Один из трех китов

Людям, наверное, жилось довольно просто, когда они верили, что Земля держится на трех китах. Их не мучали проблемы небесной механики, парадоксы времени, загадки тяготения. Но, конечно, за этим спокойствием стояла страшная беспомощность, беспомощность, которую даже трудно представить себе современникам космических полетов, электронного мозга, расщепленного атома…

Рассматривая работу приемника, мы для облегчения могли бы просто назвать три главных преобразования, на которых держится техника радиоприема. Прежде всего, это преобразование электромагнитных волн в высокочастотный ток.

Второй кит — детектирование — преобразование модулированного высокочастотного тока и выделение переменного тока низкой частоты, «электрической копии» звукового сигнала. Ну и наконец, третий кит — преобразование тока низкой частоты в звук.

Эти три процесса — необходимый минимум, который может обеспечить работу простейшего приемника. Такой приемник будет работать плохо, но все-таки работать будет.

У нас уже был разговор о том, как в приемной антенне электромагнитные волны наводят переменный ток. Знакомы мы и с громкоговорителем, который с помощью переменного тока низкой частоты создает звуковые волны. Теперь настала очередь познакомиться с детектированием.

Детектирование — процесс весьма простой и очень наглядный. Подробные и упрощенные описания его есть во всех книгах по основам радиотехники и уж во всяком случае во всех книгах, посвященных работе радиоприемника. Одним из подобных упрощенных и наглядных объяснений работы детектора воспользуемся и мы.

Для начала отметим, что главный элемент в схеме детектора— это прибор, обладающий односторонней проводимостью. Этот прибор так и называется — электрический вентиль. Он пропускает ток только в одном направлении, подобно тому, как обычный вентиль легко пропускает воздух внутрь велосипедной камеры и не выпускает его обратно.

Давайте включим такой вентиль в цепь высокочастотного тока, который мы когда-то пытались пропустить через телефон (стр. 52). После включения вентиля (рис. 18, а) через телефон уже пойдет не переменный ток, а импульсы тока только одного направления. Какого? Это зависит от того, как включен вентиль, в какую сторону он пропускает ток. Кстати говоря, для работы детектора, по крайней мере простейшего, направление импульсов тока никакого значения не имеет. Для любого случая в нашей простой схеме импульсы тока обратного направления пройдут мимо телефона, через вспомогательное сопротивление R₁.

Помните, почему громкоговоритель и телефон не работали от высокочастотного тока, не могли преобразовать его в такие же высокочастотные звуковые волны? Здесь все дело в инерции подвижной системы, в том, что она не успевает за всеми изменениями тока. Только начнет мембрана телефона двигаться в одну сторону, как направление тока изменится и мембране уже нужно поворачивать обратно. Такие изменения направления тока происходят сотни тысяч и миллионы раз в секунду. Где уж тут успеть… Другое дело, когда с помощью вентиля мы оставляем импульсы тока только одного направления. Один из этих импульсов слегка сдвинет мембрану, другой подтолкнет дальше, третий еще дальше, и так постепенно мембрана отклоняется от своего нейтрального положения. Чем больше амплитуда высокочастотного тока, тем, естественно, дальше отклонится мембрана телефона.

В приемной антенне, так же как и в передающей, протекает модулированный ток. Поэтому амплитуда импульсов тока, полученных после детектирования, также окажется модулированной. В результате мембрана телефона будет медленно двигаться то в одном, то в другом направлении, следуя за всеми изменениями амплитуды. Амплитуда импульсов увеличивается — мембрана движется дальше, амплитуда уменьшается — мембрана возвращается.

Ну а что представляют собой и откуда появились эти изменения амплитуды? Модуляцию высокочастотного тока мы осуществили на передающей стороне линии радиосвязи. Это было сделано с помощью низкочастотного сигнала, который в свою очередь является электрической копией передаваемого звука. В изменениях амплитуды и запечатлен этот звук: если нарисовать график огибающей, то есть линию, соединяющую все амплитуды модулированного сигнала, то он в точности совпадет с графиком передаваемого звука. В соответствии с таким графиком будет совершать колебания мембрана нашего телефона, а это значит, что она воспроизведет звук, с помощью которого осуществлялась модуляция.

* * *

* * *

Таким объяснением работы детектора можно было бы ограничиться, однако мы попробуем вникнуть в дело немного глубже. Еще в начале этой главы мы отнесли детектирование к числу наиболее важных преобразований сигнала в радиоприемнике. К тому же это преобразование весьма типичное, и с подобными процессами мы еще встретимся в этой книге. Словом, стоит разобрать подробнее, что происходит с сигналом при детектировании.

