НАША ЦЕЛЬ – ОПТИМИЗАЦИЯ

Проблема, с которой приходится сталкиваться во всех без исключения транзисторных усилителях, и не только в транзисторных и даже не только в усилителях, – это проблема согласования генератора с нагрузкой. Здесь оба понятия – «генератор» и «нагрузка» – имеют самый широкий смысл. Генератор – это любое устройство, любая электрическая цепь, которая отдает энергию. Нагрузка – любое устройство, любая цепь, которая эту энергию потребляет. Генератором является, например, микрофон, а его нагрузкой – входная цепь транзистора, к которой этот микрофон подключен. Генератором является и выходная цепь транзистора, работающего на громкоговоритель или какую‑либо другую нагрузку.

Количество энергии, которое генератор передает нагрузке, зависит не только от того, кто дает энергию, но и от того, кто ее берет. То, что генератор может в принципе отдать, например, 100 вт, еще совсем не означает, что нагрузка эти 100 вт сможет у него отобрать. И напряжение, которое генератор создаст на нагрузке, и ток в цепи, а поэтому и мощность, которую нагрузка получит от генератора, – все это зависит от того, насколько они будут согласованы, а конкретно – от того, насколько согласованы собственные сопротивления R_н и R_г нагрузки и генератора.

Проблема согласования генератора с нагрузкой, согласования источника энергии с ее потребителем, имеет весьма общий и, если хотите, даже философский смысл. Рассказывая об этой проблеме, можно было бы привести немало интересных примеров из самых разных областей. Можно было бы, например, вспомнить, что мощность, которую развивает автомобильный двигатель, используется тем лучше, чем больше грузов везет автомобиль, но что перегружать машину бессмысленно. Можно было бы вспомнить и о том, что польза, которую приносит человек‑работник, зависит не только от его сил и способностей, но еще и от подобранной работы. Слишком легкое дело и делать неинтересно, и толку от этого мало. Но в то же время вы вряд ли принесете пользу, взвалив на себя работу не по плечу, взявшись за дело, в котором ничего не понимаете.

Важность согласования генератора с нагрузкой можно было бы показать и на других примерах, взятых из техники, экономики, политики, взятых из самой жизни. Но мы не будем уходить в столь далекие области и обсудим проблему согласования на более простом примере – на примере обычной электрической лампочки.

Если вы спросите у продавца электромагазина, чем отличается лампочка на 60 вт от лампочки на 40 вт, то он хотя и обидится за праздный вопрос, но все же ответит (такая уж у продавца работа): лампочки отличаются тем, что одна горит значительно ярче другой. Но давайте попробуем не удовлетвориться таким ответом, а выяснить, почему лампочка на 60 вт горит ярче, чем лампочка на 40 вт, по каким своим характеристикам отличаются лампочки. И пусть об этом отличии расскажут не слова «ярче» или «слабее», а цифры.

Прежде всего договоримся, что к обеим лампочкам во всех случаях жизни подводится одно и то же напряжение, скажем для круглого счета, 120 в. Ясно, что, для того чтобы при одинаковом напряжении отобрать из электрической сети разную мощность, нужно пропустить через лампочки разный ток. Из известного выражения для мощности нетрудно вывести и формулу для подсчета этого токаI =P :U (Воспоминание № 4).

Теперь подсчитаем, что через сорокаваттную лампочку идет ток около 0,33 а (40:120 ~= 0,33), а через шестидесятиваттную 0,5 а (60:120 = 0,5). А то, что при одном и том же напряжении через лампочки идет разный ток, может означать только одно: лампочки имеют разное сопротивление. Выполнив простейший расчет по одной из формул закона Ома (R = U :I ), найдем, что сопротивление сорокаваттной лампочки около 360 ом (120:0,33 ~= 360), а сопротивление шестидесятиваттной лампочки 240 ом (120:0,5 = 240).

Итак, лампочки, отбирающие от источника энергии разную мощность, отличаются только сопротивлением: чем меньше сопротивление лампочки, тем больший ток по ней идет, тем большую мощность она отбирает от источника.

Не торопитесь, однако, на основании нашего примера делать общий вывод: «Чтобы повысить отбираемую от генератора мощность, надо уменьшать сопротивление нагрузки».

Вывод этот будет справедлив лишь до некоторого предела. Если постепенно уменьшать сопротивление нагрузки, то неизбежно наступит момент, когда отбираемая ею у генератора мощность не только не будет расти, но даже, наоборот, начнет уменьшаться. Чтобы понять, почему это происходит, придется вспомнить еще об одном герое, о котором мы пока умалчивали, – о внутреннем сопротивлении генератора.

В нашем примере генератор – это электрическая сеть, внутреннее сопротивление которой очень мало: практически оно составляет десятые и даже сотые доли ома. Чтобы не путаться со столь малыми цифрами и не потерять суть дела среди всех вычислений, перенесем все события в некоторую условную электрическую цепь, где действует генератор с более удобными для вычислений показателями, например, с внутренним сопротивлением R_г = 2 ом и электродвижущей силой Е = 6 в. Подключая к этому генератору разную нагрузку – например, лампочки с разным сопротивлением, – будем вычислять ток в цепи, напряжение, которое достается нагрузке, и отбираемую ею от генератора мощность.

Результаты таких вычислений, сделанных для семи разных сопротивлений нагрузки, приведены на рис. 81, и по этим результатам можно сделать исключительно важный и общий для всех систем генератор – нагрузка вывод: генератор передает в нагрузку наибольшую мощность, когда ее сопротивление равно внутреннему сопротивлению генератора, то есть когда R_г = R_н . Такой режим принято называть оптимальным, то есть наивыгоднейшим, а сопротивление нагрузки, при котором получается этот наивыгоднейший режим, – оптимальным сопротивлением R_н‑опт . Если сопротивление нагрузки сделать больше оптимального, то напряжение на ней возрастет, но уменьшится ток в цепи. При этом ток падает резче, чем растет напряжение, и в результате уменьшается мощность. Если сопротивление нагрузки сделать меньше оптимального, то ток в цепи возрастет, а напряжение на нагрузке упадет, и опять‑таки в итоге уменьшается мощность на нагрузке.

