Усилители. Требования, предъявляемые к усилителям. Основные характеристики усилителей

УСИЛИТЕЛИ

10.1. Требования, предъявляемые к усилителям

Усилителем называется активный четырехполюсник, обеспечивающий увеличение мощности электрических колебаний, подведенных ко входу. По назначению усилители, приме­няемые в аппаратуре МКС, можно разделить на три группы: групповые, индивидуальные и вспомога­тельные.

Групповые служат для усиления суммарных сигналов группы или всех каналов системы. Выходные усилители сигналов линейного спектра частот в оконечной и про­межуточной аппаратуре называются линейными усилителями (ЛУ).

Индивидуальные предназначены для усиления колебаний сигналов, передаваемых по одному каналу. В многоканальных системах инди­видуальные усилители применяются только в канале ТЧ и называются усилителями низкой частоты (УНЧ).

Вспомогательные применяются для усиления токов несущих и конт­рольных частот, сигналов набора и вызова, в цепях сигнализации, те­леконтроля и т. п.

Требования к характеристикам усилителей зависят от их назначе­ния. В линейном тракте многока­нальных систем содержатся десятки и сотни каскадно включенных ЛУ. Например, в 60-канальной системе на переприемном участке протяжен­ностью 2500 км включается около 140 ЛУ. Каждый ЛУ должен ком­пенсировать затухание предыдущего участка линии во всем рабочем диа­пазоне частот. Незначительные от­клонения АЧХ каждого усилителя, накапливаясь, могут привести к зна­чительному ухудшению характерис­тик части каналов системы. Помехи, обусловленные нелинейностью каж­дого группового усилителя, также суммируются (см. пп. 7.5 и 21.3). Поэтому в групповых усилителях предъявляются жесткие требования к форме и стабильности АЧХ, ве­личине нелинейных искажений, к стабильности ряда других характе­ристик. Необходимые характеристи­ки групповых усилителей и в первую очередь линейных обеспечиваются применением глубокой отрицатель­ной обратной связи (ООС). Можно без преувеличения считать, что уро­вень развития техники многоканаль­ной связи с частотным разделением каналов определяется возможностя-. ми технической реализации стабиль­ных и экономичных ЛУ с малой нелинейностью.

Требования к индивидуальным усилителям менее строги, так как они определяют качество одного ка­нала и в него включено немного таких усилителей. Однако каждый канал ТЧ должен допускать вторич­ное использование его. Следова­тельно, индивидуальные усилители УНЧ также должны обеспечивать такую стабильность характеристик и значения нелинейных искажений, при которых канал ТЧ удовлетво­ряет нормам (см. гл. 7).

Требования к характеристикам вспомогательных усилителей разно­образны и определяются их назна­чением. Так, усилители токов несу­щих и контрольных частот в гене­раторном оборудовании и устройст­вах АРУ должны иметь стабильные коэффициенты усиления. В против­ном случае будут возможны ложная работа устройств АРУ и изменение значения ОЗ каналов.

В аппаратуре МКС все усилители, как правило, выполнены на бипо­лярных или полевых транзисторах. Применяются также интегральные и гибридные микросхемы.

Применение транзисторов и ИМС в усилителях аппаратуры МКС

обеспечивает повышение надежнос­ти и стабильности характеристик, малую потребляемую мощность, незначительные размеры и т. д. Особенно большой технико-эконо­мический эффект обеспечивает при­менение транзисторов в дистанци­онно питаемых усилителях НУП.

Современные биполярные и поле­вые транзисторы имеют такой же или более низкий уровень шумов по сравнению с электронными лампа­ми. Транзисторы с граничными час­тотами приблизительно 10⁹ Гц по­зволяют обеспечить требуемую ма­лую нелинейность для широкопо­лосных линейных усилителей систем передачи К-5400 и К-10800. Ближай­шей перспективой является разработ­ка усилителей для аппаратуры МКС в виде специализированных интеграль­ных микросхем. В последующих раз­делах этой главы рассматриваются основные характеристики усилите­лей и свойства усилителей с отри­цательной обратной связью.

Коэффициент передачи по э. д. с. называемый иногда сквозным коэф фициентом передачи,

 Коэффициент усиления по мощно­сти характеризует отношение пол­ной (кажущейся) мощности сигнала в нагрузке (на выходе) и на входе усилителя (см. рис. 10.1)

где Р₀ = E_R/4Z_R-полная мощность, от­даваемая источником сигнала (генера­тором) в нагрузку, равную его внутрен­нему сопротивлению.

Рабочая фазовая постоянная уси­лителя определяется разностью фаз между напряжением на нагрузке и э. д. с. источника сигнала

Амплитудно-частотная характе­ристика (АЧХ) усилителя выража­ет зависимость коэффициента уси­ления . или рабочего усиления от частоты синусоидального сигнала. Рабочей полосой частот усилителя называется область частот, на краях которой w_н, w_в отклонение АЧХ от номинальных значений не превышает нормы (см. п. 7.3). Уси­литель называется узкополосным, если рабочая полоса частот значи­тельно меньше средней частоты:

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) усилителя обычно выражает зависимость фазового сдвига напря­жения (10.1) или рабочей фазовой постоянной (10.7) от частоты сину­соидального сигнала. Следует иметь в виду, что наклон ФЧХ усилителя (см., например, рис. 10.6)-обратный наклону ФЧХ пассивного четырех­полюсника (см. рис. 7.3). Это объяс­няется тем, что коэффициенты пере­дачи для усилителей определяются отношением выходного напряжения или тока к входному, а для пас­сивных четырехполюсников - обрат­ным отношением. Следовательно, фазовый сдвиг напряжения или ра­бочая фазовая постоянная усилителя определяются разностью фаз выход­ного и входного напряжений, а в пассивных четырехполюсниках -разностью фаз входного и выход­ного напряжений. При определении суммарной ФЧХ каскадно соединен­ных пассивных четырехполюсников и усилителей их фазовые сдвиги сум­мируются независимо от знака. Входное сопротивление усилителя

(см. рис. 10.1) 2_ВХ = 2_вхе^' = [/^ при синусоидальном входном на­пряжении.

Выходное сопротивление усили­теля 2_ВЫХ = 2_выхе^Л'.ь.> = V₂/1₂-

Для обеспечения высокой ста­бильности характеристик в усилите­лях аппаратуры МКС применяется глубокая ООС. Для получения необ­ходимой устойчивости тип приме­няемых транзисторов выбирается так, чтобц в рабочей полосе частот реактивные составляющие его па­раметров были значительно меньше активных. При этом входные и вы­ходные сопротивления усилителей получаются также активными.

В тех случаях, когда усилитель работает на согласованные нагруз­ки, степень согласования определя­ется коэффициентом отражения (см. п. 7.8). Затухание асимметрии для симметричных входного и выходно­го сопротивлений также определя­ется соотношением (см-, п. 7.8).

Внутренние помехи и шумы уси­лителей вызываются в основном влиянием внешних электромагнит­ных полей на элементы схемы уси­лителя; пульсациями напряжения питания; термическими шумами ре­зисторов, входящих в схему усили­теля; собственными шумами тран­зисторов.

Первые два вида помех могут быть причиной паразитной модуля­ции усиливаемых сигналов напря­жением с частотой питающей сети или ее гармониками (см. п. 7.6). Од­нако влияние этих помех может быть снижено до любых малых ве­личин различными схемноконструктивными мероприятиями Шу­мовые помехи принципиально не­устранимы. Поэтому одной из ос­новных задач при разработке уси­лителя является обеспечение мини­мального уровня собственных шу­мов.