9.10. Действие гармонической э. д. с. на цепи с положительной обратной связью. Регенерация

В радиотехнике под регенерацией подразумевается компенсация потерь в колебательной цепи с помощью положительной обратной связи. Явление регенерации можно использовать для усиления колебаний. Схема регенеративного усилителя, изображенная на рис. 9.28, внешне не отличается от схемы автогенератора. Однако в регенеративном усилителе обратная связь не доводится до величины, соответствующей порогу генерации. При этом получается лишь частичная компенсация потерь в контуре и действие обратной связи сводится только к повышению добротности регенерированного контура.

Рис. 9.28. Регенеративный усилитель

В схеме на рис. 9.28 усиливаемое колебание с амплитудой Е и частотой со вводится в колебательный контур L, С, r, а обратная связь осуществляется с помощью катушки L_к, обтекаемой переменной составляющей коллекторного тока I_к и индуктивно связанной с катушкой контура L. Нетрудно выявить влияние параметров транзистора и обратной связи на эквивалентные параметры колебательного контура. Рассмотрим сначала более простой случай малых амплитуд, когда используется небольшой участок характеристики транзистора и средняя крутизна S_cp может быть приравнена крутизне S.

При гармонической э. д. с. с комплексной амплитудой Е и частотой со амплитуду тока в контуре (в стационарном режиме) можно определить с помощью следующего выражения:

где U_oc - комплексная амплитуда напряжения обратной связи, вводимого в контур. Так как цепь предполагается линейной (при малых амплитудах), то это напряжение совпадает по частоте с э. д. с. Е и может отличаться от последней лишь фазой.

Очевидно, что

а амплитуда переменной составляющей коллекторного тока I_к, если пренебречь реакцией выходной цепи, равна

где U_C - амплитуда напряжения на конденсаторе контура.

Таким образом, можно написать

Подставляя это выражение в уравнение (9.50) и решая его относительно I, получаем

Как и следовало ожидать (см. § 9.2), влияние положительной обратной связи сводится к уменьшению сопротивления потерь в контуре на величину отрицательного сопротивления

Таким образом, эквивалентное активное сопротивление регенерированного контура равно

а добротность

Отношение

где Q₀ = ρ/r_эк - добротность нерегенерированного контура, можно рассматривать как усиление схемы на резонансной частоте ω = ω_р, когда ωL - 1/ωС = 0.

Увеличением М можно добиться существенного увеличения Q_экв и, следовательно, повышения усиления. Следует, однако, иметь в виду, что увеличение Q_экв при заданной и неизменной резонансной частоте контура ω_р приводит к сужению полосы пропускания контура. Поэтому максимально допустимую величину MS/Cr можно определить из неравенства

При MS/Cr → 1 цепь теряет устойчивость, а при MS/Cr > 1 возникают автоколебания, т. е. усилитель превращается в генератор.

Иначе обстоит дело при больших амплитудах напряжения на входе усилителя. Увеличение амплитуды на зажимах база-эмиттер приводит к уменьшению средней крутизны S_cp и в соответствии с (9.52) к уменьшению r_отр. Зависимость S_cp и r_отр от амплитуды приводит к нелинейным искажениям усиливаемого сигнала.

Подставляя S_cp вместо S в выражение (9.51), получаем

а при резонансе

где

Из выражения (9.58) следует, что при усилении амплитудно-модулированного сигнала, когда Е = Е(t), амплитуда тока I(t) будет изменяться по закону, отличному от закона модуляции Е(t) (из-за зависимости S_cp от амплитуды колебания). Возникает нелинейное искажение усиливаемого сигнала, сопровождающееся образованием новых частот.

Нелинейный характер рассматриваемой цепи (при больших амплитудах Е) оказывает влияние также и на форму резонансной характеристики регенерированного контура. Действительно, при отклонении частоты входного сигнала ω от резонансной частоты ω_р возрастает реактивное сопротивление х = ωL - 1/ωС в (9.57), что приводит к уменьшению амплитуды тока I. Но уменьшение I в свою очередь приводит к уменьшению и r_экв [см. выражение (9.59)], что в некоторой степени компенсирует влияние возрастания х. В результате резонансная характеристика в верхней части уплощается, и тем сильнее, чем больше амплитуда внешней э. д. с., действующей на контур. При значительных расстройках преобладающее влияние на амплитуду оказывает реактивное сопротивление и резонансная характеристика быстро спадает почти до нуля (рис. 9.29).

Рис. 9.29. Резонансные характеристики регенеративного контура: I - при малых; II - при больших амплитудах; штриховая линия - в отсутствие регенерации

Из всего сказанного видно, что регенерацию можно эффективно использовать только для усиления слабых сигналов.

С явлением регенерации часто приходится встречаться в радиотехнике. Иногда приходится сталкиваться с возникновением регенерации в усилительных устройствах из-за наличия паразитных обратных связей, что может приводить к искажению сигналов.