УКВ блокове с N-FET полеви транзистори
/kn34pc.com/конструкции/...

Докато изследвах възможностите за подобряване на приемането в обхвата на УКВ на известния у нас преносим радиоприемник "Селена" чрез промяна на схемата на УКВ блока с интегрални схеми с достатъчно голямо усилване, ме осени идеята за УКВ блокове с полеви транзистори N-FET, тоест едногейтови n-канал. До сега не бях конструирал такива, изпълнени почти изцяло с полеви транзистори, освен първо високочестотно стъпало. Всеизвестни са предимствата на този тип транзистори, дори някои сравняват техните характеристики със същите, реализирани със старите радиолампи. Но за мен като че ли най-голямо значение има запазването на линейната характеристика в доста голям динамичен диапазон, което предполага малки изкривявания както при малки, така и при високи нива на входния сигнал. Последното е много важно за райони, където УКВ предавателите са с голяма наситеност и най-различни мощности, както например е в гр. София.

Дълго време обмислях този проект, припомних си някои схемни решения от моята статия за развитието на УКВ схемотехниката на големите производители и едва тогава нарекох този проект "N-FET" – тоест реших окончателно да го изпълня само с едногейтови полеви транзистори. Но вие знаете, че аз съм почитател на преносимите радиоприемници и така възникна едно от изискванията ми към реализацията на тези УКВ блокове, а именно захранване с ниско напрежение за разлика от фабричните тунери, в които УКВ блока обикновено се захранва с 14-15V. Избрах напрежение на захранването на УКВ блока 6 волта. Но така се появиха още няколко технически изисквания: подходящи по характеристики нисковолтови полеви транзистори и варикапи със стръмна характеристика, които да достигат подходящ капацитет в тесни рамки на изменение на управляващото напрежение. Всъщност последните две изисквания се оказаха трудни за изпълнение предвид на липсата на подходящи традиционни компоненти на пазара.

Но на края се спрях на следните полеви транзистори: 2SK161, 2SK168, 2SK192A, 2SK212 и варикапи: BB105G, BB109, BB910 и сдвоени такива като BB104 и MV104.

Реших да започна с най-популярната принципна схема, която виждате по-долу. С нея трябваше да си "премеря" силите, опита и знанията, въпреки че тя не отговаряше на предварителното условие да е реализирана с полеви транзистори, освен входния. От друга страна, Схема №1 стана референтна за следващите ми експерименти при сравняване на получените резултати.

Схема № 1: УКВ блок с ВЧУ полеви транзистор и биполярен смесител


схема 1: УКВ блок с ВЧУ полеви транзистор и биполярен смесител

Разработих печатната платка много внимателно като обърнах специално внимание на общата "маса". Основното конструктивно изискване в случаите на разработване на едностранна платка е непрекъснатост на масата от антенния вход, през смесителя до изхода по междинна честота. Това може да видите на снимката по долу. Ще ви направи впечатление мостчето в средата означено като "JP" поставено именно с тази цел. От друга страна идеята беше да се отдели осцилаторната част от входната, но да бъде свързана със смесителя.

Практическата реализация започнах с изпълнението на осцилатора. Към него през свързващ кондензатор 3 pF свързах честотомер с което настройката стана бързо и лесно. Ако се вгледате в снимките на готовия УКВ блок, ще забележите, че всички ВЧ бобини са върху тяло с диаметър 5 mm и феритна сърцевина. Точно затова бобините имат по 23/4 навивки от посребрен проводник с ф = 0,8 mm. В процеса на настройката индуктивността на конкретната бобина се настройва чрез феритната сърцевина, точно затова ще видите, че феритната сърцевина на осцилаторната бобина е значително по-високо от останалите. И съвсем логично: докато входната и RF бобината към първия ВЧ транзистор 2SK212 (2SK161) е настроена на честота 100 MHz, то осцилаторната е на 110,7 MHz, отместена с междинната честота от 10,7 MHz (горно смесване / Up Conversion). За товар на смесителя служи трептящ кръг с МЧТ L5/С20, настроен на междинната честота. Той е навит с проводник ПЕЛ 0,08 mm и съдържа съответно 18 нав./3 нав.

Особено значение отдавам на последователния трептящ кръг реализиран с елементите L3–С15. Неговата задача е да отреже евентуални паразитни сигнали с междинна честота попаднали през входа към смесителя и с това значително да се подобри режима на смесване на входния и осцилаторния сигнал, а с това да се намалят т.н. "бити" канали.

А ето как изглежда реализирания УКВ блок от Схема № 1:

Тук е мястото да отбележа, че за да направя сравними резултатите използвам за антена парче проводник с дължина 15 cm, а междинночестотен усилвател с интегрална схема на TOSHIBA ТА7640Р. Схемата му може да намерите в някои от моите предишни статии.

