用场效应晶体管检波的矿石机

mak1939

  
  
去年 4 月我以“劳斯.莱斯级的矿石收音机” 为题向大家介绍了一台性能很好的矿石收音机（ http://www.cnham.net/bbs/viewthread.php?tid=10157&extra=page%3D5 ）。

这台矿石机的制作者迈克.特高（Mike Tuggle）把它再修改之后，参加 2007 年的远距离接收竞赛。其中最吸引大家注意的是用金属氧化物场效应管（MOSFET）做检波器。

我从来没有接触过 FET，对它们的原理一窍不通。谨在此把迈克.特高的原文编译出来，希望大家研究一下用 FET 检波的原理和优缺点。



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用场效应晶体管检波的矿石机

作者：迈克.特高（Mike Tuggle）


我为参加 2007 年远距离接收竞赛的矿石机 Lyonodyne 配了一个流行的 ALD110900A 型零电压临界值（zero-voltage-threshold）MOSFET 检波器。下面的电路图显示出电路是如何更改的（上图是原始电路，下图是更改后的电路）。在次级调谐电路（L2，C2）顶部，最高的电压施加到 MOSFET 的闸极（GATE）。一个附加的 8 圈线圈 L3 很接近地耦合到 36 圈的次级线圈，输送汲极 - 源极（DRAIN - SOURCE）和音频的负载。









这个电路图只针对原始 Lyonodyne 矿石机的 C2 和 L2。详细完整的资料可以参考以下链接：

http://home.bellsouth.net/p/s/community.dll?ep=331&folderid=132977&groupid=106688&folderview=thumbs&ck=


MOSFET 检波器和它的输出插座安装在小线路板上。线路板用螺丝固定在 C2 上面，连接 L2。比较深色的粉红色 L3 安装在 L2 的冷端。在下面，中间原有的二极管输出插座不用。




ALD MOSFET 检波器给我最深刻的印象是它极好的选择性。这很容易理解，因为闸极（GATE）对调谐电路本质上呈现零负载，因而保存了电路的高 Q 值。

音量明显地比单二极管检波器小，特别是收听比较弱的电台时。部分原因可能是因为汲极 - 源极（DRAIN - SOURCE）和音频输出电路之间没有达到理想的匹配。我没有充分时间在竞赛开始之前认真试验它们的匹配。

非常感谢我的赞助人在货源短缺的情况下，提供必需的 ALD110900A MOSFET。



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以下是从维基百科摘录的关于金属氧化物场效应管的说明：


金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET 依照其“通道”的极性不同，可分为 n-type 与 p-type 的 MOSFET，通常又称为 NMOSFET 与 PMOSFET，其他简称尚包括 NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET 等。




显微镜下的 MOSFET 测试用元件。图中有两个闸极的接垫（pads）以及三组源极与汲极的接垫。

从目前的角度来看 MOSFET 的命名，事实上会让人得到错误的印象。因为 MOSFET 里代表“metal”的第一个字母 M 在当下大部分同类的元件里是不存在的。早期 MOSFET 的闸极（gate electrode）使用金属作为其材料，但随著半导体技术的进步，现代的 MOSFET 闸极早已用多晶硅取代了金属。

MOSFET 在概念上属于“绝缘闸极场效晶体管”（Insulated-Gate Field Effect Transistor, IGFET），而 IGFET 的闸极绝缘层有可能是其他物质而非 MOSFET 使用的氧化层。有些人在提到拥有多晶硅闸极的场效晶体管元件时比较喜欢用 IGFET，但是这些 IGFET 多半指的是 MOSFET。

MOSFET 里的氧化层位于其通道上方，依照其操作电压的不同，这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃（Å）不等，通常材料是二氧化硅（silicon dioxide, SiO2），不过有些新的进阶制程已经可以使用如氮氧化硅（silicon oxynitride, SiON）做为氧化层之用。

今日半导体元件的材料通常以硅（silicon）为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最著名的例如 IBM 使用硅与锗（germanium）的混合物所发展的硅锗制程（silicon-germanium process, SiGe process）。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓（gallium arsenide, GaAs），因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造 MOSFET 元件。

当一个够大的电位差施于 MOSFET 的闸极与源极（source）之间时，电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷，而这时所谓的“反转通道”（inversion channel）就会形成。通道的极性与其汲极（drain）与源极相同，假设汲极和源极是 n-type，那么通道也会是 n-type。通道形成后，MOSFET 即可让电流通过，而依据施于闸极的电压值不同，可由 MOSFET 的通道流过的电流大小亦会受其控制而改变。


