Роскошный УКВ ЧМ супергетеродин на винтажных микросхемах29.07.2024 11:30

Пару десятилетий назад такие ультракоротковолновые тракты встраивали в ресиверы дорогих музыкальных центров. А сегодня их схемотехника интересует энтузиастов, любящих эстетику hi-fi электроники.

Радиоприёмник FM7303 полностью аналоговый, с механической настройкой на волну радиостанции, цифровым дисплеем частоты и стрелочным индикатором настройки.
В основу схемы приёмника положен комплект из четырёх микросхем от замечательной компании Toshiba, захватывающая история которой заслуживает как минимум отдельной статьи.

Микросхемы с плавниками

Винтажную аналоговую микросхему легко распознать по однорядному пластиковому корпусу SIP. Пятая микросхема в привычном нам DIP корпусе с двумя рядами выводов по бокам — это усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) CD2025 на два канала по 2.3 ватта каждый.

Радиоприёмник FM7303 в сборе. Версия 3.0r7–1

Хотя даже DIP корпус здесь необычный и довольно редкий. Это разработка ещё одной замечательной компании — SANYO, истории которой мы тоже уже касались.

Чертёж корпуса DIP12F из даташита CD2025

DIP12F имеет такие же размеры и расположение выводов, как DIP16, но средние пары ножек объединены в пластины из медной ленты — «плавники». Как нетрудно догадаться, они предназначены для теплоотвода.

Очень похожий корпус FINDIP с «плавниками» несколько иной формы характерен для 7-ваттного интегрального УМЗЧ TBA810P и его советского аналога К174УН7. В советской номенклатуре такой корпус получил обозначение 201.12–1.

Эскиз корпуса FINDIP из даташита TBA810P

Особенности магнитофонов

Корпус мощного операционного усилителя из СССР К157УД1 чуть меньше размером и является видоизменением DIP-14 (201.14), где «срослись», образуя «плавник», не четыре, а целых шесть средних ножек. Обозначение этого корпуса 201.9–1.

Чертёж корпуса 201.9–1 из документации к микросхеме К157УД1

Изначально такой операционный усилитель разрабатывался для использования в генераторах стирания и подмагничивания портативных магнитофонов с автономным питанием.

Подмагничивание является необходимой составляющей процесса записи звука на магнитную ленту. Оно позволяет вывести магнитный слой ленты на линейный участок характеристики.

Ток подмагничивания — единицы миллиампер — на порядок выше тока записи. Причём к форме этого тока предъявляются высокие требования. Он должен быть синусоидальным, симметричным и не иметь постоянной составляющей.

Именно поэтому для создания генераторов стирания-подмагничивания применяется высококачественная элементная база, такая, как операционный усилитель К157УД1.

Мощный операционный усилитель

Далее эта микросхема нашла применение в качестве УМЗЧ для головных телефонов (наушников) и маленьких громкоговорителей. Ток покоя одноканального усилителя составлял всего 4 миллиампера, что позволяло использовать его в разнообразных устройствах с батарейным питанием.

При разработке операционного усилителя К157УД1 были предусмотрены встроенные ограничители втекающего и вытекающего выходного тока, что предотвращает выход микросхемы из строя под действием переходных процессов и в случае непродолжительного короткого замыкания.

Эквивалентная схема операционного усилителя К157УД1

Дёшево и сердито

Мы с вами собрали уже немалое количество радиоприёмников, в которых один активный элемент берёт на себя сразу несколько функций. Это прекрасные решения для дешёвых малогабаритных устройств.

Например, микросхема TA2003, на базе которой построен прекрасный девятидиапазонный приёмник ZX2043, содержит всё необходимое для супергетеродинных трактов амплитудной и частотной модуляции.

Внутренняя структура микросхемы UTC TA2003. Из даташита от Unisonic Technologies Co., Ltd

Дополнительный гетеродин на дискретном транзисторе Q5 понадобился для двойного преобразования частоты при приёме сигналов радиостанций пяти коротковолновых широковещательных диапазонов: 16, 19, 21, 25, 31, 41 и 49 метров.

