翻译 Mr. Ben H. Tongue 的文章#07

BG1TRP

使用SPICE的矿石机二极管检波器仿真

　　在SPICE中用电压源 V1通过源电阻R1向并联调谐电路L1|C1馈电，可以做矿石机检波器仿真。在并联调谐电路上并联一个电阻，可以使调谐电路具有任意Q值。在附件仿真电路文件中，假定Q值为无穷大(无射频调谐电路损耗)，调谐电路的实际源有载Q值为 R1 / (谐振时C1的电抗)。调谐电路热端的电压通过二极管D1连接到作为负载的并联RC(R2|C2)，检波的输出电压在该负载上产生。这样做的目的是进行实验，以确定如果二极管的类型、二极管的源电阻和/或负载电阻被改变，检波灵敏度会如何变化。
　　通过SPICE程序，我绘制出了文章#1中的图表，图表显示了检波器功率损耗如何随HP 5082-2835检波二极管电流的变化而变化，更重要的是，还显示了检波器功率损耗如何随二极管饱和电流Is的变化而变化。
　　输入电压模型为未经调制的1.0MHz 正弦波，由4002个独立周期组成，每个周期采样8个点。如果想要得出使用调幅调制波的结果，可以用调制波电压电平的最小值、载波值和最大值做三次仿真。
　　提示：二极管电流和电压波形与信号功率的函数关系图可在文章#8中查阅。
　　在附件“矿石机SPICE仿真”的Zip压缩文档中，有一个仿真使用了类似HP 5082-2835的肖特基二极管SPICE模型，被称为XtlSetSim1，其文件在XtlSetSim1目录中。其他仿真使用的是1N34A的SPICE模型，被称为XtlSetSim2，其文件在XtlSetSim2目录中。每个目录都包含了我在每次仿真时SPICE仿真器生成的所有文件。每个模型所用的二极管，其CJO值都设置为 0.0pF。这不会对仿真产生影响，而且可以更容易地试验各种C2值，并不会受到CJO的失谐影响。输入源电阻值与输出负载电阻值相等，并且与二极管射频输入阻抗和音频输出阻抗值相匹配。在这种情况下，有人可能期望在信号功率很低时损耗会最小(矿石机灵敏度最高)，但事实并非如此，因为在极低的输入功率水平下，二极管检波器的输出功率与输入功率之间呈现的是平方律关系，而不是线性关系。请参阅文章#15，了解通过有意的射频失配使检波器输出理论上增加2dB。
　　在XtlSetSim1中，输入正弦波电压的峰值被设置为0.1V。由于信号源电阻设定为700kΩ，因此检波器的入射功率为-57dBm，提供给R2的输出功率为-68dBm，电压为10.5mV。
　　如果一个广播调幅语音信号在检波器负载上产生的峰值瞬时功率为-68dBm，则刚好能让我听懂大约一半的单词。假定我使用的耳机等效交流阻抗为700kΩ，其功率灵敏度与现实世界中优秀的Sounder-Powered耳机相当。700kΩ阻抗需要借助音频变压器来实现，音频功率有效值将减少约18dB或-86dBm。当然，这里所用的阻抗值相当高，但这是我的LOOP矿石机达到的值。要了解-18dB的来源，请参阅文章#1-1的末尾。
　　在XtlSetSim2中，输入正弦波电压的峰值设定为0.045V。由于信号源电阻被设置为16kΩ，因此检波器的入射功率为-47dBm，提供给R2的输出功率与XtlSetSim1范例的功率相同为-68dBm，所使用的音频负载为16kΩ。
　　请注意，XtlSetSim1中的插入损耗为68 – 57 = 11dB，XtlSetSim2中的插入损耗为68 – 47 = 21dB。在输出相同的情况下，XtlSetSim1所需的输入比XtlSetSim2少了10dB！XtlSetSim1所用二极管的饱和电流Is = 40nA，n = 1.08；XtlSetSim2所用二极管的饱和电流Is = 2600nA，n = 1.6。
　　插入损耗与文章#1中图5预报的损耗相差8dB。这个实验说明，如果在输入端和输出端匹配，检波器在使用低Is二极管时的损耗比使用高Is二极管时低。
　　自从写完这篇文章后，我发现在1N34A锗二极管中，Is和n的值在低电流时会发生变化。与XtlSetSim2仿真使用的数值相比，Is可下降5倍，n可下降25%(这些值是二极管电流在非常高的320uA时获得的)。这是我没有料到的，结果是锗二极管不幸被表达了错误地信息，而且对应用于矿石机非常不利。也许在XtlSetSim2仿真中应当用大约700nA的Is，n大约应当用1.15。
　　我用的是Intusoft公司的SPICE程序，名为ICAP4WINDOWS演示版。 可从其网站http://www.intusoft.com上免费下载。网络表XtlSetSim1.cir和XtlSetSim2.cir可在任何其他SPICE仿真器中编辑和使用。
　　请牢记以下几点：
1. 仿真的结果只取决于SPICE仿真器、器件模型和所用的电路拓扑结构。
　　肖克利二极管方程与我对肖特基二极管检验的结果完全一致，即使在低电流情况下也是如此。我用锗1N34A检验过，肖克利二极管方程在约40uA以上效果很好，但在40uA以下不太好。(对于特定电压，方程规定的电流高于二极管提供的电流)。
2. 调谐电路L1|C1必须调谐到谐振。
　　在这种情况下，调谐电路两端的电压将与源电压 V1 同相。如果使用Intusoft仿真器，V1 的取样点为 Y1，调谐电路电压的取样点为 Y2。如果在同一图表上查看Y1和Y2，就可以对照两个电压的相对相位。Y3显示输出电压。
3. 输出端呈现的载波波纹对平均输出的影响微不足道。
　　大容量的滤波器旁路C2能够减少波纹，但却是以牺牲输出电压的上升时间为代价。
4. 在考虑实际应用仿真时，请牢记文章#1、#4和#5中的建议，尤其是关于音频阻抗匹配的建议。
5. 下面显示的是用Spicenet原理图编辑器做出的原理图，Y1、Y2和Y3处1.0 MHz信号全部4002个周期的仿真图，以及1.0MHz信号最后四个周期的仿真图。请注意，在仿真中使用的是肖特基二极管，而不是 1N34A 二极管。








补充内容 (2024-2-2 16:17):
帖子标题应为“翻译 Mr. Ben H. Tongue 的文章#06”