БЕСЕДА ДВЕНАДЦАТАЯ

Подробный анализ усиления колебаний звуковой частоты, который явился предметом двух предшествующих бесед, значительно облегчил задачу Любознайкина. Теперь он объяснит Незнайкину методы усиления колебаний высокой частоты. Он покажет, чем соответствующие транзисторные схемы похожи на ламповые и чем отличаются от них. В заключение он рассмотрит устройство автоматической регулировки усиления, используемое в усилителях промежуточной частоты на транзисторах.

Содержание: Граничная частота. Межкаскадная связь с помощью колебательных контуров. Затухание. Каскады высокой и промежуточной частоты. Емкость коллектор — база. Схема нейтрализации. Автоматическая регулировка усиления. Изменение внутренних емкостей и сопротивлений транзистора. Усиленная автоматическая регулировка усиления.

ОБЛАСТЬ ВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Жертва обстоятельств

Незнайкин. — Ты, очевидно, видишь, Любознайкин, что я одновременно горд и очарован; горд тем, что успешно собрал первую свою схему на транзисторах, и очарован тем, что в моем чемодане с радиограммофоном имеется этот миниатюрный усилитель, который при более чем скромном аппетите дает громкое и чистое звучание.

Любознайкин. — Я очень счастлив видеть, как успешно применил ты на практике знания, которые я сумел тебе внушить. Вот ты и удовлетворен нашими занятиями.

Н. — По правде говоря, не совсем, так как я хотел бы использовать свой усилитель не только со звукоснимателем, но также и в качестве низкочастотной части радиоприемника. Однако я не знаю, как сделать каскады, предшествующие усилителю низкой частоты.

Л. — Ну вот, познакомив тебя с усилителями низкой частоты, я стал жертвой обстоятельств и теперь должен рассказать тебе о каскадах высокой и промежуточной частоты, а также, разумеется, о преобразовании частоты и детектировании, потому что приемник на транзисторах практически имеет ту же «анатомию», что и приемник на лампах. Так начнем с усиления по высокой частоте.

Транзисторы на высоких частотах

Н. — Я знаю, что это слабое место транзисторов, потому что, как ты мне сказал, их усиление снижается при повышении частоты.

Л. — Правда, в справочных данных по транзисторам указывают величину граничной частоты. Это частота, при которой усиление по току падает до 70% своего значения на низкой частоте. Но это не мешает в ряде случаев использовать эти транзисторы на частотах, значительно более высоких, смиряясь с известным снижением усиления. Благодаря прогрессу технологии предельная рабочая частота транзисторов непрерывно повышается. И в наши дни усиление токов с частотой в несколько сотен мегагерц, соответствующих метровым волнам, применяемым для телевидения и радиовещания с частотной модуляцией, не представляет больше проблемы.

Н. — В чем же тогда заключается трудность? Я полагаю, что остается принять для транзисторов те же самые схемы, которые используются для ламп.

Л. — Этого нельзя было бы сделать, не принимая во внимание относительно небольших значений выходного и особенно входного сопротивлений транзисторов.

Н. — А что, разве они создают здесь большие трудности, чем на низких частотах? Я предполагаю, что достаточно применить в цепях связи понижающие трансформаторы с соответствующим коэффициентом, чтобы осуществить согласование сопротивлений, как мы это делали в области низких частот.

Двойная цель

Л. — Ты забываешь, Незнайкин, что при усилении по высокой частоте надо не только усилить слабые сигналы, полученные антенной, но и произвести отбор сигналов, так сказать, отсортировать хорошее зерно от семян сорняков. Иначе говоря, перед каскадами как высокой частоты, так и промежуточной стоят две задачи: усиление и избирательность. Транзисторы принимают на себя задачу усиления ...

Рис. 108. Колебательные контуры на входе и выходе каскада высокой частоты на транзисторе,

Рис. 109. Схема межкаскадной связи с одиночным колебательным контуром.

Н. - ... а настроенные контуры, которые образуют связывающие звенья, обеспечивают избирательность.

Л. — Именно это я и хотел тебе сказать. Но возьми каскад, где на входе и на выходе имеется по настроенному коитуру (рис. 108). Контур на входе включен между базой и эмиттером, т. е. параллельно входному сопротивлению, имеющему 200 — 2 000 ом. Это сопротивление шунтирует контур и значительно увеличивает его затухание, из-за чего резонансная характеристика становится более тупой. Менее катастрофически обстоит дело с выходным контуром, включенным параллельно сопротивлению коллектор — эмиттер, имеющему несколько десятков килоом. Но и в этом случае затухание возрастает.

Н. — Как же тогда согласовать сопротивления и избежать при этом чрезмерного шунтирования контуров? Это история о козе и капусте...

Л. — Примирить их удается путем соответствующего выбора отношения индуктивности к емкости и неполной связью контура с транзисторами, для чего на входе и выходе включают не всю обмотку, а только часть ее витков.

Рис. 110. Схема автотрансформаторной связи со следующим каскадом. Здесь сопротивления согласованы лучше, чем в предыдущей схеме.

Рис. 111. Для уменьшения затухания, вносимого в колебательный контур выходным сопротивлением предыдущего транзистора, последний соединяют лишь с частью витков катушки колебательного контура.

Это должно снизить вносимое затухание. И, разумеется, стараются согласовать сопротивления путем подбора необходимого соотношения чисел витков в обмотках трансформатора.

Н. — Значит, связь всегда должна устанавливаться с помощью трансформатора.

Рис. 112. Схема трансформаторной связи следующего каскада с колебательным контуром.

