Ricevitore rigenerativo: il più semplice tra i ricevitori radio

I circuiti rigenerativi sono stati usati nei ricevitori sia commerciali che amatoriali dal 1920 fino al 1930. Ma, con l'avvento del ricevitore a supereterodina i ricevitori rigenerativi sono stati velocemente abbandonati. Tuttavia, un ricevitore rigenerativo offre alcuni vantaggi, primo fra tutti una notevole semplicità implementativa dovuta al limitato numero di componenti. In questo articolo, andremo a scoprire il funzionamento di questo ricevitore e una sua implementazione di base.

Introduzione

Nel 1914 Edwin Howard Armstrong svolgendo alcuni test empirici ottenne improvvisamente una notevole amplificazione. Aveva appena scoperto il fenomeno del feedback positivo: applicando parte del segnale in uscita all'ingresso di un amplificatore, l'amplificazione totale veniva notevolmente aumentata.

Un circuito rigenerativo è una rete in cui è presente un feedback positivo chiamato anche rigenerazione che può essere usato per incrementare marcatamente la sensitivity e la selettività dei circuiti a RF. Per sensitivity si intende la potenza minima di segnale che un ricevitore è in grado di rilevare. La selettività, invece, è una misura delle prestazioni di un ricevitore radio nel rispondere solo al segnale radio su cui è sintonizzato e rigettare altri segnali nelle frequenze vicine.

Sebbene un circuito rigenerativo possa sembrare semplice, il suo funzionamento non lo è. Quando l'uscita di un amplificatore RF viene riportata indietro al suo ingresso, se in fase, qualsiasi segnale presente nel loop sarà amplificato più e più volte fornendo un incremento del guadagno pari a mille rispetto allo stesso stadio senza rigenerazione. Sebbene il guadagno di potenza di un transistor sia fissato, il guadagno di tensione, idealmente, approccia l'infinito nel punto di oscillazione. Nella pratica, ciò è irrealizzabile poiché ingresso e uscita non saranno mai perfettamente in fase. Comunque, un moderno JFET inserito in un circuito rigenerativo può ottenere un guadagno di 20000 o più.

La rigenerazione introduce una resistenza negativa nel circuito così la resistenza complessiva della rete è ridotta. Ciò porta all'aumento della selettività. Infatti, il fattore di merito Q, che misura la selettività del circuito, è dato dal rapporto tra la reattanza e la resistenza complessiva del circuito. Se la resistenza complessiva scende, allora Q aumenta e quindi migliora la selettività.

La Tabella 1 evidenzia alcuni dei vantaggi e degli svantaggi di un ricevitore rigenerativo.

Tabella 1: I principali vantaggi e svantaggi di un ricevitore rigenerativo
Vantaggi	Svantaggi
Fornisce alte prestazioni con pochi componenti	Richiede maggiore abilità da parte dell'operatore rispetto ad altri tipi di ricevitore
Alti livelli di guadagno grazie alla rigenerazione	Quando si trova in oscillazione o vicino ad essa, è possibile che vengano irradiate interferenze, soprattutto se non è presente un preamplificatore RF per isolare il rilevatore rigenerativo dall'antenna
Elevata selettività grazie alla rigenerazione

La rigenerazione

Il guadagno di qualsiasi dispositivo di amplificazione può essere aumentato reimmettendo parte dell'energia dalla sua uscita al suo ingresso in fase con il segnale di ingresso originale. Questo fenomeno prende il nome di feedback positivo o rigenerazione. Esistono molti modi per realizzare un feedback positivo. Tuttavia, il modo più comune è quello di avere una bobina di pickup chiamata tickler. In Figura 1 viene riportata un'illustrazione della bobina tickler con accanto il suo simbolo elettrico. In sostanza, la spira con terminali AB si accoppia con la spira con terminali CD, permettendo al segnale di entrare dai terminali AB ed uscire da quelli CD o viceversa.

Figura 1: Raffigurazione di una bobina tickler e del suo simbolo elettrico

L'oscillatore di Armstrong è un circuito elettronico oscillatore che utilizza un induttore (L1) e un condensatore (C) per generare l'oscillazione. La sua caratteristica distintiva è la presenza di una bobina tickler nel circuito di uscita che permette al segnale di feedback, necessario per produrre le oscillazioni, di accoppiarsi con l'induttore (L1) del circuito di sintonizzazione.

Supponendo che l'accoppiamento sia debole ma sufficiente a sostenere l'oscillazione, la frequenza di oscillazione f₀ è determinata principalmente dal circuito L1 C ed è approssimativamente data da:

f₀ = 1 / [2π √(L1 C)]

Un circuito rigenerativo può fornire audio di alta qualità, grazie al pieno controllo della selettività del circuito che consente una ricezione decente del segnale. Il circuito rigenerativo performa in maniera differente a seconda che operi al di sotto o al di sopra della soglia di oscillazione.

Criterio di Barkhausen

Un circuito oscillatore in retroazione è costituito da due parti collegate in un circuito ad anello chiuso: un amplificatore A e un filtro β(jω).

Lo scopo del filtro è limitare le frequenze che possono passare attraverso il circuito in modo che il circuito oscilli solo alla frequenza desiderata. Poiché i componenti reali dissipano energia, l'ampiezza del segnale diminuisce nel passaggio attraverso il filtro. L'amplificatore è necessario per aumentare l'ampiezza del segnale e compensare l'energia dissipata.

Per determinare la frequenza di oscillazione, occorre interrompere il circuito di feedback come in Figura 2 ottenendo un circuito ad anello aperto con una porta di ingresso e una di uscita.

Figura 2: Oscillatore ad anello chiuso e il suo equivalente ad anello aperto

Un'onda sinusoidale viene quindi applicata all'ingresso del circuito ad anello aperto v_i = V_i e^jωte in uscita avremo v_o = V_o e^{j( ω t + ϕ )}.

Essendo che v_o = Av_f e v_f = β(jω)v_i avremo quindi che v_o = Aβ(jω)v_i.

Poiché nel circuito ad anello chiuso, affinché esistano oscillazioni, v_o è collegato a v_iallora avremo che v_o = v_i.

Il rapporto tra output e input, v_o/v_i = A β(jω), è chiamato guadagno ad anello aperto.

Quindi, la condizione per l'oscillazione è che il guadagno ad anello aperto sia unitario A β(jω) = 1.

Poiché A β(jω) è un numero complesso, esso sarà caratterizzato da modulo e fase. La condizione di oscillazione consisterà, in realtà, di due condizioni:

[...]

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