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[ 本帖最后由 mak1939 于 2007-5-30 23:36 编辑 ]

60年代的爱好者

好啊!古老技术与先进技术结合.

cook

好文章．．．帮顶．．．

蚂蚁

长见识了，谢谢的mak译文。

mak1939

从去年１２月开始，这个论坛正在热烈讨论 ＦＥＴ做无源检波器的问题。看样子很多热心的矿石机爱好者做了很多试验，发了３００多个帖子。还没有时间详细看。

MOSFET used as a passive detector

http://www.midnightscience.com/rapntap/topic.asp?topic_id=3850&forum_id=10&Topic_Title=MOSFET+used+as+a+passive+detector&forum_title=Crystal+Radio+Think+Tank+%2A%2A+Advanced+Forum&M=False&S=True

[ 本帖最后由 mak1939 于 2007-5-31 02:20 编辑 ]

翌阳

源漏间的电压不必取自调谐回路,可以用从天地线间取自所有能源的整流后电压.当然电池更好了.不过就不是纯矿石机了.

mak1939

  
  
前两天在本坛发表了一篇“用场效应晶体管检波的矿石机”
（ http://cnham.net/bbs/viewthread.php?tid=23849&extra=page%3D1 ）。

随后我跟踪网络里讨论这台矿石机的论坛，找到利用场效应晶体管做矿石机检波的来源之一。原来在美国业馀无线电协会（The American Radio Relay League）的月刊 QST，2007 年 1 月曾发表了一篇文章“High Sensitivity Crystal Set” ，是较早研究场效应管矿石机的作品。它引起了矿石机爱好者的热烈讨论，很多人在论坛里正在继续探讨和试验这种选择性很好的检波器。

现在把鲍勃.库特（Bob Culter）这篇作品介绍给大家。如果你有兴趣试验高灵敏度和高选择性的矿石收音机，详细阅读这篇文章将会找到一些灵感。


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高灵敏度的矿石收音机（High Sensitivity Crystal Set）

原作者：鲍勃.库特（Bob Culter）



如果您像我一样制造一台调幅广播波段矿石收音机的时候，可能已经被“无线电虫” 咬过了。我的经历是使用方铅矿的“猫须” 检波器（注1）。即使采用低导通电压（0.3 V）的锗二极管检波器，例如著名的1N34A，这样的收音机也要求很长的户外天线和地线棒，或利用自来水管接地才能正常工作。

在现代高密度的楼宇中，对天线的诸多限制、接近电力线的危险或预防雷电等因素下，为了重新点燃您少年时代的火花，或者吸引年轻人对无线电的兴趣而制作一台不需要室外天线或地线的矿石机是很难实现的。幸而一种新的检波器已经发展出来，正好适应这种需要。

每一个试验过简单矿石机的人都知道，在灵敏度和选择性之间，或者说在频率接近时分离电台的能力方面似乎是鱼与熊掌不可兼得。为了明白这一点，请看下面的 图1，典型的矿石机电路图：





为了得到最高的灵敏度，把检波器接到 LC 谐振电路的顶端会令您比较满意（这是提高灵敏度的手段） 。这样，最大的高频电压出现，希望可以超过检波器 0.3 V 的导通电压。检波器和耳机负载接到 LC 谐振电路顶端（A 点）的结果是降低谐振电路的 Q 值，严重破坏了选择性（注2）。

把检波器接在线圈的抽头（B 点），通常是从接地端向上 10% 的圈数，结果是调谐电路负载大为降低和保持了选择性。但是很不幸，为了在 B 点给检波器提供 0.3 V电压，在调谐电路顶端必须能够看到 3 V 。因此，灵敏度受到严重的影响。

在电路中使用 Advanced Linear Devices 公司最新介绍的 ALD110900A 零导通电压 MOSFET 集成电路（注3），您仍然有可能得偿所愿，兼顾选择性和灵敏度。请参考 图2：





图2：高灵敏度矿石机的电路和零件表

C1 –15–365 pf 空气式可变电容器
C2 –2000 pf 镀银云母或陶瓷电容器
J1 –单声道耳机插座
L1 –240 µH，7.5 英寸长磁性天线（J.W.Miller 2000 型天线棒），在低电位端加绕 8 圈次级，覆盖 70 圈的初级
T1 –Bogen T-725 有线广播匹配变压器，只用其中黑、棕、灰 3 个抽头，匹配 25 KΩ 输出和 150 Ω 耳机的阻抗
U1 –ALD110900A 双 MOSFET 集成电路
耳机 – 参看本文


