Регенеративная схема — это схема усилителя , которая использует положительную обратную связь (также известную как регенерация или реакция ). [1] [2] Часть выходного сигнала усилительного устройства подается обратно на его вход для добавления к входному сигналу, увеличивая усиление. [3] Одним из примеров является триггер Шмитта (который также известен как регенеративный компаратор ), но наиболее распространенное использование этого термина — в усилителях ВЧ , и особенно в регенеративных приемниках , для значительного увеличения 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 в период с 1915 года до Второй мировой войны . Преимущества регенеративных приемников включают повышенную чувствительность при скромных требованиях к оборудованию и повышенную селективность, поскольку добротность настроенного контура будет увеличиваться, когда усилительная вакуумная лампа или транзистор имеет свою петлю обратной связи вокруг настроенного контура (через обмотку «щекотливого» типа или отвод на катушке), поскольку он вносит некоторое отрицательное сопротивление .
Частично из-за своей тенденции излучать помехи при генерации, [6] [5] : стр. 190 к 1930-м годам регенеративный приемник был в значительной степени вытеснен другими конструкциями TRF- приемников (например, «рефлекторными» приемниками ) и особенно другим изобретением Армстронга — супергетеродинными приемниками [10] и в значительной степени считается устаревшим. [5] : стр. 190 [11] Регенерация (теперь называемая положительной обратной связью) по-прежнему широко используется в других областях электроники, таких как генераторы , активные фильтры и усилители с самовозбуждением .
Схема приемника, которая использовала большее количество 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 обычных коммерческих приемниках, но из-за небольшого количества деталей использовалась в специализированных приложениях. Одним из распространенных применений во время Второй мировой войны были приемопередатчики IFF , где одна настроенная схема завершала всю электронную систему. Она до сих пор используется в нескольких специализированных приложениях с низкой скоростью передачи данных, [11] таких как открыватели гаражных ворот , [12] беспроводные сетевые устройства, [11] рации и игрушки.
Коэффициент усиления любого усилительного устройства, такого как вакуумная лампа , транзистор или операционный усилитель , можно увеличить, подавая часть энергии с его выхода обратно на его вход в фазе с исходным входным сигналом. Это называется положительной обратной связью или регенерацией . [13] [3] Из-за большого усиления, возможного при регенерации, регенеративные приемники часто используют только один усилительный элемент (лампу или транзистор). [14] В регенеративном приемнике выход лампы или транзистора подключен обратно к его собственному входу через настроенную цепь (LC-цепь). [15] [16] Настроенная цепь допускает положительную обратную связь только на своей резонансной частоте . В регенеративных приемниках, использующих только одно активное устройство, та же настроенная цепь соединена с антенной и также служит для выбора принимаемой радиочастоты, обычно с помощью переменной емкости. В обсуждаемой здесь регенеративной цепи активное устройство также функционирует как детектор ; эта цепь также известна как регенеративный детектор . [16] Обычно для регулировки величины обратной связи ( коэффициента усиления контура ) предусмотрено управление регенерацией. Желательно, чтобы схема обеспечивала управление регенерацией, которое может постепенно увеличивать обратную связь до точки колебания и которое обеспечивает управление колебанием от малой до большей амплитуды и обратно до отсутствия колебания без скачков амплитуды или гистерезиса в управлении. [17] [18] [19] [20]
