БЕСЕДА ОДИННАДЦАТАЯ

Рассматривая различные виды межкаскадной связи, наши друзья сосредоточили свое внимание на усилении низкой частоты. Они изучили различные схемы, но проблема выходного каскада осталась неосвещенной. Однако, когда нужно создавать значительную мощность, прибегают к особым схемам и режимам работы, которые и явятся предметом настоящей беседы.

Содержание: Выбор рабочей точки. Экономичная схема с плавающей рабочей точкой. Двухтактный усилитель в режиме В. Поворот фазы с помощью трансформатора. Фазоинвертор. Катодный повторитель на транзисторах. Двухтактный усилитель с дополнительной симметрией. Практическая схема выходного каскада.

ЭКОНОМИЯ И МОЩНОСТЬ

Незнайкин проявляет зазнайство

Незнайкин. — Я полагаю, что с полученными мною знаниями в области низких частот смогу теперь рассчитать все элементы усилителей на транзисторах.

Любознайкин. — Я всегда восхищался твоей скромностью...

Н. — Не иронизируй. В этой области все просто и ясно. Если речь зайдет о трансформаторной связи, то я рассчитаю отношение чисел витков, дающее наилучшее согласование каскадов. И поверь мне, извлечение квадратного кория меня не испугает... Если же встанет вопрос о реостатно-емкостной связи, то разве не ты научил меня определять нагрузочную прямую?

Рис. 97. На графике видно, как ток коллектора изменяется под воздействием приложенного на вход сигнала. Последний имеет максимально допустимую амплитуду.

Я так проведу ее, что, будучи касательной к гиперболе допустимой мощности, она позволит иметь наибольшую амплитуду сигналов на выходе, потому что рабочая точка будет находиться посередине

Л. — Рискуя тебя огорчить, я должен сказать, что дело обстоит не так уж просто. На первый взгляд ты прав, но при расчете усилителей нужно также учитывать и имеющуюся на входе мощность, полосу усиливаемых частот, роль обратной связи, допустимый коэффициент искажений и еще массу других обстоятельств.

Н. — Довольно забрасывать меня этими требованиями. Я признаюсь, что согрешил от избытка наивной гордости. И тем не менее дело выглядит достаточно просто, когда прибегают к помощи семейства характеристик и нагрузочной прямой (рис. 97). Наш входной сигнал (сигналом можно считать как напряжение, так и ток) имеет право занимать часть нагрузочной прямой, ограниченную двумя точками: с одной стороны точкой А, где начинается изгиб характеристик, а с другой — точкой Б, в которой ток базы приближается к нулю.

Л. — Что, как ты знаешь, является причиной нелинейных искажений.

Н. — Бесспорно. Поэтому рабочую точку Р нужно выбрать на равном удалении от точек А и Б. В этом случае максимальная амплитуда входного сигнала будет РА или РБ или, вернее, разница между соответствующими значениями тока или напряжения . На моем рисунке эта амплитуда имеет величину порядка . Она изменяет ток коллектора от 7 до при среднем значении тока , т. е. с амплитудой .

Л. — Чудесно, Незнайкин. Надеюсь, что ты полностью удовлетворен работой своего транзистора.

Долой расточительство!

Н, — Не совсем. Насколько все идет хорошо при большом сигнале, настолько же я прихожу в отчаяние от непомерного расхода энергии при слабых сигналах или в отсутствие усиливаемого сигнала Какова бы ни была амплитуда, потребление тока всегда одинаково — оно соответствует точке Р. А ведь для слабых сигналов рабочую точку можно было переместить ниже на другую нагрузочную прямую, соответствующую меньшим токам, например в точку Р (рис. 98). В результате потребление энергии сократилось бы и мы сэкономили бы на батареях, которые обходятся достаточно дорого.

Л. — Ты хочешь разорить выпускающие их фирмы

Н. — Нет, но я считаю, что, слушая симфонию, нерационально затрачивать во время пианиссимо такую же мощность, какую требуют моменты игры всего оркестра.

Рис. 98. Когда амплитуда сигналов снижается, выгоднее переместить рабочую точку из Р в .

Однако я не вижу, каким способом можно было бы заставить рабочую точку перемещаться на иижнюю нагрузочную прямую, чтобы затрачивать только мощность, строго необходимую для воспроизведения без искажений сигналов разной величины.

Л. — Стремление избежать расточительства похвально. Поэтому охотно укажу тебе соответствующие средства. Чтобы твоя рабочая точко могла переходить с одной нагрузочной прямой на другую, надо изменять напряжение смещения Оно должно повышаться с амплитудой сигнала, и это должен делать сам сигнал.

Н. — Как? Ведь сигнал это переменный ток, а смещение — постоянный.

Л. — Ты знаешь превосходное средство для превращения переменного тока в постоянный: это выпрямитель. Именно его и применяют, чтобы получить переменное смещение.

Рис. 99. Выходной каскад с плаваюшей точкой смещения. Цепь автоматической регулировки смещения, обозначенная жирными линиями, при увеличении амплитуды сигналов позволяет повысить напряжение смешения.

Вот практическая схема усилителя с «плавающей» рабочей точкой (рис. 99). Ты видишь, что усиленные сигналы, снимаемые с дополнительной обмотки на выходном трансформаторе, выпрямляются с помощью полупроводникового диода Д; они создают на выводах сопротивления падение напряжения, которое делает точку X более или менее отрицательной. Конденсатор С сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, так что его величина соответствует среднему значению усиливаемого сигнала.

Н. — Да, это напоминает мне систему АРУ. Там мы тоже встречали конденсатор, который вместе с сопротивлением придавал системе АРУ инерционность подобно маховику-регулятору.

Л. — Сравнение весьма удачное, хотя наше устройство напоминает не столько обычную АРУ, сколько АРУ, работающую «наизнанку». Здесь тоже амплитудные изменения усиленных напряжений выпрямляются, после чего используются для управления смещением на входе. Действительно, напряжение точки X прикладывается к общей точке сопротивлений . которые соединяют базу с отрицательным полюсом источника питания. Правильный выбор значений трех сопротивлений позволяет сделать смещение пропорциональным амплитуде сигналов. Таким образом, база становится здесь тем более отрицательной, чем сильнее сигналы. Но в отличие от знакомой тебе АРУ в ламповых приемниках, увеличение отрицательного смещения в цепи базы транзистора структуры р-n-р не запирает его, а еще более открывает, увеличивая токи базы и коллектора.

Да здравствует режим В!

Н. — Твоя схема с плавающей точкой смещения мне очень нравится. Когда я буду собирать свой приемник на транзисторах, то непременно поставлю на выходе прекрасный двухтактный каскад с этим устройством, скользящее напряжение смещения.

Л. — В двухтактной схеме, мой дорогой Незнайкин, можно сделать лучше: ты можешь приложить там постоянное смещение, достаточно малое, чтобы в состоянии покоя ток был почти равен нулю.

Н. — Не хочешь ли ты этим самым сказать об усилении в режиме В? В ламповых схемах это соответствует работе на нижнем изгибе анодносеточной характеристики.

Л. — Да, как раз о режиме В я и хотел поговорить с тобой. Ты должен выбрать для точки Р место, соответствующее очень небольшому, но не нулевому значению коллекторного тока, так как если ты уйдешь слишком далеко, слабые сигналы окажутся на нелинейной части характеристики (рис. 100).

Н. — Я вижу, что здесь полупериоды, которые повышают напряжение базы, вызывают значительное увеличение коллекторного тока, тогда как полупериоды с обратным направлением лишь незначительно изменяют его величину. В результате мы имеем чудовищные искажения.

Л. — Они не позволили бы применять один транзистор в режиме В. Но если ты поставишь два транзистора по двухтактной схеме, то равномерно распределишь между ними работу: один возьмет на себя положительные полупериоды, а другой отрицательные. Благодаря симметричности схемы искажения, вносимые каждым транзистором, нейтрализуются искажениями другого транзистора.

Рис. 100. В режиме В рабочая точка переносится ближе к нижнему концу нагрузочной прямой, что позволяет прилагать сигналы с амплитудой, вдвое большей, чем в режиме А. Форма коллекторного тока, как это показано, сильно искажена.

Н. — Одним словом, такой усилитель в режиме В напоминает «грушу», которую два боксера одновременно используют для тренировки: стоя по обе стороны, они наносят по ней удары, которые поочередно отклоняют ее то вправо, то влево.

Л. — Все это верно, и вдвоем они сильнее раскачают ее, чем это мог бы сделать один боксер.

Н. — Действительно, рабочая точка находится ближе к одному концу нагрузочной прямой, и для входного сигнала мы располагаем пространством вдвое большим, чем в режиме А, где рабочая точка находится на середине нагрузочной прямой.

Л. — Как ты видишь, режим В допускает амплитуды вдвое большие, чем режим А. Расход тока, очень небольшой в отсутствие сигнала, возрастает пропорционально амплитуде сигналов. И я еще не сказал тебе, что режим В позволяет свободно превысить ограничения, наложенные гиперболой допустимой мощности.

Н. — Хочешь ли ты этим сказать, что нагрузочная прямая может пройти за пределами этой кривой?

Л. — Совершенно правильно, и без опасности для транзистора, так как рассеиваемая им мощность лишь в отдельные моменты будет превышать эту границу.

Зато во время положительных полупериодов сигнала транзистор попросту запирается и практически не рассеивает никакой мощности. Однако здесь следует учитывать другую характеристику, указанную в справочниках по транзисторам: не превышать допустимое пиковое значение коллекторного тока .

Н. — Я обещаю тебе никогда не превышать этой величины. Получив такое заверение, ты, не опасаясь, можешь посвятить меня во все тайны двухтактной схемы на транзисторах.

Царство симметрии

Л. — Прежде всего запомни, Незнайкин, что схемы, которые мы сейчас разберем, применяются как в режиме В, так и в режиме А. Различие состоит лишь в величине смещения. Чаще всего применяется схема с ОЭ, дающая наибольшее усиление. Однако когда хотят максимально снизить искажения, то отдают предпочтение схеме с ОБ. И, наконец, если входное сопротивление должно быть высоким, а выходное малым...

Рис. 101. Двухтактная схема с трансформатором в качестве фазоинвертора. Транзисторы включены по схеме с ОЭ.

Рис. 102. Как и на предыдущем рисунке фазоннвертором служит трансформатор. Транзисторы здесь включены по схеме с ОБ.

Н. - ... применяют схему с ОК. Я сомневался в этом. Что же касается поворота фазы, то я полагаю, что его легко достигают при помощи трансформатора с выводом от средней точки вторичной обмотки. Точно так же вывод от середины первичной обмотки выходного трансформатора должен позволить объединить выходные сигналы обоих транзисторов

Л. — Правильно, а вот изображение двух схем: первая с ОЭ (рис. 101), а вторая с ОБ (рис. 102). Ты должен оценить исключительную симметрию этих схем.

Н. — Необходимо ли применять, как это ты нарисовал, специальные батареи для смещения?

Л. — Нет, смещение осуществляется классическими методами: с помощью последовательно включенного сопротивления или делителя напряжения, подключенного к общей батарее. Я не изобразил этих цепей (которые ты теперь уже хорошо знаешь), чтобы не нарушать ясности рисунка.