Для начала снимем маску с таинственного незнакомца, представим публике главного героя — электрический вентиль. Эту важную роль, как и полагается в театре, могут исполнять несколько «артистов» — несколько различных по принципу действия и устройству электронных приборов. Пока мы ограничимся знакомством с одним из них — точечным полупроводниковым диодом.

Полупроводник — это, попросту говоря, плохой проводник. Он проводит ток, но проводит его во много тысяч раз хуже, чем, например, медь или сталь. Но зато с помощью тонких технологических приемов можно в широких пределах влиять на свойства полупроводниковых материалов — менять их сопротивление, менять подвижность, количество и даже знак свободных зарядов. Так, в частности, находят применение полупроводниковые материалы германий и кремний двух типов.

В одном из них основная масса свободных зарядов — электроны. Это германий и кремний типа n (от слова negativ — отрицательный). Другой тип полупроводниковых материалов — германий и кремний типа р (от слова positiv — положительный) в основном содержит свободные положительные заряды.

К сожалению, мы сейчас не можем подробно выяснить, как появляются и двигаются эти положительные заряды, как они «выглядят». Если у вас возникнет потребность как-нибудь их себе представить, то придется пойти на самообман — считать, что в полупроводнике р-типа есть свободные положительные ионы. Самообманом это будет потому, что в действительности положительные ионы в полупроводнике неподвижны, хотя движение положительного заряда все-таки существует. Происходит это примерно так: положительный ион, атом с недостающим электроном разными путями «переманивает» к себе электроны из другого нейтрального атома, который в результате сам становится положительным ионом. Таким образом, «пустые места», или иначе «дырки», кочуют по полупроводнику, то есть происходит перемещение положительного заряда.

Работа любого полупроводникового прибора, в том числе и диода, основана на интересных процессах, которые происходят в так называемом рn-переходе. Этот переход представляет собой область, где соприкасаются два полупроводниковых материала с разным типом проводимости, например, германий р и n типа (рис. 19, а). Вы только не подумайте, что для того, чтобы получить рn-переход, берут два куска разных полупроводников и прижимают их друг к другу. Основой перехода всегда служит полупроводник с каким-то одним типом проводимости. На определенном участке в него добавляют небольшое количество примесей и получают другой тип проводимости. Так в одном куске, в небольшом полупроводниковом кристалле получают рn-переход. К каждой его зоне особым образом припаивают металлические выводы, и полупроводниковый диод готов. Вы, конечно, догадались, что диодом он называется именно потому, что имеет две главные детали — зону р и зону n. Приставка «ди» обычно означает «два». В детекторе радиоприемника могут применяться только точечные диоды.

Замечание о приемнике напоминает, что нам пора возвращаться к главной теме разговора — к детектированию. Но перед этим предстоит еще выяснить, «куда запрягается лошадь» — каким образом диод может играть роль вентиля, почему он пропускает ток только в одну сторону.

Давайте подключим диод к батарейке карманного фонаря (это так называемый мысленный эксперимент — если произвести такое включение по-настоящему, диод просто выйдет из строя), причем подключим его так, чтобы плюс был соединен с зоной р, а минус с зоной n (рис. 19, б). При этом электроны двинутся из зоны n в сторону плюса, а положительные заряды из зоны р в сторону минуса. На границе между зонами будет происходить обмен зарядами, и в цепи пойдет ток. Теперь давайте включим диод наоборот — зону р подключим к минусу, а зону n — к плюсу (рис. 19, в). В этом случае заряды двинутся в обратную сторону — не по направлению pn-переходу, а от него. В результате между зонами окажется участок полупроводника, практически лишенный свободных зарядов, проще говоря, в цепи появится разрыв. Вывод: полупроводниковому диоду далеко не безразлично, как подключена к нему батарея — при одной полярности он пропускает ток, при противоположной — не пропускает. Или иначе — диод пропускает ток только в одну сторону.

Вот теперь можно возвращаться к детектору. Только мы уже не будем заниматься простейшей схемой с головным телефоном (рис. 18, а), а рассмотрим реальную схему диодного детектора, схему, которую в том или ином виде можно встретить в любом ламповом или полупроводниковом приемнике (рис. 18, б). Здесь источником высокочастотного сигнала для детектора уже не будет служить антенна — в реальном приемнике сигнал никогда не попадает на детектор прямо из антенны. И хотя в нашем случае это больше похоже на шутку, мы все же воспользуемся приемом, который применяется в теоретической радиотехнике — введем «черный ящик».