Два важных атрибута радиоприемника — чувствительность и селективность . [21] Регенеративный детектор обеспечивает чувствительность и селективность за счет усиления напряжения и характеристик резонансного контура, состоящего из индуктивности и емкости. Регенеративное усиление напряжения равно где — нерегенеративное усиление и — часть выходного сигнала, возвращаемая в контур L2 C2. По мере уменьшения усиление увеличивается. [22] Настроенного контура (L2 C2) без регенерации равно где — реактивное сопротивление катушки и представляет собой общие диссипативные потери настроенного контура. Положительная обратная связь компенсирует потери энергии, вызванные , поэтому ее можно рассматривать как введение отрицательного сопротивления в настроенный контур. [19] Настроенного контура с регенерацией равно . [ 19] Регенерация увеличивает . Колебания начинаются, когда . [19]
Регенерация может увеличить усиление обнаружения детектора в 1700 раз и более. Это довольно значительное улучшение, особенно для вакуумных ламп с низким коэффициентом усиления 1920-х и начала 1930-х годов. Экранно-сетчатая лампа типа 36 (устаревшая с середины 1930-х годов) имела нерегенеративное усиление обнаружения (напряжение пластины звуковой частоты, деленное на входное напряжение радиочастоты) всего 9,2 на частоте 7,2 МГц, но в регенеративном детекторе усиление обнаружения достигало 7900 при критической регенерации (не осцилляционной) и до 15 800 при регенерации чуть выше критической. [16] «... не осциллирующее регенеративное усиление ограничено стабильностью элементов схемы, характеристиками трубки [или устройства] и [стабильностью] напряжений питания, которые определяют максимальное значение регенерации, достижимое без автоколебаний». [16] По сути, практически нет никакой разницы в коэффициенте усиления и стабильности, доступных для электронных ламп, полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом, полевых МОП-транзисторов или биполярных транзисторов с переходом (БПТ).
Значительное улучшение стабильности и небольшое улучшение доступного усиления для приема CW-радиотелеграфии обеспечивается использованием отдельного генератора, известного как гетеродинный генератор или генератор биений . [16] [23] Предоставление колебаний отдельно от детектора позволяет настроить регенеративный детектор на максимальный коэффициент усиления и селективность, который всегда находится в состоянии отсутствия колебаний. [16] [24] Взаимодействие между детектором и генератором биений можно свести к минимуму, задействовав генератор биений на половине рабочей частоты приемника, используя вторую гармонику генератора биений в детекторе. [23]
Для приема AM усиление контура регулируется так, чтобы оно было чуть ниже уровня, необходимого для генерации (усиление контура чуть меньше единицы). Результатом этого является значительное увеличение усиления усилителя на частоте полосы пропускания (резонансной частоте), при этом не увеличивая его на других частотах. Таким образом, входящий радиосигнал усиливается в большой степени, 10 3 - 10 5 , увеличивая чувствительность приемника к слабым сигналам. Высокий коэффициент усиления также имеет эффект уменьшения полосы пропускания схемы (увеличения Q ) в равной степени, увеличивая селективность приемника. [25]
Для приема CW радиотелеграфии ( код Морзе ) обратная связь увеличивается как раз до точки колебания. Настроенная схема настраивается так, чтобы обеспечить обычно разницу в 400–1000 Герц между частотой колебания приемника и желаемой частотой сигнала передающей станции. Две частоты бьются в нелинейном усилителе, генерируя гетеродинные или биения частоты. [26] Разностная частота, обычно от 400 до 1000 Герц, находится в звуковом диапазоне; поэтому она слышна как тон в динамике приемника всякий раз, когда присутствует сигнал станции.
Демодуляция сигнала таким образом, с использованием одного усилительного устройства в качестве генератора и смесителя одновременно, известна как автодинный прием. [27] Термин «автодин» появился еще до появления многосеточных ламп и не применяется к использованию ламп, специально разработанных для преобразования частоты.