Схема девятидиапазонного радиоприёмника из конструктора ZX2043

А микросхема CXA1691BM, на которой собран приёмник ZX251, содержит даже встроенный усилитель мощности звуковой частоты.

Структура микросхемы CXA1691BM

Внешними компонентами в этой схеме являются пьезокерамические фильтры промежуточной частоты, катушки, конденсаторы и всего пять резисторов, один из которых ограничивает ток светодиодного индикатора настройки.

Принципиальная схема радиоприёмника ZX251

И даже один единственный транзистор может выполнять несколько функций. В средневолновом супергетеродине из конструктора HX-6B каскад на транзисторе VT1 является и усилителем высокой частоты, и гетеродином, и смесителем.

Схема радиоконструктора HX-6B

А в рефлексном регенераторе «My little radio» единственный транзистор BG усиливает как входной сигнал радиостанции с катушки связи магнитной антенны L2, так и интегрированный конденсатором C3 аудиосигнал с детектора, построенного на двух диодах D2 и D3 по схеме удвоителя напряжения.

Схема однотранзисторной кремниевой версии приёмника «My little radio»

Такая схема очень проста, но при этом настолько эффективна, что позволяет осуществлять приём передач далёкой китайской радиостанции внутри помещения на маленькую магнитную антенну.

Философия hi-fi

Разработчики схемы сегодняшнего приёмника заложили в неё диаметрально противоположный подход. Каждая из пяти микросхем является узкоспециализированной и обслуживает отдельный функциональный узел.

Принципиальная схема радиоприёмника FM7303

Это делает поведение схемы более предсказуемым и позволяет корректировать параметры отдельной цепи при минимальных сопутствующих изменениях в работе других цепей.

Будучи разнесёнными в пространстве, функциональные узлы меньше интерферируют друг с другом. Каждый узел получает свой входной сигнал и формирует сигнал на выходе. С помощью измерительных приборов легко определить, на каком этапе проявилась неисправность, если такая имеется.

И наконец, такой радиотракт выглядит дорого и престижно, что немаловажно для покупателей аудиотехники высокой верности. Так переводится английское словосочетание «high fidelity», знакомое нам по аббревиатуре «hi-fi».

Не одно и то же

В отличие от hi-fi с большим числом функциональных узлов и мелких компонентов в них, для философии hi-end характерны гораздо более простые схемы, зато из дорогих компонентов и с дорогим внешним оформлением. В ход идут ценные породы дерева, натуральная кожа и ручная работа мастеров художественных промыслов.

Приверженцы hi-end считают, что аудиотракт должен быть как можно короче, потому что множество корректирующих цепей и особенно обратных связей, характерных для hi-fi, непоправимо искажают аудиосигнал, «убивая его душу».

Простые ламповые схемы, которые любят энтузиасты hi-end, на самом деле искажают сигнал по сравнению с hi-fi в весьма значительной мере, но эти искажения привносят в него «тёплые ламповые» чётные гармоники, приятные человеческому слуху. Такова передаточная характеристика электровакуумного триода.

Итак, одни хотят, чтобы деталей в аудиоаппаратуре было мало, зато они должны быть крупными и дорогими. Тогда как другим хочется аппаратуру с большим количеством деталей, особенно микросхем.

Настройка радиоприёмника должна быть «настоящей», то есть аналоговой, посредством конденсатора переменной ёмкости. Стрелочный индикатор точности настройки прекрасно дополняет ансамбль.

Цифровой частотомер

Также не помешает и цифровая шкала, только она должна быть отдельным дополнительным узлом, желательно на отдельной плате, и не привносить цифровых аспектов в работу полностью аналоговой схемы.

Разработчик приёмника даже предусмотрел транзисторный буфер для вывода частоты гетеродина на плату цифровой шкалы, хотя буферизованный сигнал присутствует на специально предусмотренном седьмом выводе микросхемы IC1.

