Шаг за шагом

Мы уже несколько раз упоминали об обратной связи в усилительном каскаде. Сейчас настал момент поговорить о ней более подробно.

Напряжение на сетке лампы управляет анодным током и тем самым влияет на анодное напряжение. Иными словами, цепь управляющей сетки связана с анодной цепью через электронный поток, и эта нормальная, прямая связь между сеткой и анодом лежит в основе усилительных свойств лампы.

Но в усилительном каскаде может возникнуть и обратная связь, то есть обратное влияние анода на управляющую сетку. Часто обратная связь возникает помимо нашего желания (например, через источники питания, через проходную емкость лампы или из-за близкого расположения анодных и сеточных цепей), и при этом она может сильно ухудшить работу приемника или усилителя.

Однако во многих случаях мы умышленно создаем в усилительном каскаде обратную связь и с ее помощью улучшаем работу каскада, например, снижаем искажения в усилителе НЧ или повышаем избирательность усилителя ВЧ.

В этом отношении обратная связь чем-то напоминает огонь, который при умелом обращении с ним может сделать много полезных дел. Но огонь может стать страшным злом, если потерять над ним контроль.

Влияние обратной связи на работу каскада прежде всего зависит от того, как взаимодействует напряжение, поступившее на сетку из анодной цепи (напряжение обратной связи U_ос), с усиливаемым сигналом U_вх, поступившим на сетку с предыдущего каскада.

Если оба эти напряжения действуют «согласованно», то есть если их положительные полупериоды, как и отрицательные, наступают одновременно, то обратная связь называется положительной. Если же напряжение обратной связи противо­действует напряжению усиливаемого сигнала, то обратная связь называется отрицательной (рис. 117).

Поясним все это примерами. Предположим, что в усилителе без обратной связи на сетку подается переменное напряжение U_вх с амплитудой 10 в. Введем слабую отрицательную обратную, которая создает на сетке переменное напряжение U_ос с амплитудой 1 в. Поскольку обратная связь отрицательна, то напряжение на сетке U_с уменьшается до 9 в. Усилим обратную связь настолько, чтобы амплитуда напряжения U_ос равнялась бы 3 в. Это приведет к дальнейшему уменьшению результирующего напряжения до 7 в (10 в - 3 в = 7 в).

Теперь подадим на сетку напряжение положительной обратной связи U_ос с такими же амплитудами. Поскольку при положительной обратной связи напряжения U _вх и U_ос склады­ваются, то результирующее напряжение U_с будет составлять соответственно 11 в и 13 в (10 в + 1 в и 10 в + 3 в).

Попутно заметим, что при введении обратной связи всегда отбирается энергия из анодной цепи лампы и передается в ее сеточную цепь. Однако сам отбор этой энергии почти не влияет на процессы в анодной цепи, так как для создания обратной связи, как правило, нужна очень небольшая мощность - всего несколько процентов полезной выходной мощности каскада.

Существует много схем обратной связи. Некоторые из них упрощенно показаны на листах 157, 158. В одной из приведенных схем (б) напряжение обратной связи создается на сопротивлении R_K при прохождении по нему переменной составляющей анодного тока. Переменный анодный ток создает на сопротивлении R_K переменное падение напряжения, которое действует между катодом и шасси, то есть фактически подается на управляющую сетку (лист 137). Так и осуществляется влияние анодной цепи на сеточную, то есть обратная связь между этими цепями. Напомним, что когда сопротивление было зашунтировано конденсатором, то переменная составляющая анодного тока проходила помимо сопротивления R_K, переменного напряжения на нем не возникало, и поэтому обратная связь отсутствовала.

Обратная связь в этом случае всегда получается отрицательной, и это легко пояснить примером. Предположим, что на сетке увеличивается положительное напряжение U_вх и это, как обычно, увеличивает анодный ток. При этом возрастает и напряжение U_K, которое анодный ток I_а создает на сопротивлении R_K (U_K = I_a x R_K - закон Ома!). Поскольку «плюс» напряжения U_K приложен к катоду, а «минус» к сетке, то с увеличением этого напряжения анодный ток будет уменьшаться (чем больше «минус» на сетке, тем меньше анодный ток!). Из всего этого следует, что с увеличением положительного напряжения U_вх, которое «стремится» увеличить анодный ток, возрастает и отрицательное напряжение обратной связи U_K (U_oc), которое «стремится» уменьшить анодный ток. Иными словами, оба эти напряжения действуют «друг против друга», а значит, обратная связь отрицательна. Чем больше сопротивление R_K, тем больше и напряжение обратной связи, или, как говорят иначе, тем сильнее, глубже обратная связь.

