Регенеративная схема — это схема усилителя , в которой используется положительная обратная связь (также известная как регенерация или реакция ). [1] [2] Часть выходного сигнала усилительного устройства подается обратно на его вход, чтобы добавить к входному сигналу, увеличивая усиление. [3] Одним из примеров является триггер Шмитта (который также известен как регенеративный компаратор ), но наиболее часто этот термин используется в радиочастотных усилителях, и особенно в регенеративных приемниках , для значительного увеличения коэффициента усиления одного каскада усилителя. [4] [5] [6]
Регенеративный приемник был изобретен в 1912 году [7] и запатентован в 1914 году [8] американским инженером-электриком Эдвином Армстронгом, когда он был студентом Колумбийского университета . [9] Он широко использовался между 1915 годом и Второй мировой войной . Преимущества регенеративных приемников включают повышенную чувствительность при скромных аппаратных требованиях и повышенную избирательность, поскольку добротность настроенной схемы будет увеличиваться, когда усилительная электронная лампа или транзистор имеет петлю обратной связи вокруг настроенной схемы (через «щекотающую» обмотку или отводной контур). на катушке), поскольку это создает некоторое отрицательное сопротивление .
Частично из-за его склонности к излучению помех при колебании, [6] [5] : стр. 190, к 1930-м годам регенеративный приемник был в значительной степени вытеснен другими конструкциями приемников TRF (например, «рефлекторными» приемниками ) и особенно другим изобретением Армстронга - супергетеродинные приемники [10] и во многом считаются устаревшими. [5] : стр.190 [11] Регенерация (теперь называемая положительной обратной связью) до сих пор широко используется в других областях электроники, например, в генераторах , активных фильтрах и усилителях с начальной загрузкой .
Схема приемника, в которой использовались большие объемы регенерации более сложным способом для достижения еще большего усиления, сверхрегенеративный приемник , также была изобретена Армстронгом в 1922 году. [11] [5] : стр. 190 Она никогда широко не использовалась в общей коммерческой деятельности. приемники, но из-за небольшого количества деталей он использовался в специализированных приложениях. Одним из широко распространенных применений во время Второй мировой войны были приемопередатчики IFF , где одна настроенная схема завершала всю электронную систему. Он до сих пор используется в некоторых специализированных приложениях с низкой скоростью передачи данных, [11] таких как механизмы открывания гаражных ворот , [12] беспроводные сетевые устройства, [11] рации и игрушки.
Коэффициент усиления любого усилительного устройства, такого как электронная лампа , транзистор или операционный усилитель , можно увеличить, подавая часть энергии с его выхода обратно на вход, синфазно с исходным входным сигналом. Это называется положительной обратной связью или регенерацией . [13] [3] Из-за большого усиления, возможного при регенерации, в регенеративных приемниках часто используется только один усилительный элемент (ламповый или транзисторный). [14] В регенеративном приемнике выход лампы или транзистора подключается обратно к его собственному входу через настроенную цепь (LC-цепь). [15] [16] Настроенная схема допускает положительную обратную связь только на своей резонансной частоте . В регенеративных приемниках, использующих только одно активное устройство, одна и та же настроенная схема связана с антенной и служит также для выбора принимаемой радиочастоты, обычно с помощью переменной емкости. В обсуждаемой здесь регенеративной схеме активное устройство также функционирует как детектор ; эта схема также известна как регенеративный детектор . [16] Обычно предусмотрен контроль регенерации для регулировки величины обратной связи ( коэффициент усиления контура ). Желательно, чтобы в конструкции схемы было предусмотрено управление рекуперацией, которое может постепенно увеличивать обратную связь до точки колебания и обеспечивает управление колебанием от малой до большей амплитуды и обратно до отсутствия колебаний без скачков амплитуды или гистерезиса при управлении. [17] [18] [19] [20]
