Регенеративные схемы с положительной обратной связью

Введение

Регенеративная схема — это схема усилителя, использующая положительную обратную связь (также известную как регенерация или реакция). Часть выходного сигнала усиливающего элемента подается обратно на его вход для увеличения входного сигнала и, следовательно, усиления. Одним из примеров является триггер Шмитта (также известный как регенеративный компаратор), но термин чаще всего используется в отношении радиочастотных усилителей, и особенно регенеративных приемников, для значительного увеличения усиления одной каскада усилителя. Регенеративный приемник был изобретен в 1912 году и запатентован в 1914 году американским инженером-электриком Эдвином Армстронгом, когда он был студентом Колумбийского университета. Он широко использовался с 1915 по Вторую мировую войну. Преимущества регенеративных приемников включают повышенную чувствительность при умеренных аппаратных требованиях и повышенную селективность, поскольку добротность (Q) настроенного контура увеличивается, когда усиливающая вакуумная лампа или транзистор имеет контур обратной связи вокруг настроенного контура (через "тиклерную" обмотку или отвод от катушки), поскольку это вводит некоторое отрицательное сопротивление. Он во многом считается устаревшим, частично из-за его склонности излучать помехи при генерации. Регенерация (теперь называемая положительной обратной связью) по-прежнему широко используется в других областях электроники, таких как генераторы, активные фильтры и усилители с эффектом выпрямления. В 1922 году Армстронг изобрел суперрегенеративный приемник — схему приемника, которая использовала большее количество регенерации более сложным способом для достижения еще большего усиления. В регенеративном приемнике выходной сигнал лампы или транзистора возвращается на собственный вход через настроенный контур (LC-контур). Настроенный контур обеспечивает положительную обратную связь только на своей резонансной частоте. В регенеративных приемниках, использующих только одно активное устройство, тот же настроенный контур соединяется с антенной и также служит для выбора принимаемой радиочастоты, обычно с помощью переменной емкости. В регенеративной схеме, рассматриваемой здесь, активное устройство также функционирует как детектор; эта схема также известна как регенеративный детектор. Два важных параметра радиоприемника — чувствительность и селективность. Регенеративный детектор обеспечивает чувствительность и селективность благодаря усилению напряжения и характеристикам резонансного контура, состоящего из индуктивности и емкости. Регенеративное усиление напряжения равно , где — нерегенеративное усиление, а — часть выходного сигнала, подаваемого обратно в контур L2 C2. По мере уменьшения усиление увеличивается. Добротность (Q) настроенного контура (L2 C2) без регенерации равна , где — реактивное сопротивление катушки, а — общие диссипативные потери настроенного контура. Положительная обратная связь компенсирует потери энергии, вызванные , поэтому ее можно рассматривать как введение отрицательного сопротивления в настроенный контур. Добротность (Q) настроенного контура с регенерацией равна. Разделение генерации от детектирования позволяет установить регенеративный детектор на максимальное усиление и селективность, что всегда соответствует негенеративному режиму.

Electronic circuit using positive feedback

A regenerative circuit is an amplifier circuit that employs positive feedback (also known as regeneration or reaction). Some of the output of the amplifying device is applied back to its input to add to the input signal, increasing the amplification. One example is the Schmitt trigger (which is also known as a regenerative comparator), but the most common use of the term is in RF amplifiers, and especially regenerative receivers, to greatly increase the gain of a single amplifier stage. The regenerative receiver was invented in 1912 and patented in 1914 by American electrical engineer Edwin Armstrong when he was an undergraduate at Columbia University. It was widely used between 1915 and World War II. Advantages of regenerative receivers include increased sensitivity with modest hardware requirements, and increased selectivity because the Q of the tuned circuit will be increased when the amplifying vacuum tube or transistor has its feedback loop around the tuned circuit (via a "tickler" winding or a tapping on the coil) because it introduces some negative resistance. Due partly to its tendency to radiate interference when oscillating, and is largely considered obsolete. Regeneration (now called positive feedback) is still widely used in other areas of electronics, such as in oscillators, active filters, and bootstrapped amplifiers. A receiver circuit that used larger amounts of regeneration in a more complicated way to achieve even higher amplification, the superregenerative receiver, was also invented by Armstrong in 1922. wireless networking devices, In a regenerative receiver the output of the tube or transistor is connected back to its own input through a tuned circuit (LC circuit). The tuned circuit allows positive feedback only at its resonant frequency. In regenerative receivers using only one active device, the same tuned circuit is coupled to the antenna and also serves to select the radio frequency to be received, usually by means of variable capacitance. In the regenerative circuit discussed here, the active device also functions as a detector; this circuit is also known as a regenerative detector. Two important attributes of a radio receiver are sensitivity and selectivity. The regenerative detector provides sensitivity and selectivity due to voltage amplification and the characteristics of a resonant circuit consisting of inductance and capacitance. The regenerative voltage amplification is where is the non regenerative amplification and is the portion of the output signal fed back to the L2 C2 circuit. As becomes smaller the amplification increases. The of the tuned circuit (L2 C2) without regeneration is where is the reactance of the coil and represents the total dissipative loss of the tuned circuit. The positive feedback compensates the energy loss caused by , so it may be viewed as introducing a negative resistance to the tuned circuit. The of the tuned circuit with regeneration is Providing the oscillation separately from the detector allows the regenerative detector to be set for maximum gain and selectivity which is always in the non oscillating condition.

