Супергетеродинные приемники отличаются от приемников прямого усиления тем, что в них имеется устройство для преобразования промодулированного высокочастотного радиосигнала в более низкие колебания с сохранением закона модуляции. Это преобразователь частоты (ПрЧ), который состоит из генератора (гетеродина Г), вырабатывающий вспомогательные высокочастотные колебания fг, и смесителя См (рис.1) на нелинейном элементе (транзисторе).
В смесителе при воздействии напряжений гетеродина fг и радиочастотного сигнала fс образуются составляющие с разностной (fг - fс) и суммарной (fг + fс) частотами, а также другие частоты высших порядков (гармоник) вида mfг ± nfс, где m и n - любые целые числа. Из этих всех частот и гармоник с помощью колебательного контура выделяют промежуточную частоту fпр = fг - fс, которая при настройке приемника на любую радиочастоту остается неизменной. Это достигается тем, что входной контур приемника и контур гетеродина настраивается одним и тем же переменным конденсатором, состоящий из независимых друг от друга секций конденсаторов закрепленных на одном валу. При перестройке частоты входного сигнала одной из секцией конденсатора одновременно второй секцией перестраивается и частота гетеродина. fпр после преобразования полностью сохраняет закон модуляции радиосигнала.
На рис.2а показан входной сигнал с несущей частотой fc и гармоническим законом модуляции с частотой F, а на рис.2в - выходное напряжение fпр, которая меньше fc, но с тем же законом модуляции.
Сравнивая спектры входного (рис.2б) и выходного (рис.2г) сигналов, можно заметить, что все составляющие спектра выходного сигнала смещены влево (в сторону меньших частот) относительно соответствующих составляющих входного сигнала на частоту fc - fпр. Поэтому говорят, что fпр линейно смещает спектр на шкале частот.
Гетеродины приемника.
Одной из основных частей преобразователя является гетеродин - маломощный автогенератор, предназначенный для создания колебаний с высокой стабильностью как по частоте, так и по амплитуде.
От стабильной работы гетеродина сильно зависит качественная работа приемника. Например, при изменении его частоты от заданной приводит к отклонениям fпр, т.е. нарушает стабильность работы приемника. Если в пределах диапазона изменяется амплитуда гетеродина, тогда изменяется и чувствительность. Напряжение гетеродина должно быть строго синусоидальным без содержания высших гармоник. Если они есть и их нельзя устранить, то необходимо, чтобы их амплитуды были минимальными. В противном случае эти гармоники могут взаимодействовать с напряжением помех и создавать дополнительные помехи на выходе приемника.
Сопряжение контуров.
Сопряжение контуров - это способ согласования настройки контуров приемника при помощи подключения добавочных конденсаторов.
При настройке приемника на разные станции частота гетеродина должна всегда отличаться от принимаемой на выбранную не меняющую промежуточную частоту:
fг = fс + fпр.
Но такое соотношение частот на всем диапазоне является идеальным и практически, когда конденсаторы настройки контуров входа и гетеродина находятся на одной оси, не осуществимы. Если бы контуры были настроены на одну и ту же частоту, то они бы перестраивались совершенно одинаково и от угла поворота ротора переменных конденсаторов fc и идеальная частота гетеродина fг ид. (рис.3) во всем диапазоне строго отличались на величину fпр. Но контуры настроены на разные частоты и их перестройка происходит неодинаково. Причина этого явления в том, что на более высокой частоте контур как бы "чувствительнее" к изменению емкости, а т.к. частота fг больше fс поэтому и происходит "раздрай" перестроек между контурами.
Чтобы на практике добиться как можно более близкого совпадения частоты гетеродина к теоретически требуемой применяют способ включения вспомогательных конденсаторов в контур гетеродина. Для этого входной и гетеродинный контура настраивают так, чтобы у них в середине диапазона выполнялось соотношение:
fг - fвх = fпр.
Затем в гетеродинный контур включают конденсаторы С1 и С2 (рис.4). Конденсатор С1, включенный последовательно катушке контура, уменьшает его емкость и fг увеличивается. Происходит сопряжение контура в двух крайних точках диапазона (1,3) перестройки приемника (рис.4а). При включении конденсатора С2 параллельно переменному конденсатору (рис.4б) осуществляется сопряжение в третьей точке (2). Выбирая величины С1,С2 и индуктивности Lг можно точно настроить гетеродин в трех точках диапазона. В остальных точках fг будет несколько иной, но различие будет незначительным и не повлияет на нормальную работу приемника.
Схемы гетеродинов.
Принципиально гетеродин может быть выполнен по любой из схем с емкостной, индуктивной, автотрансформаторной обратной связью и т.д.
Гетеродины LC - типа имеют сравнительно высокую стабильность частоты колебаний, выходное напряжение весьма близко к гармоничному, устойчиво работают при значительных изменениях параметров транзисторов и имеют малый коэффициент гармоник.
Для самовозбуждения гетеродина LC - типа необходимо наличие положительной обратной связи (ОС). Сущность самовозбуждения заключается в том, что при включении источника питания конденсатор колебательного контура, включенный обычно в коллекторную цепь транзистора, заряжается (рис.5). В результате в контуре появляются затухающие автоколебания, часть которых подаются на управляющий электрод активного прибора (в наших примерах - на базу транзистора), образуя положительную ОС. Транзистор усиливая эти колебания пополняет энергию LC - контура и затухающие автоколебания превращаются в незатухающие.