这个电路类似由 David W. Cripe, NE4AM（注4）所设计的，用 JFET 和电池闸极偏压激发的电路结构，本质上是一个同步整流器。它利用磁性天线棒 L1 和 可变电容器 C1 构成的谐振电路高端电压，驱动 MOSFET 的闸极（gate, 第2、7脚），因而从通道得到整流作用。MOSFET 的源极（source, 第4脚）和汲极（drain, 第3、6脚）代替了常用的1N34A 二极管的阳极和阴极，经过独立的 8 圈绕组连接到线圈 L1，这独立绕组相当于在 L1 上 11% 的抽头。

在这个同步整流器里， MOSFET 的作用像一个开关，在施加高频电压正半周期间接通，负半周期间关闭。2000 pf 的电容器 C2 形成脉动直流电，在耳机里引起音频调制信号。在这个电路里，闸极电压不足以产生完美的开关作用，因此 MOSFET 在某一个阻抗范围内调制源极 - 汲极通道的电阻，它的平均值接近耳机负载的阻抗，以取得最大的能量传输。

在 图2 的收音机里，ALD110900A 型双场效应集成电路 U1 有共用的源极接头。两个场效应晶体管并联连接以便和耳机阻抗匹配得更好。这样形成的检波器，断路电阻（闸极是0 V）是 52 KΩ，通路电阻是 250 Ω（当闸极峰值电压是 +5 V 的时候）。在这个收音机测量到的最高闸极峰值电压只有 0.25 V，因此通道调制产生一个接近 25 KΩ 的平均源极阻抗至耳机。如果你有一对古董 25 KΩ 耳机就可以直接配合使用。但是大部分耳机将需要一个阻抗变压器。在这里使用的是 BogenT-725 有线广播匹配变压器。

其余的大部分零件都缺乏或不再生产了。你可能要自己绕磁棒线圈，仿效 J.W.Miller 2000 的天线棒，或者改造旧半导体收音机的磁性天线棒。若要自己动手，需要得到一条 AmidonAssociates 的 R61-050-750 铁粉芯磁棒，它的长度是 7.5 英寸，直径 0.5 英寸（注5），用 15/44 或 15/46 的李兹线在磁棒中间间绕70 圈，线圈长度是 3 英寸（注6）。次级线圈可以用普通的漆包线在初级线圈的低电位端上重叠绕 8 圈。高质量的 365 pf 空气式可变电容器则可以购买或从旧收音机里拆出。再找个好的废盒子，动动脑筋，问题就解决了。




中波高灵敏度矿石机的后视图，用一个 GTE 公司的电话手机作为耳机，面板上的电表在这个设计里是没有用的。


并非不可思议


即使零导通电压 MOSFET 集成电路极大地提高性能，可利用的功率仍然很小。从耳机得到的音频功率要依靠从收音机每一个零件里最高效率的提取。

这矿石机是否成功，关键在于使用高灵敏度的耳机。

最好的平价立体声耳机有 108 dB SPL/mW（每毫瓦功率可以产生的声压水平）的灵敏度。0 dB SPL 是 20 微帕（micro Pascals），即 0.0001 微瓦/平方厘米和 8 至 64 Ω 的阻抗，这是人的听觉极限。虽然这种耳机可以用 Bogen T-725 变压器匹配到矿石机（它有独立的 8 Ω 绕组）而且有非常好的低频响应，但是和我们的要求比较仍然是很低的灵敏度。旧式拨号电话或早期音调按键电话的听筒可能是比较好的选择。我曾经用音频信号发生器和 Radio Shack 的声压表测量电话听筒元件的灵敏度，例如 GTE D-51030A 和 Western Electric U-1 或 LB-1 型电话（这些旧电话在廉价商店几块钱就可以买到），它们的灵敏度大约是 122 dB SPL/mW，虽然频率响应限制在 3 kHz，但是声压比立体声耳机高 14 dB。假定耳机孔径是 1 平方厘米，这就是在电能变换到声能中提高 16% 的效率了。