Прием CW (автодинамический режим)

Для приема радиотелеграфии CW (код Морзе) обратная связь увеличивается до точки начала колебаний. Настроенный контур регулируется для обеспечения разницы между частотой генерации приемника и частотой сигнала желаемой передающей станции, обычно в пределах от 400 до 1000 Герц. Эти две частоты смешиваются в нелинейном усилителе, генерируя гетеродинные или разностные частоты. Разностная частота, как правило от 400 до 1000 Герц, попадает в звуковой диапазон и воспринимается как тон в динамике приемника при наличии сигнала станции. Демодуляция сигнала подобным образом, с использованием одного усилительного элемента одновременно в качестве генератора и смесителя, называется автодинным приемом. Термин "автодин" использовался до появления многоэлектродных ламп и не применяется к лампам, специально разработанным для преобразования частоты.

Прием SSB

Для приема однополосных (SSB) сигналов схема также настраивается на генерацию, как и при приеме CW. Подстройка осуществляется до тех пор, пока речь после демодуляции не станет разборчивой.

Преимущества и недостатки

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 из дорогих вакуумных ламп, тем самым уменьшая количество необходимых ламп и, следовательно, стоимость приемника. Ранние вакуумные лампы имели низкий коэффициент усиления и склонность к самовозбуждению на радиочастотах (РЧ). Для TRF-приемников часто требовалось 5 или 6 ламп; каждая ступень требовала настройки и нейтрализации, что делало приемник громоздким, энергоемким и сложным в регулировке. Регенеративный приемник, напротив, часто мог обеспечить достаточный прием, используя всего одну лампу. В 1930-х годах регенеративный приемник был заменен супергетеродинной схемой в коммерческих приемниках благодаря превосходным характеристикам супергетеродина и снижению стоимости ламп. С появлением транзистора в 1946 году низкая стоимость активных элементов свела на нет большую часть преимуществ этой схемы. Однако в последние годы регенеративная схема переживает скромное возрождение в приемниках для недорогих цифровых радиоприложений, таких как открыватели гаражных ворот, бесключевые замки, RFID-считыватели и некоторые приемники сотовых телефонов. Недостатком этого приемника, особенно в конструкциях, где контур детектора связан с антенной, является необходимость регулировки уровня регенерации (обратной связи) при переключении приемника на другую частоту. Импеданс антенны меняется в зависимости от частоты, изменяя нагрузку на входной настроенный контур со стороны антенны, что требует корректировки регенерации. Кроме того, добротность (Q) компонентов настроенного контура детектора изменяется в зависимости от частоты, что требует регулировки управления регенерацией. Другой недостаток заключается в том, что при настройке схемы на самовозбуждение она может излучать сигнал через свою антенну, вызывая помехи другим находящимся поблизости приемникам. Добавление каскада усиления RF между антенной и регенеративным детектором может уменьшить нежелательное излучение, но увеличит стоимость и сложность. К другим недостаткам регенеративных приемников относятся чувствительная и неустойчивая настройка. Все эти проблемы имеют общую причину: максимальное усиление регенеративного приемника достигается при работе на грани самовозбуждения, и в этом состоянии схема ведет себя хаотично. Простые регенеративные приемники электрически связывают антенну с настроенным контуром детектора, в результате чего электрические характеристики антенны влияют на резонансную частоту настроенного контура детектора. Любое перемещение антенны или крупных объектов рядом с ней может изменить настройку детектора.

