Простые приёмники АМ сигналов

Принципы регенерации

Это случилось всего через год после изобретения Мейсснером первого лампового LC генератора (генератора с колебательным контуром). Его схема в современных обозначениях показана на рис. 5.1.

Поскольку схемы генераторов и регенераторов практически совпадают, рассмотрим ее подробнее. Колебания с контура L2C2 через конденсатор С3 подаются на сетку лампы и управляют анодным током: положительная полуволна увеличивает его, отрицательная уменьшает. Увеличение тока сопровождается падением потенциала анода, поэтому катушка связи L1 включена инверсно по отношению к контурной (начала обмоток обозначены точками). Обратная связь получается положительной и приводит к возрастанию амплитуды колебаний в контуре. Иными словами, усиленные колебания из анодной цепи лампы снова поступают в контур, синфазно с его собственными колебаниями.

Автогенератор Мейсснера

В режиме автогенерации должны вы подняться два условия: баланс фаз и баланс амплитуд. Первое состоит в том, чтобы колебания к контуру из цепи обратной связи подводились в одинаковой фазе с его собственными. При этом полный набег фазы по петле обратной связи должен быть равен 0° или 360°. Действительно, усилительный каскад инвертирует сигнал, изменяя фазу на 180°, а катушки еще раз инвертируют его. Баланс амплитуд состоит в том, чтобы энергия, подводимая к контуру по цепи ОС, была как раз достаточна для покрытия собственных потерь контура. Если она будет меньше, колебания затухнут, если больше - их амплитуда будет нарастать. Но не до бесконечности же! Обязательно сработает какой-либо фактор, ограничивающий усиление, например заход усилительного элемента (лампы, транзистора) в режим насыщения на пиках колебаний.

Это не лучший способ; гораздо «мягче» стабилизирует амплитуду цепочка R1C3 - «гридлик», или «утечка сетки», предложенная Роундом в том же 1913 г. Действует она так: положительные полуволны колебаний вызывают не только увеличение анодного, но и появление сеточного тока, который, проходя через резистор R1, заряжает отрицательно сетку и правую по схеме обкладку конденсатора С3. В результате на сетке появляется отрицательное смещение, почти в точности равное амплитуде колебаний, уменьшающее и анодный ток, и коэффициент усиления лампы. Соответственно уменьшается и энергия, возвращаемая цепью ПОС в контур, и амплитуда стабилизируется на некотором уровне. Величину ОС можно регулировать, сдвигая и раздвигая катушки L1 и L2. Именно так делали в первых регенераторах.

Чтобы превратить генератор Мейсснера-Роунда в регенератор, нужно очень немного: подключить антенну и заземление к третьей катушке и связать ее индуктивно с L1 и L2. Телефоны надо включить последовательно с источником питания, ведь отрицательное смещение на сетке изменяется в такт с амплитудой сигнала в контуре, а он создается принимаемым AM сигналом. Вместе со смещением меняется и анодный ток лампы - происходит сеточное детектирование. Разумеется, обратная связь устанавливается ниже порога генерации: она только увеличивает добротность контура, а следовательно и амплитуду сигнала в нем. Чем ближе мы подходим к порогу генерации, тем больше усиление, а значит, и больше чувствительность.

Генератор по схеме индукивной трехточки

Вскоре появились более простые схемы генераторов, не требующие отдельной катушки обратной связи. Это индуктивная трехточка Хартли и емкостная трехточка Колпитца. В них для создания ПОС сделан отвод от контура, от индуктивной или емкостной его ветви. На рис. 5.2 показан генератор, выполненный по схеме Хартли на современном полевом транзисторе с изолированным затвором, по принципу действия очень похожим на трехэлектродную радиолампу - триод. Проводимость канала полевого транзистора управляется напряжением на затворе; положительное напряжение увеличивает ток транзистора, отрицательное - уменьшает. Ток изолированного затвора в любом случае отсутствует, это и заставило дополнить гридлик R1C2 диодом VD1, детектирующим поступающие на затвор колебания и создающим отрицательное смещение. Для полевого транзистора с р-n переходом (КП303, например) диод можно не устанавливать.

Колебания на затвор подаются со всего контура L1C1: благодаря высокому входному сопротивлению транзистора контур почти не шунтируется. Обратная связь создается подключением истока к части витков (от 1/10 до 1/3) контурной катушки. По сути дела, транзистор в этом генераторе работает истоковым повторителем, и фаза колебаний на истоке совпадает с фазой колебаний на затворе, что и обеспечивает баланс фаз. Коэффициент передачи каскада по напряжению меньше единицы, но катушка по отношению к истоку включена как повышающий автотрансформатор. В результате полный коэффициент передачи напряжения по петле ОС получается больше единицы и обеспечивается баланс амплитуд.

При использовании этого устройства в качестве регенератора регулировать обратную связь перемещением отвода катушки, разумеется, неудобно, но есть еще два способа. Первый - изменять напряжение питания. При этом изменяется коэффициент передачи повторителя, а следовательно, и глубина ПОС. Другой способ - включить между истоком и отводом катушки переменный резистор. Подход к порогу генерации в этом случае можно сделать очень плавным, но работа транзистора в качестве детектора становится неэффективной, поскольку транзистор получает на затворе постоянное отрицательное смещение относительно истока и хуже отслеживает изменения амплитуды. Последний способ широко используют в умножителях добротности, или Q-умножителях.