Рис. 81. Напряжение на нагрузке, ток в цепи и отбираемая у генератора мощность зависят от того, как нагрузка согласована с генератором.

Выбор сопротивления нагрузки зависит от того, что нужно потребителю: если, например, нужно большое напряжение, то следует включить R_н больше, чем R_н‑опт , мирясь при этом с уменьшением полученной от генератора мощности. Если, наоборот, нужен большой ток, то сопротивление R_н нужно брать поменьше и опять‑таки знать, что при этом отбираемая нагрузкой мощность будет меньше, чем могла бы быть при оптимальной нагрузке. Если сопротивление генератора значительно больше, чем сопротивление нагрузки (R_г >> R_н ), то говорят, что в цепи действует генератор тока. В этом случае ток в цепи мало зависит от R_н и при разных нагрузках оказывается примерно одинаковым. А если, наоборот, сопротивление генератора значительно меньше, чем сопротивление нагрузки (R_г << R_н ), тo говорят, что в цепи действует генератор напряжения, потому что почти вся э. д. с. достается нагрузке и напряжение на ней мало зависит от самого R_н .

Чаще всего мы будем стремиться к оптимальному режиму, к тому, чтобы передать от генератора в нагрузку наибольшую мощность. А для этого нужно согласовать нагрузку с генератором, сделать так, чтобы их сопротивления R_н и R_г были равны.

Но легко сказать «Добьемся согласования!», и не всегда легко его добиться. Особенно большие трудности возникают в транзисторном усилителе, где на каждом шагу встречаются в одной «упряжке» генератор и нагрузка с совершенна разными характерами, с совершенно разными сопротивлениями R_н и R_г . Проблема согласования при этом становится чуть ли не самой важной, и от того, насколько успешно и насколько просто она решена, в огромной мере зависит решение главной задачи усиления сигнала. Сейчас мы познакомимся с несколькими типичными попытками примирения генератора с нагрузкой, попытками согласовать их сопротивления.

Если один транзистор не в состоянии обеспечить нужное усиление, то усилительные каскады соединяют, как говорят маленькие дети, «паровозиком» и усиливают сигнал в несколько этапов, передавая его, подобно эстафете, с одного каскада на другой.

Для простоты представим себе двухкаскадный усилитель (рис. 82), где сигнал передается из выходной цепи первого каскада во входную цепь второго каскада. Отвлекаясь от того, что происходит с сигналом до и после этого, можно считать выход первого каскада генератором сигнала, а вход второго каскада – нагрузкой. О том, насколько в данном случае велики трудности согласования, можно судить хотя бы по рис. 74, где в числе других данных указаны входные и выходные сопротивления разных усилительных схем. Вы видите, что для наиболее популярной схемы ОЭ выходное сопротивление R_вых больше входного R_вх в десятки и сотни раз. Еще хуже обстоит дело в схеме ОБ – здесь R_вых может быть больше, чем R_вх чуть ли не в миллион раз.

Итак, входное сопротивление транзистора в наиболее распространенной схеме ОБ сильно отличается от выходного сопротивления – такова сама природа схемы. А это, в свою очередь, означает, что в многокаскадном усилителе из предыдущего каскада в последующий передается меньше энергии, чем при оптимальной связи между ними. Это, конечно, неприятно, но, как говорится, не смертельно. Выигрыш от введения дополнительного усилительного каскада всегда можно сделать больше проигрыша, неизбежного при передаче энергии из одного каскада в другой.

(Если, конечно, не испортить дело каким‑либо неудачным схемным решением. Например, неудачным выбором конденсатора связи С_р между каскадами. Емкость этого конденсатора должна быть достаточно большой. Настолько большой, чтобы на самой низкой из усиливаемых частот емкостное сопротивление конденсатора С_р было значительно меньше, чем входное сопротивление R_вx‑2 транзистора. Потому, что конденсатор и входное сопротивление транзистора образуют своего рода делитель напряжения, на котором делится на две части сигнал, получаемый от предыдущего каскада. И чем меньше емкостное сопротивление конденсатора С_р по сравнению с входным сопротивлением транзистора, тем большая часть сигнала достанется входной цепи транзистора и будет управлять его коллекторным током (рис. 82).

Рис. 82. Низкое входное сопротивление транзисторного усилителя трудно согласовать с высоким выходным сопротивлением предыдущего каскада.

Теперь попробуем пойти по другому пути: попытаемся согласовать высокое выходное сопротивление транзисторного усилителя (часто говорят «высокоомный генератор») с нагрузкой, имеющей малое сопротивление (часто говорят «низкоомная нагрузка»), при помощи трансформатора. Согласующий трансформатор используют, в частности, в выходном каскаде усилителя низкой частоты (НЧ), который работает на динамический громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки 5–15 ом (таблица 11). И хотя мы сейчас не пытаемся знакомиться с конкретными транзисторными усилителями, роль согласующего трансформатора все же удобно будет рассмотреть именно на этом примере.

Мы привыкли к тому, что трансформатор повышает или понижает напряжение и ток, а сейчас в этот комплект нужно будет включить еще и сопротивление.

Сам процесс передачи энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную (рис. 83) можно представить в виде электротехнического варианта знаменитой сказки «Дом, который построил Джек».

Рис. 83. Небольшое сопротивление громкоговорителя, включенное в коллекторную цепь через понижающий трансформатор, вносит в эту цепь достаточно большое сопротивление (нагрузку).

К первичной обмотке трансформатора подводится переменное напряжение, которое создает в этой обмотке переменный ток, под действием которого возникает охватывающее обе обмотки переменное магнитное поле, которое наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу, которая создает во вторичной обмотке ток, величина которого тем больше, чем меньше включенное во вторичную обмотку сопротивление. Но это еще только половина сказки.