Всъщност с това подготовката към преминаване на реализация на УКВ блокове с полеви транзистори завърши успешно. Този УКВ блок ще ми бъде необходим за сравнение със следващите.

И така се отправих към същината на моя малък проект "N-FET" УКВ блокове.


Схема № 2: УКВ блок с полеви транзистори N-FET (n-канал)

Ако хвърлим бегъл поглед на следващата принципна схема ще ни заприлича много на предишната, но се отличава съществено както в изграждането на смесителя, така и вида на осцилатора. Обикновено отвеждането на ВЧ напрежението от осцилатора към смесителя е автотрансформаторно, но трудно се определя точката от която се отнема сигнала. Затова избрах трансформаторно включване на смесителя към осцилаторния кръг. Броя на навивките на вторичната намотка на този трансформатор може да се променя или да се придвижва по-близо или далече от осцилаторния кръг с което да се променя нивото на подаденото напрежение към смесителя. Друга особеност на свързването между осцилатора и смесителя е осъществяването на смесването на двата сигнала чрез разделянето им на входа и на сорса на смесителя, с което значително се подобряват характеристиките на резултантния сигнал, намаляват се битите канали при смесването и значително се намалява влиянието между входния и осцилаторния сигнал с което се подобряват смесителните свойства на стъпалото.

За да опростя схемата на осцилатора и намаля броя на използваните елементи осцилаторът реализирах с биполярен p-n-p транзистор BF506. Идеята е осцилаторния кръг да се свързва директно към общата маса.

Полевите транзистори използвани в Схема № 2 са 2SK212 с основни характеристики дадени от производителя за напрежение 5V. Същия замених в процеса на теста с друг подобен 2SK161 за да се убедя, че това не се отразява на работата на УКВ блока. И тук използваните варикапи са ВВ109. И в двете схеми до момента управляващото напрежение на варикапите е в обхвата 0,7-6V. Това позволява то да се взема от основното захранване на УКВ блока, което също е 6V.

А ето и принципната схема на този УКВ блок която реализирах:


схема 2: УКВ блок с N-FET транзистори

В този случай разработената печатна платка следва физическите размери и конфигурацията на предишната и може да я видите на следващата снимка:

И тук съм предвидил свързващ кондензатор със стойност 3 pF от емитера на осцилатора към честотомер, с който настройките се извършват визуално, просто и лесно. За разлика от изработката на бобините в Схема № 1, тук те са без тела, навивка до навивка, а настройката се осъществява чрез разтегляне или свиване на бобините. Вторичната намотка на осцилаторната бобина е от 1 навивка от същия проводник и е поставена на части от милиметъра от първичната. Фиксирането на вече настроената осцилаторна бобина съм извършил като в ядрото на бобината съм поставил малко парченце дунапрен, след което съм я залял с течност от парафинено-лоена свещ. Тъй като обемните бобини са с по-ниска индуктивност, то в Схема № 2 броя на навивките е 4,5 нав. като са навити от проводник с ф = 0,6 mm и диаметър 5 mm. Няма разлика в изпълнението на трептящия кръг на МЧУ на 10,7 MHz, който отвежда сигнала към междинночестотния усливател с ТА7640Р, който вече споменах.

На следващите снимки представям този УКВ блок с два полеви транзистора. От тях може да придобиете представа за неговото практическо изпълнение:

А сега отново в комплект с междинночестотен усилвател с ТА7640Р, цифрова индикация за честотата на приеманата станция и индикатор на силата на сигнала:

В реализираната Схема № 2 използвам същото парче проводник за антена, с което в гр. София се приемат перфектно около трийсет радиостанции в УКВ обхвата 87,5-108 MHz.


Схема № 3: УКВ блок с руски полеви транзистори КП303Е (KP303E)

Както ще видите на следващата принципна схема, ви представям УКВ блок, който се различава от описаните до сега, макар и принципът да се запазва.

Разликите се забелязват от пръв поглед: трансформаторно свързване на антената към входа на УКВ блока, автотрансформаторно свързване между осцилатора и смесителя, както и автотрансформаторно отвеждане на междинната честота от МЧТ, реализиран с L4 и С22. Схемата на осцилатора е реализирана с n-p-n биполярен транзистор. Отново използваните варикапи са ВВ109, а управляващото напрежение е равно на захранващото от 6V. Както в Схема № 1 и тук всички бобини са изпълнени на тела с феритни сърцевини и имат същите данни както в Схема № 1, като входната бобина има допълнителна намотка от 6 навивки към антената, навита над кръговата бобина. Разликата в осцилаторната бобина обаче е съществена. Както казах по-горе, много трудно се осъществява прехвърляне на подходящо осцилаторно напрежение по автотрансформаторен начин именно поради малкия брой навивки. Ето затова тази осцилаторна бобина навих с 3,5 навивки, но смених ядрото й за настройка с метална сърцевина, която намалява индуктивността. По този начин по-уверено и точно можех да премествам мястото на извода към смесителя. В случая се оказа на една навивка от долния край. МЧТ трансформаторът L4/C22 е с 14 + 3 навивки от проводник с диаметър 0,12 mm. Отводът е от горната страна на бобината.

