Circuits Radio à Cristal et Transistor : Du Détecteur de Base aux Récepteurs AM/FM Intégrés

Le cœur d'une radio à cristal consiste en une antenne, une connexion à la terre, un circuit accordé (C1 et L1), un détecteur de crête, et des écouteurs. L'antenne capture les signaux de diffusion (b), qui traversent le circuit vers la terre. Le circuit accordé, un couple LC résonnant, sélectionne une seule station du spectre ; C1 est variable pour permettre l'accord. Une diode au germanium redresse la radiofréquence (RF) en ne laissant passer que les demi-cycles positifs, produisant l'enveloppe RF (c). Le condensateur de filtrage C2 élimine la composante RF restante, ne laissant que la fréquence audio (d) qui pilote les écouteurs.

Les radios à cristal fonctionnent sans aucune alimentation externe. Une diode au germanium est préférée au silicium car sa chute de tension directe plus faible (~0,2 V) offre une plus grande sensibilité, surtout pour les signaux faibles. Si une diode silicium est utilisée, le circuit fonctionnera quand même, mais avec une performance réduite.

Bien que le schéma montre des écouteurs magnétiques 2000 Ω, un écouteur céramique « cristal » offre une sensibilité plus élevée et est le choix préféré pour la plupart des signaux. Les écouteurs magnétiques peuvent être remplacés par des écouteurs basse impédance lorsqu'ils sont associés à un transformateur audio approprié.

Ci-dessous, une variante plus puissante qui remplace le détecteur à cristal par un transistor. Le transistor PNP au germanium est polarisé pour conduire seulement pendant les demi-cycles positifs de l'entrée RF, agissant ainsi comme un détecteur avec amplification intégrée. Cette configuration produit une sortie plus forte capable de piloter directement des écouteurs 2000 Ω. Un transistor NPN silicium fonctionnera aussi si la résistance de biais de base est ajustée en conséquence.

Les écouteurs basse impédance modernes peuvent remplacer les écouteurs 2000 Ω d'origine, pourvu qu'ils soient adaptés avec un transformateur audio ou un amplificateur convenable.

Le schéma suivant ajoute un étage amplificateur audio au détecteur à cristal, augmentant encore le volume des écouteurs. Le design original utilise une diode germanium et un transistor ; une diode Schottky peut remplacer la diode germanium, et un transistor silicium peut être utilisé si la résistance de biais de base est modifiée selon le tableau accompagnant.

Pour une perspective plus large sur les designs de radio à cristal, radios simples à un transistor, et configurations avancées à faible nombre de transistors, voir les exemples ci-dessous.

La radio AM à circuit intégré (CI) consolide tous les composants RF actifs en un seul CI, avec seulement quelques condensateurs, inductances et résistances externes. Un condensateur variable de 370 pF accorde l'entrée RF, tandis qu'un condensateur de 320 pF ajuste l'oscillateur local 455 kHz au-dessus de la RF. Le mélange se produit à la broche 15, produisant les fréquences somme et différence ; un filtre céramique 455 kHz sélectionne la différence désirée. La plupart de l'amplification a lieu dans l'étage fréquence intermédiaire (FI) entre les broches 12 et 7, avec une diode à la broche 7 récupérant l'audio. Le contrôle automatique de gain (AGC) est dérivé de la broche 9.

L'accord mécanique de l'accordeur RF et de l'oscillateur local, comme montré en (a), peut être remplacé par un accord électronique à diode varicap en (b). L'utilisation d'une diode varicap réduit l'encombrement ; augmenter la tension de polarisation inverse diminue la capacitance, augmentant la fréquence d'accord. La tension de biais peut être générée par un potentiomètre.

Une réduction supplémentaire du nombre de pièces est atteinte quand le filtre passe-bande FI est intégré dans le CI, éliminant les transformateurs FI externes et filtres céramiques. L'entrée RF et l'oscillateur local nécessitent encore l'accord L-C, qui peut à nouveau être remplacé par des diodes varicap si désiré.

Pour la réception FM, un CI TDA7021T de NXP Wireless offre une solution à faible nombre de pièces. Les transformateurs FI externes sont remplacés par des filtres RC ; le CI fournit les résistances nécessaires tandis que les condensateurs restent externes. Le circuit d'accord simplifié miroir la Figure 5 de la fiche technique NXP, et un accordeur plus élaboré se trouve en Figure 8. Une version stéréo FM inclut un amplificateur audio capable de piloter un haut-parleur.

Pour les amateurs construisant cette radio FM, l'inductance de 56 nH peut être bobinée avec huit tours de fil nu ou émaillé #22 AWG sur un mandrin de 0,125 pouce, puis étirée à 0,6 pouce. Un condensateur de réglage miniature sert d'élément d'accord.

Le schéma suivant démontre un amplificateur RF à base commune (CB). Comme il manque un réseau de biais, il fonctionne comme un amplificateur classe C, conduisant pendant moins de 180° de la forme d'onde d'entrée. La configuration CB offre un gain en puissance plus élevé aux hautes fréquences RF qu'un design à émetteur commun. Avec des réseaux π d'adaptation aux entrée et sortie, le circuit atteint une terminaison 50 Ω et filtre les harmoniques. Pour les normes modernes d'émission rayonnée, des sections de filtrage additionnelles peuvent être nécessaires.

Un amplificateur CB à gain encore plus élevé est montré ci-dessous. Avec des diviseurs de tension 1 kΩ–4 kΩ et des résistances d'émetteur 500 Ω, le transistor fonctionne en classe A. La configuration atteint 38 dB de gain à 100 MHz avec une bande passante de 9 MHz.

Combiner un étage d'entrée à émetteur commun avec un étage de sortie à base commune donne un amplificateur cascode qui offre à la fois large bande passante et impédance d'entrée modérée. Le réseau de biais, détaillé au Chapitre 4 du texte BJT, est illustré ci-dessous.

Des simulations de l'amplificateur cascode se trouvent dans la section « Cascode » du chapitre BJT. Pour une performance haute fréquence optimale, utilisez des transistors RF ou micro-ondes.

Les diodes PIN forment un réseau atténuateur π. Les diodes en anti-série réduisent la distorsion harmonique comparé à une diode série unique. Une alimentation fixe de 1,25 V polarise directement les diodes parallèles, fournissant le courant CC et la conduction RF à travers leurs capacitances de jonction. En variant la tension de contrôle (Vcontrol), la résistance peut être accordée de 80 dB d'atténuation à 10 MHz (Vcontrol = 0,5 V) à 3 dB à 5 V, avec une réponse plate jusqu'à 2 GHz.

FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail : Fondamentaux de la Communication Radio