Во второй ее половине следовало бы рассказать, каким образом все, что происходит во вторичной обмотке, бумерангом возвращается обратно в первичную. Ток во вторичной обмотке создает свое собственное переменное магнитное поле. Оно наводит электродвижущую силу в обмотке I, а следовательно, создает в ней ток I_I . Именно этот ток I_I наведенный из вторичной обмотки, является главным действующим лицом в первичной – разорвите цепь обмотки II, прекратите в ней ток, и практически до нуля упадет и ток в обмотке I. А иначе и быть не может. Сам трансформатор для себя никакой энергии не берет (если не считать небольших потерь в сердечнике и в проводах), и потребляемый им ток I_I зависит только от сопротивления нагрузки R_н , хотя она непосредственно в цепь генератора не включена.

Чтобы как‑то отразить влияние R_н на потребляемый трансформатором ток, удобно считать, что из вторичной обмотки в первичную вносится некоторое сопротивление R_н‑вн . Это своего рода «рука вторичной обмотки», определяющая величину тока I_I в первичной обмотке. А поскольку этот ток I_I в конечном итоге зависит от нагрузки R_н , то можно сказать, что вносимое сопротивление R_н‑вн также определяется сопротивлением R_н . Чем меньше R_н тем больше ток I_II и, следовательно, ток I_I . А увеличение тока в первичной цепи можно истолковать как уменьшение сопротивления R_н‑вн . Иными словами, чем меньше R_н , тем меньше и R_н‑вн . И наоборот, с увеличением R_н возрастает и R_н‑вн .

Изучая события в цепи первичной обмотки, очень удобно, позабыв о всех подробностях, считать вносимое сопротивление R_н‑вн истинной нагрузкой генератора.

Для нас самое важное то, что это сопротивление вносится из вторичной обмотки в первичную не «так на так». В зависимости от коэффициента трансформации n , то есть в зависимости от соотношения витков в обмотках, сопротивление R_н‑вн может быть либо больше R_н , либо, наоборот, меньше его. Это легко понять и без строгого анализа. Напряжения и токи в первичной и вторичной обмотках могут быть разными, а где разные токи и напряжения, там жди и разных сопротивлений.

Соотношение между коэффициентом трансформации n и сопротивлениями R_н и R_н‑вн можно вывести довольно просто, выполнив несколько элементарных алгебраических операций. Мы же поступим еще проще – найдем соотношение между этими величинами из простого числового примера. Предположим, что в коллекторную цепь транзистора включен понижающий трансформатор с такими данными: число витков первичной обмотки w_I =1000, вторичной – w_II = 250. Будем считать, что коэффициент трансформации n = 1000:250 = 4. (Принято считать, что коэффициент трансформации n – это отношение w_II: w_I , а не наоборот, и поэтому для понижающих трансформаторов n всегда меньше единицы. Но поскольку пользоваться этой малой величиной при расчетах не очень удобно, мы допустим некоторую вольность, считая, что в нашем понижающем трансформаторе n = w_I:w_II , а не w_II:w_I .)

Предположим, что на первичной обмотке действует переменное напряжение U_I = 4 в, а в цепь вторичной обмотки включен громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки R_н = 5 ом. Зная коэффициент трансформации n = 4, нетрудно подсчитать, что U_II = U_I: n = 4 в:4 = 1 в. При таком напряжении через R_н пойдет ток I_II = U_I: R_н = 1 в:5 ом = 0,2 а. А значит, ток в первичной обмотке I_I = I_II: n = 0,2 а: 4 = 0,05 а.

Теперь, если вы еще не забыли закон Ома, можно подсчитать и вносимое сопротивление: R_н‑вн = U_I: I_I = 4 в:0,05 a = 80 ом. Оно оказалось в шестнадцать раз больше, чем R_н . На рис. 83 показаны результаты подобного расчета и для разных коэффициентов трансформации. Пользуясь этими результатами, легко прийти к выводу, что, включив сопротивление через понижающий трансформатор, мы как бы увеличили это сопротивление, причем увеличили его в n ² раз, где n – коэффициент трансформации, равный w_I:w_II . А отсюда еще один вывод: понижающий трансформатор позволяет согласовать низкоомную нагрузку с генератором, имеющим высокое внутреннее сопротивление, и, в частности, согласовывать низкоомный динамический громкоговоритель с большим выходным сопротивлением транзистора.

Иногда согласующий трансформатор применяют и для межкаскадной связи – он позволяет идеально согласовать малое входное сопротивление транзисторного усилителя с большим выходным сопротивлением предыдущего каскада. А то> что во многих случаях конструкторы отказываются от межкаскадного согласующего трансформатора, часто связано лишь с его сравнительно высокой стоимостью. Поэтому оказывается выгодней применить вместо трансформатора пару резисторов и конденсатор, отказавшись от оптимального согласования.

Трансформаторная связь применяется для согласования низкоомного входного сопротивления транзистора с другим высокоомным генератором, колебательным контуром (рис. 84).

Рис. 84. Для того чтобы низкое входное сопротивление транзистора не шунтировало контур, приходится ослаблять связь между ними.

В радиоприемнике колебательный контур получает энергию непосредственно из антенны или из коллекторной цепи усилителя высокой частоты. Не задумываясь над тем, что происходит до контура, его можно считать генератором, который, как обычно, передает энергию потребителю – детектору или входной цепи следующего каскада. Давайте посмотрим, как в этом последнем случае осуществляется согласование генератора с нагрузкой.

Внутреннее сопротивление контура‑генератора зависит от того, как к нему подключить нагрузку. Если подключить R_н параллельно контуру, то он ведет себя как генератор с очень большим эквивалентным сопротивлением – десятки, а иногда сотни ком (верхний листок). Если включить нагрузку в контур последовательно, то он уже представляется генератором с очень небольшим (буквально несколько ом) внутренним сопротивлением (нижний листок). Оба варианта для нас невыгодны – при параллельном подключении к контуру его сопротивление слишком велико, а при последовательном – слишком мало (Воспоминание № 19). А поскольку именно с этим сопротивлением нужно согласовывать нагрузку и поскольку такой нагрузкой является транзистор, можно сказать, что последовательно в контур можно включать входную цепь транзистора, если ее сопротивление очень мало, а параллельно контуру можно подключать входную цепь транзистора, если ее сопротивление очень велико.