В другой схеме (а) сопротивление утечки R_c и емкость С_ос (это может быть междуэлектродная емкость или специально включенный конденсатор) образуют делитель напряжения, и часть переменного анодного напряжения действует на сопротивлении R_c то есть между сеткой и катодом. Это и есть напряжение обратной связи. Оно будет тем больше, чем выше частота усиливаемого сигнала и чем больше емкость С_ос, то есть чем меньше сопротивление верхнего участка делителя (х_с). В данном случае обратная связь может быть как положительной, так и отрицательной - это зависит от многих факторов и в том числе от частоты усиливаемого сигнала.

В некоторых случаях обратная связь осуществляется с помощью специальной катушки обратной связи L_oc (лист 158), которая располагается вблизи контурной катушки L_K. Здесь легко можно изменить характер обратной связи, то есть установить положительную или отрицательную обратную связь. Для этого достаточно поменять местами концы катушки L_oc или контурной катушки L_K или же повернуть одну из катушек вверх «дном», то есть на 180 градусов. Степень связи зависит от соотношения числа витков этих катушек и от расстояния между этими катушками: при сближении катушек обратная связь усиливается. Обратная связь может охватывать сразу несколько каскадов. Так, например, в усилителях НЧ иногда вводят обратную связь между анодной цепью выходного и сеточной цепью первого каскада.

Вы, очевидно, помните, что при детектировании, наряду с полезным низкочастотным сигналом, появляются «отходы производства» - постоянная и высокочастотная составляющие. Поскольку сеточный детектор не только детектирует, но и усиливает, то в его анодной цепи мы получим высокочастотную составляющую более мощную, чем в цепи сетки. До сих пор этот высокочастотный сигнал пропадал у нас напрасно - он сразу же замыкался на «землю» через конденсатор фильтра С_{ф вч} (С _{ф д}, см. лист 150).

Теперь мы попробуем использовать высокочастотную составляющую — создадим положительную обратную связь и часть бесполезно пропадавшей высокочастотной энергии из анодной цепи детектора направим в его сеточную цепь, а точнее, в колебательный контур (лист 162).

Во всяком контуре неизбежно существуют потери энергии. Как мы уже говорили, эти потери удобно характеризовать сопротивлением R_k (не путайте с катодным  сопротивлением), включенным последовательно с катушкой и конденсатором. Чем больше R_k, то есть чем больше потери в контуре, тем хуже его добротность и «тупее» резонансная кривая, тем меньше напряжение,  действующее  на  контуре при  резонансе. Благодаря положительной обратной связи в контур поступает дополнительная энергия, которая компенсирует потери в нем, что равносильно уменьшению сопротивления R_k. Чем сильнее положительная обратная связь, тем в большей степени скомпенсированы потери в контуре, тем выше его добротность и острее резонансная кривая, тем больше напряжение сигнала, действующее на контуре (рис. 118).

Таким образом, положительная обратная связь улучшает избирательность и повышает чувствительность приемника. Положительная обратная связь может применяться не только в сеточном детекторе, где ВЧ составляющая ранее не использовалась, но и в усилителе ВЧ, где некоторую часть энергии усиленного сигнала можно безболезненно направить во входной контур для компенсации потерь в нем.

Сеточный детектор с положительной обратной связью называют  регенеративным детектором. Слово  «регенерация» (восстановление, восполнение) в данном случае относится к компенсации потерь в контуре, к восполнению теряемой в нем энергии. Работа регенеративного детектора или усилителя ВЧ очень сильно зависит от степени положительной обратной связи: при слишком слабой связи добротность контура увеличится незначительно, при чрезмерно сильной связи регенеративный детектор начинает генерировать, то есть сам становится источником высокочастотного напряжения (рис. 119).

Последнее можно объяснить следующим образом. При сильной обратной связи создаются условия для полной компенсации сопротивления потерь и достаточно малейшего толчка напряжения на конденсаторе С_k или тока в катушке L_k, чтобы в контуре начались незатухающие колебания, то есть чтобы регенеративный детектор превратился в генератор. Практически появление генерации можно определить по сильному «свисту», на фоне которого иногда с большими искажениями прослушивается принимаемая станция.

В регенеративном детекторе желательно установить достаточно сильную положительную обратную связь (чем сильнее эта связь, тем выше добротность контура), но в то же время нельзя допустить появления генерации.

К сожалению, на степень, или, как обычно говорят, глубину, обратной связи сильно влияет много различных факторов: глубина обратной связи зависит от питающих напряжений, от силы принимаемого сигнала и от его частоты: с повышением частоты обратная связь усиливается. Поэтому в приемнике прямого усиления нельзя раз и навсегда установить наивыгоднейшую обратную связь, а приходится в каждом отдельном случае подбирать ее. Для регулирования обратной связи в приемнике имеется отдельный орган управления, чаще всего переменное сопротивление, изменяющее режим каскада, или конденсатор переменной емкости (рис. 120, листы 160, 161, 162).

