Методичні вказівки з проектування лінійного підсилювача.

 

Лінійні підсилювачі (варіант найпростішого пропонується розрахувати в проекті) є одним з головних функціональних вузлів багатоканальної системи зв'язку. Вони, починаючи з кінцевого пункту (КП), через кожні 3...10 км встановлюються в усіх необслуговуваних (НПП) і обслуговуваних (ОПП), підсилювальних пунктах вздовж лінії зв'язку, що може досягати багатьох тисяч кілометрів. Всі лінійні підсилювачі одночасно підсилюють груповий сигнал в усій смузі частот і ввімкнені послідовно одинзадругим. Результуючі спотворення сигналу в пункті прийому визначаються сукупністю спотворень, внесених кожним підсилювачем. Тому до якісних показників підсилювачів пред'являються високі вимоги.

Лінійні підсилювачі, що застосовуються в системах зв'язку, використовуються для компенсації загасання сигналу, для підтримки рівнів сигналу при коливанні температури навколишнього середовища, для корекції амплітудно-частотної характеристики і виконують деякі інші функції. В залежності від місця встановлення (ОП, НПП, ОПП), функціонального призначення і робочого діапазону частот їх схемні рішення трохи відрізняються, однак загальна структура в цілому однакова. Це - дво- і трикаскадні підсилювачі з петлею глибокого зворотного зв'язку, що охоплює весь підсилювач, із трансформаторами на вході і виході.

 

 

5.1. Загальні питання схемотехники лінійних підсилювачів

 

В залежності від призначення і пропускної здатності різні багатоканальні системи передачі працюють у діапазоні частот від 12 кГц до 60 МГц, причому зазначена верхня границя не є межею.

Відомо, що загасання лінії зростає з підвищенням частоти. Тому в кожний лінійний підсилювач вводиться коректор амплітудно-частотної характеристики (КАЧХ), за допомогою якого підсилення на верхній робочій частоті в порівнянні з підсиленням на нижній робочій частоті підвищується в кілька десятків разів.

Абсолютна величина загасання в лінії залежить від її довжини, тобто від відстані між двома підсилювальними пунктами. Для його компенсації в підсилювачах встановлюються частотно-незалежні регулятори підсилення (РП), їх інакше називають подовжувачами або вирівнювачами. Це ступінчаті регулятори підсилення, що підбираються з декількох резисторів при настроюванні.

До складу лінійних підсилювачів вводиться також автоматичний регулятор підсилення (АРП). Він керується місцевим датчиком температури ґрунту або сигналами спеціальних контрольних частот. Його призначення - підтримка необхідного підсилення і форми АЧХ незалежними від кліматичних умов.

В результаті грозових розрядів і з інших причин на вхід і вихід підсилювача можуть потрапити небезпечні для працездатності підсилювача імпульсні перешкоди. Тому вхід і вихід завжди захищаються шунтуючими діодами. Діоди включені зустрічно. Корисний сигнал, що надходить на них, настільки малий по амплітуді, що ці діоди завжди знаходяться в закритому стані і на роботу підсилювача не впливають. Діоди відкриваються і шунтують вихідне коло підсилювача, якщо перешкода перевищить їхній поріг спрацьовування. Для кремнієвих діодів поріг спрацьовування складає 0,5...0,7 В.

До якісних показників лінійних підсилювачів пред'являються досить високі вимоги. Якісні показники по можливості не повинні залежати від умов експлуатації, що досягається за рахунок застосування відповідних схемних рішень.

У загальному випадку поліпшити і зробити більш стабільними параметри підсилювачів можна за допомогою різних кіл негативного зворотного зв'язку (НЗЗ). В лінійних підсилювачах широко використовуються ланцюги місцевих частотно-залежних і частотно-незалежних НЗЗ і обов'язково застосовується ланцюг загального НЗЗ, що охоплює весь підсилювач. Однак найпростіші способи зняття і введення сигналу зворотного зв'язку виявляються не завжди прийнятними. Наприклад, використання ланцюгів глибокого НЗЗ дає можливість стабілізувати коефіцієнт підсилення (передачі) підсилювачів. Відомо, що наскрізний коефіцієнт підсилення підсилювачів з негативним зворотним зв'язком підраховується по формулі

(1)

де – наскрізний коефіцієнт підсилення підсилювача без НЗЗ;

- коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку.

Якщо , то , тобто не залежить від зміни параметрів підсилювальних приладів і визначається тільки коефіцієнтом передачі ланцюга НЗЗ.

