[IL PROGETTO] - Teoria e pratica del VFO
Andrea I0ADY
Teoria e pratica del VFO
Il ricevitore a conversione diretta è composto essenzialmente di
pochi sottosistemi principali ed un po' di circuiteria di contorno
- beninteso, tutto è importante in un sistema così semplice, ma la
qualità complessiva del ricevitore si gioca essenzialmente sul
mixer, sul VFO e sul filtro di banda.
Il compito del VFO è quello di fornire il segnale locale di
conversione che, mescolato nel mixer al segnale entrante,
restituisce in uscita la banda base che viene filtrata e
amplificata ad un livello sufficiente ad un ascolto confortevole.
È facile quindi intuire come tutti gli eventuali difetti del VFO
si rispecchino immediatamente sul comportamento globale del
sistema: in particolare, la sua stabilità determina la stabilità
complessiva del ricevitore, mentre dalla qualità del segnale
locale di conversione dipende in buona misura la pulizia della
ricezione.
Si comprende quindi facilmente perché nella realizzazione di un
ricevitore di questo tipo sia necessario prestare particolare cura
all'oscillatore, e comprenderne a fondo le caratteristiche di
funzionamento ed i possibili difetti, cosa che cercheremo appunto
di fare qui. Poiché, senza nulla togliere agli esperti, questo
progetto è dedicato soprattutto ai "Pierini" che non vogliano
restare tali troppo a lungo, cercheremo come sempre di illustrare
i fenomeni fondamentali in maniera semplice ma accurata, a partire
dal livello che dovrebbe avere acquisito un neopatentato,
preparando l'esame di radioamatore.
** Caratteristiche generali **
Le caratteristiche fondamentali di qualsiasi VFO,
indipendentemente da come sia realizzato, sono la stabilità, la
purezza spettrale ed il livello d'uscita: vediamole una per una.
La stabilità è la proprietà di mantenere costante la frequenza di
uscita impostata, indipendentemente da cosa succeda nel resto del
mondo: per tutta una serie di motivi che vedremo tra poco,
qualsiasi VFO tende a modificare la propria frequenza di uscita
nel tempo ed al variare delle condizioni ambientali, specialmente
della temperatura; la misura di questa tendenza ad "andare a
spasso", come si dice di solito in gergo, viene data fornendo due
dati diversi e complementari tra loro:
- la deriva nei primi minuti di funzionamento (di solito trenta o
sessanta), causata principalmente dal fatto che l'oscillatore si
porta in regime di equilibrio termico con l'ambiente, raggiungendo
una temperatura di lavoro più o meno costante;
- la deriva a regime, decisamente più modesta della precedente,
causata principalmente dal fatto che comunque l'equilibrio termico
è dinamico, e caratterizzata da variazioni lente e più o meno
cicliche.
Per gli oscillatori campione di altissima precisione, che sono
destinati a restare accesi per periodi lunghissimi (mesi o anni!),
viene poi presa in considerazione anche la piccolissima deriva
causata dai fenomeni di invecchiamento dei componenti, ma questo è
un argomento che non ci riguarda...
In entrambi i casi, la stabilità è espressa dalla misura della
deriva, data in Hz/ora. Per molti apparati, viene caratterizzata
solo la deriva a regime, il che in pratica equivale a supporre che
l'apparato venga lasciato acceso a scaldarsi per un dato periodo
(di solito mezz'ora o un'ora) prima di usarlo - o, quanto meno,
prima di effettuare la misura!
Le cause della deriva di frequenza sono numerose, ma la principale
è senz'altro la deriva termica dei componenti, ossia la proprietà
intrinseca di questi di alterare le proprie caratteristiche
secondo la temperatura alla quale si trovano, cosa che accade in
maniera diversa per ciascun componente.
- I resistori variano la propria resistenza in funzione della
temperatura in misura piuttosto significativa, ed in maniera
diversa a seconda della tecnologia con la quale sono costruiti: i
resistori a filo ed a strato metallico, che sono i migliori e più
stabili, aumentano la propria resistenza in ragione dello 0,4% per
ogni grado di variazione della temperatura, mente nel caso dei
resistori a strato di carbone, o peggio ancora ad impasto
("composizione") la variazione può essere notevolmente più ampia.
Anche se di solito i resistori non si trovano sul percorso del
segnale, queste variazioni comportano comunque uno spostamento
della polarizzazione e quindi delle caratteristiche di
funzionamento del componente attivo.
- Per gli induttori, l'aumento di temperatura comporta una
dilatazione dell'avvolgimento, che di norma causa un piccolo
aumento dell'induttanza; nel caso di induttori con nucleo, però,
va preso in considerazione anche l'effetto della temperatura sulla
relativa permeabilità, che normalmente diminuisce all'aumentare
della temperatura (ma attenzione: bisogna sempre verificare le
caratteristiche del nucleo che si utilizza!). In ogni caso,
l'aumento della temperatura comporta anche un aumento delle
perdite sia nel filo che nel nucleo, la cui conseguenza più
immediata è una diminuzione del Q dell'induttore, con conseguente
degrado sia della stabilità che della purezza spettrale.
- Anche i condensatori risentono della temperatura in maniere
diverse: le armature metalliche si dilatano riscaldandosi, e
questo può causare un aumento della capacità; ma nel contempo, la
maggior parte dei dielettrici diminuisce la propria permittività
all'aumentare della temperatura, ragion per cui, a conti fatti, la
maggior parte dei condensatori scaldandosi diminuisce di capacità.
Negli oscillatori, come del resto anche in alcune altre
applicazioni, è necessario quindi sapere in quale misura la
variazione di temperatura influenzi la capacità, ragion per cui i
condensatori per alta frequenza sono caratterizzati da un
coefficiente di temperatura, che esprime di quante parti per
milione (ppm) varia la capacità per ogni grado di variazione di
temperatura. Questo coefficiente, per le ragioni sopra illustrate,
normalmente è negativo, ma vengono appositamente prodotti
condensatori con coefficiente di temperatura positivo, spesso
utilizzati per compensare le derive di tutti gli altri componenti;
inoltre esistono condensatori con coefficiente di temperatura
nullo detti "NP0" (dove lo "0" è appunto uno zero), praticamente
insensibili alla temperatura ma, attenzione!, molti principianti
credono che sia sufficiente infarcire un oscillatore di
condensatori NP0 per renderlo stabile - nulla di più falso! Se
tutti i condensatori sono stabili, restano pur sempre le derive
degli altri componenti, che vanno invece accuratamente compensate
con una combinazione di condensatori a coefficiente positivo e
negativo tali da annullare il coefficiente di temperatura
complessivo del circuito; in pratica, i condensatori "titolati"
più facili da reperire sono quelli a coefficiente N750 (la
capacità diminuisce del -0,075% /°C) e P150 (la capacità aumenta
del +0,015% /°C). Per ottenere la variazione di capacità
esattamente tale da compensare la deriva complessiva del resto del
circuito, si realizzano combinazioni in serie e parallelo di
condensatori con coefficienti termici diversi, negativi positivi e
nulli, di capacità tali da fornire complessivamente la capacità
nominale desiderata. Per un perfetto azzeramento della deriva,
talvolta si usa anche aggiungere un condensatore variabile
differenziale, ai cui capi sono collegati un condensatore con
coefficiente di temperatura positivo ed uno con coefficiente
negativo, in modo che, regolando la capacità variabile, si riesce
ad ottenere una capacità con qualsiasi coefficiente di temperatura
intermedio tra quelli delle due fisse; la posizione del variabile
va quindi cercata sperimentalmente fino a trovare il punto in cui
la deriva è praticamente nulla, a quel punto si blocca tutto e non
si tocca più!