Сравнение разных возможностей согласования входной цепи транзистора с колебательным контуром показало, что лучше всего подключать к нему параллельно усилитель по схеме ОЭ, входное сопротивление которого обычно составляет несколько килоом. Однако подключить такое сопротивление непосредственно к контуру нельзя, так как при этом мы не получим никакого согласования. Контур, имеющий эквивалентное сопротивление десятки килоом, отдаст транзистору намного, меньше энергии, чем мог бы. Но это, пожалуй, еще не самое страшное – потери энергии можно как‑нибудь восполнить, например, включив в усилитель еще один каскад.

Шунтирование контура малым входным сопротивлением транзистора влечет за собой еще одну неприятность, последствия которой устранить уже не так просто. При шунтировании контура ухудшается его добротность Q (Воспоминание № 19). А в результате уменьшения Q притупляется резонансная кривая, и контур почти совсем перестает выполнять свою основную работу – перестает выделять сигнал принимаемой станции. Иными словами, шунтируя колебательный контур, мы ухудшаем его избирательность.

Согласование колебательного контура с входной цепью транзистора чаще всего осуществляется с помощью понижающего трансформатора. При этом сопротивление R_н‑вн , как мы уже знаем, оказывается больше, чем сопротивление R_н , и контур шунтируется в меньшей степени, чем это было бы при непосредственном его подключении к. транзистору.

Роль первичной обмотки согласующего трансформатора прекрасно выполняет сама контурная катушка L_к . Рядом с ней располагают катушку связи L_св , которая представляет собой не что иное, как вторичную обмотку трансформатора. Чем меньше витков у катушки связи, тем больше коэффициент трансформации, тем больше сопротивление R_н‑вн , шунтирующее контур, тем, следовательно, выше его добротность. Но, с другой стороны, уменьшая число витков катушки L_св , мы понижаем и напряжение на ней, то есть понижаем напряжение сигнала U_сиг на входе транзистора.

В отличие от трансформатора, на стальном сердечнике в высокочастотном согласующем трансформаторе можно менять вносимое сопротивление еще одним способом – сближая либо раздвигая катушки L_к и L_св . Именно таким способом, как правило, окончательно подбирают наивыгоднейшую, оптимальную связь. Раздвигание катушек равносильно увеличению коэффициента трансформации: если раздвигать катушки L_к и L_св , то напряжение U_сиг падает, а добротность контура Q растет. Что же касается мощности, поступающей от генератора к нагрузке, то есть от контура к транзистору, то при раздвигании катушек эта мощность сначала растет, а затем, после того как вы пройдете точку оптимальной связи, уменьшается.

Что же лучше потерять – добротность контура или уровень управляющего напряжения? Здесь все зависит от того, в чем вы больше нуждаетесь. Так, например, если в приемнике всего один контур, то, может быть, и стоит несколько поднять его избирательность, ослабив связь между катушками и смирившись с потерей, получаемой от контура мощности (это в итоге скажется на громкости приема). Однако, как правило, связь между катушками L_к и L_св подбирают так, чтобы получить оптимальное согласование генератора с нагрузкой, то есть передать из контура на вход транзистора наибольшую мощность. При этом, кстати, и добротность получается достаточно высокой. Во всяком случае, если, добившись оптимальной связи, вы будете и дальше раздвигать катушки, то добротность повысится уже незначительно, в то время как мощность, поступающая на вход транзистора (а в итоге и громкость приема), резко уменьшится.

Наряду с согласующим трансформатором иногда применяют еще и автотрансформатор, сделав, например, отвод у контурной катушки (рис. 43). При этом уменьшение числа витков, к которым подключена нагрузка, равносильно раздвиганию катушек согласующего трансформатора.

В транзисторных усилителях проблема согласования – это, по сути дела, проблема межкаскадной связи, проблема передачи энергии от «начала» к «концу» усилителя, от предыдущего каскада к последующему. Но помимо этой прямой, нормальной связи в усилителях, в том числе и в транзисторных, может быть еще и обратная связь – передача энергии от «конца» усилителя к его «началу». Именно об этой обратной связи сейчас пойдет речь.

ФОКУСЫ С ФАЗАМИ

Обратная связь – сокращенно ОС – в транзисторных усилителях возникает тогда, когда часть мощности выходного сигнала по каким‑то путям попадает во входную цепь. Из‑за этой самой ОС во входной цепи уже действуют два сигнала, два управляющих напряжения – истинный сигнал U_сиг , поступивший, например, из предыдущего каскада, и собственный сигнал U_ос , поступивший из собственной коллекторной цепи транзистора.

Хотим мы этого или не хотим, но обратная связь существует в любом транзисторном усилителе. Она возникает, например, и из‑за того, что входная и выходная цепи имеют некоторые общие участки в самом транзисторе. Так, в схеме ОЭ (рис. 67) коллекторный ток проходит по участку эмиттер – база, а этот участок, естественно, входит и во входную цепь. В итоге любое изменение коллекторного тока приводит к некоторому изменению управляющего напряжения, а это не что иное, как обратная связь.

Обратная связь может возникать и вне транзистора. Так, например, если в усилительном каскаде имеются два колебательных контура – во входной и в выходной цепи – то совсем не исключено, что катушка выходного контура своим электромагнитным полем наведет напряжение в катушке входного контура. И это тоже будет обратная связь, обратное влияние выходной цепи на входную.

Если напряжение U_ос обратной связи, попавшее во входную цепь, действует согласованно с ее основным жителем – напряжением сигнала U_сиг , иными словами, если U_сиг и U_ос совпадают по фазе, то обратная связь называется положительной (рис. 85).

Рис. 85. Положительная обратная связь увеличивает управляющее напряжение, отрицательная обратная связь уменьшает его.