Стосовно до лінійних підсилювачів можна помітити, що вони працюють на змінне навантаження, тому що в процесі експлуатації лінії зв'язку її параметри сильно змінюються. Інакше кажучи, змінюються параметри навантаження підсилювача, а отже, і глибина зворотного зв'язку (зворотня різниця):

(2)

де

S - крутизна характеристики передачі підсилювача, що дорівнює відношенню збільшення струму в навантаженні до збільшення напруги сигналу на вході підсилювача;

Z_Н - опір навантаження підсилювача змінному струму.

Цього допустити не можна, оскільки неминуче виникає дрейф К _EF, змінюються вхідний і вихідний опори підсилювачів. Отже, попередня ділянка кабелю не буде навантажена на хвильовий опір і не буде працювати в режимі хвилі, що біжить, з'являться амплітудно-частотні спотворення.

Вдалося стабілізувати параметри підсилювача, застосувавши на вході і виході підсилювача диференціальні системи (шестиполюсники), що дозволяють реалізувати комбінований зворотний зв'язок (сигнал ЗЗ пропорційний струму і напрузі на виході і вводиться послідовно і паралельно по входу). Принцип роботи підсилювача із шестиполюсниками мостового типу на вході і виході можна пояснити за допомогою рис. 2.

Стосовно навантаження Z_Н ланцюг знімання напруги НЗЗ U_F виявляється підключеним в збалансовану діагональ моста, а тому напруга НЗЗ не залежить від напруги на навантаженні. Таким чином, глибина ЗЗ не залежить від параметрів навантаження Z_Н, коефіцієнт підсилення постійний, постійний вхідний опір підсилювача і дорівнює його пасивному опору. Вхідний опір Z_вх не залежить від виду коригувальних ланцюгів в петлі ЗЗ, тому що у вхідну мостову схему (аналогічну за структурою вихідної) напруга ЗЗ подається в протилежну діагональ стосовно точок підключення вхідної лінії.

На практиці диференціальні системи реалізуються за допомогою триобмоточних трансформаторів і додаткових зовнішніх ланцюгів.

З метою підвищення стійкості лінійних підсилювачів їхня смуга пропускання в області верхніх частот штучно обмежується. Для цього вхід і вихід підсилювача шунтується конденсаторами. Величина їхньої ємності вибирається такою, щоб у робочій смузі вони не впливали на форму АЧХ. Конденсатори одержали назву конденсаторів високочастотного обходу.

Конденсаторами високочастотного обходу блокується і ланцюг подачі зворотного зв'язку або окремих її частин. Необхідність їх встановлення викликана тим, що в області верхніх частот опори монтажних ємностей у ланцюзі ЗЗ стають досить малі, і глибина ЗЗ значно зменшується. В результаті умови стійкості можуть бути порушені. Конденсатор обходу дозволяє підвищити стійкості лінійних підсилювачів в області верхніх частот.

Використання в підсилювачах місцевих ланцюгів НЗЗ також почасти пояснюється прагненням підвищити усталеність підсилювачів за рахунок зменшення глибини загального зворотного зв'язку.

Функціональна схема підсилювача представлена на рис. 3.

На вході і виході диференціальних систем 1 і 2 встановлюється діодний захист від імпульсних перешкод 5; вхід, вихід підсилювача 3 і частина ланцюга НЗЗ 4 шунтуються конденсаторами високочастотного обходу 6.Їхнє призначення - обмеження смуги пропускання підсилювача за межами верхньої робочої частоти сигналу. Усі регулювання в підсилювачі зручно поставити в ланцюг зворотного зв'язку, оскільки таке рішення дозволяє запобігти яким-небудь комутаціям схеми підсилювача і разом з тим зробити

необхідну корекцію параметрів підсилювача без зміни його вхідних характеристик.

До складу ланцюга НЗЗ входять, як правило, три основних компонента:

1. Автоматичне регулювання підсилення (АРП) за сигналом контрольних частот або за сигналом термодатчика.

2. Частотно-незалежний регулятор підсилення РП.

3. Коректор амплітудно-частотної характеристики з постійними параметрами (КАЧХ). Останній часто називається контуром постійного нахилу, а весь ланцюг НЗЗ - b - або В-ланцюгом.

Підсилювач електричних сигналів у різних джерелах називається m -ланцюгом, D - ланцюгом або К-ланцюгом. Це історично сформовані назви.