Для приема однополосных (SSB) сигналов схема также настраивается на генерацию, как при приеме CW. Настройка настраивается 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 состояло в том, что она получала гораздо больше усиления (коэффициента усиления) от дорогих электронных ламп , тем самым уменьшая количество требуемых ламп и, следовательно, стоимость приемника. Ранние электронные лампы имели низкий коэффициент усиления и имели тенденцию к генерации на радиочастотах (РЧ). TRF-приемники часто требовали 5 или 6 ламп; каждый каскад требовал настройки и нейтрализации, что делало приемник громоздким, прожорливым и сложным в настройке. Регенеративный приемник, напротив, часто мог обеспечить адекватный прием с использованием только одной лампы. В 1930-х годах регенеративный приемник был заменен схемой супергетеродина в коммерческих приемниках из-за превосходной производительности супергетеродина и снижения стоимости ламп. С появлением транзистора в 1946 году низкая стоимость активных устройств устранила большую часть преимуществ схемы. Однако в последние годы регенеративная схема вновь начала использоваться в приемниках для недорогих цифровых радиоприложений , таких как устройства открывания гаражных ворот , бесключевые замки , считыватели RFID и некоторые приемники сотовых телефонов .
Недостатком этого приемника, особенно в конструкциях, которые соединяют настроенную схему детектора с антенной, является то, что уровень регенерации (обратной связи) должен быть отрегулирован, когда приемник настроен на другую частоту. Сопротивление антенны изменяется с частотой, изменяя нагрузку входной настроенной схемы антенной, требуя регулировки регенерации. Кроме того, добротность компонентов настроенной схемы детектора изменяется с частотой, требуя регулировки управления регенерацией. [5] : стр.189
Недостатком регенеративного детектора с одним активным устройством в автодинном режиме является то, что локальные колебания приводят к значительному смещению рабочей точки от идеальной рабочей точки, что приводит к снижению коэффициента усиления обнаружения. [24]
Другим недостатком является то, что когда схема настроена на генерацию, она может излучать сигнал от своей антенны, что может создавать помехи для других близлежащих приемников. Добавление каскада усилителя ВЧ между антенной и регенеративным детектором может уменьшить нежелательное излучение, но увеличит расходы и сложность.
Другие недостатки регенеративных приемников — чувствительная и нестабильная настройка. Эти проблемы имеют одну и ту же причину: усиление регенеративного приемника максимально, когда он работает на грани колебаний, и в этом состоянии схема ведет себя хаотично . [28] [29] [30] Простые регенеративные приемники электрически связывают антенну с настроенной схемой детектора, в результате чего электрические характеристики антенны влияют на резонансную частоту настроенной схемы детектора. Любое движение антенны или крупных объектов вблизи антенны может изменить настройку детектора.
Изобретатель FM- радио Эдвин Армстронг подал заявку на патент США 1113149 в 1913 году на регенеративную схему, когда он был на третьем курсе колледжа. [31] Он запатентовал суперрегенеративную схему в 1922 году, а супергетеродинный приемник — в 1918 году.
Ли Де Форест подал заявку на патент США 1170881 в 1914 году, что стало причиной спорного судебного разбирательства с Армстронгом, чей патент на регенеративный контур был выдан в 1914 году. Судебное разбирательство длилось до 1934 года, проходя через апелляционный процесс и заканчиваясь в Верховном суде . 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, с дополнительными расходами и обременительными тяжелыми батареями. Таким образом, эта конструкция, извлекающая максимальную выгоду из одной лампы, удовлетворяла потребности растущего сообщества радиолюбителей и немедленно процветала. Хотя супергетеродинный приемник является наиболее распространенным приемником, используемым сегодня [ необходима цитата ] , регенеративное радио максимально использовало очень мало деталей.
Во время Второй мировой войны регенеративная схема использовалась в некотором военном оборудовании. Примером может служить немецкое полевое радио "Torn.Eb". [34] Регенеративные приемники требовали гораздо меньше ламп и меньшего потребления энергии для почти эквивалентной производительности.