Буфер собран по схеме эмиттерного повторителя на транзисторе BG1 и представляет собой каскад с общим коллектором.

При использовании таких повторителей для усиления аналогового сигнала обычно стремятся, чтобы напряжение на базе при отсутствии входных колебаний было равно или чуть выше половины напряжения питания схемы.

Это позволяет усиливать сигнал большей амплитуды без риска клиппинга — ограничения при достижении положительной полуволной максимально возможного напряжения на коллекторе или касании отрицательной полуволной потенциала земли.

Усилительный каскад с общим коллектором славится своим высоким входным сопротивлением, и поэтому смещение его базы чаще всего создаётся делителем напряжения из двух резисторов. Однако в данной схеме резистор смещения R2 всего один.

Чтобы рассчитать падение напряжения на этом резисторе и, соответственно, потенциал базы BG1 при отсутствии сигнала с гетеродина, нам нужно знать ток базы. Последний равен току коллектора, делённому на коэффициент усиления транзистора по току.

Радиоконструктор был укомплектован транзистором S9018 с буквенным индексом «H», что означает диапазон коэффициентов усиления от 97 до 146. Будем считать, что данный параметр нашего транзистора равен 121.

Чтобы узнать эмиттерный ток BG1, равный сумме токов базы и коллектора, нам необходимо рассчитать падение напряжение на резисторе R3. Оно равно напряжению на базе минус константа, называемая «напряжением база-эмиттер».

Табличное значение данной константы в справочных листках к транзистору S9018 не приводится, зато имеется вот такой график от ON Semiconductor — правопреемника компании Fairchild Semiconductor, в лабораториях которой были изначально разработаны эти прекрасные транзисторы.

Фрагмент даташита к транзистору S9018

Будем считать, что Uбэ = 0.7 В. Тогда получается следующая система уравнений:

Iб = (5.9 В — Uб) / 680 кОм;
Iб = 8.7 мкА — Uб / 680 кОм;
Iб * (121 + 1) = (Uб — 700 мВ) / 330 Ом;
Iб = Uб / 40 кОм — 17.5 мкА;
8.7 мкА — Uб / 680 кОм = Uб / 40 кОм — 17.5 мкА;
26.2 мкА = Uб / 680 кОм + Uб / 40 кОм;
26.2 мкА = 720 Uб / 27200 кОм;
26.2 мкА = Uб / 38 кОм;
Uб = 1 В.

Маловато, но для целей передачи частоты гетеродина модулю цифрового частотомера вполне сойдёт. На самом деле, здесь сгодился бы и усилительный каскад класса C, подобный оконечному усилителю радиочастоты экспериментального средневолнового передатчика. Ведь электронно-счётный частотомер просто считает количество входных импульсов за единицу времени.

Отметим, что цифровая шкала супергетеродинного радиоприёмника измеряет не частоту сигнала принимаемой радиостанции, который было бы очень трудно выделить из усиленного хаоса в антенне.

Если бы для этого было достаточно селективности входного колебательного контура, как в регенеративном приёмнике, то не понадобилась бы многоступенчатая фильтрация промежуточной частоты, которая и является главным преимуществом супергетеродина.

Зато частота гетеродина отличается от частоты радиостанции ровно на фиксированную промежуточную частоту. Цифровая шкала измеряет частоту гетеродина, отнимает промежуточную частоту и выводит результат на дисплей. Для этого применяется микроконтроллер или однокристальный микропрограммный автомат.

Внешний вид модуля цифровой шкалы с нижней стороны печатной платы

В данном случае использована специализированная микросхема SC3610 для АМ и ЧМ радиоприёмников с поддержкой семисегментного жидкокристаллического дисплея и функцией электронных часов с будильником. Последняя в проекте FM7303 не используется.