Имеется множество различных схем автогенераторов LC - типа, которые в основном различаются схемой введения сигнала ОС и способом подключения к усилителю колебательного контура.
На рис.5а показано подача положительная ОС с помощью обмотки трансформаторной обмотки L2. Напряжение ОС зависит от соотношения витков L1 и L2.
На рис.5б приведена автотрансформаторная ОС. Питание Е и выход гетеродина подключены к частям катушки индуктивности L для уменьшения их шунтирующих действий и повышения добротности контура LC.
Гетеродин, показанный на рис.5в, собран по схеме емкостной трехточки. Эта схема отличается от индуктивной тем, что в ней с качестве делителя используется конденсатор С1, с которого снимается напряжение ОС, а не катушка индуктивности.
Преобразователи частоты.
Преобразователь частоты (ПрЧ) состоит, как мы видели на рис.1, из двух блоков - смесителя и гетеродина. Оба блока могут быть объединены и работать на одном транзисторе - это так называемые ПрЧ с совмещенным гетеродином.
ПрЧ с отдельным гетеродином используют чаще чем с совмещенным потому, что в ПрЧ с отдельным гетеродином имеется возможность почти полностью уменьшить взаимное влияние гетеродиного и входных контуров на входе смесителя.
Преобразователь с совмещенным гетеродином.
На рис.6 показана схема ПрЧ с совмещенным генератором. Здесь напряжение сигнала снимается с контура Lсв и подается на базу транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Гетеродин выполнен по схеме автогенератора с контуром L4C5C6 в цепи эмиттера. Напряжение генератора снимается катушкой обратной связи L5 и подключается в коллекторную цепь вместе с выходным контуром L2C3, который настроен на промежуточную частоту. При одновременном действии напряжений гетеродина и сигнала происходит процесс преобразования частоты, которая подается с L3 на следующий каскад.
Взаимное влияние настроек ПрЧ с совмещенным гетеродином получается потому, что смеситель и гетеродин выполнены на общем транзисторе, и поэтому, при перестройке гетеродинного контура с помощью переменного конденсатора, на него еще будет влиять и перестройка входного контура. К тому же транзистор в роли смесителя хорошо работает при небольших токах коллектора, а гетеродин - при сравнительно больших. Поэтому приходится искать какой-то компромиссный режим. Все это затрудняет регулировку ПрЧ для обеспечения его оптимального режима работы.
Еще одним недостатком совмещенного гетеродина является паразитная модуляция напряжения гетеродина с fпр и ее гармониками, что проявляется в появлению на выходе приемника интерференционных свистов.
Но кроме недостатков есть и достоинства этой схемы. Это малые габариты, простота и экономичность потребления энергии, т.к. используется только один транзистор. Поэтому совмещенный гетеродин применяется в простых карманных приемниках, где экономия энергии питания и габариты более важны, чем стабильность работы и качество радиоприема.
Преобразователи с отдельным гетеродином.
Использование ПрЧ с отдельным гетеродином позволяет получить более высокую стабильность гетеродина и оптимальный режим смесителя, что определяет использование такого преобразователя в приемниках повышенного класса.
Напряжение гетеродина может подаваться на базу транзистора и тогда смеситель работает, по отношению к этому напряжению, по схеме с ОЭ. При таком подключении (рис.7) генератору требуется небольшая мощность для нормальной работы смесителя, т.к. входное сопротивление с ОЭ будет наибольшим. Но в этом случае в ПрЧ увеличивается взаимная связь между входным контуром и контуром гетеродина, что приведет к затруднению настройки при сопряжении контуров, ухудшит стабильность работы гетеродина, увеличит попадание энергии гетеродина в антенну.
На практике, в большинстве случаев, применяют схему подачи входного сигнала на базу биполярного транзистора смесителя, а напряжение генератора - на эмиттер (рис.8). Такое включение уменьшает взаимосвязь между цепями гетеродина и смесителя и повышает стабильность работы преобразователя. Такие преобразователи проще налаживать, т.к. можно раздельно подбирать режимы гетеродина и смесителя.
Одним из недостатком этого включения, по сравнению с включением гетеродина на базу, является увеличение мощности гетеродина для нормальной работы Прч.
Другой недостаток: при эмиттерном включении нет непосредственной связи сигнального контура и гетеродинного, но зато между ними существует паразитная связь через Сэб транзистора смесителя.
В настоящее время в построении преобразователей все больше применяются полевые транзисторы у которых, в отличии от биполярных транзисторов, вольт-амперная крутизна изменяется от напряжения на затворе почти линейно, что позволяет уменьшить нелинейные искажения принимаемого сигнала. Также полевые транзисторы имеют входное сопротивление выше чем у биполярных и обеспечивают более низкий коэффициент шума.
На рис.9 приводится схема ПрЧ на двухзатворном полевом транзисторе с внешним гетеродином, где напряжения сигнала и гетеродина вводятся на разные затворы, что ослабляет связь между контурами сигнала и гетеродина. К тому же для нормальной работы преобразователя необходима уже меньшая мощность гетеродина, чем в схеме с биполярным транзистором.