Ето принципната схема:


схема 3: УКВ блок с полеви транзистори КП303Е

Както и с този проект, печатната платка е със същите размери и конфигурация, която може да видите по-долу, като в случая пропуснах да поставя свързващ кондензатор за цифрова индикация на приемната честота, но поставих такъв на самия честотомер:

Ето как изглежда вече реализирания УКВ блок:

А на следващата снимка УКВ блока в работно състояние с подменените тримери с капацитет 3-12 pF и включен честотомер и същия междинночестотен усилвател с ТА7640Р с индикатор на силата на сигнала:

Признавам си, подходих към тази част от проекта с известна доза съмнения именно поради използването на руски полеви транзистори КП303, които никога не бях използвал в мои конструкции. Това което винаги ме е притеснявало при използването на които и да били транзистори е липсата на точност при дефинирането на техните технически характеристики. В случая гамата КП303 е означена с букви от А до Ж и за всички основната характеристика на стръмността "S" е дадена в твърде широк диапазон от 1 до 8 за различни напрежения на отсечката. За сравнение за 2SK212 / 2SK161 просто е дадено: S = 6 при напрежение 5V. Просто и ясно. От друга страна това дава възможност за експерименти. Затова в много руски радиоприемни устройства ще видите маркирани с различни цветни точки елементи: зелен, жълт, червен и т.н. След като сглобих УКВ блока установих, че усилването е с около 6 dB по-ниско отколкото предишния. Ето така ми се наложи да подбирам транзистори. За целта на мястото на изводите поставих единични цангови цокли и започнах смяната им. Но имах ограничен брой. След това си спомних, че бях закупувал и други полеви транзистори КП303 означени с "А" и "Д". Тествах и тях и се оказа, че експериментът с КП303А е напълно неуспешен. Но още с първия транзистор КП303Д усилването коренно се промени в положителна посока. След това отново се загледах в характеристиките на транзистора и ми направи впечатление, че данните са дадени за определено напрежение, след което дадох сорса на полевия транзистор директно на маса ииииии ..... УКВ блокът "грейна"! Не беше необходимо отново да връщам КП303Е и да търся подходящ режим на преднапрежение. Оставих го в това състояние с първи транзистор КП303Д. И отново със същата антена и същия междинночестотен усилвател проверих приемането на всички УКВ радиостанции. Резултатът ме ободри. И въпреки това общото усилване беше по-малко от усилването на Схема № 2 и дори индикаторът за сила на сигнала го регистрираше. Но тази малка разлика вече не беше проблемна защото общото усилване може да се компенсира с още усилване в МЧУ.


Схема № 4: УКВ блок с полеви транзистори КП303Е

Този експеримент почти повтаря предишния, но прилагам конструктивни решения за подобряване на съгласуването на входния кръг с антената, частично включване на изхода на Т1 към ВЧ кръга и трансформаторно включване на осцилатора към смесителя. Тоест, бих казал – всичко добро от предишните експерименти. Значителна промяна е използването на сдвоени варикапи ВВ104 / MV104. Причината е увличане на честотата, ако настройката се извършва с единични варикапи, но до сега в моята практика не съм забелязал този ефект. И все пак включих този начин на настройка като част от този експеримент. Както забелязвате, отново използвам руски полеви транзистори, въпреки забележките, които отправих към тях по-горе. Но знаейки вече, че КП303Е е със S > 4 и напрежение на отсечката 8V, очевидно захранващото напрежение на УКВ блока трябва да бъде по-високо от избраното до сега, а именно 9-10V. Предизвикателствата при използването на КП303 са много в сравнение с 2SK212 и 2SK161: освен посочената стръмност S = 6 mA / V за 2SK161, преходен капацитет от 2 pF за КП303 срещу 0,1 pF за 2SK161, шумов фактор 4 dB (КП303) срещу 2,5 dB за 2SK161. А техническите параметри на 2SK212 са още по-добри. Но както казах по-горе, експериментът е с руски полеви транзистори КП303Е за да оценя техните възможности в УКВ блок.