- I componenti attivi (BJT, FET, MOSFET), come tutti i
semiconduttori, sono sempre molto sensibili alle variazioni di
temperatura, che ne fanno cambiare non solo le caratteristiche
statiche (causando deriva del punto di lavoro) ma anche quelle
dinamiche, in particolare il guadagno e le impedenze viste ai vari
terminali; questi effetti sono spesso di notevole entità, tanto
che a volte risultano preponderanti su quelli del resto del
circuito, e vanno compensati sperimentalmente, scegliendo con una
certa attenzione i coefficienti di temperatura degli altri
componenti, specialmente dei condensatori che offrono le reattanze
più controllabili ed affidabili tra i componenti passivi.
È opportuno osservare che il riscaldamento dei componenti può
avvenire sia per cause esterne, vale a dire seguendo la
temperatura ambientale che cresce a causa della dissipazione degli
altri componenti, sia a causa del riscaldamento interno, vale a
dire della dissipazione termica causata dalle correnti, sia
continue che a radiofrequenza, che lo percorrono durante il
funzionamento del circuito. Per controllare e minimizzare la
deriva termica quindi è necessario prima di tutto limitare
drasticamente sia le dissipazioni a riposo che la potenza dei
segnali in gioco nel circuito - insomma, un buon VFO non potrà mai
fornire in uscita più di uno spiffero di segnale! A questo
proposito, è bene osservare anche che il livello d'uscita dovrebbe
restare il più possibile costante nel tempo, altrimenti varia la
dissipazione, e con essa la deriva, rendendo così assai difficile
la compensazione termica dell'oscillatore. In secondo luogo, ogni
componente dovrà essere percorso dalla corrente più bassa
possibile, cosa che spesso viene ottenuta ricorrendo a vari
trucchi, come ad esempio suddividere la capacità di accordo
realizzandola come composizione di più condensatori in parallelo
anziché come componente singolo. Un'altra importante precauzione
per minimizzare la deriva termica consiste nel racchiudere il VFO
in una scatola termicamente isolata, in modo che la sua
temperatura raggiunga un livello di equilibrio relativamente
indipendente dalla temperatura ambientale; l'isolamento termico
aumenta la costante di tempo termica del sistema, attenuando le
variazioni veloci della temperatura ambientale - ma, alla lunga,
si raggiunge comunque un equilibro nel quale la temperatura
interna è tanto più stabile, e tanto superiore a quella esterna,
quanto maggiore è la resistenza termica dell'isolamento. Negli
oscillatori più raffinati, la scatola comprende anche un sistema
termostatico che agisce attivamente nel raggiungimento e nella
conservazione di una temperatura costante, ma le cose ovviamente
si complicano un po' e bisogna vedere quando ne valga la pena e
quando no.
Un altro motivo importante di deriva di frequenza sono le
variazioni della tensione di alimentazione, che causano uno
spostamento del punto di riposo e quindi una variazione delle
impedenze interne del componente attivo; questa causa per fortuna
è facile da rimuovere, dato che basta usare una tensione di
alimentazione ben stabilizzata! Poiché il VFO è sempre inserito
nel contesto di un apparato il cui assorbimento di corrente è
variabile nel tempo (ad esempio, basta regolare il volume di
ascolto e subito cambia l'assorbimento), non ci si deve mai fidare
del fatto che l'alimentazione generale sia stabilizzata, è sempre
necessario che il VFO abbia uno stabilizzatore dedicato solo a se
stesso ed al suo primo buffer... Sento urlare dal fondo: "alt,
fermo lì! Cos'è 'sto buffer?". E allora, eccoci ad un'ulteriore
causa di variazione di frequenza del VFO: le variazioni del
carico. Quando il carico applicato al VFO cambia, il che accade ad
esempio quando si sposta la polarizzazione del transistor (o
qualsiasi altro dispositivo) che ne preleva il segnale, cambiano
le correnti nell'oscillatore, cambiano le impedenze del circuito e
così la frequenza di oscillazione subisce una variazione
esattamente tale da compensare l'effetto delle variazioni del
carico. Per evitare questo effetto, chiaramente nocivo, si usa
separare il VFO dal suo carico interponendo uno stadio
amplificatore (spesso di guadagno unitario), detto appunto buffer,
il cui unico scopo è offrire all'oscillatore un carico
assolutamente costante. Una cosa importante da ricordare è che lo
stabilizzatore dedicato al VFO, che può essere ad esempio un
comune regolatore tipo 78L05 o simili, deve essere ben bypassato
per eliminare il rumore ed i disturbi eventualmente presenti (ma
non dimentichiamo che alcuni regolatori possono autoscillare
quando le capacità viste assumano valori in certi intervalli, per
cui è necessario consultare il datasheet per decidere quali siano
i valori più opportuni); inoltre, molti regolatori sono poco
stabili se la corrente assorbita è troppo piccola: in questi casi,
una resistenza può fornire quel piccolo assorbimento supplementare
sufficiente a garantire una regolazione ottimale, naturalmente con
la precauzione di sistemarla in modo da dissipare il suo calore
senza scaldare il VFO.
Infine, un'ennesima causa di variazione della frequenza di
oscillazione è rappresentata dalle perturbazioni esterne: se ad
esempio avviciniamo la mano, o comunque un qualsiasi oggetto,
all'oscillatore, la sua frequenza di oscillazione si sposta, in
misura maggiore quanto più l'oggetto perturbante si avvicina e
comunque in misura diversa a seconda della natura dell'oggetto.