Рис. 113. Схема межкаскадной связи с двумя индуктивно связанными колебательными контурами, образующими полосовой фильтр.

Л. — Не обязательно. Зачастую применяют простую схему с параллельным колебательным контуром в цепи коллектора. Это своеобразная разновидность реостатно-емкостной связи (рис. 109). Но лучше прибегнуть к помощи автотрансформатора с настроенной обмоткой, которая при помощи отводов соединяется с выходом предшествующего транзистора и со входом следующего (рис. 110 и 111). Максимальную же избирательность и наилучшее воспроизведение звука можно получить, применив трансформатор с настроенной первичной обмоткой (рис. 112) или, еще лучше, с обеими настроенными обмотками (рис. 113, 114).

Рис. 114. Та же схема, что и на рис. 113, но с автотрансформаторным включением обоих транзисторов. Это обеспечивает лучшую избирательность, так как вносимое транзисторами в колебательные коитуры затухание уменьшается.

Последнее часто используется в каскадах промежуточной частоты, где такие трансформаторы при правильном выборе связи между обмотками представляют прекрасные полосовые фильтры.

Н. — Это значит, что они пропускают всю полосу модулирующих частот, но очень сильно ослабляют все частоты вне этой полосы.

Л. — Да, Незнайкин. Ты не забыл, что это наилучший способ решить противоречие между высокой избирательностью и верным воспроизведением музыки.

Невидимая опасность

Н. — Я убеждаюсь, что если заводы, выпускающие катушки индуктивности, правильно выполняют свою работу, то я не столкнусь ни с какими трудностями при реализации своих каскадов высокой и промежуточной частоты.

Л. — Огорчен, но вынужден окатить твой безмятежный оптимизм ушатом холодной воды. В транзисторе имеется скрытая опасность, которая поджидает тебя и может причинить немало неприятностей.

Н. — Ну так что же, я предпочитаю сражаться с открытым забралом. Что же представляет собой эта твоя новая ловушка?

Л. — Это внутренняя емкость между коллектором и базой. Если на входе и на выходе ты имеешь контуры, настроенные на одну частоту, то этой емкости (которая может быть порядка нескольких десятков пикофарад) достаточно, чтобы образовать между контурами связь, превращающую мирный транзистор в генератор высокочастотных колебаний.

Рис. 115. Конденсатор служит для нейтрализации действия внутренней емкости коллектор — база.

Рис. 116. Вариант схемы нейтрализации, применяемый в усилителях с полосовыми фильтрами.

Н. — Вспомнив, что для предотвращения подобных связей, возникающих из-за емкости между анодом и сеткой в лампах-триодах, между этими электродами установили экранирующую сетку, на которую подается постоянный потенциал, я подозреваю, что так же поступают и в транзисторах.

Л. — В некоторой мере ты прав: так устроены транзисторы n-p-i-p, о которых мы уже говорили. Слой беспримесного полупроводника в определенном смысле играет роль экрана, снижающего емкость база — коллектор. В дрейфовых моделях транзисторов также имеется зона, удаляющая коллектор от базы. А при работе с обычными транзисторами для предотвращения самовозбуждения используют метод, предложенный для высокочастотных схем на лампах еще до изобретения тетродов. Этот метод заключается в нейтрализации паразитной емкости путем приложения на управляющий электрод напряжений такой же амплитуды, но в противофазе. В ламповых схемах для этого использовался маленький «ней-тродинный» конденсатор, который часть усиленного напряжения передавал на сетку в противофазе.

Н. — По-моему, это своего рода обратная связь, и в транзисторных схемах она должна подаваться на базу. Но как в этих условиях выполнить требование о противофазе? Нужно ли включать специальный фазоинверторный каскад?

Л. — К чему такие усложнения? Всегда можно найти точку, где на? пряжение будет в противофазе по отношению к напряжению на коллекторе. В случае с трансформатором с ненастроенной вторичной обмоткой один из выводов этой обмотки и является такой точкой (рис. 115).

Н. — Следовательно, его просто-напросто соединяют с базой через конденсатор , емкость которого подобрана так, чтобы напряжения имели ту же амплитуду, что и напряжения, проходящие через емкость коллектор — база. А почему нельзя применять этот же способ с трансформатором, у которого вторичная обмотка тоже настроена?

Разве у него на одном из выводов вторичной обмотки не появляется напряжение с фазой, противоположной напряжению на первичной обмотке?

Л. — Увы, нет! После настройки вторичной обмотки напряжение на ее концах сдвинуто по фазе только на четверть периода Это несколько усложняет дело, и для получения нейтрализующего напряжения приходится применять небольшую вспомогательную обмотку. Однако вместо нее можно сделать у первичной обмотки вывод для соединения с отрицательным полюсом источника питания. Тогда конец первичной обмотки, расположенный по другую сторону от части, соединенной с коллектором, будет иметь напряжение в противофазе с напряжением на коллекторе. И нам остается только снять это напряжение и приложить его через конденсатор к базе.

Н. — А всегда ли нужно прибегать к нейтрализации в каскадах высокой и промежуточной частоты?

Л. — Нет. Часто затухания, вызванного малым сопротивлением транзисторов, достаточно, чтобы устранить всякую возможность самовозбуждения. А при транзисторах структуры p-n-i-p и дрейфовых транзисторах нейтрализация, как правило, не нужна вообще. Впрочем, заметь, Незнайкин, что я не изображал на схемах, чтобы сделать их более наглядными, никаких устройств температурной стабилизации (обратная связь с помощью сопротивления в цепи эмиттера), которые тоже применяются в каскадах высокой и промежуточной частоты.