Если же напряжение обратной связи приходит во входную цепь, чтобы мешать ее основному сигналу, если напряжения U_сиг и U_ос действуют в противофазе, то обратная связь называется отрицательной.

Не нужно долгих рассуждений, чтобы прийти к выводу, что положительная обратная связь, по сути дела, повышает усиление каскада: напряжения U_сиг и U_ос складываются, общее управляющее напряжение становится больше, увеличиваются переменные составляющие эмиттерного и коллекторного токов, и в итоге растет напряжение на нагрузке. А от источника сигнала мы при этом никакой дополнительной помощи не просим. Выходной сигнал, а вместе с ним и усиление каскада увеличиваются «бесплатно», только за счет внутренних ресурсов, за счет положительной ОС.

При введении отрицательной обратной связи все происходит наоборот: напряжения U_сиг и U_ос действуют в противофазе, общее управляющее напряжение с введением отрицательной ОС становится меньше, а в итоге становится меньше и выходной сигнал. Иными словами, отрицательная обратная связь в итоге уменьшает усиление каскада.

На основании сказанного так и хочется сделать вывод, что положительная обратная связь – это хорошо, а отрицательная – это плохо. Однако не стоит торопиться с выводами. Человек, как известно, «не хлебом единым жив», а от усилителя требуется не одно только большое усиление.

Положительная обратная связь действительно без дополнительных затрат повышает усиление. Этим достоинством положительной ОС пользуются, например, когда хотят как можно дешевле построить приемник с высокой чувствительностью (то есть без дополнительных транзисторов и практически без дополнительного расхода энергии батарей).

Если в погоне за усилением все больше и больше увеличивать обратную связь, то можно вообще потерять все на свете, подобно тому как это было с жадной старухой в «Сказке о рыбаке и рыбке». Но жизнь старухи после того, как она превысила некоторый порог жадности, скачком вернулась в исходное состояние, а в усилителе после того, как будет превышен некоторый допустимый порог положительной ОС, произойдет скачок совсем другого рода – усилитель вообще исчезнет. То есть все транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали останутся на месте, но усилителя не будет – он превратится в генератор. При слишком сильной положительной обратной связи возникает самовозбуждение – из выходной цепи во входную поступает напряжение настолько большое, что, преодолев все потери, оно управляет коллекторным током без всякой посторонней помощи, без сигнала U_сиг . В итоге такого самоуправления ток в коллекторной цепи меняется, на нагрузке действует переменное напряжение. Небольшая часть выходного напряжения возвращается во входную цепь, чтобы поддерживать этот непрекращающийся процесс.

О превращении усилителя в генератор мы еще поговорим (стр. 303). А пока лишь отметим, что самовозбуждение – это и есть главная неприятность, которую приносит с собой положительная обратная связь. И то, что в транзисторных усилителях не столько вводят положительную обратную связь, чтобы поднять усиление, сколько борются с паразитной, возникающей помимо нашего желания положительной ОС, которая делает работу усилителя неустойчивой, приводит к его самовозбуждению.

В то же время отрицательная обратная связь, которая неизбежно снижает усиление и от которой, казалось бы, ничего хорошего и ждать нечего, пользуется большой популярностью, потому что с помощью отрицательной ОС можно сделать много полезных дел, например – повысить входное сопротивление усилительного каскада и тем самым облегчить его согласование с предыдущим каскадом.

Увеличение входного сопротивления в этом случае объясняется довольно просто. Из‑за отрицательной ОС переменная составляющая тока во входной цепи уменьшается, хотя источник сигнала какое давал напряжение U_сиг , такое и дает. А то, что при неизменном напряжении уменьшается ток, равносильно повышению входного сопротивления (рис. 56).

Вооружившись этой простой истиной, мы можем теперь совсем по‑другому взглянуть на схему с общим коллектором (рис. 73). В этой схеме выходное напряжение полностью попадает во входную цепь – между базой и эмиттером действуют два напряжения U_вх и U_вых . Иными словами, усилитель с общим коллектором охвачен очень глубокой обратной связью. Эта обратная связь оказывается отрицательной: когда сигнал U_сиг увеличивает на базе «минус», выходное напряжение U_вых увеличивает «минус» на эмиттере. В результате такого противодействия со стороны U_вых уменьшается переменная составляющая тока во входной цепи (при неизменном U_сиг ), поэтому схема ОК обладает очень высоким входным сопротивлением. По этой же причине она не дает никакого усиления по напряжению.

Здесь, на самом интересном месте, мы прервем рассказ о достоинствах и недостатках обратной связи, о том, как сложно формируются понятия «хорошо» и «плохо», когда дело касается электронных схем. Мы прервем свой рассказ потому, что с некоторыми особенностями обратной связи удобней будет познакомиться в следующих главах, на примерах ее практического использования. А сейчас наступила очередь «последнего сказанья» об абстрактном усилителе, после чего мы сможем наконец перейти к конкретным усилительным схемам.

БРОСОК НА ЮГ

Даже не совершая длительных многодневных путешествий, можно почувствовать, как велики просторы нашей страны. Можно, например, подсчитать, что на ее территории разместится пятьдесят тысяч таких гигантов, как Москва, и население получившегося при этом «супергорода» составит примерно триста миллиардов человек – в сто раз больше, чем на всем земном шаре. А еще можно представить себе, как жители Бреста, прогуливаясь после трудового дня по улицам своего тихого зеленого города, любуются яркими красками заката и как в то же самое время солнце уже выплывает из‑за горизонта с другой стороны земного шара и начинает новый день во Владивостоке. Можно, наконец, просто послушать по радио сводку погоды и убедиться, что в начале марта, когда официально начинается весна, в Норильске еще стоят двадцатиградусные морозы, а в Сухуми уже двадцатиградусная жара.

Если в такое время года вам понадобится пересечь страну с севера на юг, то наверняка придется положить в чемодан и теплую зимнюю шапку, и летние сандалии. А если захотите взять с собой в дорогу самодельный транзисторный приемник, то обязательно нужно будет принять меры, чтобы он без осложнений перенес столь резкое изменение климата. Потому что сами транзисторы очень чувствительны к изменению температуры, и если не принять мер, то приемник, сделанный и налаженный при средней комнатной температуре, может совсем не работать под жаркими лучами южного солнца.