Per capire questo fenomeno, che tradizionalmente è noto come
"effetto mano", è necessario fare un piccolo salto in avanti,
direi quasi che bisogna sbirciare "in un mondo più vasto"... La
maggior parte dei principianti (ed anche parecchi amatori che
principianti non sono più) tende a credere che in un circuito i
segnali stiano tutti dentro ai componenti ed al circuito stesso -
be', questo non è affatto vero! La realtà è che a noi fa molto
comodo pensare in questi termini (in gergo, diciamo "a costanti
concentrate"), perché ci rende molto più semplice la vita, ma
correnti e tensioni sono solo rappresentazioni di campi elettrici
e magnetici, e questi ultimi non se ne stanno certamente confinati
dentro all'induttore od al condensatore... quando avviciniamo la
mano al circuito, introduciamo un dielettrico supplementare, e per
di più ad alte perdite, causando una piccola variazione di tutte
le impedenze del circuito ed un conseguente spostamento di
frequenza che è tutt'altro che trascurabile, specialmente se
l'elemento di controllo della frequenza è un condensatore
variabile, come di norma accade nei VFO migliori. La cura di
questo fenomeno è relativamente semplice: una perfetta schermatura
del VFO riesce a confinare ragionevolmente i campi in una scatola
nella quale non entra e dalla quale non esce nulla. Naturalmente,
perché questa condizione sia vera, è necessario che nulla che
entra od esca dalla scatola porti segnali, ad eccezione ovviamente
del singolo cavetto schermato che porta fuori il segnale
bufferizzato; perciò tutti i conduttori di alimentazione e di
controllo devono essere ottimamente bypassati, compito molto
facilitato dall'esistenza dei condensatori passanti, cilindretti
di ceramica con un'armatura metallica esterna dotata di una
piccola flangia che si salda alla scatola (che ovviamente deve
essere elettricamente a massa) ed un'armatura interna costituita
da un filo con anelli per la saldatura da entrambi i lati del
cilindro, che si vengono così a trovare uno dentro ed uno fuori
della scatola; inoltre, nel circuito dovranno essere presenti, e
senza risparmio, dei buoni condensatori (ceramici, multistrato,
poliestere, policarbonato) di bypass, caratterizzati da bassa
resistenza e specialmente da bassa induttanza serie e, dove serve,
bisognerà inserire dei chokes che blocchino efficacemente la
strada alle componenti di alta frequenza indesiderate.
Esaurito (si fa per dire...) l'argomento stabilità, è ora di
passare a parlare un po' della purezza spettrale del VFO, ossia
della sua proprietà di fornire in uscita una ed una sola
frequenza; prima di tutto, va sgombrato il campo da un malinteso
tanto diffuso quanto sbagliato: il fatto che un oscillatore
oscilli ad una certa frequenza, non gli impedisce minimamente di
oscillare contemporaneamente ad un'altra frequenza completamente
indipendente e del tutto indesiderata... è un classico, guardare
l'uscita di un oscillatore in HF e trovargli sovrapposta una bella
sinusoidina in VHF o, peggio ancora, in UHF... zitto, là! Chi è
che ha detto "basta filtrare"? Due minuti di vergogna dietro al
monitor! No, non basta filtrare, perché la presenza di
oscillazioni incontrollate rende altrettanto incontrollato il
comportamento dell'oscillatore: ad esempio, supponiamo di voler
ridurre l'ampiezza del segnale prodotto, per controllare la deriva
termica: be', succede semplicemente che cresce l'oscillazione
indesiderata, e noi siamo punto e a capo, e spesso è difficile
capirne il perché. Inoltre si aggiunga il fatto che l'oscillazione
indesiderata si vede benissimo con un analizzatore di spettro, ma
per vari motivi non è sempre facile vederla con un oscilloscopio,
sul cui schermo si può confondere con semplice rumore, o sembrare
un alone dovuto all'eccessiva luminosità del punto... o può
semplicemente non esserci, perché ben oltre la banda passante
dello strumento!
In teoria, è facile evitare questo problema: è sufficiente che il
guadagno complessivo dell'oscillatore sia minore di uno per tutte
le frequenze diverse da quella desiderata; il punto è che il
guadagno ad ogni frequenza dipende (oltre che dal dispositivo
attivo) da tutte le impedenze in gioco e, in pratica, le reattanze
che noi vediamo sono molte meno di quelle che invece non vediamo e
comunque non avremmo modo di conoscere... perciò ricorriamo a
delle strategie pratiche, che di solito portano ad ottenere il
risultato voluto:
- ridurre al minimo possibile il guadagno dell'elemento attivo,
- usare un elemento attivo con larghezza di banda "giusta" e non
sovrabbondante, o in alternativa limitare la larghezza di banda
con astuzie quali perline di ferrite infilate qui e là (di solito,
sul gate dei mosfet...) o piccole resistenze (qualche decina o
centinaio di ohm) infilate in punti critici per "ammazzare"
eventuali autooscillazioni diverse da quella voluta; nelle
realizzazioni a FET, che sono molto comuni ed hanno sempre
larghezze di banda notevoli, è molto usata la soluzione di
utilizzare una o due perline di ferrite, di solito infilate nel
terminale di gate;
- minimizzare le reattanze sconosciute, realizzando un cablaggio
ordinato ed accurato in cui i percorsi di segnale siano i più
brevi possibile oppure, ma è più difficile, incorporare i percorsi
di segnale nel circuito, considerandoli come reattanze
distribuite;
- specialmente per frequenze molto elevate, considerare la
possibilità di un buon cablaggio in aria, che è andato fuori moda
con l'avvento dei circuiti stampati, ma per certe cose (quanto
meno nell'ambito amatoriale) è ancor oggi insuperabile... Quando
proprio sia opportuno impiegare un circuito stampato, la soluzione
migliore è sempre quella di realizzarlo con una faccia dedicata
completamente alla creazione di un piano di massa, che aiuta
moltissimo a separare i segnali ed a riferire a massa la maggior
parte delle reattanze parassite, risolvendo così un sacco di
problemi pratici.
Supponendo di esserci garantiti che l'oscillazione sia una sola,
resta da affrontare il problema del contenuto armonico
dell'oscillazione stessa: in un comune oscillatore, è sempre
necessario che il guadagno sia superiore all'unità, altrimenti
l'oscillazione non può partire; la riduzione del guadagno
all'unità avviene a causa del fatto che in qualche parte del
circuito ci si avvicina alla saturazione (od al clipping); questo
accade più spesso sulla base o sul gate, ma dipende dalla
progettazione del circuito. Notiamo per inciso che, quanto
maggiore è la saturazione raggiunta, tanto minore è la probabilità
di avere oscillazioni spurie, ma questo è un beneficio che si paga
salato, in quanto la saturazione comporta la distorsione del
segnale prodotto, e quindi la presenza di una robusta quantità di
armoniche, che ovviamente dobbiamo vedere come fumo negli occhi,
dato che possono causare un'infinità di guai. Ad esempio, se
vogliamo realizzare un ricevitore a conversione diretta sui
7090-7100 kHz (zona QRP, insomma...), ci serve un oscillatore che
produca appunto questa frequenza; considerando che la distorsione
dell'oscillatore sia dello 1%, che in se' non sarebbe poi male,
potremo ad esempio avere una seconda armonica a circa -40 dB, il
che significa convertire anche un segnale posto a 14180-14200 kHz,
sia pure con una discreta attenuazione, il che in pratica
significa sentire benissimo il fanatico del lineare da svariati
kiloWatt che, a 14185 kHz, urla a squarciagola nel suo microfono
per far vedere quanto ce l'ha grosso... il lineare, cos'avete
capito?! Il problema si può evidentemente curare con un buon
filtraggio del segnale d'uscita (che, per oscillatori seri,
metteremo in ogni caso!), ma è meglio partire bene e distorcere il
meno possibile.
