Четырехполюсник усиления

На рис. 4.1 представлена структурная схема канала связи, в которой ин-

формационные сигналы проходят через усилительные каскады передающей и

приемной частей канала. Современная слаботочная электроника строится на микросхемной элементной базе, представляющей чаще всего линейные усилители − четырехполюсники с системой Н-параметров, которые используются при расчетах рабочих параметров схем. Каждый такой усилитель можно заменить формальной эквивалентной схемой замещения, представленной на рис. 4.1. Рис. 4.1. Формальная схема замеще-

ния усилителя

Этой схеме соответствуют уравне-

ния с h-параметрами:

(4.1)

(4.2)

где h₁₁ = U₁ / I₁ при U₂ = 0 − входное сопротивление четырехполюсника при коротком замыкании выхода;

h₁₂ = U₁ / U₂ при I₁ = 0 − коэффициент обратной связи по напряжению при обрыве цепи на входе;

h₂₁ = I₂ / I₁ при U₂ = 0 − коэффициент усиления по току при коротком замыкании выхода;

h₂₂ = I₂ / U₂ при I₁ = 0 − выходная проводимость четырехполюсника при обрыве цепи на входе.

H-параметры имеют разную размерность, поэтому система называется смешанной. Так, h₁₁ – сопротивление; h₁₂ и h₂₁ – безразмерные величины;

h₂₂ – проводимость. Это так называемые статические параметры, характеризующие работу активного четырехполюсника без реальной нагрузки (R_H = 0).

Статические параметры для любого четырехполюсника могут быть измерены специальными измерительными приборами, например, ИППМ-1,

Л2-22 и др. Однако для практики гораздо больший интерес представляют динамические параметры нагруженного четырехполюсника, работающего с реальным генератором R _г и реальной нагрузкой R_н ≠ 0: К_i, К_u, К_p, R_вх, R_вых.

Коэффициент усиления по току

(4.3)

Коэффициент усиления по напряжению

(4.4)

где Δh – определитель в уравнениях (4.1), (4.2).

Коэффициент усиления по мощности

(4.5)

Входное сопротивление

(4.6)

выходное −

(4.7)

Частотные и фазовые свойства усилителей в комплексной форме оцениваются модулем передаточной функции четырехполюсника, в основе которой используется выражение (4.4):

(4.8)

где |K(Ω)| − амплитудно-частотная характеристика четырехполюсника;

φ_К(Ω) − фазочастотная характеристика четырехполюсника;

Ω =2πF − угловая частота сигнала.

Реальный усилитель характеризуется наличием цепей обратной связи, которые видоизменяют его частотную и фазовую характеристики. Структурная схема усилителя с последовательной обратной Рис. 4.2. Структурная схема усилителя связью (ОС) по напряжению пока-

с обратной связью

зана на рис. 4.2.

Усилитель без обратной связи характеризуется собственным коэффициентом усиления К_ср. На вход усилителя кроме полезного сигнала генератора U^I₁ подается напряжение обратной связи U_ОС = U_β, полученное на выходе усилителя и преобразованное в каскаде обратной связи по амплитуде с коэффициентом передачи β.

Напряжение на входе усилителя при обратной связи

(4.9)

где (4.10)

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью

(4.11)

где − коэффициент петли обратной связи;

− глубина обратной связи.

Обратная связь может быть положительной и отрицательной. Так, если произведение − положительное число или имеет положительную действительную часть комплексного числа, то обратная связь − положительная (ПОС). Формулу для вычисления коэффициента усиления при этом можно переписать в виде:

(4.12)

т. е. с ростом коэффициента петли обратной связи будет увеличиваться и коэффициент . В случае усилитель превращается в автогенератор, когда на вход усилителя подается только напряжение ПОС, надобность в напряжении возбуждения отпадает.

Если произведение отрицательное или имеет отрицательную действительную часть комплексного числа, то будет иметь место отрицательная обратная связь (ООС):

(4.13)

С введением ООС расширяется полоса пропускания частот усилителя,

уменьшаются коэффициент усиления и его относительная нестабильность:

(4.14)

где относительная нестабильность коэффициента усиления усилителя соответственно без обратной связи и при наличии ее. Обратная связь бывает частотно-независимой и частотно-зависимой. Если цепь ООС содержит реактивные элементы, например, емкости С, то в усилителе имеет место частотно-зависимая обратная связь.