Когда известно, что сигнал претерпевает какие-то изменения, но не известно, какие именно и в каких электрических цепях они проходят, на схеме рисуют квадрат или прямоугольник с двумя входными и двумя выходными проводами. Это так называемый четырехполюсник, содержимое которого не известно, а известно только, что подается на вход и что получается на выходе. По-видимому, желая подчеркнуть таинственность процессов, происходящих внутри четырехполюсника, ему дали название «черный ящик», хотя совершенно ясно, что ничего таинственного в ящике не происходит. Часто он вводится просто как временная мера, когда нет оснований или, наконец, просто не хватает знаний для того, чтобы выяснить, что же происходит в четырехполюснике с таким интригующим названием. Вот такой «черный ящик» введем и мы на пути от антенны к детектору. К его входным зажимам мы подключим антенну и заземление, а к выходным — детектор.

Забегая вперед, отметим, что в нашем «черном ящике» происходят два важнейших процесса, о которых мы уже упоминали в начале главы, — выделение сигнала нужной станции из множества других, действующих в антенне, и усиление этого избранного сигнала. Пока же мы ограничимся следующими сведениями — сигнал на выходе четырехполюсника, то есть напряжение на входе детектора является точной копией высокочастотного модулированного тока, который радиоволны нужной нам станции навели в приемной антенне.

Нет на нашей схеме и телефона — его место заняло обычное сопротивление. Это так называемая нагрузка детектора, потребитель результатов его «труда». Каковы эти результаты, что именно получает нагрузка от детектора — в этом мы сейчас попробуем разобраться.

Для начала рассмотрим случай, когда на передающей стороне выключен микрофон и высокочастотный сигнал как в передающей, так и в приемной антенне не модулирован (рис. 23, а, б, в). В этом случае к детектору, точнее, к цепочке диод — нагрузка с выхода «черного ящика» подводится переменное напряжение высокой частоты с неизменной амплитудой. Диод пропускает ток только в одну сторону — об этом уже говорено-переговорено — и поэтому в цепи детектора пойдут импульсы тока, каждый из которых длится половину периода. Вторую половину периода тока в цепи нет — антракт.

Можно легко представить себе такой пульсирующий ток. Электроны движутся в проводнике рывками — рывок, остановка… рывок, остановка… Но поскольку направление этих рывков не меняется, то постепенно электроны сдвигаются в одну сторону, так же как и при постоянном токе. Более того, если не обращать внимания на пульсации, на неравномерность движения электронов, то можно считать, что в цепи детектора протекает постоянный ток.

Пульсирующий ток, о котором идет речь, можно получить искусственным путем, без помощи детектора. Для этого нужно иметь два генератора, один из которых дает постоянный, а другой — переменный ток (рис. 20).

Если пропустить оба тока по одной общей цепи и определенным образом подобрать их величину, то можно добиться того, что в некоторые моменты времени, а именно в те полупериоды, когда переменный ток идет навстречу постоянному, тока в цепи вообще не будет.

Так, например, если в каком-то направлении по проводнику движется десять электронов и одновременно десять электронов идет навстречу им, то это равносильно тому, что никакого упорядоченного движения электронов вообще нет. В реальном случае дело не доходит до движущихся зарядов. В определенный момент переменное напряжение действует против постоянного и полностью нейтрализует его, а поэтому практически нет силы, которая могла бы двигать заряды, то есть создавать ток. Таким образом, между импульсами появляются паузы.

Если мы получили «синтетический» пульсирующий ток из постоянного и переменного, то нельзя ли решить обратную задачу — выделить постоянный и переменный ток из пульсирующего? Можно, и именно этим мы с вами сейчас должны будем заняться. Правда, придется потерпеть до следующей главы, чтобы узнать, как именно такое разделение может быть осуществлено. Пока же мы ограничимся тем, что объявим конечный результат — пульсирующий ток в цепи детектора (рис. 23, а) можно разделить на постоянную (рис. 23, в) и переменную (рис. 23, б) составляющие.