Per avere un segnale ben pulito, le condizioni sono essenzialmente
le seguenti:
- il circuito deve partire dal guadagno minimo indispensabile,
così che la riduzione del guadagno all'unità si ottenga con la
minima saturazione possibile: questo significa che il segnale
d'uscita deve avere la minima potenza possibile, se necessario si
provvede poi ad amplificarlo quanto basta,
- il fattore di merito Q complessivo del circuito risonante deve
essere il più alto possibile, perché in fin dei conti è lui che
filtra le schifezze; in pratica, di solito i condensatori sono
sempre molto buoni - specialmente se si riesce a trovare quelli a
mica argentata, ma anche quelli in policarbonato ("mylar") o
ceramica a bassa epsilon sono ottimi - per cui il fattore di
merito complessivo del circuito risonante in sostanza è quello
dell'induttore, al quale va perciò dedicata grande cura. Per
inciso, si badi bene che non è affatto vero che i condensatori a
mica abbiano coefficienti di temperatura eccellenti, ce ne sono di
tutti i generi - però le loro perdite sono sempre bassissime, e
quindi, riuscendo a trovarli, vale sempre la pena di utilizzarli!
Per quanto riguarda l'induttore, la cosa migliore, potendo, è
realizzarlo "quadro" in aria, avvolgendolo e bloccandolo su un
supporto plastico idoneo (l'ideale è il teflon, che però è poco
reperibile, molto costoso e spesso ha il problema di essere troppo
morbido... per frequenze modeste, entro le HF, va bene anche il
PVC od altri supporti plastici, purché non tendano ad essere
igroscopici o trattenere l'umidità, dato che l'acqua causa sempre
perdite notevoli) e ben rigido, perché le vibrazioni causano
microscopiche variazioni dell'induttanza che si risolvono in una
modulazione di frequenza dell'oscillazione prodotta
(microfonicità). La maggior parte dei principianti tende a pensare
che questi siano solo esagerati sfruculiamenti, ma qualsiasi
esperto vi può assicurare che sono problemi reali e concreti...
Quando invece sia necessario usare un nucleo ferromagnetico, si
dovranno preferire quelli toroidali, con l'accortezza di
sceglierne un tipo a bassa perdita e con basso coefficiente di
temperatura, come ad esempio il mix #6 (giallo), o in subordine il
mix #2 (rosso), per evitare eccessive derive termiche,
- il segnale non deve trovare sul suo percorso alcun componente
non lineare, o quanto meno la non linearità deve essere ridotta al
minimo indispensabile, mediante una scelta il più possibile
"furba" delle condizioni di lavoro; per inciso, questo significa
che in un VFO di alta classe sono banditi diodi, varicap,
eccetera...
Infine, dobbiamo affrontare il problema del rumore e la sua
importanza nel quadro generale del sistema ricevente. La prima e
più ovvia considerazione è che qualsiasi rumore sia sovrapposto
all'oscillazione viene trasferito pari pari al segnale convertito,
per cui si somma al rumore d'ingresso peggiorando la qualità della
ricezione; ma questo sarebbe tutto sommato un inconveniente
relativamente da poco, in quanto il rumore di un oscillatore in
fin dei conti è abbastanza piccolo (in termini di potenza) da dare
un disturbo relativo. Il vero problema è che il rumore causa
l'allargamento spettrale del segnale prodotto, con due diversi
meccanismi:
- l'oscillazione prodotta è modulata in ampiezza dal rumore, per
cui intorno alla frequenza centrale di oscillazione avremo le due
bande laterali tipiche di qualsiasi modulazione d'ampiezza e, come
sappiamo, la larghezza di ciascuna delle bande laterali è uguale
alla larghezza del segnale modulante; il rumore ha varia origine,
ma prevalentemente viene dal rumore termico dei componenti
resistivi e dal rumore shot dei componenti attivi, per cui ha uno
spettro essenzialmente uniforme ("rumore bianco"), che viene
filtrato e ridotto intorno alla frequenza centrale dalla risonanza
del circuito;
- l'oscillazione prodotta è modulata in fase, e quindi anche in
frequenza, dalle variazioni di polarizzazione, che causano un
piccolo spostamento del punto di passaggio per l'origine
("jitter") e quindi nello spettro del segnale prodotto comparirà
anche la struttura di distribuzione a righe tipica della
modulazione di frequenza. Trattandosi di un rumore a banda molto
ampia, le righe sono talmente vicine tra loro da fondersi
praticamente in un continuo, che risulta essere assai più largo
delle bande laterali viste sopra, ma più debole, e decresce
lentamente allontanandosi dalla frequenza centrale.
All'uscita del VFO troveremo la somma delle potenze di rumore
originate da queste cause; l'effetto del rumore totale, che
complessivamente prende il nome di "phase noise" (denominazione un
po' infelice, perché non è veramente solo un rumore di fase) è che
un segnale fuori banda viene convertito dalla componente spettrale
fuori banda dell'oscillazione locale e passa per il filtro perché
ha la frequenza "giusta".
Per spiegare meglio questa faccenda, facciamo un esempio:
prendiamo un oscillatore locale a 7050 kHz, che abbia una
componente di rumore di fase pari a -40 dB (rispetto al livello
massimo, che è preso come riferimento) alla frequenza di 7060 kHz.
Se ora all'ingresso abbiamo un segnale a 7051 kHz con intensità
pari a -90 dBm, ed a 7061 kHz abbiamo un segnale interferente con
intensità pari a -50 dBm, i due segnali verranno entrambi
convertiti alla frequenza di 1 kHz, con la stessa intensità di
segnale! Per inciso, questo effetto è, insieme con
l'intermodulazione, la principale limitazione alla qualità dei
ricevitori.
In sostanza, quindi, all'uscita del convertitore, supponendo che
il filtro sia perfettamente ideale (cosa peraltro teoricamente
impossibile), avremo una larghezza di banda che non può essere
minore di quella del segnale dell'oscillatore locale. Perciò, per
realizzare un ricevitore di alte prestazioni, è necessario rendere
minimo il rumore dell'oscillatore locale e, per far questo, è
necessario realizzare alcune condizioni:
- il rumore prodotto dai dispositivi attivi deve essere mantenuto
al livello più basso possibile, scegliendo componenti con cifra di
rumore bassa e polarizzandoli nella maniera migliore possibile e
facendo produrre al circuito un segnale di livello più basso
possibile,
- come corollario della precedente condizione, la temperatura di
lavoro del circuito deve essere la più bassa possibile,
compatibilmente con le esigenze di stabilità termica,
- il segnale nel suo percorso non deve attraversare alcun
componente che gli aggiunga inutilmente rumore, come in
particolare resistenze e semiconduttori non strettamente
indispensabili,
- il Q del risonatore deve essere quanto più possibile alto, per
favorire l'effetto di filtro sul rumore che comunque non si riesce
ad eliminare,
- il segnale deve essere più grande possibile, in rapporto al
rumore, compatibilmente con la limitazione del rumore e le altre
esigenze (stabilità, purezza spettrale) del sistema.
L'ultima delle caratteristiche fondamentali dell'oscillatore è il
livello d'uscita, del quale abbiamo ormai già più volte parlato;
abbiamo visto come, per vari motivi, sia opportuno mantenerlo al
livello più basso possibile, ma abbiamo visto anche che ci sono
almeno due validi motivi per scegliere un livello più elevato, e
cioè la minore probabilità di oscillazioni spurie e l'aumento del
rapporto segnale rumore. La scelta del segnale d'uscita dovrà
essere fatta in base a tutte le considerazioni esposte, adottando
un compromesso che risulti complessivamente soddisfacente - questo
significa che, secondo le prestazioni che si vogliono ottenere, la
scelta potrà essere diversa caso per caso.
