Но вот другой случай.
Нам нужен усилитель звуковой частоты (УЗЧ) для качественного воспроизведения музыки. Тут предпочтение одних частот другим абсолютно недопустимо, поскольку резко исказит смысл музыкального произведения. И конечно, здесь вводить ПОС нельзя! Она лишь повысит различия в усилении отдельных частот. Другое дело отрицательная обратная связь — ООС. В этом случае часть усиленного сигнала подается на вход в противофазе. Введение ООС резко уменьшает различия в усилении отдельных частот. Правда, от этого значительно снижается коэффициент усиления, падает громкость звука. Но этот недостаток легко устраняется добавлением еще одного-двух каскадов усиления.
Мы с вами говорили об особенностях работы усилителей на обычном человеческом языке, и вы заметили, что по мере углубления в тему наш рассказ становился все более многословным.
А теперь представьте себе, что мы решили проверить работу УЗЧ. Для этого будем подавать на его вход сигналы строго постоянной амплитуды, но самых различных частот, например, через каждые 100 Гц, и каждый раз будем измерять величину усиленного сигнала на выходе. Так, во всем звуковом диапазоне нам придется произвести около двухсот измерений. Произвели.
Ну и что? Как в этом самому разобраться или кому-нибудь рассказать? Согласитесь, на словах это несколько неудобно… Но можно поступить иначе, построить график зависимости амплитуды усиленного сигнала от частоты. Он называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Стоит на него лишь взглянуть — и «речи не нужны», все понятно во всех тонкостях.
Итак, отрицательная обратная связь (ООС) выравнивает амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя, делая ее более пологой, в то время как положительная (ПОС) — напротив, обостряет АЧХ и дает усиление в узкой полосе частот, узкий резонансный пик.
Так, например, бывает в регенераторах с ПОС. Но, не всегда это верно. Оказывается, можно получить регенерацию и усиление сигнала с помощью ПОС в широкой полосе частот. Такая задача возникает, например, при разработке антенных усилителей для малых активных антенн. Сразу отметим, что усилитель при этом должен иметь очень «гладкую» исходную АЧХ, на графике изображаемую горизонтальной линией. Но современная электроника позволяет делать такие усилители.
Пусть малая штыревая антенна (0,5 м длиной, для определенности) расположена в задней части крыши легкового автомобиля. С приемником (трансивером) на приборной панели она соединена 50-омным коаксиальным кабелем. С учетом всех изгибов кузова его длина получается около 4 метров, а емкость — 400 пФ. Антенна хорошо работает с радиостанцией любительского диапазона 144…146 МГц.
Длина нашей антенны почти равна четверти волны, и она оказывается настроена в резонанс. При этом ее входное сопротивление близко к 50 Ом. Антенна согласована с кабелем, а все радиостанции (трансиверы) имеют стандартный 50-омный вход/выход.
В кабеле — бегущая волна и потери едва достигают десятых долей децибела. Эта антенна вполне прилично принимает станции диапазона FM, но отказывается работать на длинных и средних волнах (ДВ и СВ).
Причина становится понятной, если посмотреть на эквивалентную схему антенны (на ДСВ) вместе с кабелем (рис. 1).
На усилитель А1 и емкость С пока не обращайте внимания. Радиоволны наводят в антенне ЭДС, равную Е∙hд, где Е — напряженность поля радиостанции, hд — действующая высота антенны, для коротких штырей она примерно равна половине их длины.
Эта ЭДС невелика, при типичной напряженности поля 1 мВ/м она составит 250 мкВ.
О резонансе столь короткой антенны и речи нет, она имеет емкостное, и довольно большое, сопротивление. Опытным путем установили, что емкость коротких штырей над металлическим основанием (землей) равна 6… 10 пФ/м (у толстых штырей больше, у тонких — меньше).
Возьмем среднее значение Сант = 4 пФ. Тогда в середине СВ-диапазона (на частоте 1 МГц) емкостное сопротивление антенны будет Ха = 1/2πfCант = 40 кОм!