На следващата фигура е дадена принципната схема на УКВ блока с всички споменати по-горе промени, чрез които целя да подобря значително приемането в УКВ обхвата използвайки руски полеви транзистори КП303Е:


схема 4: УКВ блок с полеви транзистори КП303Е

И тук както в Схема № 3 входната антенна бобина L1 е от трансформаторен тип и има същите данни за броя на навивките, ВЧ бобината L2 също е от трансформаторен тип за частично свързване, с което се съгласува изхода на Т1 с импеданса на трептящия кръг (вторичната намотка на L2) и има 2 навивки от проводник с диаметър 0,3 mm. Същинския трептящ кръг на L2 е със същите данни както в предишните схеми. Първичната намотка е навита между навивките на вторичната, което предполага че първо трябва да се навие вторичната. Това е една от конструктивните особености, която затруднява съществено практическото й реализиране и определяне на точния брой навивки необходими за осъществяването му. Но частичното включване на транзистора към трептящия кръг L2 води до значително повишаване на Q фактора му и подобрява лентата на пропускане. Осцилаторната бобина L3 се навива по същия начин, като бобината за връзка е с една навивка и се навива между горните две навивки на осцилаторната, която е както и в предишните схеми с 2,5 нав. от сребърен проводник с диаметър 0,8 mm и се настройва с феритна сърцевина.

Печатната платка и за Схема №4 е със същия размер и конфигурация:

При изчертаването на тази платка се постарах освен да спазя линията на предаване на сигнала и да изведа всички свързващи изводи само от едната страна, което позволява готовия УКВ блок да се помести в метална кутия, а изводите за свързване да излизат през процеп в нея.

След насищането на печатната платка на УКВ блока от Схема № 4, той придоби този красив и подреден изглед, който виждате на снимките по-долу:

Както многократно съм споменавал, тестовете на УКВ блоковете, които конструирам, извършвам винаги с един и същ междинночестотен усилвател с ИС на TOSHIBA TA7640P, което ми помага много при онагледяването на крайните резултати и дава възможност за сравнение на различните УКВ блокове. Преди известно време не използвах цифрова скала, която всъщност представлява цифров LCD честотомер със специализирана интегрална схема, но в тази статия на снимките виждате и този модул, който ще бъде обект на друга статия. Предимството на цифровия модул е, че показва честотата такава каквато е приеманата, без да са необходими други чипове за целта. Това се постига чрез подходящо програмиране.

Но сега следва снимка на УКВ тунера в работно състояние с всички включени блокове и модули, така че сам по себе си представлява един доста качествен и непретенциозен УКВ тунер.

Ето този тунер:

Крайният резултат се оценява по приемането на FM станции. Както и при Схема № 3 и тук усилването е с около 6-8 dB по-ниско спрямо УКВ блока от Схема № 2, реализиран с японските полеви транзистори 2SK212 / 2SK161.

С тези четири най-популярни принципни схеми, които ви представих до тук, изпълних своя проект за реализиране и тестване на УКВ блокове с полеви транзистори "n" канал.

Като цяло съм доволен от получените резултати, но все пак е добре да подчертая, че УКВ блокът, реализиран с японски полеви транзистори определено е с по-добра чувствителност поради по-голямото му усилване, припомням: с 6-8 dB по-добро спрямо УКВ блоковете с руски полеви транзистори.

За тези, които вероятно се чудят как да управляват варикапите, ако напрежението за настройка изисква да бъде по-голямо от захранващото, например 9-10V или дори 18-25V, то препоръчвам да си направите мини трансвертер, с който да постигнете желаното управляващо напрежение. Такива схеми съм експериментирал и описал в моята статия "Преобразувател на напрежение за управление на варикапи". Тези мини-трансвертери на напрежение са много удобни и полезни в преносимите радиоприемници с електронна настройка. Например такъв е радиоприемникът "Меридиан 210 / 212".

Автоматичната донастройка на честотата в описаните по-горе УКВ блокове е еднотипна, но трябва да се има предвид, че нейната схема се управлява от изхода на отдавна познатия ни честотен / дробен детектор. Този изход е с потенциал 0V. Ако искате да използвате УКВ блоковете с друг МЧУ или интегрална схема, трябва да предвидите към управляващото напрежение на варикапите повдигане откъм нулата с 1-3V, което ще промени настройката. Например изходът на честотния дискриминатор на TA7640P е с напрежение 1,5V при захранване на интегралната схема от 5V, каквото използвам аз. За ТА7757Р то е 0,9V ако тя е захранена с 3V, а за ТА8110Р е 1,1V при захранване от 3V. Тоест най-ниското управляващо напрежение на варикапите трябва да бъде равно на посочените стойности. Повече подробности може да намерите в моята статия "УКВ радиоприемници" в частта "Автоматична донастройка на честотата".

Пожелавам на всички приятни занимания!


Помощна информация:
1. КП303 [pdf][1,4mb]

Валери Терзиев
24 януари 2023 година