Un errore piuttosto frequente, che invece non si deve commettere,
è quello di pianificare il livello di segnale prodotto in base
alle esigenze di pilotaggio del mixer - prima si ottiene il
segnale pulito, come serve, poi, se necessario, lo si amplifica!
Tra l'altro, molti mixer, specialmente quelli ad anello di diodi,
richiedono un generatore locale con caratteristiche ben
determinate dal punto di vista dell'impedenza equivalente di
pilotaggio: un sistema molto usato per garantirsi il valore
corretto dell'impedenza d'uscita consiste nell'amplificare un po'
di più del necessario e interporre tra l'uscita e l'utilizzatore
un attenuatore resistivo (spesso intorno ai -6 dB) che offre in
una certa misura l'isolamento tra il carico ed il generatore,
riducendo significativamente il coefficiente di riflessione;
osserviamo che il contributo di rumore di questo attenuatore è
praticamente irrilevante, dato che opera su un segnale di ampiezza
notevole. Poiché l'ampiezza del segnale convertito è proporzionale
all'ampiezza del segnale dell'oscillatore locale, è necessario che
quest'ultima sia sufficientemente costante sia nel tempo che al
variare della frequenza. Per garantire la costanza nel tempo,
bisogna che l'intero circuito, compresi il buffer e
l'amplificatore, sia alimentato con una tensione ben stabilizzata
(e ben bypassata, per non degradare le caratteristiche di rumore
dell'oscillatore!) e che i punti di lavoro dei dispositivi attivi
siano ben stabilizzati con schemi di polarizzazione semplici ed
affidabili, possibilmente anche con una buona compensazione
termica; in alternativa (o in aggiunta!) possono essere utilizzati
amplificatori di guadagno elevato, stabilizzati al guadagno voluto
mediante sistemi di controreazione. Il problema della costanza del
segnale rispetto alla frequenza è invece meno semplice da
risolvere, in quanto richiede un'accurata analisi del circuito per
garantire che il guadagno complessivo sia sufficientemente
uniforme, però spesso i VFO operano in una banda di frequenze
abbastanza ristretta da non presentare praticamente questo
problema. In ogni caso, esiste anche la possibilità di
stabilizzare il segnale con un sistema attivo, come ad esempio un
ALC, prelevando e misurando una frazione del segnale all'uscita ed
utilizzando la misura per regolare il guadagno dell'oscillatore.
Questo metodo, che presenta una certa complessità circuitale,
offre il vantaggio che nessuna parte del circuito lavora in
saturazione, per cui la purezza spettrale ottenibile può essere
molto buona.
** Topologia degli oscillatori liberi **
Le condizioni perché in un circuito retroazionato si instauri
un'oscillazione sinusoidale ad una determinata frequenza fo sono
due:
- il guadagno totale d'anello alla frequenza fo deve essere
(almeno) unitario,
- lo sfasamento totale lungo l'anello alla frequenza fo deve
essere nullo.
Queste due condizioni, che nel loro complesso prendono il nome di
"Criterio di Barkhausen", possono essere realizzate con una grande
varietà di schemi anche molto diversi tra di loro, ma la topologia
che più ci interessa è quella detta degli "oscillatori a tre punti";
[FIDOCAD]
MC 80 45 0 0 300
MC 80 30 0 0 115
MC 80 50 0 0 115
MC 105 40 0 0 115
LI 80 60 80 65
LI 80 65 105 65
LI 105 65 105 50
LI 105 40 105 25
LI 105 25 80 25
LI 80 25 80 30
LI 80 40 80 50
LI 95 55 95 65
LI 95 35 95 25
SA 80 45
SA 95 25
SA 95 65
TY 110 40 5 3 0 0 0 * X3
TY 70 50 5 3 0 0 0 * X2
in questi, un dispositivo attivo, che viene visto come un
generico tripolo, è collegato a tre reattanze, delle quali una
deve essere di segno diverso dalle altre due. A seconda della
scelta del tipo di reattanze, l'oscillatore prende denominazioni
diverse, ma il principio di funzionamento è sempre lo stesso: il
circuito oscilla alla frequenza (o alle frequenze!) per la quale
si annulla la reattanza totale, che è composta dalla somma delle
tre reattanze esplicite, più tutte quelle nascoste nel cablaggio e
nei componenti.
Ciascuna con figurazione possiede a sua volta numerose varianti:
dato che la reattanza di segno diverso può essere posta in
ciascuna delle tre posizioni possibili, e l'elemento attivo può
essere disposto con base (gate), emettitore (source) o collettore
(drain) a massa, in tutto abbiamo nove possibili configurazioni
con due induttanze ed una capacità (oscillatori Hartley), nove
possibili configurazioni con due capacità ed una induttanza
(oscillatori Colpitts), nove possibili configurazioni con due
capacità ed un circuito risonante serie (oscillatore Clapp) e così
via. Ovviamente, in questo contesto non possiamo affrontare una
trattazione sistematica di tutti gli oscillatori, per cui ci
accontenteremo di una rapida panoramica.
Oscillatori Colpitts
Quando l'oscillatore contiene due induttanze ed una capacità,
prende il nome di oscillatore Colpitts;
[[FIDOCAD]
SA 30 15
TY 20 20 5 3 0 0 0 * X2
MC 30 20 1 0 170
MC 30 40 1 0 170
LI 30 30 30 40
LI 30 35 45 35
LI 45 25 45 35
SA 30 35
TY 20 40 5 3 0 0 0 * X3
LI 30 15 30 20
MC 30 15 0 0 300
LI 45 5 60 5
LI 60 5 60 55
LI 30 50 30 55
SA 30 55
LI 30 15 15 15
LI 15 15 15 30
MC 15 40 3 0 120
LI 15 40 15 55
LI 15 55 60 55
TY 5 30 5 3 0 0 0 * X1
MC 40 55 0 0 045
SA 40 55
questi oscillatori si
solito sono caratterizzati da una notevole stabilità e da segnali
ben puliti; benché non sia sempre facile farli funzionare, sono
quindi i preferiti nella realizzazione di VFO. La variante
circuitale più comune, raffigurata nello schema qui sotto (che per
semplicità omette le polarizzazioni), è quella con collettore a
massa, preferita per parecchi validi motivi:
- la configurazione emitter follower è intrinsecamente stabile,
- ha impedenza d'ingresso elevata, quindi carica poco il
risonatore e non ne abbassa il Q,
- ha impedenza d'uscita piuttosto bassa, quindi è meno sensibile
al carico e semplifica il buffer,
- dà buone prestazioni in termini di pulizia spettrale.