Regenerative receivers require fewer components than other types of receiver circuit, such as the TRF and superheterodyne. The circuit's advantage was that it got much more amplification (gain) out of the expensive vacuum tubes, thus reducing the number of tubes required and therefore the cost of a receiver. Early vacuum tubes had low gain and tended to oscillate at radio frequencies (RF). TRF receivers often required 5 or 6 tubes; each stage requiring tuning and neutralization, making the receiver cumbersome, power hungry, and hard to adjust. A regenerative receiver, by contrast, could often provide adequate reception with the use of only one tube. In the 1930s the regenerative receiver was replaced by the superheterodyne circuit in commercial receivers due to the superheterodyne's superior performance and the falling cost of tubes. Since the advent of the transistor in 1946, the low cost of active devices has removed most of the advantage of the circuit. However, in recent years the regenerative circuit has seen a modest comeback in receivers for low cost digital radio applications such as garage door openers, keyless locks, RFID readers and some cell phone receivers. A disadvantage of this receiver, especially in designs that couple the detector tuned circuit to the antenna, is that the regeneration (feedback) level must be adjusted when the receiver is tuned to a different frequency. The antenna impedance varies with frequency, changing the loading of the input tuned circuit by the antenna, requiring the regeneration to be adjusted. In addition, the Q of the detector tuned circuit components vary with frequency, requiring adjustment of the regeneration control. Another drawback is that when the circuit is adjusted to oscillate it can radiate a signal from its antenna, so it can cause interference to other nearby receivers. Adding an RF amplifier stage between the antenna and the regenerative detector can reduce unwanted radiation, but would add expense and complexity. Other shortcomings of regenerative receivers are the sensitive and unstable tuning. These problems have the same cause: a regenerative receiver's gain is greatest when it operates on the verge of oscillation, and in that condition, the circuit behaves chaotically. Simple regenerative receivers electrically couple the antenna to the detector tuned circuit, resulting in the electrical characteristics of the antenna influencing the resonant frequency of the detector tuned circuit. Any movement of the antenna or large objects near the antenna can change the tuning of the detector.

История

Изобретатель FM-радио, Эдвин Армстронг, подал заявку на патент США № 1113149 в 1913 году на регенеративную схему, будучи студентом-младшекурсником колледжа. 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 длительного судебного разбирательства с Армстронгом, чей патент на регенеративную схему был выдан в 1914 году. Судебный процесс продолжался до 1934 года, проходя через апелляционные инстанции и завершившись в Верховном суде. Армстронг выиграл первое дело, проиграл второе, не достиг согласия в третьем, а затем проиграл финальный раунд в Верховном суде. К моменту появления регенеративного приемника вакуумные лампы были дорогими и потребляли много энергии, что требовало дополнительных расходов и использования тяжелых батарей. Эта конструкция, позволяющая получить максимальный коэффициент усиления от одной лампы, отвечала потребностям растущего радиолюбительского сообщества и быстро получила распространение. Хотя сегодня наиболее распространенным приемником является супергетеродинный, регенеративное радио обеспечивало максимальную эффективность при минимальном количестве компонентов. Во время Второй мировой войны регенеративная схема использовалась в некоторых военных устройствах. Примером является немецкое полевое радио "Torn. E. b". Регенеративные приемники требовали значительно меньше ламп и потребляли меньше энергии при практически сопоставимой производительности. Связанная с ней схема – суперрегенеративный детектор – нашла несколько важных военных применений во Второй мировой войне в системах идентификации "свой-чужой" и в сверхсекретном взрывателе дистанционного действия. Примером является миниатюрный тиратрон RK61, представленный на рынке в 1938 году, который был специально разработан для работы подобно вакуумному триоду ниже напряжения ионизации, что позволяло ему усиливать аналоговые сигналы в качестве самозатухающего суперрегенеративного детектора в приемниках радиоуправления и стало ключевым техническим достижением, приведшим к разработке радиоуправляемого оружия и параллельному развитию радиомоделирования как хобби. В 1930-х годах супергетеродинная схема начала постепенно вытеснять регенеративный приемник по мере удешевления ламп. В Германии эта схема продолжала использоваться в миллионах серийно выпускаемых немецких "народных приемников" (Volksempfänger) и "немецких малогабаритных приемников" (DKE, Deutscher Kleinempfänger). Даже после Второй мировой войны регенеративная схема все еще присутствовала в ранних послевоенных немецких минималистичных конструкциях, подобных "народным" и "малым" приемникам, что было обусловлено нехваткой материалов. В таких конструкциях часто использовались немецкие военные лампы, такие как "RV12P2000". Существовали даже супергетеродинные схемы, в которых регенеративный приемник использовался в качестве комбинированного промежуточного усилителя и демодулятора с фиксированной регенерацией. Суперрегенеративная схема также применялась в ранних FM-приемниках около 1950 года. Позже она была практически полностью исключена из массового производства, сохранившись лишь в наборах для хобби и некоторых специальных областях применения, таких как приводы ворот.

