记录衰减，然后打开偏置，看看正偏置或负偏置是否可以改善衰减值。
结果
我在这个测试上花了很多时间。起初，似乎少量的偏差确实带来了轻微的改善（几分之一分贝）。但后来我注意到让DC返回浮动（只是串联的一个上限）给出了相同的结果。因此，“自我偏见”的作用似乎是略微有益的（见下面的注1）。一个明显的例外是硅二极管，它提高了灵敏度（从33到37db），具有相当大的正向偏置（尽管这仍然比最好的锗低2db）。我认为这种改进是由于降低的阻抗更好地匹配最高阻抗抽头。（最高抽头约为200K，这对于硅来说太低了）
结论
虽然偏置确实会极大地改变二极管的阻抗，但很明显偏置不会改变检波灵敏度。这是由具有“恒定变化率”的二极管指数曲线预测的：向上或向下移动曲线不会改变曲率。
注1：有许多电路显示一个二极管与一个电容器串联。从理论上讲，这似乎是不正确的，因为电容器会阻止任何整流电流（受二极管漏电流的限制）。然而，一些文章将此称为“浮动二极管”，并声称“自偏置”是有益的。我认为这值得进一步探索。
倍压检波器
下一轮测试是确定电压倍增检波器的相对灵敏度。我在这个测试中使用了AA143二极管,首先是Greinarcher倍增器，然后是Delon倍增器。
讨论
乍一看电压倍增器可以提供两倍的信号，但是虽然它可以提供两倍的电压，但它不能提供两倍的功率。这是因为来自天线的功率是从有限的自由空间区域中获取的，这意味着辐射电阻的行为类似于恒流发生器。这意味着当无线电的负载电阻与辐射电阻匹配时，会发生最大功率传输。可以少画，但不能多画。
结果
简单的Greinacher Doubler的灵敏度为34db，输入阻抗为50K，输出阻抗为40K。这比最好的传统检波器灵敏度低6db。Delon Doubler的灵敏度为38db，输入阻抗为57K，输出阻抗为100K。这与使用相同二极管的传统检波器具有相同的灵敏度。
结论
正如预期的那样，Greinacher Doubler通过将可用功率分散到两个二极管上而浪费了一半的功率。通过将电流换成电压，可以得到大约一半的输入阻抗。然而，令人惊讶的是，Delon Doubler具有与传统检波器相似的灵敏度。我需要进一步调查。然而，很明显，电压倍增检波器电路都没有提高灵敏度。
全波检波器
下一轮测试是寻找全波检波器的相对灵敏度。我在这个测试中使用了AA143二极管。第一个是四个二极管整流器，然后是两个二极管版本。
四二极管版本是直截了当的，但是两个二极管版本需要一个推挽式变压器（在输入或输出上）。我在我常用的宽带环形线圈上缠绕了一个简单的三线绕组。
结果
基本的四二极管电桥的灵敏度为36db，输入阻抗为90K，输出阻抗为40K。这比使用相同二极管的传统检波器灵敏度低2分贝。推挽检波器的灵敏度为35db，输入阻抗为35K，输出阻抗为20K。这比使用相同二极管的传统检波器灵敏度低3分贝。
结论
正如预期的那样，全波检波器通过将可用功率分散到四个二极管而降低了效率。在两个半周期上消耗功率的结果是降低了输入阻抗。再次清楚的是，全波检波器不能增加矿石收音机的灵敏度。
无源FET检波器
下一轮测试是找出各种无源FET检波器的相对灵敏度。FET检波器因2007年QST杂志上的一篇文章而广受欢迎，尽管多年前Rap'nTap论坛已经讨论过它们。参见Dave Cripe，KC3ZG于1995年12月在“73 Amateur Today”中的“怀念未来”和“高灵敏度矿石收音机”2007年1月QST。
第一个测试是一个简单的无源FET检波器
结果
下一个是带偏置的无源FET
结果
结论
2SK241对一些反向偏压更为灵敏。在偏置情况下，它与经过测试的最佳二极管具有相似的灵敏度。3SK143(3DP)最适合零偏压。它对用作输出的漏极有轻微的偏好，并且它也具有与测试过的最佳二极管相似的灵敏度。我对ALD-110900FET寄予厚望（参见QST文章），但它在其他FET上仅略有改进。与传统二极管相比，无源FET检波器没有提供任何明显优势，这有点令人失望。然而，FET有可能使用更高Q的线圈（例如更大的栅极电压摆幅）提供更好的结果。