Oscillatori Hartley
Quando l'oscillatore contiene due induttanze ed una capacità,
prende il nome di oscillatore Hartley;
[FIDOCAD]
MC 80 45 0 0 300
LI 80 60 80 65
LI 80 65 105 65
LI 105 65 105 50
LI 105 40 105 25
LI 105 25 80 25
LI 80 25 80 30
LI 80 40 80 50
LI 95 55 95 65
LI 95 35 95 25
SA 80 45
SA 95 25
SA 95 65
TY 110 40 5 3 0 0 0 * X3
TY 70 50 5 3 0 0 0 * X2
TY 70 30 5 3 0 0 0 * X1
MC 80 30 1 0 120
MC 80 50 1 0 120
MC 105 40 1 0 170
questi oscillatori si
solito sono caratterizzati da una notevole semplicità circuitale,
ed è assai facile farli funzionare, per cui sono stati usati
moltissimo in passato. Il limite principale degli oscillatori
Hartley è che, avendo due induttori, il Q complessivo del sistema
è decisamente più basso della versione Colpitts, per cui risultano
peggiori sia in termini di stabilità che di rumore, ed oggi sono
usati prevalentemente in progetti che privilegino la semplicità
alle prestazioni.
Un aspetto che spesso sfugge al principiante è il fatto che le due
induttanze presenti nell'oscillatore Hartley non sono accoppiate
tra loro; nel seguito vedremo invece due casi nei quali le
induttanze presenti nel circuito sono esplicitamente accoppiate ed
anzi il coefficiente di accoppiamento risulta parte integrante
dell'anello di retroazione, assumendo importanza determinante nel
funzionamento dell'oscillatore.
Oscillatori Meissner
L'oscillatore Meissner utilizza un trasformatore risonante per
riportare una parte, opportunamente dosata, del segnale in uscita
all'ingresso del dispositivo attivo, in maniera da creare una
retroazione positiva che crei le condizioni per l'innesco di
un'oscillazione permanente.
[FIDOCAD]
MC 80 20 0 0 300
MC 90 35 1 0 130
MC 95 45 3 0 120
LI 95 30 95 35
LI 95 45 95 50
LI 80 50 105 50
SA 95 50
LI 90 45 90 50
LI 90 35 90 30
SA 90 50
LI 90 30 80 30
LI 80 20 80 35
LI 80 45 80 50
MC 80 35 1 0 170
SA 80 30
LI 95 10 105 10
LI 105 10 105 50
Questo è certamente il più semplice
dei circuiti oscillatori, ed infatti è anche storicamente il più
antico; a parte l'estrema semplicità, però, non presenta alcuno
speciale vantaggio rispetto a quelli già visti... in particolare,
il controllo della retroazione risulta critico, e praticamente il
circuito o non oscilla affatto, oppure oscilla con ampiezza tale
da arrivare ad una saturazione assai spinta, e la purezza
spettrale che se ne ottiene è a dir poco mediocre. In pratica, al
giorno d'oggi, conserva esclusivamente un significato didattico e
non mai è impiegato in realizzazioni serie.
Oscillatore ECO
L'oscillatore ECO (acronimo che sta per "Electronically Coupled
Oscillator") è parente stretto dell'oscillatore Meissner, dal
quale si distingue essenzialmente per l'uso di un
autotrasformatore al posto di un trasformatore.
[FIDOCAD]
MC 80 20 0 0 300
LI 80 50 105 50
LI 90 45 90 50
LI 90 35 90 30
SA 90 50
LI 90 30 80 30
LI 80 20 80 35
LI 80 45 80 50
MC 80 35 1 0 170
SA 80 30
LI 95 10 105 10
LI 105 10 105 50
MC 90 45 3 0 120
LI 90 40 95 40
LI 95 30 95 40
Oscillatore anche questo molto antico, rispetto al suo fratello più
anziano
presenta alcuni significativi vantaggi, per cui è ancora ampiamente
impiegato, anche se non è più comune com'era un tempo: l'uso
dell'autotrasformatore rende molto più facile dosare
l'accoppiamento e quindi la retroazione e le perdite del
risonatore sono minori, per cui i risultati ottenibili sono già di
qualità accettabile, anche se non ottima. In comune con il suo
parente vecchio ha invece l'estrema facilità con la quale lo si
riesce bene o male a far funzionare, il che lo rende un candidato
ideale per le realizzazioni didattiche.
Oscillatori Clapp
L'oscillatore Clapp è una "furbata" nella quale si parte da un
oscillatore Colpitts e se ne sostituisce l'induttanza con un
circuito risonante in serie. I vantaggi che si ottengono in questo
modo sono notevoli: variando la capacità in serie all'induttanza,
si fa variare la reattanza del circuito serie, il che equivale a
far variare l'induttanza. Questo permette, mantenendo costanti le
altre due capacità, di mantenere sufficientemente costante il
guadagno d'anello pur continuando ad avere un ampio controllo
sulla frequenza prodotta. Ma il più bello è nel fatto che, poiché
la reattanza capacitiva si sottrae a quella induttiva, la serie LC
presenta una reattanza totale che può essere molto piccola anche
se le due singole reattanze sono molto grandi; detta così, uno
potrebbe anche dire "Embè?", ma basta ricordare che il Q aumenta
all'aumentare velocemente dell'induttanza per capire che questo
permette di ottenere risonatori di caratteristiche molto elevate,
e quindi altissime stabilità e basso rumore, pur conservando
livelli di reattanza ragionevoli (e quindi componenti di valori
sensati) nel circuito. Un ulteriore vantaggio di questo tipo di
oscillatore sta nel fatto che un cristallo di quarzo equivale
suppergiù ad un circuito risonante in serie con Q elevatissimo
(non è proprio esattamente così, ma un discorso rigoroso ci
porterebbe troppo lontano), per cui la reattanza LC serie può
essere direttamente sostituita da un quarzo, ottenendo un
oscillatore che può essere rapidamente commutato da libero a
fisso.
** Scelta del tipo di dispositivo attivo **
La scelta del dispositivo attivo da impiegare è relativamente
libera, nel senso che più o meno tutti i dispositivi consentono di
raggiungere buone prestazioni, se impiegati correttamente; è
tuttavia importante avere chiare le differenze tra l'uno e l'altro
e le conseguenze della scelta che si effettua.
Si ricordi comunque che la dispersione (tolleranza) dei parametri
è ampia, e bisogna sempre considerare la possibilità che il
dispositivo montato, pur avendo la sigla giusta, sia tutt'altro
che simile a quello scelto...
BJT (transistor bipolare)
Il dispositivo più comune nell'impiego hobbistico, e il primo che
viene alla mente, è il transistor bipolare o BJT; come sempre
accade nella vita, i BJT offrono rispetto alle altre scelte sia
vantaggi che svantaggi; i principali vantaggi sono:
- sono economici e piuttosto facili da trovare sul mercato
(specialmente se si considera che entro ampi limiti l'uno vale
l'altro);
- il guadagno è ottimo, perché la transconduttanza è sempre molto
alta rispetto a tutti gli altri tipi di dispositivi, per cui è
sempre relativamente facile farli oscillare
- la frequenza di transizione può essere molto elevata, per cui si
riescono a far lavorare bene anche a frequenze molto alte.