Блок-схема из даташита SC3610

Промежуточные частоты разных приёмников в разных режимах могут быть разными, поэтому модули цифровой шкалы предусматривают переключение настроек в реальном времени, либо жёсткую предустановку путём запайки перемычки.

В сочетании с крошечным номиналом конденсатора C6, в большом сопротивлении R2 видится стремление автора схемы предельно минимизировать влияние эмиттерного повторителя на колебательный контур гетеродина.

Хотя можно было пойти и другим путём. Напишите в комментариях, как величина сопротивления R3 влияет на входное сопротивление буфера.

Следует отметить, что шелкография посадочного места R2 предписывает установку резистора на 220, а не 680 килоом. Именно такой резистор прилагался в комплекте и был мной установлен.

Получаем следующие уравнения:

Iб = (5.9 В — Uб) / 220 кОм;
Iб = 26.8 мкА — Uб / 220 кОм;
Iб = Uб / 40 кОм — 17.5 мкА;
26.8 мкА — Uб / 220 кОм = Uб / 40 кОм — 17.5 мкА;
44.3 мкА = Uб / 220 кОм + Uб / 40 кОм;
44.3 мкА = 260 Uб / 8800 кОм;
44.3 мкА = Uб / 33.8 кОм;
Uб = 1.5 В.

Такое смещение базы позволит буферу передавать без искажений на вход частотомера синусоиду амплитудой до 1.6 В. Чтобы транзистор оставался открытым, нам необходим потенциал базы не ниже напряжения база-эмиттер.

Отрицательная полуволна сигнала -800 мВ плюс смещение полтора вольта дадут в сумме как раз 700 мВ на базе при околонулевом токе эмиттера и, соответственно, околонулевом падении на резисторе R3.

Если мгновенное значение напряжения базы упадёт ещё ниже, то транзистор закроется, и произойдёт клиппинг об землю — срезание отрицательной полуволны.

Входной тракт

В качестве усилителя высокой частоты (RF AMP), гетеродина (LOCAL OSCILLATOR) и смесителя (MIXER) используется микросхема TA7358AP.

Блок-схема из даташита TA7358AP

BPF — bandpass filter — это полосовой фильтр, выделяющий из входного сигнала антенны частотную полосу, соответствующую нужному диапазону. В данном случае это УКВ ЧМ диапазон.

REGULATOR — это стабилизатор напряжения, а BIAS — схема, формирующая напряжение смещения.

Микросхема построена на биполярных транзисторах. База входного транзистора заземлена по высокой частоте внешним блокировочным конденсатором (RF BY-PASS). То есть перед нами каскад с общей базой, где входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора.

Эквивалентная схема усилителя радиочастоты из даташита TA7358AP

Смеситель преобразователя частоты собран из шести транзисторов и представляет собой дифференциальный усилитель, подобный тому, на котором собран средневолновый модулятор AMT-MW207.

Эквивалентная схема смесителя из даташита TA7358AP

И наконец, перед нами схема гетеродина. Отсутствие катушки связи даёт нам понять, что это ёмкостная трёхточка, или генератор Колпитца.

Эквивалентная схема гетеродина из даташита TA7358AP

Тракт промежуточной частоты

Нагрузкой смесителя является колебательный контур первого фильтра промежуточной частоты (ФПЧ). Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) выполнен на микросхеме TA7061BP с применением двух пьезокерамических фильтров CF1 и CF2.

Это очень простая микросхема, содержащая 9 транзисторов, 14 резисторов и 7 диодов. Последние служат стабисторами и задают напряжения на базах Q9 и Q10. И снова мы видим дифференциальные пары транзисторов. На них основана схемотехника многих аналоговых микросхем.

Эквивалентная схема из даташита TA7061BP

Частотный детектор

Фирменная документация предлагает использовать в тракте промежуточной частоты два корпуса TA7061BP. Вторую микросхему предполагается нагрузить на первичную обмотку трансформатора модифицированного дискриминатора Фостера-Сили.