Схожая схема, сверхрегенеративный детектор , нашла несколько очень важных военных применений во Второй мировой войне в оборудовании идентификации «свой-чужой» и в сверхсекретном бесконтактном взрывателе . Примером здесь является миниатюрный тиратрон RK61, выпущенный на рынок в 1938 году, который был специально разработан для работы в качестве вакуумного триода ниже напряжения зажигания, что позволяло ему усиливать аналоговые сигналы в качестве самогасящегося сверхрегенеративного детектора в приемниках радиоуправления , [35] и был основным техническим достижением, которое привело к развитию радиоуправляемого оружия во время войны и параллельному развитию радиоуправляемого моделирования как хобби. [36]
В 1930-х годах супергетеродинная конструкция начала постепенно вытеснять регенеративный приемник, поскольку лампы стали намного дешевле. В Германии эта конструкция все еще использовалась в миллионах серийно выпускаемых немецких «народных приемников» ( Volksempfänger ) и «немецких малых приемников» (DKE, Deutscher Kleinempfänger). Даже после Второй мировой войны регенеративная конструкция все еще присутствовала в ранних послевоенных немецких минималистичных конструкциях по типу «народных приемников» и «малых 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 ранних вещательных FM-приемниках около 1950 года. Позже она была почти полностью снята с массового производства, оставшись только в любительских наборах и некоторых специальных устройствах, таких как открыватели ворот.
Сверхрегенеративный приемник использует второе колебание более низкой частоты ( в пределах того же каскада или с использованием второго каскада генератора) для обеспечения коэффициентов усиления схемы одного устройства около одного миллиона. Это второе колебание периодически прерывает или «гасит» основное колебание RF. [37] Типичные скорости гашения ультразвука составляют от 30 до 100 кГц. После каждого гашения колебание RF растет 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), зависят от силы принятого сигнала, с которого начался экспоненциальный рост. Фильтр нижних частот в аудиоусилителе отфильтровывает частоты гашения и RF с выхода, оставляя модуляцию AM. Это обеспечивает грубую, но очень эффективную автоматическую регулировку усиления (AGC).
Сверхрегенеративные детекторы хорошо работают для AM и также могут использоваться для широкополосных сигналов, таких как FM, где они выполняют «обнаружение наклона». Регенеративные детекторы хорошо работают для узкополосных сигналов, особенно для CW и SSB, которым нужен гетеродинный генератор или BFO. Сверхрегенеративный детектор не имеет пригодного гетеродинного генератора – даже несмотря на то, что сверхрегенеративный детектор всегда самовозбуждается, поэтому сигналы CW (код Морзе) и SSB (однополосная передача) не могут быть приняты должным образом.
Суперрегенерация наиболее ценна выше 27 МГц и для сигналов, где желательна широкая настройка. Суперрегенерация использует гораздо меньше компонентов для почти той же чувствительности, что и более сложные конструкции. Легко можно построить приемники суперрегенерации, которые работают на уровнях мощности микроватт, в диапазоне от 30 до 6000 МГц. Это устраняет необходимость для оператора вручную регулировать уровень регенерации чуть ниже точки колебания - схема автоматически периодически выводится из колебания, но с недостатком, что небольшие помехи могут быть проблемой для других. Они идеально подходят для приложений дистанционного зондирования или там, где важен длительный срок службы батареи. В течение многих лет суперрегенеративные схемы использовались для коммерческих продуктов, таких как открыватели гаражных ворот, радар-детекторы, микроваттные радиочастотные каналы передачи данных и очень недорогие рации.
Поскольку сверхрегенеративные детекторы, как правило, принимают самый сильный сигнал и игнорируют другие сигналы в близлежащем спектре, сверхрегенератор лучше всего работает с полосами, которые относительно свободны от мешающих сигналов. Из-за теоремы Найквиста его частота гашения должна быть как минимум в два раза больше полосы пропускания сигнала. Но гашение обертонами действует далее как гетеродинный приемник, подмешивающий дополнительные ненужные сигналы из этих полос в рабочую частоту. Таким образом, общая полоса пропускания сверхрегенератора не может быть меньше, чем в 4 раза больше частоты гашения, предполагая, что гасящий генератор создает идеальную синусоидальную волну.