Генератор по схеме емкостной трехточки

В заключение рассмотрим две схемы емкостных трехточек на биполярных транзисторах. Генератор по схеме на рис. 5.3 отличается повышенной стабильностью частоты, поскольку связь транзистора VT1 с контуром выбрана минимально возможной. Контур образован катушкой L1 и последовательно включенными конденсаторами C1, С2 и С3, причем емкость двух последних должна быть намного больше емкости С1. В результате емкость переходов база-эмиттер и эмиттер-коллектор меньше сказывается на частоте настройки контура.

Для ослабления влияния нагрузки служит «буферный» каскад - эмиттерный повторитель на транзисторе VT2. Той же цели служит и резистор R4. Это устройство прекрасно работает генератором, а регенератором хуже, поскольку и плавность подхода к точке самовозбуждения, и возможность детектирования сигнала затруднены жесткой стабилизацией режима транзистора. Тем не менее устройство применяется как Q-умножитель.

Распространенная схема емкостной трехточки

Самая распространенная в радиовещательных приемниках схема генератора на биполярном транзисторе показана на рис. 5.4. Это тоже емкостная трехточка, но транзистор включен по схеме ОБ (его база «заземлена» по высокой частоте конденсатором С2), поэтому генератор может работать на весьма высоких частотах, практически достигающих предельной частоты самого транзистора. Контур L1C3 полностью включен в коллекторную цепь, поскольку выходное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОБ, высокое. ПОС подается на эмиттер транзистора через емкостной делитель С4С5. Режим транзистора по постоянному току стабилизирован делителем в цепи базы R1R2 и эмиттерным резистором R3. Регенератором такое устройство работает совсем плохо, поскольку подход «жесткий», колебания нарастают скачком, а срываются при меньшей величине ОС, чем возникают. Зато это способствует возникновению прерывистых колебаний, когда генерация происходит «вспышками», повторяющимися с частотой в несколько десятков килогерц. Такой режим используют в сверхрегенераторах, обладающих очень высокой чувствительностью и часто используемых в простейших устройствах УКВ диапазона, например в приемниках радиоуправляемых моделей.

Посмотрим теперь, как изменяются резонансные кривые колебательного контура при регенерации, и поможет в этом уже испытанный метод эквивалентных схем. На рис. 5.5а показана эквивалентная схема контура с индуктивностью L, емкостью С, источником внешней ЭДС ε, сопротивлением потерь rп, и некоторым сопротивлением rос, вносимым цепью ПОС. Последнее не расходует энергию, а напротив, пополняет энергию колебаний, причем без сдвига фазы, поэтому его следует считать активным и отрицательным. При отсутствии ОС rос = 0 и добротность контура Q = ρ / rп (напомним, что ρ - характеристическое сопротивление контура, обозначающее равные на резонансной частоте индуктивное сопротивление катушки и емкостное сопротивление конденсатора).

Полоса пропускания контура определяется его добротностью: 2Δf = f0 / Q. Нижняя кривая на рис. 5.56 соответствует полосе нерегенерированного контура 2Δf0. По мере введения ОС добротность растет: Q = ρ / (rп - rос), а полоса пропускания сужается (средняя кривая). Когда сопротивления становятся равными, потери контура полностью компенсируются, знаменатель последней формулы стремится к нулю, добротность - к бесконечности, что и соответствует началу генерации (верхняя кривая).

Амплитуда колебаний в контуре U пропорциональна добротности: U = εQ, поэтому увеличение амплитуды (усиление) за счет регенерации равно Q / Q0. Часто его называют коэффициентом регенерации М = Q / Q0 = rп / (rп - rос). Одновременно в М раз возрастает резонансное сопротивление контура R = ρQ. Интересен часто совершенно не учитываемый вопрос связи регенератора с антенной. Если катушка регенератора является магнитной антенной, все просто: напряжение на контуре при регенерации возрастает в М раз. Сложнее с проволочной электрической антенной. Удобнее всего рассмотреть пример емкостной связи, когда антенна подсоединена к контуру любого из устройств (рис. 5 1 - 5.4) через малую емкость.

Антенна (она короче λ/4) сама обладает некоторой емкостью и сопротивлением rА, как показано на эквивалентной схеме на рис. 5.5в. Емкость связи обычно меньше емкости антенны, поэтому ХА < Хсв, и ХА можно не учитывать или просто прибавить к емкостному сопротивлению конденсатора связи. Для компенсации емкости связи контур регенератора должен быть немного расстроен в сторону повышения частоты и обладать некоторым индуктивным сопротивлением, что на эквивалентной схеме отражено включением катушки L. Условие согласования при емкостной связи, как мы уже видели в разделе о детекторных приемниках, записывается так: Хсв2 = RrA. При возрастании R по мере увеличения ОС должно возрастать Хсв, а емкость связи уменьшаться! То же относится и к индуктивной связи с антенной - при увеличении регенерации ее надо ослаблять.

Таким образом, хороший регенератор должен иметь как минимум три органа управления: настройки, обратной связи и связи с антенной. Видим, что настройка регенератора - это искусство! Произвести одновременно три взаимозависимые регулировки и оптимизировать их - задача для рядового радиослушателя (не радиолюбителя) почти непосильная, и это одна из причин, по которой регенераторы были вытеснены более простыми в управлении приемниками. Еще два требования к хорошему регенератору: подход к точке генерации должен быть очень плавным, от этого зависит возможность получения больших значений М, а частота настройки не должна зависеть от регулировки обратной связи. Последнее будет только в том случае, если фаза колебаний, поступающих по цепи ОС обратно в контур, будет оставаться неизменной. Любой набег фазы в цепи ОС компенсируется контуром, фазовая характеристика которого показан на рис. 5.5б штриховой линией, а это приводит к расстройке контура.

Читать дальше - СВ регенератор с индуктивной ОС