Двумя важными характеристиками радиоприемника являются чувствительность и избирательность . [21] Регенеративный детектор обеспечивает чувствительность и селективность за счет усиления напряжения и характеристик резонансного контура, состоящего из индуктивности и емкости. Регенеративное усиление напряжения — это нерегенеративное усиление, которое представляет собой часть выходного сигнала, возвращаемую в цепь L2 C2. По мере уменьшения коэффициент усиления увеличивается. [22] Значение настроенной цепи (L2 C2) без регенерации равно реактивному сопротивлению катушки и представляет собой общие диссипативные потери настроенной цепи. Положительная обратная связь компенсирует потери энергии, вызванные , поэтому ее можно рассматривать как введение отрицательного сопротивления в настроенную цепь. [19] Значение настроенной схемы с регенерацией равно . [19] Регенерация увеличивает . Колебания начинаются, когда . [19]
Регенерация может увеличить эффективность обнаружения детектора в 1700 и более раз. Это значительное улучшение, особенно для электронных ламп с низким усилением 1920-х и начала 1930-х годов. Трубка с экранной сеткой типа 36 (устаревшая с середины 1930-х годов) имела нерегенеративный коэффициент усиления обнаружения (напряжение пластины звуковой частоты, деленное на входное радиочастотное напряжение) всего 9,2 на частоте 7,2 МГц, но в регенеративном детекторе он имел коэффициент усиления обнаружения. до 7900 при критической регенерации (неколеблющейся) и до 15800 при регенерации чуть выше критической. [16] «...неколебательное регенеративное усиление ограничивается стабильностью элементов схемы, характеристиками лампы [или устройства] и [стабильностью] питающих напряжений, которые определяют максимальное значение рекуперации, достижимое без автоколебаний». [16] По сути, разница в коэффициенте усиления и стабильности при использовании электронных ламп, JFET, MOSFET или транзисторов с биполярным переходом (BJT) практически отсутствует.
Значительное улучшение стабильности и небольшое улучшение доступного усиления для приема CW радиотелеграфии обеспечивается использованием отдельного генератора, известного как гетеродинный генератор или тактовый генератор . [16] [23] Обеспечение генерации колебаний отдельно от детектора позволяет настроить регенеративный детектор на максимальное усиление и селективность, которые всегда находятся в неколебательном состоянии. [16] [24] Взаимодействие между детектором и генератором биений можно свести к минимуму, если использовать генератор биений на половине рабочей частоты приемника, используя вторую гармонику генератора биений в детекторе. [23]
Для приема AM коэффициент усиления контура регулируется так, чтобы он был чуть ниже уровня, необходимого для генерации (коэффициент усиления контура чуть меньше единицы). Результатом этого является значительное увеличение усиления усилителя на полосовой частоте (резонансной частоте), при этом не увеличивая его на других частотах. Таким образом, входящий радиосигнал усиливается в большой раз, в 10 3 - 10 5 , увеличивая чувствительность приемника к слабым сигналам. Высокий коэффициент усиления также приводит к уменьшению полосы пропускания схемы (увеличению Q ) в равный коэффициент, увеличивая избирательность приемника. [25]
Для приема радиотелеграфии CW ( код Морзе ) обратная связь увеличивается как раз до уровня генерации. Настроенная схема настроена так, чтобы обеспечить обычно разницу от 400 до 1000 Гц между частотой колебаний приемника и частотой сигнала желаемой передающей станции. Две частоты бьются в нелинейном усилителе, генерируя гетеродинные частоты или частоты биений . [26] Разностная частота, обычно составляющая от 400 до 1000 Гц, находится в звуковом диапазоне; поэтому он слышен как тональный сигнал в динамике ресивера всякий раз, когда присутствует сигнал станции.
Демодуляция сигнала таким способом с использованием одного усилительного устройства одновременно в качестве генератора и смесителя известна как автодинный прием. [27] Термин «автодин» появился раньше, чем многосеточные лампы, и не применяется к использованию ламп, специально разработанных для преобразования частоты.
Для приема однополосных сигналов (SSB) схема также настраивается на колебание, как при приеме CW. Настройка регулируется до тех пор, пока демодулированный голос не станет разборчивым.