有源开关模式检波器
下一个测试是将有源检波器与各种无源检波器进行比较。我使用快速FET开关作为同步整流器来模拟“完美二极管”。
PI5A3157具有8Ω的导通电阻，可以切换到200MHz。它由我的AM信号发生器的数字载波参考驱动。尽管FET开关是有源器件，但它在信号路径中没有增益，因此它确实代表了一个“完美的二极管”，以指示检波器效率可能达到的上限。我还尝试将开关偏置在其线性范围的中心，但没有任何改善。
结果
开关打开或关闭所以我假设它会更喜欢介于8Ω和无穷大之间的阻抗。
结论
有源开关比最好的无源检波器灵敏约4分贝。这似乎是在说传统二极管的平方律曲线在这种低信号电平下牺牲了4db。
我有点惊讶，虽然它会更具戏剧性，但我会这样做。但是我的假设是，如果我选择了较低电平的信号（耳机中的2mV），灵敏度会大大提高。
二极管有阈值电压吗？
背景
许多初级教科书告诉我们，二极管在正向偏置时具有阈值电压。据说锗二极管的电压约为0.2V，而硅二极管的电压约为0.6V。他们的论点是曲线中有一个尖锐的“弯头”，它充当了电压屏障。然而，事情并不是那么简单：考虑理想二极管的肖克利二极管方程。（参见关于二极管建模的Wickipedia文章）。该方程描述了一个指数曲线，它具有“恒定曲率”的基本特性。这意味着不可能有弯头，并且等式中没有任何内容可以描述电压偏移。
同样，如果您在对数刻度上绘制指数曲线，它将显示一条直线，这当然进一步证明没有肘部。许多人会争辩说“你只需要查看指数曲线就可以看到肘部”。然而事实是，“肘部”是一种幻觉。这一点的证明是用不同的轴绘制同一张图，你会看到肘部明显移动了。那么为什么教科书会宣传这个神话呢？简单的事实是他们只讲述了故事的一部分。他们正在使用“分段近似”来简化数学。想象一下，学生们正在尝试计算流过二极管的电流。
如果学生试图计算通过二极管的电流，他们会遇到困难。问题是二极管不遵守Ω定律，并且需要复杂的数学来处理电压和电流之间的指数关系。在他们的初级阶段，学生不会学到足够的复杂数学。一种替代方法是使用图形方法：您可以绘制开路电压和短路电流以找到“负载线”。
然而，更简单的解决方案是使用“分段近似”。我们把曲线分成一系列直线。红线是通过二极管的指数电流，而绿线是电流的分段逼近。我们用固定电阻和电压源代替二极管，所以我们可以使用简单的Ω定律来计算电流流动。所以每当你遇到有人谈论二极管的阈值电压时，你知道他们正在使用分段近似（和Ω定律），即使他们自己没有意识到这一点。
那么这在实践中意味着什么？
当您增加通过二极管的正向电流（从零开始）时，电阻会平稳地从非常高变为非常低。
但是没有一点电流不流动。然而，根据阈值神话，任何低于200mV（对于Ge）的电压都将被完全阻断。但我们知道，矿石收音机可以听到远低于200mV的信号，所以很明显这个神话一定是错误的。当然，如果你拿一个二极管测量它两端的电压，你什么也看不到，那么阈值电压到哪里去了？
但为什么这很重要？
如果您正在计算由9V电池供电的晶体管电路中的偏置电阻，那么200mV固定偏移就无关紧要了。但是，当您考虑XtalSet中的微小RF信号时，200mV将会产生很大的不同。事实上，决定二极管检波器是否工作有很大的不同。
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IP卡
狗仔卡
发表于 2022-9-26 13:11:11
沉默卡
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变色卡
显身卡
发表于 2022-9-26 16:42:02
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