Попутно заметим, что регенеративный детектор или усилитель ВЧ с положительной обратной связью нельзя использовать в качестве первого каскада приемника, так как при регулировании обратной связи приемник может превратиться в передатчик, создающий сильные радиопомехи.

На чертеже 15 показаны принципиальная и монтажная схемы высокочастотной части двухдиапазонного приемника прямого усиления 1-V-2 с регенеративным детектором.

В приемнике используются те же детали, что и в детекторном приемнике. Катушки L₁ и L₃, которые раньше включались в антенную цепь, сейчас используются для получения положительной обратной связи. Число витков этих катушек следует уменьшить в пятнадцать — двадцать раз по сравнению с данными, приведенными на чертежах 4 и 5. Правильность подключения катушек L₁ и L₃ определяется опытным путем. Для регулировки обратной связи при настройке на принимаемую станцию используется переменное сопротивление R₃₂, которое ранее использовалось в цепи регулировки тембра (R₁₆). С помощью этого сопротивления можно изменять постоянное напряжение на аноде лампы детектора (R₃₂ вместе с R'₃₂ образует делитель напряжения). При этом изменяется усиление регенеративного детектора, а следовательно, и глубина обратной связи.

Почти все детали приемника уже знакомы нам. Следует лишь еще раз обратить внимание на каскад сеточного детектора с положительной обратной связью. С анодной нагрузки усилителя ВЧ (контур L₂С₅ или L₄С₅) высокочастотный сигнал через переходной конденсатор С₂₆ подается на сетку детекторного каскада (триодная часть лампы Л₁. Детектирование осуществляется в сеточной цепи лампы, и нагрузкой детектора служит сопротивление R₁₁. Как мы уже отмечали, в анодной цепи сеточного детектора существует и высокочастотная и низкочастотная составляющие усиленного сигнала. В соответствии с этим в анодную цепь включаются два сопротивления нагрузки: R'₂₄ для ВЧ составляющей и  R"₂₄ для НЧ составляющей. Непосредственно с анода лампы через разделительный конденсатор С'₂₆ высокочастотная составляющая подается на катушки обратной связи L₁ или L3.

В процессе налаживания приемника ориентировочно устанавливается необходимая обратная связь подбором емкости конденсатора С'₂₆ и сопротивления R'₂₄, которое играет роль анодной нагрузки для ВЧ составляющей. При настройке приемника на станцию в каждом отдельном случае нужно подбирать наивыгоднейшую обратную связь с помощью сопротивления R32.

Распайка выводов контурных катушек и катушек обратной связи показаны на чертеже 8. Схема аналогичного приемника с питанием от батарей приведена на чертеже 14, в.

Используя отдельные узлы, схемы которых приведены на чертежах 13, 14, 15, можно собрать приемник прямого усиления по нескольким различным схемам: с разными усилителями ВЧ или вообще без них, с различными детекторными каскадами. Наиболее высокой чувствительностью и избирательностью будет обладать приемник 1-V-2 с регенеративным детектором. Правда, у этого приемника имеется серьезный недостаток — сложность настройки на станцию. Это связано с тем, что, кроме настройки, в резонанс колебательного контура необходимо еще и подобрать наивыгоднейшую обратную связь. Особенно осложняется настройка на более высоких частотах, например в начале средневолнового диапазона. На коротких волнах регенеративный детектор работает крайне неустойчиво, а настройка на станцию приемника с таким детектором очень затруднена. По всем этим причинам приемники с регенерацией уже много лет не выпускаются промышленностью. Если же отказаться от положительной обратной связи, то в приемнике прямого усиления трудно будет получить удовлетворительную чувствительность и избирательность. Для этого нужно иметь сложнейший блок конденсаторов и очень большое количество катушек (рис. 121).

Но и при использовании большого числа контуров избирательность и чувствительность приемника прямого усиления будут резко ухудшаться с увеличением частоты и на КВ диапазоне станут совершенно неудовлетворительными. Одна из причин ухудшения избирательности состоит в том, что при переходе на средние и особенно на короткие волны приходится уменьшать индуктивность катушек, а при этом уменьшается добротность контуров (лист 77). Из-за уменьшения индуктивности катушек падает и эквивалентное сопротивление контуров R_оэ, используемых в качестве анодной нагрузки (лист 152), а следовательно, и усиление высокочастотных каскадов.

Большинство недостатков приемника прямого усиления сравнительно просто устраняется в супергетеродине, с работой которого мы познакомимся в следующем разделе.