За всю историю радиолюбительского движения было разработано множество конструкций радиоприёмников. Особенно ценились простые и хорошо повторяемые устройства.
Приведённая в публикации схема выглядит достаточно экзотично, но, тем не менее, после правильной сборки начинает работать сразу. Схема после настройки входного колебательного контура на частоту вещания может принимать местную радиостанцию диапазона ДВ или СВ.
Конструкция была опубликована в журнале «Радио» №6 за 1982 год в разделе «Радио – начинающим». Разработали устройство Н. Смирнов и В. Стрюков.
Для того, чтобы разобраться, почему эта схема работает, нужно заглянуть внутрь прямоугольников, обозначающих логические элементы.
Устройство элемента КМОП
Простейшим элементом КМОП-логики является инвертор, известный также как элемент «НЕ». Чтобы посмотреть, как он устроен, обратимся к справочнику В.Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы» 1987 года издания.
В части рисунка, обозначенной как «а», показано поперечное сечение кремниевой подложки, где расположен КМОП-инвертор. В части «в» показана полная схема КМОП-инвертора с защитными и паразитными диодами.
Хотелось бы заострить внимание на защитном диоде, обозначенном как VD1. Вот что написано про этот легендарный диод в главе 8 второго издания книги Хоровица и Хилла «Искусство схемотехники»:
8.35 Прирожденные недостатки ТТЛ и КМОП.
«…Дальше идет уже чистая фантастика: вы забыли подключить контактный вывод Ucc корпуса КМОП, но все-таки схема работает просто идеально! А дело все в том, что она получает питание по одному из своих логических входов (от входа через защитный диод к цепи Ucc корпуса). Вы можете не замечать этого в течение довольно длительного времени, пока не возникает ситуация, когда одновременно на всех входах корпуса будет действовать низкий уровень: кристалл потеряет питание и «забудет» свое состояние. В любом случае такой режим не может считаться нормальным, так как выходной каскад не запитан нужным образом и не в состоянии обеспечить номинальный ток. Сложность состоит в том, что подобная ситуация может давать о себе знать лишь эпизодически, поэтому вам придется пробежать не один круг, пока вы, наконец, додумаетесь, что же в действительности происходит.»
В части «б» показана упрощённая схема КМОП-инвертора. Он состоит из двух МОП-транзисторов разной проводимости. При подаче на вход сигнала низкого уровня верхний по схеме транзистор VT1 открывается, нижний по схеме VT2 – запирается, и на выходе инвертора появляется напряжение высокого уровня, практически равное напряжению питания. При подаче на вход сигнала высокого уровня VT1, наоборот, запирается, а VT2 – открывается, и на выходе появляется напряжение низкого уровня, практически равное нулю. Вход инвертора защищён от перенапряжения и статического заряда стабилитроном VD1, который на рисунке поперечного сечения и полной схеме не показан.
На рисунке ниже приведена упрощённая схема элемента «2ИЛИ-НЕ» из состава К176ЛЕ5, эквивалентная схема и таблица состояний этого элемента.
Как мы видим по упрощённой схеме элемента «2ИЛИ-НЕ», схема инвертора дополнена двумя транзисторами, включенными так, чтобы напряжением высокого уровня на любом входе открывался какой-либо нижний транзистор (VT3 или VT4), а соответствующий верхний транзистор (VT1 или VT2) запирался, и на выходе появлялось напряжение низкого уровня. Соответственно, напряжение высокого уровня на выходе элемента появляется только тогда, когда на все входы элемента «2ИЛИ-НЕ» будет подано напряжение низкого уровня.
Линейный режим работы элемента КМОП
Незадолго до публикации схемы приёмника прямого усиления на логической микросхеме в журнале «Радио» №7-8 за 1981 год была статья М. Воскобойникова «Цифровые микросхемы в устройствах НЧ», в которой рассматривается работа микросхем серий К172, К176 и К178 в линейном режиме.
В линейный режим элементы КМОП-логики можно ввести или подбором на входе напряжения смещения, или введением отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному напряжению. Применение ООС обеспечивает более стабильную работу.
В левой части рисунка ниже кривыми представлено поле значений передаточной характеристики инвертирующего элемента КМОП, а прямой линией – характеристика ООС. За счёт того, что входы элементов КМОП-логики практически не потребляют тока, наклон прямой равен 45°. Возможные «рабочие точки» элемента в линейном режиме располагаются в точках пересечения характеристик и примерно равны половине напряжения питания.
В правой части рисунка представлены «типовые» схемы включения в линейном режиме инвертирующих элементов серии К172 (а) и К176 (б). Отдельно указано, что элементы серии К176 при включении по схеме «а» склонны к самовозбуждению на частотах до 100 Гц.
Параметры каскадов определяются номиналами резисторов R1 и R2 в цепи ООС. Конденсатор C2 служит для устранения обратной связи по переменному напряжению. Входное сопротивление каскада приблизительно равно R1. Коэффициент передачи каскада по напряжению для микросхем серии К176 приблизительно равен 400. На частотах выше 1 МГц коэффициент передачи понижается.
Как работают элементы КМОП в приёмнике
В схеме приёмника элементы D1.1 и D1.2 введены в линейный режим включением ООС по схеме «а». При этом на выходах D1.1 и D1.2 устанавливается напряжение, приблизительно равное половине напряжения питания.
В схему входного каскада приёмника на элементе D1.1 в качестве резистора R1 из схемы «а» включен входной колебательный контур L1C1. При такой схеме включения входное сопротивление каскада равно выходному сопротивлению контура, т.е. обеспечивается согласование этих сопротивлений.
Элементы D1.3 и D1.4 переводятся в линейный режим напряжением (смещения) на выходе элемента D1.2. При использовании динамика элементы включаются параллельно, динамик подключается через трансформатор:
Оригинальная схема питается от источника постоянного тока напряжением 9 В. Конденсаторы C8 и C9 предназначены для предотвращения самовозбуждения по цепям питания. Лучшей практикой является монтаж керамического конденсатора из этой пары непосредственно на выводы питания цифровой микросхемы.
При работе с данной схемой был замечен любопытный эффект: при уменьшении напряжения питания тепловыделение уменьшалось, что логично, а усиление схемы увеличивалось. По информации с форумов радиоприёмник сохранял работоспособность при понижении напряжения питания до 3 В.
От автора
В публикации описана довольно любопытная схема радиоприёмника, собранного на элементной базе, совершенно не предназначенной для этого.
При анализе работы схемы мы разобрали устройство и принцип действия элементов КМОП, узнали про линейный режим работы элементов КМОП и использование их в качестве усилителя аналогового сигнала.
Отдельно упомянута проблема «паразитного» питания элементов КМОП через защитный диод.
Надеюсь, что эти знания будут кому-то полезны!