Per contro, anche gli svantaggi sono abbastanza significativi:
- la polarizzazione di base richiede una certa corrente, e
l'impedenza d'ingresso è abbastanza modesta, per cui è difficile
mantenere alto il Q del risonatore,
- le capacità parassite possono essere tutt'altro che
trascurabili, e vanno tenute in considerazione nel progetto
dell'oscillatore,
- il rumore prodotto non è sempre basso, anche se alcuni tipi
offrono cifre di rumore eccellenti (anche migliori dei FET),
- all'aumentare della temperatura, la corrente nel BJT tende ad
aumentare, per cui è sempre necessario polarizzarli in modo da
stabilizzare la deriva termica.
JFET (transistor ad effetto di campo a giunzione)
La principale alternativa ai BJT è costituita dai transistor ad
effetto di campo a giunzione o JFET; i principali vantaggi sono:
- l'impedenza d'ingresso è piuttosto elevata,
- la polarizzazione di gate in linea di massima non richiede corrente,
- la frequenza di transizione arriva praticamente sempre alle VHF
e spesso oltre,
- il rumore di solito è modesto, anche se non bassissimo,
- le capacità parassite di solito sono molto modeste,
- la distorsione di solito è bassa,
- all'aumentare della temperatura, la corrente nel FET diminuisce,
per cui non è necessario implementare particolari sistemi di
stabilizzazione termica.
Per contro, gli svantaggi principali sono:
- se la tensione tra gate e source diventa positiva, il gate
conduce e quindi assorbe una corrente non trascurabile - e questa
è una cosa che negli oscillatori accade regolarmente!
- la polarizzazione di gate richiede una tensione negativa
rispetto al source, il che limita l'escursione di tensione
disponibile ai capi del canale,
- la transconduttanza è bassa, dell'ordine di qualche mA/V, quindi
il guadagno ottenibile è abbastanza modesto e perciò non è sempre
facile ottenere l'oscillazione,
- non sempre è facile trovare il FET che serve (i FET sono tra
loro decisamente meno "intercambiabili" di quanto non siano i
transistor), e spesso costano di più.
MOSFET (transistor ad effetto di campo a gate isolato)
In linea di massima MOSFET presentano praticamente gli stessi
vantaggi e svantaggi dei JFET, ma con alcune significative
differenze:
- il gate non va mai in conduzione, per cui si hanno meno problemi
di polarizzazione di gate,
- la capacità di gate è modesta, ma non piccolissima, e va tenuta
in considerazione,
- il rumore di solito è un po' più alto che nel caso dei JFET - ma
qui bisogna vedere caso per caso i vari dispositivi, alcuni
offrono cifre di rumore veramente eccellenti,
- la distorsione è un po' più alta che per i JFET,
- l'estensione in frequenza può arrivare ben dentro alle UHF,
- usando un MOSFET a doppio gate si può implementare con estrema
semplicità un controllo automatico del livello dell'oscillazione
prodotta,
- i MOSFET sono sempre più costosi dei JFET, e talora decisamente
difficili da reperire.
Gli oscillatori si possono realizzare anche con vari altri tipi di
dispositivi, tra i quali citiamo brevemente i tubi a vuoto
("valvole"), che si comportano più o meno come dei MOSFET, ma con
gli inconvenienti che scaldano parecchio e invecchiando cambiano
le proprie caratteristiche; i diodi tunnel, che permettevano di
realizzare oscillatori a resistenza negativa di eccezionali
caratteristiche, ma sono diventati obsoleti a causa del loro costo
elevato; i GaAsFET e simili, transistor ad effetto di campo che
consentono si raggiungere frequenze elevatissime fin nel campo
delle microonde; i diodi Gunn, che producono oscillazioni
sintonizzabili fin nelle gamme millimetriche; e vari altri
dispositivi ancor più "esoterici" quali i maser ed i TWT - ma è
meglio che ci fermiamo qui!
** Polarizzazione e classe di funzionamento **
Per assicurare una purezza spettrale elevata, è necessario che
l'oscillatore funzioni in classe "A", ossia che esso amplifichi
correttamente durante tutto il ciclo dell'oscillazione sinusoidale
prodotta. Per ottenere questo risultato, è necessario che la
polarizzazione sia scelta in modo tale da mantenere in conduzione
il dispositivo per tutta l'escursione della tensione (o corrente)
di pilotaggio, e quindi è necessario che il punto di riposo sia
situato ben al centro della zona di lavoro. Quando invece il punto
di riposo sia in una posizione decentrata della zona di lavoro,
una volta che l'oscillazione si sia instaurata ed abbia raggiunto
il livello di regime permanente l'oscillatore raggiunge una classe
di funzionamento che può andare da una AB più o meno spinta fino
addirittura alla classe C. In queste condizioni, la potenza
estratta dal VFO sarà molto più elevata, e la corrente assorbita
nettamente minore, ma per contro il contenuto armonico
dell'oscillazione prodotta diventa molto elevato.
In pratica, per scegliere la polarizzazione corretta dobbiamo
pensare che, come si è già detto, l'oscillazione nel circuito
raggiunge un livello tale da far diminuire il guadagno complessivo
d'anello fino a farlo diventare unitario, e questo comporta
necessariamente una certa distorsione, che sarà tanto più grande
quanto maggiore è il guadagno iniziale (ragion per cui, come si è
già detto, questo deve essere limitato al minimo indispensabile).
La riduzione del guadagno può avvenire sia per saturazione che per
interdizione del dispositivo attivo, e questi fenomeni possono
accadere sia in base (gate) che nel terminale d'uscita (emettitore
o collettore, o rispettivamente source o drain); in effetti, la
limitazione dell'escursione del segnale è fissata dal primo punto
del circuito che va in interdizione o saturazione. Per capire
meglio questo fatto, conviene riferirsi ad un esempio pratico: per
semplicità, consideriamo un JFET con tensione di interdizione Vp = -4V
(che è un valore abbastanza normale), il cui source sia
mantenuto ad una tensione costante di polarizzazione pari a +2V e
che abbia una Vgs = 4V. La tensione ammissibile per il gate varia
tra -2V (interdizione) e +2,6V (saturazione e conduzione della
giunzione gate-source). Se il carico sul drain è grande, possiamo
raggiungere la tensione nulla sul canale (cioè tra source e drain)
con una tensione di gate inferiore a quella di conduzione del
gate, cioè la saturazione del circuito d'uscita può avvenire prima
di quella del circuito d'ingresso, ad esempio con una tensione di
gate di +3V . In questo caso, l'escursione complessiva della
tensione di gate che otterremo sarà situata tra -2V e +3V, ed
avremo quindi una significativa asimmetria dell'oscillazione
prodotta, il che in pratica significa una robusta componente di
armoniche pari, specialmente della seconda. Per ridurre questo
contenuto armonico, dovremo spostare la polarizzazione (la
tensione di source, o il carico di drain) in maniera da rendere
simmetrico il campo di tensione accettabile sul gate, il che
comporta la simmetria dell'oscillazione e quindi la scomparsa
delle armoniche di ordine pari, ma anche una riduzione globale
della distorsione, perché l'oscillazione si spingerà meno a fondo
nella zona non lineare, e quindi un minore contenuto anche nelle
armoniche dispari.
Se invece il nostro obiettivo è raggiungere un'elevata efficienza,
con una potenza d'uscita significativa (il che, si noti bene,
significa praticamente abbandonare le richieste di qualità del
segnale prodotto), converrà spostare la polarizzazione verso la
saturazione o l'interdizione, in modo che l'oscillatore vada a
lavorare in classe C: questo si fa spesso con gli oscillatori a
quarzo, dato che il Q molto elevato dei risonatori a cristallo
permette comunque di ottenere una purezza spettrale accettabile.
Una maniera pratica per distinguere la classe di lavoro
dell'oscillatore, quando non si disponga di un oscilloscopio, è
misurarne al corrente assorbita con e senza l'oscillazione (per
spegnere l'oscillazione, di solito è sufficiente appoggiare un
dito sulla base o gate del dispositivo attivo, od addirittura sul
contenitore, se è metallico): se spegnendo l'oscillazione la
corrente varia significativamente, la classe di funzionamento
sicuramente non è la A... questa condizione, che può andar bene
per un oscillatore quarzato se non si hanno particolari esigenze
di purezza spettrale, in un VFO è ovviamente tutt'altro che
desiderabile.
** Regolazione della frequenza nei VFO **
La regolazione della frequenza in un VFO può essere realizzata con
vari sistemi. Il più comune negli impieghi amatoriali seri è
utilizzare un buon condensatore variabile ad aria, che garantisce
perdite basse e quindi un fattore di merito elevato del
risonatore; gli inconvenienti di questo metodo sono il costo
abbastanza elevato di un buon condensatore variabile ed una
spiccata tendenza dell'oscillatore a soffrire dell'effetto mano,
il che obbliga a realizzare un'ottima schermatura, ed utilizzare
prolunghe di materiale plastico od altri sistemi per il comando
del condensatore variabile. Per inciso, non è un caso che abbiamo
parlato solo dei variabili in aria: i condensatori variabili con
dielettrico solido hanno fattori di perdita sempre
apprezzabilmente alti, e in pratica vanno bene solo per le
radioline portatili.
Un ulteriore inconveniente dei condensatori variabili in aria è il
fatto che, se vengono investiti da un'onda sonora, tendono a
vibrare leggermente, causando una modulazione di fase
dell'oscillazione prodotta (microfonicità); questo effetto è
ridotto, ma mai del tutto eliminato, dall'uso di materiali
metallici poco elastici (ad esempio, alluminio).
L'alternativa al condensatore variabile è l'impiego di diodi a
capacità variabile (detti "varicap" o "varactor"), nei quali la
capacità del diodo, che viene polarizzato inversamente per non
condurre, è controllata dalla tensione di polarizzazione inversa
applicata. I migliori diodi varicap offrono una funzione di
controllo sostanzialmente lineare, vale a dire che la frequenza di
oscillazione è quasi direttamente proporzionale alla tensione
applicata, e sono decisamente meno sensibili all'effetto mano dei
condensatori variabili (ma ricordiamo che tutto il circuito
risente delle perturbazioni esterne, quindi l'uso dei varicap non
esime dall'obbligo di schermare bene tutto). Questo vantaggio però
non viene gratis: prima di tutto, il fattore di perdita di un
diodo varicap è decisamente più alto di quello di un variabile
tradizionale, il che significa che il Q complessivo del risonatore
non può mai essere elevato, con tutti i problemi di stabilità e
rumorosità che, come abbiamo visto, questo comporta; ma
soprattutto, la tensione variabile dell'oscillazione si sovrappone
inevitabilmente alla tensione di controllo del diodo, causandone
una variazione di capacità al ritmo del segnale. Questo comporta
una distorsione elevata del segnale, nonché una sua modulazione di
fase, e questo in pratica significa allargamento spettrale e
contenuto armonico elevato. Infine, giusto per gradire, i diodi
varicap sono pur sempre dei semiconduttori e, anche se polarizzati
inversamente, hanno sempre una, sia pur piccola, corrente di fuga
che comporta un rumore shot addizionale; questo rumore a sua volta
modula in fase l'oscillazione, aggiungendosi al rumore
dell'oscillatore. In conclusione, un oscillatore controllato a
varicap è sempre molto più sporco e rumoroso di uno controllato
con un condensatore variabile; non di meno, la possibilità di
effettuare un comando in tensione della frequenza di oscillazione
e l'economicità dei diodi varicap rispetto ai condensatori
variabili, nonché le loro ridottissime dimensioni, fanno preferire
questo tipo di controllo in molti casi, e lo rendono addirittura
irrinunciabile quando sia richiesta una sintonia elettronica, come
ad esempio nel caso dei sintetizzatori a PLL.
.........................
molto presto la parte relativa alla realizzazione dell'oscillatore
buon lavoro
--
Andrea Contro la stupidita' degli uomini
I0ADY neanche gli Dei possono nulla
F. Schiller I. Asimov
www.qsl.net/i0ady
Dom
"Andrea I0ADY" <i0...@qsl.net> ha scritto nel messaggio
news:c3uh37$2bh7pk$1...@ID-71150.news.uni-berlin.de...
>
>
>
> Teoria e pratica del VFO
Volendo leggere con calma quanto scritto e ragionarci è decisamente più
comodo farsi una stampa del tutto, ma con i rientri continui che
caratterizzano i messaggi la cosa è defatigante!
Allora io copio e incollo il tutto in un word, ma poi devo togliere tutti i
ritorni automatici :o(
Se questa non è una richiesta solo mia, non sarebbe possibile mettere il
documento "originale" (che presumo sia fatto con uno dei tanti programmi di
trattamento testi) su uno dei siti dei moderatori? Lo si scarica e ... oplà
:o))
Ciao e grazie
--
73 de IW2NTA Domenico
Dom
"Andrea I0ADY" <i0...@qsl.net> ha scritto nel messaggio
news:c3uh37$2bh7pk$1...@ID-71150.news.uni-berlin.de...
>>
>
> Quando l'oscillatore contiene due induttanze ed una capacità,
> prende il nome di oscillatore Colpitts;
Non dovrebbe essere due capacità e una induttanza?
i3hev, mario held
>
> Volendo leggere con calma quanto scritto e ragionarci è decisamente più
> comodo farsi una stampa del tutto, ma con i rientri continui che
per la verità, il testo è stato preparato con righe di lunghezza
controllata, in modo da non dare origine a rientri - ti suggerisco di
provare ad allargare la finestra del tuo newsreader, e di verificare che
non abbia un ritorno a capo automatico impostato a meno dei 72 caratteri
che costituiscono lo standard di comune impiego, i rientri dovrebbero
scomparire (nel mio reader, non ne vedo nemmeno uno...).
> ... non sarebbe possibile mettere il documento "originale" ...
i documenti originali sono vari... com'è già stato detto più volte,
questo è un lavoro di gruppo ;o)
Comunque, ne parleremo un po' tra noi, per vedere se si possa fare...
Ciao.
--
73 es 51 de i3hev, op. mario
it.hobby.radioamatori.moderato
http://digilander.libero.it/hamweb
http://digilander.libero.it/esperantovenezia
i3hev, mario held
>
> > Quando l'oscillatore contiene due induttanze ed una capacità,
> > prende il nome di oscillatore Colpitts;
>
> Non dovrebbe essere due capacità e una induttanza?
Assolutamente si: orrore di stompa... :o(