Knowles Acoustics 公司的 CM-3152 型舌簧式听筒元件也有近似的性能（注7）。所有这些元件在 1kHz 的阻抗是 150 Ω。


改进得更好


用一个高 Q 值可调谐环形天线和这矿石机的磁棒天线作松散的耦合，可以进一步提高接收的音量。我用一个 11 英寸直径的“Select-A-Tenna” 环形天线，从一个相距 3 英里的 5 KW 电台（注8）得到 65 dB SPL 的 A 级有利音量（相当于通常对话的音量，有 3.3 µW 的电力输入）。如用 1N270 锗二极管代替 MOSFET，结果是没有可辨识的声音输出。加了这个环形天线，可以毫无困难地接收 7 个 25 英里半径范围内的本地电台。你可以上 FCC 网站（注9）搜索在附近的电台位置。30 dB SPL（相当于耳语水平） 是不错的可听音量，有 0.1 µW 的电力输入到耳机。在 MOSFET 的源极只需要 5 至10 mV 峰值至峰值电压就可以提供适当的音量。

你可以自制一个 23 英寸直径的木箍夹层“增强型” 可调谐环形天线。它分成内箍和末端带有方木和紧固螺丝的分离的外箍。在内箍的外表面中间用 24 号漆包线密绕 12 圈，并用胶带把两端固定在适当位置。下一步是在 2 至 3 英寸间隔内，在内箍表面小心地把线圈均匀的分离至 3/4 英寸的宽度，并在分离过程中用胶带固定。然后在内箍外安装外箍，用长螺丝收紧。像 图3 那样把 365 pf 空气式可变电容器安装在方木一边。有必要在方木上再钻一个洞让电容器的轴穿过。电容器需要接延长轴和旋钮以便调谐。最后把线圈两端焊接到电容器的定片和动片接头上。




图3：可变电容器安装在辅助夹板环状天线上

这自制的辅助环形天线大约有 240 µH 电感，和 365 pf 可变电容器配合可以在整个中波广播波段内调谐。把它放在矿石机磁棒天线的一端。环形天线的切面应对准要接收的电台。在矿石机找到这个电台，调整大环形天线到音量最大。接收到的信号强度将会引人注目地提升。加入这个大环形天线之后，上面提到的电台在用 GTE 电话听筒的时候音量提高到 72 dB SPL。



[ 本帖最后由 mak1939 于 2007-6-4 13:41 编辑 ]

mak1939

  
  

短波机型


我制作了一台接收 40–90 公尺短波的机型。图4 是这短波矿石机的照片。图5 是它的电路图和零件表。接收短波很困难，特别是我所在的美国西岸地区，很少强大的短波电台能够听得到，而且严重的衰落很明显。用这台短波矿石机我能够可靠地接收 HSK9 - 泰国之声。它利用加利福尼亚州 Delano （位于加州中部）的国际广播局（International Broadcasting Bureau，简称 IBB）发射台以 5890 kHz 广播，功率是 250 kW。我用的是 40 英尺长的室外天线。




图4：高灵敏度矿石机 40–90 公尺短波机型的照片




图5：高灵敏度矿石机 40–90 公尺短波机型的电路图和零件表

C1 – 175 pf 空气式可变电容器
C2 – 0.005 µf 陶瓷电容器（或两个 0.0022 µf 电容并联）
D1 – 1N4152 硅二极管（参看本文）
J1 – 单声道耳机插座
L1 – AirDux 线圈，19.5 圈，直径 2 英寸，10 圈/英寸，在第 5 和第 8 圈抽头
L2 – 9 圈 FT 50-43 磁鼓（参看本文）
T1 – Bogen T-725 有线广播匹配变压器，（注意：蓝线抽头，5 KΩ，与 AM 机型不同）
U1 – ALD110800APCJL QUAD MOSFET 集成电路


检波器是含有 4 个 MOSFET 的集成电路。为了更好配合较低的谐振器阻抗，把 4 个 MOSFET 并联使用。线圈给源极的抽头点也提高到 25%。因而得到的有负载 Q 值在 6 MHz 是 44。和在 1 MH 的中波接收机比较，则是 53。配合的电容器改为 0.005 µF，输出变压器抽头改用 5 KΩ 的蓝色抽头。为了保护 MOSFET 阵列的闸极，集成电路的 V- 和基础二极管连接点要接地，还在闸极与地之间连接了一个 1N4152 硅二极管。这个二极管没有参与任何检波作用。