Мы уже несколько раз говорили, что в полупроводнике при изменении температуры резко – примерно в два раза на каждые десять градусов – меняется число собственных (неосновных) зарядов. В диоде эти неосновные заряды создают обратный ток I_обр (рис. 17, 21), а в транзисторе из них образуется обратный ток коллектора I_ко (рис. 60).

При нагревании диода из‑за увеличения I_обр pn ‑переход достигает границы допустимой мощности при более низком напряжении, и поэтому столь важная характеристика, как допустимое обратное напряжение диода, заметно понижается. Эта же неприятность происходит и при нагреве транзисторов. Так, например, если при температуре 20 °C коллекторный переход транзистора спокойно выдерживает напряжение 50 в, то при температуре 60 °C он может оказаться пробитым уже при напряжении 20 в. Но это еще не все.

Нагрев транзистора может привести к еще одной и притом очень серьезной неприятности – к резкому изменению режима и параметров транзисторного усилителя. И это опять‑таки связано с ростом начального тока коллектора I_ко из‑за увеличения числа собственных (неосновных) зарядов.

Разные схемы усилителей по‑разному меняют свой режим под влиянием температуры, даже если в этих схемах работают одинаковые транзисторы, с одним и тем же начальным током. Так, в частности, схема ОБ свой режим меняет в очень малой степени. Обратный ток коллектора I_ко в этой схеме только и делает, что прибавляется к основному коллекторному току I_к . А поскольку I_к , как правило, значительно больше, чем I_ко , то, как бы ни менялся этот последний, он не может заметно повлиять на общий коллекторный ток.

Подтвердим это числовым примером. В реальном случае в усилительном каскаде с маломощным транзистором I_к составляет 2 ма, а обратный ток I_ко при комнатной температуре 20 °C у средних транзисторов равен 10 мка. Допустим, что транзистор нагреется до 70 °C и его обратный ток, увеличившись в 32 раза (при нагревании на 10 °C ток I_ко растет в два раза, а значит, при нагревании на 50° он увеличивается в 2⁵ = 32 раза), возрастет до 320 мка. При этом коллекторный ток увеличится до 2,32 ма (2 ма + 320 мка), то есть примерно на 16 %. Таким сравнительно небольшим изменением коллекторного тока, как правило, можно пренебречь. Но, повторяем, вся эта картина относится только к схеме ОБ, где I_ко только увеличивает коллекторный ток, и ничего больше.

Совсем по‑другому развиваются события в схемах ОЭ и ОК, где коллекторный ток проходит по эмиттерному рn ‑переходу и поэтому оказывает влияние на режим транзистора через главный командный пункт – через входную цепь. В итоге получается, что всякое изменение неуправляемого тока I_ко усиливается в β раз, то есть при нагревании изменение коллекторного тока оказывается в β раз больше, чем изменение самого I_ко .

Давайте прикинем, к чему приводит «усиление нестабильности» – усиление тока I_ко . Так же как и в предыдущем примере, предположим, что при комнатной температуре 20 °C ток I_ко = 10 мка, а при температуре 70 °C этот ток увеличивается до 320 мка. Кроме того, предположим, что коэффициент усиления по току у выбранного транзистора равен β = 50. Теперь подсчитаем: в схеме ОЭ начальный ток I_к‑н (строго говоря, этот ток нужно называть сквозным током в цепи эмиттер‑коллектор) будет равен при комнатной температуре I_к‑н(20) = β ·I_ко = 50·10 = 500 мка. При нагревании транзистора до 70° коллекторный ток I_к‑н , как и в предыдущем примере, увеличится в 32 раза (потому что в 32 раза возрастет I_ко ) и станет равным 16 ма.

Это большая, очень большая величина. Ведь нормальный, управляемый ток коллектора, возникающий за счет впрыскивания зарядов из базы у маломощного транзистора обычно составляет 2–5 ма. Иными словами, в схеме ОЭ коллекторный ток при нагревании транзистора может увеличиться не на несколько процентов, как в схеме ОБ, а в несколько раз!

Так оборачивается для нас серьезной неприятностью одно из главных достоинств схемы ОЭ – усиление по току. Усиливая полезный ток – ток сигнала, – схема ОЭ «по инерции» усиливает нестабильный и неуправляемый ток I_ко , который вынужден проходить через эмиттерный рn ‑переход. (Другого пути для этого тока нет – неосновным зарядам, попавшим из базы в коллектор, проще всего вернуться обратно в базу, пробравшись через всю коллекторную цепь и через эмиттер.)

Из‑за появления большого начального коллектора тока все семейство статических характеристик при нагревании транзистора резко сдвинется вверх и рабочий участок нагрузочной прямой уменьшится (рис. 86, 87).

Рис. 86. Разные схемы по‑разному ведут себя при изменении рабочей температуры.

Рис. 87. Чтобы уменьшить влияние температуры на режим транзистора, применяют схемы, стабилизующие начальное смещение на базе.

В результате уменьшатся переменная составляющая коллекторного тока и переменное напряжение на нагрузке, меньше станет усиление каскада. Вот к каким неприятностям приводит в схеме ОЭ небольшое, казалось бы, увеличение обратного тока I_ко ! Возможные масштабы этих неприятностей огромны. Практически усиление может уменьшиться до такой степени, что каскад вообще перестанет усиливать, не говоря уж о том, что с увеличением начального коллекторного тока резко сокращается срок службы коллекторной батареи.

Ясно, что изменение режима при нагревании будет меньше у тех транзисторов, у которых меньше сам неуправляемый обратный коллекторный ток I_ко . А величина этого тока уже зависит от свойств полупроводникового материала; например, от того, сколько в нем неосновных зарядов. В нашем примере обратный ток коллектора составлял 10 мка, и при сильном нагревании транзистора это привело к появлению начального, то есть неуправляемого, тока 16 ма. Если бы удалось снизить I_ко хотя бы в двадцать раз, то есть до 0,5 мка, то и начальный коллекторный ток при температуре 70 °C тоже не превысил бы 0,8 ма. Это тоже немало, но с такой величиной начального коллекторного тока, пожалуй, уже можно было бы мириться.

Из всего сказанного, по‑видимому, ясно, почему при выборе транзистора для той или иной схемы обращают серьезное внимание на обратный ток коллектора I_ко (рис. 88).

Рис. 88. Чем меньше неуправляемый начальный ток коллектора по сравнению со средним током транзистора, тем меньше температура влияет на режим.

Чем меньше I_ко у данного транзистора, тем стабильней он работает при изменении температуры, тем большим может быть рабочий участок нагрузочной прямой, тем, следовательно, больше выходное напряжение и переменная составляющая коллекторного тока, тем меньше потребление тока от коллекторной батареи. Обратный ток коллектора I_ко можно считать вторым по важности параметром транзистора после коэффициента усиления по току β . В таблице параметров обычно указывают величину I_ко с некоторым запасом, и для многих транзисторов этот ток оказывается значительно меньше.

Уменьшение обратного тока коллектора – трудная задача, над решением которой работают физики, химики, технологи, конструкторы, – словом, все, кто участвует в создании транзисторов. В решении этой задачи в последние годы заметен значительный прогресс. Так, в частности, для многих типов серийных транзисторов величина I_ко не превышает 1–2 мка, в то время как еще несколько лет назад у лучших образцов транзисторов обратный ток редко был меньше 5–15 мка. (Учтите, что все эти цифры относятся к транзисторам небольшой мощности, для которых максимальный коллекторный ток не превышает нескольких десятков ма . У мощных транзисторов коллекторный ток во много раз больше – вплоть до нескольких ампер, – и поэтому приемлемая величина I_ко также значительно больше.) Предполагается, что в будущем удастся настолько уменьшить I_ко , что его влиянием можно будет пренебречь. Ну, а пока, для того чтобы уменьшить влияние неуправляемого обратного тока на режим транзистора, пользуются схемами температурной стабилизации режима.

Когда мы говорим об автоматике и автоматах, то, как правило, представляем себе очень сложные устройства с огромным числом деталей, соединительных проводов, электронных ламп, электромагнитных пускателей и реле. Для такого представления об автоматах есть достаточно веские причины. Даже самый, казалось бы, простой из них, такой, например, как автомат для продажи газированной воды, если заглянуть вовнутрь, представляется очень сложной и замысловатой установкой.

В последние годы человеческий разум действительно создал изумительные по своей сложности, по своей «разумности» автоматы – устройства, которые умеют самостоятельно, без помощи человека, управлять различными процессами и аппаратами. Это автоматы, управляющие прокатным станом, огромной электростанцией, космическим кораблем. Это автоматы, которые умеют играть в шахматы, фотографировать с близкого расстояния поверхность Луны, поддерживать нормальный ритм больного сердца.

Но наряду с автоматическими установками, если можно так сказать, высшего ранга, на каждом шагу нам встречаются и очень простые автоматы, выполняющие самые разнообразные мелкие поручения человека. К таким автоматам можно отнести предохранитель, мгновенно разрывающий электрическую цепь при коротком замыкании, автомат для выключения проигрывателя, когда кончается пластинка, автоматический переключатель на елке. К числу простейших автоматов можно отнести и схемы, стабилизирующие режим транзистора.

Почти все схемы автоматической стабилизации работают на одном принципе: они следят за работой транзистора и автоматически компенсируют всякое изменение режима, которое происходит при нагревании.

Две наиболее распространенные схемы автоматической стабилизации делают это следующим образом: при малейшем увеличении постоянного коллекторного тока они как бы уменьшают начальное смещение на базу и тем самым стараются вернуть коллекторный ток к первоначальной величине.

Простейшая схема термостабилизации (рис. 87, листок Б ) отличается от схемы, где никакой стабилизации вообще нет (рис. 87, листок А ), только тем, что сопротивление R_б , с помощью которого задается смещение на базу, подключено не к «минусу» коллекторной батареи, а прямо к коллектору. Это незначительное отличие приводит к весьма значительным последствиям, причем не только к хорошим, но и к плохим.

Дело в том, что при подключении R_б к коллектору не остается постоянным отрицательное смещение, которое поступает на базу. Чем больше коллекторный ток, тем больше падение напряжения на нагрузке R_н , тем меньше напряжение, которое остается на коллекторе, тем меньше и небольшая доля этого напряжения, которая достается эмиттерному переходу и является для него начальным смещением U_см .

С одной стороны, хорошо: когда из‑за повышения температуры возрастет коллекторный ток, то одновременно уменьшится смещение U_см и заставит коллекторный ток тоже уменьшиться. Этим, собственно говоря, и будет достигаться автоматическая стабилизация режима.

Но, с другой стороны, подключение R_б не к «минусу», а к коллектору ухудшит усилительные свойства каскада. Всякое изменение коллекторного тока, в том числе и те изменения, которые возникают под действием усиливаемого сигнала, и являются его «мощной копией», будут через R_б воздействовать на базу и будут пытаться сами себя уменьшить. Иными словами, сопротивление R_б , подключенное к коллектору, становится элементом обратной связи, причем именно отрицательной обратной связи, которая, как известно, снижает усиление каскада. Вот почему схема температурной стабилизации, о которой идет речь, применяется там, где не жалко платить усилением за простоту.

Вторая схема термостабилизации (рис. 87, листок В ) хотя и сложнее первой (для второй схемы нужны два дополнительных резистора и один конденсатор), хотя и потребляет от батареи некоторую дополнительную энергию, однако применяется значительно чаще. Ей отдают предпочтение, очевидно, потому, что эта схема позволяет во много раз ослабить влияние температуры на режим каскада и при этом не ухудшает его основных параметров. Прежде всего не снижает усиления.