Пример схемы тракта ПЧ и частотного детектора из даташита TA7061BP

Подобный детектор отношений использован в УКВ ЧМ супергетеродине на шести транзисторах, не считая шеститранзисторного УМЗЧ.

Принципиальная схема транзисторного УКВ ЧМ супергетеродина

Однако автор проекта FM7303 предпочёл более продвинутое решение, применив для частотного детектора ещё одну специализированную микросхему — TA7303P.

Блок-схема из даташита TA7303P

Микросхема содержит стабилизатор напряжения (REGULATED POWER SUPPLY), УПЧ (IF AMPLIFIER), амплитудный детектор огибающей (LEVEL DETECTOR) с выходом на стрелочный индикатор (вольтметр), фильтр (FILTER), частотный дискриминатор (FM DETECTOR) и узел глушения (MUTING) выходного аудиосигнала.

Узел глушения представляет собой классический пороговый шумоподавитель (noise gate). Аудиосигнал с детектора поступает на выход микросхемы только при достаточном уровне сигнала промежуточной частоты.

Пример схемы частотного детектора из даташита TA7303P

Чувствительность системы шумоподавления регулируется подстроечным резистором. Также её можно отключить.

Автоматическая подстройка частоты

Напряжение с выхода детектора поступает на интегрирующую RC-цепочку (фильтр нижних частот, ФНЧ), состоящую из резистора R5 и двух конденсаторов — С14 и С15.

На выходе этого ФНЧ мы будем иметь медленно изменяющееся постоянное напряжение огибающей аудиосигнала. Поступая на варикап D1, оно регулирует ёмкость, привносимую в колебательный контур гетеродина и таким образом подстраивает генерируемую им частоту.

Для отключения автоподстройки частоты следует подать на варикап фиксированное напряжение 4.6 В. Оно настраивается потенциометром W1 при наладке приёмника.

Стереодекодер

Казалось бы, мы рассмотрели все составляющие УКВ ЧМ радиотракта. Но наш приёмник стереофонический, поэтому ему необходим ещё и стереодекодер. Последний собран на микросхеме TA7343AP.

Блок-схема из даташита TA7343AP

При наладке приёмника RC-генератор микросхемы следует настроить на частоту 38 килогерц. Если принимаемый стереосигнал является неустойчивым, то приёмник можно перевести в принудительный монофонический режим посредством переключателя.

Результаты работы

Условия радиоприёма на любых диапазонах в моей комнате очень плохие, и разнообразных электромагнитных помех присутствует очень много. Тем не менее, данный приёмник успешно «ловит» на штыревую антенну сигналы большого числа радиостанций.
Однако гораздо более дешёвый приёмник HU-017A из статьи про ёмкостную трёхточку и ЧМ передатчик обеспечивает более высокое качество приёма в комнате, хотя и несколько менее чувствителен.
Удивляться здесь нечему. Цифровой SDR радиоприёмник воплощает гораздо более новую и совершенную технологию, чем супергетеродины с винтажными микросхемами на биполярных транзисторах.

Но если подключить FM7303 к хорошей антенне, либо установить его в помещении с хорошими условиями приёма, то он всё-таки обеспечит лучшее качество звучания, потому что параметры всех цепей тщательно рассчитаны и скорректированы при испытаниях.

Впрочем, копеечный SDR-модуль тоже зазвучит хорошо, если подключить его к хорошему аудиотракту. Хотя это не так интересно, как сборка и наладка схемотехнического шедевра на старинных комплектующих.

Кстати, благодаря наличию стрелочного индикатора уровня сигнала промежуточной частоты, настроить все ёмкости и индуктивности не составляет труда.

Дополнительно необходимы только вольтметр для настройки фиксированного смещения варикапа и частотомер либо осциллограф, чтобы отрегулировать стереодекодер.

Этот конструктор не для начинающих, но тем, кто умеет паять и имеет представление об аналоговой схемотехнике, он принесёт огромную радость.

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS