利用音訊放大器設計無線接收電路

作者 : Martyn McKinney,EDN特約作者

儘管無處不在的LM386 IC本是作為音訊放大器而生,但它也可用於設計簡單的無線電接收器電路,並帶來高性能…

儘管無處不在的LM386 IC一開始設計用作音訊放大器,但它還有許多未正式記錄的特性,可用於設計簡單的無線電接收器電路,並因而提供驚人的高性能。這些電路可用於接收中、短波波段的AM、連續波(CW)和單邊頻帶(SSB)射頻(RF)傳輸,而無需使用外部天線。

仔細觀察1所示的LM386內部原理圖,可以發現其電壓增益由其內部反饋電阻和可選(外部)旁路電阻值的比值所決定。如果沒有添加旁路電阻,那麼該元件的單路輸入電壓增益等於15000/(1350+150)=10。當使用差分模式(輸入到接腳2和3)時,其增益將是這個值的兩倍。

Texas Instruments schematic for LM386 audio amplifier

圖1:該LM386原理圖取自德州儀器(TI)的數據手冊。

當在接腳1到8之間放置一個10μF的電容時,它會繞過1350Ω的反饋電阻,使單路輸入增益變為15,000/150=100。在接腳1和接地之間移動該旁路電容,可以有效地繞過完全決定交流(AC)音訊的負反饋電阻。這會導致‘15000/?'的極高的未確定音訊增益,但可以透過對10μF旁路電容串聯一個小電阻來定義。10Ω阻值的電阻增益為15,000/10=1,500。在此配置中,可以實現的最大電壓增益超過70dB。

簡單的TRF接收器

幾年前在調查使用這些元件的接收器異常行為時,意外地發現了LM386作為無線電接收器的潛力。在故障排除過程中,很明顯,LM386充當了高增益RF封包檢波器,只需將調諧電路連接到其輸入端即可用作AM接收器。事實證明,透過實現前面提到LM386的兩個特性,並在輸入端使用調諧標準中波(MW)鐵氧體棒電感器,可以設計一個簡單的調諧射頻(TRF)接收器。雖然不是特別敏感,但在城市環境中使用時,能在沒有外部天線的情況下接收少數本地電台。這個接收器的電路如2所示。

schematic LM386 TRF receiver

圖2:LM386可用作調諧RF接收器。

再生式中波接收器

根據LM386的數據手冊表明,在頻率超過1MHz時,其增益大於單位1 (10dB)(3)。因此,LM386能夠在中波AM波段(540至1600kHz)內振盪,這使其得以作為中波AM再生式接收器(regenerative receiver)。這大大地提高了TRF版本的靈敏度和選擇性。其結果如4所示。

Texas Instruments datasheet graph LM386 voltage vs frequency

圖3:此電壓與頻率關係圖取自德州儀器數據手冊。

schematic LM386 medium wave receiver

圖4:此原理圖顯示如何以LM386作為中波再生式接收器。

如果移除再生式控制,電路則成為Colpitts振盪器。整個諧振電路所需的兩個Colpitts反饋電容分別是LM386接腳3上的固有輸入電容,以及與之串聯的從接腳1到接地的220pF電容。透過將扼流圈與10μF電容串聯接地,音訊增益達到最大化,其值可能在1到10mH之間。

較高值的扼流圈會有一些內阻,將會略微降低最大音訊增益。如果使用較小值的扼流圈且音訊增益過大,則可將較小值的電阻(10至100Ω)與扼流圈串聯。與10μF電容串聯的扼流圈會將決定放大器音訊增益的內部反饋電阻旁路掉,但對RF頻率呈現高阻抗,因此該電路可用作Colpitts RF振盪器。

為了控制增益,以便改變振盪器的再生以使其可以用作再生式接收器,電路中設置了一個10KΩ的可變電阻改變接腳7上的電壓,這樣可以降低同相接腳3上的振盪電晶體所汲取的電流,從而降低振盪器的增益。

再生式短波接收器

基於LM386的短波版接收器如5所示。在使用3英吋鐵氧體棒和高L/C比值的條件下,當使用9V電源時,電路能夠在超過8MHz的頻率下作業。由3英吋鐵氧體棒繞製20匝線圈和100pF可變電容所組成的諧振電路,其調諧範圍約為3.5至6.5MHz。透過使用較大值的可變電容以及從電感上移除幾匝線圈,增加上限調諧範圍。而當使用National Semi或三星(Samsung)製造的LM386設計時,此配置可接收高達8MHz的80公尺(M)和40M業餘頻段。

schematic LM386 shortwave receiver

圖5:LM386可用於設計短波再生接收器。

該接收器的性能出奇地好,具有極佳的靈敏度和選擇性,可媲美於使用其內建鞭形天線的最佳商用手持短波接收器。它可以在不需要外部天線的情況下接收許多北美短波,以及80M和40M業餘波段的許多CW和SSB傳輸。如果需要的話,可使用繞在鐵氧體棒上的單匝線圈鏈路,將外部天線鬆散耦合到接收器(以防止振盪器加載)。可以使用單個接面場效電晶體(JFET)或電晶體RF緩衝器來隔離天線;由於使用了鐵氧體棒電感,因此還能將其以電感方式耦合到大型環形天線上。相較於直接轉換接收器,強烈的短波訊號採取「軟擷取」方式,使其更易於進行調諧且最大限度地減少環境原因造成的任何頻率漂移。

更高頻率和更多功能

藉由添加一個基本上是單電晶體的Q乘法器,就能在較高接收頻率下利用LM386的高增益和RF封包檢波器特性。6所示的最後一組電路在Colpitts振盪器配置中添加了一個電晶體,其搭配LM386的高增益和RF封包檢測特性,共同產生了高性能的再生式接收器。當與鐵氧體棒電感搭配使用時,就能以超過14MHz的頻率振盪,並在接收到強大的商業短波電台時產生震耳欲聾的音量。這些原理圖顯示採用2N3906通用PNP電晶體的電路,但2N2907和2N4403也已成功使用。

在電路1、2和3中,LM386輸入直接跨接在諧振電路上,並將LM386用作RF封包檢波器。電路4具有相對較大的耦合電容,它使用LM386作為音訊放大器和RF封包檢波器,並且兩個訊號都出現在前端電晶體的發射極。電路5輸入耦合電容的值較小,並且使用LM386作為RF封包檢波器,只檢測前端電晶體發射極上的RF。電路6作為RF封包檢波器,並將LM386的差分輸入連接在一起,因而無需使用輸入耦合電容。這可以防止電晶體發射極上的直流(DC)輸入電壓(約0.6V)使LM386飽和。

schematic LM386 high performance regenerative receivers

圖6:使用高增益和RF封包檢波器模式設計LM386短波再生接收器。

用3英吋鐵氧體棒上的8匝線圈和標準中波polyvaricon可變調諧電容中的兩組製作諧振電路,可使電路6獲得大約3.5至10.5MHz的調諧範圍,從而涵蓋80M和40M業餘頻段。當接收器振盪且再生式控制發生變化時,會有輕微的頻移,這一特性實際上是接收SSB訊號時的一項有利條件,因為再生式控制可用於微調。

設計注意事項

儘管這些電路已成功採用塑料原型板製造,但其高增益決定了最好是使用曼哈頓式(Manhattan)或被稱為「死蟲」(dead bug)式的元件佈局以銅接地平面製作。請注意,對於這些電路,必須要防止輸出接腳5上的任何RF洩漏反饋回鐵氧體棒電感的可能性。如果使用的實體佈局產生了音訊嘯叫的問題,那麼就值得在耳機上串聯一個1到10mH的扼流圈。

該接收器能與標準的32Ω立體聲耳塞式耳機有效地搭配使用。可將其並聯使用,以取得16Ω負載阻抗而實現更大音量;也可以將它們串聯使用,得到64Ω阻抗。當使用標準的32Ω立體聲耳塞時,這可以透過使用立體聲輸出插孔而不連接地線來實現。

純粹主義者可能希望添加電壓調節和變容二極體微調,以提高電路的可用性,但我發現即使是最簡單的形式,其性能也足以滿足隨意的聆聽。

(參考原文:Create radio receiver circuits with the LM386 audio amplifier,by Giovanni Di Maria)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年6月號雜誌

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