1.2. Основные технические характеристики широкополосных маломощных УРУ

На схеме каскада усилителя, представленного в виде восьми полюсника на рис. 1.7, нечетными цифрами обозначены полюса входной ПЛ, а четными - выходной. Усиливаемый сигнал подается на полюса 1 и снимается с полюсов 4. Однако любая пара полюсов каскада может рассматриваться в качестве входной или выходной.

Рис. 1.7. Условное изображение коэффициентов передачи в каскаде УРУ: а) при прямой передаче; б) при обратной передаче

Для анализа работы усилителя, а также при его на- стройке и эксплуатации используются рабочие коэффициенты передачи напряжения K_Eij или тока K_Jji определяемые как отношение комплексных амплитуд напряжений или токов на полюсах j к половине э. д. с. Е генератора, действующей только на полюсах i:

^* (Токи при обратной передаче сигнала, (обозначенные на рис. 1.7,6 штрихом, в формуле (1.1) для сокращения записи представлены без штрихов.)

На рис. 1.7 направления передачи показаны стрелку ми и соответствующими индексами. Рабочие коэффициенты передачи мощности K_Pji определяются как отношение комплексной мощности в нагрузке Z_j к максимальной комплексной мощности, отдаваемой генератором; на согласованном входе i:

Рис. 1.8. Амплитудно-частотная характеристика усилителя

Таким образом, рабочие коэффициенты передачи учитывают не только внутренние свойства восьми полюсника, преобразованного в четырехполюсник, но и свойства входной и выходной цепей, поскольку эффект на выходе j сравнивается с напряжением на входе i согласованном в смысле равенства комплексного входного сопротивления Z_{вх i} и комплексного внутреннего сопротивления источника сигнала Z_i. Коэффициенты передачи в различных направлениях необходимы для теоретического и экспериментального исследования характеристик каскада УРУ: коэффициентов усиления (K_41,21), коэффициентов передачи вдоль передающих линий (K_13,31,24,42), коэффициентов развязки (K_12,14), коэффициента шума, для анализа которого требуются K_41,42,43, коэффициентов стоячей волны напряжений или входных сопротивлений, определяемых через К_ii.

Рабочие коэффициенты передачи как комплексные величины характеризуются модулем и фазой, которые являются функцией частоты со:

Зависимости модуля и фазы K_ji от частоты есть соответственно амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики. Наиболее важными показателями являются коэффициент усиления K₄₁ и его АЧХ и ФЧХ, которые количественно характеризуют частотные искажения амплитуды и фазы усиливаемого сигнала на выходе каскада. Рабочий диапазон частот усилителя задается нижней (f_Н) и верхней (f_B) граничными частотами, на которых ордината относительной АЧХ

уменьшается на некоторую заранее оговоренную величину, например, 3 дБ (M(f_{н, в}) = 1/√2 (рис. 1.8). В этом случае в рабочем диапазоне частот коэффициент неравномерности АЧХ не должен превышать 3 дБ:

Абсолютная полоса пропускания усилителя определяется разностью Δf=f_в-f_н, а отношение верхней и нижней граничных частот - коэффициентом перекрытия k_д=f_в/f_н.

К фазочастотной характеристике может предъявляться требование линейной зависимости от частоты. Оценка степени отклонения ФЧХ от линейной производится по частотной зависимости времени задержки τ(f) = dΦ(f)/df, отнесенной к времени задержки на некоторой фиксированной частоте

Максимально допустимые величины k_τ могут быть так же, как М, критериями линейных искажений и полосы пропускания. Однако, как правило, для этого используется амплитудно-частотная характеристика, поскольку измерение фазовых сдвигов на частотах в сотни мегагерц связано со значительными трудностями.

Входные комплексные сопротивления со стороны каких-либо полюсов могут быть представлены через рабочие коэффициенты передачи:

По отклонению Z_{BX i} от Z_i судят о степени согласования (в вышеуказанном смысле) входов усилителя с трактом, к которому он подключен. Степень согласования оценивается с помощью коэффициентов стоячей волны напряжения

где

- внешние коэффициенты отражения.

При идеальном согласовании КСВН = 1. Обычно! для УРУ максимально допустимый КСВН = 2. КСВН Непосредственно связан с рабочим коэффициентом усиления. Поэтому, если не выполнены определенные требования к КСВН, то АЧХ усилителя при изменении эксплуатационных условий (например, при изменении длины подводящего кабеля) может значительно измениться. При настройке усилителя по рабочему коэффициенту усиления необходимо контролировать КСВН со стороны входа и выхода.

Одним из важных технических показателей маломощных широкополосных усилителей является дифференциальный коэффициент шума F_ш, показывающий, во сколько раз отношение активных мощностей сигнала Р_{с вых} и шума Р_{ш вых} на выходе усилителя меньше того же отношения Р_{с вх} и Р_{ш вх} на его согласованном входе, т. е. [17]

Поскольку активная мощность шумов на выходе источника сигнала

а Р_ш4 представляет собой сумму активной мощности шумов на выходе, создаваемых усилителем (Р_{ш у вых}) и источником сигнала (Р_{ш и вых}), то формула (1.7) может быть записана в другом часто встречающемся виде

Активные мощности шумов определяются в узкой полосе частот Δf с центральной частотой f. Поэтому дифференциальный коэффициент шума является функцией частоты. F_ш измеряется как в линейных, так и в логарифмических единицах.

Рис. 1.9. Многокаскадный усилитель

Усилители с распределенным усилением обладают сравнительно малым коэффициентом шума. При определенных условиях можно обеспечить F_ш<4 дБ. Положительным свойством УРУ является то, что составляющая коэффициента шума, обусловленная источниками шума, сосредоточенными на выходных электродах УЭ, при отсутствии потерь в ПЛ обратно пропорциональна числу секций, т. е. уменьшается с увеличением числа усилительных элементов. Дифференциальный коэффициент шума многокаскадного усилителя (рис. 1.9) определяется известным соотношением

где F^(m)_ш - коэффициент шума m-то каскада; |K^(m)_{p 4}| модуль рабочего коэффициента усиления мощности m-го каскада; N - число каскадов.

Если коэффициент усиления одного каскада имеет величину порядка нескольких единиц, вопрос о том, какой из каскадов необходимо включать первым (для получения наименьшего F_ш каскадного соединения), решается не по наименьшей величине F^(m)_ш, а по наименьшей величине шумового числа или меры шума [21]

При достаточно большом К_Р41 мера шума практически равна F_ш-1.

Для широкополосного усилителя, каким является УРУ, весьма существенными становятся нелинейные искажения, которые можно оценивать различными способами. Для усилителей, используемых в связной аппаратуре, применяется способ оценки нелинейных искажений по мощности возникающих колебаний комбинационных частот при подаче на вход усилителя двух гармонических колебаний с одинаковыми амплитудами и разными частотами [18]:

Нелинейные искажения определяются путем сопоставления мощности выходных колебаний с комбинационными частотами P_вых(qf₁±pf₂) и мощности выходного колебания с частотой f₁ или f₂ P_вых(f_1,2)

(q, р = 0, 1, 2, кроме q = 0, р = 1 и р = 0, q = 1), где k(qf₁±pf₂) - частный коэффициент комбинационных искажений.

При Р_ш4<<Р_вых (qf₁ - рf₂) приведенная ко входу мощность комбинационной составляющей определяет чувствительность усилителя к любому другому малому сигналу с частотой f₃= (qf₁±pf₂). В этом смысле величина обратная k(qf₁±pf₂) является динамическим диапазоном усилителя

D_f измеряется как в линейных, так и в логарифмических единицах.