Если даже приемник совсем не нагружает антенну, то емкостное сопротивление кабеля — всего 400 Ом.
Мы получили емкостный делитель напряжения в 100 раз, а ведь на короткую антенну поле радиостанций наводит и без того слабый сигнал. На приемник в нашем примере поступит всего 2,5 мкВ, что может оказаться меньше, чем его чувствительность! Ситуация еще хуже, если у вас профессиональный приемник с 50-омным входом. Тут получается делитель в 800 раз (40 000/50)!
Это значит, что нужен антенный усилитель с таким же коэффициентом усиления. Но мы не можем беспредельно ослаблять сигнал, а потом его усиливать, ведь собственный шум усилителя остается прежним! Следовательно, такое решение ухудшает отношение сигнал/шум, а значит, и качество приема. Положение еще терпимо, если шум эфира огромен и намного превосходит собственный шум усилителя, но все равно есть предел. Надо искать другие решения.
Одно из них — расположить усилитель с высоким входным сопротивлением около самой антенны, а уже после него включить кабель. Так обычно и делают, но это исключает работу антенны с радиостанцией.
Если вы читали про регенераторы, то уже знаете, что ПОС компенсирует потери в колебательном контуре, теоретически внося в него отрицательное сопротивление. Нам же здесь надо скомпенсировать потери в емкостном делителе, причем в широкой полосе частот. Значит, нужна отрицательная емкость. В природе такой не существует, но ее можно создать средствами радиоэлектроники. Отрицательная емкость создает такой же 90-градусный сдвиг между током и напряжением, как и обычная, но ток должен не втекать, а вытекать из нее! Чтобы создать этот эффект, соединим выход усилителя А1 с его входом емкостью обратной связи (рис. 1).
Усилитель должен быть неинвертирующим и широкополосным, то есть не вносить дополнительных фазовых сдвигов.
Через цепь ОС на вход усилителя потечет ток в том же направлении и в той же фазе, как и от антенны. В результате напряжение на входе усилителя возрастет и потери в емкостном делителе будут частично скомпенсированы.
Расчет показывает, что для полной компенсации потерь в приведенном примере при Сант = Сос усиление К должно быть около 50. Тогда на выходе усилителя напряжение сигнала будет равно ЭДС в антенне. Еще увеличивая емкость Сос и К, можно получить дополнительное усиление сигнала, но затем вся система самовозбудится — все, как в обычном регенераторе.
Правда, генерировать он будет не синусоидальные, а релаксационные колебания сложной формы.
Проект практической схемы антенного усилителя, установленного не около антенны (как часто делают), а непосредственно на входе приемника, показан на рисунке 2.
Антенна WA1 через кабель подсоединена ко входу усилителя, собранного на полевом VT1 и биполярном VT2 транзисторах. Цепочка C1R1 нужна лишь для защиты полевого транзистора от статических и низкочастотных наводок и случайных попаданий постоянного напряжения на кабель и антенну. Емкость и сопротивление этих элементов не критичны.
Усилитель представляет собой повторитель сигнала с усилением, равным отношению сопротивлений (R3 + R2)/R2. Это при нижнем положении движка регулятора усиления R2. Перемещая движок кверху, мы шунтируем часть резистора R2 емкостью С2, и усиление возрастает. Режим транзисторов по постоянному току при этом не изменяется.
ПОС создается через подстроечный конденсатор С3.
Следует заметить, что усилитель нельзя включать без входного антенного кабеля — он немедленно самовозбудится (но из строя не выйдет и ничего страшного с ним не произойдет). На время налаживания, если кабеля нет, замкните вход усилителя на общий провод большой емкостью, например 0,1 мкФ. Проверьте режим транзисторов по постоянному току — на выходе усилителя должно быть напряжение, равное примерно половине напряжения питания. Установить его можно подбором резисторов R2, R3 и заменой транзистора VT1 на такой же, но с другим буквенным индексом.