Регенеративные приемники требуют меньше компонентов, чем другие типы приемных схем, такие как TRF и супергетеродин . Преимущество схемы заключалось в том, что она обеспечивала гораздо большее усиление (усиление) от дорогих электронных ламп , что уменьшало количество необходимых ламп и, следовательно, стоимость приемника. Ранние электронные лампы имели низкий коэффициент усиления и имели тенденцию колебаться на радиочастотах (РЧ). Приемникам TRF часто требовалось 5 или 6 трубок; каждая ступень требует настройки и нейтрализации, что делает приемник громоздким, энергоемким и сложным в настройке. Регенеративный приемник, напротив, часто может обеспечить адекватный прием при использовании только одной трубки. В 1930-х годах регенеративный приемник был заменен супергетеродинной схемой в коммерческих приемниках из-за превосходных характеристик супергетеродина и снижения стоимости ламп. С момента появления транзистора в 1946 году низкая стоимость активных устройств лишила схему большей части преимуществ. Однако в последние годы регенеративная схема умеренно вернулась в приемники недорогих цифровых радиоприложений , таких как механизмы открывания гаражных ворот , замки без ключа , считыватели RFID и некоторые приемники сотовых телефонов .
Недостатком этого приемника, особенно в конструкциях, в которых схема настройки детектора соединена с антенной, является то, что уровень регенерации (обратной связи) необходимо регулировать, когда приемник настроен на другую частоту. Сопротивление антенны меняется в зависимости от частоты, изменяя нагрузку входной настроенной цепи антенны, что требует регулировки регенерации. Кроме того, добротность компонентов схемы настройки детектора меняется в зависимости от частоты, что требует регулировки управления регенерацией. [5] : стр. 189
Недостатком регенеративного детектора с одним активным устройством в автодинном режиме является то, что локальные колебания заставляют рабочую точку значительно отклоняться от идеальной рабочей точки, что приводит к снижению усиления обнаружения. [24]
Еще одним недостатком является то, что когда схема настроена на колебание, она может излучать сигнал от своей антенны, что может вызвать помехи для других близлежащих приемников. Добавление каскада радиочастотного усилителя между антенной и регенеративным детектором может уменьшить нежелательное излучение, но приведет к увеличению затрат и сложности.
Другими недостатками регенеративных приемников являются чувствительная и нестабильная настройка. Эти проблемы имеют одну и ту же причину: коэффициент усиления регенеративного приемника наибольший, когда он работает на грани колебаний, и в этом состоянии схема ведет себя хаотично . [28] [29] [30] Простые регенеративные приемники электрически соединяют антенну с настроенной схемой детектора, в результате чего электрические характеристики антенны влияют на резонансную частоту настроенной схемы детектора. Любое движение антенны или крупных объектов рядом с антенной может изменить настройку детектора.
Изобретатель FM- радио Эдвин Армстронг подал в 1913 году патент США № 1113149 на регенеративную схему, когда учился на первом курсе колледжа. [31] Он запатентовал сверхрегенеративную схему в 1922 году и супергетеродинный приемник в 1918 году.
Ли Де Форест подал заявку на патент США № 1170881 в 1914 году, что стало причиной спорного судебного процесса с Армстронгом, чей патент на регенеративную схему был выдан в 1914 году. Верховный суд . Армстронг выиграл первое дело, проиграл второе, зашел в тупик в третьем, а затем проиграл последний раунд в Верховном суде. [32] [33]
В то время, когда был представлен регенеративный приемник, электронные лампы были дорогими и потребляли много энергии, что сопровождалось дополнительными расходами и обременением тяжелых батарей. Таким образом, эта конструкция, позволяющая получить максимальную выгоду от одной лампы, удовлетворила потребности растущего радиосообщества и сразу же стала процветать. Хотя супергетеродинный приемник является наиболее распространенным приемником, используемым сегодня , регенеративное радио максимально использовало очень небольшое количество деталей.
Во время Второй мировой войны рекуперативная схема использовалась в некоторой военной технике. Примером может служить немецкая полевая радиостанция «Torn.Eb». [34] Регенеративным приемникам требовалось гораздо меньше ламп и меньшее энергопотребление для почти эквивалентной производительности.