Идея, на которой построена эта схема, довольно проста. Смещение на базу, то есть постоянное напряжение, действующее между базой и эмиттером, складывается в этой схеме из двух действующих последовательно напряжений. Одно из них – U''_см – образуется на резисторе R_э за счет проходящего по нему коллекторного тока. Полярность напряжения U''_см , как всегда в таких случаях, определяется направлением тока, который проходит по R_э . А направление коллекторного тока таково, что «минус» напряжения U''_см всегда направлен в сторону эмиттера, а «плюс» – в сторону базы. Иными словами, напряжение U''_см стремится создать на базе положительное, то есть запирающее, напряжение – «плюс» на базе отталкивает дырки назад к эмиттеру.

Второе напряжение, которое участвует в создании смещения, – это U'_см . Оно образуется на резисторе R_б2 , который представляет собой часть делителя R_б1R_б2 . Этот делитель делит коллекторное напряжение, и часть его, а именно U'_см , подается «минусом» на базу, то есть напряжение U'_см стремится создать на базе «минус» относительно эмиттера, стремится отпереть транзистор.

Если включить последовательно две батарейки, причем так, чтобы они действовали друг против друга, то результирующее напряжение будет равно разности напряжений, которые дают эти батарейки. Точно так же напряжение, которое получится в результате взаимодействия U'_см и U''_см в одной последовательной цепи, равно разности этих напряжений. При этом U'_см больше, чем U''_см , и на базе оказывается «минус». (Иначе и быть не может – «плюс» запер бы триод и U''_см вообще исчезло бы.) А если по каким‑нибудь причинам будет меняться одно из этих двух напряжений, то одновременно будет меняться и их разность – результирующее смещение U_см = U''_см– U'_см .

При налаживании усилительного каскада его элементы выбирают так, чтобы U'_см было несколько больше, чем U''_см , и чтобы их разность давала нужное отрицательное смещение на базу. Когда при повышении температуры возрастает коллекторный ток, то одновременно увеличивается и напряжение U''_см = I_к ·R_э . В итоге меньше становится разностное напряжение U_см , уменьшается «минус» на базе. А это приводит к уменьшению коллекторного тока, то есть к стабилизации режима.

Чтобы резистор R_э не стал элементом отрицательной обратной связи, по переменному току, его шунтируют конденсатором.

Эффект автоматической стабилизации проявляется тем сильнее, чем больше сопротивление R_э. Но, с другой стороны, увеличивать R_э нежелательно, так как на нем теряется некоторая часть напряжения коллекторной батареи. Так, например, если батарея дает 4,5 в, а напряжение U''_см равно 1 в, то «работающая часть» коллекторного напряжения, то есть то, что действует между нагрузкой и эмиттером, уменьшается до 3,5 в.

Второе ограничение эффективности схемы также связано с использованием коллекторной батареи. Дело в том, что схема стабилизирует режим тем лучше, чем меньше общее сопротивление делителя R_б1R_б2 . В этом случае напряжение U'_см в меньшей степени зависит от проходящих по делителю собственных токов транзистора. Однако, чем меньше общее сопротивление делителя R_б1R_б2 , тем больше ток, который потребляется этим делителем от коллекторной батареи. Вот и приходится искать «золотую середину» – выбирать элементы схемы так, чтобы и режим был стабильным, и перерасход энергии не оказался слишком большим.

Вот примерные данные деталей и режим схемы, приведенной на листке В , рис. 87. В усилителе высокой частоты на транзисторе П420 детали могут иметь следующие данные: R_н – 5,1 ком, R_э – 1,5 ком, R_б1 – 20 ком, R_б2 – 5,1 ком и С_э – 0,05 мкф (в низкочастотном усилителе эта емкость должна была быть во. много раз больше, чтобы емкостное сопротивление конденсатора С_э всегда было значительно меньше, чем R_э ). При питающем напряжении коллекторной батареи 9 в на отдельных участках такой схемы в режиме покоя (когда нет сигнала) и при комнатной температуре получаются напряжения: на коллекторе U_к равно 4,1 в; U''_см на резисторе R_э равно 1,4 в; U'_см на резисторе R_б1 равно – 1,5 в. Все напряжения измерены относительно общего «земляного» провода, например относительно точки а . Поэтому все напряжения указаны со знаком «минус» – легко убедиться, что относительно точки а эти напряжения – U'_см, U''_см и U_к – отрицательны. Таким образом, общее напряжение смещения U_см равно U_см = U''_см – U'_см = 1,4 в – 1,5 в = –0,1 в. Отрицательным оно оказалось потому, что U'_см больше, чем U''_см , и таким образом на базе относительно эмиттера действует «минус».

Увеличение обратного тока коллектора при нагревании может вообще вывести транзистор из строя. Подобная опасность возникает в том случае, если к транзистору, включенному по схеме ОЭ или ОК, подведено коллекторное напряжение, а база при этом вообще никуда не подключена и «висит в воздухе». Появившийся начальный коллекторный ток создаст на эмиттерном pn ‑переходе небольшое напряжение, которое своим «минусом», приложенным к базовой области, слегка отопрет транзистор. При этом коллекторный ток слегка увеличится, кристалл немного нагреется, возрастет число неосновных зарядов. Это «цепная реакция». Ток лавинообразно нарастает, и за какие‑нибудь доли секунды наступает тепловой пробой одного из рn ‑переходов.

Чтобы избежать этой разрушающей лавины, не нужно допускать появления «висящей базы». А для этого при монтаже или налаживании транзисторных схем рекомендуется базу подключить первой, а отключать последней (рис. 89).

Рис. 89. Если подано напряжение на коллектор, а база никуда не подключена, то в транзисторе может произойти лавинообразное нарастание тока и в итоге – тепловой пробой.

Приведенные конкретные данные деталей и режимы транзистора, а также рекомендации относительно «висящей базы» знаменует для нас довольно важное событие. Мы завершаем знакомство с транзисторным усилителем в общем виде и от абстрактного усилителя переходим к конкретному. Переходим к практическим транзисторным схемам.

Глава IV