The inventor of FM radio, Edwin Armstrong, filed US patent 1113149 in 1913 about regenerative circuit while he was a junior in college. He patented the superregenerative circuit in 1922, and the superheterodyne receiver in 1918. Lee De Forest filed US patent 1170881 in 1914 that became the cause of a contentious lawsuit with Armstrong, whose patent for the regenerative circuit had been issued in 1914. The lawsuit lasted until 1934, winding its way through the appeals process and ending up at the Supreme Court. Armstrong won the first case, lost the second, stalemated at the third, and then lost the final round at the Supreme Court. At the time the regenerative receiver was introduced, vacuum tubes were expensive and consumed much power, with the added expense and encumbrance of heavy batteries. So this design, getting most gain out of one tube, filled the needs of the growing radio community and immediately thrived. Although the superheterodyne receiver is the most common receiver in use today, the regenerative radio made the most out of very few parts. In World War II the regenerative circuit was used in some military equipment. An example is the German field radio "Torn. E. b". Regenerative receivers needed far fewer tubes and less power consumption for nearly equivalent performance. A related circuit, the superregenerative detector, found several highly important military uses in World War II in Friend or Foe identification equipment and in the top secret proximity fuze. An example here is the miniature RK61 thyratron marketed in 1938, which was designed specifically to operate like a vacuum triode below its ignition voltage, allowing it to amplify analog signals as a self quenching superregenerative detector in radio control receivers, and was the major technical development which led to the wartime development of radio controlled weapons and the parallel development of radio controlled modelling as a hobby. In the 1930s, the superheterodyne design began to gradually supplant the regenerative receiver, as tubes became far less expensive. In Germany the design was still used in the millions of mass produced German "peoples receivers" (Volksempfänger) and "German small receivers" (DKE, Deutscher Kleinempfänger). Even after WWII, the regenerative design was still present in early after war German minimal designs along the lines of the "peoples receivers" and "small receivers", dictated by lack of materials. Frequently German military tubes like the "RV12P2000" were employed in such designs. There were even superheterodyne designs, which used the regenerative receiver as a combined IF and demodulator with fixed regeneration. The superregenerative design was also present in early FM broadcast receivers around 1950. Later it was almost completely phased out of mass production, remaining only in hobby kits, and some special applications, like gate openers.

Сверхрегенеративный приемник

Суперрегенеративный приемник использует вторую низкочастотную генерацию (в пределах той же ступени или с использованием второй генераторной ступени) для обеспечения усиления в одном каскаде порядка одного миллиона. Эта вторая генерация периодически прерывает или "гасит" основную ВЧ-генерацию. Типичные частоты гашения ультразвукового диапазона составляют от 30 до 100 кГц. После каждого гашения ВЧ-генерация экспоненциально нарастает, начиная с незначительной энергии, уловленной антенной, и шума схемы. Амплитуда, достигнутая 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 звуковом усилителе отфильтровывает частоты гашения и ВЧ-излучения из выходного сигнала, оставляя АМ-модуляцию. Это обеспечивает простую, но очень эффективную автоматическую регулировку усиления (АРУ).

Преимущества и применения

Суперрегенеративные детекторы хорошо работают для AM и могут также использоваться для широкополосных сигналов, таких как FM, где они выполняют "детектирование по склону". Регенеративные детекторы хорошо подходят для узкополосных сигналов, особенно для CW и SSB, которым требуется гетеродинный осциллятор или BFO. Суперрегенеративный детектор не имеет работоспособного гетеродинного осциллятора – хотя суперрегенератор всегда самовозбуждается, поэтому сигналы CW (код Морзе) и SSB (однополосная модуляция) не могут быть приняты корректно. Суперрегенерация наиболее эффективна на частотах выше 27 МГц и для сигналов, где требуется широкий диапазон настройки. Суперрегенератор использует значительно меньше компонентов при почти такой же чувствительности, как и более сложные схемы. Легко построить суперрегенеративные приемники, работающие на уровне мощности в микроватты в диапазоне от 30 до 6000 МГц. Это избавляет оператора от необходимости вручную регулировать уровень регенерации непосредственно перед началом колебаний – схема автоматически периодически выводится из состояния колебаний, но с тем недостатком, что небольшие помехи могут создавать проблемы для других устройств. Они идеально подходят для дистанционного зондирования или приложений, где важен длительный срок службы батареи. На протяжении многих лет суперрегенеративные схемы использовались в коммерческих продуктах, таких как открыватели ворот, радар-детекторы, радиоканалы передачи данных мощностью в микроватты и очень дешевые рации. Поскольку суперрегенеративные детекторы, как правило, принимают самый сильный сигнал и игнорируют другие сигналы в близлежащем спектре, суперрегенератор лучше всего работает в диапазонах, относительно свободных от мешающих сигналов. Согласно теореме Найквиста, частота его подавления должна быть не менее чем в два раза больше полосы пропускания сигнала. Однако подавление с использованием гармоник действует как гетеродинный приемник, смешивая дополнительные нежелательные сигналы из этих диапазонов с рабочей частотой. Таким образом, общая полоса пропускания суперрегенератора не может быть меньше, чем в четыре раза больше частоты подавления, при условии, что подавляющий осциллятор генерирует идеальную синусоиду.

Патенты

1 9 4 0.