Подобная схема, сверхрегенеративный детектор , нашла несколько весьма важных военных применений во Второй мировой войне в оборудовании для идентификации «свой-чужой» и в сверхсекретном неконтактном взрывателе . Примером может служить миниатюрный тиратрон RK61 , появившийся на рынке в 1938 году, который был специально разработан для работы как вакуумный триод ниже напряжения зажигания, что позволяло ему усиливать аналоговые сигналы в качестве самогасящегося сверхрегенеративного детектора в приемниках радиоуправления [35] и был главное техническое достижение, которое привело к разработке радиоуправляемого оружия во время войны и параллельному развитию радиоуправляемого моделирования в качестве хобби. [36]
В 1930-х годах супергетеродинная конструкция начала постепенно вытеснять регенеративный приёмник, поскольку лампы стали намного дешевле. В Германии эта конструкция до сих пор использовалась в миллионах серийно производившихся немецких «народных приёмников» ( Volksempfänger ) и «немецких малых приёмников» (DKE, Deutscher Kleinempfänger). Даже после Второй мировой войны регенеративный дизайн все еще присутствовал в ранних послевоенных немецких минималистичных конструкциях типа «народных приемников» и «маленьких приемников», что было продиктовано нехваткой материалов. Часто в таких конструкциях использовались немецкие военные лампы, такие как «RV12P2000». Были даже супергетеродинные конструкции, в которых регенеративный приемник использовался в качестве комбинированной ПЧ и демодулятора с фиксированной регенерацией. Сверхрегенеративная конструкция также присутствовала в первых приемниках FM-вещания примерно в 1950 году. Позже она была почти полностью снята с массового производства, оставшись только в наборах для хобби и некоторых специальных приложениях, таких как открыватели ворот.
Сверхрегенеративный приемник использует второе низкочастотное колебание ( в пределах того же каскада или с помощью второго каскада генератора), чтобы обеспечить коэффициент усиления схемы одного устройства около одного миллиона. Это второе колебание периодически прерывает или «гасит» основное радиочастотное колебание. [37] Типичная скорость ультразвуковой закалки составляет от 30 до 100 кГц. После каждого гашения радиочастотные колебания растут экспоненциально, начиная с крошечной энергии, улавливаемой антенной, плюс шум схемы. Амплитуда, достигаемая в конце цикла гашения (линейный режим), или время, необходимое для достижения предельной амплитуды (логарифмический режим), зависит от силы принятого сигнала, с которого начался экспоненциальный рост. Фильтр нижних частот аудиоусилителя отфильтровывает помехи и радиочастоты на выходе, оставляя AM-модуляцию. Это обеспечивает грубую, но очень эффективную автоматическую регулировку усиления (АРУ).
Сверхрегенеративные детекторы хорошо работают для AM, а также могут использоваться для широкополосных сигналов, таких как FM, где они выполняют «обнаружение наклона». Регенеративные детекторы хорошо работают с узкополосными сигналами, особенно для CW и SSB, для которых требуется гетеродинный генератор или BFO. Сверхрегенеративный детектор не имеет пригодного для использования гетеродинного генератора - хотя суперрегенерация всегда автоколебается, поэтому сигналы CW (код Морзе) и SSB (однополосный) не могут быть приняты должным образом.
Суперрегенерация наиболее полезна на частотах выше 27 МГц и для сигналов, где желательна широкая настройка. В суперрегене используется гораздо меньше компонентов при почти такой же чувствительности, как и в более сложных конструкциях. Легко можно построить приемники суперрегенерации, которые работают на уровне мощности микроватта в диапазоне от 30 до 6000 МГц. Это устраняет необходимость для оператора вручную регулировать уровень регенерации так, чтобы он был чуть ниже точки колебаний - схема автоматически периодически выводится из режима колебаний, но с тем недостатком, что небольшие помехи могут быть проблемой для других. Они идеально подходят для приложений дистанционного зондирования или там, где важно длительное время автономной работы. В течение многих лет сверхрегенеративные схемы использовались в коммерческих продуктах, таких как механизмы открывания гаражных ворот, радар-детекторы, микроваттные радиочастотные линии передачи данных и очень недорогие рации.
Поскольку сверхрегенеративные детекторы имеют тенденцию принимать самый сильный сигнал и игнорировать другие сигналы в ближайшем спектре, суперрегенерация лучше всего работает с полосами, которые относительно свободны от мешающих сигналов. Согласно теореме Найквиста , частота его гашения должна быть как минимум в два раза больше полосы пропускания сигнала. Но гашение обертонами действует дальше как гетеродинный приемник, подмешивающий дополнительные ненужные сигналы из этих диапазонов в рабочую частоту. Таким образом, общая полоса пропускания суперрегенератора не может быть менее чем в 4 раза больше частоты гашения, если предположить, что гасящий генератор генерирует идеальную синусоидальную волну.