Переменную составляющую мы в дальнейшем будем называть высокочастотной. Во-первых, она действительно имеет высокую частоту: ведь сами импульсы тока в цепи детектора — это высокочастотные импульсы, далекие потомки высокочастотного тока, наведенного в антенне. Во-вторых, нам необходимо ввести слово «высокочастотная» еще и потому, что переменная составляющая, о которой идет речь, это не единственный переменный ток, протекающий в цепи детектора.

До сих пор мы рассматривали случай, когда на передающей стороне микрофон выключен, ну, например, потому, что из дикторского текста потерялась какая-то страничка и дикторы, объявив минутный перерыв, лихорадочно перебирают бумаги на столе. Наконец нужный листок обнаружен, микрофон включен, и передача продолжается. Дикторы могут облегченно вздохнуть, а для нас начнутся новые неприятности — вся описанная картина разделения пульсирующего тока окажется неверной.

Как только диктор начал говорить, ток в передающей антенне становится модулированным и значит амплитуда импульсов тока в цепи детектора также изменяется в соответствии с модуляцией (рис. 20, г). Теперь и после разделения этого тока на составляющие каждая из них будет носить следы модуляции. Что касается высокочастотной составляющей (рис. 23, д), то она не очень-то нас интересует. А вот постоянной составляющей придется заняться.

Эту составляющую уже нельзя называть постоянной (рис. 23, е). Раз меняется амплитуда импульсов, значит меняется и средняя скорость электронов, значит постоянный ток тоже меняется. Какой же он после этого постоянный?

Ток, который раньше был постоянным, теперь стал пульсирующим. Пульсирует он сравнительно медленно, величина его редко становится равной нулю и все-таки это пульсирующий ток — с неизменным направлением и изменяющейся величиной. Самое интересное это то, что, изменяясь, он в точности повторяет все изменения амплитуды высокочастотного пульсирующего тока (рис. 23, г).

Есть такая детская игра — кто-нибудь из ее участников ищет спрятанный предмет, а остальные ему подсказывают. Если поиск ведется в правильном направлении, все кричат «тепло!», если в неправильном — «холодно!». По мере приближения к спрятанному предмету «температура» нарастает — слышатся возгласы «теплее!», «еще теплее!», «очень тепло!».

Если мы сравним себя с тем участником игры, который ищет и приближается к цели, то публика уже может кричать «горячо, очень горячо!». Несмотря на все отклонения в сторону, забегания вперед и отступления назад, мы, наконец, добрались до главного результата работы детектора, результата, ради которого и нужен детектор.

Мы уже говорили, что можно получить синтетический пульсирующий ток, пустив в общую цепь постоянную и переменную составляющие, взятые из отдельных генераторов. Ну, а подумайте, какой пульсирующий ток мы получим, если роль этих генераторов будут выполнять обычная батарейка и микрофон, установленный на передатчике. Догадались? Ну, конечно! В этом случае мы получим низкочастотный пульсирующий ток точно такой же, какой протекает в цепи детектора (рис. 23, е). И, наоборот, если мы в детекторе отделим от низкочастотного пульсирующего тока постоянную составляющую (рис. 23, з), то получим (рис. 23, ж) копию переменного тока, созданного микрофоном. Этот низкочастотный переменный ток можно пропустить через звуковую катушку громкоговорителя и получить при этом такой же звук, какой заставил колебаться диффузор микрофона.

Рис. 23. а-з.

Вот и замкнулась наша цепь — звук прошел длинный путь от микрофона до громкоговорителя, как любят говорить радиоспециалисты, «от уха до уха». На этом длинном пути произошло множество интересных преобразований. Вначале звук превратился в низкочастотный ток, а он в свою очередь модулировал ток высокой частоты, затем с помощью модулированного высокочастотного тока мы излучили в пространство радиоволны, которые, добравшись до антенны приемника, создали в ней копию своего «родителя» — такой же, как и в передающей антенне модулированный ток высокой частоты. С помощью детектора мы преобразовали этот ток в пульсирующий и, наконец, выделили из него низкочастотную составляющую (рис. 23, ж), которая направилась в громкоговоритель для того, чтобы воссоздать первоначальный звук.

Мы, правда, несколько преждевременно употребили слово «выделили». Пока мы еще ничего не выделили, пока мы только отметили, что пульсирующий ток в цепи детектора можно разделить на три составляющие — высокочастотную, постоянную и нужную нам низкочастотную. Но как произвести их разделение, как отделить и направить в громкоговоритель ток низкой частоты, без каких бы то ни было посторонних «примесей»?

Решить эту задачу можно только с помощью электрических фильтров.