和任何矿石机一样，天线匹配对于尽量传输功率到接收机很重要。我发现天线接到线圈的第 8 圈是最适宜的。在天线和调谐线圈之间串联一个 9 圈 FT 50-43 磁鼓（L2）可以很有效地减少来自本地 FM 和 TV 广播电台的实质干扰。



自己动手



这篇文章是想要激发最基础水平的无线电实验。如果你制作这两台矿石机，将会学习到很多关于高效率收音机的设计和解释，而你将会感激人类的耳朵竟然可以听到能量远低于 1 µW 的音频信号！你需要改造已有或能够得到的原材料。


利用来自广播电台本身提供的唯一能源收听广播，没有什么事情比这更有乐趣了。但是你必须培养“倾听的艺术” 。十分希望你能够学到这些知识，并且喜欢年轻人并且帮助他们捕捉“无线电虫” 。他们很有可能成为未来的“火腿”和为前途扩展这种有趣的嗜好。

在此特别感谢 Wes Hayward，W7ZOI 在研究和制作这些矿石机的过程中非常有价值的讨论。


注：

(1)  A. Morgan, The Boy’s First Book of Radio and Electronics, Charles Scribner’s Sons,  New York, 1954, pp 126-159.
(2)  W. Hayward, R. Campbell, and B. Larkin, Experimental Methods in RF Design,  ARRL, 2003, pp 3.8-3.9.
(3)  www.aldinc.com/pdf/ALD110800.pdf.
(4)  D.W. Cripe, KC3ZQ, “Nostalgia For The Future,” 73 Amateur Radio Today,  Dec 1995, pp 14-16.
(5)  www.amidoncorp.com
(6)  www.schmarder.com
(7)  www.digikey.com,  partnumber 423-1036-ND.
(8)  www.selectatenna.com
(9)  www.fcc.gov/mb/audio/amq.html.


鲍勃.库特（Bob Culter）在 1983 年已经取得和保持高级业余无线电执照和综合无线电电话操作员执照。他在 Portland State University 得到物理学学士的学位，在 Phoseon Technology 公司担任设计工程师。他的兴趣包括 极低功率通信、家庭策划、短波收听和音乐仪器制作等。鲍勃的妻子特里（Terry），KA7VAF，是一位社会工作者，非常支持他的很多计划。你可以联络鲍勃，他的地址是：5860 SW 161st Ave. Beaverton, OR 97007.   n7fki@teleport.com

（摘自 January 2007 QST ARRP）


[ 本帖最后由 mak1939 于 2007-7-28 12:08 编辑 ]

mak1939

   
   

本主题内增加了一篇用 FET 检波的“高灵敏度的矿石收音机”（第 9 帖）。

里面还有接收 40 至 80 公尺短波广播的矿石机（第 10 帖）。

[ 本帖最后由 mak1939 于 2007-6-3 15:29 编辑 ]

mike

好文章！
通过栅-源的信号输入将场效应管作为开关使用!可惜难得找到这样的器件，并不是每个场效应管都具有这样的性质。

电阻

http://pdf1.alldatasheet.com/dat ... ALD/ALD110900A.html

[ 本帖最后由 电阻 于 2007-7-28 09:46 编辑 ]

mak1939

回复第 13 帖：这种 ALD110900APAL 场效应管可以买到，约 $2 一个。我想如果要先试验一下，可以用其他适当型号的场效应管，加个可调整的偏压。

不知道是什么原因，第 14 帖 的 .pdf  附件不能打开。

现在可以打开附件了。草音版主刚解决了这个问题。

[ 本帖最后由 mak1939 于 2007-7-28 16:12 编辑 ]

mike

再次吧这个帖子看了一遍，我觉得这种场效应晶体管检波器应该算是同步检波器吧，应该是这样

mike

对了，mak先生，我觉得你的输出变压器和检波器的阻抗还没有匹配，只是感觉，因为你采用Quad 以后声音增大就是明证，但是我还是不能百分之百的确定，因为还有很多因素。
本来试图从pdf中找到最适合的阻抗值，但是该集成电路的pdf中没有给出参数曲线，不好办，而且如果用很多MOS并联的话，GS或者GD的极间电容值也随着并联而增大，一般的二极管检波器如果并联多个二极管的话也有这样的问题，这个极间电容会对检波性能造成多大的负面影响我还不是很确定，但至少不是好事情，我认为
PS ：该器件的pdf中已经提及作为detector使用，估计很早之前电子工程师们就已经使用这种检波器了